一种长效复合型微胶囊沥青路面自修复剂及其应用 |
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| 申请号 | CN202210260847.8 | 申请日 | 2022-03-16 | 公开(公告)号 | CN114837033A | 公开(公告)日 | 2022-08-02 |
| 申请人 | 同济大学; | 发明人 | 蒋正武; 谢明君; 徐玲琳; 吴凯; 王中平; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种长效复合型微胶囊 沥青 路面自修复剂及其应用，该自修复剂包括外部大微胶囊与内部小微胶囊，所述外部大微胶囊由大微胶囊壁材、包裹于大微胶囊壁材内的大微胶囊芯材、以及分散于大微胶囊芯材中的纳米增强剂组成，所述的内部小微胶囊分散于所述大微胶囊芯材中，所述内部小微胶囊由小微胶囊壁材与包裹于小微胶囊壁材内的小微胶囊芯材组成。本发明的复合型微胶囊可实现沥青路面裂缝自修复，分散于芯材中的纳米增强剂增强了修复效果，并提高沥青 混凝土 力 学性能、抗疲劳性能及使用寿命，内部小微胶囊延长沥青路面自修复的时效性，从而使沥青路面的服役 质量 和使用寿命得到大幅度提升。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种长效复合型微胶囊沥青路面自修复剂，其特征在于，包括外部大微胶囊与内部小微胶囊，所述外部大微胶囊由大微胶囊壁材、包裹于大微胶囊壁材内的大微胶囊芯材、以及分散于大微胶囊芯材中的纳米增强剂组成，所述的内部小微胶囊分散于所述大微胶囊芯材中，所述内部小微胶囊由小微胶囊壁材与包裹于小微胶囊壁材内的小微胶囊芯材组成。 |
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| 说明书全文 | 一种长效复合型微胶囊沥青路面自修复剂及其应用技术领域背景技术[0002] 由于实际服役过程中复杂荷载条件及外界环境因素作用，沥青路面在使用过程中会不可避免地产生微裂纹和局部损伤。这些裂纹损伤若不能及时控制并修补，应力集中的微裂纹将逐渐扩展、贯通，最后发展成宏观裂缝，使沥青路面老化、疲劳开裂等病害的频率增加，严重影响了沥青路面的使用性能。因此，若能提升沥青混合料的损伤自修复能力，在微裂纹和微损伤出现时即实现裂缝的主动调控和修复，对于沥青路面养护效率的提升以及维护成本的降低将发挥重要作用；此外，具有极佳自修复能力的沥青混合料的应用还将延长路面材料使用寿命，降低温室气体的排放，从而实现交通运输行业的可持续性发展。 [0003] 沥青作为一种黏弹性材料，具有一定微裂缝损伤自修复的能力，但这与其所处的环境温度、修复时间密切相关，常温下自修复效率较低。微胶囊技术通过物质补给的方式有效改善沥青路面基体微裂缝损伤，从而提升基体性能、并延长沥青路面使用寿命，目前已经成为路面材料自修复领域的研究热点。但现有的微胶囊自修复技术往往仅能实现一次性修复，且修复效果有限，在实际应用于推广中仍存在很大的局限性。 发明内容[0004] 本发明的目的就是为了提供一种长效复合型微胶囊沥青路面自修复剂及其应用，有效提升沥青混合料在微裂缝损伤中的自修复能力，并一定程度上能够提升沥青混合料的力学性能，并可以改善沥青混合料的耐久性能。 [0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： [0006] 本发明的技术方案提供了一种长效复合型微胶囊沥青路面自修复剂，包括外部大微胶囊与内部小微胶囊，所述外部大微胶囊由大微胶囊壁材、包裹于大微胶囊壁材内的大微胶囊芯材、以及分散于大微胶囊芯材中的纳米增强剂组成，所述的内部小微胶囊分散于所述大微胶囊芯材中，所述内部小微胶囊由小微胶囊壁材与包裹于小微胶囊壁材内的小微胶囊芯材组成。 [0008] 进一步的，所述的大微胶囊芯材与小微胶囊芯材分别独立为选自沥青再生剂。 [0010] 进一步的，所述外部大微胶囊粒径尺寸为10μm～50μm；所述内部小微胶囊粒径尺寸为0.5μm～5μm。 [0011] 进一步的，所述内部小微胶囊的掺量占大微胶囊芯材质量的5wt.％～30wt.％。 [0012] 进一步的，所述纳米增强剂的掺量占大微胶囊芯材的0.5wt.％～5wt.％。 [0013] 进一步的，所述大微胶囊壁材与大微胶囊芯材的质量比为1:3～3:1。 [0014] 进一步的，所述小微胶囊壁材与小微胶囊芯材的质量比为1:3～3:1。 [0015] 本发明的技术方案之二提供了一种长效复合型微胶囊沥青路面自修复剂的应用，该自修复剂用于沥青混合料中。 [0016] 进一步的，该自修复剂的掺量为沥青混合料中沥青体积的0.5vol.