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环保型降温微表处制备及其功效
2019年03月15日    阅读量:1685    新闻来源:沥青网 sinoasphalt.com  |  投稿

引言


近年来,国家及交通运输部均强调道路养护应向绿色方向发展。基于中国公路养护需求的日益剧增,预防性养护愈加重要,如何赋予预防性养护良好的环境功效对于实现道路养护的绿色可持续发展具有重要意义。微表处作为一种技术成熟的预防性养护技术,以其良好的抗滑、耐磨、防水、修复车辙等性能在道路养护领域被广泛应用中国沥青网sinoasphalt.com。目前,国外关于微表处的研究主要集中于微表处配比设计、路用性能及施工工艺等。对现行微表处设计方法进行了研究和改进;研究了骨料级配和表面积对微表处路用性能的影响;研究了胶粉微表处的降噪机理和表面性能;研究了橡胶微表处的断裂和拉伸性能;孙晓立等基于加速加载试验研究了微表处长期路用性能;王磊等研究了不同级配和集料以及添加纤维对微表处路用性能的影响。然而,关于微表处降温及净化尾气的相关研究鲜有报道。因此,研发具有降温及净化尾气功效的环保型降温微表处,在处治路面病害、显著提高路面服务水平的同时,实现降低路面温度及净化尾气等环境功效,不仅有利于提升沥青路面的使用性能,对于转变公路发展方式、推动公路建设和养护绿色健康发展也具有重要意义。


为此,本文以微表处作为功能性材料应用载体,制备具有降温及净化尾气功效的环保型降温微表处,全面评价不同类型环保型降温微表处降温功效、净化尾气功效及路用性能,揭示环保型降温微表处的微观结构和环境功效作用机理,为促进环保型降温微表处养护材料的推广应用奠定基础。


环保型降温微表处的研发


功能性材料制备


基础材料优选。为实现微表处的降温和净化尾气功效,从现有环境功效作用原理出发,优选了10余种基础材料,同时考虑材料分布储量、开发难度、生产加工成本、制备工艺、使用过程中性能稳定性及与微表处混合料的相容性和黏结性,通过大量调查对比及试验研究,最后将材料A作为制备功能性材料的基础材料。


功能性材料制备。由于基础材料A本身具有强极性结构及颗粒细微化特点,比重大、亲水性较强,不利于其在改性乳化沥青中均匀分散和浸润。为保证功能性材料良好的应用效果,首先对优选的基础材料优化处理。基于前期相关调查研究,选择羟乙基纤维素、聚乙烯醇、钛酸酯偶联剂对基础材料A优化处理,再经过机械活化、除杂提纯、干燥分散等一系列精细加工过程,制备出2种具有降温和净化尾气功效的新型功能性材料,分别命名为WHTWHTA,其中WHT为功能性微粉,WHTA为功能性集料。


功能性材料基本性能


功能性微粉技术指标。为确定功能性微粉在微表处载体中的应用可行性,根据《公路工程集料试验规程》,测试WHT的基本技术指标。


可知:WHT的表观相对密度、含水量、粒度范围、外观及亲水系数均能满足《公路沥青路面施工技术规范》的相关要求。


功能性集料规格和技术指标。级配理论相关研究表明,粒径1.18mm以上集料含量变化会影响沥青混合料骨架结构和空隙率,粒径0.3~0.6mm集料对混合料具有填充和干涉双重作用,0.075mm筛上细集料及筛下填料对沥青混合料粗集料骨架不会产生干涉作用,在沥青混合料中仅起填充作用。由于WHTA属于酸性矿物集料,若粒径较小,则比表面积相对增大,集料与沥青之间的接触面积增大,这会在一定程度上减小集料与沥青之间的黏附性。因此,综合考虑级配组成与黏附性,采用0.15~0.3mmWHTA集料作为主要功能性材料。根据确定的功能性集料最佳粒径,测试功能性集料基本技术指标,确定功能性集料在微表处载体中的应用可行性。


可知:WHTA的表观相对密度、含泥量、亚甲蓝值、砂当量指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》与《微表处和稀浆封层技术指南》的相关要求。因此,从技术指标而言,WHTA基本性能均能够满足道路微表处的应用需求。


