CN107573898B - 一种应用于混凝土路面的可控缓释速率的抗冻材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于混凝土路面的可控缓释速率的抗冻材料及其制备方法，所涉及的抗冻材料是以抑冰成分、交联型高分子材料、防水涂层和阻锈剂为原料制得。制备方法为：将抑冰成分和阻锈剂按比例混匀后进行造粒，将交联型高分子材料在加热条件下加入盐化物颗粒搅拌，喷洒防水涂层搅拌，静置筛分得到可控缓释速率的抗冻材料。本发明的突出特点在于交联类高分子材料的添加量和添加种类可以有效控制膜层的结构与厚度，从而有效控制抑冰成分的释放速率，并防止抑冰成分体积膨胀对混凝土路面的破坏。

Description

一种应用于混凝土路面的可控缓释速率的抗冻材料及其制备 方法

技术领域

本发明属于道路路面防冻除冰技术领域，特别涉及一种应用于混凝土道路路面的可控缓释速率的抗冻材料及其制备方法。

背景技术

国内外调查表明，路面状况的好坏是影响道路交通的重要因素。在寒冷的冬季，很多公路与城市道路经常遭受冰雪的危害。在冰雪路面上，车辆极易打滑、跑偏，制动距离也明显延长，严重影响到车辆操作的稳定性和安全性，交通事故发生率成倍增加。由于路面结冰现象的存在严重降低了道路交通安全等级，路网通行能力降低，严重时甚至使交通路网关闭，交通运输瘫痪，给客货运输带来不便，也给相关单位造成了巨大的经济损失。在我国公路路网建设飞速发展、交通运输车辆急剧增加的时期，为了保障道路畅通和行车安全，避免交通事故的发生，研究道路的防雪与除雪措施以保证道路在冬季降雪天气的畅通安全成了交通运输部门工作中的重中之重，尤其在高速公路，机场等重要场合采用有效地防雪与除雪措施，具有非常重要的经济效益和社会意义。

目前机场混凝土路面常用的除冰方式主要有撒布融雪剂、冷风强吹、热风强吹、机械铲除与清扫等方法。相比于以上被动除雪的方式，能够主动除雪的抗冻材料有着天然的优势，将抗冻材料铺装入路面，它含有的抑冰成分能在雨雪天气缓慢的释放出来，从而降低道路表面的冰点，防止或者减缓道路表面结冰。该技术具有一次铺装，长期有效，维护成本低的特点，在欧洲和日本等发达地区已经得到广泛应用。但现有的产品在干旱少雨的地区和湿润多雨的地区中化冰成分的释放速度一样。导致部分地区抑冰成分释放不充分，除冰效果不明显的情况时有发生。不仅如此，目前所用的方法都会对混凝土路面造成相当程度上的损伤。研究表明，热风除冰由于其剧烈的冲击使得混凝土内部结构损伤严重；而撒布融雪剂，特别是尿素类融雪剂，对混凝土表层的腐蚀性损伤非常显著。而目前由于盐化物的强腐蚀性，更是鲜有用于混凝土融雪化冰领域。

针对上述情况，研发一种能够在冰雪天气起到缓释化冰作用，同时又不会对混凝土结构产生严重破坏的抗冻材料具有重大的意义。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明提供了一种应用于混凝土路面的可控缓释速率的抗冻材料。该可控缓释速率的抗冻材料以抑冰材料和阻锈剂为芯材，以交联型高分子材料和防水涂层为膜材，用膜材覆膜芯材形成颗粒状多层复合材料。该复合材料的各组分按重量百分比其组成为，抑冰材料74-89％，阻锈剂0.5-1％，交联型高分子材料5-15％，防水涂层5-10％。作为缓释外壳的交联型高分子材料，不仅能够有效地控制抑冰成分的释放速率，还由于其相对于混凝土结构拥有更强的韧性，可以在混凝土与冰面之间形成一个缓冲区，有效降低结冰膨胀对混凝土的破坏。

