CN102173645B

CN102173645B - 一种抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒及制备方法

Info

Publication number: CN102173645B
Application number: CN 201110028198
Authority: CN
Inventors: 陈拴发; 夏慧芸; 刘状壮; 廖卫东; 李祖仲; 邢明亮
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: CN102173645A

Abstract

本发明涉及道路铺面材料领域，公开了一种抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒及制备方法。其原料组分按照百分比质量计包括：30%～55%的火山岩、32%～50%的CaCl2、8%～10%的硅烷憎水剂、0.5%～2%的硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂、8%～12%的外掺剂CaO；其制备步骤：先将火山岩与硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂在搅拌机内均匀拌合，再加入硅烷憎水剂均匀混合后输入闷料筒，筒内温度60～80℃陈化10～20min，然后和外掺剂CaO一起输入球磨机中，磨制成粒径小于0.15mm的粉体颗粒，即得。

Description

一种抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒及制备方法

技术领域

本发明涉及道路铺面材料领域，特别涉及一种抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒及制备方法。

背景技术

在我国大部分地区，冬季常出现降雪结冰天气，随着公路路面的积雪结冰，汽车轮胎与冰雪层的附着系数及摩擦系数较低，导致汽车打滑、制动距离延长，严重时引起刹车失灵、方向失控，甚至造成惨重的交通事故。为了保障行车安全和道路畅通，在冰雪季节交管部门不得不采取一定的措施改善道路的行车环境，提高其行车安全性，如：限速、安装防滑链条、撒布融雪剂、关闭交通等等。

目前，国内外路用除冰雪技术主要有：人工或机械除雪、撒布融雪剂、电热融雪除冰、太阳能融雪除冰，各融雪化冰技术特点概括如下：

1）人工或机械除雪

在高等级公路未出现之前，一般采用人工清除路面冰雪，但对于高等级公路大面积冰雪，只能采用机械装备清除。该除冰雪方式工程量大，一次清除后，再降雪，继续清除，因此，需轮流作业，对路面破损极大，来年需对路面进行表面养护，增加了路面养护成本。

2）撒布融雪剂

撒布融雪剂通过在路面撒布化学药剂降低冰点，使冰雪融化。该方法是国际上常用的方法，在路表冰雪层上撒布融雪剂，需要大量的融雪剂，成本大，只能使表层冰雪融解，不能彻底地解决冰雪层与路面的界面接触问题，同时，融雪剂对路旁绿化带及农田带来很大危害，撒布的融雪盐会腐蚀道路、桥梁等路政设施。此外，盐类融化物随冰雪水流淌，污染河流，进入地下还会对地下水资源造成污染。

3）电热融雪除冰

铺设热电阻法是通过启动路面中的热电阻产生热量，并将热量传至路表面将冰雪融化。但此法值考虑了温度向上传送，并未考虑热电阻将同时向上向下传递热量对路面的影响，有可能造成路面层中局部温度过高，导致路面材料性能劣变，而且消耗电能，对于山区地段，搭接电源也有难度，又不经济，推广该技术难度较大。

4）太阳能融雪除冰

太阳能除冰雪有两种方式，一种是撒布具有吸收光能较强的化学物质，另一种是利用太阳能板转化的电能，由植入路面的电阻转化为热能，其除冰雪原理与电热融雪除冰一致，目前，该技术还处于室内研究阶段，实际应用效果有待于进一步检验。

5)改善路表面构造

该技术从路表面微构造出发，增加路表面粗糙程度，使冰雪在交通荷载作用下破碎，不至于结块固结，对于冰雪层较薄的情况下，改善路表面的微构造，有利于恢复冰雪路面的通行能力，但一旦冰雪与路面固结且冰雪层较厚时，该方法也无济于事。

6）改善路面材料组成设计

目前，从材料组成的角度，国内外已有应用的融雪沥青路面主要有物理系自融雪和化学系自融雪两大类。物理系主要用橡胶颗粒填充沥青混合料，利用橡胶颗粒的弹塑性，在行车荷载作用下产生变形，从而达到破冰除雪的作用。化学系则通过将盐化物等代替矿粉添加于沥青混凝土中，掺加自融雪功能性材料，降低路面冰点，使沥青混凝土路表层与冰雪界面层发生部分融解，形成蜂窝状界面，抑制铺面层与冰雪层冻结，在交通荷载作用下，瞬间破碎，提高了轮胎与路面的附着系数及摩擦系数，该方法是改善冰雪路面交通状况的较好思路，保证了交通畅通和行车安全。相比较而言，铺筑自融冰雪路面具有省时、省力、见效快等优点，越来越多地得到国内外研究人员的重视。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本较低、性能优良的抑制沥青混凝土铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒及其制备方法。该盐化物颗粒材料化学性质稳定，不溶于沥青或与沥青发生剧烈反应，具有较好的耐久性；在沥青混合料拌和过程中，掺入此粉体材料，铺筑沥青路面，能够显著降低路面冰点。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

