抗凝冰微表处路用性能及抗凝冰效果试验分析

孟勇军, 零立山, 赵启雄, 卢祖标, 覃鹏飞

(1.广西大学土木建筑工程学院， 南宁 530004； 2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室， 南宁 530004； 3.广西特殊地质公路安全工程技术研究中心， 南宁 530004)

中国近四分之三的领土属于冬季降雪冰冻区，容易遭受道路冰雪灾害的影响[1-3]，在冬季及特殊的寒冷气候条件下，这些地区由于降雪、冻雨等天气因素导致其道路表面积雪凝冰。凝冰附着在道路表面降低路面的抗滑能力[4-5]，使车辆容易失去控制，极大地威胁驾乘人员的安全，同时容易引发交通事故，造成道路拥堵，甚至交通中断。目前常见的道路除冰雪方法为人工、机械清除法或是在路面撒布融雪剂[6-7]。但这些方法均为凝冰产生后的路面处理措施，因其除冰滞后性，不可避免会对路面造成损害。蓄盐类沥青混凝土[8-9]作为主动除冰技术，在降雪、冻雨等天气条件下，通过抗凝冰成分缓释迁移至道路表面，降低路表水溶液冰点，达到主动抗凝冰的作用。

为研究蓄盐类沥青混凝土的路用性能及除冰性能，中外学者进行了诸多研究。张丽娟[10]利用填料体积等效置换法在混合料中掺入盐化物产品Mafilon，其沥青混合料的低温抗裂性能及抗水损害性能均随盐化物掺量的增加而降低。李福普等[11]采用AC-13C粗型密级配制备长效型主动融雪沥青混合料，结果表明其高温性能优良，低温性能基本没有影响。Liu等[12-13]建立蓄盐类沥青混凝土盐分释放规律模型，定量地评价混合料的融雪抑冰能力。然而，关于盐化物掺入微表处混合料中，制备成抗凝冰微表处的相关研究较少。邵鹏康[14]基于乳液悬浮体系成膜理论，在乳化沥青中掺入功能性填料，形成功能型超微表处，达到抗滑、融雪、降噪等使用目的，并采用电导率试验评价融雪盐析出的稳定性。王吉运等[15]通过添加高分子材料和功能性材料，制备有一定融雪抑冰、抗滑降噪的微表处。康捷[16]将抗凝冰沸石集料应用到微表处中，通过微表处试件表面冰冻情况分析其抗凝冰效果。但对于抗凝冰微表处的路用性能及融雪抑冰能力的研究依然不够深入，需进一步完善。基于此，现制备不同抗凝冰填料掺量的微表处混合料，通过耐磨耗性能、抗滑性能及抗水损性能研究抗凝冰微表处的路用性能，采用冻结时间试验及冰层破裂试验评价其抗凝冰效果。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1 抗凝冰填料

采用的抗凝冰填料由课题组自制所得，为一种粉末状材料，该填料以多孔结构材料为载体，掺入复合型融冰盐，并包含缓释树脂、抗腐蚀剂和增强剂等材料，可达到长效缓释除冰效果。在物理性质、级配组成上与矿粉相似，粒径主要在0.075 mm以下，可部分置换混合料中的矿粉，其主要技术指标如表1所示。

表1 抗凝冰填料主要技术指标Table 1 Main performance index of anti-icing filler

1.1.2 改性乳化沥青与集料

试验选用昆仑70#基质沥青，采用丁苯橡胶(styrene butadiene rubber，SBR)及水性环氧树脂为改性剂制备改性乳化沥青，主要技术指标如表2所示。

