防覆冰改性沥青的制备与性能研究

刘 宁，钟海燕，蔺亚敏，王欢欢

青海省公路科研勘测设计院，青海 西宁 810001

0 引言

中国大约有3/4的国土属于冬季积雪地区，路面结冰成为交通事故频发的首要因素，给人民财产及生命安全造成重大隐患[1]。冬季降雨或空气潮湿时，较低的气温会使在路表及一定构造深度内的水分迅速结冰，再经过车辆碾压逐渐密实，形成强度很大的冰层。由于路面具有一定的构造深度及较高的表面能，冰层与路表黏结紧密[2]，难以通过机械或者人工清除[3]。

沥青路表结冰层难以清除的主要原因在于，路表积雪转变成水后，在低温下结冰，并形成销钉嵌入沥青路面表面空隙，使路表结冰层与路表之间形成较高的界面强度，难以用除冰设备将其清除[4-5]。因此，如果能降低路面结冰层与路表之间的界面强度，则可使结冰层在行车荷载或者机械除雪设备的作用下快速从沥青路面表层脱落[6-7]，并在外力作用下进一步发生破碎，从而快速清除路表结冰层。

本文基于复合材料界面强度理论[8-9]，采用低表面能改性剂作为防覆冰组分，将其与基质沥青复合，制备得到防覆冰改性沥青，通过改性沥青的水接触角测试和冻-黏强度测试，研究了低表面能改性剂对沥青防覆冰性能的影响；通过测试改性沥青的软化点、延度、针入度和黏度，研究了低表面能改性剂对沥青路用性能的影响。

1 试验原料与试验方法

1.1 试验原料

沥青采用卡拉玛依90#重交沥青，其性能指标如表1所示；低表面能改性剂是一种无机层状结构纳米粒子，实验室自制，其化学成分如表2所示。

表1 卡拉玛依90#沥青的物理性能

1.2 低表面能改性沥青的制备

将熔融的基质沥青倒入搅拌器中，保持温度在(150±5) ℃，加入适量的低表面能改性剂(外掺法)，在4 000 r·min-1的转速下搅拌1 h，然后将混合物置于普通搅拌器中搅拌1.5 h，温度保持在(150±5)℃，即可制得低表面能改性沥青。

1.3 试验方法

(1)路用性能测试。低表面能改性沥青与基质沥青的软化点、延度(10 ℃)、针入度(25 ℃)和黏度(135 ℃)按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)所规定的方法进行测试。

表2 低表面能改性剂的化学成分

(2)水接触角测试。本文采用深圳普赛特生产的水接触角测试仪测试低表面能改性沥青的水接触角，首先将加热至流动状态的沥青滴在铂金片表面，待其冷却至室温之后，将试样板浸入测试标准液体中，使样板倾斜至板面一边的液体呈水平，插入液体部分的板面与液面所成的角即为接触角。

(3)冻-黏强度测试。本文采用台湾Terchy公司生产的测试环境模拟平台进行低表面能改性沥青冻黏强度测试。测试过程中首先将拉拔头、试件和测试仪的各个部件组装完备，然后将整个装置置于试验箱(图1)内，并在0 ℃下保温30 min，在预先已测定过构造深度的测试区域在中心位置缓慢倾倒20 mL去离子水，使测试区域充满去离子水，并保证绝大多部分去离子水在测试区域内。由于测试区域的构造深度基本相同，因此相同体积的水在测试区域形成的水膜厚度大致相同。随后将拉拔头缓慢地由一端向另一端与充满水的测试区域重合，应避免拉拔头底部存在气泡，设定试验温度和冻结时间(2 h)，使试件与拉拔头冻黏，再通过测试装置(图2)进行缓慢加载并读取数据。

