CN107324694A - 一种具有车辙自修复性能的沥青混合料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有车辙自修复性能的沥青混合料及其制备方法。该沥青混合料由沥青结合料、矿质集料、形状记忆聚合物SMP材料组成，其中粒径为0.3‑1.18mm的部分矿质集料用形状记忆聚合物复合材料等体积代替。将形状记忆聚合物、沥青结合料和矿质集料加热均匀拌合，即制成车辙自修复型沥青混合料。这种混合料所铺筑的路面具有能在一定触发条件下自行恢复车辙形变的能力。其中，所用形状记忆聚合物是一种热致型记忆材料，沥青混合料级配设计为连续密级配沥青混合料(AC)的任何上、中面层密级配类型。添加形状记忆聚合物的沥青混合料，能有效改善沥青路面的高温性能，在人工触发条件下自行修复轻微车辙，降低修复成本，减少道路养护工作量。

Description

一种具有车辙自修复性能的沥青混合料及其制备方法
技术领域
本发明属于高速公路、城市道路等路面材料技术领域，具体涉及到一种具有车辙自修复性能的新型沥青混合料的设计。
背景技术
形状记忆聚合物SMP(Shape Memory Polymers)是一种具有记忆效应的新型智能材料。在制造成型时，能“记忆”其永久形状，加热至特定的温度下施加荷载产生变形，撤去荷载并降温后能稳定保持临时形状，在再次加热至特定温度以上后，可以逐渐恢复为原本形状。按照激活条件不同，SMP可以分为电致型、光致型、热致型等，目前土木工程中应用最多的是环氧树脂、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚氨酯、交联聚烯烃等热致型SMP及其复合材料。
利用SMP材料的形状记忆效应，可以使工程材料具有自修复功能，延长使用寿命。苯乙烯树脂基形状记忆聚合物是一种热固性材料，具有力学强度高、耐热性能好、优异的形状记忆性能等优点，且形状恢复温度可以在一个范围内调控，目前在土木工程中主要用于混凝土密封胶。利用其形状恢复性能，可以进一步应用于处理沥青路面的车辙病害，修复永久变形，从而减少道路养护工作量。
车辙病害(Rutting)是沥青路面在车辆荷载反复作用下，行车轨迹处产生纵向较大永久变形的路面损坏现象，产生的主要原因有车辆超载、交通量过大、工程设计时对夏季高温估计不足等。车辙通常形成于温度较高的季节，高温时沥青软化，对矿质骨架的约束作用降低，沥青面层在车辆的反复碾压下产生永久变形和粘性流动，行车轨迹处路面进一步密实沉陷并伴随侧向***。车辙的产生降低了道路的行驶舒适性，并带来了一系列安全隐患：车辙深度的加大会使车轮荷载所产生的水平横向分力加大，而气温回落后，面层材料变脆，加大的水平分力及其所形成的间接弯拉应力可能导致纵向裂缝的产生；而且下雨后车辙槽内积水，极易发生车辆水漂现象，威胁行车安全。
车辙可分为轻微车辙、横向波纹车辙、不稳定夹层车辙等，根据车辙类型主要有以下几种处理方式：若仅轮迹处凹陷，两侧无***，则凿去面层，凿毛凹槽，涂刷粘层沥青并修补；若轮迹两侧同时***，应先将***部位凿去，波谷处原面层凿毛，涂粘层油，铺筑与面层相同的混合料；若因基层强度不足、水稳性不好引起，则需对基层进行补强或挖除损害的基层重新铺筑。
国内处理车辙大致可归纳为挖补法和填补法，但所用材料量大，配套设备多，养护成本高，污染环境，初期养护时间长且影响交通。若通过改进沥青混合料的成分，在保持原有性能基础上拥有可控的车辙自修复能力，可有效减轻车辙病害，简化工艺和设备，使养护频率大大降低，从而降低道路的养护成本。
发明内容
发明目的：本发明目的在于克服挖补或填补车辙修复法的缺点，设计一种具有车辙自修复性能的沥青混合料及其制备方法。改善了沥青混合料的高温稳定性，能在一定触发条件下(人工加热等)，自行修复沥青路面产生的轻微车辙。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种具有车辙自修复性能的沥青混合料，该沥青混合料由沥青结合料、矿质集料、形状记忆聚合物SMP材料组成，其中各组分按质量份数配比为：
矿质集料：85.0-95.0份
沥青结合料：3.0-6.0份
形状记忆聚合物复合材料：1.5-10.0份
其中粒径为0.3-1.18mm的矿质集料用形状记忆聚合物复合材料等体积代替。
其中：
所述形状记忆聚合物复合材料为热致型，是苯乙烯树脂基形状记忆聚合物。