表2 改性乳化沥青主要技术指标Table 2 Main performance index of modified emulsified asphalt

粗细集料采用广西田东那拔镇石料厂生产的辉绿岩，矿粉为石灰岩，其主要技术性质指标如表3所示。

表3 集料主要技术指标Table 3 Main performance index of aggregate

1.1.3 矿料级配

试验采用矿料级配为MS-3型级配，试验级配如表4所示。

表4 MS-3型矿料级配Table 4 Grading of MS-3 mineral aggregate

1.2 试验方法

微表处混合料通过手动拌合试验确定混合料外加水掺量为6%(占矿料质量比)，采用1 h湿轮磨耗试验及负荷轮粘砂试验确定混合料最佳油石比为6.5%。

试验制备湿轮磨耗试件，采用湿轮磨耗仪进行加速磨耗，每隔20 min测量试件的磨耗损失率，评价其耐磨耗性能，同时使用摆式摩擦仪测定摆值采用手工铺砂法测量构造深度，从而定量地表征其抗滑性能。采用浸水6 d湿轮磨耗试验及冻融循环湿轮磨耗试验对混合料的抗水损性能进行评价。在25 ℃ 水浴条件下将试件浸水6 d后进行湿轮磨耗试验以评价普通水环境下微表处抗水损性能；将真空饱水试件放入-18 ℃冰箱中冰冻16 h，经冻融处理后进行湿轮磨耗试验，对比冻融循环试件和普通干燥试件的湿轮磨耗值以表征冻融环境下微表处抗水损性能。

在抗凝冰性能试验中，制备长宽均为10 cm、高为1 cm的微表处混合料试件，在试件表面均匀撒布50 mL的0 ℃去离子水，于特定温度下每隔30 min观察一次试件凝冰情况以表征其抑制结冰的能力；冰层破裂试验是将撒布了50 mL 0 ℃去离子水的试件放入-10 ℃ 冰箱内冷冻12 h，采用250 g的小球从0.3 m高度自由下落，通过记录试件冰面开展形态并计算裂缝长度和破裂面积以评价试件冰层形成后的强度。

2 路用性能研究

2.1 耐磨耗性能

制备抗凝冰填料掺量分别为0%、3%、6%、9%的湿轮磨耗试件，采用质量损失率作为评价指标，质量损失率M计算公式为

(1)

式(1)中：M为微表处质量损失率，%；m0为磨耗前的试件质量，g；mt为磨耗t时刻后的试件质量，g。

不同抗凝冰填料掺量下微表处耐磨耗性能试验结果如图1所示。

图1 不同抗凝冰填料掺量对耐磨耗性能的影响Fig.1 Effect of different content of anti-icing filler on abrasion resistance performance

由图1可知，相同抗凝冰填料掺量下，随着磨耗时间的增长，质量损失率在磨耗初期快速增加，继续磨耗，增长趋势放缓。这是由于磨耗初期，试件表面宏观构造较大，微突起的部分受到较大的磨耗作用，因此在磨耗作用下质量损失率较大；随着磨耗时间增加，微突起的部分和部分宏观构造被磨耗殆尽，与磨耗初期相比，试件表面被磨光，摩阻力变小，因此质量损失减小。

在相同磨耗时间条件下，对比不同抗凝冰填料掺量的耐磨耗性能，随着抗凝冰填料的增加，质量损失率总体呈现上升趋势。掺量达到9%时，在磨耗过程中有部分细小石料出现脱落现象，质量损失率与其他掺量相比上升幅度明显。这是由于抗凝冰填料与矿粉相比，其与沥青的交互作用较弱，因此抗凝冰填料与沥青形成的沥青胶浆结合能力较弱，沥青胶结料与石料之间的黏附力降低，部分黏结不够牢固的石料在磨耗作用下从试件表面剥落，造成质量损失，因此抗凝冰填料掺量增加，耐磨耗性能降低。

2.2 抗滑性能

不同抗凝冰填料掺量下微表处抗滑性能试验结果如图2所示。

图2 不同抗凝冰填料掺量对抗滑性能的影响Fig.2 Effect of different content of anti-icing filler on anti-sliding performance

从试验结果可得，相同抗凝冰填料掺量下，随着磨耗时间的增长，摆值和构造深度均呈现下降趋势。这是由于在橡胶磨耗头的不断摩擦消耗下，微表处表面的构造被不断磨耗，使得路面被抛光，抗滑能力降低。

在磨耗初期，对比相同磨耗时间下不同抗凝冰填料掺量的微表处抗滑性能，发现其摆值和构造深度相差不大，可以认为抗凝冰填料掺量对磨耗初期抗滑性能影响甚微。分析其原因在于，路面表面的抗滑性能受路面粗糙度的影响，粗糙度由宏观构造和微观构造构成。宏观构造主要由石料的级配粒径、外观形状等决定，微观构造主要由石料表面和沥青胶浆的纹理构造决定。在路面的抗滑性能中，微观构造起决定性作用，微观构造越大，轮胎与路面发生摩擦时的咬合能力更强，抗滑能力越强。试验中不同抗凝冰填料掺量的微表处，其石料为相同批次、相同级配，仅填料掺量不同，对宏观构造几乎没有影响；使用的填料外观结构形式与矿粉相似，形成的沥青胶浆对微观构造影响也很小。因此不同抗凝冰填料掺量的微表处，在磨耗初期抗滑性能相差很小。

