大孔隙环保降噪沥青路面融冰雪涂层研究

■郑雪莎

（保定市交通运输局望都县养路工区，保定 072450）

0 引言

2017年冬季，我国北方地区出现大面积降雪，多个省区高等级公路出现不同程度的冰冻灾害。相关研究表明：干燥沥青路面、积雪路面、结冰路面的附着系数分别为0.6、0.2、0.15[1]。路面积雪结冰后附着系数显著降低，将导致汽车出现打滑、刹车失灵等现象，存在严重安全隐患。现有道路除冰技术主要包括：被动式除冰技术和主动式除冰技术两种。被动式除冰技术应用最为广泛，主要包括：人工除冰、机械除冰、微波除冰、融雪剂除冰等[2]。主动式除冰技术包括：热力除冰和抑制冻结铺装除冰等[3-4]。人工除冰、微波除冰、机械除冰的效率较低，而且每次作业成本较高；融雪剂除冰容易腐蚀路面和危害植物；热力除冰能耗大、费用高。因此，抑制冻结铺装类技术逐渐受到研究人员的青睐。抑制冻结铺装类技术主要通过在沥青路面上铺装非氯盐类涂层或混合型融雪涂层，实现主动除冰。美国DOT公司于上世纪80年代提出了非氯盐类涂层，该涂层的主要成分为醋酸钙镁[2]；随后Robert等通过在氯盐中添加碳水化合物和磷酸盐，制备了一种混合型融雪涂层[5]。基于国内外研究现状，本文提出了一种大孔隙环保降噪沥青路面融冰雪涂层，希望为今后沥青路面融雪除冰涂层设计提供技术参考。

1 融冰雪涂层原理

融冰雪涂层属于表面改性路面预防性养护措施，通过在沥青路面上喷洒雾状液体封层材料，使其形成一层保护膜，达到融雪除冰的目的。融冰雪涂层内部的融冰物质可以使水的冰点低于冬季最低温度，使雪水从大孔隙沥青中自行流走。水的冰点降低可用稀溶液原理来解释。稀溶液中的蒸汽压力、凝固点、沸点和渗透压力只与溶质在溶液中的含量有关，与溶质性质无关。与纯溶剂相比，稀溶液的一些物理性质会发生改变，如蒸汽压力下降，凝固点下降、沸点上升等。

为了使融冰雪涂层具有较好的除冰能力，本文借鉴药物控释的思想，将涂层中的融雪材料加载到多孔材料中，然后用聚合物纤维素膜密封载体沟道，使得雪水可以缓慢释放，达到持续融化冰雪的效果。当车辆通过路面上的融冰雪涂层时，必然会对融冰雪涂层产生磨损。涂层与路面间的粘附性能决定其耐久性，耐久性是指涂层在复杂道路环境中的稳定性和持久性。涂层耐久性差会导致涂层失效，严重影响其使用寿命。阳离子乳化沥青是一种价廉易得、与路面有良好粘结性的水性胶粘剂。作为路面封层，阳离子乳化沥青可以增加路面的颜色和吸热效果。同时，阳离子乳化沥青还可以密封路面上的小裂缝，防止路面受到水损害。但阳离子乳化沥青作为融冰雪涂层粘结剂时，不能满足耐久性的要求。因此对阳离子乳化沥青进行改性以满足粘附性和耐磨性的要求。

本项目研制的乳化沥青改性胶粘剂是一种稳定性好、水分散性好的水分散性胶粘剂。将融雪物质加入到涂层，必须解决两个问题：其一是“数量”问题，融雪物质的量必须能够确保雪水可以被载体吸收，其二是融雪材料应缓慢而持久地释放，以保证融雪层的持久性，涂层应具有1～2年使用寿命。

2 融冰雪涂层制备

本文选用的粗集料为玄武岩，骨料采用的AC-13。粘结料采用改性沥青，添加剂选取乳化沥青改性胶粘剂。大孔隙环保降噪沥青孔隙率较大，其强度与普通大粒径沥青混合料接近。本文采用的改性沥青混合料的空隙率为20%，级配曲线见图1。

图1 改性沥青混料级配曲线

根据沥青混料级配情况，设计了3.7%、4.2%、4.6%、5.0%、5.4%五种不同油石比，分别对其进行Marshall试验，试验结果见表1。Marshall试验测量了沥青混合料的相对密度、稳定度、空隙率、有效沥青含量、飞散损失、析漏损失等参数。根据Marshall试验结果，结合相关设计参数，确定最佳油石比为4.6%。

