CN112048284B - 一种适用于道路路基的地质聚合物复合相变材料、制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于道路路基的地质聚合物复合相变材料、制备方法及其应用，该复合相变材料以地质聚合物为包裹体、相变材料为填充体，其制备方法为，先将矿渣和粉煤灰，膨润土、水和碱性激发剂混合备用，再混合月桂酸、癸酸备用，然后将两部分置于模具中成型即可。本发明独特地将地质聚合物与相变材料相结合形成新型复合相变材料，并将其应用于极端条件下的道路结构，具有高强度的特点和可缓解路面温度损伤的作用，还能改善被包裹的相变材料发生泄漏的问题。

Description

一种适用于道路路基的地质聚合物复合相变材料、制备方法 及其应用

技术领域

本发明涉及结合地质聚合物与相变材料各自特性，制备而成的一种复合相变材料，属于化工领域，具体的说是一种适用于道路路基的地质聚合物复合相变材料、其制备方法及其应用。

背景技术

随着全球能耗增长、气候变暖、环境污染等一系列问题日益加剧，节能减排与高效能源利用已成为发展中国家向发达国家转变的重要标志，而将一些间歇性新能源进行储存利用是节能减排与提高能源利用效率的重要途径。太阳能就是廉价清洁可利用能源之一，但只能在白天获取，因此需要有效的储能方式对其进行利用。由于相变材料具有温度调控、相变循环稳定、节能环保等特点，被广泛应用于太阳能存储、建筑保温、冷藏运输、调温纺织品、航天、工业生产等领域。

我国交通运输以公路运输为主，道路受气候影响易产生各方面问题。高温下沥青路面强度降低，易产生车辙，进而影响道路平整性和路面使用性能。全国68.4%的地表被多年冻土和季节性冻土覆盖，低温造成公路冻胀融陷、路面开裂，同时低温下路面易积雪结冰，路面摩擦系数降低导致交通事故增多。大温差条件下路面易产生伸缩裂缝，破坏路面平整性。这些问题将降低道路工程的使用寿命，增加养护费用，严重威胁公路运输安全，降低运输效率。

申请号为201310653328.9的中国发明专利公开了多孔地聚物基相变储能材料。该材料由浆料和复合发泡剂按照重量比9-38:1的比例组合而成；浆料由水玻璃20-50份、矿渣20-50份、粉煤灰10-20份、偏高岭土10-20份、聚丙烯纤维0.1-1.5份、可再分散乳胶粉0.3-1.0份、相变微胶囊0.005-0.03份组成；复合发泡剂由：双氧水24-35份、水64-75份、稳泡剂0.5-1份、动物性发泡助剂1-1.5份组成；该材料固化速度快、生产效率高成本低廉、原材料来源广泛，并能吸收及释放能量，真正能达到节能环保的效果，弥补同类材料中存在的不足。

利用相变材料相变储能的性质可实现道路路面使用温度的主动调控，相变材料有望根治或缓解前述病害问题。地质聚合物具有原材料丰富、工艺简单、节约资源和能源等优点，又兼具有机高分子、陶瓷和水泥等材料的优良性能。但是，地质聚合物与基料结合制备成高强度的桩基或水泥较多，而相变材料多用于制备改性沥青。鲜有将地质聚合物与相变材料相结合的技术和应用，也没有利用两者的优点来解决道路结构中主要由于温差而产生的危害。

发明内容

为了克服现有技术中道路结构由于温差而产生的危害缺陷，本发明提供一种适用于道路路基的地质聚合物复合相变材料、制备方法及其应用，是将地质聚合物制成包裹材料，包裹由塑料薄膜包裹的固-液相变材料形成复合相变材料，埋设于底基层顶部，利用地质聚合物成型后的高强度，相变材料的储热、放热特性等优点来避免特殊道路或特殊地区路面结构由于极端温度变化引起的损伤病害，同时还能满足较大的交通荷载。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种适用于道路路基的地质聚合物复合相变材料，其为：所述地质聚合物复合相变材料以地质聚合物为包裹体，以相变材料为填充体，包裹形成；所述地质聚合物包括膨润土、工业废渣和碱性激发剂，所述膨润土、所述工业废渣和所述碱性激发剂的质量比为（4-5）:（0-1）:（0-0.03）；所述相变材料为相变温度区间为23至29℃的混合脂肪酸相变材料。

