基于界面弱化的疏水材料在沥青道面脱粘抑冰技术研究

基于界面弱化的疏水材料在沥青道面脱粘抑冰技术研究

梁栋 赵培强 杨孝涛 张真昊一

（中国民航大学 天津东丽 300300）

摘要：本次研究利用新型超疏水材料防水的性质，根据输出的不同情况下接触应力和冰面极限破坏应变之间的关系，得出道路细观结构对于覆冰现象的影响。采用ABAQUS模拟分析冰层与路面接触面之间的细观构造模型。通过试验和模拟得出新型超疏水自融冰乳化沥青涂料对冰能起到抑制作用，并评价其经济和社会效益。

关键词：细观结构；ABAQUS模拟分析；超疏水涂料；乳化沥青

随着工业的快速发展，疏水性涂料被广泛应用于科学研究、生产、生活等领域，处理高压输电线覆冰时，科学家提出了使用超疏水涂料涂层于高压输电线上，并获得了显著的成效^[1]。而道路研究领域在得到前者的启发后，也开始提出将超疏水材料用于道路交通上的想法。后来不断有人研究超疏水材料涂层，使超疏水材料有抗凝结和自融冰雪的性质，因此，在超疏水材料涂层中加入自融冰雪的外加剂也成为超疏水材料涂层发展的新趋势^[2]。

一、新型超疏水自融冰乳化沥青涂料抑冰作用机理探究

新型超疏水自融冰乳化沥青涂料是一种融合了超疏水涂层、自融冰外加剂和乳化沥青的新型涂料。

新型超疏水自融冰乳化沥青涂料作用机理是通过较大接触角、较小滚动角和较小附着力来致使水滴滑落的促进、水凝结成冰的延缓、粘着力的降低^[3]。

根据上述各原料的作用机理，可得出新型超疏水自融冰乳化沥青涂料是拥有较大接触角、较小滚动角，可降低冰面附着力，可降低盐水凝固点。是一种适合大批量生产的新型技术^[5]。

二、道面细观构造对于覆冰现象的影响及覆冰变化形态的研究

用ABAQUS有限元软件模拟道面细观构造不同的路面对于覆冰现象的影响^[6]，并用数值图像分析冰面变化效果。

本文的模型是一块0.1m*0.1m*0.003m的三维弹塑性的变形体，压在一个0.1m*0.1m*0.1m的刚体上。总共建立两种相互作用力接触模型，一种是冰面和路面之间产生库伦摩擦的接触模型，另一种模型为冰面和路面之间由于粘结力而产生的黏结模型。

1. 部件的建立

部件设置为：光滑表面的Young氏模型对应冰面下表面光滑路面上表面光滑部件、粗糙表面的Wenzel模型对应冰面下表面粗糙路面上表面粗糙部件、粗糙表面的Cassie模型对应冰面下表面粗糙路面上表面光滑部件^[7]。

1. 道面部件的建立

将孔洞的形状分为了无孔隙状、半球状、方柱状、圆锥状（30°、45°、60°）。半球状的孔洞半径为0.001m，构造深度为0.001m。

2、冰层部件的建立

突出的冰柱形状设计成无冰柱状、半球状、方柱状、圆锥状（30°、45°、60°），半球状的冰柱同上述半球状的孔洞尺寸一致。每个形状的模型都设立了三组（9孔、25孔、50孔）作为对照组。

3、冲击小球部件的建立

本模拟中小球设置为铝（Al）材料，材料密度为 ，形状为球体。

（二）材料及截面特性参数的设定

1、道面材料参数设定

将道面设置为刚体，在ABAQUS中刚体无须设置材料和截面特性，不再涉及参数设定的问题。

2、冰层材料参数的设定

在定义冰的属性时，设定为各向同性的均匀实体，参考资料^[8]后选取冰层的材料性质：弹性模量5300 MPa、泊松比0.33、密度900kg/m3 、屈服应力7233MPa、塑性应变0。

