CN111777360A

CN111777360A - 一种具有微波融雪功能的铁氧体沥青混合料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN111777360A
Application number: CN202010540427.6A
Authority: CN
Inventors: 朱兴一; 周旭东; 李峰; 杜豫川
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2020-06-15
Publication date: 2020-10-16

Abstract

本发明涉及一种具有微波融雪功能的铁氧体沥青混合料及其制备方法和应用，包括以下质量分数的各组分：粗细集料85.5％～89.5％；矿粉2.1％～7.9％；沥青4.8％～5.3％；锌锰铁氧体粉末3.4％～6.8％；纤维0.01～0.3％。沥青及其他混合料经过拌和，使锌锰铁氧体粉末均匀的分散在沥青胶浆中，并铺设于路基上。与现有技术相比，本发明中铁氧体粉末经过微波加热后，可以将微波电磁能转化为热能，使沥青混合料表面温度从‑20℃快速均匀增加至5℃，对于积雪路面可以实现有效的融雪功能；掺加了铁氧体粉末的沥青混合料，导热系数较原来增加了0.4～0.8W/(m·K)，有效增加了路面的热传导能力，加强融雪功能。

Description

一种具有微波融雪功能的铁氧体沥青混合料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及交通运输工程领域，尤其是涉及一种具有微波融雪功能的铁氧体沥青混合料及其制备方法和应用。

背景技术

冬季温度较低，雨雪天气路面极易结冰，使路面与车辆之间的摩擦力减小，由此引发了很多的交通事故，给社会带来较大的经济损失与人员伤亡。

传统的融雪方法主要有机械除雪法和撒布融雪剂法。对于机械除雪法，需要提前准备大型设备，且设备只能用来除雪，对于降雪次数不多的地区，机器一年中大部分时间处于闲置状态，存储成本高。并且机械除雪作业速度低，除雪机械回避路障能力差，在除雪过程中常因路障使主机或除雪装置损坏。此外，除雪机械在凹凸不平的路面作业会对路面造成破坏。

对于撒布融雪剂法，融雪剂一般分为氯化盐融雪剂和非氯化盐融雪剂。氯化盐融雪剂对交通基础设施具有一定的损害；非传统融雪剂生产工艺复杂，价格昂贵，且流入土壤会增加土壤PH值，使土壤酶活性降低。以上两种除雪方法，或多或少对交通基础设施带来不利的影响，且除雪成本较高，因此，研发一种新的除雪方法迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有微波融雪功能的铁氧体沥青混合料及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明中具有微波融雪功能的铁氧体沥青混合料，包括以下质量分数的各组分：

进一步地，所述粗细集料为粒径在1～15mm玄武岩碎石。

进一步地，所述沥青为高粘沥青。

进一步地，所述高粘沥青的针入度不小于40，15℃延度不小于80cm，软化点不小于50℃，60℃动力粘度不小于20kPa·s。

进一步地，所述锌锰铁氧体粉末0.075mm筛孔通过率大于等于75％，密度为3.059g·cm^-3，居里点温度大于1000℃。

进一步地，所述纤维为木质纤维，外观为棉絮状，长度为1000～1500μm。

本发明中铁氧体沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：

S1：按照质量分数分别称取各个组分；

S2：将粗细集料、矿粉、锌锰铁氧体粉末烘干后预热至185℃，沥青加热至155℃～180℃；

S3：向带搅拌的加热容器中加入S2中加热后的粗细集料和沥青，同时加入纤维，在185℃下搅拌，之后加入矿粉和锌锰铁氧体粉末，控温搅拌，得到流动态混合物料；

S4：将流动态混合物料浇筑成型、养护，得到铁氧体沥青混合料。

进一步地，所述流动态混合物料的温度为170℃～175℃。

进一步地，所述养护过程为沥青混合料面层充分压实，待摊铺层自然完全冷却，混合料表面温度低于50℃时开放交通。

本发明中制得的铁氧体沥青混合料在路面材料上的应用，包括以下步骤：将流动态混合物料浇筑于路基上，完成路面的铺设，路面积雪时，通过微波发生装置对路面进行加热，实现路面的快速融雪。

