CN101723633B - 一种自感应路面微表处材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自感应路面微表处材料及其制备方法，制得的该自感应路面微表处材料由以下重量份的原料组成：改性乳化沥青：20-25份，水泥：7.5份，集料：250份，碳纤维：0.2-1.75份。该自感应路面微表处材料，能够随压应力的变化，电阻也不断发生变化，具体为在承受压应力的0～70％范围内，压应力增大，材料被压缩，内部空隙减少，碳纤维间距变小，其电阻值减小；当应力达到90％时，由于试件内部裂缝的逐渐增加，碳纤维相互距离增大，材料的电阻率增大，部分电阻率已超过了压应力为零时的电阻率。通过其变化规律，可以通过测定该材料的电阻判断其的承载应力情况，具有自感应的功能。

Description

一种自感应路面微表处材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种路面微表处材料及其制备方法，特别涉及一种自感应路面微表处材料及其制备方法。

背景技术

随着我国交通流量的不断增大，重载超载现象日趋严重，路面承受的压力也在不断的增加，过重的行车荷载造成了公路路面车辙、沉陷等的严重破坏，如何有效地、智能地控制行车荷载，延长公路路面的使用寿命，是广大公路科研人员重点考虑的问题。根据美国和欧洲等西方国家多年来的经验，利用微表处对高等级公路进行预防性的养护，已经成为最经济有效的手段之一。

微表处是一种由聚合物改性乳化沥青、集料、填料、水和外加剂按合理配比拌和并摊铺到路面上，达到迅速开放交通要求的薄层结构，主要用于高速公路以及一级公路的预防性养护和填补轻度车辙，也适用于新建公路的抗滑磨耗层。另一方面，碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重小于钢的四分之一，不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，具有超强的耐腐蚀性能，是新一代增强纤维；碳纤维的电阻率约为1200×10^-8～3000×10^-8Ω·cm，是导电性能极佳的导电材料。而且，碳纤维能够增强沥青的粘滞性，加强力学性能，提高沥青混合料的耐老化性和水稳定性，增加沥青路面的耐久性和抗裂性能；碳纤维在沥青混合料中起到加筋作用，增强沥青混合料的弹性恢复性能，显著改善其温度稳定性，所以掺加碳纤维能使沥青混合料具有较好的路用性能。

碳纤维复合材料的电阻率下降是由于碳纤维形成导电连通网络所致，碳纤维含量低时，材料电阻率大，导电连通网络尚未大范围形成，电阻率随碳纤维含量变化而变化的速度缓慢；碳纤维含量较高时，导电连通网络逐渐形成，材料电阻率随碳纤维含量变化而变化的速度家具；碳纤维含量很高时，导电网络已经大范围形成，材料电阻率小，电阻率随碳纤维含量而变化的速度又趋缓慢；另一方面，材料中掺加碳纤维后，导电良好的碳纤维相对均匀地分散在绝缘的沥青基体中，碳原子中的电子可以在纤维中的大体系中离域，并且穿透被录取隔开的非常近的两根纤维之间的势垒，从一根纤维跃迁到另一根纤维，从而增强导电性。因此，可以应用这一现象对掺加碳纤维的沥青路面混合料的受力性能进行监测，通过标定材料的应力与电阻间的关系，研究人员决定阻抗和载重之间的关系，由此可确定以自感应路面材料修筑的公路上的车辆方位、载重和速度等参数，为交通管理的智能化提供材料基础。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种自感应路面微表处材料及其制备方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种自感应路面微表处材料，其特征在于，制得的该自感应路面微表处材料由以下重量份的原料组成：改性乳化沥青：20-25份，水泥：7.5份，集料：250份，碳纤维：0.2-1.75份。