环保型降温微表处配比设计


为保证环保型降温微表处降温和净化尾气功效及良好的路用性能,采用WHTWHTA分别替代微表处混合料中的部分填料和集料,制备环保型降温微表处。依据《微表处和稀浆封层技术指南》,综合考虑路用性能、施工和易性、摊铺效果、开放交通及实际应用经济性,基于湿轮磨耗试验和负荷轮黏砂试验,乳化沥青用量(质量分数)7.3%,基于可拌和时间试验确定外加水量为7%


功能性微粉及集料的掺量依据设计级配确定,在保证路用性能的前提下可适当扩大掺量。根据级配理论分析和确定WHTA集料最佳粒径,采用WHT全部替代粒径0.075mm以下填料,采用WHTA全部替代粒径0.15~0.3mm的集料,设计不同的功能性材料掺加配方,制备不同类型的环保型降温微表处,供后续降温功效、净化尾气功效及路用性能等相关试验使用。


环保型降温微表处降温功效评价


降温功效测试设备与方法


室外。现有室外隔热测温一般采用黏土、泡沫塑料等材料制作的简易装置以减小外界环境与试件间热传导,该类隔热装置隔热效果不明显,易污染试件,且机动性差,无法满足降温效果测试需求。针对现有隔温装置存在的不足,自主开发了一种路面材料成型试件室外隔温测温保温装置,该装置可自由移动,保证测试点光照充足,极大减少外界环境与试件四周和底部间的热传导,同时还可避免因试件污染导致测试结果不准确。


环保型降温微表处试件制备及室外降温功效测试方法为:按规范制作30cm×30cm×5cm车辙板试件,制作过程中埋置数字式温度传感器于车辙板试件中心处和底部,将配制好的环保型降温微表处均匀摊铺于车辙板表面,摊铺厚度为10mm,待试件强度形成后将其放置于隔温测温装置中,把装有车辙板的隔温测温装置放置在通风良好、阳光充足的地方,选择1000~1500为测试时间,利用数字式测温仪每隔0.5h读取车辙板表面、中部、下部温度,整理汇总数据。


室内。现有室内降温测试多采用简易试验装置,无法真实模拟自然环境条件,且测试手段较为随意,测试结果误差较大。针对这些不足,自主开发了一种路面材料自温控性能测试装置。该装置通过电磁继电器和电磁阀的配合精确控制测试温度,借助日光辐射灯照射模拟日光,可排除风、湿度等其他外界环境因素的影响,实现对自控温材料在高温环境下降低路面温度,低温环境下路面储热的性能进行系统、准确的评价。


环保型降温微表处室内降温功效测试方法为:与室外测温方法相同,首先将制备好的环保型降温微表处摊铺于车辙板表面并自然风干,然后放置于路面材料自温控性能测试装置中,并将该装置温度调节至初始温度20,然后以101个温度节点升温,在每个温度节点保持该温度5min后再继续升温至下一温度节点,最终达到70温度节点。在每个温度节点保温5min后记录试件表面、中部、下部温度,整理汇总数据。


降温功效评价


室外。依据室外降温功效测试设备和测试方法,测试不同类型环保型降温微表处室外降温功效。选取4个测试时间点对比分析不同环保型降温微表处室外降温功效,不同时间点对应的大气温度分别为35.136.437.739.0,对应的对照试件温度分别为50556065


可知:不同类型环保型降温微表处降温幅度随路面温度的升高逐渐增大,大致呈线性增长趋势。相同温度条件下,复配型(WHTWHTA)微表处降温功效最优,其次为WHTA微表处和WHT微表处。在65条件下,不同类型环保型降温微表处表面降温幅度可达3.5,中部降温幅度可达4.5,下部降温幅度可达5;在试件下部,微表处、WHTA微表处、WHT微表处降温幅度分别可达5.95.75.5


室内。利用室内降温功效测试设备,测试不同类型环保型降温微表处室内降温功效。选取5个测试温度节点对比分析不同类型环保型降温微表处室内降温功效,不同测试温度节点对应的对照试件温度分别为3040506070


可知:随着自温控性能测试装置设定温度逐渐升高,不同类型环保型降温微表处的降温幅度逐渐增大,大致呈线性增长趋势,与室外降温效果变化趋势一致。试件表面各段直线斜率变化较大,试件中部和下部直线斜率较为平稳。在相同温度条件下,复配型(WHTWHTA)微表处降温功效最优,其次是WHTA微表处和WHT微表处。当自温控性能测试装置内部温度达到70时,(WHTWHTA)微表处、WHTA微表处和WHT微表处的降温幅度分别可达6.56.46.2


