防覆冰改性瀝青的制備與性能研究

劉 寧，鐘海燕，藺亞敏，王歡歡

青海省公路科研勘測(cè)設(shè)計(jì)院，青海 西寧 810001

0 引言

中國(guó)大約有3/4的國(guó)土屬于冬季積雪地區(qū)，路面結(jié)冰成為交通事故頻發(fā)的首要因素，給人民財(cái)產(chǎn)及生命安全造成重大隱患[1]。冬季降雨或空氣潮濕時(shí)，較低的氣溫會(huì)使在路表及一定構(gòu)造深度內(nèi)的水分迅速結(jié)冰，再經(jīng)過(guò)車(chē)輛碾壓逐漸密實(shí)，形成強(qiáng)度很大的冰層。由于路面具有一定的構(gòu)造深度及較高的表面能，冰層與路表黏結(jié)緊密[2]，難以通過(guò)機(jī)械或者人工清除[3]。

瀝青路表結(jié)冰層難以清除的主要原因在于，路表積雪轉(zhuǎn)變成水后，在低溫下結(jié)冰，并形成銷(xiāo)釘嵌入瀝青路面表面空隙，使路表結(jié)冰層與路表之間形成較高的界面強(qiáng)度，難以用除冰設(shè)備將其清除[4-5]。因此，如果能降低路面結(jié)冰層與路表之間的界面強(qiáng)度，則可使結(jié)冰層在行車(chē)荷載或者機(jī)械除雪設(shè)備的作用下快速?gòu)臑r青路面表層脫落[6-7]，并在外力作用下進(jìn)一步發(fā)生破碎，從而快速清除路表結(jié)冰層。

本文基于復(fù)合材料界面強(qiáng)度理論[8-9]，采用低表面能改性劑作為防覆冰組分，將其與基質(zhì)瀝青復(fù)合，制備得到防覆冰改性瀝青，通過(guò)改性瀝青的水接觸角測(cè)試和凍-黏強(qiáng)度測(cè)試，研究了低表面能改性劑對(duì)瀝青防覆冰性能的影響；通過(guò)測(cè)試改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度、針入度和黏度，研究了低表面能改性劑對(duì)瀝青路用性能的影響。

1 試驗(yàn)原料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

瀝青采用卡拉瑪依90#重交瀝青，其性能指標(biāo)如表1所示；低表面能改性劑是一種無(wú)機(jī)層狀結(jié)構(gòu)納米粒子，實(shí)驗(yàn)室自制，其化學(xué)成分如表2所示。

表1 卡拉瑪依90#瀝青的物理性能

1.2 低表面能改性瀝青的制備

將熔融的基質(zhì)瀝青倒入攪拌器中，保持溫度在(150±5) ℃，加入適量的低表面能改性劑(外摻法)，在4 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速下攪拌1 h，然后將混合物置于普通攪拌器中攪拌1.5 h，溫度保持在(150±5)℃，即可制得低表面能改性瀝青。

1.3 試驗(yàn)方法

(1)路用性能測(cè)試。低表面能改性瀝青與基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)、延度(10 ℃)、針入度(25 ℃)和黏度(135 ℃)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)所規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試。

表2 低表面能改性劑的化學(xué)成分

(2)水接觸角測(cè)試。本文采用深圳普賽特生產(chǎn)的水接觸角測(cè)試儀測(cè)試低表面能改性瀝青的水接觸角，首先將加熱至流動(dòng)狀態(tài)的瀝青滴在鉑金片表面，待其冷卻至室溫之后，將試樣板浸入測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)液體中，使樣板傾斜至板面一邊的液體呈水平，插入液體部分的板面與液面所成的角即為接觸角。

(3)凍-黏強(qiáng)度測(cè)試。本文采用臺(tái)灣Terchy公司生產(chǎn)的測(cè)試環(huán)境模擬平臺(tái)進(jìn)行低表面能改性瀝青凍黏強(qiáng)度測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中首先將拉拔頭、試件和測(cè)試儀的各個(gè)部件組裝完備，然后將整個(gè)裝置置于試驗(yàn)箱(圖1)內(nèi)，并在0 ℃下保溫30 min，在預(yù)先已測(cè)定過(guò)構(gòu)造深度的測(cè)試區(qū)域在中心位置緩慢傾倒20 mL去離子水，使測(cè)試區(qū)域充滿(mǎn)去離子水，并保證絕大多部分去離子水在測(cè)試區(qū)域內(nèi)。由于測(cè)試區(qū)域的構(gòu)造深度基本相同，因此相同體積的水在測(cè)試區(qū)域形成的水膜厚度大致相同。隨后將拉拔頭緩慢地由一端向另一端與充滿(mǎn)水的測(cè)試區(qū)域重合，應(yīng)避免拉拔頭底部存在氣泡，設(shè)定試驗(yàn)溫度和凍結(jié)時(shí)間(2 h)，使試件與拉拔頭凍黏，再通過(guò)測(cè)試裝置(圖2)進(jìn)行緩慢加載并讀取數(shù)據(jù)。

