一种复合改性的光热-电磁双模响应智能防冰沥青路面及其施工方法与流程

本发明涉及道路工程与功能材料技术交叉领域，具体地说，涉及一种复合改性的光热-电磁双模响应智能防冰沥青路面及其施工方法。

背景技术：

1、冬季路面结冰是影响道路交通安全和通行效率的主要因素之一。目前常用的除冰技术包括撒布融雪盐、机械除冰及预埋加热电缆等。然而，这些技术均存在显著缺陷：（1）撒盐法：大量使用氯盐会腐蚀桥梁钢筋、破坏路面结构、污染沿线土壤和水源，环保压力日益增大。（2）机械除冰：效率低，且容易对路面造成机械损伤，缩短路面寿命。（3）预埋加热电缆或热流体管路：需要在路面结构内埋设复杂的加热元件，成本高昂，施工和维护困难，且一旦损坏难以修复。

2、近年来，利用导电沥青混凝土的通电发热进行除冰成为研究热点，但其需要在整个路面上铺设电网和电极，存在漏电风险和较高的持续能耗。相比之下，电磁感应加热是一种非接触式加热方式，具有加热速度快、能量利用率高、安全可靠等优点。然而，常规沥青材料本身是不导磁、不导电的，无法有效响应电磁场。现有技术试图通过在沥青中掺入钢纤维或钢渣等导电材料来增强电磁响应，但钢纤维易锈蚀、钢渣密度大且导电性能不稳定，同时大量掺入金属材料会显著增加路面自重和成本，并影响路面的力学性能。

3、此外，废旧轮胎的处理是另一个全球性的环保难题。将废旧轮胎颗粒用于沥青改性已有较多研究，主要利用其弹性来改善路面的抗裂性和降噪性能，但常规胶粉是热的不良导体和绝缘体，无法用于电磁发热。

技术实现思路

1、本发明提供一种复合改性的光热-电磁双模响应智能防冰沥青路面，用以现有技术中常规胶粉无法应用于电磁加热的问题。

2、第一，本发明提供了一种复合改性的光热-电磁双模响应智能防冰沥青路面，包括顺次铺设的

3、沥青基层，

4、复合发热层，至少是由废旧轮胎颗粒、磁性纳米fe3o4颗粒、石墨烯纳米片构建得到的导电导磁网络；具体而言，导电导磁网络是废旧轮胎颗粒经改性处理形成仿生界面层，仿生界面层固载有磁性纳米fe3o4颗粒和石墨烯纳米片形成的网络结构；

5、相变储能磨耗层。

6、前述中，沥青基层厚度为50mm~120mm；复合发热层的厚度为15mm~60mm；相变储能磨耗层的厚度为12mm~40mm。

7、前述中，相变储能磨耗层掺有相变微胶囊1、相变微胶囊2中的至少一种；相变微胶囊1是以石蜡为芯材、以二氧化硅为壳材，相变微胶囊2是以脂肪酸酯为芯材、以脲醛树脂为壳材。

8、前述中，复合发热层的原料包括特征（1）至（8）中的至少一个：

9、（1）原料按质量百分比计包括：基质沥青4%~8%，废旧轮胎颗粒3%~12%，石墨烯纳米片0.3%~2.5%，磁性纳米fe3o4颗粒0.5%~2.0%，偶联剂0.1%~0.5%，分散剂0.1%~0.8%，余量为矿料；