图1 低温试验环境箱

2 结果与讨论

2.1 水接触角

图3显示了低表面能改性剂对基质沥青水接触角的影响规律。从图3中可以看出，随着低表面能改性剂掺量的增加，基质沥青的水接触角不断增大，表明低表面能改性剂可以显著降低基质沥青的表面活性。基质沥青的水接触角为93°，加入4%的低表面能改性剂之后，水接触角增大至124°，增加的比例接近30%，表明低表面能改性剂可以提升沥青材料的防覆冰性能。这主要是因为，低表面改性剂是一种层状无机纳米材料，将其与基质沥青共混之后，在外力剪切作用下，该材料以纳米尺度分散在沥青体系中，降低了沥青材料的表面张力，进而提高了沥青材料的表面憎水性能，所以水接触角不断增大。

2.2 冻黏强度

图4显示了低表面能改性剂对基质沥青与结冰层界面冻黏强度的影响规律。从图4可以看出，随着低表面能改性剂掺量的增加，基质沥青与结冰层界面冻黏强度不断降低，表明低表面能改性剂可以显著降低基质沥青与结冰层的界面黏结性能。基质沥青与结冰层的界面粘结强度为52 kN，加入6%的低表面能改性剂之后，基质沥青与结冰层的界面黏结强度降低至32 kN，降低幅度接近40%，表明低表面能改性剂可以提升沥青材料的防覆冰性能。这同样可归因于在外力剪切作用下，低表面能改性剂在沥青体系中以纳米尺度分散，降低了沥青材料的表面张力，进而削弱了基质沥青与结冰层的界面黏结性能。

图2 冻黏强度测试设备

图3 低表面能改性剂对水接触角的影响

图4 低表面能改性剂对冻黏强度的影响

2.3 路用性能

图5～8分别显示了低表面能改性剂对基质沥青软化点、延度、黏度和针入度的影响。从图5和图7中可以看出，随着低表面能改性剂掺量的增加，基质沥青的软化点和黏度不断增加，说明低表面能改性剂对基质沥青的高温稳定性有一定的改善作用。这主要是因为，该低表面能改性剂具有较好的高温稳定性，当其在外力剪切作用下，可均匀分散于沥青体系中，从而增强了基质沥青的高温稳定性。

从图6和图8可以看出，随着低表面能改性剂掺量的增加，基质沥青的针入度和延度不断降低，说明低表面能改性剂对基质沥青的稠度有一定的影响。这主要是因为，该低表面能改性剂在外力剪切作用下，可均匀分散于沥青体系中，使沥青变硬，因此随着其掺量的增加，基质沥青的针入度和延度不断降低。而当其掺量增加到6%时，基质沥青的针入度又有所回升，但仍小于基质沥青的针入度，随着低表面能改性剂掺量的增加，沥青的针入度逐渐回升甚至稳定于某一值，这说明低表面能改性剂对沥青低温性能的影响不会随着其掺量的增加而不断增强。

图5 低表面能改性剂对软化点的影响

图6 低表面能改性剂对延度的影响

图7 低表面能改性剂对粘度的影响

图8 低表面能改性剂对针入度的影响

3 结语

本文采用低表面能改性剂作为防覆冰组分，制备得到防覆冰改性沥青，通过测试改性沥青的水接触角测试和冻黏强度，研究了低表面能改性剂对沥青防覆冰性能的影响；通过测试改性沥青的软化点、延度、针入度和黏度，研究了低表面能改性剂对沥青路用性能的影响。主要研究结论如下。

(1)低表面能改性剂可以提高基质沥青的水接触角，降低基质沥青与结冰层之间的界面黏结强度，从而提升基质沥青的防覆冰性能，主要是因为低表面改性剂与基质沥青共混之后，在外力剪切作用下，该材料以纳米尺度分散在沥青体系中，降低了沥青材料的表面张力，进而提高了沥青材料的表面憎水性能。

(2)低表面能改性剂在外力剪切作用下，可均匀分散于沥青体系中，从而增强了基质沥青的高温稳定性。同时，随着低表面能改性剂掺量的增加，沥青变硬，因此其延度和针入度有一定程度的降低；但当其掺量增加到6%时，沥青的针入度逐渐回升甚至稳定于某一值，这说明低表面能改性剂对沥青低温性能的影响不会随着其掺量的增加而不断增强。