基于形状记忆性能的沥青胶浆自修复性能评价方法

摘要

本发明是一种基于形状记忆性能的沥青胶浆自修复性能评价方法，属于沥青路面耐久性技术领域，解决目前缺少沥青胶浆自修复性能测试方法、疲劳试验方法耗时长、操作繁琐、测试结果重复性和再现性差的问题。本发明首先优选形状记忆短纤维和热塑性颗粒，其中纤维作为胶浆增强材料，并赋予纤维形状记忆功能；制备沥青胶浆小梁试件，进行三点弯曲试验，当小梁试件裂缝扩展到距梁顶部5mm处细线时停止加载，记录最大弯拉强度Ri；将没有完全断裂的小梁放入烘箱中养护，对冷却后的试件重复上述试验，记录最大弯拉强度Rs，以Rs与Ri的比值作为评价自修复效果的指标，比较不同短纤维和热塑性颗粒掺量自修复效果，确定其最佳掺量，延长沥青路面使用寿命。

说明书

技术领域

本发明是一种基于形状记忆性能的沥青胶浆自修复性能评价方法，属于沥青路面耐久性技术领域。

背景技术

近年来，中国的公路建设取得了飞速发展，但与发达国家仍存在一定差距。气候环境变差，温室气体的排放得不到控制反而一直在飙升；现代交通交通量增大，超载问题严重，再加上公路规模不断扩大，施工工艺和管理问题突出，因此提高路面材料的耐久性亟不可待。再加上探测工具的有限性，使得沥青路面在设计年限内早期常产生微裂缝却无法进行修复。因此，如何有效对沥青进行改性增强沥青路面的使用品质以延长沥青路面的使用寿命，减少相关的养护费用成为使用沥青路面不得不考虑的问题。

对沥青材料来说，自修复就是材料的恢复和裂缝的闭合。沥青混合料有两大修复机理，一是发生在沥青-集料表面的胶结愈合，二是粘弹性胶浆内部的凝聚愈合。目前研究一般只研究沥青内部的粘性愈合，而忽视了填料对沥青的作用。结合耗散能理论根据间歇期单位时间内沥青混合料耗散能恢复速率来评价沥青的自修复潜力。温度条件、应力应变条件的不同对自修复均有重大影响。

如何评价沥青胶浆自修复性能和考虑填料的作用并客观分析混合料的相态变化、能量转变等成为一直在研究的问题之一。近年来，人们尝试了多种办法对混合料的自修复性能进行测评，前苏联列宾捷尔提出沥青-填料交互作用模型，而沥青胶浆是由粒径在0～100μm的刚性固体填料分散在具有流变特性的沥青当中而形成的悬浮体系，在沥青与填料两相接触过程中发生物化反应而形成沥青胶浆界面，该界面性质能反应沥青与填料的交互作用，并揭示沥青胶浆表面强度形成机理。

有人在设定间歇期为一分钟的前提下，对沥青砂混合料进行了弯曲疲劳实验，然后对间歇期前后的伪应变能密度进行了对比分析，在对沥青胶浆施加扭矩加载时发现，在严重损伤之前引入愈合时间，沥青本身材料自修复能力会发生最大的变化。有学者将一种双曲线动力指数定义为损伤速率用以评价加载时间对愈合能力的指标，也在能量观点基础山建立了一个沥青混合料的自修复模型。当前多数研究学者关注点仍在沥青本身，还是对填料的作用有所忽视。迄今为止，能完全理解沥青自修复机理并能控制自修复程度的相关研究很少，且大部分材料多集中于比较不同材料的愈合特性。

当前材料在人类的生产和生活起到非常重要的作用。科学技术在发展，人类生活在进步，对材料的要求也越来越高。因此，各种新型材料应运而生，其中智能材料具有广泛的应用前景。智能材料作为新型材料的典型代表，开创了人类设计和利用材料的新时代。所谓智能材料自身可以感知其所处的外界环境发生变化，并对该变化作相应的瞬时主动反应的一类材料。其中，形状记忆材料就是近年来采用比较多的一种只能材料。形状记忆材料包括陶瓷、合金、聚合物、纤维等。形状记忆短纤维是指初始形状的材料在一定外界环境作用下产生形变并被固定，通过热、电、磁、光等外部刺激能恢复到其最初形状的纤维。

