CN115353328A - 一种电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料及其制备方法与应用。由如下体积分数的原料构成：64.5％～69.1％的辉绿岩粗集料、19.6％～24.8％的辉绿岩细集料、2.4％～3.0％的石灰岩矿粉、0.1％～0.4％的纳米二氧化硅、3.2％～3.8％的钢棉和5.6％～6.4％的高粘沥青。本申请结合了沥青路面超薄磨耗层和电磁感应加热自愈合技术的特点，基于电磁感应增强填料与自愈合促进剂之间的耦合增益作用，在保证超薄磨耗层路用性能的前提下，有效增强沥青混合料在电磁场中的愈合效果。本发明可以使超薄磨耗层的裂缝能够在短时间内快速愈合，从而达到缩短养护时间并延长路面使用寿命的效果。
Description
技术领域
本发明属于道路材料领域，目的在于提升沥青混凝土的电磁感应诱导愈合性能。
技术背景
随着养护技术的不断发展，超薄磨耗层技术因其能够有效改善路面的服役性能、节约造价、减少对资源和能源的消耗等优点而被广泛应用于路面养护。但由于结构层厚度的减少，超薄磨耗层层底拉应力和层间剪切力增大，易导致磨耗层的开裂、脱皮等路面病害，缩短路面的使用寿命。实际上，在车辆荷载作用的间歇期沥青路面具有一定的自愈合能力，其机理是沥青作为一种黏弹性材料，具有一定的流动性，当沥青混凝土中产生微小的裂缝时，沥青通过流动将裂缝填充进而实现愈合，但常温下沥青混凝土的自愈合效率很低。
温度是影响沥青混凝土自愈合能力的关键因素，在高温状态下沥青的粘度会降低，流动性增强，而基于电磁感应的诱导加热技术能够实现对沥青而非集料的加热，使沥青路面快速升温，增强沥青路面的自愈合能力，具有加热效率高、能耗低、可多次重复使用的特点，能够实现对超薄磨耗层的均匀加热，具备广阔的应用前景。但传统沥青混合料对电磁感应基本无接收能力，并且超薄磨耗层中采用的高粘沥青在高温下的流动性比普通基质沥青差，一定程度上阻碍了电磁感应诱导加热技术在超薄磨耗层中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料，解决了现有超薄磨耗层沥青混合料电磁感应效率低、自愈合性能差的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种电磁感应增强型纳米改性沥青混合料及其制备方法和应用，由如下体积分数的原料构成：64.5％～69.1％的辉绿岩粗集料、19.6％～24.8％的辉绿岩细集料、2.4％～3.0％的石灰岩矿粉、0.1％～0.4％的纳米二氧化硅、3.2％～3.8％的钢棉和5.6％～6.4％的高粘沥青。
进一步的，所述辉绿岩粗集料压碎值≤20％、洛杉矶磨耗损失≤20％、表观相对密度≥2.6(g/cm3)、吸水率≤1％、针片状含量≤10％；辉绿岩细集料表观相对密度≥2.5(g/cm3)、砂当量≥70％；石灰岩矿粉外观无团粒结块，表观相对密度≥2.5(g/cm3)；高粘沥青针入度(25℃，100g，5s)≥4mm软化点TR&B≥85℃，延度(5℃，5cm/min)≥25cm，60℃动力粘度≥≥200000Pa·s，135℃旋转粘度≤3Pa·s；钢棉的长度在3.2mm以内，直径范围在0.0127～0.0381mm；二氧化硅为直径300纳米的球形，纯度≥99.8％比表面积典型值14.2m2/g，磁性材料浓度典型值0.5ppm。
本发明的另一种技术方案，一种电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料及制备方法和应用，包括如下步骤：
S1、按照如下体积分数的原料备料：64.5％～69.1％的辉绿岩粗集料、19.6％～24.8％的辉绿岩细集料、2.4％～3.0％的石灰岩矿粉、0.1％～0.4％的纳米二氧化硅、3.2％～3.8％的钢棉和5.6％～6.4％的高粘沥青。
S2、将S1的矿粉和钢棉倒入拌和装置并拌和均匀，使钢棉在矿粉内分布均匀，并按质量等分为两份混合物；
S3、将S1的辉绿岩粗集料和辉绿岩细集料在185℃～195℃温度条件下加热4小时，沥青在170℃～180℃条件下加热2小时；
S4、将S3中加热后的粗细集料一次性倒入拌和装置内，同时向拌和装置中加入一份S2中拌合均匀的钢棉和矿粉混合物，并在180℃～190℃拌合均匀；然后向拌锅中加入S3的沥青并拌合均匀，最后加入另一份S2中拌合均匀的钢棉和矿粉混合物并在180℃～190℃温度下拌合均匀；