（三）冰-路黏结模型的建立

黏结模型的几何特征和加载过程与库伦摩擦模型的完全一致，假设两个界面之间有一层新型超疏水自融冰乳化沥青涂料，涂料能承担的剪切强度为100kPa。

（四）模型结果分析

将ABAQUS中建立的库伦模型作业导入到可视化模块（Visualization）可输数据库中获得的模型和其运行出的结果，并发现普遍规律。

1. Wenzel库伦摩擦模型下对比可得

（1）同一个模型中相同应力下中心区域的应变要小于周边区域的应变，中心区域所能达到的最大应力要比周边区域的大。

（2）相同孔隙形状下，相同应力下25孔的应变要小于50孔的应变，50孔的应变在中心区域时与9孔的几乎无差别。在周边区域内50孔的应变要小于9孔的。

2. Cassie库伦摩擦模型下对比可得

（1）同一个模型中相同应力下中心区域的应变要小于周边区域的应变，中心区域所能达到的最大应力要比周边区域的大。

（2）相同孔隙形状下，相同应力下，孔隙数量和数量的不同对冰面的应变几乎无影响。

3. Wenzel黏结模型下对比可得

（1）同一个模型中相同应力下中心区域的应变要小于周边区域的应变，中心区域所能达到的最大应力要比周边区域的大。

（2）相同孔隙形状下，相同应力下，孔隙数量的不同对冰面的应变有影响。在中心区域内孔数量的多少对应变几乎无影响。

（3）相同孔隙数量下，相同应力下孔隙形状的不同对应变产生的影响较大。在中心区域到达最大应力之前，相同应力下方柱和半球变化基本一致且应变最小。

4. Cassie黏结模型下对比可得

（1）同一个模型中相同应力下中心区域的应变要小于周边区域的应变，中心区域所能达到的最大应力要比周边区域的大。

（2）相同孔隙形状下，相同应力下，孔隙数量的不同对冰面的应变几乎无影响。

（3）相同孔隙数量下，相同应力下孔隙形状的不同对应变产生的影响较小，且规律不明显。

5. 模型及实验现象对比

模型观察到的冰面破坏现象与实验中观察到的冰面破坏现象一致。

三、结论

主要研究成果如下：

（一）新型超疏水自熔乳化沥青涂料是一种接触角大、滚动角小的新型涂料，能降低冰表面的附着力，能降低卤水的冰点，耐高低温、弹性、韧性好，使用寿命长，施工工艺简单，成本低。

（二）采用ABAQUS软件进行模拟发现，同一模型中心区域在相同应力应变下的应变小于周边区域的应变，在中心区域最大应力大于周围区域。

（三）通过各种实验和性价比评价，在超疏水自融乳化沥青涂料应用于路面的实验^[10]中进行冰压测试。观察到的现象与ABAQUS软件模拟得到的静压结果一致。

（本文受202010059123-基于界面弱化的疏水材料在沥青道面脱粘抑冰技术研究资助）

参考文献：

1. 张洪伟，韩森，刘洪辉.沥青路面除冰雪技术综述[J].黑龙江交通科技，2008，169（3）：8-9.

2. 黄月文.疏水涂料的研究和应用[J].化学建材.2008，24（1）：1-4.

3. 王声乐、朱启洋、朱湘等.一种降低冰层与沥青路面粘结性的疏水涂料[P].中国专利：ZL201120029908.1.2011-01-26.

4. Onda T，Shibuichi S，Satoh N，et al.Super-water-repel lent fractal surfaces[J].Langmuir.1996，12（9）：2125-2127.

5. 杨晓飞.寒冷地区沥青路面疏水防冰抗滑技术研究[D].西安：长安大学，2017.

6. 梁琦，黄建华，王东坡.人工、机械成为除雪主力军[EB/OL].

http://bjyouth.ynet.com/article.jsp?oid=76631080，2011-02-11.

7. 吴天容.国外化学融雪剂除冰剂的开发与进展[J].无机盐工业.1989,102（5）：28-32

8. 张业茂.沥青路面脱粘抑冰材料研发及工程应用技术研究[D]：(博士学位论文).西安：长安大学，2016.

[9] 夏慧芸、李芳芳、宋莉芳等.自融雪材料制备及其融雪效果评价[J].公路.2015，（7）：269-274.