表1 马歇尔试验结果

本文试验方法如下：1）根据常规沥青混合料制备方法，确定原料的Marshall密度和配合比，采用旋转压实法制备150mm×150mm的试件。2）采用切割机将沥青混合料试件切成厚度为10mm～15mm的薄片，切片洗净后置于炉中烘干。3）在试样表面涂覆涂层。涂层厚度以完全覆盖表面为原则，考虑到喷涂实际操作范围，经过大量的试验，最终确定涂刷量为0.6 kg/m2。4）涂层干燥后，将热熔性沥青将平整切片试件粘接在沥青毡上。5）将切片标本置于定量水中，以空白试样作为参照物。将样品和水置于-10℃低温培养箱中，模拟冬季气候。其中培养皿中水量为300ml，相当于一个区域中约18mm的降水量。6）3h后取出标本，在距离地面50cm处自由落体一个0.5kg重的轮胎模型，模拟汽车轮胎对路面的碾压，观察冰层开裂和结冰对涂层的影响。7）将冰块置于涂层切片上并置于-10℃低温培养箱中，每隔1h温度升高2℃，升温前后分别测量试件质量，设置空白组作为对照。

3 沥青路面融冰雪性能分析

轮胎碾压试验发现，涂层试样表面冰层在经轮胎模型敲击后能完全吸收冲击力并断裂，冰层基本上与试样表面分离。而对照组表面冰层是透明的，冰层致密且与试件紧密结合，在经轮胎模型敲击后不能去除。试验结果表明：在-10℃条件下，涂层能有效地阻止冰层与试件之间的粘结，使冰层与试件分离，使冰层完全吸收冲击力。结果表明，融冰雪涂层具有良好的除冰能力。通过测量冰块减少量来测量融冰雪涂层的融冰能力，试验结果见图2。当温度低于0℃时，对照组试样表面冰质量几乎相等，而加装涂层的试样表面冰质量却在逐渐降低，表明涂层可以融化部分冰块，从而降低了冰的质量。当温度在0℃以上，对照组表面冰质量和涂层试样表面冰质量均降低，此时环境温度是冰融化的主要影响因素。

图2 融冰雪性能结果

考虑到融冰涂层耐久性，需要开展循环冻融试验，对涂层长期除冰能力进行验证。以轮胎模型自由落体中撞击冰层，如果冰层疏松且易碎，则涂层具有除冰效果，清除试样表面上的冰层，将试样置于定量水中，并将培养皿放置于-10℃的冷藏箱中，如此重复。试验结果表明：在连续7次循环冻融试验中，冰层表面与涂层试样表面都能基本分离，说明涂层具有良好的除冰效果，至少能满足1年内的除冰要求，这主要是由于涂层具有控释功能。

通过室内抗滑实验对大孔隙环保降噪沥青路面融冰雪涂层的抗滑性能进行研究。根据公路设计规程中的相关方法，在车辙板上开展抗滑实验，试验结果见表2。

表2 抗滑实验测量结果

由表2可以看出，融冰雪涂层使车辙板表面摩擦系数显著下降，涂刷量越大，车辙板表面的摩擦系数越小。试验结果都能满足《公路沥青路面设计规范》中关于路面摩擦系数的要求（≥42）。

4 结论

鉴于现有融雪除冰方法存在各种问题，基于国内外研究现状，本文提出了一种大孔隙环保降噪沥青路面融冰雪涂层。研究表明：1）涂层试样表面冰层在经轮胎模型敲击后能完全吸收冲击力并断裂，冰层基本上与试样表面分离，涂层具有良好的除冰效果，至少能满足1年内的除冰要求；2）当温度低于0℃时，涂层可以融化部分冰层，从而降低了冰的质量；3）融冰雪涂层使车辙板表面摩擦系数显著下降，涂刷量越大，车辙板表面的摩擦系数越小。希望为今后沥青路面融雪除冰涂层设计提供技术参考。

[1]顾欣，王佳，马燕霞，等.环保型沥青路面融冰雪涂层在新疆地区的应用[J].江苏交通科技，2015，（5）：18-19.

[2]丁庆军，彭馨彦，姜友生，等.环保多功能沥青除冰路面一体化设计研究[J].安全与环境学报，2012，（2）：223-227.

[3]张丽娟，孙青松，韩森.掺加盐化物融冰雪材料的沥青混合料路用性能研究[J].中外公路，2011，31（4）：269-273.

[4]黄玮，杨贺群，丛玉凤，等.沥青路面用融雪抑冰材料性能的研究[J].应用化工，2016，45（7）：1215-1219.

[5]舒明洋，宋固全，陈煜国.导电沥青混凝土的电热和力学性能研究[J].新型建筑材料，2011，（7）：9-12.