S5、将S4的拌和装置中的混合料在145℃～160℃下浇筑成型并养护，即可得到电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料。
本发明结合了沥青路面超薄磨耗层和电磁感应加热自愈合技术的特点，基于电磁感应增强填料(钢棉)与自愈合促进剂(纳米球形二氧化硅)之间的耦合增益作用，在保证超薄磨耗层路用性能的前提下，有效增强沥青混合料在电磁场中的愈合效果。在制备沥青混合料的过程中，将钢棉和纳米二氧化硅分别按照一定的比例掺入沥青混合料中，拌和并摊铺成型超薄磨耗层，并在投入使用后择机采用电磁感应加热设备对磨耗层加热，使超薄磨耗层的裂缝能够在短时间内快速愈合，从而达到缩短养护时间并延长路面使用寿命的效果。
本发明还提供了基于上述沥青混合料的超薄磨耗层自愈合方法，当采用上述的电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料制成的超薄磨耗层发生损伤时，通过电磁感应诱导加热技术实现超薄磨耗层裂缝的高效愈合，进而达到提升沥青路面使用性能和延长路面寿命的目的。
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：
钢棉能更好地均匀分布在沥青混合料中，增强沥青混合料抗裂性能的同时能够有效地提升沥青混合料的电磁感应效率，将电磁能转换为热能，使混合料在电磁感应诱导加热条件下快速升温至90～110℃，在纳米二氧化硅分散性好、流动性强的增益作用下，沥青胶结料的流动性增强，进一步改善了沥青混合料的自愈合能力。第一，能够应用于超薄磨耗层，利用诱导加热自修复快速愈合超薄磨耗层裂缝。第二，能够解决路面在寒冷冬季积雪结冰问题，可高效化冰融雪。
附图说明
图1为沥青混合料设计级配曲线；
图2本发明实施例提供的沥青混合料电磁感应诱导愈合能力测定流程示意图；
图3本发明实施例提供的热常数对比图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。实施例只对本发明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本领域的技术人员在本发明的基础上做出的任何非实质性的修改，都应属于本发明的保护范围。
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
本实施例中，一种电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料，由如下体积分数的原料构成：64.5％～69.1％的辉绿岩粗集料、19.6％～24.8％的辉绿岩细集料、2.4％～3.0％的石灰岩矿粉、0.1％～0.4％的纳米二氧化硅、3.2％～3.8％的钢棉和5.6％～6.4％的高粘沥青。
所述辉绿岩粗集料压碎值≤20％、洛杉矶磨耗损失≤20％、表观相对密度≥2.6(g/cm3)、吸水率≤1％、针片状含量≤10％；辉绿岩细集料表观相对密度≥2.5(g/cm3)、砂当量≥70％；石灰岩矿粉外观无团粒结块，表观相对密度≥2.5(g/cm3)。
所述高粘沥青针入度(25℃，100g，5s)≥4mm，软化点TR&B≥85℃，延度(5℃，5cm/min)≥25cm，60℃动力粘度≥200000Pa·s，135℃旋转粘度≤3Pa·s。
钢棉的长度在3.2mm以内，直径范围在0.0127～0.0381mm。
二氧化硅为直径300纳米的球形，纯度≥99.8％，比表面积典型值14.2m2/g，磁性材料浓度典型值0.5ppm。
实施例1
如图1和图3所示：一种电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料，由如下体积分数的原料构成，68％的辉绿岩粗集料、20％的辉绿岩细集料、2.6％的石灰岩矿粉、0.2％的纳米二氧化硅、3.4％的钢棉和5.8％的高粘沥青。上述辉绿岩粗集料压碎值≤20％、洛杉矶磨耗损失≤20％、表观相对密度≥2.6(g/cm3)、吸水率≤1％、针片状含量≤10％；辉绿岩细集料表观相对密度≥2.5(g/cm3)、砂当量≥70％；石灰岩矿粉外观无团粒结块，表观相对密度≥2.5(g/cm3)；高粘沥青针入度(25℃，100g，5s)≥4mm，软化点TR&B≥85℃，延度(5℃，5cm/min)≥25cm，60℃动力粘度≥200000Pa·s，135℃旋转粘度≤3Pa·s；钢棉的长度在3.2mm以内，直径范围在0.0127～0.0381mm；二氧化硅为直径300纳米的球形，纯度≥99.8％，比表面积典型值14.2m2/g，磁性材料浓度典型值0.5ppm。
