生物AFP改性乳化沥青涂层制备及抗冰冻性能研究

黄富斌,陈 东,汤彬彬,邓国忠

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

在寒冷冰冻地区,道路结冰严重降低了路面的抗滑能力,相比于雨雪造成的危害更加严重,显著影响了人们的出行安全和交通系统的正常运转[1]。

近年来对于除雪融冰的研究越来越多,根据已有研究成果可知,除雪融冰技术主要分为主动和被动两种方式,其中被动除雪融冰方式效果较差,人力物力消耗大且效率较低,所以近年来针对主动除雪融冰方式的研究相对增加[2]。目前路面主动除雪融冰的技术包括弹性路面融雪技术、耐磨防滑技术、能量转换融雪技术、化学防冻技术和融雪路面涂层技术等[3]。

陈明宇[4]根据武汉理工大学开发的太阳能融雪路面相关技术,分析得出加热管间距、埋深、外部环境对融雪时间有显著影响。王永锋等[5]欲提高除雪融冰速率,研发了一种具有高弹性的储盐沥青混合料,其中起到高弹作用的是马菲隆和橡胶颗粒,该沥青混合料除冰性能提高近五倍。韩红卫等[6]基于延迟寒冷天气下路面冻结时间的理念,制备了一种超高温憎水涂层,并减少冰与道路之间的粘附力,路面抗滑性能得到显著提高。杨泓全等[7]将钢渣作为骨料添加到沥青混凝土中以提高沥青路面的电融雪导电性,报告中指出当钢渣掺量为6%时,导热效果最佳。庄知博等[8]利用丙烯酸复合碳纳米管制备形成丙烯酸超疏水涂层,当水滴与涂层接触时接触角和滚动角分别为155°和4°,比普通沥青路面上水滴冻结时间延长17%,唐明等[9]进一步使用SiO2纳米粒子和聚甲基丙烯酸甲酯制备了最大接触角为168°的超疏水涂层,大大降低了路面结冰的程度。虽然上述主动除雪融冰技术达到了一定效果,但是在施工技术、能源消耗、生态环境保护、应用范围等方面还有一些问题需要解决。

为了实现路面快速除雪融冰,又能做到节能环保、施工方便,本文基于生物AFP改变冰晶体形态并降低冰点的原理,使用生物AFP粉末代替传统的疏水材料或防冰剂改性乳化沥青,制备一种生物AFP改性乳化沥青涂层,并在此基础上对不同生物AFP掺量和冻结温度下AFP改性乳化沥青涂层材料的储存稳定性和抗冰冻性能进行了科学评价,为寒冷冰冻条件下安全出行提供了一定的技术基础。

1 原材料及试样制备

1.1 原材料

1.1.1 基质乳化沥青

本研究制备生物AFP改性乳化沥青的基础是基质乳化沥青,其品质的优劣直接影响试验结果的好坏,所以本文采用自制的方式获取性能符合需求的基质乳化沥青,技术指标见表1。

表1 基质乳化沥青技术指标表

1.1.2 生物抗冻蛋白粉末

本研究采用国产的深海鳕鱼皮作为生物抗冻蛋白粉的原材料,其主要技术指标见表2。

表2 生物抗冻蛋白粉特性表

1.2 试样制备

为了保证AFP改性乳化沥青的均匀性,制备试样时,首先将AFP粉末加入去离子水中混合均匀,接着将AFP混合水溶液直接加入制备好的基质乳化沥青中,可快速简单地制备指标合格、性能稳定的AFP改性乳化沥青。制备过程见图1。

图1 AFP改性乳化沥青制备过程示意图

2 试验方法

2.1 储存稳定性试验

将制备好的AFP改性乳化沥青注入规范要求的专用试验管内,使液面正好位于250 mL刻度处,在室温下静置1昼夜或5昼夜,然后分别从上支管以上、下支管以下部分称取相同质量的改性乳化沥青,测定并计算其蒸发残留物含量之差,以此评价乳化沥青的储存稳定性。

2.2 粒度分析试验

粒度分析试验采用粒度分析仪,其具有成像采集、不间断捕捉、数据自动处理等功能,可快速检测乳化沥青颗粒大小和分布状况,且检测结果图像清晰、数据精确、操作简便,以此评价乳化沥青的品质和稳定性。

