CN1837289A - 一种能够感知应力变化的沥青基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种能够感知应力变化的沥青基复合材料及其制备方法。本发明提供的沥青基复合材料，含有包括沥青、粗集料、细集料和矿物质填料的复合材料，在复合材料中掺入导电材料，形成一种能够感知应力变化的沥青基复合材料；导电材料的掺入量占复合材料总重量的百分比为30～50。本发明提供的制备方法为：将集料加热后与温度相当的液态沥青拌和，然后加入矿粉拌和，再加入导电相材料拌和均匀后，最后压实成型。本发明能够在不影响沥青基复合材料其它相关性能的前提下进行材料组成设计以实现绝缘－导电转变，并能够对外力作用做出高灵敏度、高重复性、高可靠性响应，它使得道路及机场的沥青路面实施长期的安全健康监测成为可能。

Description

一种能够感知应力变化的沥青基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料领域，特别是一种能够感知应力变化的沥青基复合材料(以下简称沥青基应力传感材料)及其制备方法。

背景技术

沥青基复合材料因其特有的优点越来越广泛地被国内外用来修建高速公路、桥面铺装和飞机跑道。我国目前已建成或在建的高速公路中，90％以上采用沥青基复合材料路面。据统计，我国高速公路每公里约需消耗沥青350～400吨(按四车道计)，仅公路每年实际沥青消耗量已经突破600万吨。仅2004年一年，全国新增高速公路约1万公里就消耗沥青超过700万吨，其中进口沥青超过200万吨，沥青生产和应用过程中发生的费用超过1000亿元人民币。预计到2010年，我国高速公路总里程将达到8.5万公里，其中新增里程近5万公里，沥青消耗量将超过3000万吨，因此沥青基复合材料结构的长期安全经济运行将对国民经济产生重大影响。但目前对沥青基结构材料的应力状况和变形的诊断主要依靠外部观察，它耗费大量的人力和物力，更重要的是无法发现早期损害和内部应力状况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有本征智能和新型功能的沥青基应力传感材料，在不损害材料本身性能的前提下，对施加在材料上面的荷载所产生的变形能够感知，且反应灵敏，从而为监测高速公路、桥面铺装、机场跑道等大型基础设施使用的沥青基复合材料结构的安全具有重要的意义。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的沥青基复合材料，含有包括沥青、粗集料、细集料和矿物质填料的复合材料，在复合材料中掺入导电材料，形成一种能够感知应力变化的沥青基复合材料；导电材料的掺入量占复合材料总重量的百分比为30～50。

本发明采用以下的三层次拌和后成型工艺，制备能够感知应力变化的沥青基复合材料。

(1)将温度为160～180℃左右的粗集料、细集料与碳纤维首先拌和100～110秒，然后加入160～180℃的沥青再搅拌80～95秒，最后将矿粉、石墨以及碳黑加入混合料内继续搅拌120～30秒，直至各种料完全均匀混合；碳纤维、石墨以及碳黑为导电材料，其掺入量占沥青材料总重量百分比的30～50，

(2)击实成型，采用马歇尔击实法，将导电沥青混凝土两面各击75次；或者采用旋转压实方法成型，旋转次数为：N_初始＝9，N_设计＝125，N_最大＝205；或者采用轮碾法成型，往返碾压16～20次。

本发明与现有技术相比具有如下主要的突出效果：

本发明提供的能够感知应力变化的沥青基复合材料，是在传统沥青复合材料中，掺入适当的导电相材料，改善其导电性能，实现绝缘-导电转变，用其作为结构的一部分，在受到诸如反复行车荷载，气候条件等外部条件作用时，其应力、应变、疲劳裂纹甚至老化等即可通过由于沥青路面微观结构变化而导致的电学性能的变化做出响应。作为一种本征智能材料，在不损害材料本身性能的前提下，对施加在材料上面的应力能够进行感知，且反应灵敏，成本低廉，它在高速公路、桥面铺装、机场跑道等大型基础设施的健康监测方面展现出了良好而广阔的应用前景。作为一种新型的功能材料，应力传感沥青基复合材料的研究与开发，使沥青基复合材料能够感受荷载所产生的结构损伤与变形，使对基础设施工程进行实时的、长期的安全健康监测成为可能，对道路及机场等沥青基复合材料结构的安全具有重要的意义。

本发明提供了一种能对各种力学反应转换为电信号的材料。由于在受到力学刺激后，材料的电阻也将跟着发生相应的变化，通过建立受压时的力学特性与电性能的对应关系，由电学性能变化逆推力学响应，从而实现应力感应。本发明能够在不影响沥青基复合材料其它相关性能的前提下进行材料组成设计以实现绝缘-导电转变，并能够对外力作用做出高灵敏度、高重复性、高可靠性响应，它使得道路及机场的沥青路面实施长期的安全健康监测成为可能。

