CN113338119B - 一种二氧化锰填料-钢纤维复合掺配工艺及复合物 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种二氧化锰填料‑钢纤维复合掺配工艺及复合物，涉及道路工程领域。基于微波反射掺料(钢纤维)与吸波填料(二氧化锰)之间的耦合增益作用，在保证路用性能的前提下，以可控的成本提升沥青混凝土在微波加热养护条件下的自愈合效率。在拌和沥青混合料的过程中，将二氧化锰粉末与钢纤维分别按照一定质量比例掺入沥青混合料中，拌和并摊铺成型沥青路面，并在路面投入使用后择机进行微波加热养护。

Description

一种二氧化锰填料-钢纤维复合掺配工艺及复合物
技术领域
本发明涉及道路工程领域，旨在提升沥青混凝土微波加热自愈合性能。
背景技术
沥青混凝土是一种广泛应用于道路工程领域的建筑材料，由沥青胶结料、集料、填料、外掺剂等原材料拌和、压实而成。在路面服役期限内，混凝土中的沥青胶结料会在行车荷载的作用下产生微裂缝，微裂缝的扩展会引发坑槽、龟裂等一系列严重病害，缩短路面的使用寿命。在荷载作用的间歇期内，沥青胶结料会产生自愈合现象。在胶结料层面上，自愈合体现为微裂缝的闭合；在混凝土层面上，自愈合体现为强度、疲劳寿命等宏观力学指标的恢复。
温度是自愈合能力的主要影响因素，通过人工加热手段可提升沥青胶结料的自愈合能力，进而延长路面使用寿命。在各类加热措施中，微波养护具有加热均匀、穿透性强的优点，具备广阔的应用前景。微波加热养护的流程大体包括两步：第一步是通过微波加热车将路面加热软化并重新拌和，有时会掺入再生剂；第二步分是使用压路机将路面重新压实。在第一步的加热过程中，由于纯沥青胶结料是非极性材料，自身吸收微波能量的能力远弱于集料，因此微波能量主要分配到集料中，集料产生的热量通过热传导的形式传入胶结料中，产生自愈合效果。这一机制限制了微波加热对混合料自愈合能力的提升效果。
近年来，诸多研究者尝试在混凝土的拌和阶段将微波敏感材料以填料或外掺剂的形式掺入胶结料中，在一定程度上提升了沥青混凝土的微波加热自愈合能力[1-9]。根据增强原理的不同，微波敏感材料分为吸波材料与微波反射材料两类：吸波材料自身可将微波能量转化为大量的热量，加热胶结料；微波反射材料通过对微波的多次反射提升其他材料(例如集料、填料)的微波吸收效果，最终加热胶结料。既有研究与工程实践表明，如欲进一步提升沥青混凝土的自愈合能力提升效果，需面对三方面的问题：第一，部分微波敏感掺料的单价昂贵，对工程经济性不利；第二，部分掺料掺量的增加会对混合料的路用性能带来不利影响；第三，对部分掺料而言，掺量增加对微波加热自愈合能力的提升效果存在边际效应。综合以上三点，通过增加掺量的方式进一步提升混凝土的微波加热自愈合能力是不可行的，如何在微波敏感掺料掺量有限的条件下提升自愈合能力，兼顾路用性能与工程经济性，是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，解决了掺入微波敏感掺料的沥青混凝土难以兼顾自愈合能力提升效果与路用性能的技术问题，提供一种微波敏感掺料复合掺配工艺。
为实现上述目标，本发明提供了如下技术方案:
一种二氧化锰填料-钢纤维复合掺配工艺，其特征是，在拌和沥青混合料的过程中，将二氧化锰粉末与钢纤维分别按照一定质量比例掺入沥青混合料中，拌和并摊铺成型沥青路面，并在路面投入使用后择机进行微波加热养护。
为准确说明发明内容并避免歧义，在此对本发明涉及的概念加以阐述。沥青混凝土的组成及复合掺料的掺入流程参见附图1。在附图1中，经过复合掺配工艺处理的沥青混凝土由各档集料、矿粉、二氧化锰粉末、钢纤维与沥青胶结料按一定质量比例组成。在构成沥青混凝土的材料中，矿粉与二氧化锰粉末合称填料，各档集料与填料合称矿料。本发明所述的质量比例在计算过程中均以矿料质量为分母。在压实成型之前，由上述材料构成的混合物称为沥青混合料，在压实成型之后，该混合物称为沥青混凝土，“沥青混凝土”与“沥青混合料”可视为同一对象，沥青混凝土是构成沥青路面的材料。沥青路面从承受行车荷载开始到使用寿命结束的过程称为服役过程。