随着磨耗时间的增加，不同抗凝冰填料掺量的微表处抗滑性能出现差异，抗凝冰填料掺量越大，其抗滑性能越低。原因在于抗凝冰填料掺量越大，其微表处混合料结合能力越弱，在轮碾作用下更容易发生相对位移，在试件表面产生蠕变变形，改变表层的几何不规则度，使表面逐渐平整光滑，抗滑性能衰减。此外，抗凝冰填料掺量为9%的试件在磨耗后期出现小幅度的抗滑性能回升，通过试验时观察试件表面状况，分析原因在于混合料结合能力较弱，试件表面出现部分细小石料脱落，形成坎坷不平的凹槽，表面变粗糙，从而导致摆值及构造深度均有小幅度回升。

2.3 抗水损性能

对不同抗凝冰填料掺量下微表处试件进行浸水6 d湿轮磨耗试验及冻融循环湿轮磨耗试验，试验结果如图3所示。

图3 不同抗凝冰填料掺量对抗水损性能的影响Fig.3 Effect of different content of anti-icing filler on moisture damage resistance performance

由试验结果可得，随着抗凝冰填料掺量的增加，混合料浸水6 d及冻融循环湿轮磨耗值均增大，且掺量达到9%时，磨耗上升明显。究其原因在于以下3个方面。

(1)抗凝冰填料。由于抗凝冰填料与沥青的交互作用弱于石灰岩矿粉与沥青，使得抗凝冰填料的掺入降低了沥青胶浆本身的黏附能力，从而削弱了沥青胶浆与石料的黏附力。

(2)水分。微表处水分的来源有4种：一是石料本身所蕴含的水分，二是乳化沥青破乳后残留的水分，三是拌合过程中外加水的水分，四是试验过程渗入混合料中的水分。前3种水分在试件制备的烘干过程中基本挥发殆尽，但仍有极少量水分存在于混合料中，影响最大的是试验过程中渗入混合料中的水分。浸水6 d湿轮磨耗试验过程中，水分沿开口连通空隙渗入混合料中，由于水与沥青相比表面自由能更大，因此与沥青相比，水更容易吸附到石料表面，当水与石料接触后，水分沿着沥青与石料的接触界面不断置换沥青接触界面，导致沥青与石料接触界面逐渐减小，同时侵入的水分与原有存在界面之间的少量水分汇合，加剧界面剥落，使得沥青与石料的黏结力逐渐丧失，进而导致石料剥落。冻融循环湿轮磨耗试验过程中，试件内部水分凝结，一方面，试件空隙中的水分冻结膨胀，相邻的石料被凝冰挤压疏离，使得沥青胶结料断裂形成裂纹，降低黏附力；另一方面，少量进入沥青与石料界面的水，在冻胀力的作用下，加速沥青与石料之间的水膜尖端延伸，促进界面剥离。

(3)水分进入抗凝冰填料中带出盐分，形成盐溶液。融冰盐水解电离出的离子，由于其强极性的缘故，与沥青形成不稳定的化学吸附层，降低沥青对石料的吸附能力，因此对沥青界面产生剥离作用。同时水解形成的盐溶液更容易润湿石料，与纯水相比，也更易侵入沥青与石料接触界面，降低界面的黏结强度。在冻融循环作用下，盐结晶的冻胀力和不规则的膨胀容易穿透沥青膜，一旦出现微裂纹，一方面是盐分的低共熔点性质使得凝冰融化，另一方面是较低的温度促使水分继续冻结，在冰水两相的反复转变作用下，微裂纹不断延伸拓展，破坏沥青与石料界面，最终导致沥青膜剥落。因此，抗凝冰填料掺量越大，盐分析出后形成的盐溶液浓度越大，产生的盐结晶膨胀力越大，对混合料内部结构破坏越大。

因此，过多抗凝冰填料掺量的掺入，会降低混合料的抗水损害能力。综合考虑混合料的路用性能，抗凝冰填料掺量应控制在6%左右。

3 抗凝冰性能

3.1 冻结时间试验

对不同温度(-10、-5、-2 ℃)和抗凝冰填料掺量(0、3%、6%、9%)下的抗凝冰微表处抗凝冰效果进行观测，分析抗凝冰微表处对路面凝冰形成过程的影响，结果如表5所示。

