CN106087638A - 一种超疏水抗凝冰复合沥青面层结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超疏水抗凝冰复合沥青面层结构及其制备方法。该路面由抗凝冰功能层、沥青面层结构以及环氧粘结层组成。其中抗凝冰功能层由疏水性材料和改性剂配制而成，其厚度为3～6cm。疏水性材料的分散介质为丙基三甲氧基硅烷去离子水溶液，分散相为疏水性硅油类物质聚四氟乙烯和氟硅烷中的一种或两种。改性剂由纳米氧化锌颗粒及渗透剂混合配制得到；沥青面层为OGFC路面，厚度约为30～40cm。本抗凝冰复合沥青面层结构的制备采用分层施工，在主体沥青面层上浇筑一层厚度为4～7cm的环氧粘结层，再在其表面涂抹上一层抗凝冰功能层，从而使沥青路面获得较好的抗凝冰性能。
Description
技术领域
本发明属于新型路面设计技术领域，涉及一种超疏水抗凝冰复合沥青面层结构及其制备方法。
背景技术
公路运输行业的发展对我国的经济发展起着至关重要的作用。有数据显示，至2015年底，高速公路通车里程达到12.3万公里，连续四年稳居世界第一。“十三五”期间，全国高速公路里程将继续增加，到2020年底，预计达到16.9万公里。我国地域辽阔，地形地貌差别较大，各地气候不一，道路交通受自然环境影响极大，尤其是路面结冰给人民的生命财产安全带来了严重威胁。在2015年冬季，我国南方大部分省份受到大面积寒潮的影响。我国南部出现大面积雨雪天气，造成了严重的雪灾，致使机场、高速公路、国道以及大部分城市道路被迫关闭，造成了巨大的经济损失。与此同时，传统除冰方法具有被动、低效、对路面损伤大等不足，例如：除冰盐技术对路面材料造成了大面积剥蚀，人工或机械除冰则能耗大，效率偏低、速度较慢，对于交通的及时恢复有一定程度的阻碍。而微波除冰技术、电缆加热除冰技术、导电混凝土除冰技术等当前热点的除冰技术或多或少存在一些不足。除此之外，在我国大部分地区，传统除冰技术仍然占据较大的比例。
因此，研究和开发一种施工简便、性价比高、低能耗的主动除冰雪技术，不失为一种是解决当前公路路面易结冰难除冰问题的途径。近年来，利用超疏水材料制备的抗冰涂层，已经广泛应用到航天、电力等领域。超疏水材料构建的防冰涂层，可降低基质表面的覆冰量以及冰与基质表面间的附着力，是属于主动除冰法的一种。这种主动除冰法相对于传统的除冰方法，具有能耗小、施工方便等优点，因此抗冰涂层的研究受到国内外学者的广泛关注。但是，超疏水材料在公路路面防冰除冰中的应用却少见报道。同时，通过检索，对于一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构及其制备技术还未见有公开的相关专利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超疏水抗凝冰复合沥青面层结构及其制备方法，其性能完全可达到路面疏水、减冰以及抗滑等要求。
本发明的目的是通过以下方式实现的：
本发明涉及一种超疏水抗凝冰复合沥青面层结构及其制备方法参见图1。该路面由抗凝冰功能层、沥青面层结构以及环氧粘结层组成，可参见图2。其中抗凝冰功能层由疏水性材料和改性剂配制而成，疏水性材料的分散介质为丙基三甲氧基硅烷去离子水溶液，分散相为疏水性硅油类物质聚四氟乙烯和氟硅烷中的一种或两种。改性剂由纳米氧化锌颗粒及渗透剂混合配制得到；沥青面层为OGFC路面。本沥青混凝土的制备采用分层施工，在主体混凝土层上浇筑一层环氧固化剂后，再在其表面涂抹上一层抗凝冰功能层，从而使沥青路面获得较好的抗凝冰性能。
所述的一种超疏水抗凝冰复合沥青面层结构，其特征在于，该路面由抗凝冰功能层、环氧粘结层和沥青面层组成。
所述的抗凝冰功能层，其特征在于，由所述的疏水性材料和改性剂配制而成。
所述的环氧粘结层，其特征在于，所述的环氧粘结层采用组分A和组分B。组分A为20—50份环氧树脂850S；组分B为593胺类固化剂40—70份和间二苯胺20—50份。
所述的沥青面层，其特征在于，该路面层应使用构造深度较大的粗糙型沥青混凝土路面，包括：开级配沥青混凝土(OGFC)路面、多碎石沥青混凝土(SAC)路面和沥青玛蹄脂碎石(SMA)混合料路面。
所述的疏水性材料，其特征在于，所述的分散介质为丙基三甲氧基硅烷去离子水溶液，分散介质中丙基三甲氧基硅烷去离子水溶液占乳液材料质量比的1％～6％、去离子水占30％～70％，所用丙基三甲氧基硅烷纯度不小于97％；分散相为疏水性硅油类物质聚四氟乙烯和氟硅烷中的一种或两种。