其中，抑冰材料为氯化钠、氯化钙、氯化镁、甲酸钠、甲酸钾、醋酸钠、醋酸钾、醋酸钙镁中的一种或两种以上的混合物。

阻锈剂按重量百分比其组成为：磷酸二氢锌10-20％，钨酸钠20-30％，硫脲15-30％，四乙烯五胺5-10％，其余的为十二烷基苯磺酸钠。

交联型高分子材料为：环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂中的一种或两种以上的混合物。

防水涂层按重量百分比其组成为：滑石粉40-50％，碳酸钙40-50％，其余的为羟丙基甲基纤维素。

上述选用的滑石粉为白色粉末，0.1mm方孔筛的通过率为大于90％以上。

选用的碳酸钙为白色粉末，0.1mm方孔筛的通过率为大于90％以上。

选用的羟丙基甲基纤维素为乳黄色粉末，0.1mm方孔筛的通过率为大于90％以上。

本发明中，可控缓释速率的抗冻材料颗粒的粒径大小为0.5-4mm。

本发明还提供了一种应用于混凝土路面的可控缓释速率的抗冻材料的制备方法，具体步骤为：

(1)先将抑冰材料与阻锈剂粉碎后进行混合，再制粒得到芯材颗粒；

(2)将步骤(1)中得到的芯材颗粒在鼓热风条件下搅拌待芯材加热至50-80℃，加入1/2的交联型高分子材料搅拌5-10分钟，然后在股热风条件下加入防水涂层搅拌5-10分钟，将剩余的1/2交联型高分子材料投入其中继续搅拌5-10分钟，制得包膜颗粒；

(3)将步骤(2)所得到的包膜颗粒静置1小时后，筛分后即可得到应用于混凝土路面的可控缓释速率的抗冻材料。

本发明的抗冻材料在混凝土路面中的使用方法：

将本发明中的可控缓释速率的抗冻材料颗粒，掺入到混凝土路面的过程大致为：在制备铺路用的混凝土的过程中，将本发明的可控缓释速率的抗冻材料颗粒加入其中，加入拌缸的先后顺序为粗料，细料，水泥最后加入抗冻材料颗粒。抗冻材料颗粒的添加量占矿料总重量的3-5％。最后正常铺设掺有抗冻材料的混凝土路面。

本发明的可控缓释速率的抗冻材料的工作原理

抗冻材料被添加到混凝土混合料中，利用路面的空隙和毛细管原理，当大气的环境温度、湿度与路表层和路面层深度发生差异，路面受到压缩、振动、磨损等各项因素时，抑冰成分会从不同的深度被极其缓慢的抽提迁移到道路面层释放出来，从而与路面的冰雪发生类似盐化学的作用防止或延缓路面结冰。由于交联型高分子材料固化后会形成致密的网状结构，被该材料包裹的抑冰成分能够缓慢地透过交联高分子中的网状结构达到缓慢释放的效果。通过改变交联类高分子的添加量和添加种类，可以直接影响膜材的厚度，不同厚度的膜材可以起到不用的缓释作用，能够控制融冰组分的释放速率，从而达到可控缓释的效果。除此之外，通常混凝土会由于冬天雨水结冰膨胀而遭到物理破坏。交联类高分子由于其高韧性，相当于在混凝土和冰块之间形成了一个缓冲层，从而有效地降低了结冰膨胀对混凝土结构的盐冻破坏。

本发明中添加入高效阻锈剂，抗冻材料通过GB/T18175《水处理剂缓蚀性能的测定旋转挂片法》的要求进行测定，高效阻锈剂能在金属表面形成致密的吸附膜，有效的抑制了离子对金属表面的腐蚀。且阻锈剂本身没有毒害，环境友好且用量极少。