改性乳化沥青由下列原料按重量份制成：180℃的克拉玛依90#沥青60份，70～80℃的热水40份，氯化钙1.5份，聚乙烯醇1.5份，加入改性乳化沥青重量的3％的十八烷基磺酸钠阳离子型乳化剂，以稀盐酸调节pH至2.0～6.0；另掺加沥青质量4％的SBS改性剂，用剪切机以6000r/min的速度，剪切10min。

自感应路面微表处材料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)碳纤维的处理：用质量分数98％的浓硝酸浸泡24h，然后用水清洗，在60℃的条件下烘24h。

2)试件的制作：

①按照原料重量份配合比，称取集料、碳纤维和水泥，用水泥净浆搅拌机搅拌30s，以利于充分均匀混合；

②加入乳化沥青，搅拌60s，制成混合料；

③称取搅拌好的混合料160g，装入40mm×40mm×40mm的试模中，用压力机压制成型，当压制到试模顶部时，持续压力120s，每组成型6个试件；

④用脱模器脱模，脱模后试件放在室温条件下1天。

本发明制作的自感应路面微表处材料，能够随压应力的变化，电阻也不断发生变化，具体为在承受压应力的0～70％范围内，压应力增大，材料被压缩，内部空隙减少，碳纤维间距变小，其电阻值减小；当应力达到90％时，由于试件内部裂缝的逐渐增加，碳纤维相互距离增大，材料的电阻率增大，部分电阻率已超过了压应力为零时的电阻率。通过其变化规律，可以通过测定该材料的电阻判断其的承载应力情况，具有自感应的功能。

附图说明

图1是本发明的自感应路面微表处材料制备工艺流程图；

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

按照本发明的技术方案，自感应路面微表处材料由以下重量份的原料组成：改性乳化沥青：20-25份，水泥：7.5份，集料：250份，碳纤维：0.2-1.75份。

1、原材料选择

1)制作改性乳化沥青

改性乳化沥青由以下原料按重量份组成：180℃克拉玛依90#沥青60份；70～80℃热水40份；氯化钙、聚乙烯醇分别占沥青重量的2.5％；十八烷基磺酸钠阳离子型乳化剂：加入量为改性乳化沥青重量的3％，以稀盐酸调节pH＝2.0～6.0；掺加沥青质量4％的SBS改性剂，采用上海威宇剪切机以6000r/min的速度，剪切10min，制成改性乳化沥青，主要技术指标见表1。

表1：改性乳化沥青技术指标测试结果

2)水泥

陕西秦岭水泥股份有限生产42.5R普通硅酸盐水泥，主要性能指标见表2。

表2：水泥的物理及力学性能

3)集料

玄武岩集料，根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)规定的微表处集料级配要求，采用如表3的集料级配。

表3：微表处集料级配表

4)碳纤维

采用上海工贸有限公司产短切碳纤维，性能指标见表4。

表4：碳纤维的性能指标

指标	测试值
		碳含量	95％
拉伸模量	228GPa
		电阻率	1.6×10-3Ω·cm
长度	3～5mm

2制备方法

1)碳纤维的处理：用98％的浓硝酸浸泡24h，然后用水清洗，在60℃的条件下烘24h。

2)试件的制作：

①按照原料重量份配合比，称取集料、碳纤维和水泥，用NJ-160A型水泥净浆搅拌机搅拌30s，以利于充分均匀混合；

②加入改性乳化沥青，搅拌60s，制成混合料。

③称取搅拌好的混合料160g，装入40mm×40mm×40mm的试模中，用压力机压制成型，当压制到试模顶部时，持续压力120s，每组成型6个试件。

④用脱模器脱模，脱模后试件放在室温条件下1天。

具体工艺流程图见图1。

3)电阻的测试

①取3个试件，测试其无侧限静压力，取平均值作为该组试件承受的压应力；

②取另外3个试件，在试件两侧喷涂银粉，用导电胶粘贴20mm×20mm×1mm的铜片，中间焊接导线，与电阻仪相连；

③对试件施加平均压应力0％、10％、30％、50％、70％和90％的力，测试3个试件在不同应力条件下的电阻，取平均值作为不同应力对应的电阻；

④按照公式计算电阻率，计算结果见表5。

$\mathrm{\ρ}=\frac{R\·S}{l}$

式中：ρ：电阻率(Ω·cm)；R：电阻值(Ω)；S：截面面积(cm²)；l：试件高度(cm)。

表5：材料的配合比(单位：克)