表5 抗凝冰微表处试件凝冰观测结果Table 5 Observation results of test pieces at the micro surface of anti-icing

从试验结果可得，抗凝冰填料掺量一定时，试件达到全部冻结所需时间随温度的降低而缩短，温度一定时，试件达到全部冰冻所需时间随抗凝冰填料的掺量增加而增加。抗凝冰填料掺量为0%时，在-2 ℃ 下水完全冻结需要2 h，而在-10 ℃ 下仅需要1 h；掺量3%时，在-2 ℃ 下4 h表面全部结成薄冰，而在-10 ℃ 下完全冻结需要2 h；掺量为6%时，在-2 ℃ 和-5 ℃ 环境下4 h均不结冰，在 -10 ℃ 下4 h仅有少量结冰；掺量达到9%时，3个温度条件下均未出现表面结成薄冰现象。

由此可见，掺加了抗凝冰填料的微表处与普通微表处相比，凝冰形成所需时间增加，具有显著的抗凝冰作用，且掺量越大，抗凝冰效果越好。

3.2 冰层破裂试验

采用落球冲击试验研究抗凝冰微表处对冰层强度的影响，试验装置如图4所示。对于试件冰面开裂和破损状况，采用图像识别软件Image Pro Plus进行识别分析，如图5所示。并提出冰面破损率指标用于评价冰层破裂状况，计算公式为

图4 落球冲击试验Fig.4 Impact test of falling ball

图5 试件冰层破损状况识别分析Fig.5 Identification and analysis of ice layer damage condition of test piece

(2)

式中：RD为冰面破损率，%；AD为破损及龟裂的总面积，即冰面破裂泛白的面积，cm2；λ为裂纹换算面积权重，取0.3；L为总裂纹长度，cm；A为试验试件总面积，100 cm2。

不同抗凝冰填料掺量下微表处冰层破裂试验结果如图6所示。

图6 抗凝冰微表处试件冰层破损率Fig.6 Damage rate of ice layer at the micro surface test piece of anti-icing

从试验结果可得，随着抗凝冰填料掺量的增加，在相同作用次数下，其冰层破损率增加。抗凝冰填料掺量为0时，在5次落球冲击试验下冰面破损率仅为6.34%，而在15次下为27.78%；当掺量为9%时，在5次冲击下冰面破损率为27.15%，破损率较未掺抗凝冰填料相比提升428.23%，而在15次下为84.14%，提升302.88%。

这表明，掺加了抗凝冰填料的微表处其表面覆冰后冰层与未掺入抗凝冰填料的微表处相比更容易破碎，且掺量越大，破损越多。原因在于，掺入了抗凝冰填料后，由于盐分的析出，路面-冰层界面中间有少量冰层被融化成水，使得界面变成路面-水膜-冰层界面。新界面的形成，一方面降低了路面与冰层之间的黏结力；另一方面，水膜中的水通过空隙排开，在路面与冰面之间形成大空隙，在反复作用下，冰面承受的荷载无法有效传递至路面，冰层受压变形使冰层底部受拉，超过其最大拉应力，发生破碎。因此，掺加了抗凝冰填料的微表处，路面凝冰后冰层更容易破裂，在荷载作用下达到主动除冰的效果。

4 结论

(1)抗凝冰填料掺量的增加，使得混合料质量损失率呈上升趋势，耐磨耗性能下降；由于填料外观结构形式与矿粉相似，形成的沥青胶浆对微观构造影响较小，因此对抗滑性能影响轻微；填料掺量为9%时，试件表面出现部分细小石料脱落，导致质量损失率上升幅度加剧，摆值及构造深度均有小幅度回升。

(2)水分进入抗凝冰填料中带出盐分，形成盐溶液，更易侵入沥青与石料接触界面，降低界面的黏结强度，同时盐结晶的冻胀力和不规则的膨胀容易穿透沥青膜，在冰水两相的反复转变作用下导致沥青膜剥落，使混合料的抗水损害能力降低。

(3)掺加了抗凝冰填料的微表处较普通微表处相比，凝冰形成所需时间增加，具有显著的抗凝冰作用，且掺量越大，抗凝冰效果越好。抗凝冰填料掺量的增加，路面凝冰后冰层更容易破裂，在荷载作用下达到主动除冰的效果。

(4)综合考虑微表处混合料的路用性能及抗凝冰效果，推荐抗凝冰微表处的抗凝冰填料掺量控制在6%左右。