10、（2）废旧轮胎颗粒的粒径范围为40目~80目；

11、（3）石墨烯纳米片的厚度为1nm~5nm、片径为5μm~20μm；

12、（4）磁性纳米fe3o4颗粒的粒径为20nm~100nm、饱和磁化强度为60emu/g~80emu/g；

13、（5）原料包括偶联剂，偶联剂包括硅烷偶联剂kh550、硅烷偶联剂kh560、钛酸酯偶联剂ndz-101中的至少一种；

14、（6）原料包括分散剂，分散剂包括聚乙烯蜡、硬脂酸锌、乙撑双硬脂酰胺中的至少一种；

15、（7）原料包括导磁纤维，掺量为复合发热层原料总质量的0.5%~2.0%，导磁纤维的长度为3mm~6mm，导磁纤维包括镀镍碳纤维、铁纤维中的至少一种；

16、（8）原料包括碳化硅、纳米二氧化钛中的至少一种，掺量为复合发热层原料总质量的0.2%~1.0%。

17、前述中，复合发热层所用发热层混合料的制备方法，包括如下步骤：

18、废旧轮胎颗粒经低温等离子体处理；再浸入多巴胺盐酸盐缓冲液中，经搅拌后，废旧轮胎颗粒表面形成聚多巴胺层；再浸入偶联剂溶液中，恒温搅拌得到改性轮胎颗粒；

19、基质沥青经加热，接着加入石墨烯纳米片、分散剂、磁性纳米fe3o4颗粒、改性轮胎颗粒，经剪切处理，得到改性沥青胶浆；

20、矿料保持恒温，与改性沥青胶浆经拌合，得到发热层混合料。

21、前述中，低温等离子体处理：废旧轮胎颗粒置于低温等离子体发生器中，于室温（20℃~30℃）条件下，以氩气或氧气为工作气体，在功率150w~250w下处理2min~5min。该过程中无需额外加热，处理温度因等离子体辉光放电而略有上升，但整体维持在60℃以下，属于低温处理范畴，因而不会导致轮胎颗粒热老化或分解。

22、前述中，多巴胺盐酸盐缓冲液为2mg/ml~5mg/ml的多巴胺盐酸盐tris缓冲溶液（ph=8.5），于室温下搅拌12h~24h，在颗粒表面形成聚多巴胺层；偶联剂浓度为1wt%~2wt%，恒温搅拌：50℃~70℃下搅拌30min~60min，搅拌结束后经常规干燥处理得到改性轮胎颗粒。

23、前述中，将基质沥青加热至150℃~170℃，边搅拌边加入石墨烯纳米片、分散剂、磁性纳米fe3o4颗粒及改性轮胎颗粒，高速剪切20min~40min，剪切速率为3000rpm~5000rpm，得到均匀的改性沥青胶浆。

24、前述中，将矿料加热至170℃~190℃，与改性沥青胶浆在拌合锅中拌合60s~90s，得到发热层混合料。

25、前述中，复合发热层包括下层发热层和上层发热层，下层发热层靠近沥青基层设置；

26、上层发热层中废旧轮胎颗粒的重量占比低于上层发热层中废旧轮胎颗粒的重量占比；

27、上层发热层中石墨烯纳米片的重量占比高于下层发热层中石墨烯纳米片的重量占比；

28、上层发热层中磁性纳米fe3o4颗粒的重量占比高于下层发热层中磁性纳米fe3o4颗粒的重量占比。

29、前述中，还包括嵌入式无线温度-光照传感器网络，其由多个预埋在路面不同深度（如相变储能磨耗层表面下2cm、复合发热层中部）的微型无线温光一体传感器节点组成。所述传感器可采用基于zigbee或lora协议的无线传感网络模块，例如符合工业标准的pt100温度传感器配合硅光电池型光照度传感器（量程0~1000w/m2），并内置电池与无线通信单元。本领域技术人员可根据施工需求，从市场常规渠道（例如深圳市钡铼技术有限公司wt106-lr 温光一体化无线传感节点）选用合适的传感器加以布设，即可实现路面温度与环境光照强度的实时监测功能。该嵌入式无线温度-光照传感器网络用于实时监测路面温度和环境光照强度；当检测到路面温度低于-1℃且持续30分钟以上，且光照强度低于100w/m2时，自动向路侧单元或移动终端发送除冰预警信号，触发移动式电磁感应加热车进行定点加热。

30、前述中，包括移动式电磁感应加热车，加热车包括：

31、车体；

32、安设于车体底部的线圈阵列，所述线圈阵列的宽度与被加热车道宽度相匹配；

33、高频电源，用于向线圈阵列提供频率为10khz~50khz、功率为10kw~50kw的高频交流电，且所述高频电源具备双频段可调输出功能，可选择10khz~20khz低频段或30khz~50khz高频段工作；