环保型降温微表处净化尾气功效评价


净化尾气功效测试设备与方法


为真实模拟环保型降温微表处实际应用环境条件,本文采用小型发动机及净化尾气功效测试装置构建净化尾气定量测试系统。尾气测试分析设备选用HA-856气体检测仪和CW-HAT200手持式PM2.510测试仪,能够精确检测NOxCOxSO2以及CHx等尾气中有害气体成分的含量及环境中PM2.5PM10颗粒污染物的含量。


基于室外应用环境的净化尾气功效测试方法为:将制备好的环保型微表处试件放入恒温烘箱(60)内保温5h,然后将其转移至净化尾气测试设备中,通入尾气并密封。在光照正常的晴天,将密封的净化尾气功效测试设备放置于外界大气环境中,选择1000~1500为测试时间,试件温度每变化5时读取测试箱内不同污染物浓度,确定净化尾气功效测试设备内不同尾气成分的浓度随环境温度变化规律。


净化尾气功效评价


利用净化尾气功效测试装置和尾气测试分析设备,测试净化尾气功效测试装置内不同类型污染物浓度变化规律,全面评价不同类型环保型降温微表处净化尾气功效。


可知:在测试时间内,不同类型污染物含量逐渐下降,表明不同类型环保型降温微表处具有良好的净化尾气功效。对单一类型WHTWHTA微表处,在试件升温过程中,尾气污染物含量曲线的斜率逐渐增大,净化效率逐渐提高。在试件降温过程中,曲线趋于平缓,净化效率逐渐下降,这表明单一类型微表处净化效率受温度变化影响较大。而复配型(WHTWHTA)微表处净化尾气过程中污染物含量曲线的斜率随温度变化较小,表明温度变化对其净化效率影响相对较小,净化稳定性好。


可知:单一类型环保型降温微表处WHTWHTACOxNOxSO2的净化率可达35%,对PM2.5PM10颗粒污染物净化率可达48%;复配型环保型降温微表处对COxNOxSO2的净化率可达43%,对PM2.5PM10净化率可达59%。复配型微表处对尾气中各类污染物的净化率均明显高于单一类型WHTWHTA微表处。


环保型降温微表处路用性能


本文测试不同类型环保型降温微表处表面构造深度和抗滑摆值,评价环保型降温微表处的抗滑性能。参照《微表处和稀浆封层技术指南》,采用湿轮磨耗试验测试环保型降温微表处耐磨耗性能。制备轮辙变形试验试件,测试轮迹宽度变形率及车辙深度率,评价环保型降温微表处高温稳定性能。采用渗水系数试验测试摊铺环保型降温微表处前、后车辙板试件渗水系数变化,评价环保型降温微表处抗渗水性能。


可知:不同类型环保型降温微表处的各项路用性能指标测试结果均满足《微表处和稀浆封层技术指南》的相关要求,表明不同类型环保型降温微表处具有良好的抗滑性能、耐磨耗性能和高温稳定性能。在摊铺环保型降温微表处后,车辙板试件基本不渗水,表明不同类型环保型降温微表处可显著提高路面抗渗水性能。


环保型降温微表处微观结构表征与机理分析


SEM分析


借助SEM试验分析功能性材料在乳化沥青中的分散均匀性和稳定性。采用JSM-6390A型扫描电子显微镜,所用试件为掺加WHT的乳化沥青蒸发残留物,功能性材料掺量为沥青质量的20%


可知:WHTSEM照片中颜色较亮,这主要是由于WHT中存在标志性金属元素。功能性微粉在乳化沥青蒸发残留物内部仍然以亮色和暗色交替存在,呈现明显的半包裹状态,这表明功能性微粉与乳化沥青之间能够紧密胶结,二者相互黏结良好,WHT能够吸附沥青材料,稳定、均匀地分散于乳化沥青蒸发残留物中,形成稳定的整体结构。


FTIR分析


为进一步分析功能性材料与乳化沥青的相互作用,采用TENSOR27FTIR傅里叶变换红外光谱仪进行红外光谱分析,试验分辨率为0.2cm-1,扫描次数为32,测试范围为4000~600cm-1


