層狀雙金屬氫氧化物瀝青道路融雪化冰劑的制備與性能研究.pdf

1、在冬季，瀝青路面的積雪和結(jié)冰不僅大大降低了道路運(yùn)輸效率，而且極易引發(fā)交通事故。如何及時(shí)融化或去除路面冰雪、減少交通事故的發(fā)生，從而保證公路的安全暢通一直是世界各國(guó)迫切希望解決的難題。傳統(tǒng)融雪化冰的方法為撒布氯鹽法，但氯鹽對(duì)道路周邊生態(tài)環(huán)境危害嚴(yán)重，并會(huì)導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)病害。為了減輕氯鹽的破壞作用，一些環(huán)保型融雪劑（如醋酸鹽）開始得到應(yīng)用，然而，這些融雪劑不僅價(jià)格高，而且對(duì)瀝青路面也具有較大的危害性。將氯鹽類融雪化冰劑摻入瀝青混凝土制備具

2、有自融冰功能的瀝青路面近年來倍受重視，但氯鹽仍會(huì)在雨水和車輛載荷的作用下逐漸析出，既破壞了生態(tài)環(huán)境和路面結(jié)構(gòu)，又降低了其融冰長(zhǎng)效性。因此，亟需開發(fā)一種對(duì)環(huán)境和路面結(jié)構(gòu)無危害、融雪化冰功能持久的新型融雪化冰劑。
　　層狀雙金屬氫氧化物（LDHs）由帶正電荷的金屬陽離子層板和帶負(fù)電荷的層間陰離子所構(gòu)成。前期研究發(fā)現(xiàn)，LDHs層間陰離子能夠賦予其降低水的冰點(diǎn)作用，其主板金屬元素和層間陰離子種類直接影響其降低冰點(diǎn)的功能。本文采用不同鎂鋁元

3、素比Mg/Al CO32-LDHs為原料，通過焙燒還原法制備了含有不同層間陰離子（氯離子、甲酸根離子和醋酸根離子）的LDHs，系統(tǒng)研究了主板金屬元素比和層間陰離子種類對(duì)LDHs降低水的冰點(diǎn)能力的影響，制備了新型融雪化冰劑。進(jìn)而將不同層間陰離子的LDHs用于制備瀝青混合料，研究了新型融雪化冰劑對(duì)瀝青混合料融雪化冰性能和路用性能的影響。主要研究結(jié)論如下：
　　(1)采用焙燒還原法制備了不同陰離子插層MgAl LDHs。元素能譜和傅里葉

4、紅外光譜分析表明，氯離子、甲酸根離子和醋酸根離子成功插入到LDHs層間。X-射線衍射分析表明，氯離子、甲酸根離子和醋酸根離子的引入會(huì)增大原來Mg/Al CO32-LDHs的層間距離。掃描電子顯微鏡觀察表明，氯離子、甲酸根離子和醋酸根離子插層LDHs仍然為層狀結(jié)構(gòu)晶體。透射電子顯微鏡圖像進(jìn)一步證實(shí)三種陰離子插層LDHs的晶格之間距離相比于原樣LDHs的有明顯增大。
　　(2)主板金屬元素比對(duì)LDHs的融冰能力有明顯影響。差熱掃描量熱

5、測(cè)試表明：相比于主板鎂鋁元素比為3和4的LDHs，主板鎂鋁元素比為2時(shí)，氯離子、甲酸根離子和醋酸根離子插層LDHs的混合液冰點(diǎn)均最低，其5wt％的混合液冰點(diǎn)分別為-8.15℃、-9.32℃和-10.68℃。這是因?yàn)殒V鋁元素比較小時(shí)，三價(jià)態(tài)的鋁離子的相對(duì)含量增大，金屬陽離子層板所帶總的正電荷數(shù)會(huì)增加，從而使得層板間能夠插入較多的陰離子。
　　(3)不同陰離子對(duì)LDHs的融冰能力有顯著影響。當(dāng)鎂鋁元素比為2時(shí)，將5%的氯離子插層LDH