所述的改性外加剂，其特征在于，由所述的纳米氧化锌颗粒组成。其中，纳米颗粒平均粒径小于0.9μm，占乳液材料的质量比的1％～5％。
所述的一种超疏水抗凝冰复合沥青面层结构的制备方法，其特征在于，本沥青混凝土的制备采用分层施工，具体步骤如下：先摊铺沥青面层，厚度为30-35cm。在撒布胶结料前需清除基层表面所有松散有机和无机类材料，如碎石、灰尘、油污等；摊铺环氧粘结层，厚度为4-7cm。现场机械或人工拌制胶结料3-7分钟，使各组分充分混合后，均与撒布在混凝土表面上。待环氧粘结层摊铺完毕1-3小时左右，通过机械或人工喷涂权利要求6所述的疏水剂，具体喷涂量达到500-1500毫升/每平米，但必须做到均匀，无遗漏；常温条件下，干燥处理一到两周，即可得到一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构。
本发明将超疏水材料引入路面，通过超疏水涂层、环氧粘结层和沥青面层组成的微米-纳米结构，这种类似于荷叶表面的结构，能够大幅提高路面防冰除冰性能。相对于传统的除冰方法，该除冰方法具有以下的优点:
⑴超疏水抗凝冰技术具有施工简便、性价比高、低能耗等优点，不失为一种解决当前公路路面易结冰难除冰问题的途径；
⑵超疏水抗凝冰沥青路面具有较好的抗凝冰、易除冰的优异性能，对降低路面的水损害和提高抗冰冻能力具有较好的作用，在改善路面使用性能和行车安全方面具有重要的意义；
⑶由于该路面具有类似于荷叶表面的微米-纳米二级结构的存在，在促进液滴滚落的同时，滚落的液滴能够带走路表面大量灰尘，给路面带来了良好的自清洁性能。
综上所述，本发明“一种具有超疏水抗凝冰复合沥青面层结构及其制备方法”，其抗凝冰性能优良，同时满足沥青混凝土路面的力学性能要求，具有较好的自清洁性能；同时该材料生态环保、性价比高、能耗较低，符合我国可持续发展战略。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1发明一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构的制备工艺流程图；
图2为一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构及其疏水原理图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施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下面的实施例。
实施例1：一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，按照下述质量比
选取材料：
乳液材料：
丙基三甲氧基硅烷粉末：5％；
聚四氟乙烯：15％；
去离子水：80％。
改性外加剂：
纳米氧化锌：纳米级氧化锌按照乳液材料质量的5.0％掺入；
环氧粘结层：
环氧树脂采用850S环氧树脂，20份；
固化剂采用593胺类固化剂40份与间二苯胺20份；
主体沥青混合料：
沥青采用满足规范要求的道路石油沥青；
采用细粒式Ⅰ式(AC-13，Ⅰ)沥青混凝土混合料；
参考权利要求8所述的制备方法，制备得一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构总厚度40cm，其中主体混凝土层厚32cm，抗凝冰功能层厚8cm。通过接触角测定仪测定水在其表面的接触角，并利用示差扫描量热仪测定冰的成核温度，最后利用落棒试验模拟车轮的碾压作用用以测试冰在其表面的粘附性能。其结果与普通沥青路面对比，如表1所示。
表1沥青混凝土性能对比表
结果表明，制备的一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，具有较好的疏水、抗凝冰性能，可以用于公路的沥青路面防滑防冻。
实施例2：一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，按照下述质量比
选取材料：
乳液材料：
丙基三甲氧基硅烷粉末：5％；
聚四氟乙烯：10％；
去离子水：85％。
改性外加剂：
纳米氧化锌：纳米级氧化锌按照乳液材料质量的5.0％掺入；
环氧粘结层：
环氧树脂采用850S环氧树脂，20份；
固化剂采用593胺类固化剂40份与间二苯胺20份；
主体沥青混合料：