编号	集料(砂子)	水泥	乳化沥青	碳纤维
					A1	250	7.5	20.0	0
A2	250	7.5	22.2	0
					A3	250	7.5	25.0	0
B1	250	7.5	20.0	0.20
					B2	250	7.5	20.0	0.60
B3	250	7.5	20.0	1.00
					B4	250	7.5	20.0	1.40
C1	250	7.5	22.2	0.22
					C2	250	7.5	22.2	0.66
C3	250	7.5	22.2	1.11
					C4	250	7.5	22.2	1.55
D1	250	7.5	25.0	0.25
					D2	250	7.5	25.0	0.75
D3	250	7.5	25.0	1.25
					D4	250	7.5	25.0	1.75

(本表中，碳纤维掺量分别取为乳化沥青质量的1.0％、3.0％、5.0％和7.0％)

3测试结果

1)无侧限静压应力

试件养护至28天龄期之后，用北京中科路达试验仪器有限公司生产LCS-100型路面材料强度试验仪测试其能够承受的无侧限静压力，结果如表6所示。

表6：试件承受的无侧限静压力(kN)

2)电阻率测试

养护28天龄期之后，按照试件承受的无侧限静压力的0％、10％、30％、50％、70％和90％施加作用力，用滨江VC9808型数字电阻仪测量不同压力时的电阻值，并计算电阻率，结果如表7所示。

表7不同压力条件下试件的电阻率值(×10⁵Ω·cm)

试验结果表明，相同改性乳化沥青用量条件下，随着碳纤维掺量的增加，材料的电阻率下降；相同碳纤维掺量条件下，改性乳化沥青用量越多，材料的电阻率越大；另外，该路面微表处材料能够随压应力的变化，电阻也不断发生变化，具体为在承受压应力的0～70％范围内，压应力增大，材料被压缩，内部空隙减少，碳纤维间距变小，其电阻值减小；当应力达到90％时，由于试件内部裂缝的逐渐增加，碳纤维相互距离增大，材料的电阻率增大，部分电阻率已超过了压应力为零时的电阻率。通过其变化规律，可以通过测定该材料的电阻判断其的承载应力情况，具有自感应的功能。

Claims (2)

1.一种自感应路面微表处材料，其特征在于，制得的该自感应路面微表处材料由以下重量份的原料组成：集料：250份，改性乳化沥青：20-25份，水泥：7.5份，碳纤维：0.2-1.75份；

所述的改性乳化沥青由下列原料按重量份制成：180℃的克拉玛依90#沥青60份，70～80℃的热水40份，氯化钙1.5份，聚乙烯醇1.5份，加入改性乳化沥青重量的3％的十八烷基磺酸钠阳离子型乳化剂，以稀盐酸调节pH至2.0～6.0；另掺加沥青质量4％的SBS改性剂，用剪切机以6000r/min的速度，剪切10min。

2.权利要求1所述的自感应路面微表处材料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)碳纤维的处理：用质量分数98％的浓硝酸浸泡24h，然后用水清洗，在60℃的条件下烘24h；

2)试件的制作：

①按照原料重量份配合比，称取集料、碳纤维和水泥，用水泥净浆搅拌机搅拌30s，充分均匀混合；

②加入改性乳化沥青，搅拌60s，制成混合料；

③称取搅拌好的混合料160g，装入40mm×40mm×40mm的试模中，用压力机压制成型，当压制到试模顶部时，持续压力120s，每组成型6个试件；

④用脱模器脱模，脱模后试件放在室温条件下1天。

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