本发明的有益效果是：产品为主动型抗冻材料，抗冻响应迅速，能够最大化的保证道路的安全畅通。阻锈剂的加入可以使产品对基础设施和车辆的损坏降至最低。防水涂层的加入消除了部分芯材在制备过程中的吸水现象，同时防水涂层也具有一定的疏水特性可以在一定程度上增加抗冻材料的缓释性。高韧性的交联型高分子材料包裹防水涂层后在芯材表面固化形成致密的隔水膜可以有效阻隔水分子进入芯材内部，最终起到缓释作用，同时能够有效地降低结冰体积膨胀对混凝土物理结构的破坏。本发明可控缓释速率的抗冻材料，可以适应不同地区的环境，如夏季雨量大、冬季温度较高的区域可以选择释放速率较慢的抗冻材料；而夏季雨量小、冬季温度较低的区域可以选择释放速率较快的抗冻材料。

具体实施方式

本发明下面结合实施例作进一步详述：

实施例1：

称取氯化钠80g、氯化钙4g；

阻锈剂1g：磷酸二氢锌0.2g，钨酸钠0.25g，硫脲0.25g，四乙烯五胺0.1g，十二烷基苯磺酸钠0.2g；

交联型高分子材料5g：其中，环氧树脂2g，酚醛树脂3g；

防水涂层10g：滑石粉4g，碳酸钙4g，羟丙基甲基纤维素2g；

制备方法具体步骤为：

(1)先将氯化钠、氯化钙和阻锈剂一起投入磨粉机粉碎后混合，喷入一定量的水后通过造粒设备进行造粒，得到芯材颗粒；

(2)将步骤(1)中得到的芯材颗粒在鼓热风条件下搅拌待芯材加热至50℃，加入2.5g的交联型高分子材料搅拌5分钟，然后在股热风条件下加入防水涂层(滑石粉，碳酸钙，羟丙基甲基纤维素)搅拌5分钟，将剩余的2.5g交联型高分子材料投入其中继续搅拌5分钟，制得包膜颗粒。

(3)将步骤(2)得到的包膜颗粒静置1小时后，筛分后即可得到粒径大小为2-4mm可控缓释速率的抗冻材料。

实施例2

称取氯化钠75g，氯化钙4g。

阻锈剂1g：其中，磷酸二氢锌0.2g，钨酸钠0.25g，硫脲0.25g，四乙烯五胺0.1g，十二烷基苯磺酸钠0.2g。

交联型高分子材料10g：其中，酚醛树脂5g，丙烯酸树脂5g。

防水涂层10g：其中，滑石粉4g，碳酸钙4g，羟丙基甲基纤维素2g。

制备方法如实施例1所示。

实施例3

称取氯化钠70g、氯化钙4g。

阻锈剂1g：其中，磷酸二氢锌0.2g，钨酸钠0.25g，硫脲0.25g，四乙烯五胺0.1g，十二烷基苯磺酸钠0.2g。

交联型高分子材料15g：其中，环氧树脂7g，丙烯酸树脂8g。

防水涂层10g：其中，滑石粉4g，碳酸钙4g，羟丙基甲基纤维素2g。

制备方法如实施例1所示。

对比实施例1

称取氯化钠80g、氯化钙4g。

交联型高分子材料5g：其中，环氧树脂2g，酚醛树脂3g；

防水涂层10g：其中，滑石粉4g，碳酸钙4g，羟丙基甲基纤维素2g。

制备工艺步骤为：

(1)先将氯化钠和氯化钙一起投入磨粉机粉碎后混合，喷入一定量的水后通过造粒设备进行造粒，得到芯材颗粒；

(2)将步骤(1)中得到的芯材颗粒在鼓热风条件下搅拌待芯材加热至50℃，加入2.5g的交联型高分子材料搅拌5分钟，然后在股热风条件下加入防水涂层(滑石粉，碳酸钙，羟丙基甲基纤维素)搅拌5分钟，将剩余的2.5g交联型高分子材料投入其中继续搅拌5分钟，制得包膜颗粒。