一、工艺流程说明：
如附图1所示，从复合掺配开始到微波加热养护的流程分为七步。第一到六步为沥青混凝土的拌和成型过程，第七步为路面服役后的微波养护流程。
第一步，将混合料中所用的各档集料倒入拌和装置并拌和均匀。拌和装置及各档集料在流程开始前需加热至拌和温度；
第二步，将钢纤维分批放入拌合好的集料，将其与集料拌和均匀；
第三步，在钢纤维和集料中掺入沥青胶结料，拌和均匀。沥青胶结料在加入前需加热至拌合温度。
第四步，向钢纤维、沥青胶结料与集料的混合物中掺入二氧化锰粉末，拌和均匀；
第五步，向由钢纤维、沥青胶结料、集料、二氧化锰粉末构成的混合料中加入矿粉，拌和均匀。矿粉在加入前需加热至拌合温度。
第六步，在完成沥青混合料的拌和后，将混合料运输至施工现场摊铺、压实以形成沥青路面结构。
第七步，在经过复合掺配处理的沥青路面的服役过程中，择机对其进行微波加热养护。
二、工艺流程的条件限定
在工艺流程说明一节所述步骤中，本发明对复合掺料的规格、掺入比例、掺入次序、沥青胶结料质量比例的确定方式、混合料拌和温度、沥青路面的微波加热养护温度都有特定要求，包括：
二氧化锰粉末的粒径参照沥青混合料所用矿粉的粒径确定，其细度不低于200目，其中的二氧化锰含量在80％以上；
钢纤维的长度宜在2mm以内，长径比不低于10:1；
二氧化锰粉末的掺入比例宜为矿料质量的3±0.5％，钢纤维的掺入比例宜为矿料质量的1±0.5％。二氧化锰与钢纤维各自的质量比例可以在0.5％的幅度内浮动，但是两者掺量的质量比应保持为3:1；
二氧化锰与钢纤维的掺入次序以工艺流程说明一节所述为准，即：钢纤维在集料拌和后、沥青胶结料加入前掺入。二氧化锰粉末在沥青胶结料加入后，矿粉加入前掺入；
沥青胶结料占矿料质量的比例必须根据《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》或国内外同类规范，经配合比设计试验确定，不得自行估计。
混合料拌和温度应在标准拌和温度的基础上增加5℃。标准拌和温度参考《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》或国内外同类规范，结合施工实际情况确定。
在对经过复合掺配处理的沥青混凝土进行微波加热养护时，应在混合料表面温度超过90℃后停止加热，待其自行降至常温(25℃左右)。
沥青胶结料的类型、各档集料的类型与质量比例、矿粉的类型与质量比例、摊铺压实步骤需根据《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》或国内外同类规范所述流程确定。
本发明采用的以上技术方案，与现有技术相比，作为举例而非限定，具有以下的有益效果：
经过复合掺配处理的沥青混凝土在微波加热条件下的自愈合能力相较未处理的混凝土，即空白组，有大幅提升；
经过复合掺配处理的沥青混凝土的路用性能相较空白组有不同程度的提升；
本发明提升微波加热自愈合能力的主要技术原理为：当经过复合掺配处理的沥青混凝土受到微波辐射时，钢纤维将微波辐射多次反射给分布于沥青胶结料中的二氧化锰，二氧化锰通过介电损耗、磁损耗将多重吸收的微波能量转化为热量，快速提高沥青胶结料的温度，进而强化其自愈合能力。此外，钢纤维的导电性较高，电场引起的电流和磁场变化引起的涡流可使钢纤维自身发热，也有助于沥青温度的提升。
附图说明
图1为复合掺配工艺流程示意图
图2本发明实施例提供的沥青混合料自愈合能力测定流程示意图；
图3为本发明实施例提供的自愈合能力对比图；
图4为本发明实施例提供的动稳定度对比图；
图5为本发明实施例提供的冻融劈裂强度比对比图；
图6为本发明实施例提供的断裂韧性对比图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的微波敏感掺料复合掺配工艺的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。
