CN110453562A - 基于纳米碳纤维提高冷拌沥青混合料自愈合的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于纳米碳纤维提高冷拌沥青混合料自愈合的方法，属于道路修复技术领域，解决目前微胶囊自愈合技术及电磁感应加热技术局限大、条件严苛、没有利用微波加热技术来实现冷拌沥青混合料自愈合的研究、没有将纳米碳纤维、PCL作为填料的研究等问题。本发明首先制备SBS改性乳化沥青，接着将改性乳化沥青与纳米碳纤维、PCL等在室温下拌和制备冷拌沥青混合料，再制得小梁试件，然后用四点弯曲疲劳试验得到受损试件并标注裂缝，最后利用微波加热设备加热受损试件至高于软化点10℃并保持30分钟，对完成自愈合与养护的受损试件再次进行疲劳试验，测定试件自愈合率，以确定纳米碳纤维的最佳掺量。本发明制备的冷拌沥青混合料可提高沥青路面自愈合能力。
Description
技术领域
本发明是一种基于纳米碳纤维提高冷拌沥青混合料自愈合的方法，属于道路修复技术领域。
背景技术
近年来，我国道路工程发展迅速，沥青道路以其强度高、舒适性好等优点而发展迅猛，截至目前沥青道路在各类型道路中所占比例已大于90％。目前，不论在新建道路还是在道路维修工程中，沥青混合料的用量均极其庞大，而通常采用的热拌沥青混合料因其高能耗、高污染及施工不便等问题，使得行业对新型沥青混合料的需求非常急迫。此时，冷拌沥青混合料因其能克服热拌沥青混合料在建设与修补沥青路面的过程中受季节、天气、温度的限制、减少因现场进行沥青加热所造成的环境污染而成为一种具有社会效益和前景的混合料。但是，由于受长期行车荷载、温度效应等因素的作用，冷拌沥青路面比热拌沥青路面更易产生疲劳开裂、裂缝等病害，裂缝的产生和发展将降低沥青路面的结构性能，严重影响路面的服役寿命。事实上，冷拌沥青路面在常温下也具备自愈合性能，但速度与热拌沥青路面相比更加缓慢，且要求没有行车荷载的循环作用。若冷拌沥青混合料的自愈合能力提高，路面出现的病害会得到一定的修复，服务寿命也会延长。为了提高冷拌沥青混合料的自愈合能力，国内外学者提出了许多方法，主要分为两大类：添加剂辅助愈合与感应加热诱导愈合。前者的代表方法是微胶囊愈合技术，对施工技术和胶囊材料等有较高的要求，愈合次数有限；后者主要是电磁加热，需加入导电材料，但目前加热温度、加热时间等关键问题仍待解决。
目前，有部分学者考虑采用微波加热来提高沥青混合料自愈合能力，已取得一定的成果。冷拌沥青混合料也是复合非金属材料，具备复合电介质的性能，能与热拌沥青混合料一样实现微波加热。采用微波加热时，加热速度快、均匀性好、效率高、安全环保，同时不要求混合料具备导电性，局限较电磁加热少，可利用微波加热来实现冷拌沥青混合料的自愈合。
由于在加热过程中，材料是通过自身产生介质损耗来实现加热，因此不同的介质材料引起的热量变化是不同的。向沥青中加入导电相材料后，微波加热效率更高。在各类导电相材料中，纳米碳纤维是目前研究的热门材料。因为具备纳米效应，纳米碳纤维的微波吸收性能十分优异，同时也具有较好的导热性能，经过合理添加及排布后能提高微波加热的效率，加快热传导速度，促进冷拌沥青混合料的自愈合。此外，纳米碳纤维是一维纳米材料，长径比大，这种尺寸特点使其在冷拌沥青混合料中产生桥接作用，形成导热网链结构，继而提高热传导速率，桥接作用也促进了纳米碳纤维之间的接触，使纤维在热流方向对齐，导热系数增加。在桥接作用和纳米效应的影响下，冷拌沥青混合料的微波吸收性能与导热性能提高，有利于更有效地实现冷拌沥青混合料的自愈合。
为进一步提高冷拌沥青混合料微波加热实现沥青路面自愈合的效果，可在制备冷拌沥青混合料时再加入微米级热塑性颗粒聚己内酯(PCL)。PCL是一种以二元醇为反应开始剂，由ε-己内醋开环聚合得到的热塑性结晶聚酯，具有一定刚性和强度，表现为典型的树脂特性。比起其他聚酯材料，PCL的突出特征是它具有超低的玻璃化转变温度，仅为62℃，熔点也低，仅为57℃，因此达到熔融温度较为容易。此外，它还具有很好的热稳定性，分解温度为350℃，高于其他聚酯材料，当其应用于沥青道路时，在高温条件下也能保持稳定。PCL的抗张强度12～30MPa，断裂伸长率300％～600％，降解速率慢，有利于提高道路的稳定性和耐久性。由于PCL材料内部存在不完全相容的两相：保持成型制品形状的固定相和随温度变化会发生软化-硬化的可逆相，所以PCL具备形状记忆特性，其最大形变率为800％～900％，可恢复形变量大，感应温度低，形变恢复温度在55℃左右。当应用在冷拌混合料中时，这些特性能加快路面裂缝愈合，延长沥青道路的寿命。
当前主要通过添加微胶囊、电磁感应加热技术来提高促进热拌沥青混合料的自愈合，没有利用微波加热技术来实现冷拌沥青混合料自愈合的研究。此外，在研究提高冷拌沥青混合料的自愈合性能时，没有将纳米碳纤维作为填料来提高冷拌沥青混合料微波吸收性能的研究，也没有选择热塑性颗粒PCL作为填料的报道。纳米碳纤维为导电相材料，微波吸收性能优异，利用纳米碳纤维吸收微波能更快地实现对冷拌沥青混合料进行加热，加速了裂缝的自愈合，同时微波加热后冷拌沥青混合料温度上升，促进了热塑性PCL颗粒的熔融，与基体间产生物理交联作用，实现分子尺度上的自愈合，延长了沥青路面的使用寿命。