圖1 低溫試驗(yàn)環(huán)境箱

2 結(jié)果與討論

2.1 水接觸角

圖3顯示了低表面能改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青水接觸角的影響規(guī)律。從圖3中可以看出，隨著低表面能改性劑摻量的增加，基質(zhì)瀝青的水接觸角不斷增大，表明低表面能改性劑可以顯著降低基質(zhì)瀝青的表面活性?；|(zhì)瀝青的水接觸角為93°，加入4%的低表面能改性劑之后，水接觸角增大至124°，增加的比例接近30%，表明低表面能改性劑可以提升瀝青材料的防覆冰性能。這主要是因?yàn)?，低表面改性劑是一種層狀無(wú)機(jī)納米材料，將其與基質(zhì)瀝青共混之后，在外力剪切作用下，該材料以納米尺度分散在瀝青體系中，降低了瀝青材料的表面張力，進(jìn)而提高了瀝青材料的表面憎水性能，所以水接觸角不斷增大。

2.2 凍黏強(qiáng)度

圖4顯示了低表面能改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青與結(jié)冰層界面凍黏強(qiáng)度的影響規(guī)律。從圖4可以看出，隨著低表面能改性劑摻量的增加，基質(zhì)瀝青與結(jié)冰層界面凍黏強(qiáng)度不斷降低，表明低表面能改性劑可以顯著降低基質(zhì)瀝青與結(jié)冰層的界面黏結(jié)性能?；|(zhì)瀝青與結(jié)冰層的界面粘結(jié)強(qiáng)度為52 kN，加入6%的低表面能改性劑之后，基質(zhì)瀝青與結(jié)冰層的界面黏結(jié)強(qiáng)度降低至32 kN，降低幅度接近40%，表明低表面能改性劑可以提升瀝青材料的防覆冰性能。這同樣可歸因于在外力剪切作用下，低表面能改性劑在瀝青體系中以納米尺度分散，降低了瀝青材料的表面張力，進(jìn)而削弱了基質(zhì)瀝青與結(jié)冰層的界面黏結(jié)性能。

圖2 凍黏強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備

圖3 低表面能改性劑對(duì)水接觸角的影響

圖4 低表面能改性劑對(duì)凍黏強(qiáng)度的影響

2.3 路用性能

圖5～8分別顯示了低表面能改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)、延度、黏度和針入度的影響。從圖5和圖7中可以看出，隨著低表面能改性劑摻量的增加，基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)和黏度不斷增加，說(shuō)明低表面能改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性有一定的改善作用。這主要是因?yàn)?，該低表面能改性劑具有較好的高溫穩(wěn)定性，當(dāng)其在外力剪切作用下，可均勻分散于瀝青體系中，從而增強(qiáng)了基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性。

從圖6和圖8可以看出，隨著低表面能改性劑摻量的增加，基質(zhì)瀝青的針入度和延度不斷降低，說(shuō)明低表面能改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青的稠度有一定的影響。這主要是因?yàn)?，該低表面能改性劑在外力剪切作用下，可均勻分散于瀝青體系中，使瀝青變硬，因此隨著其摻量的增加，基質(zhì)瀝青的針入度和延度不斷降低。而當(dāng)其摻量增加到6%時(shí)，基質(zhì)瀝青的針入度又有所回升，但仍小于基質(zhì)瀝青的針入度，隨著低表面能改性劑摻量的增加，瀝青的針入度逐漸回升甚至穩(wěn)定于某一值，這說(shuō)明低表面能改性劑對(duì)瀝青低溫性能的影響不會(huì)隨著其摻量的增加而不斷增強(qiáng)。

圖5 低表面能改性劑對(duì)軟化點(diǎn)的影響

圖6 低表面能改性劑對(duì)延度的影響

圖7 低表面能改性劑對(duì)粘度的影響

圖8 低表面能改性劑對(duì)針入度的影響

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用低表面能改性劑作為防覆冰組分，制備得到防覆冰改性瀝青，通過(guò)測(cè)試改性瀝青的水接觸角測(cè)試和凍黏強(qiáng)度，研究了低表面能改性劑對(duì)瀝青防覆冰性能的影響；通過(guò)測(cè)試改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度、針入度和黏度，研究了低表面能改性劑對(duì)瀝青路用性能的影響。主要研究結(jié)論如下。

(1)低表面能改性劑可以提高基質(zhì)瀝青的水接觸角，降低基質(zhì)瀝青與結(jié)冰層之間的界面黏結(jié)強(qiáng)度，從而提升基質(zhì)瀝青的防覆冰性能，主要是因?yàn)榈捅砻娓男詣┡c基質(zhì)瀝青共混之后，在外力剪切作用下，該材料以納米尺度分散在瀝青體系中，降低了瀝青材料的表面張力，進(jìn)而提高了瀝青材料的表面憎水性能。

(2)低表面能改性劑在外力剪切作用下，可均勻分散于瀝青體系中，從而增強(qiáng)了基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性。同時(shí)，隨著低表面能改性劑摻量的增加，瀝青變硬，因此其延度和針入度有一定程度的降低；但當(dāng)其摻量增加到6%時(shí)，瀝青的針入度逐漸回升甚至穩(wěn)定于某一值，這說(shuō)明低表面能改性劑對(duì)瀝青低溫性能的影響不會(huì)隨著其摻量的增加而不斷增強(qiáng)。