实施例2
一种电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：
S1、按照如下体积分数的原料备料：68％的辉绿岩粗集料、20％的辉绿岩细集料、2.6％的石灰岩矿粉、0.2％的纳米二氧化硅、3.4％的钢棉和5.8％的高粘沥青；
S2、将S1的矿粉和钢棉倒入拌和装置并拌和均匀，使钢棉在矿粉内分布均匀，并按质量等分为两份混合物；
S3、将S1的辉绿岩粗集料和辉绿岩细集料在185℃温度条件下加热4小时，沥青在180℃条件下加热2小时；
S4、将S3中加热后的粗细集料一次性倒入拌和装置内，同时向拌和装置中加入一份S2中拌合均匀的钢棉和矿粉混合物，并在185℃拌合均匀；然后向拌锅中加入S3的沥青并拌合均匀，最后加入另一份S2中拌合均匀的钢棉和矿粉混合物并在185℃温度下拌合均匀；
S5、将S4的拌和装置中的混合料在150℃下浇筑成型并养护，即可得到电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料。
实施例3
一种电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料的应用，其中电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料的制备方法包括如下步骤：
S1、按照如下体积分数的原料备料：68％的辉绿岩粗集料、20％的辉绿岩细集料、2.6％的石灰岩矿粉、0.2％的纳米二氧化硅、3.4％的钢棉和5.8％的高粘沥青；上述辉绿岩粗集料压碎值≤20％、洛杉矶磨耗损失≤20％、表观相对密度≥2.6(g/cm3)、吸水率≤1％、针片状含量≤10％；辉绿岩细集料表观相对密度≥2.5(g/cm3)、砂当量≥70％；石灰岩矿粉外观无团粒结块，表观相对密度≥2.5(g/cm3)；高粘沥青针入度(25℃，100g，5s)≥4mm，软化点TR&B≥85℃，延度(5℃，5cm/min)≥25cm，60℃动力粘度≥200000Pa·s，135℃旋转粘度≤3Pa·s；钢棉的长度在3.2mm以内，直径范围在0.0127～0.0381mm；二氧化硅为直径300纳米的球形，纯度≥99.8％，比表面积典型值14.2m2/g，磁性材料浓度典型值0.5ppm。
S2、将S1的矿粉和钢棉倒入拌和装置并拌和均匀，使钢棉在矿粉内分布均匀，并按质量等分为两份混合物；
S3、将S1的辉绿岩粗集料和辉绿岩细集料在185℃温度条件下加热4小时，沥青在180℃条件下加热2小时；
S4、将S3中加热后的粗细集料一次性倒入拌和装置内，同时向拌和装置中加入一份S2中拌合均匀的钢棉和矿粉混合物，并在185℃拌合均匀；然后向拌锅中加入S3的沥青并拌合均匀，最后加入另一份S2中拌合均匀的钢棉和矿粉混合物并在185℃温度下拌合均匀；
S5、将S4的拌和装置中的混合料在150℃下浇筑成型并养护，即可得到电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料。
将上述制得的电磁感应增强型纳米改性沥青混合料通过旋转压实仪压实100次，成型高为150mm、直径150mm的圆柱体试件，然后使用双面锯对试件进行切割，得到两面平整、高为20mm的圆柱体切片，采用50mm的圆孔钻头，对圆柱体切片进行取芯，得到直径50mm、厚度20mm的热常数试件。试验前先将试件放在18℃的条件下保温2h，在测试功率为0.2W的条件下进行热常数测试。如图3所示，结果表明，高自愈合沥青混凝土相比普通沥青混凝土，热导率和热扩散率均有明显提升，电磁感应增强型纳米改性高自愈合沥青混合料热传导和热扩散能力更强。
对比例1
本对比例与实施例1的区别仅在于：原材料组成不一样，本对比例普通沥青混合料由如下体积分数的材料构成：68％的辉绿岩粗集料、23.2％的辉绿岩细集料、2.8％的石灰岩矿粉、6％的高粘沥青；
将实施例1和2中制得的电磁感应增强型纳米改性高自愈合沥青混合料和对比例1中制得的普通沥青混合料制成半径75mm、厚度57mm的半圆形试样，半圆弯曲试样底部分别切割深15mm、25mm、32mm，宽1mm的切口，如附图2所示，对试件进行“断裂-愈合断裂”试验以评估材料的愈合效果。将半圆试件放入25℃的保温箱中放置24小时，在环境温度为25℃的条件下进行半圆弯曲断裂试验，然后将断裂后的试件通过电磁感应线圈加热40s，然后在沙浴中养护24小时，再放入25℃的保温箱放置24h，再进行半圆弯曲断裂试验。自愈合指标由第二轮断裂与第一轮断裂的强度比表示。
