本发明涉及边坡工程领域，具体涉及一种复合储热控温生态基材及其制备方法，所述复合储热控温生态基材在边坡生态防护中广泛应用。
背景技术：
通过在边坡上设置(喷射或铺设)生态防护基材，能够有效克服边坡土体或岩体的肥力不足，保水性差等不足，为护坡植物生长提供土肥层。现有技术通过将土体与长效肥混合作为基材，基材由于自重和成本限制，坡面铺设厚度一般小于10cm，由于基材层厚较薄，其温度受环境影响较大，在夏季午后的高温和冬季凌晨的低温条件下，植物容易死亡。植物死亡后茎叶枯萎、根系强度降低，导致加大坡面和地表径流速度，削弱水土保持等护坡效果，降低边坡稳定安全系数。
因此有必要开发一种具有新功能的边坡生态基材，利用相变材料的相变储热特性，主动调节边坡土体坡面温度，在高温季节可有效缩短坡面的高温作用时间，降低边坡坡面以及植物表面温度，主动减轻边坡高温病害，从而保护护坡植物；延长边坡保护寿命、减少边坡的维修费用、提高安全性；同时还可减少坡面向路面环境散发的有害物质和大量热量，减缓路面老化速度，提高路面沥青材料耐久性。
技术实现要素：
针对生态边坡受高温气候条件的负面影响，申请人基于相变储热理论，采用复合技术制备出一种有相变储热功能的复合控温生态基材。本发明制备的复合控温生态基材在保证其土体自身强度满足边坡生态防护同时，兼备储热、控温等功能，具有防治高温恶劣环境下护坡植物暴晒致死的功效。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种复合储热控温生态基材，其制备方法的步骤如下：
(1)将聚乙二醇分散于环氧树脂胶中，搅拌均匀，得到混合溶液；
(2)将步骤(1)得到的混合溶液在50℃-70℃水浴下搅拌，至其胶凝完全，得到复合凝胶体；
(3)将步骤(2)中复合凝胶体在室温下陈化8h～12h，再放入烘箱中干燥，冷却至室温后，研磨成聚乙二醇粉末；
(4)在干燥原料土中加入固化剂，混合均匀，再加入水，第一次搅拌均匀；再依次加入碳纤维、土壤改良剂和步骤(3)制备的聚乙二醇粉末，第二次搅拌均匀，得到复合储热控温生态基材；
所述步骤(4)中加入的干燥原料土、固化剂、水、碳纤维、土壤改良剂与聚乙二醇粉末的质量比为1:(0.05-0.15):(0.6-0.75):(0.01-0.05):(0.005-0.01):(0.01-0.05)，优选为1:0.15:0.7:(0.01-0.03):0.01:(0.03-0.05)，最优选为1:0.15:0.7:0.01:0.01:0.05。
进一步的，所述步骤(1)中聚乙二醇为peg2000，其加入量为环氧树脂胶质量的30％～80％，优选为50％～60％，所述环氧树脂胶为高导热型环氧树脂胶，优选为hasuncast6213fr型高导热环氧树脂胶。
进一步的，所述步骤(4)中的固化剂为42.5级普通硅酸盐水泥。
进一步的，所述步骤(4)中的原料土为富含有机质的黏性土或粉质黏土，优选为河道淤泥质土、护坡沉积物或塘泥等。
进一步的，所述步骤(4)中的碳纤维为6mm级短切碳纤维。
进一步的，所述步骤(4)中的土壤改良剂为800万分子量的阴离子型聚丙烯酰胺。
进一步的，步骤(4)中所述第一次搅拌均匀过程中搅拌速率为110r/min～125r/min。
进一步的，步骤(4)中所述第二次搅拌均匀过程中搅拌速率为50r/min～70r/min，搅拌的时间为10min～15min。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明的目的在于发明一种新型复合储热控温生态基材，利用peg的高潜热特性制成储热载体(peg粉末与环氧树脂混合物)，再进一步与河道淤泥土、同固化剂(水泥)、土壤改良剂(pam)和水按一定比例混合，经搅拌、压实而成。本发明不仅满足生态防护的强度需求，兼备储热、控温等功能，防止高温恶劣环境下护坡植物死亡，是一种绿色环保、经济适用的新型复合材料。