因此，本发明根据微波加热特性，选用纳米碳纤维作为填料，提高加热效率，使冷拌沥青混合料的自愈合能力得到提高。此外，在制备冷拌沥青混合料时再加入微米级热塑性颗粒PCL，PCL颗粒熔融能与基体间产生物理交联作用，实现分子尺度上的自愈合，从而提高沥青路面的耐久性，延长使用寿命。
发明内容
(1)技术问题
本发明是一种基于纳米碳纤维提高冷拌沥青混合料自愈合的方法，解决目前微胶囊自愈合技术及电磁感应加热技术局限大、条件严苛、没有利用微波加热技术来实现冷拌沥青混合料自愈合的研究、没有将纳米碳纤维、PCL作为填料的研究等问题。
(2)技术方案
为了解决目前微胶囊自愈合技术及电磁感应加热技术局限大、条件严苛、没有利用微波加热技术来实现冷拌沥青混合料自愈合的研究、没有将纳米碳纤维、PCL作为填料的研究等问题。本发明首先根据纳米碳纤维能增强冷拌沥青混合料微波吸收能力的原理，选用纳米碳纤维作为改性剂，同时在制备冷拌沥青混合料时加入热塑性颗粒PCL，提供一种基于纳米碳纤维提高冷拌沥青混合料自愈合的方法。本发明技术方案如下：选取SBS改性剂制得改性乳化沥青，接着选取纳米碳纤维、微米级热塑性颗粒PCL作为填料，与改性乳化沥青、集料、矿粉拌和制得冷拌沥青混合料，利用轮碾法制作车辙板并切割得到小梁试件，然后对小梁试件进行四点弯曲疲劳试验得到受损试件，同时用彩色颜料标记裂缝，之后利用微波加热设备加速受损试件的自愈合，将完成自愈合的受损试件在室温下放置4小时后，再次进行疲劳试验，测定试件自愈合率，以确定纳米碳纤维的最佳掺量，进一步提高冷拌沥青混合料的自愈合能力，提高道路耐久性。
(3)有益效果
我国沥青道路分布十分广泛，90％以上的道路均为沥青道路。在建设沥青道路时，通常采用热拌沥青混合料，具有高能耗、高污染及施工不便等问题，因此不受季节、温度限制且绿色环保的冷拌沥青混合料成为当前更具前景的混合料。然而冷拌沥青混合料也具有一些缺点，冷拌沥青混合料自愈合性能不如热拌沥青混合料、利用冷拌沥青混合料建造的路面更易开裂。此外，通过添加剂辅助愈合与感应加热诱导愈合来提高冷拌沥青混合料自愈合效率仍存在一些局限。本发明提供一种基于纳米碳纤维提高冷拌沥青混合料自愈合的方法，根据沥青路面实际愈合效果确定纳米碳纤维的最佳掺量，确定的自愈合方法可用于沥青道路的自愈合，对提高道路自愈合效率，提高道路耐久性，延长道路使用寿命具有十分重要的现实意义。
具体实施方式
本发明提供一种基于纳米碳纤维提高冷拌沥青混合料自愈合的方法，具体实施步骤如下：
(1)采用道路石油沥青70#、蒸馏水、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性剂、掺量为2.8％的EA-300型乳化剂、pH为2的皂液制备改性乳化沥青；
(2)采用改性乳化沥青、粗粒式级配、粗集料、细集料、矿粉，以及一定量的纳米碳纤维、微米级热塑性颗粒PCL制备冷拌沥青混合料，再采用轮碾法成型车辙板，并切割制作小梁试件；
(3)对小梁试件进行四点弯曲疲劳试验，采用“疲劳-愈合-再疲劳”的试验方法，制作受损试件，并利用彩色颜料标出试件上裂缝；
(4)利用微波加热设备模拟沥青路面微波养护车对道路的微波加热效果，将受损沥青混合料试件微波加热至高于软化点10℃，维持该温度30分钟；
(5)将完成自愈合的受损试件在室温下放置4小时，再次进行疲劳试验，测定小梁试件自愈合率，经反复试验，调整纳米碳纤维的掺量，确定纳米碳纤维的最佳掺量，提高冷拌沥青混合料的自愈合效果。
Claims (1)
1.一种基于纳米碳纤维提高冷拌沥青混合料自愈合的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：
(1)采用道路石油沥青70#、蒸馏水、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性剂、掺量为2.8％的EA-300型乳化剂、pH为2的皂液制备改性乳化沥青；
(2)采用改性乳化沥青、粗粒式级配、粗集料、细集料、矿粉，以及一定量的纳米碳纤维、微米级热塑性颗粒PCL制备冷拌沥青混合料，再采用轮碾法成型车辙板，并切割制作小梁试件；
(3)对小梁试件进行四点弯曲疲劳试验，采用“疲劳-愈合-再疲劳”的试验方法，制作受损试件，并利用彩色颜料标出试件上裂缝；
(4)利用微波加热设备模拟沥青路面微波养护车对道路的微波加热效果，将受损沥青混合料试件微波加热至高于软化点10℃，维持该温度30分钟；
(5)将完成自愈合的受损试件在室温下放置4小时，再次进行疲劳试验，测定小梁试件自愈合率，经反复试验，调整纳米碳纤维的掺量，确定纳米碳纤维的最佳掺量，提高冷拌沥青混合料的自愈合效果。
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