优选的，所述工业废渣包括矿渣或粉煤灰的一种或几种；所述碱性激发剂为氢氧化钠。

优选的，所述相变材料包括月桂酸、癸酸，所述月桂酸与所述癸酸的质量比为3:2。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种适用于道路路基的地质聚合物复合相变材料的制备方法，其包括，（1）混合矿渣和粉煤灰，加入膨润土和水混合，再加入碱性激发剂，形成地质聚合物浆料；（2）液态下混合月桂酸、癸酸，降温至固态套上普通塑料薄膜，得到相变材料；（3）将所述地质聚合物浆料倒入模具中，再倒入所述相变材料，重复多次加料；（4）静置或预压后，固结即可得到地质聚合物复合相变材料。

优选的，所述步骤（1）中加入膨润土和水混合，其中加入水的质量为膨润土质量的50%。

优选的，所述预压，其强度不超过15kPa；所述静置固结，其时间为2天以上。

本发明的另一个目的，是提供一种适用于道路路基的地质聚合物复合相变材料的应用，其是在道路基层压实后，将所述地质聚合物复合相变材料分布埋设在道路基层上表面处。

本发明的有益效果：

本发明独特地将地质聚合物与相变材料相结合形成新型复合相变材料并将其应用于极端条件下的道路结构。地质聚合物具有原材料丰富、工艺简单、节约资源和能源等优点，又兼具有机高分子、陶瓷和水泥等材料的优良性能。以其高分子的特点还能改善被包裹的相变材料发生泄漏的问题，又以其成型后高强度的特点可适用于高荷载道路结构中。同时相变材料的储能放热功能可缓解路面温度损伤。故本发明将地质聚合物与相变材料相结合形成地质聚合物相变材料。

附图说明

图1是本发明的工作原理图；

图2是本发明相变材料放置的位置示意图；

图3是本发明制备的地质聚合物复合相变材料的具体安装过程。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例1：

圆柱体地质聚合物复合相变材料制备

1、在常温下，按比例先将占总质量20%的工业废料（详细配方见下表1）在干燥条件下充分混合，再加入占总质量80%的膨润土，同时加入占膨润土质量50%的水，充分搅拌混合后加入占工业废渣质量15%的碱性激发剂，最后形成具有0.7水灰比的地质聚合物浆料F，备用。

表1 工业废料不同组合下地质聚合物浆料的无侧限抗压强度表

2、在超过42摄氏度的温度下，将60%的月桂酸和40%的癸酸于纯液态下混合后分别放入两个直径4cm、高4cm的圆柱体预制磨具中降温至固态，最后拆除磨具，取出固态相变材料G，打磨光滑后套上普通塑料薄膜备用。复合相变材料的成分可以根据需要的相变温度进行调整、更换。

3、如图3所示，利用上述材料制备地质聚合物复合相变材料的具体过程按以下步骤进行：

1）将地质聚合物浆料F倒入高14cm、直径8cm的圆柱体预制模具E中，填充模具的三分之一，再将冷却后的一个直径4cm、高4cm的圆柱体固态相变材料G插入一半至截面中心位置；

2）然后再倒入模具的三分之一的地质聚合物浆料F，再将另一个圆柱体固态相变材料G插入一半至截面中心位置；

3）最后倒入剩下的地质聚合物浆料F填满模具E。此时可对上顶面进行5kPa的荷载预压。静置2天后成型，拆除磨具，即地质聚合物复合相变材料H，其无侧限抗压强度超过2.2MPa，28℃时相变材料的导热系数为0.372W/(m*K),比热容为1850J/(kg*K)。

