緩釋鹽化物復合相變材料瀝青混合料填料的制備

王一沛

(張家口市建設工程質量檢測中心有限責任公司 節能室,河北 張家口 075000)

引言

自融雪路面是目前路面融雪技術的一項重要技術措施,在冬季雪天通過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過多種途徑實現,如在路面內部鋪設加熱融雪裝置,或在路面材料中摻加可融雪的物質。在路面內部鋪設融雪裝置通過電能或太陽能等能源為路面提供熱量進行融雪是一種較為有效的方式,缺點是造價過高,有的融雪裝置如地熱管法和流體加熱法會對地下水造成影響,有的還會造成地陷、地裂等不良后果。抑制凍結鋪設技術是在瀝青混合料中摻加化學類或物理類抑制凍結材料,這種技術基本上不會對周圍環境造成影響。其中化學類抑制凍結鋪裝技術融雪效果要好于物理類抑制凍結鋪裝技術?；瘜W類抑制凍結鋪裝技術主要依靠路面材料中的融雪材料如鹽化物,來起到融雪的作用。在瀝青混合料中摻加的鹽化物是以替代礦粉的形式出現,直接摻加鹽化物不容易控制它的釋放量,有可能在短時間內釋放完,不能長久起到融雪作用。為了讓鹽化物能夠達到緩慢釋放的效果,提升融雪時限,可依靠吸附材料對鹽化物的吸附性達到逐漸釋放的作用。在路面材料中添加相變材料可提升路面溫度,這樣可促進鹽化物對冰雪的融化作用。

本文針對融雪路面材料的工廠可制備性進行研究,利用無機鹽等材料制備成可添加到瀝青混合料中的填料,從而達到路面自融雪的效果。

1 制備方法

1.1 緩釋鹽化物的制備

為了使路面在正常使用的條件下達到有效融雪的效果,采用無水氯化鈣作為融雪功能的基本材料。為了讓鹽化物發揮長時間的融雪功能,需要為鹽化物尋找一種“載體”,讓鹽化物逐漸地釋放到路面,保持長期有效的融雪功能。載體需選用吸附性強,比表面積大的材料,這里選用火山石粉(浮石粉)作為無水氯化鈣的載體。

鹽化物與載體的融合采用溶液融合法。將無水氯化鈣溶于水后加入火山石粉,可以使兩者充分混合接觸,再將混合物烘干,氯化鈣與火山石粉緊密結合,最后經過充分研磨后即可作為鹽化物填料。具體制備過程如圖1所示:

圖1 緩釋鹽化物的制備

A.將無水氯化鈣放入水中至全部溶化,加入的水的溫度盡量高一些,可加快氯化鈣的溶解速度。無水氯化鈣加入水后每個氯化鈣離子會結合五個水分子,在水分蒸發后會形成五水氯化鈣晶體,這會阻礙火山石粉對氯化鈣的吸附,因此在氯化鈣完全溶于水后要立刻加入火山石粉進行充分攪拌,火山石粉與五水氯化鈣的質量比為1:5。

B.在充分攪拌完成后將混合物放入烘干箱中進行烘干操作,形成物質如圖2所示。烘干箱的溫度在300 ℃左右,這個溫度可以使五水氯化鈣完全脫水形成無水氯化鈣。烘干完成后將烘干的物質研磨過200目即可制得緩釋鹽化物,成品要進行密封處理,避免過多接觸空氣。若無烘箱設備則需要用火蒸干水分,將混合物盛入容器中,進行加熱。在加熱過程中需要不斷攪拌混合物,加快水分的蒸發,待水分蒸發完畢后,會有氯化鈣晶體析出,大部分包裹在火山石粉周圍(如圖3),最后將蒸干水分后的物質進行研磨密封。整個過程需要控制在12 h內,防止鹽化物再次發生潮解。

圖2 烘箱烘干的緩釋鹽化物 圖3 用火蒸干的緩釋鹽化物

1.2 復合相變材料的制備

復合相變材料主要由相變材料組成,采用的相變材料是聚乙二醇2000。這種材料具有較高的相變潛熱以及比熱容值,在冬季雪天氣溫降低的過程中可以減緩路面溫度降低速率,為鹽化物融雪起到促進作用。聚乙二醇的導熱率較低,儲熱速率較小,在雪天為了讓聚乙二醇中儲存的熱量可以較快地傳遞到路面,采用有機膨潤土對聚乙二醇進行插層。有機膨潤土內部是層狀結構的,與聚乙二醇混合后可以形成層層相連的構造;膨潤土的導熱系數較大,可以將聚乙二醇中儲存的熱量傳遞到路表面,從而起到提升路表面溫度的作用。

制備復合相變材料的過程如圖4所示:

圖4 復合相變材料的制備過程

A.將聚乙二醇(如圖5)放入水浴加熱容器中進行水浴加熱。水浴加熱容器一次可容納200 kg的聚乙二醇,容器壁是中空結構,在中空結構中注入水進行加熱,可將內壁的溫度控制在50 ℃左右,不至于溫度過高使聚乙二醇發生碳化;待聚乙二醇完全熔化成液體后,加入有機膨潤土進行攪拌。整個過程需要持續90 min左右,攪拌時間至少在30 min,直至混合物呈蠟狀(如圖6),便基本混合均勻。