2.3 抗冰冻试验

抗冰冻试验采用观察法进行,在-3 ℃、-6 ℃、-10 ℃这3个温度下观察AFP改性乳化沥青的冻结情况,以此得出不同AFP掺量对乳化沥青的抗冰冻效果的影响。具体过程为:(1)将一定质量的不同AFP掺量的改性乳化沥青倒入玻璃器皿中,待其完全破乳后放入温度可调的环境箱中;(2)设置环境箱的温度为设计温度,等到试样温度分别降到-3 ℃、-6 ℃、-10 ℃时,将一定量的0 ℃去离子水倒在试样表面;(3)每15 min记录一次AFP改性乳化沥青试样的冻结状态。

2.4 附着力试验

为了验证AFP改性乳化沥青与冰面的粘附性,本研究使用国外生产的拉拔附着力试验仪,试验步骤如下:(1)将不同AFP掺量的改性乳化沥青倒入皮氏培养皿中,待其完全破乳;(2)使用4根金属条围成一个矩形框,用胶水将其粘合成一个整体,面积应稍大于试验仪主轴底座的面积,以使主轴顺利进入,将制成的金属框插入完全破乳的乳化沥青中约5 mm;(3)注入一定量的去离子水进行冷冻,同时将主轴底座放入冰箱冷冻,当去离子水表面形成薄冰时,将主轴放置在金属框中,待去离子水完全冻结后拆除金属框,并进行附着力测试。如图2所示。

图2 附着力试验示意图

2.5 落球冲击试验

落球冲击试验的设计目的是真实模拟行驶车辆在结冰路面的受力情况,具体操作如下:(1)采用透明塑料板制成围堰,使其固定在成型好的马歇尔试件上,围堰外露高度为2 cm;(2)将固定好围堰的马歇尔试件放入冰箱中冰冻至设计温度,在试件表面浇注30 mL去离子水进行完全冰冻;(3)使钢球从固定高度自由下落撞击冰面,观察冰层的破裂状态,采用Image Pro Plus模型计算冰面损伤率,以此评价AFP改性乳化沥青对冰层强度的影响。

(1)

式中:P——冰面损伤率(%);

S——损坏和开裂面积之和(cm2);

k——裂缝与面积换算系数,k=3;

L——裂纹总长度(cm);

A——试样总面积(cm2)。

3 试验结果与讨论

3.1 储存稳定性试验

对制备好的AFP改性乳化沥青进行储存稳定性试验,AFP掺量分别为0、1%、3%、5%、7%,试验结果如表3所示。

表3 不同AFP掺量的改性乳化沥青储存稳定性试验结果表

由表3的试验结果可知,AFP掺量≤5%时,AFP改性乳化沥青的1 d储存稳定性均满足规范要求,而当掺量再增加时即出现明显的分层和聚集,所以当AFP掺量≤5%时,AFP改性乳化沥青均表现出较好的储存稳定性。

3.2 粒度分析试验

粒度分析试验采用各组成成分通过率为95%时的最大粒径表征,颗粒粒径越小表示乳化沥青分布越均匀,储存稳定性越好。本研究分别对试验管上、中、下不同部位的AFP改性乳化沥青进行粒度分析试验,试验结果见图3。

图3 5%AFP掺量的改性乳化沥青试管下部粒度分析试验结果曲线图

由图3可知,颗粒粒径通过率为95%时的最大粒径为仅为10μm,表示5%AFP掺量时试验管下部改性乳化沥青各组成颗粒分散均匀,表现出良好的稳定性,由此证明AFP掺量≤5%的改性乳化沥青均可表现出良好的储存稳定性,AFP粉末的改性过程仅为物理变化过程,各组成成分分散均匀,可进一步用于AFP改性乳化沥青抗冰冻性能的研究。