沥青采用满足规范要求的道路石油沥青；
采用细粒式Ⅰ式(AC-13，Ⅰ)沥青混凝土混合料；
参考权利要求8所述的制备方法，制备得一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构总厚度40cm，其中主体混凝土层厚32cm，抗凝冰功能层厚8cm。通过接触角测定仪测定水在其表面的接触角，并利用示差扫描量热仪测定冰的成核温度，最后利用落棒试验模拟车轮的碾压作用用以测试冰在其表面的粘附性能。其结果与普通沥青路面对比，如表1所示。
表2沥青混凝土性能对比表
结果表明，制备的一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，具有较好的疏水、抗凝冰性能，可以用于公路的沥青路面防滑防冻。
实施例3：一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，按照下述质量比
选取材料：
乳液材料：
丙基三甲氧基硅烷粉末：8％；
聚四氟乙烯：12％；
去离子水：80％。
改性外加剂：
纳米氧化锌：纳米级氧化锌按照乳液材料质量的5.0％掺入；
环氧粘结层：
环氧树脂采用850S环氧树脂，20份；
固化剂采用593胺类固化剂40份与间二苯胺20份；
主体沥青混合料：
沥青采用满足规范要求的道路石油沥青；
采用细粒式Ⅰ式(AC-13，Ⅰ)沥青混凝土混合料；
参考权利要求8所述的制备方法，制备得一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构总厚度40cm，其中主体混凝土层厚32cm，抗凝冰功能层厚8cm。通过接触角测定仪测定水在其表面的接触角，并利用示差扫描量热仪测定冰的成核温度，最后利用落棒试验模拟车轮的碾压作用用以测试冰在其表面的粘附性能。其结果与普通沥青路面对比，如表1所示。
表3沥青混凝土性能对比表
结果表明，制备的一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，具有较好的疏水、抗凝冰性能，可以用于公路的沥青路面防滑防冻。
实施例4：一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，按照下述质量比
选取材料：
乳液材料：
丙基三甲氧基硅烷粉末：5％；
聚四氟乙烯：20％；
去离子水：75％。
改性外加剂：
纳米氧化锌：纳米级氧化锌按照乳液材料质量的5.0％掺入；
环氧粘结层：
环氧树脂采用850S环氧树脂，20份；
固化剂采用593胺类固化剂40份与间二苯胺20份；
主体沥青混合料：
沥青采用满足规范要求的道路石油沥青；
采用细粒式Ⅰ式(AC-13，Ⅰ)沥青混凝土混合料；
参考权利要求8所述的制备方法，制备得一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构总厚度40cm，其中主体混凝土层厚32cm，抗凝冰功能层厚8cm。通过接触角测定仪测定水在其表面的接触角，并利用示差扫描量热仪测定冰的成核温度，最后利用落棒试验模拟车轮的碾压作用用以测试冰在其表面的粘附性能。其结果与普通沥青路面对比，如表1所示。
表4沥青混凝土性能对比表
结果表明，制备的一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，具有较好的疏水、抗凝冰性能，可以用于公路的沥青路面防滑防冻。
实施例5：一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，按照下述质量比
选取材料：
乳液材料：
丙基三甲氧基硅烷粉末：10％；
聚四氟乙烯：13％；
去离子水：77％。
改性外加剂：
纳米氧化锌：纳米级氧化锌按照乳液材料质量的5.0％掺入；
环氧粘结层：
环氧树脂采用850S环氧树脂，20份；
固化剂采用593胺类固化剂40份与间二苯胺20份；
主体沥青混合料：
沥青采用满足规范要求的道路石油沥青；
采用细粒式Ⅰ式(AC-13，Ⅰ)沥青混凝土混合料；
参考权利要求8所述的制备方法，制备得一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构总厚度40cm，其中主体混凝土层厚32cm，抗凝冰功能层厚8cm。通过接触角测定仪测定水在其表面的接触角，并利用示差扫描量热仪测定冰的成核温度，最后利用落棒试验模拟车轮的碾压作用用以测试冰在其表面的粘附性能。其结果与普通沥青路面对比，如表1所示。