（1）一种抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒，其特征在于，按照质量百分比计包括以下原料组分：30%～55%的火山岩、32%～50%的CaCl₂、8%～10%的硅烷憎水剂、0.5%～2%的硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂、8%～12%的CaO。

上述技术方案的进一步改进和特点在于：

所述火山岩的化学成分为：SiO₂：70～74%，TiO₂：0.05～0.1%，Al₂O₃：12.0～12.5%，Fe₂O₃：0.3～0.8%，FeO：0.03～0.09%，MnO：0.08～0.16%，Ka₂O：4.2～5.1%，Na₂O：2.8～3.4%，P₂O₅:0.02～0.06%。

所述硅烷憎水剂为硅烷基粉末憎水剂SHP-50。

所述硅烷偶联剂为KH-550、KH-560、KH-570、A-151。

（2）、上述抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按照百分比质量称取各原料组分，先将火山岩、CaCl₂、与硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂在搅拌机内均匀拌合，再加入硅烷憎水剂均匀混合后输入闷料筒，筒内温度60～80℃陈化10～20min，然后和外掺剂CaO一起输入球磨机中，磨制成粒径小于0.15mm的粉体颗粒，即得。

本发明制备的抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒，其最终化学成分为：SiO₂：10～42%，MgO：2～5%，Al₂O₃：0.2～1%，Fe₂O₃：0.6～1.9%，FeO：1～3%，CaO：0.3～6.5%，CaCl₂：30～50%，NaCl：11～25%，TiO₂：0.05～0.1%，MnO：0.08～0.16%，Ka₂O：4.2～5.1%，Na₂O：2.8～3.4%，P₂O₅:0.02～0.06%，H₂O:0～0.5%；其密度2.16～2.74g/cm³，松装密度0.87～1.00g/cm³。

在本发明中，以火山岩为材料载体，火山岩的主要化学成分是SiO₂和Al₂O₃，是在地壳深处或上地幔产生的高温炽热、粘稠、含有挥发分的硅酸盐熔融体喷出物。与其他岩石载体相比较，火山岩是由于熔岩喷发出地表时，由于岩浆骤冷而有很大粘度，使大量水蒸气未能从岩浆逸散而存于玻璃质中。经过陈年累月的自然变化，岩体中水蒸气和CO₂从内部溢出，形成孔洞结构，多孔火山岩是作为粉体颗粒载体的基础条件。

憎水剂的主要作用为减缓材料中有效成分在湿态环境下的释放速率，提高铺面层抗冰雪冻结的持久性。硅烷憎水剂为硅烷基粉末憎水剂SHP-50，其疏水性强，均匀覆盖在多孔火山岩和有效成分表面，改善有效成分在有水环境下的析出速率。在沥青混合料的拌合过程中，硅烷憎水剂软化后与沥青发生交联，提高沥青与粉体颗粒的吸附能力，有效成分CaCl2从载体内部孔洞析出后，沥青依然吸附在颗粒表面，不会对路面的耐久性造成损害。

偶联剂用于提高集料、盐化物与沥青的粘附性，改善沥青的抗剥落性能。硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂能够强化硅烷憎水剂和有效成分CaCl2的粘结，铺装后硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂水解，带有较长的分子链，该高分子长链与沥青缠结，增强粉体颗粒与沥青的粘附效果。

外掺剂CaO用于改善集料与沥青界面间的粘附性，改善沥青抗剥落性能。外掺剂CaO能够吸附在沥青膜与集料表面，改善集料表面性质，增加粘附力。在有水环境下外掺剂CaO形成溶胶体，能够封住水与集料之间的接触通道，阻止水对沥青剥落。

在沥青混凝土生产过程中，掺加上述抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒，铺筑沥青路面。在冰雪季节，沥青道路铺面层中的盐化物离子析出，使铺面层冰雪界面部分融解，在交通荷载作用下，冰雪层呈松散非连续固结状态，从而实现其自融雪目的，保障交通通畅与安全。同时，上述抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒也可在机场沥青混凝土道面中使用。

此外，火山岩矿物在我国储量丰富，广泛分布于陕西、辽宁、内蒙古、河南等地，价格低廉，成本低，改性效果好。同时，该抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒具有良好的市场应用前景和推广价值，符合绿色环保的可持续交通发展战略，能够产生巨大的社会经济效益。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施实例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于所述实施例。

实施例一：

（1）备料：按照质量百分比计，原料组分为：30%的火山岩、50%的CaCl₂、10%的硅烷憎水剂（硅烷基粉末憎水剂SHP-50）、2%的钛酸酯偶联剂、8%的外掺剂CaO；并将火山岩用破碎机制成粒径小于0.3mm的颗粒，180℃脱水烘干，同时也将有效成分CaCl₂，180℃脱水烘干；

（2）混合：将火山岩、有效成分CaCl₂及硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂在搅拌机内均匀混合10min，得混合物；

（3）复合改性：再将硅烷憎水剂加入上述混合物中并搅拌均匀，搅拌时间以20min为宜，得改性混合物；

（4）陈化：然后将改性混合物输入闷料筒，筒内温度80℃，陈化时间10min，得陈化混合物；

（5）颗粒制备：最后将陈化混合物和外掺剂CaO一起输入球磨机中磨制成制成粒径小于0.15mm粉体颗粒，即为抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒。