实施例中的发明应用对象为AC-13沥青混凝土，其矿料质量比例、沥青胶结料质量比例符合《公路沥青路面施工技术规范(JTGF40-2004)》之要求。混凝土所用沥青胶结料为泰普克公司提供的70号基质沥青，所用集料类型为玄武岩和石灰岩，所用矿粉为石灰岩矿粉。
为证明本发明的效果，设置空白组与试验组。空白组为未掺入任何微波敏感掺料的混凝土，其填料全部由石灰岩矿粉构成。试验组为掺入复合掺料(占矿料总质量3％的二氧化锰与1％的钢纤维)的沥青混凝土和掺入等量(占矿料质量的4％)单一微波敏感掺料的混凝土。空白组与试验组中的所有混凝土的沥青胶结料质量比例均根据《公路沥青路面施工技术规范(JTGF40-2004)》规定经由马歇尔试验确定。
本实施例涉及的单一微波敏感掺料包括：二氧化锰粉末、铁氧体粉末、碳粉与钢纤维。包含4％二氧化锰粉末、4％铁氧体粉末、4％碳粉的沥青混凝土成型过程与工艺流程说明一节中的第一、三、四、五、六步近似，唯一差别在于二氧化锰粉末被替换为上述材料的粉末；包含4％钢纤维的沥青混凝土成型过程为工艺流程说明一节中的第一、二、四、五、六步近似，唯一差别在于钢纤维的掺量不同。包含复合掺料的沥青混凝土的成型过程参照工艺流程说明一节中的第一到六步执行。
本实施例所用二氧化锰粉末由湘潭伟鑫锰制品有限公司提供。所用钢纤维由江苏金火炬宝柯新材料技术有限公司提供，型号为Q1-80。二氧化锰粉末与钢纤维符合工艺流程的限定内容一节所述材料要求。二氧化锰粉末、铁氧体粉末、碳粉的细度均高于200目。
本实施例通过室内试验方式进行验证。空白组与试验组混凝土的拌和温度为165℃，拌和时间为90s。
本实施例采用半圆三点断裂-愈合试验评价沥青混凝土在微波加热条件下的自愈合能力，该实验已被众多研究采用[10,12-14]。实验所用试样为高50mm的半圆形试样，半圆底部有深10mm、宽1mm的切口。如附图1所示，断裂-愈合试验包括五个步骤：
第一步：将试样置于-10℃的环境箱中冷冻10h；
第二步，将其放在两个相隔120mm的支点上，以5mm/min的速率在圆拱中点加载，直至试样破坏；
第三步，将断裂后的试样置于20℃的环境下干燥4h，以使其表面水分充分蒸发；第四步，将试样置于功率为700W、频率为2.45GHz的微波炉中分别加热90s、120s、150s和210s。每隔30s，用红外热像仪记录试样的表面温度。
第五步，将加热后的试样在20℃下冷却2h，在此期间，试样表面温度缓慢下降到环境温度。最后重复第一、二步以获取试样在加热愈合后的强度。自愈合能力由第二轮断裂与第一轮断裂的强度比，即自愈合指数表示。
研究所涉及的路用性能包括高温性能、水稳定性和低温性能。高温性能以60℃下测定的动稳定度表示，水稳定性以冻融劈裂强度比表征。动稳定度与冻融劈裂强度比分别根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20-2011)》中的试验T 0719-2011和T0729-2000测定。沥青混凝土的低温性能由断裂韧性表示，断裂韧性根据《EN12697-44-2010规范》计算确定。
本发明的技术方案，作为举例而非限定，具有如下有益效果：
如图2所示，在微波加热210s后，经过复合掺配处理的沥青混凝土在微波加热条件下的自愈合能力相较空白组提升近100％，且不同程度地高于掺有等量单一掺料的沥青混凝土。单一掺料指吸波掺料或微波反射掺料；
如图3所示，经过复合掺配处理的沥青混凝土的高温抗车辙性能(由动稳定度表示)相较空白组提升近120％，优于部分掺有等量单一掺料的沥青混凝土；
如图4所示，经过复合掺配处理的沥青混凝土的水稳定性(由冻融劈裂强度比表示)相较空白组提升14％，且不同程度地高于掺有等量单一掺料的沥青混凝土；
如图5所示，经过复合掺配处理的沥青混凝土的低温抗裂性能(由断裂韧性表示)相较空白组提升近10％，与掺有等量单一掺料的沥青混凝土相近。