目前纤维以用于沥青路面工程中，有学者将纤维掺加到沥青胶浆中通过软化点试验研究发现不同的纤维用量对沥青混合料的高温稳定性影响较为显著且大致呈正相关关系。也有人对比在沥青中掺加国产复合纤维、木质素改性纤维、普通木质素纤维和玄武岩纤维等四种不同种纤维对沥青胶浆产生的影响，并发现纤维的形状和构造的影响纤维对沥青的物理吸附作用，从而影响沥青的稳定性对改善沥青的高温性能产生一定影响。因此，本发明提出一种基于形状记忆性能的沥青胶浆自修复性能评价方法，充分考虑填料和短纤维对沥青混合料自修复能力的影响，比较不同形状记忆短纤维和热塑性颗粒掺量的沥青胶浆修复效果，确定其最佳掺量，提高沥青路面耐久性。

发明内容

(1)技术问题

本发明目的是一种基于形状记忆性能的沥青胶浆自修复性能评价方法，解决目前缺少沥青胶浆自修复性能测试方法、疲劳试验方法耗时长、操作繁琐、测试结果重复性和再现性差的问题。

(2)技术方案

目前存在缺少沥青胶浆自修复性能测试方法、疲劳试验方法耗时长、操作繁琐、测试结果重复性和再现性差的问题。为了加深对沥青胶浆自修复机理的理解，评价沥青胶浆的自修复能力。本发明技术方案如下：首先优选相转变温度与路表最高温度场相匹配的形状记忆短纤维和热塑性颗粒，其中纤维作为胶浆增强材料，并赋予纤维形状记忆功能；其次，制得含有形状记忆短纤维的沥青胶浆，制备小梁试件，静置24小时，在沥青胶浆小梁试件中间的底部沿宽度方向预留缝，在距小梁顶部5mm处沿长度方向画一条细线，用于控制最大裂缝扩展长大和最大施加荷载；然后，采用多功能试验机进行三点弯曲试验，当小梁试件裂缝扩展到距梁顶部5mm处细线时停止加载，记录最大弯拉强度R_i；将没有完全断裂的小梁放入温度与沥青路面高温季节最高温度场相一致的烘箱中养护，取出试件冷却至室温，静置1小时；对冷却后的试件重复上述试验，记录最大弯拉强度R_s，定义自修复率为R_s与R_i的比值作为评价沥青胶浆自修复效果的指标，比较不同形状记忆短纤维和热塑性颗粒掺量的沥青胶浆修复效果，确定其最佳掺量。

(3)有益效果

由于中国道路交通业的迅猛发展，对材料业的发展产生了较大的冲击。被广泛使用的沥青路面也由于激增的交通量及环境的恶化等原因出现了各种病害问题。对此，各学者绞尽脑汁地对拥有自修复能力的沥青进行改性和不断研究，但对多采用疲劳愈合试验对改性后的沥青胶浆做出评价但仅能从抗疲劳能力方面对自修复能力进行表征，不够完善细致。本发明结合小梁弯曲试验方法，更简便地对沥青胶浆自修复能力进行评价，提供了一个表征沥青胶浆自修复能力的简单方法，对研究沥青路面耐久性具有重要意义。

具体实施方式

本发明提供一种基于形状记忆性能的沥青胶浆自修复性能评价方法，具体实施步骤如下：

(1)优选相转变温度与路表最高温度场相匹配的形状记忆短纤维和热塑性颗粒，其中纤维作为胶浆增强材料，并通过高温加载拉伸、保持荷载不变降温、室温卸载三阶段预形变，赋予纤维形状记忆功能；

(2)按沥青用量的0.1％、0.2％、0.3％、0.4％和0.5％掺量，将一定量短纤维和矿粉搅拌均匀，然后将加热到160℃基质沥青加入，搅拌3min制得含有形状记忆短纤维的沥青胶浆，制备长250mm、宽30mm、高35mm、跨径为200mm的小梁试件，静置24小时；

(3)在进行三点弯曲试验前，在沥青胶浆小梁试件中间的底部沿宽度方向预刻一条深为1mm的细缝，在距小梁顶部5mm处沿长度方向画一条细线，用于控制最大裂缝扩展长大和最大施加荷载；

(4)将荷载传感器、位移计与数据采集系统相连，在室温下采用多功能试验机以30mm/min加载速率进行三点弯曲试验，当小梁试件裂缝扩展到距梁顶部5mm处细线时停止加载，记录最大弯拉强度R_i；

(5)将没有完全断裂的小梁放入温度与沥青路面高温季节最高温度场相一致的烘箱中加热30min，使预形变的形状记忆短纤维和热塑性颗粒充分发挥自修复作用，取出试件冷却至室温，静置1小时；

(6)对冷却后的试件重复步骤(4)试验，记录最大弯拉强度R_s，定义自修复率为R_s与R_i的比值作为评价沥青胶浆自修复效果的指标，比较不同形状记忆短纤维和热塑性颗粒掺量的沥青胶浆自修复效果，确定其最佳掺量。