在道路施工中，基层最后压实完成后，将制备成型的地质聚合物复合相变材料分布埋设在距离道路基层上表面2cm处，再进行路面施工。

如图2所示，地质聚合物复合相变材料制备具体过程可按以下步骤进行：

1)所述制备相变材料包裹在地质聚合物中具体可为：先将地质聚合物浆料B的一半倒入预制拼装的等比例长方体模具A中；

2）再将备用的两份相变材料C放置在图2所示居中对称的两个位置处；

3）最后将剩下一半的备用地质聚合物浆料B倒入；通过模板或模具将相变材料包裹在地质聚合物中，可静置也可进行预压，即得到地质聚合物复合相变材料。

如进行预压，可根据道路等级可在上表面进行不同程度的预压，预压强度不可超过15kPa。静置2天即可完成本发明的地质聚合物复合相变材料D的制备。其中复合地质聚合物长宽高之比为2:1:1；相变材料长宽高之比为2:1:1，包裹方式及尺寸不仅限于此，可根据具体地形等情况改变形状大小、比例尺寸等。

本发明独特地以地质聚合物包裹相变材料的结合方式形成新型复合相变材料并将其应用于极端条件下的道路结构，工作原理如图1所示。在太阳辐射下地面温度上升，空气与地面形成热对流，地面对环境产生热辐射。在该区域分布埋设复合相变材料可通过热传导吸收热量，并进行缓慢释放，同时还可以吸收太阳辐射热，提高道路路面的耐久性，减少路面损伤和维护费用。

地质聚合物在复合材料外侧，工业废渣形成的地质聚合物结构也具有高强度的承压能力，具有高强度抗压性能，可以更好的应用在中型、重型车辆行驶在本身具有高强度承压能力的道路结构上；另外，通过将被包裹的相变材料更换成固-液相变温度为0-10℃范围内的相变材料，可用于减缓北方冻土，施工更加灵活、简单，将复合相变材料构件埋设在地基顶部，当白天环境温度上升时吸收上层沥青混凝土传导下来的热量；晚上温度降低时释放热量，通过热量的储存和释放来解决或改善该地区冻土问题。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种适用于道路路基的地质聚合物复合相变材料，其特征在于：所述地质聚合物复合相变材料以地质聚合物为包裹体，以相变材料为填充体，包裹形成；

所述地质聚合物包括膨润土、工业废渣和碱性激发剂，所述膨润土、所述工业废渣和所述碱性激发剂的质量比为（4-5）：（0-1）：（0-0.03）；

所述相变材料为相变温度区间为23至29℃的混合脂肪酸相变材料；所述工业废渣中，矿渣与粉煤灰用量比为9：1；

所述地质聚合物复合相变材料的制备方法，其包括以下步骤，

（1）将占总质量20%的所述工业废渣 中的矿渣和粉煤灰混合，再加入占总质量80%的所述膨润土以及占所述膨润土质量50%的水，充分搅拌混合后加入占所述工业废渣质量15%的所述碱性激发剂，形成地质聚合物浆料；

（2）在超过42摄氏度的温度下，将60%的月桂酸和40%的癸酸于纯液态下混合后，降温至固态套上普通塑料薄膜，得到相变材料；

（3）将所述地质聚合物浆料倒入模具中，再放置所述相变材料，重复多次加料，将相变材料包裹在地质聚合物之中；

（4）静置或预压后，地质聚合物固结后即可得到地质聚合物复合相变材料，所述预压，其强度不超过15kPa；所述静置固结，其时间为2天以上。

2.如权利要求1所述的适用于道路路基的地质聚合物复合相变材料，其特征在于：所述碱性激发剂为氢氧化钠。

3.权利要求1所述的适用于道路路基的地质聚合物复合相变材料的应用，其特征在于：在道路基层压实后，将所述地质聚合物复合相变材料分布埋设在道路基层上表面处。

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