圖5 聚乙二醇2000

圖6 聚乙二醇與有機膨潤土混合物

B.有機膨潤土占聚乙二醇的比重是7 %,可按照相應比例同時放入水浴加熱容器中,進行攪拌(如圖7)。攪拌器采用型號為Z1V-KY4-140的電攪拌器,攪拌均勻后放入事先準備好的容器中進行冷卻凝固,在20 ℃的環境下質量為8 kg左右的復合相變材料冷卻凝固時間在20 h。在攪拌過程中仍然會有大量的未完全熔化的聚乙二醇顆粒,在與有機膨潤土混合的過程中會凝結成塊狀物質,出現這種狀況需要加長攪拌時間,攪拌時間至少增加20 min。

圖7 水浴加熱攪拌復合相變材料

C.聚乙二醇以及有機膨潤土完全攪拌均勻后,即可打開水浴加熱容器的出液閥門,將混合物盛入容器中(如圖8)。

圖8 制備完畢開閥

2 填料融雪性能分析

本文所研究的融雪路面填料分為緩釋鹽化物和復合相變材料兩大類,兩種物質分別承擔不同的融雪任務,其中緩釋鹽化物作為融化冰雪的主要物質,利用緩釋鹽化物釋放出來的鹽離子增大雪水中的離子濃度,從而降低雪水的結冰溫度,達到融化冰雪的效果;復合相變材料主要是起調節溫度的作用,在冬季雪天氣溫降低的過程中使路面溫度降低的速率低于環境溫度降低的速率,從而提升鹽化物的融雪效率。

緩釋鹽化物填料主要存在于路面材料內部,在合適的條件下會從路面內部析出。緩釋鹽化物鹽分的釋放速度主要受環境影響,主要是在馬路受碾壓和有水分滲入路面孔隙中的時候,鹽分會在路面的壓力和孔隙水動力下從路面孔隙中析出。鹽化物主要成分是氯化鈣,氯化鈣是一種易潮解的物質,極易吸收環境中的水分,形成溶液。在路面受到正面壓力、摩擦、碰撞等荷載時,鹽化物會因為路面毛細管壓力和孔隙滲透壓力從路面不同深度處移動到路表面,這時析出到路面的鹽化物會因為潮解作用形成溶液,溶液中鹽離子濃度不斷增大,便引起冰雪的融化。氯化鈣水溶液濃度達到12 %即可讓冰點降到-8 ℃,摻加了融雪填料的瀝青混合料路面在有水浸泡的條件下氯離子會以每小時占總離子量4 %的速度釋放出來,基本可以保證在降雪初期達到融雪的效果。

復合相變材料主要起輔助融雪的作用,在溫度較高的時候或者白天吸收熱量并儲存,在氣溫降低的時候發生相變釋放熱量。在冬季,環境溫度低于聚乙二醇2000的相變溫度,聚乙二醇2 000不會發生相變現象,其釋放的熱量有限。但是聚乙二醇2 000的比熱值較大,達到3.0×103J /(kg·℃)左右,冰的比熱值在2.1×103J /(kg·℃)左右,相同質量的聚乙二醇和冰,聚乙二醇中存儲的熱量比冰要多。在氣溫降低的過程中,聚乙二醇釋放的熱量要高于冰釋放的熱量,可以減緩雪水進一步結冰的狀況,并且可以減緩路面溫度降低的速率。較之普通瀝青路面,摻加了復合相變材料的路面溫度要比其高2～5 ℃,此時配合鹽化物釋放的鹽離子可以加快融雪速率,在既有的鹽離子濃度下,提升溫度可以增強鹽離子的融雪能力,達到事半功倍的效果。

3 結論

3.1 在瀝青混合料中添加鹽化物是為了制備自融雪路面功能材料,依靠鹽化物釋放鹽離子提升溶液濃度,從而降低冰點,使路面上的積雪融化,但是只摻加鹽化物難以控制其析出速率,可能會在短時間內流失完,無法長時間地起作用,利用一些吸附性強的材料將鹽化物吸附在周圍,可以減緩鹽化物的析出速度,達到長時效的融雪功能。

3.2 復合相變材料是利用其相變潛熱以及較大的比熱容值儲存較多的熱量,在氣溫降低的時候釋放熱量減緩環境溫度的降低速率,以達到減緩路面溫度降低程度的效果,從而加強鹽化物的融雪效果。

3.3 緩釋鹽化物和復合相變材料的制備在脫離實驗室環境的條件下,需要考慮制備材料的數量,在實驗室條件下很難大量制備的材料需要采用新工藝進行制備,如緩釋鹽化物的制備,需要進行烘干操作,量少可以采用烘干箱進行烘干,量多的情況下需要用專用的大型烘干設備。