6、s（Mg2/Al Cl-LDH）、甲酸根離子插層LDHs（Mg2/Al Fo-LDH）、醋酸根離子插層LDHs（Mg2/Al Ac-LDH）和碳酸根離子插層LDHs（Mg2/Al CO32-LDH）分別與水配置成混合液，對(duì)應(yīng)的冰點(diǎn)分別為-8.1℃、-8.8℃、-9.3℃和-1.2℃，這表明氯離子、甲酸根離子和醋酸根離子插層均能夠賦予LDHs優(yōu)良的融冰能力，其中醋酸根離子插層LDHs降低冰點(diǎn)效果最好。這可歸因于焙燒LDHs中可插層進(jìn)入的醋

7、酸根離子含量最多，LDHs單位層間陰離子含量測(cè)試結(jié)果表明氯離子、甲酸根離子、醋酸根離子插層LDHs的單位層間陰離子含量分別為0.0035 mol/g，0.0041 mol/g和0.0054 mol/g。
　　(4)焙燒還原制備工藝和焙燒LDHs與插層劑的質(zhì)量比也明顯影響LDHs的融冰能力。研究表明：插層反應(yīng)溫度明顯影響不同陰離子插層LDHs降低水的冰點(diǎn)的效果。氯離子、甲酸根離子和醋酸根離子分別在插層反應(yīng)溫度為70℃、75℃和80℃

8、條件下制備的LDHs，其降低水的結(jié)冰點(diǎn)效果最好。這是因?yàn)轶w系的反應(yīng)活性起初會(huì)隨著溫度升高而逐漸增大，從而使得外界陰離子插層LDHs的反應(yīng)變得越來越容易。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高而超過這個(gè)最佳反應(yīng)溫度后，LDHs層間的少量羥基（-OH）開始脫離，與外界陰離子競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致插層陰離子的數(shù)量降低。焙燒后的LDHs（CLDH）與陰離子插層劑的質(zhì)量比也會(huì)影響不同陰離子插層LDHs的冰點(diǎn)。當(dāng)CLDH與氯化鈉、甲酸鈉和醋酸鉀的質(zhì)量比分別為3、2.5和2時(shí)，插層L

9、DH具有較好的降低水冰點(diǎn)效果。這是因?yàn)楫?dāng)CLDH與氯化鈉、甲酸鈉和醋酸鉀的質(zhì)量比降低到飽和值時(shí)，LDHs層間沒有多余的位點(diǎn)接受陰離子插層。
　　(5) LDHs對(duì)層間陰離子具有限域作用。硝酸銀溶液滴定表明Mg2/Al Cl-LDH的濾液中未見氯離子存在；電導(dǎo)率測(cè)定表明Mg2/Al Fo-LDH和Mg2/Al Ac-LDH的濾液中沒有游離的甲酸根離子或醋酸根離子存在。X-射線光電子能譜測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于碳酸根離子，氯離子、甲酸根離

10、子和醋酸根離子插層后，LDHs層間陰離子與層板金屬陽離子的電子結(jié)合能增大，這表明金屬陽離子層板對(duì)于三種插層陰離子具有更好的限域作用。
　　(6)三種陰離子插層LDHs均可賦予瀝青混合料良好的長(zhǎng)效融冰性能。瀝青混合料表面冰點(diǎn)實(shí)驗(yàn)表明，摻有5wt%的Mg2/Al Cl-LDH、Mg2/Al Fo-LDH和Mg/Al Ac-LDH的瀝青混合料表面冰點(diǎn)分別為-5.0℃、-6.5℃和-7.2℃；瀝青混合料表面冰層粘附力實(shí)驗(yàn)表明，這三種陰離子

11、插層LDHs融雪化冰劑均可使冰層與瀝青混合料之間的粘附力降低。摻有LDHs融雪化冰劑的瀝青混合料反復(fù)浸水和表面機(jī)械摩擦后，其表面冰點(diǎn)和冰層粘附力均無明顯變化。
　　(7) LDHs融雪化冰劑改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性能和高溫性能。摻有5wt%的Mg2/Al CI-LDH、Mg2/Al Fo-LDH和Mg2/Al Ac-LDH瀝青混合料的浸水穩(wěn)定度分別為85.9%、86.2%和87.5%，而添加相同摻量礦粉的瀝青混合料浸水穩(wěn)定度為8