一种可融雪除冰的钢渣基二元复合相变材料及其制备方法

1.本发明涉及土木工程材料技术领域，具体涉及一种可融雪除冰的钢渣基二元复合相变材料及其制备方法。


背景技术：

2.随着世界人口急剧增加和生产力的高度发展，随之而来的是对能源的大量需求。过度开发有限的化石能源已造成全球能源短缺和生态环境破坏。太阳能等清洁可再生能源受到越来越多的关注。然而，可再生能源的间歇问题，使其无法作为稳定连续的能源被大规模开发利用。相变材料能够将富余的能量储存起来，待需要的时候再释放出来，是缓解能源供需不匹配问题的关键。土木工程是现代化基础设施建设的关键领域，同样面领着巨大的能源需求。此外，多项研究结果表明复合相变材料将材料与载体进行结合形成保持固相的复合材料，克服了普通单一相变材料的导热率较低以及不易保存等缺陷，具有很高的实际工程应用价值。
3.目前，相变材料已经广泛用于建筑墙体保温、房顶保温隔热等方面。在道路工程中，相变材料主要用于缓解夏季高温时的路面高温病害，如车辙、推移、拥包等。但是在道路工程中，低温相变材料的开发与应用非常的匮乏与滞后。与路面高温病害一样，在冬季低温时的路面低温病害同样不容忽视，当环境温度骤降，路面结构会产生较大的温度应力，可能导致路面结构拉裂；同时在低温环境下，由于路面内部温度与环境温度不一致而产生循环温度应力损伤，直接导致路面产生大量的温度疲劳裂缝。更重要的是，与路面低温病害相比，冬季低温条件下极易出现冰雪灾害，研究表明冬季约有35％交通事故与道路表面积聚的冰雪有关，而在寒冷地区这一数据则高达50％以上。因此，路面上积聚的冰雪已经成为冬季交通事故的最主要原因，这是因为积聚在路面上的冰雪直接导致摩擦系数显著降低、行驶车辆的制动性能大大减弱。
4.长期的观测结果表明，有效的道路融雪除冰措施可降低约88.3％的冬季道路交通事故发生率，每百公里道路死亡人数可降低73.4％。因此，利用有效的道路融雪除冰措施，保障冬季道路交通安全一直以来是国内外研究的热点。当前，融雪除冰措施可以概括分为两大类，一类是传统被动式融雪除冰措施，如机械除冰雪或撒布化学盐除冰雪，但机械设备会严重刮伤路面，而化学盐会严重污染环境、腐蚀路面。另一类是新型主动式融雪除冰措施，如内置发热单元的电加热路面、循环热流体路面等，但这些功能路面的融雪除冰用时周期长、前期建设投资成本巨大，且发热装置损坏后不易修复，难以大规模推广应用。
5.随着相变材料的应用，将复合相变材料应用于路面融雪除冰的研究也越来越多，如申请号为201610388942.0公开的“一种基于相变储能放热材料的防冰融冰沥青及其制备方法”，通过确定复合相变材料的配比和沥青材料混合制备相变储能放热材料用于冬季寒冷天气下道路的融雪化冰，但是该材料限定了相变材料的复配比例，在实际的道路服役过程中，由于各地的冬季环境温度并不相同，单一配比的复合相变材料并不能完全适配所有的冬季温度环境，则对于这一类的复合相变材料的使用限制较大，不便于实际的大规模推
广应用。


技术实现要素：

6.针对现有技术不足，本发明提供一种可融雪除冰的钢渣基二元复合相变材料及其制备方法，通过改变两种有机相变材料的掺配类型、比例，以得到目标相变温度、相变潜热不同的钢渣基二元复合相变材料，能够有效适用于多种冬季冰雪气温环境下的路面融雪除冰，达到保证冬季道路交通安全的目的，在提高道路网运输效率的同时缓解路面低温病害。
7.为实现以上目的，本发明的技术方案通过以下技术方案予以实现：
8.一种可融雪除冰的钢渣基二元复合相变材料，所述钢渣基二元复合相变材料包括复合相变材料、预处理钢渣颗粒和水泥砂浆组成，其中复合相变材料由两种有机相变材料混合制成，所述预处理钢渣颗粒为转炉钢渣、平炉钢渣或电炉钢渣中的任意一种，且钢渣的表观相对密度≥2.9，吸水率≤3.0％，粘附性等级≥4级，洛杉矶磨耗值和压碎值均≤26.0％，软弱颗粒含量≤3.0％，磨光值≥45.0psv，存放时间＞180天。
9.优选的，所述预处理钢渣颗粒的预处理方法包括以下步骤：
10.①
采用颚式破碎机或圆锥破碎机对钢渣进行破碎处理，在破碎机出料口处设置振动筛，所述的破碎机破碎处理时间为15min-30min，所述的振动筛最小一级筛孔尺寸为2.36mm，最大一级筛孔尺寸为31.5mm，振动筛筛分时间为15-30min，得粒径在2.36mm-31.5mm范围内的钢渣颗粒；