34、温度传感器，用于实时监测路面表面温度；

35、控制器，用于根据温度传感器的反馈信号调节高频电源的输出频率、功率和加热车的行进速度。

36、第二，本发明提供了一种前述提及的沥青路面的施工方法，包括如下步骤：

37、于沥青基层表面摊铺发热层混合料，经碾压成型得到复合发热层；待其冷却后，再在复合发热层表面摊铺沥青磨耗层混合料，再经碾压成型，得到沥青路面。

38、前述中，复合发热层采用双层摊铺工艺：于沥青基层表面顺次摊铺下层发热层、上层发热层；下层发热层与上层发热层的厚度比例为12mm~22mm:3mm~8mm。下层发热层摊铺后，经碾压成型，再摊铺上层发热层，再次碾压成型。下层发热层的各组分原料质量比为m（废旧轮胎颗粒）:m（石墨烯）:m（磁性纳米fe3o4颗粒）=8~10:0.3~0.8:0.5~1.0；上层发热层的各组分原料质量比为m（废旧轮胎颗粒）:m（石墨烯）:m（磁性纳米fe3o4颗粒）=3~5:1.0~1.5:1.5~2.0。

39、前述中，若添加导磁纤维或碳化硅/二氧化钛纳米颗粒，则在加入改性轮胎颗粒后、高速剪切前加入，并降低剪切速率至1000rpm~2000rpm，搅拌5min~10min，以避免纤维断裂。

40、第三，本发明提供了一种前述提及的沥青路面的智能防冰除冰的方法，包括至少一种工作模式：

41、模式一（被动光热防冰模式）：当白天有太阳光照时，多功能发热层中的石墨烯和碳化硅/二氧化钛纳米颗粒吸收太阳光能，转化为热能，使路面温度维持在冰点以上，同时相变储能磨耗层中的相变微胶囊吸收并储存多余热量；

42、模式二（相变储能延迟结冰模式）：当夜间气温下降至0℃以下时，相变储能磨耗层中的微胶囊释放白天储存的潜热，使路面温度在0℃以上额外维持2~4小时，延迟结冰起始时间；

43、模式三（电磁诱导主动除冰模式）：当路面温度持续低于-1℃且光照强度低于阈值时，启动移动式电磁感应加热车，使其在所述路面上方以5km/h~15km/h的速度行进；

44、加热车底部的线圈阵列产生高频交变磁场，多功能发热层中的fe3o4纳米颗粒产生磁滞损耗和涡流损耗，同时废旧轮胎颗粒-石墨烯网络产生涡流损耗，两者协同将电磁能高效转化为热能；

45、通过调节磁场频率，优先激发fe3o4纳米颗粒的磁滞损耗（低频段10khz~20khz）或石墨烯网络的涡流损耗（高频段30khz~50khz），实现双频段可调发热；

46、热能通过热传导传递至路面表面，使冰层与路面界面处融化，冰层在车辆碾压或机械作用下脱落。

47、前述中，电磁诱导主动除冰模式中，加热车的行进速度v与输出功率p满足以下经验关系式：

48、v = (η1·p1+ η2·p2) / (k·l·δt)

49、其中，v为行进速度（km/h），p1和p2分别为低频段和高频段的输出功率（kw），η1和η2分别为对应频段的发热效率系数，l为线圈阵列宽度（m），δt为目标温升（℃），k为经验系数，取值范围为1.5~3.0。

50、本发明达到的有益效果：

51、本发明利用聚多巴胺仿生改性废旧轮胎颗粒，依靠配位键、π-π作用牢固负载fe3o4与石墨烯，纳米填料脱落率、冻融后发热衰减大幅降低，胶粉与沥青界面结合紧密，混合料高温抗车辙、低温抗开裂等路用性能显著提升。

52、本发明中通过在路面中构建光热-电磁双模防冰体系，日间依靠功能填料吸收太阳能，搭配耐高温石蜡@sio2相变储热，夜间释热可延迟结冰2~4h；低温预警后采用移动式双频段电磁感应加热，升温更快，综合能耗较钢纤维通电除冰降低77%。配套温光传感智能调控，仅结冰风险出现时启动加热，大幅减少设备作业频次。

53、本发明中路面采用分层摊铺施工简便，无需预埋电缆，无漏电隐患，可消纳废旧轮胎固废，规避氯盐融雪污染，兼具环保、耐久、节能、智能除冰多重优势。