经过SPSS(Statistical Product and Service Solutions)软件分析，钢纤维掺量与二氧化锰掺量的交互作用对微波加热自愈合能力有统计学上的显著性影响，如附表1所示，这为两种掺料的耦合增益效果提供了佐证。
表1影响显著性分析结果记录表
来源 第III类平方和 自由度 平均值平方 F比 P值
修正的模型 27645.667<sup>a</sup> 21 1316.460 16.055 .000
截距 18805.095 1 18805.095 229.339 .000
二氧化锰掺量×钢纤维掺量 2607.030 6 434.505 5.299 .000
二氧化锰掺量 1249.948 3 416.649 5.081 .003
钢纤维掺量 1970.555 3 656.852 8.011 .000
油石比 3.313 1 3.313 .040 .841
加热时间 10277.531 3 3425.844 41.780 .000
误差 4919.811 60 81.997
总计 73871.947 82
校正后总数 32565.478 81
注：(1)模型决定系数R2＝0.849(调整后的R2＝0.796)；(2)“二氧化锰掺量×钢纤维掺量”表示二氧化锰与钢纤维掺料的交互作用；(3)显著性分析的置信度为95％。
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Claims (2)

1.一种二氧化锰填料-钢纤维复合掺配工艺，其特征是，在拌和沥青混合料的过程中，将二氧化锰粉末与钢纤维分别按照一定质量比例掺入沥青混合料中，拌和并摊铺成型沥青路面，并在路面投入使用后择机进行微波加热养护；从复合掺配开始到微波加热养护的流程分为七步；第一到六步为沥青混凝土的拌和成型过程，第七步为路面服役后的微波养护流程；
第一步，将混合料中所用的各档集料倒入拌和装置并拌和均匀；拌和装置及各档集料在流程开始前需加热至拌和温度；
第二步，将钢纤维分批放入拌合好的集料，将其与集料拌和均匀；
第三步，在钢纤维和集料中掺入沥青胶结料，拌和均匀；沥青胶结料在加入前需加热至拌合温度；
第四步，向钢纤维、沥青胶结料与集料的混合物中掺入二氧化锰粉末，拌和均匀；
第五步，向由钢纤维、沥青胶结料、集料、二氧化锰粉末构成的混合料中加入矿粉，拌和均匀；矿粉在加入前需加热至拌合温度；
第六步，在完成沥青混合料的拌和后，将混合料运输至施工现场摊铺、压实以形成沥青路面结构；
第七步，在经过复合掺配处理的沥青路面的服役过程中，择机对其进行微波加热养护；工艺流程的条件限定，包括：
二氧化锰粉末的粒径参照沥青混合料所用矿粉的粒径确定，其细度不低于200目，其中的二氧化锰含量在80％以上；
钢纤维的长度在2mm以内，长径比不低于10:1；
二氧化锰粉末的掺入比例宜为矿料质量的3±0.5％，钢纤维的掺入比例宜为矿料质量的1±0.5％；二氧化锰与钢纤维各自的质量比例在0.5％的幅度内浮动，但是两者掺量的质量比应保持为3:1；
二氧化锰与钢纤维的掺入次序：钢纤维在集料拌和后、沥青胶结料加入前掺入；二氧化锰粉末在沥青胶结料加入后，矿粉加入前掺入；
沥青胶结料占矿料质量的比例根据《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》，经配合比设计试验确定；
混合料拌和温度应在标准拌和温度的基础上增加5℃；
在对经过复合掺配处理的沥青混凝土进行微波加热养护时，应在混合料表面温度超过90℃后停止加热，待其自行降至常温；
沥青胶结料的类型、各档集料的类型与质量比例、矿粉的类型与质量比例、摊铺压实步骤需根据《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》确定。
2.一种二氧化锰填料-钢纤维复合掺配复合物，由权利要求1所述的工艺制备。
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