(3)将步骤(2)所得到的包膜颗粒静置1小时后，筛分后即可得到粒径大小为2-4mm可控缓释速率的抗冻材料。

对比实施例2

称取氯化钠80g、氯化钙4g。

阻锈剂1g：磷酸二氢锌0.2g，钨酸钠0.25g，硫脲0.25g，四乙烯五胺0.1g，十二烷基苯磺酸钠0.2g；

防水涂层10g：其中，滑石粉4g，碳酸钙4g，羟丙基甲基纤维素2g。

制备工艺步骤为：

(1)先将氯化钠、氯化钙和阻锈剂一起投入磨粉机粉碎后混合，喷入一定量的水后通过造粒设备进行造粒，得到芯材颗粒；

(2)将步骤(1)中得到的芯材颗粒在鼓热风条件下搅拌待芯材加热至50℃，加入防水涂层(滑石粉，碳酸钙，羟丙基甲基纤维素)搅拌5分钟，制得包膜颗粒。制备过程中发现防水涂层不能够有效附着在颗粒表面。

对比实施例3

称取氯化钠80g、氯化钙4g。

阻锈剂1g：磷酸二氢锌0.2g，钨酸钠0.25g，硫脲0.25g，四乙烯五胺0.1g，十二烷基苯磺酸钠0.2g；

交联型高分子材料5g：其中，环氧树脂2g，酚醛树脂3g；

制备工艺步骤为：

(1)先将氯化钠、氯化钙和阻锈剂一起投入磨粉机粉碎后混合，喷入一定量的水后通过造粒设备进行造粒，得到芯材颗粒；

(2)将步骤(1)中得到的芯材颗粒在鼓热风条件下搅拌待芯材加热至50℃，加入2.5g的交联型高分子材料搅拌5分钟，将剩余的2.5g交联型高分子材料投入其中继续搅拌5分钟，制得包膜颗粒。

(3)将步骤(2)所得到的包膜颗粒静置1小时后，筛分后即可得到粒径大小为2-4mm可控缓释速率的抗冻材料。

实验1本发明的可控缓释速率的抗冻材料对碳钢的腐蚀率：

按照GB/T 18175—2000《水处理剂缓蚀性能的测定》的试验方法和条件，分别对上述实施例1、2、3和对比实施例4制备的可控缓释速率的抗冻材料、纯水、纯组分的氯化钠、氯化钙、氯化镁、甲酸钠、甲酸钾、醋酸钠、醋酸钾、醋酸钙镁，进行碳钢腐蚀试验，对比结果如表1：

表1抗冻材料对碳钢腐蚀试验对比结果

样品	平均缓蚀率mm/a
		纯水	0.0589
氯化钠	0.3911
		氯化钙	0.2227
氯化镁	0.4592
		尿素	0.5118
醋酸钾	0.0689
		醋酸钙镁	0.0758
实施例1	0.0456
		实施例2	0.0458
实施例3	0.0317
		对比实施例1	0.4236

表1中显示阻锈剂的加入明显的降低了抗冻剂的腐蚀性，试验结果均能达到国家标准GBT 23851-2009《道路除冰融雪剂》。。

实验2本发明可控缓释速率的抗冻材料硬度测试

实验仪器：颗粒强度测定仪(日本藤原制作所制造)

测试步骤：从实施例1、2、3和未包膜抗冻剂颗粒样本中，随机取出10个颗粒(粒径大小在2.5-3mm)，按上述方法进行测定。舍弃一个最小值和一个最大值，其余硬度值的平均值即为该防冻除冰材料的硬度。结果如表2：

表2抗冻材料硬度测试结果

样品	硬度/N
		实施例1	47.36
实施例2	49.72
		实施例3	46.32
对比实施例1	43.17
		对比实施例2	20.16
对比实施例3	46.86
		氯化物混合物造粒	21.39
氯化物加缓蚀剂造粒	19.54

表2中的结果显示阻锈剂的加入对氯化物造粒硬度有一定的限制，但是膜材的包裹可以大大的增加颗粒的硬度，尤其是交联型高分子材料的加入大大的增加了颗粒的硬度。颗粒硬度的提高降低了产品运输过程中的磨损和破裂，同时也使其在与混凝土的拌和过程中不至于破裂而影响其使用效果。