所述形状记忆聚合物材料为颗粒状，粒径为0.3-1.18mm，并且在与沥青结合料和矿质集料加热拌和前，已进行了形状记忆变形训练。
所述密级配沥青混合料的级配组成为连续密级配沥青混合料AC的任何上、中面层密级配类型。
所述密级配沥青混合料中沥青结合料的类型不限，为基质沥青或改性沥青。
本发明的一种具有车辙自修复性能的沥青混合料的制备方法是将形状记忆聚合物SMP原材料放置于加热到75-85℃的恒温舱中并保持25-30分钟，随后对材料施加压缩荷载，使其预应力水平达到300-310kPa，并保持变形状态20-30分钟以固定形状；此时材料体积被压缩为原来的55-65％；随后停止加热，使***自然冷却至室温，同时保持施加的载荷恒定，在冷却结束后卸掉荷载就完成了变形训练；将经过变形训练的SMP材料加工为0.3-1.18mm的颗粒，根据面层厚度、级配类型、车辙深度计算出所需SMP颗粒在混合料中的体积含量，等体积替代级配设计中该粒径矿质集料，在加热拌和时将沥青结合料、矿质集料、SMP颗粒均匀拌合即制成车辙自修复型沥青混合料。
所述根据面层厚度、级配类型、车辙深度计算出所需SMP颗粒在混合料中的含量，具体计算方法为：设定所配车辙自修复型沥青混合料所能修复的目标车辙深度为Hmm，车辙宽度为Bmm，所需要恢复的车辙体积即为SMP颗粒在变形训练中被压缩的体积；根据所选用沥青混合料级配类型、集料通过率、面层厚度可得铺设每平方米路面所用0.3-1.18mm粒径的矿质集料的含量，根据每平方米车辙量、SMP颗粒预先压缩体积量可得每平方米SMP颗粒含量，从而算得所需SMP颗粒的质量以及在混合料中的质量分数。
有益效果：本发明所述的车辙自修复型沥青混合料，是在一定触发条件下自行修复车辙形变，克服了传统车辙修复工艺所用材料量大、配套设备多、工艺复杂等问题，可降低养护频率，节约成本，改善沥青路面的高温稳定性，减少道路养护工作量。
具体实施方式
本发明所述的车辙自修复型沥青混合料在具体实施时，应首先根据设定的沥青混合料的质量本发明选用了一种苯乙烯树脂基形状记忆聚合物材料，变形训练后加工为0.3-1.18mm颗粒状，按计算量等体积替代部分该粒径矿质集料，将加工好的SMP颗粒与沥青结合料、矿质集料加热拌和制成具有车辙自修复能力的沥青混合料。
将形状记忆聚合物(SMP)原材料放置于加热到75-85℃的恒温舱中并保持25-30分钟，随后对材料施加压缩荷载，使其预应力水平达到300-310kPa，并保持变形状态20-30分钟以固定形状；此时材料体积被压缩为原来的55-65％；随后停止加热，使***自然冷却至室温，同时保持施加的载荷恒定，在冷却结束后卸掉荷载就完成了变形训练；将经过变形训练的SMP材料加工为0.3-1.18mm的颗粒，根据面层厚度、级配类型、车辙深度计算出所需SMP颗粒在混合料中的含量，等体积替代级配设计中该粒径矿质集料。
在加热拌和时将沥青结合料、矿质集料、SMP颗粒均匀拌合即制成车辙自修复型沥青混合料。SMP复合材料与沥青同属高分子有机类材料，具有相似相容特性，二者可以通过化学键的作用发生更加强烈的联系和作用。
路面在车辆荷载作用下进一步压实产生车辙形变，在人工加热使路面温度高于玻璃化转变温度并保持一段时间后，会激活沥青混合料的形状记忆性能，进一步压实的部分可以恢复到产生车辙之前的状态。同时，车辆的碾压可看做混合料的再次变形训练过程，使沥青混合料始终拥有形状记忆功能，即对车辙的重复自修复性能。
要求，选择合适的沥青结合料，然后选用上、中面层沥青混合料的级配设计，并在传统成熟的配置工艺和配合比设计的基础上，根据计算用量，对其中0.3-1.18mm粒径的部分矿质集料用形状记忆材料进行等体积替代。
操作：将形状记忆聚合物(SMP)原材料放置于加热到75-85℃的恒温舱中并保持25-30分钟，随后对材料施加压缩荷载，使其预应力水平达到300-310kPa，并保持变形状态20-30分钟以固定形状；此时材料体积被压缩为原来的55-65％；随后停止加热，使***自然冷却至室温，同时保持施加的载荷恒定，在冷却结束后卸掉荷载就完成了变形训练；将经过变形训练的SMP材料加工为0.3-1.18mm的颗粒，根据面层厚度、级配类型、车辙深度计算出所需SMP颗粒在混合料中的含量，等体积替代级配设计中该粒径矿质集料。在加热拌和时将沥青结合料、矿质集料、SMP颗粒均匀拌合即制成车辙自修复型沥青混合料。
沥青混合料级配设计为连续密级配沥青混合料(AC)的任何上、中面层密级配类型，矿质集料和填料各项性能符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的规定。