表5沥青混凝土性能对比表
结果表明，制备的一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，具有较好的疏水、抗凝冰性能，可以用于公路的沥青路面防滑防冻。
实施例6：一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，按照下述质量比
选取材料：
乳液材料：
丙基三甲氧基硅烷粉末：8％；
聚四氟乙烯：12％；
去离子水：80％。
改性外加剂：
纳米氧化锌：纳米级氧化锌按照乳液材料质量的5.0％掺入；
环氧粘结层：
环氧树脂采用850S环氧树脂，20份；
固化剂采用593胺类固化剂40份与间二苯胺20份；
主体沥青混合料：
沥青采用满足规范要求的道路石油沥青；
采用细粒式Ⅰ式(AC-13，Ⅰ)沥青混凝土混合料；
参考权利要求8所述的制备方法，制备得一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构总厚度40cm，其中主体混凝土层厚32cm，抗凝冰功能层厚8cm。通过接触角测定仪测定水在其表面的接触角，并利用示差扫描量热仪测定冰的成核温度，最后利用落棒试验模拟车轮的碾压作用用以测试冰在其表面的粘附性能。其结果与普通沥青路面对比，如表1所示。
表6沥青混凝土性能对比表
结果表明，制备的一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，具有较好的疏水、抗凝冰性能，可以用于公路的沥青路面防滑防冻。
实施例7：一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，按照下述质量比
选取材料：
乳液材料：
丙基三甲氧基硅烷粉末：15％；
聚四氟乙烯：10％；
去离子水：75％。
改性外加剂：
纳米氧化锌：纳米级氧化锌按照乳液材料质量的5.0％掺入；
环氧粘结层：
环氧树脂采用850S环氧树脂，20份；
固化剂采用593胺类固化剂40份与间二苯胺20份；
主体沥青混合料：
沥青采用满足规范要求的道路石油沥青；
采用细粒式Ⅰ式(AC-13，Ⅰ)沥青混凝土混合料；
参考权利要求8所述的制备方法，制备得一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构总厚度40cm，其中主体混凝土层厚32cm，抗凝冰功能层厚8cm。通过接触角测定仪测定水在其表面的接触角，并利用示差扫描量热仪测定冰的成核温度，最后利用落棒试验模拟车轮的碾压作用用以测试冰在其表面的粘附性能。其结果与普通沥青路面对比，如表1所示。
表7沥青混凝土性能对比表
结果表明，制备的一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，具有较好的疏水、抗凝冰性能，可以用于公路的沥青路面防滑防冻。
实施例8：一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，按照下述质量比
选取材料：
乳液材料：
丙基三甲氧基硅烷粉末：10％；
聚四氟乙烯：5％；
去离子水：85％。
改性外加剂：
纳米氧化锌：纳米级氧化锌按照乳液材料质量的5.0％掺入；
环氧粘结层：
环氧树脂采用850S环氧树脂，20份；
固化剂采用593胺类固化剂40份与间二苯胺20份；
主体沥青混合料：
沥青采用满足规范要求的道路石油沥青；
采用细粒式Ⅰ式(AC-13，Ⅰ)沥青混凝土混合料；
参考权利要求8所述的制备方法，制备得一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构总厚度40cm，其中主体混凝土层厚32cm，抗凝冰功能层厚8cm。通过接触角测定仪测定水在其表面的接触角，并利用示差扫描量热仪测定冰的成核温度，最后利用落棒试验模拟车轮的碾压作用用以测试冰在其表面的粘附性能。其结果与普通沥青路面对比，如表1所示。
表8沥青混凝土性能对比表
结果表明，制备的一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，具有较好的疏水、抗凝冰性能，可以用于公路的沥青路面防滑防冻。
实施例9：一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，按照下述质量比