进一步地，所述微波发生装置为可移动式微波发生装置。

进一步地，所述微波发生装置微波输出频率为2.45GHz，每个位点的加热时间为3～5min。

进一步地，所述路面在微波下的损耗因子大于0.16。

本发明中所掺入的铁氧体粉末充当矿粉加入沥青混合料中，与矿粉相比，细度模数以及相对表面密度等指标满足规范要求，铁氧体粉末比表面积较大，能够更多的吸附沥青，增加沥青与集料的粘结作用；铁氧体粉的主要成分为Fe2O3，属于碱性氧化物，加入混合料中能与呈酸性的沥青发生中和反应，使得沥青胶浆能够起到更好的粘结作用。铁氧体粉末具有高的起始导磁率，矫顽力与剩余磁化强度较低。居里点温度超过1000℃，而一般热拌沥青混合料的温度不超过200℃，所以铁氧体在沥青混合料中不会改变其铁磁性。另外，铁氧体粉末较为均匀地分散在沥青胶浆中，可以将沥青混凝土在微波下的损耗因子提高到0.16以上，通过微波作用于融雪沥青混凝土路面，铁氧体粉末对微波有介电损耗和磁损耗，沥青胶浆将微波电磁能转化为热能，通过加热使沥青混凝土快速、均匀升温，实现沥青混凝土的快速融雪。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明中的铁氧体沥青混凝土具有生产工艺简单、成本低、原料易得、技术投入耗资小等优点。

(2)掺加的锌锰铁氧体粉末与矿粉的粒级组成相似，可以置换沥青混合料中的矿粉，使掺加铁氧体粉末的沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性以及动态模量等路用性能和力学性能影响不大甚至略有提高，满足行业规范要求，获得的路面层的导热系数较现有路面增加了0.4～0.8W/(m·K)，有效增加了路面的热传导能力，加强融雪功能。

(3)与传统的融雪技术相比，本发明在融雪期间只需要利用微波加热设备加热5分钟，就可以实现路面的快速升温与融雪，不需要长期储备融雪剂或除雪设备，仅需带有微波发生装置的车辆即可实现，人力耗费小。

(4)所述沥青混凝土不会损伤路面结构，不会对环境造成污染，属于环境友好性产品。

附图说明

图1为锌锰铁氧体粉末实物图；

图2为沥青混合料融雪机理示意图；

图3为微波车加热融雪路面示意图；

图中：1、粗细集料，2、铁氧体颗粒，3、沥青胶浆，4、微波，5、铁氧体产生的热能，6、沥青混凝土路面，7、路面积雪，8、微波车。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置。

实施例中所使用的各物料信息如下：

粗细集料：玄武岩碎石，采用OGFC-13级配(JTG-F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》)，具体级配组成如表1：

表1粗细集料的级配组成

沥青：高粘沥青，具体性能指标如表2：

表2沥青的技术性质

本实验中微波加热设备：微波炉(以此模拟微波发生车对路面进行微波加热)。

本发明中产热机理说明：如图3所示，沥青混凝土路面6中粗细集料1与铁氧体颗粒均匀分散，将微波车8行驶在路面积雪7上，对沥青混凝土路面6进行微波加热，如图2所示，当微波4通过铁氧体沥青混合料时，微波4将带来交变电场、磁场，被散布在沥青胶浆3中的铁氧体颗粒2吸收产热。铁氧体产生的热能5传递给周围的沥青混合料，使需融雪铁氧体沥青混合料路面温度迅速升高，从而实现融雪效果。

实施例1

采用OGFC-13级配，各原材料所占质量百分数为：粗细集料占87.1％(按照表1的级配组成)，矿粉占2.3％，高粘沥青占5.0％，锌锰铁氧体粉末占5.3％，纤维占0.3％；将粗细集料加热至185℃，沥青加热至180℃，开启搅拌锅，先后加入粗细集料、纤维、高粘沥青，在185℃下搅拌90s后，加入矿粉以及锌锰铁氧体粉末，搅拌180s，在170～175℃条件下，成型车辙板，静置养护24小时之后，放入冷冻箱使车辙板温度降低至-20℃，并在车辙板上覆盖一层表面积雪，放入微波炉中微波加热5分钟，测试车辙板表面温度已升高至5℃，表面积雪基本融化，表明能实现沥青混凝土路面的快速升温融雪。

实施例2

采用OGFC-13级配，各原材料所占质量百分数为：粗细集料占87.1％(按照表1的级配组成)，矿粉占2.3％，高粘沥青占5.0％，锌锰铁氧体粉末占5.3％，纤维占0.2％；将粗细集料加热至185℃，沥青加热至180℃，开启搅拌锅，先后加入粗细集料、纤维、高粘沥青，在185℃下搅拌90s后，加入矿粉以及锌锰铁氧体粉末，搅拌180s，在170～175℃条件下，成型车辙板，静置养护24小时。采用稳态法测试两块车辙板常温下的导热系数，发现掺加铁氧体的车辙板较不掺加的对照组导热系数上升了0.46W/(m·K)，表明本发明能有效增加沥青混合料的传热效率，有助于路面实现大范围融雪。