附图说明

图1为最大荷载为14KN，最小荷载为500N，循环荷载的频率为10HZ，每次循环都采用相同荷载，循环之间停顿20秒条件下应变与电阻率变化关系曲线图。

图2为最大荷载为20KN，最小荷载为50N，循环荷载的频率为10HZ，每次循环都采用相同荷载，循环之间停顿20秒条件下应变与电阻率变化关系曲线图。

图3为最小荷载为300N，最大荷载为14KN，循环荷载的频率为10HZ，每次循环荷载逐渐增加，循环之间不停顿条件下应变与电阻率变化关系曲线图。

具体实施方式

本发明提供了一种能对各种力学反应转换为电信号的材料，其含有包括沥青、粗集料、细集料和矿物质填料的复合材料，在复合材料中掺入导电材料。导电材料的掺入量占复合材料总重量的百分比为30～50。

上述的沥青可采用重交A-70、90、110等型号的产品。

上述的导电材料可采用碳黑、石墨粉、碳纤维中的一种，或者它们三者的混合物。掺入此导电材料后，可使沥青基应力传感材料具有10～10³Ω·cm的电阻率。在受到荷载和其他力学反应后，材料的电阻将随之发生改变，依据电阻变化与力学反应之间的规律就可以感知材料内部的应力状况和结构变化。当沥青混凝土受到压缩循环荷载作用的时候，它的电阻将随着荷载作用时间的增加逐渐发生改变，也就是所谓的压敏性：

1.如图1所示，最大荷载为14KN，最小荷载为500N，循环荷载的频率为10HZ，而且每次循环都采用相同荷载，循环之间停顿20秒时，沥青混凝土的变形由于其弹性特征也发生循环改变，其输出电阻变化也随着应变进行有规律的循环改变，虽然因为沥青的粘性特征，应变和电阻变化都有一定的滞后效应，但由于中间有间隔20秒，大部分变形来得及恢复，所以滞后效应不是很明显。

2.如图2所示，最大荷载为20KN，最小荷载为50N，循环荷载的频率为10HZ，而且每次循环都采用相同荷载，循环之间停顿20秒时，电阻随着压力的变化而有规律地变化。

3.如图3所示，最小荷载为300N，最大荷载为14KN，循环荷载的频率为10HZ，但是每次循环荷载逐渐增加，循环之间不停顿时，沥青混凝土的应变由于其弹性特征也在发生明显的循环改变，但是由于中间有没有停顿，永久变形逐渐增大，但是电阻变化依然随着压应力有规律的变化。

本发明提供的沥青基应力传感材料，因其比现有技术具有更加突出的优点，因此更适合应用于高速公路、飞机跑道等的路面。

本发明提供的沥青基应力传感材料，其制备方法为：将集料加热后与温度相当的液态沥青拌和，然后加入矿粉拌和，再加入导电相材料拌和均匀后，最后压实成型。具体如下：

1.当掺入石墨、碳黑作为导电相材料时的制备方法如下：

(1)依照GBJTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》相关规定，选择符合要求的粗集料、细集料和矿粉填料。将现有级配AC、Superpave、SMA等结构和级配设计理论充分结合，优化和改良原有级配，找出最佳级配，使其颗粒组成具有足够的矿料间隙填充大量的导电相材料。导电相材料可采用碳纤维、石墨以及碳黑，其作为矿粉填料的一部分引入，其掺入量占沥青材料总重量百分比的30～50。

(2)材料组成与电性能、路用性能之间最佳组合的设计。在保证其马歇尔稳定度、回弹模量、动稳定度、浸水马歇尔稳定度等路用性能的前提下，使其电阻率保持在10～10³Ω·cm之间。

(3)将温度为160～180℃的粗集料、细集料加入160～180℃的重交沥青搅拌80～95秒，然后将矿粉、石墨以及碳黑加入混合料内继续搅拌120～130秒，直至各种料均完全均匀混合，在温度高于130℃以前将混合料采用马歇尔击实、轮碾或旋转压实成型。

(4)成型的同时将两组不锈钢电极或银电极埋入混合料内，电极的接触电阻与材料本身的电阻相比可以忽略不计。

2.当掺入碳纤维和碳纤维与石墨、碳黑等混在改性时的制备方法如下：

(1)同上述制备方法步骤1；

(2)同上述制备方法步骤2；

(3)将温度为170℃左右的粗集料、细集料与碳纤维首先拌和100～110秒，然后加入170℃的重交沥青再搅拌80～95秒，最后将矿粉、石墨以及碳黑加入混合料内继续搅拌120～30秒，直至各种料均完全均匀混合，在温度高于130℃以前将混合料采用马歇尔击实、轮碾或旋转压实成型。