实验3本发明的可控缓释速率的抗冻材料的膜材缓释特性

分别对上述实施例1、对比实施例2、对比实施例3制备的颗粒进行纯水中的缓释性测定试验。试验参考HG/T3931-2007缓控释肥料的行业标准。将测试结果进行对比，对比结果如表3：

表3抗冻材料的膜材缓释特性测定试验结果

表3的数据显示单纯的交联型高分子材料不能很好的发挥缓释的作用。而单纯的防水涂层不能有效的附着在颗粒表面也不能很好的发挥疏水作用，而两者的结合却能将疏水和缓释很好的结合在一起体现出了优异的缓释效果。

实验4本发明的可控缓释速率的抗冻材料的缓释特性：

分别对上述实施例1、2、3制备的可控缓释速率的抗冻材料和未包膜的抗冻剂进行纯水中的缓释性测定试验。试验参考HG/T3931-2007缓控释肥料的行业标准。将测试结果进行对比，对比结果如表4：

表4抗冻材料的缓释性测定试验结果

表4的结果显示，包膜材料使用量的增加能直接降低芯材的释放速度，因此控制膜材的厚度就能控制抗冻材料的缓释速率。

实验5本发明的可控缓释速率的抗冻材料的路面除冰效果实验：

将本发明实施例1中的可控缓释速率的抗冻材料，按质量百分数4％掺入到混凝土混拌料中，搅拌均匀后制成混凝土试件，记为混凝土试件1；将未加入可控缓释速率的抗冻材料制成的试件记为混凝土试件2，分别在试件表面洒水，然后将试件置于-10℃的低温培养箱中冷冻12h，试验结果显示添加了抗冻材料的混凝土试件表明没有结冰，未添加抗冻材料的试件表面已经结上了冰。

Claims (3)

1.一种可控缓释速率的抗冻材料用于混凝土路面的养护，其特征在于：所述的抗冻材料以抑冰材料和阻锈剂为芯材，以交联型高分子材料和防水涂层为膜材，用膜材覆膜芯材形成颗粒状的多层复合材料；

所述抗冻材料按重量百分比其组成为：抑冰材料74-89%，阻锈剂0.5-1%，交联型高分子材料5-15%，防水涂层5-10%；

所述的阻锈剂按重量百分比其组成为：磷酸二氢锌10-20%，钨酸钠20-30%，硫脲15-30%，四乙烯五胺5-10%，其余的为十二烷基苯磺酸钠；

所述的交联型高分子材料为：环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂中的一种或两种以上的混合物；

所述的防水涂层按重量百分比其组成为：滑石粉40-50%，碳酸钙40-50%，其余的为羟丙基甲基纤维素；

可控缓释速率的抗冻材料的制备方法具体步骤为：

（1）先将抑冰材料与阻锈剂粉碎后进行混合，再制粒得到芯材颗粒；

（2）将步骤（1）中得到的芯材颗粒在鼓热风条件下搅拌待芯材加热至50-80℃，加入1/2的交联型高分子材料搅拌5-10分钟，然后在股热风条件下加入防水涂层搅拌5-10分钟，将剩余的1/2交联型高分子材料投入其中继续搅拌5-10分钟，制得包膜颗粒；

（3）将步骤（2）所得到的包膜颗粒静置1小时后，筛分后即可得到可控缓释速率的抗冻材料。

2.如权利要求1所述的可控缓释速率的抗冻材料用于混凝土路面的养护，其特征在于：所述抑冰材料为：氯化钠、氯化钙、氯化镁、尿素、醋酸钾、醋酸钙镁中的一种或两种以上的混合物。

3.如权利要求1所述的可控缓释速率的抗冻材料用于混凝土路面的养护，其特征在于：所述抗冻材料用于混凝土路面的养护使用方法如下：

在制备铺路用的混凝土的过程中，将可控缓释速率的抗冻材料颗粒加入其中，加入拌缸的先后顺序为粗料，细料，水泥，最后加入抗冻材料颗粒，其中，抗冻材料颗粒的添加量占矿料总重量的3-5%，按正常铺设掺有抗冻材料的混凝土路面。