实施例3

采用OGFC-13级配，各原材料所占质量百分数为：粗细集料占89.5％(按照表1的级配组成)，矿粉占2.1％，高粘沥青占4.8％，锌锰铁氧体粉末占3.4％，纤维占0.2％；将粗细集料加热至185℃，沥青加热至180℃，开启搅拌锅，先后加入粗细集料、纤维、高粘沥青，在185℃下搅拌90s后，加入矿粉以及锌锰铁氧体粉末，搅拌180s。试验温度为-10℃，成型试件尺寸为30mm×35mm×250mm的小梁，对混合料试件进行低温弯曲试验，测试其弯拉强度和破坏时弯曲劲度模量，发现掺加3.4％铁氧体的试件与空白对照组相比弯曲劲度模量增加2.1％，说明铁氧体粉末的掺加使沥青混合料低温抗裂性能略微增加。

对比例1

将市面上常用的融雪除冰材料按质量掺量5.3％掺入沥青混合料中，在170～175℃条件下，成型车辙板，静置养护24小时；将本发明中掺加5.3％铁氧体的沥青混合料作为对比材料，在170～175℃条件下，成型车辙板，静置养护24小时，作为对比材料。分别放入冷冻箱使两块车辙板温度均降低至-20℃，并在两块车辙板上分别覆盖一层表面积雪，同时放入微波炉中微波加热5分钟，测试两块车辙板表面温度，掺加常用融雪除冰材料的车辙板温度增加至2.3℃，掺加本发明中铁氧体的沥青混合料的车辙板表面温度增加至5.0℃，且掺加铁氧体的车辙板表面积雪基本融化，表明本发明中铁氧体沥青混合料融雪除冰效果更好，温度升高速率更快。

对比例2

CN107352850A公开了一种具有微波融冰除雪功能的钢渣沥青混合料，由天然矿粉、天然集料、钢渣集料、沥青组成，天然矿粉占沥青混合料总重量的4-6％；天然集料占沥青混合料总重量的54％-94％；钢渣占沥青混合料总重量的5-42％；沥青占沥青混合料总重量的4.5-6％；所述钢渣为粒径介于0.075mm-16mm的钢渣颗粒。

与实施例1～3对比，该技术方案中钢渣充当集料掺入混合料，抗车辙能力与一般沥青混合料相比较差，此外，钢渣中融雪有效成分四氧化三铁的含量在25％～30％左右，同时并未对四氧化三铁进行掺杂改性，因此掺入钢渣后微波吸热效率较低，稳定性不高，不利于融雪效果。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有微波融雪功能的铁氧体沥青混合料，其特征在于，包括以下质量分数的各组分：

2.根据权利要求1所述的一种具有微波融雪功能的铁氧体沥青混合料，其特征在于，所述粗细集料为粒径1～15mm的玄武岩碎石。

3.根据权利要求1所述的一种具有微波融雪功能的铁氧体沥青混合料，其特征在于，所述沥青为高粘沥青，所述高粘沥青的针入度不小于40，15℃延度不小于80cm，软化点不小于50℃，60℃动力粘度不小于20kPa·s。

4.根据权利要求1所述的一种具有微波融雪功能的铁氧体沥青混合料，其特征在于，所述锌锰铁氧体粉末0.075mm筛孔通过率大于等于75％，密度为3.059g·cm^-3，居里点温度大于1000℃。

5.根据权利要求1所述的一种具有微波融雪功能的铁氧体沥青混合料，其特征在于，所述纤维为长度1000～1500μm的木质纤维。

6.一种权利要求1中铁氧体沥青混合料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：按照质量分数分别称取各个组分；

7.根据权利要求6所述的一种铁氧体沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述流动态混合物料的温度为170℃～175℃。

8.一种权利要求6中制得的铁氧体沥青混合料在路面材料上的应用，其特征在于，包括以下步骤：将流动态混合物料浇筑于路基上，完成路面的铺设，路面积雪时，通过微波发生装置对路面进行加热，实现路面的快速融雪。

9.一种权利要求8中制得的铁氧体沥青混合料在路面材料上的应用，其特征在于，所述微波发生装置为可移动式微波发生装置，所述微波发生装置微波输出频率为2.45GHz。

10.一种权利要求8中制得的铁氧体沥青混合料在路面材料上的应用，其特征在于，所述路面在微波下的损耗因子大于0.16。