11.②
对步骤
①
中的到的钢渣颗粒高压水洗处理，所述的清洗过程为：将钢渣放置在具有一定倾角的脱水振动筛的筛面上，其筛孔尺寸≥2.36mm，用压力介于5mpa-8mpa的高压水枪清洗2min以上；
12.③
将高压水洗后的钢渣沥干水分，高温烘干至恒重，其烘干温度为105℃
±
5℃，再将干燥后的钢渣再次振动筛分，筛分时间≥15min，得粒径在2.36mm-31.5mm范围内的钢渣。
13.钢渣基二元复合相变材料的制备方法包括以下步骤：
14.(1)根据所需的不同气候条件、冬季环境温度的要求选择两种有机相变材料a和b，计算a和b不同配比下的低共熔点并绘制成图，确定共晶点处a和b的质量比为m1:m2，按照质量比m1:m2充分混合得到二元复合相变材料，再计算复合相变材料的相变潜热来适配冬季环境温度，其中复合相变材料低共熔点计算通式如下(ⅰ)所示：
[0015][0016]
所述复合相变材料相变潜热的计算通式如下(ⅱ)所示：
[0017][0018]
上述(ⅰ)和(ⅱ)式中：tm——为复合相变材料低共熔点；ti——为相变材料a和b的熔点；r——为气体常数，且r＝8.314j/(mol
·
k)；xi——为相变材料a和b的摩尔质量分数，其中xa+xb＝1；hi——为相变材料a和b的相变潜热，j/mol；hm——为复合相变材料的相变潜热，j/mol。
[0019]
(2)利用加热导入法或抽真空导入法按照质量比1-3∶7-9将复合相变材料导入至
预处理钢渣颗粒中，其中加热导入法具体包括以下步骤：
[0020]
①
将复合相变材料加热至复合相变材料的熔点和沸点的温度之间进行熔化处理；
[0021]
②
将钢渣颗粒加入到上述熔化的复合相变材料中，搅拌5-10min，后取出钢渣自然风干；
[0022]
所述步骤(2)中的抽真空导入法具体包括以下步骤：
[0023]
①
将复合相变材料加热至复合相变材料的熔点和沸点的温度之间进行熔化处理；
[0024]
②
将钢渣颗粒加入到熔化的复合相变材料中，搅拌3min-5min，后放置于真空度在0.06mpa-0.09mpa之间的真空干燥箱中，于150℃保持2h以上。
[0025]
(3)将吸附了复合相变材料的预处理钢渣颗粒外部包裹水泥砂浆，且水泥砂浆的水灰比在0.8-1.5之间，吸附了复合相变材料的预处理钢渣颗粒与水泥砂浆的质量比为10∶1，其具体包裹方式为：常温下将钢渣置于水泥砂浆中，搅拌15min以上，后自然风干，得钢渣基二元复合相变材料。
[0026]
优选的，所述钢渣基二元复合相变材料在制得后需要进行洒水养生7天以上。
[0027]
优选的，所述钢渣基二元复合相变材料通过以下公式(ⅲ)对材料的包裹率进行计算验证：
[0028]
c＝(hc/hm)
×
100％
……………………
(ⅲ)
[0029]
上述(ⅲ)式中：c——为包裹率；hc——为包裹了水泥砂浆的钢渣基二元复合相变材料的相变潜热；hm——为复合相变材料的相变潜热。
[0030]
本发明提供一种可融雪除冰的钢渣基二元复合相变材料及其制备方法，与现有技术相比优点在于：
[0031]
(1)本发明通过复合两种有机相变材料，并且基于钢渣的多孔特性，制备出一种可融雪除冰的钢渣基二元复合相变材料用于路面建设，在冬季低温冰雪天气条件下，环境温度低于相变温度时，相变材料主动放热使得路面温度迅速升高，能够实现快速路面融雪除冰，达到主动消除路面冰雪、提高冬季冰雪灾害条件下的交通安全、道路网保通性的目的。
[0032]
(2)本发明制备的钢渣基二元复合相变材料不仅能够在路面上有冰雪积聚时，通过相变放热融雪除冰，还能够通过改变两种有机相变材料掺配类型、比例得到具有不同相变温度、相变潜热的二元复合相变材料，能够适用于不同地区冬季气温条件下的融雪除冰要求，实现在冰雪降临前发生相变主动放热，对路面进行预热，达到路面始终无积雪结冰的目的。
[0033]
(3)本发明制备的钢渣基二元复合相变材料不仅能够实现冬季融雪除冰，在低温时相变放热还能够防止环境温度骤降，路面结构产生较大的温度应力而导致路面结构出现拉裂的现象；同理也能够缓解冬季低温环境下的循环温度应力损伤，避免路面温度疲劳裂缝的产生，大大延长路面使用寿命，并且相变钢渣粗集料的表面包裹水泥砂浆，相变材料不易泄露，经久耐用。