下面借助于具体实施例对本发明做出进一步的说明。

采用下述的原材料，按前述的制备方法，分别采用AC、SMA和Superpave级配制备沥青基应力传感材料。

原材料：石墨粉；碳黑；短切碳纤维；重交沥青A-70、A-90、A-110；集料：玄武岩，最大粒径为19mm，分为19～9.5mm，9.5～4.75mm，4.75～2.36mm和小于2.36mm四种；矿物质填料：亲水系数0.9，主要化学成分CaO 51.5％，SiO₂ 1.76％，例如选用石灰石矿粉。

实施例1：

采用AC-10I型级配制备沥青基应力传感材料

表1AC-10I沥青混合料的合成级配设计

孔径(mm)	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
									合成级配(％)	100.0	97.5	68.5	47.7	36.4	22	15.3	6.8

石墨、碳纤维改性沥青基应力传感材料：沥青用量7％，石墨用量为沥青重量的32％，碳纤维用量0.6％。电阻率为475.4Ω·cm，可以对500N以上的应力进行感知；石墨、碳黑、碳纤维改性沥青基应力传感材料：沥青用量6.5％，石墨用量38％，碳黑用量用量2％，碳纤维用量0.6％，电阻率25.3Ω·cm，可以对50N以上的应力进行感知。

实施例2

Superpave12.5型级配制备沥青基应力传感材料

表2 Superpave12.5沥青基传感材料的合成级配设计

孔径(mm)	19	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
											合成级配(％)	100	94.8	75.9	48.3	33.5	24.1	17.9	12.5	10.0	7.5

石墨、碳纤维改性沥青基应力传感材料：沥青用量7％，石墨用量为沥青重量的32％，碳纤维用量0.6％。电阻率为498.3Ω·cm，可以对500N以上的应力进行感知；石墨、碳黑、碳纤维改性沥青基应力传感材料：沥青用量6.5％，石墨用量38％，碳黑用量用量2％，碳纤维用量0.6％，电阻率35.3Ω·cm，可以对50N以上的应力进行感知。

实施例3

SMA13型级配制备沥青基应力传感材料

表3 SMA13沥青基传感材料的合成级配设计

孔径(mm)	16	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
											合成级配(％)	100	90.1	65.0	29.9	21.3	18.6	16.5	14.0	12.1	9.9

石墨、碳纤维改性沥青基应力传感材料：沥青用量7％，石墨、碳纤维用量分别为沥青重量的30％，0.6％。电阻率为209.4Ω·cm，可以对500N以上的应力进行感知；石墨、碳黑、碳纤维改性沥青基应力传感材料：沥青用量6.5％，石墨、碳纤维用量、碳黑用量分别为沥青重量的48％，0.6％，2％，电阻率56.8Ω·cm，可以对50N以上的应力进行感知。

Claims (6)

1.一种沥青基复合材料，含有包括沥青、粗集料、细集料和矿物质填料的复合材料，其特征是在复合材料中掺入导电材料，形成一种能够感知应力变化的沥青基复合材料；导电材料的掺入量占沥青材料总重量百分比的30～50。

2.根据权利要求1所述的沥青基复合材料，其特征是导电材料为碳黑、石墨粉、碳纤维中的一种，或者它们三者的混合物。

3.根据权利要求1所述的沥青基复合材料，其特征是采用重交A-70、90、110沥青材料。

4.根据权利要求1所述的沥青基复合材料，其特征在于所述的能够感知应力变化的沥青基复合材料，其电阻率为10～10³Ω·cm。

5.一种沥青基复合材料的制备方法，其特征是采用三层次拌和后成型工艺制备能够感知应力变化的沥青基复合材料，具体步骤是：

(1)将温度为160～180℃的粗集料、细集料与碳纤维首先拌和100～110秒，然后加入160～180℃的沥青再搅拌80～95秒，最后将矿粉、石墨以及碳黑加入混合料内继续搅拌，直至各种料完全均匀混合；碳纤维、石墨以及碳黑为导电材料，其掺入量占沥青材料总重量百分比的30～50，

(2)击实成型，采用马歇尔击实法，将导电沥青混凝土两面各击75次；或者采用旋转压实方法成型，旋转次数为：N_初始＝9，N_设计＝125，N_最大＝205；或者采用轮碾法成型，往返碾压16～20次。

6.一种能够感知应力变化的沥青基复合材料，应用于高速公路、桥面铺装或飞机跑道的路面。

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