本发明原料中peg2000相变温度选择范围宽、相变潜热高、相变焓热滞后效应低、无过冷、相分离现象，且无毒、无刺激、无挥发性，化学性质稳定，热稳定性良好，广泛应用于太阳能利用、建筑节能、纺织等众多领域；高导热型环氧树脂胶结构稳定、比表面积大、吸附性能好、导热系数高、价格便宜，与聚乙二醇2000混合时不发生化学反应，而且具有良好的定形功能，使聚乙二醇2000相变前后均呈固态，无泄漏；未加纤维的土体易松散破碎，强度骤然丧失，在添加纤维后，能改善基材的峰值强度、残余强度、韧性、整体性及脆性破坏模式，防止土体突然破坏，而在土体中加入短切碳纤维，不仅具备以上效果，而且增加土体中传热速率，减少热量损失，有效降低温度；pam可以增加泥土表层颗粒间的凝集力，其中pam阴离子絮凝剂由于其粘度大，价格低，保水效果好，用于混凝土中对提高抗折强度、粘结强度、弯曲韧性和抗磨性有显著作用，并可降低压折比、渗透性和收缩性。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。应理解，所举实施案例的目的在于进一步阐述本发明的内容，而不能在任何意义上解释为对本发明保护范围的限制：
实施例1一种复合储热控温生态基材，由以下方法制备得到：
在室温条件下，将聚乙二醇peg2000与hasuncast6213fr型高导热环氧树脂胶按1:2的质量比混合，用电动搅拌机充分搅拌聚乙二醇与环氧树脂胶的混合液，直至聚乙二醇片状或粉末状完全消失，使聚乙二醇均匀分散于环氧树脂胶中；然后将混合液置于水浴加热条件下搅拌，调节水浴温度为60℃，不断搅拌，至混合液完全胶凝得到复合凝胶体；将复合凝胶体在室温下陈化12h，再放入80℃烘箱中鼓风干燥15h，冷却至室温后，碾磨，即得peg粉末。
取武汉巡司河河道淤泥作为原料土，经烤箱烘干，过1mm筛后，取150g作为样土，向其中加入22.5g固化剂(42.5级的普通硅酸盐水泥)，混合均匀；再向其中加入105g水，然后于搅拌机中以125r/min的速率搅拌均匀，使土体迅速呈软塑-流塑状态，得到混合物；按一定的掺量配比向混合物中依次加入碳纤维、土壤改良剂和peg粉末；其中，碳纤维采用日本东邦6mm级短切碳纤维，其掺量为4.5g，土壤改良剂采用800万分子量阴离子型pam，其掺量为1.5g，peg粉末为本实施例前述步骤所制，其掺量为4.5g；将以上混合物以60r/min的速率搅拌10min即形成复合储热控温生态基材。
随后，将制备的复合储热控温生态基材分3层，以每层25击来击实并装入制样器(直径为39.1mm，高度为80.0mm)中；将制好的试样连同制样器一起放入标准养护箱中养护，养护温度为(20±2)℃，相对湿度大于95％，养护24h后脱模继续养护；养护至设计龄期28d后，取出称重约70g，进行无侧限抗压强度试验，测得试样土体强度为530kpa，其强度满足生态固坡设计要求。
将制好的复合储热控温生态基材与无任何处理的原料土分别制成规格20cm×20cm×3cm的试件，置于温度模拟试验箱内，进行温度模拟试验。温度模拟试验以2017年8月5日离地面30cm处空气温度(最高温度达43.4℃)作为模拟对象。经综合热分析仪测试，复合储热控温生态基材表面温度为44.7℃时开始相变进行储热，温度变化开始延缓，63.5℃时达到峰值，相变潜热为103.1j/g，而此时无任何处理的原料土表面峰值温度为66.7℃，复合储热控温生态基材表面峰值温度同比下降3.2℃。
为进行加速热循环试验，将一天24h的温度循环时间压缩至4h，经过30次循环实验，复合储热控温生态基材表面峰值温度为63.2℃，无任何处理的原料土表面峰值温度为66.5℃，复合储热控温生态基材表面峰值温度同比下降3.3℃。经过60次循环试验，复合储热控温生态基材表面峰值温度为63.4℃，无任何处理的原料土表面峰值温度为66.6℃，复合储热控温生态基材表面峰值温度同比下降3.2℃，30次与60次循环实验，复合储热控温生态基材表面峰值温度都比无任何处理的原料土表面峰值温度低，且两次的降低数值只相差0.1℃，其降温性能无明显衰减，降温效果良好。由于每次热循环模拟的都是高达43.4℃高温环境，一般夏季炎热地区持续高温时间约20d～30d，60次持续热循环相当于2年～3年的高温作用，证明该复合储热控温生态基材具有良好的应用可行性。