3.3 抗冰冻试验

根据前文的试验方案对不同掺量AFP改性乳化沥青进行抗冰冻试验,试验得到其不同温度下的冻结状态和完全冻结所需时间。试验结果见表4。

表4 不同AFP掺量的改性乳化沥青抗冰冻试验结果表

由表4的试验结果可知,当设定温度一定时,试样表面完全冻结所需的时间随AFP掺量的增加而延长;当AFP掺量一定时,试样表面完全冻结所需时间随着温度的降低而缩短,反映出AFP在不影响客观规律的前提下对乳化沥青具有明显的抗冰冻效果。当试验温度为-3 ℃时,未掺AFP改性乳化沥青完全冻结需要100 min,1%掺量AFP改性乳化沥青完全冻结需要230 min,而3%掺量和5%掺量AFP改性乳化均未完全冻结;当试验温度为-6 ℃时,未掺AFP改性乳化沥青完全冻结需要70 min,1%掺量AFP改性乳化沥青完全冻结需要140 min,3%掺量AFP改性乳化沥青完全冻结需要220 min,而5%掺量AFP改性乳化未完全冻结;当试验温度为-10 ℃时,未掺AFP改性乳化沥青完全冻结需要45 min,1%掺量AFP改性乳化沥青完全冻结需要120 min,3%掺量AFP改性乳化沥青完全冻结需要180 min,而5%掺量AFP改性乳化未完全冻结。由上述试验结果可知,AFP改性乳化沥青具有很好的防冰冻效果,且随着AFP掺量的增加,防冰冻效果越好。这是由于AFP本身具有热滞后活性,在冰冻条件下可显著降低水的冰点,形成的冰晶体可在较低温度下持续存在,不致被完全冻结影响行车安全。

3.4 附着力试验

附着力试验可有效验证AFP对层间(冰与沥青层)粘附力的影响效果,本研究对不同AFP掺量的改性乳化沥青进行附着力试验,试验结果见图4。

图4 冰与沥青层间附着力试验结果曲线图

由图4的变化趋势可知,未掺AFP的改性乳化沥青破乳后,冰与沥青层的层间粘附力明显大于已添加AFP的改性乳化沥青,且粘附力随AFP掺量的增加而逐步减小。主要原因是生物抗冻蛋白AFP可以改变冰晶的形态,以致于改变了冰晶在低温环境下的变化形态。正常情况下,水的冻结过程为从液态水分子逐步变成扁晶体,再进一步变成六边形尖锥体,而在添加了AFP后,随着AFP掺量的增加和冰冻作用时间的延长,冰晶的形态逐渐趋于针状,因此冰和沥青间的接触面积逐渐减小,附着力进一步降低。

3.5 落球冲击试验

落球冲击试验通过Image Pro Plus模型得出冲击后试件的损伤和开裂的面积,进一步计算出试件冰层损伤率。不同AFP掺量的改性乳化沥青落球冲击损伤率见图5。

图5 试件表面冰层落球冲击损伤率试验结果柱状图

由图5可知,AFP含量为0时试件的落球冲击损伤率仅为2.23%,掺量为1%、3%、5%时的损伤率相比于未掺AFP时分别增加6.32%、10.73%、28.44%,随着AFP掺量的增加,试件的落球冲击损伤率不断增大。这是由于AFP的添加可改变冰的结晶状态,试件表面不同程度地出现气泡和条纹,表明冰层的密度和硬度逐渐降低,冰与试件表面的附着力降低,完全冻结后更容易冲击开裂,显示出极佳的主动除冰效果。

4 结语

本文通过制备不同AFP掺量的改性乳化沥青,对其储存稳定性进行测试,并对其防冻性能进行研究,得到以下主要结论:

(1)制备AFP改性乳化沥青为物理变化过程,AFP的掺量应≤5%,在合理掺量范围内,其稳定性表现良好,各组成颗粒分散均匀且粒度均<10μm。

(2)AFP掺量和环境温度对AFP改性乳化沥青的抗冰冻性能有显著影响。在AFP掺量相同时,环境温度越低,完全冻结所需的时间越短;在相同温度下,AFP掺量越大,完全冻结所需时间越长,可有效抑制水的冻结。

(3)AFP改性乳化沥青涂层可显著降低冰晶的附着力。随着乳化沥青中AFP掺量的增加,试件表面冻结后气泡含量和条纹逐渐增多,落球冲击损伤率也随之增加。