缓释盐化物复合相变材料沥青混合料填料的制备

王一沛

(张家口市建设工程质量检测中心有限责任公司 节能室,河北 张家口 075000)

引言

自融雪路面是目前路面融雪技术的一项重要技术措施,在冬季雪天通过路面材料自身的材料特性自行融雪。路面的自融雪功能可以通过多种途径实现,如在路面内部铺设加热融雪装置,或在路面材料中掺加可融雪的物质。在路面内部铺设融雪装置通过电能或太阳能等能源为路面提供热量进行融雪是一种较为有效的方式,缺点是造价过高,有的融雪装置如地热管法和流体加热法会对地下水造成影响,有的还会造成地陷、地裂等不良后果。抑制冻结铺设技术是在沥青混合料中掺加化学类或物理类抑制冻结材料,这种技术基本上不会对周围环境造成影响。其中化学类抑制冻结铺装技术融雪效果要好于物理类抑制冻结铺装技术。化学类抑制冻结铺装技术主要依靠路面材料中的融雪材料如盐化物,来起到融雪的作用。在沥青混合料中掺加的盐化物是以替代矿粉的形式出现,直接掺加盐化物不容易控制它的释放量,有可能在短时间内释放完,不能长久起到融雪作用。为了让盐化物能够达到缓慢释放的效果,提升融雪时限,可依靠吸附材料对盐化物的吸附性达到逐渐释放的作用。在路面材料中添加相变材料可提升路面温度,这样可促进盐化物对冰雪的融化作用。

本文针对融雪路面材料的工厂可制备性进行研究,利用无机盐等材料制备成可添加到沥青混合料中的填料,从而达到路面自融雪的效果。

1 制备方法

1.1 缓释盐化物的制备

为了使路面在正常使用的条件下达到有效融雪的效果,采用无水氯化钙作为融雪功能的基本材料。为了让盐化物发挥长时间的融雪功能,需要为盐化物寻找一种“载体”,让盐化物逐渐地释放到路面,保持长期有效的融雪功能。载体需选用吸附性强,比表面积大的材料,这里选用火山石粉(浮石粉)作为无水氯化钙的载体。

盐化物与载体的融合采用溶液融合法。将无水氯化钙溶于水后加入火山石粉,可以使两者充分混合接触,再将混合物烘干,氯化钙与火山石粉紧密结合,最后经过充分研磨后即可作为盐化物填料。具体制备过程如图1所示:

图1 缓释盐化物的制备

A.将无水氯化钙放入水中至全部溶化,加入的水的温度尽量高一些,可加快氯化钙的溶解速度。无水氯化钙加入水后每个氯化钙离子会结合五个水分子,在水分蒸发后会形成五水氯化钙晶体,这会阻碍火山石粉对氯化钙的吸附,因此在氯化钙完全溶于水后要立刻加入火山石粉进行充分搅拌,火山石粉与五水氯化钙的质量比为1:5。

B.在充分搅拌完成后将混合物放入烘干箱中进行烘干操作,形成物质如图2所示。烘干箱的温度在300 ℃左右,这个温度可以使五水氯化钙完全脱水形成无水氯化钙。烘干完成后将烘干的物质研磨过200目即可制得缓释盐化物,成品要进行密封处理,避免过多接触空气。若无烘箱设备则需要用火蒸干水分,将混合物盛入容器中,进行加热。在加热过程中需要不断搅拌混合物,加快水分的蒸发,待水分蒸发完毕后,会有氯化钙晶体析出,大部分包裹在火山石粉周围(如图3),最后将蒸干水分后的物质进行研磨密封。整个过程需要控制在12 h内,防止盐化物再次发生潮解。

图2 烘箱烘干的缓释盐化物 图3 用火蒸干的缓释盐化物

1.2 复合相变材料的制备

复合相变材料主要由相变材料组成,采用的相变材料是聚乙二醇2000。这种材料具有较高的相变潜热以及比热容值,在冬季雪天气温降低的过程中可以减缓路面温度降低速率,为盐化物融雪起到促进作用。聚乙二醇的导热率较低,储热速率较小,在雪天为了让聚乙二醇中储存的热量可以较快地传递到路面,采用有机膨润土对聚乙二醇进行插层。有机膨润土内部是层状结构的,与聚乙二醇混合后可以形成层层相连的构造;膨润土的导热系数较大,可以将聚乙二醇中储存的热量传递到路表面,从而起到提升路表面温度的作用。

制备复合相变材料的过程如图4所示:

图4 复合相变材料的制备过程

A.将聚乙二醇(如图5)放入水浴加热容器中进行水浴加热。水浴加热容器一次可容纳200 kg的聚乙二醇,容器壁是中空结构,在中空结构中注入水进行加热,可将内壁的温度控制在50 ℃左右,不至于温度过高使聚乙二醇发生碳化;待聚乙二醇完全熔化成液体后,加入有机膨润土进行搅拌。整个过程需要持续90 min左右,搅拌时间至少在30 min,直至混合物呈蜡状(如图6),便基本混合均匀。

图5 聚乙二醇2000

图6 聚乙二醇与有机膨润土混合物

B.有机膨润土占聚乙二醇的比重是7 %,可按照相应比例同时放入水浴加热容器中,进行搅拌(如图7)。搅拌器采用型号为Z1V-KY4-140的电搅拌器,搅拌均匀后放入事先准备好的容器中进行冷却凝固,在20 ℃的环境下质量为8 kg左右的复合相变材料冷却凝固时间在20 h。在搅拌过程中仍然会有大量的未完全熔化的聚乙二醇颗粒,在与有机膨润土混合的过程中会凝结成块状物质,出现这种状况需要加长搅拌时间,搅拌时间至少增加20 min。

图7 水浴加热搅拌复合相变材料

C.聚乙二醇以及有机膨润土完全搅拌均匀后,即可打开水浴加热容器的出液阀门,将混合物盛入容器中(如图8)。

图8 制备完毕开阀

2 填料融雪性能分析

本文所研究的融雪路面填料分为缓释盐化物和复合相变材料两大类,两种物质分别承担不同的融雪任务,其中缓释盐化物作为融化冰雪的主要物质,利用缓释盐化物释放出来的盐离子增大雪水中的离子浓度,从而降低雪水的结冰温度,达到融化冰雪的效果;复合相变材料主要是起调节温度的作用,在冬季雪天气温降低的过程中使路面温度降低的速率低于环境温度降低的速率,从而提升盐化物的融雪效率。

缓释盐化物填料主要存在于路面材料内部,在合适的条件下会从路面内部析出。缓释盐化物盐分的释放速度主要受环境影响,主要是在马路受碾压和有水分渗入路面孔隙中的时候,盐分会在路面的压力和孔隙水动力下从路面孔隙中析出。盐化物主要成分是氯化钙,氯化钙是一种易潮解的物质,极易吸收环境中的水分,形成溶液。在路面受到正面压力、摩擦、碰撞等荷载时,盐化物会因为路面毛细管压力和孔隙渗透压力从路面不同深度处移动到路表面,这时析出到路面的盐化物会因为潮解作用形成溶液,溶液中盐离子浓度不断增大,便引起冰雪的融化。氯化钙水溶液浓度达到12 %即可让冰点降到-8 ℃,掺加了融雪填料的沥青混合料路面在有水浸泡的条件下氯离子会以每小时占总离子量4 %的速度释放出来,基本可以保证在降雪初期达到融雪的效果。

复合相变材料主要起辅助融雪的作用,在温度较高的时候或者白天吸收热量并储存,在气温降低的时候发生相变释放热量。在冬季,环境温度低于聚乙二醇2000的相变温度,聚乙二醇2 000不会发生相变现象,其释放的热量有限。但是聚乙二醇2 000的比热值较大,达到3.0×103J /(kg·℃)左右,冰的比热值在2.1×103J /(kg·℃)左右,相同质量的聚乙二醇和冰,聚乙二醇中存储的热量比冰要多。在气温降低的过程中,聚乙二醇释放的热量要高于冰释放的热量,可以减缓雪水进一步结冰的状况,并且可以减缓路面温度降低的速率。较之普通沥青路面,掺加了复合相变材料的路面温度要比其高2～5 ℃,此时配合盐化物释放的盐离子可以加快融雪速率,在既有的盐离子浓度下,提升温度可以增强盐离子的融雪能力,达到事半功倍的效果。

3 结论

3.1 在沥青混合料中添加盐化物是为了制备自融雪路面功能材料,依靠盐化物释放盐离子提升溶液浓度,从而降低冰点,使路面上的积雪融化,但是只掺加盐化物难以控制其析出速率,可能会在短时间内流失完,无法长时间地起作用,利用一些吸附性强的材料将盐化物吸附在周围,可以减缓盐化物的析出速度,达到长时效的融雪功能。

3.2 复合相变材料是利用其相变潜热以及较大的比热容值储存较多的热量,在气温降低的时候释放热量减缓环境温度的降低速率,以达到减缓路面温度降低程度的效果,从而加强盐化物的融雪效果。

3.3 缓释盐化物和复合相变材料的制备在脱离实验室环境的条件下,需要考虑制备材料的数量,在实验室条件下很难大量制备的材料需要采用新工艺进行制备,如缓释盐化物的制备,需要进行烘干操作,量少可以采用烘干箱进行烘干,量多的情况下需要用专用的大型烘干设备。