结果表明：对比例1的沥青混合料在电磁感应条件下无法加热诱导愈合，而实施例1的电磁感应增强型纳米改性高自愈合沥青混合料在电磁感应加热诱导愈合后半圆试件的愈合率在85％以上，愈合效果明显，这也说明了电磁感应增强型纳米改性高自愈合沥青混合料能够快速地对路面轻微裂缝进行修复。
应当理解，以上借助优化实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，都应当视为属于本发明提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料，其特征在于：由如下体积分数的原料构成：64.5％～69.1％的辉绿岩粗集料、19.6％～24.8％的辉绿岩细集料、2.4％～3.0％的石灰岩矿粉、0.1％～0.4％的纳米二氧化硅、3.2％～3.8％的钢棉和5.6％～6.4％的高粘沥青。
2.根据权利要求1所述的一种电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料，其特征在于：
所述辉绿岩粗集料压碎值≤20％、洛杉矶磨耗损失≤20％、表观相对密度≥≥2.6g/cm3、吸水率≤1％、针片状含量≤10％；辉绿岩细集料表观相对密度≥2.5g/cm3、砂当量≥70％；石灰岩矿粉外观无团粒结块，表观相对密度≥2.5g/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料，其特征在于：
所述高粘沥青针入度25℃，100g，5s≥4mm，软化点TR&B≥85℃，延度5℃，5cm/min≥25cm，60℃动力粘度≥200000Pa·s，135℃旋转粘度≤3Pa·s。
4.根据权利要求1所述的一种电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料，其特征在于：
钢棉的长度在3.2mm以内，直径范围在0.0127～0.0381mm。
5.根据权利要求1所述的一种电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料，其特征在于：
二氧化硅为直径300纳米的球形，纯度≥99.8％，比表面积典型值14.2m2/g，磁性材料浓度典型值0.5ppm。
6.权利要求1～5任一项所述一种电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、按照如下体积分数的原料备料：64.5％～69.1％的辉绿岩粗集料、19.6％～24.8％的辉绿岩细集料、2.4％～3.0％的石灰岩矿粉、0.1％～0.4％的纳米二氧化硅、3.2％～3.8％的钢棉和5.6％～6.4％的高粘沥青；
S2、将S1的矿粉和钢棉倒入拌和装置并拌和均匀，使钢棉在矿粉内分布均匀，并按质量等分为两份混合物；
S3、将S1的辉绿岩粗集料和辉绿岩细集料加热；将沥青加热；
S4、将S3中加热后的粗细集料一次性倒入拌和装置内，同时向拌和装置中加入一份S2中拌合均匀的钢棉和矿粉混合物并在180℃～190℃拌合均匀；然后向拌锅中加入S3的沥青并拌合均匀，最后加入另一份S2中拌合均匀的钢棉和矿粉混合物并在180℃～190℃温度下拌合均匀；
S5、将S4的拌和装置中的混合料浇筑成型并养护，得到电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，S3中，所述辉绿岩粗集料和辉绿岩细集料的加热为：在185℃～195℃温度条件下加热4小时。
8.根据权利要6所述方法，其特征在于，S3中，所述沥青的加热为：在170℃～180℃条件下加热2小时。
9.根据权利要求6所述方法，其特征在于，S5中，所述浇筑成型的温度为145℃～160℃。
10.权利要求1-5任一项所述电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料的应用，其特征在于，在经过复合掺配制成的电磁感应增强型纳米改性高自愈合性能沥青混合料利用于快速、高效地修复超薄磨耗层裂缝，进而有效延长路面的使用寿命。
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