实例1：
级配设计：AC-20型
沥青结合料：70号基质沥青，油石比：4.7％
集料:玄武岩，各项性能符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的规定。
填料:石灰石矿粉，各项性能符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的规定。
SMP材料种类：苯乙烯树脂基形状记忆聚合物颗粒，粒径为0.3-1.18mm。
变形训练：预压缩体积40％，预应力为300.7kPa。
AC-20沥青混合料铺设面层厚度：60mm。
沥青混合料中SMP颗粒含量：1.5％(质量分数)，等体积替代矿料级配中0.3-1.18mm范围粒径的集料。
适用于：凹陷深度在10mm内的轻微车辙。
实例2：
级配设计：AC-16型
沥青结合料：70号基质沥青，油石比：4.9％
集料:玄武岩，各项性能符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的规定。
填料:石灰石矿粉，各项性能符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的规定。
SMP材料种类：苯乙烯树脂基形状记忆聚合物颗粒，粒径为0.3-1.18mm
变形训练：预压缩体积40％，预应力为300.7kPa。
AC-16沥青混合料铺设面层厚度：50mm
沥青混合料中SMP颗粒含量：5.8％(质量分数)，等体积替代矿料级配中0.3-1.18mm范围粒径的集料。
适用于：凹陷深度在10mm内的轻微车辙。

Claims (7)

1.一种具有车辙自修复性能的沥青混合料，其特征在于：该沥青混合料由沥青结合料、矿质集料、形状记忆聚合物复合材料组成，其中各组分按质量份数配比为：
矿质集料：85.0-95.0份
沥青结合料：3.0-6.0份
形状记忆聚合物复合材料：1.5-10.0份，
其中粒径为0.3-1.18mm的矿质集料用形状记忆聚合物复合材料等体积代替。
2.根据权利要求1所述的一种具有车辙自修复性能的沥青混合料，其特征在于：所述形状记忆聚合物复合材料为热致型，是苯乙烯树脂基形状记忆聚合物。
3.根据权利要求1所述的一种具有车辙自修复性能的沥青混合料，其特征在于：所述形状记忆聚合物材料为颗粒状，粒径为0.3-1.18mm，并且在与沥青结合料和矿质集料加热拌和前，已进行了形状记忆变形训练。
4.根据权利要求1所述的一种具有车辙自修复性能的沥青混合料，其特征在于：所述密级配沥青混合料的级配组成为连续密级配沥青混合料(AC)的任何上、中面层密级配类型。
5.根据权利要求1所述的一种具有车辙自修复性能的沥青混合料，其特征在于：所述密级配沥青混合料中沥青结合料的类型不限，为基质沥青或改性沥青。
6.一种如权利要求1所述的具有车辙自修复性能的沥青混合料的制备方法，其特征在于：该制备方法是将形状记忆聚合物SMP原材料放置于加热到75-85℃的恒温舱中并保持25-30分钟，随后对材料施加压缩荷载，使其预应力水平达到300-310kPa，并保持变形状态20-30分钟以固定形状；此时材料体积被压缩为原来的55-65％；随后停止加热，使***自然冷却至室温，同时保持施加的载荷恒定，在冷却结束后卸掉荷载就完成了变形训练；将经过变形训练的SMP材料加工为0.3-1.18mm的颗粒，根据面层厚度、级配类型、车辙深度计算出所需SMP颗粒在混合料中的体积含量，等体积替代级配设计中该粒径矿质集料，在加热拌和时将沥青结合料、矿质集料、SMP颗粒均匀拌合即制成车辙自修复型沥青混合料。
7.根据权利要求6所述的一种具有车辙自修复性能的沥青混合料的制备方法，其特征在于：所述根据面层厚度、级配类型、车辙深度计算出所需SMP颗粒在混合料中的含量，具体计算方法为：设定所配车辙自修复型沥青混合料所能修复的目标车辙深度为Hmm，车辙宽度为Bmm，所需要恢复的车辙体积即为SMP颗粒在变形训练中被压缩的体积；根据所选用沥青混合料级配类型、集料通过率、面层厚度可得铺设每平方米路面所用0.3-1.18mm粒径的矿质集料的含量，根据每平方米车辙量、SMP颗粒预先压缩体积量可得每平方米SMP颗粒含量，从而算得所需SMP颗粒的质量以及在混合料中的质量分数。
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