将上述盐化物颗粒输入选粉机，按照表1进行级配，所得抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒性能更加优越。

表1 盐化物颗粒级配范围

分子筛尺寸（目）	100	150	200	300	400
						通过率（%）	100	82-95	60-80	35-55	5-10

实施例二：

（1）备料：按照质量百分比计，原料组分为：35%的火山岩、45%的CaCl₂、8%的硅烷憎水剂（硅烷基粉末憎水剂SHP-50）、2%的硅烷偶联剂KH-550、12%的外掺剂CaO；并将火山岩用破碎机制成粒径小于0.3mm的颗粒，180℃脱水烘干，同时也将有效成分CaCl₂，180℃脱水烘干；

（2）混合：将火山岩、有效成分CaCl₂及硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂在搅拌机内均匀混合15min，得混合物；

（3）复合改性：再将硅烷憎水剂加入上述混合物中并搅拌均匀，搅拌时间以15min，得改性混合物；

（4）陈化：然后将改性混合物输入闷料筒，筒内温度75℃，陈化时间12min，得陈化混合物；

实施例三：

（1）备料：按照质量百分比计，原料组分为：50%的火山岩、35%的CaCl₂、5%的硅烷憎水剂（硅烷基粉末憎水剂SHP-50）、1.5%的硅烷偶联剂KH-570、8.5%的外掺剂CaO；并将火山岩用破碎机制成粒径小于0.3mm的颗粒，180℃脱水烘干，同时也将有效成分CaCl₂，180℃脱水烘干；

（2）混合：将火山岩、有效成分CaCl₂及硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂在搅拌机内均匀混合12min，得混合物；

（3）复合改性：再将硅烷憎水剂加入上述混合物中并搅拌均匀，搅拌时间以16min，得改性混合物；

（4）陈化：然后将改性混合物输入闷料筒，筒内温度65℃，陈化时间15min，得陈化混合物；

实施例四：

（1）备料：按照质量百分比计，原料组分为：55%的火山岩、32%的CaCl₂、8%的硅烷憎水剂（硅烷基粉末憎水剂SHP-50）、0.5%的硅烷偶联剂KH-570、A-151、9.5%的外掺剂CaO；并将火山岩用破碎机制成粒径小于0.3mm的颗粒，180℃脱水烘干，同时也将有效成分CaCl₂，180℃脱水烘干；

（3）复合改性：再将硅烷憎水剂加入上述混合物中并搅拌均匀，搅拌时间以18min，得改性混合物；

（4）陈化：然后将改性混合物输入闷料筒，筒内温度60℃，陈化时间20min，得陈化混合物；

按实施例一、实施例二、实施例三、实施例四制备的4种抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒，并分别对其相应沥青混合料试件进行马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验及电导率试验。

试件采用AC-13型级配中值（见表2），改性沥青（SBS1-C）混合料，油石比为4.9%，其中矿粉掺量2.2%，抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒掺量3%，对照例中矿粉掺量为5.2%，不掺加上述抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒，上述所用掺量均为质量百分比；各试件的试验结果见表3。

表2 AC-13型中值级配

筛孔尺寸（mm）	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
										通过率（%）	95.0	76.5	53.0	37.0	26.5	19.0	13.5	10.0	6.0

表3 试验结果

注：（1）马歇尔稳定度、残留温度、劈裂强度比、车辙动稳定度依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052-2000）测试。

（2）电导率（经时2小时）为评价盐化物离子析出的关键指标，其值愈大，离子析出越快，融雪化冰效果越好。

从表2中数据可以看出，掺加本发明的抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒后，沥青混合料试件的残留稳定度、动稳定度和劈裂强度比能够满足试验规范要求的情况下，试件电导率大，离子析出快，融雪化冰效果好。表中电导率是将掺有本发明盐化物颗粒的沥青混合料试件浸水两小时的电导率值，随有效成分含量的降低，电导率值也随之降低。通过对试件融雪性能的测试，沥青混合料可在0～-10℃的冰雪环境下使用。

Claims

1.一种抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒，其特征在于，按照质量百分比计包括以下原料组分：30%～55%的火山岩、32%～50%的CaCl₂、8%～10%的硅烷憎水剂、0.5%～2%的硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂、8%～12%的CaO。

2.根据权利要求1所述的抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒，其特征在于，所述硅烷憎水剂为硅烷基粉末憎水剂SHP-50。

3.根据权利要求1所述的抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒，其特征在于，所述硅烷偶联剂为KH-550、KH-560、KH-570、A-151。

4.根据权利要求1所述抑制道路铺面层冰雪冻结的盐化物颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按照百分比质量称取各原料组分，先将火山岩、CaCl₂、与硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂在搅拌机内均匀拌合，再加入硅烷憎水剂均匀混合后输入闷料筒，筒内温度60～80℃陈化10～20min，然后和CaO一起输入球磨机中，磨制成粒径小于0.15mm的粉体颗粒，即得。