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輸效率，而且極易引發(fā)交通事故。如何及時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，但氯鹽對道路周邊生態(tài)環(huán)境危害嚴(yán)重，并會導(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，這些融雪劑不僅價格高，而且對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)，又降低了其融冰長效性。因此，亟需開發(fā)一種對環(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LDHs降低水的冰點能力的影響，制備了新型融雪化冰劑。進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一步證實三種陰離子插層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LDHs的融冰能力有明顯影響。差熱掃描量熱

5、測試表明：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，氯離子、甲酸根離子和醋酸根離子插層LDHs的混合液冰點均最低，其5wt％的混合液冰點分別為-8.15℃、-9.32℃和-10.68℃。這是因為鎂鋁元素比較小時，三價態(tài)的鋁離子的相對含量增大，金屬陽離子層板所帶總的正電荷數(shù)會增加，從而使得層板間能夠插入較多的陰離子。
　　(3)不同陰離子對LDHs的融冰能力有顯著影響。當(dāng)鎂鋁元素比為2時，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，對應(yīng)的冰點分別為-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降低冰點效果最好。這可歸因于焙燒LDHs中可插層進入的醋

7、酸根離子含量最多，LDHs單位層間陰離子含量測試結(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)冰點效果最好。這是因為體系的反應(yīng)活性起初會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)溫度進一步升高而超過這個最佳反應(yīng)溫度后，LDHs層間的少量羥基（-OH）開始脫離，與外界陰離子競爭，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)量比也會影響不同陰離子插層LDHs的冰點。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，插層L

9、DH具有較好的降低水冰點效果。這是因為當(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，LDHs層間沒有多余的位點接受陰離子插層。
　　(5) LDHs對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效融冰性能。瀝青混合料表面冰點實驗表明，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分別為-5.0℃、-6.5℃和-7.2℃；瀝青混合料表面冰層粘附力實驗表明，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)浸水和表面機械摩擦后，其表面冰點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