在某边坡挖取10cm×10cm×10cm的实验块，并用隔板与周围隔开，按照本实施例的配比和方法制备好相应体积的复合储热控温生态基材填充入试验块内，并播入边坡护坡植物-狗牙根的种子，播种量为400棵/块(10.00g/m2)，经过8d开始出芽，14d左右完全出芽，经测量狗牙根出芽量为280棵/块，证明护坡植物可在该复合储热控温生态基材上正常生长。
实施例2一种复合储热控温生态基材，由以下方法制备得到：
在室温条件下，将聚乙二醇peg2000与hasuncast6213fr型高导热环氧树脂胶按3:5的质量比混合，用电动搅拌机充分搅拌聚乙二醇与环氧树脂胶的混合液，直至聚乙二醇片状或粉末状完全消失，使聚乙二醇均匀分散于环氧树脂胶中；然后将混合液置于水浴加热条件下搅拌，调节水浴温度为60℃，不断搅拌，至混合液完全胶凝得到复合凝胶体；将复合凝胶体在室温下陈化12h，再放入80℃烘箱中鼓风干燥15h，冷却至室温后，碾磨，即得peg粉末。
取武汉巡司河河道淤泥作为原料土，经烤箱烘干，过1mm筛后，取150g作为样土，向其中加入7.5g固化剂(42.5级的普通硅酸盐水泥)，混合均匀，再向其中加入105g水，然后于搅拌机中以125r/min的速率搅拌均匀，使土体迅速呈软塑-流塑状态，得到混合物；按一定的掺量配比往混合物中依次加入碳纤维、土壤改良剂和peg粉末；其中，碳纤维采用日本东邦6mm级短切碳纤维，其掺量为1.5g；土壤改良剂采用800万分子量阴离子型pam，掺量为1.5g；peg粉末为本实施例前述步骤所制，其掺量为7.5g，将以上混合物以60r/min的速率搅拌10min即形成复合储热控温生态基材。
随后，将制备的复合储热控温生态基材分3层，以每层25击来击实并装入制样器(直径为39.1mm，高度为80.0mm)中；将制好的试样连同制样器一起放入标准养护箱中养护，养护温度为(20±2)℃，相对湿度大于95％，养护24h后脱模继续养护；养护至设计龄期28d后，取出称重约71g，进行无侧限抗压强度试验，测得试样土体强度为430kpa，其强度满足生态固坡设计要求。
将制好的复合储热控温生态基材与无任何处理的原料土分别制成规格20cm×20cm×3cm的试件，置于温度模拟试验箱内，进行温度模拟试验。温度模拟试验以2017年8月5日离地面30cm处空气温度(最高温度达43.4℃)作为模拟对象。经综合热分析仪测试，复合储热控温生态基材表面温度为44.1℃时开始相变进行储热，温度变化开始延缓，60.5℃时达到峰值，相变潜热为108.1j/g，而此时无任何处理的原料土表面峰值温度为66.7℃，复合储热控温生态基材表面峰值温度同比下降6.2℃。
为进行加速热循环试验，将一天24h的温度循环时间压缩至4h，经过30次循环实验，复合储热控温生态基材表面峰值温度为60.2℃，无任何处理的原料土表面峰值温度为66.5℃，复合储热控温生态基材表面峰值温度同比下降6.3℃。经过60次循环试验，复合储热控温生态基材表面峰值温度为60.4℃，无任何处理的原料土表面峰值温度为66.6℃，复合储热控温生态基材表面峰值温度同比下降6.2℃，30次与60次循环实验，复合储热控温生态基材表面峰值温度都比无任何处理的原料土表面峰值温度低，且两次的降低数值只相差0.1℃，其降温性能无明显衰减，降温效果良好。由于每次热循环模拟的都是高达43.4℃高温环境，一般夏季炎热地区持续高温时间约20d～30d，60次持续热循环相当于2年～3年的高温作用，证明该复合储热控温生态基材具有良好的应用可行性。
在某边坡挖取10cm×10cm×10cm的实验块，并用隔板与周围隔开，按照本实施例的配比和方法制备好相应体积的复合储热控温生态基材填充入试验块内，并播入边坡护坡植物-狗牙根的种子，播种量为400棵/块(10.00g/m2)，经过7d开始出芽，15d左右完成出芽，经测量狗牙根出芽量为340棵/块，证明护坡植物可在该复合储热控温生态基材上正常生长。