选取材料：
乳液材料：
丙基三甲氧基硅烷粉末：15％；
聚四氟乙烯：15％；
去离子水：70％。
改性外加剂：
纳米氧化锌：纳米级氧化锌按照乳液材料质量的5.0％掺入；
环氧粘结层：
环氧树脂采用850S环氧树脂，20份；
固化剂采用593胺类固化剂40份与间二苯胺20份；
主体沥青混合料：
沥青采用满足规范要求的道路石油沥青；
采用细粒式Ⅰ式(AC-13，Ⅰ)沥青混凝土混合料；
参考权利要求8所述的制备方法，制备得一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构总厚度40cm，其中主体混凝土层厚32cm，抗凝冰功能层厚8cm。通过接触角测定仪测定水在其表面的接触角，并利用示差扫描量热仪测定冰的成核温度，最后利用落棒试验模拟车轮的碾压作用用以测试冰在其表面的粘附性能。其结果与普通沥青路面对比，如表1所示。
表9沥青混凝土性能对比表
结果表明，制备的一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，具有较好的疏水、抗凝冰性能，可以用于公路的沥青路面防滑防冻。
实施例10：一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，按照下述质量
比选取材料：
乳液材料：
丙基三甲氧基硅烷粉末：5％；
聚四氟乙烯：25％；
去离子水：70％。
改性外加剂：
纳米氧化锌：纳米级氧化锌按照乳液材料质量的5.0％掺入；
环氧粘结层：
环氧树脂采用850S环氧树脂，20份；
固化剂采用593胺类固化剂40份与间二苯胺20份；
主体沥青混合料：
沥青采用满足规范要求的道路石油沥青；
采用细粒式Ⅰ式(AC-13，Ⅰ)沥青混凝土混合料；
参考权利要求8所述的制备方法，制备得一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构总厚度40cm，其中主体混凝土层厚32cm，抗凝冰功能层厚8cm。通过接触角测定仪测定水在其表面的接触角，并利用示差扫描量热仪测定冰的成核温度，最后利用落棒试验模拟车轮的碾压作用用以测试冰在其表面的粘附性能。其结果与普通沥青路面对比，如表1所示。
表10沥青混凝土性能对比表
结果表明，制备的一种具有超疏水抗凝冰功能的复合沥青面层结构Ⅰ，具有较好的疏水、抗凝冰性能，可以用于公路的沥青路面防滑防冻。
Claims (7)
1.一种超疏水抗凝冰复合沥青面层结构，其特征在于，该路面由抗凝冰功能层、环氧粘结层和沥青层面层组成。
2.根据权利要求1所述的抗凝冰功能层，其特征在于，由所述的疏水性抗凝冰材料和所述的改性剂配制而成。
3.根据权利要求1所述的环氧粘结层，其特征在于，采用组分A和组分B。组分A为20—50份环氧树脂850S；组分B为593胺类固化剂40—70份和间二苯胺20—50份。
4.根据权利要求1所述的沥青面层，其特征在于，该路面层应使用构造深度较大的粗糙型沥青混凝土路面，包括：开级配沥青混凝土(OGFC)路面、多碎石沥青混凝土(SAC)路面。
5.根据权利要求2所述的疏水性抗凝冰材料，其特征在于，所述的分散介质为丙基三甲氧基硅烷去离子水溶液，分散介质中丙基三甲氧基硅烷去离子水溶液占乳液材料质量比的1％～6％、去离子水占30％～70％，所述的丙基三甲氧基硅烷纯度不小于97％；所述的分散相为疏水性硅油类物质聚四氟乙烯和氟硅烷中的一种或两种。
6.根据权利要求2所述的改性外加剂，其特征在于，所述的改性外加剂由纳米氧化锌颗粒组成。其中，纳米颗粒平均粒径小于0.9μm，占乳液材料的质量比的1％～5％。
7.一种超疏水抗凝冰复合沥青面层结构，其特征在于，所述结构的制备采用分层施工，具体步骤如下：
1)先摊铺沥青面层，厚度为30-35cm。在撒布胶结料前需清除基层表面所有松散有机和无机类材料，如碎石、灰尘、油污等；
2)摊铺环氧粘结层，厚度为4-7cm。现场机械或人工拌制胶结料3-7分钟，使各组分充分混合后，均与撒布在混凝土表面上。
3)待环氧粘结层摊铺完毕1-3小时左右，通过机械或人工喷涂权利要求6所述的疏水剂，具体喷涂量达到500-1500毫升/每平米，但必须做到均匀，无遗漏；
4)常温条件下，干燥处理一到两周，即可得到超疏水抗凝冰复合沥青路面。
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