[0034]
(4)本发明可以进一步提高钢渣废弃物的二次利用，缓解废弃钢渣的土地侵占与资源浪费问题，同时还实现了钢渣的功能化再利用，即使掺加有机相变材料会增加一定的建设成本，但由于钢渣集料的价格显著低于天然集料，大大减缓对天然不可再生集料的需求，并且修筑后冬季路面几乎不产生融雪除冰的费用，还能够降低路面由于低温开裂而产生的养护维修费用，因此仍旧能够实现显著的社会经济效益。
附图说明
[0035]
图1为本发明实施例1正十二烷复合正十四烷共晶相图；
[0036]
图2为本发明实施例2正十四烷复合正十六烷共晶相图；
[0037]
图3为本发明实施例3正十四烷复合正十八烷共晶相图。
具体实施方式
[0038]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
实施例1：
[0040]
一种可融雪除冰的钢渣基二元复合相变材料：
[0041]
1、选择相变材料a为正十二烷，熔点为-9.6℃，相变潜热为142j/g，相变材料b为正十四烷，熔点为5.5℃，相变潜热为227j/g，按照正十二烷与正十四烷质量比m1:m2＝90:10；80:20；70:30；60:40；50:50；40:60；30:70；20:80；10:90分别掺配得到九组样品，通过计算正十二烷与正十四烷二元复合相变材料的低共熔点，计算结果如下图1所示，在共晶点-15.2℃时得到最佳的正十二烷与正十四质量比m1:m2＝76:24。
[0042]
通过计算正十二烷与正十四烷二元复合相变材料的相变潜热，计算结果为43.06j/g，使其适配相应的需求。
[0043]
2、选取粒径介于2.36-16mm，表观相对密度为3.322，吸水率为2.4％，粘附性等级为5级，洛杉矶磨耗值为18.5％，压碎值为14.8％，软弱颗粒含量为0.2％，磨光值为61.5psv，存放时间大于180天的钢渣。且钢渣经过以下方式预处理：
[0044]
1)首先，采用颚式破碎机或圆锥破碎机对钢渣进行破碎处理，在破碎机出料口处设置振动筛，破碎机破碎处理时间为20min，振动筛最小一级筛孔尺寸为2.36mm，最大一级筛孔尺寸为16mm，振动筛筛分时间为20min；
[0045]
2)然后，对上一步得到的粒径介于2.36mm-16mm的钢渣高压水洗处理，清洗过程为：将钢渣放置在具有一定倾角的脱水振动筛的筛面上(筛孔尺寸≥2.36mm)，用压力为6mpa的高压水枪清洗5min；
[0046]
3)最后，将上一步高压水洗后的钢渣沥干水分，放置于烘箱中高温烘干至恒重，烘干温度为105℃
±
5℃，烘干至恒重的钢渣再次振动筛分，筛分时间为15min，振动筛分后的钢渣粒径介于2.36mm-16mm。
[0047]
3、通过加热导入法将正十二烷与正十四烷二元复合相变材料按照质量比1∶9导入到上述钢渣颗粒中，即首先将复合相变材料加热至温度160℃
±
5℃，然后将钢渣颗粒加入到熔化的复合相变材料中，搅拌5min，最后取出钢渣并自然风干。
[0048]
4、利用水泥砂浆包裹吸附复合相变材料后的钢渣颗粒，水泥砂浆的水灰比为(w/c)为0.8，且吸附了复合相变材料的预处理钢渣颗粒与水泥砂浆的质量比为10∶1，首先常温下将钢渣置于水泥砂浆中，搅拌25min，随后自然风干，风干后的钢渣基二元复合相变材料
洒水养生28天，即得。
[0049]
本实例中，钢渣基二元复合相变材料的包裹率通过式c＝(hc/hm)
×
100％计算，其中c为包裹率；hc为包裹了水泥砂浆的钢渣基二元复合相变材料的相变潜热；hm为复合相变材料的相变潜热，计算结果为c≈92.8％，可知本实施例制备的钢渣基二元复合相变材料包裹性良好，能够防止相变材料泄漏。
[0050]
实施例2：
[0051]
一种可融雪除冰的钢渣基二元复合相变材料：
[0052]
1、选择相变材料a为正十四烷，熔点为5.5℃，相变潜热为227j/g，相变材料b为正十六烷，熔点为18℃，相变潜热为217j/g，按照正十四烷与正十六烷质量比m1:m2＝90:10；80:20；70:30；60:40；50:50；40:60；30:70；20:80；10:90分别掺配得到九组样品，通过计算正十四烷与正十六烷二元复合相变材料的低共熔点，计算结果如下图2所示，在共晶点0.83℃时得到最佳的正十四烷与正十六烷质量比m1:m2＝69:31。