可知:普通乳化沥青与WHT乳化沥青两者在772cm1处和1213cm1处都出现了亚甲基CH2摇摆振动吸收峰和C-O伸缩振动吸收峰,但是WHT乳化沥青吸收峰强度都明显弱于普通乳化沥青。在官能团区波数为3446cm-1处,WHT乳化沥青出现了新的羟基伸缩振动吸收峰,这是新的官能团的吸收峰,表明在化学官能团组成层面,WHT对乳化沥青材料实现了改性作用。WHT乳化沥青在波数为1457cm-1处和1590cm-1处吸收峰强度明显高于普通乳化沥青,这可能是由于WHT功能性材料对乳化沥青改性作用引起的。


TG分析


TG分析采用Q600SDT热重分析仪,升温速率为10·min-1,温度范围为25~1000


可知:与普通乳化沥青蒸发残留物相比,WHT乳化沥青蒸发残留物反应起始温度和终止反应温度均有所提高,热失重反应温度整体向高温方向偏移,反应终止时的质量损失率减小约30%。可知:与普通乳化沥青蒸发残留物相比,WHT乳化沥青蒸发残留物最大热失重速率降低约30%,热失重反应较为平缓。这表明WHT的掺加提高了乳化沥青材料的反应温度,显著降低了在受热过程中的质量损失速率,提高了乳化沥青高温稳定性,WHT对乳化沥青起到了良好的改性作用。


机理分析


环保型降温微表处的降温及净化尾气功效主要源自功能性材料自身极化效应,而极化效应主要取决于基础材料自身晶体结构特性。


降温作用机理。外界环境温度与路面温度之间差值的显著性存在,促使功能性改性剂内部产生温度梯度效应,导致材料内部产生温差热电动势E,在E的导向作用及温度梯度驱动作用下,功能性改性剂表面自由电荷及非平衡载流子从低能级向高能级运动,实现了对材料从外界吸收热能的消耗,最终达到降低路面温度的功效。


净化尾气作用机理。功能性材料由于自身极化效应释放的自由电荷与尾气中带正电的PM2.5PM10等颗粒污染物接触,产生吸附沉降作用。极化效应在功能性材料附近空间形成电场。


功能性材料由于自身极化效应使其表面极小范围内存在高强静电场,当其与周围水分子接触时,发生瞬间放电,使水分子电解为OH-H+


外界太阳辐射中的红外线能够对氮氧化合物产生活化作用,同时在高温环境下,功能性材料会通过自身的催化效应进一步促进氮氧化合物的降解,从而实现对氮氧化合物的净化功效。由于功能性材料在该反应中主要是作为催化剂,自身并没有消耗,故在微表处使用年限内,其长期催化降解作用并不会显著减弱,能持续发挥净化功效。


结语


(1)基于降温和净化尾气原理及材料优选原则,优选出基础材料A作为原材料,通过机械活化、除杂提纯、真空干燥分散及优化处理研发WHT功能性微粉和WHTA功能性集料,在此基础上制备了不同类型环保型降温微表处。


(2)不同类型环保型降温微表处降温效果随路面温度的升高逐渐增大,复配型(WHTWHTA)环保型降温微表处降温功效最优,室外和室内降温幅度分别可达5.96.5


(3)温度变化对单一类型环保型降温微表处WHTWHTA的净化效率影响显著,对复配型(WHTWHTA)微表处影响相对较小。(WHTWHTA)环保型降温微表处对COxNOxSO2气体污染物净化效果可达43%,对PM2.5PM10颗粒污染物净化效果可达59%


(4)不同类型环保型降温微表处具有良好的抗滑性能、耐磨耗性能、高温稳定性能,可显著提高路面抗渗水性能。


(5)WHT功能性材料能够稳定、均匀地分散于乳化沥青中,对改性沥青产生了改性作用,并提高了乳化沥青的热稳定性。环保型降温微表处的降温及净化尾气功效主要源自功能性材料自身极化效应。


(6)本文制备的环保型降温微表处对推动公路养护向绿色环保方向发展具有指导意义,但本文研究结论是基于实验室研究和理论分析。在后续的工作中,将基于室外试验路,综合考虑外界环境条件、交通特点和路面结构等因素,进一步研究环保型降温微表处的长期降温功效和路用性能。关于环保型微表处室外净化尾气功效的测试与评价有待于进一步探索。



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