[0053]
通过计算正十二烷与正十四烷二元复合相变材料的相变潜热，计算结果为27.41j/g，使其适配相应的需求。
[0054]
2、选取粒径介于2.36-19mm，表观相对密度为3.385，吸水率为2.2％，粘附性等级为5级，洛杉矶磨耗值为18.5％，压碎值为14.8％，软弱颗粒含量为0.2％，磨光值为61.5psv，存放时间大于180天的钢渣，且该钢渣经过与实施例1相同的预处理步骤进行处理。
[0055]
3、通过加热导入法将正十四烷与正十六烷二元复合相变材料按照质量比2∶8导入到上述钢渣颗粒中，即首先将复合相变材料加热至温度150℃
±
5℃，然后将钢渣颗粒加入到熔化的复合相变材料中，搅拌8min，最后取出钢渣并自然风干。
[0056]
4、利用水泥砂浆包裹吸附复合相变材料后的钢渣颗粒，水泥砂浆的水灰比为(w/c)为1.2，且吸附了复合相变材料的预处理钢渣颗粒与水泥砂浆的质量比为10∶1，首先常温下将钢渣置于水泥砂浆中，搅拌20min，随后自然风干，风干后的钢渣基二元复合相变材料洒水养生14天，即得。
[0057]
本实例中，钢渣基二元复合相变材料的包裹率通过式c＝(hc/hm)
×
100％计算，其中c为包裹率；hc为包裹了水泥砂浆的钢渣基二元复合相变材料的相变潜热；hm为复合相变材料的相变潜热，计算结果为c≈89.4％，可知本实施例制备的钢渣基二元复合相变材料包裹性良好，能够防止相变材料泄漏。
[0058]
实施例3：
[0059]
一种可融雪除冰的钢渣基二元复合相变材料：
[0060]
1、选择相变材料a为正十四烷，熔点为5.5℃，相变潜热为227j/g，相变材料b为正十八烷，熔点为28.13℃，相变潜热为246.29j/g，按照正十四烷与正十八烷质量比m1:m2＝90:10；80:20；70:30；60:40；50:50；40:60；30:70；20:80；10:90分别掺配得到九组样品，通过计算正十四烷与正十八烷二元复合相变材料的低共熔点，计算结果如
图3所示，在共晶点4.2℃时得到最佳的正十四烷与正十八烷质量比m1:m2＝86:14。
[0061]
通过计算正十四烷与正十八烷二元复合相变材料的相变潜热，计算结果为157.97j/g，使其适配相应的需求。
[0062]
2、选取粒径介于2.36mm-31.5mm，表观相对密度为3.345，吸水率为2.0％，粘附性等级为5级，洛杉矶磨耗值为18.5％，压碎值为14.8％，软弱颗粒含量为0.2％，磨光值为61.5psv，存放时间大于180天的钢渣，且该钢渣经过与实施例1相同的预处理步骤进行处理。
[0063]
3、通过抽真空导入法将正十四烷与正十八烷二元复合相变材料按照质量比3∶7导入到上述钢渣颗粒中，即首先常温下将复合相变材料加热至温度100℃
±
5℃，然后将钢渣颗粒加入到熔化的复合相变材料中，搅拌4min，最后放置于真空度为0.07mpa的真空干燥箱中，150℃保持2h。
[0064]
4、利用水泥砂浆包裹吸附复合相变材料后的钢渣颗粒，水泥砂浆的水灰比为(w/c)为1.5，且吸附了复合相变材料的预处理钢渣颗粒与水泥砂浆的质量比为10∶1，首先将钢渣置于水泥砂浆中，搅拌15min，随后自然风干，风干后的钢渣基二元复合相变材料洒水养生7天，即得。
[0065]
本实例中，钢渣基二元复合相变材料的包裹率通过式c＝(hc/hm)
×
100％计算，其中c为包裹率；hc为包裹了水泥砂浆的钢渣基二元复合相变材料的相变潜热；hm为复合相变材料的相变潜热，计算结果为c≈87.6％，可知本实施例制备的钢渣基二元复合相变材料包裹性良好，能够防止相变材料泄漏。
[0066]
综上各实施例，本技术所采用的制备方法能够有效根据环境制备出符合要求的钢渣基二元复合相变材料，且其包裹性良好，能够有效保证路面的使用。
[0067]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0068]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。