％～6vol.％。 [0017] 与现有技术相比，本发明具有以下优点： [0018] (1)长效复合型微胶囊自修复剂可有效提升沥青混合料自修复性能。在微裂缝损伤发生后，外部大微胶囊首先破裂并释放沥青再生剂，实现了老化沥青的原位再生及裂缝的自修复，改善沥青混合料力学性能和耐久性能。 [0019] (2)分散在微胶囊芯材中的纳米增强剂有效强化裂缝区界面性能，显著提升沥青混合料裂缝自修复效果，进一步提高沥青混合料的力学性能和耐久性能，从而延长沥青路面实际应用的服役寿命。 [0020] (3)包裹在长效复合型微胶囊自修复剂中的内部小微胶囊延长了沥青混合料自修复的时效性，解决了传统微胶囊型自修复仅能实现一次破裂自修复的局限。长效复合型微胶囊自修复剂显著提高沥青路面的养护效率，使其具有更高效的长期自修复效果。附图说明 [0021] 图1为本发明的自修复剂的结构示意图； [0022] 图2为内部小微胶囊的结构示意图； [0023] 图中标记说明： [0024] 1‑大微胶囊壁材；2‑大微胶囊芯材；3‑纳米增强剂；4‑内部小微胶囊；5‑小微胶囊壁材；6‑小微胶囊芯材；7‑外部大微胶囊。 具体实施方式[0025] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 [0027] 而三聚氰胺甲醛预聚体为自制原料，具体制备方法为：将50ml浓度为36.wt％的甲醛水溶液、27g三聚氰胺加入三口烧瓶，并用三乙醇胺调节反应体系pH为8.5，升温至80℃，搅拌至形成透明液体，随后加入50ml去离子水，继续搅拌15min，得到三聚氰胺甲醛预聚体溶液。 [0028] 其余如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。 [0029] 实施例1： [0030] 参见如图1和图2所示，本实施例提供一种长效复合型微胶囊沥青路面自修复剂，包括外部大微胶囊7与内部小微胶囊4，所述外部大微胶囊7由大微胶囊壁材 1、包裹于大微胶囊壁材1内的大微胶囊芯材2、以及分散于大微胶囊芯材2中的纳米增强剂3组成，所述的内部小微胶囊4分散于所述大微胶囊芯材2中，所述内部小微胶囊4由小微胶囊壁材5与包裹于小微胶囊壁材5内的小微胶囊芯材6组成。 [0031] 本实施例中，大微胶囊壁材和小微胶囊壁材均采用聚三聚氰胺甲醛树脂制成；外部大微胶囊芯材和内部小微胶囊的芯材均为市售ERA‑C沥青再生剂。所述纳米增强剂为PAN基碳纳米纤维，掺量占大微胶囊芯材的2wt.％，外部大微胶囊粒径为30μm，内部小微胶囊的粒径为2μm；外部大微胶囊与内部小微胶囊的壁材与芯材质量比均为1.25:1，内部小微胶囊的掺量约占外部大微胶囊芯材质量的20wt.％。 [0032] 本实施例中的自修复剂的具体制备过程如下： [0033] 将25g苯乙烯马来酸酐(SMA)共聚物作为分散剂，分散于400g去离子水中， 35℃下搅拌2小时；逐滴添加NaOH(10wt.％)溶液，直至pH为10，超声分散 10分钟，获得溶液A。随后，将沥青再生剂加入溶液A，使用高速剪切机以5000rmp 转速剪切15分钟，使其充分乳化，获得混合物乳液B。再将混合物乳液B倒入三口烧瓶，在600rmp搅拌速度下，逐滴加入三聚氰胺甲醛预聚体溶液，同时升温至 85℃，聚合3h；经由离心机得到小微胶囊试样C，并反复用乙醇溶液清洗并干燥。 [0034] 将25g苯乙烯马来酸酐(SMA)共聚物作为分散剂，分散于400g去离子水中， 35℃下搅拌2小时；逐滴添加NaOH(10wt.％)溶液，直至pH为10，超声分散 10分钟，获得溶液D。随后，将0.8g PAN基碳纳米纤维、8g小微胶囊试样C加入40g沥青再生剂，磁力搅拌机搅拌15min后，得到混合物E；随后将混合物E 加入溶液D，使用高速剪切机以2000rmp转速剪切15分钟，使其充分乳化，获得混合物F。再将混合物F倒入三口烧瓶，在500rmp搅拌速度下，逐滴加入三聚氰胺甲醛预聚体，同时升温至85℃，聚合1.5h，缓慢降至室温，经由离心机，并反复用乙醇溶液清洗并干燥，最终得到长效复合型微胶囊。 [0035] 实施例2： [0036] 重复设计实施例1，除了将大微胶囊壁材和小微胶囊的壁材的材质更换为双酚 A型环氧树脂；所制得的外部大微胶囊粒径约为50μm，内部小微胶囊粒径约为5μm。另外，壁材与芯材质量比均为1.5:1，内部小微胶囊掺量占大微胶囊芯材的15wt.％。其中，纳米增强剂为多壁碳纳米管，掺量占大微胶囊芯材1wt.％。 [0037] 将25g苯乙烯马来酸酐(SMA)共聚物作为分散剂，分散于400g去离子水中， 35℃下搅拌2小时，获得溶液A。将15g双酚A型环氧树脂、10g沥青再生剂混合，35℃下置于磁力搅拌机搅拌10min，得到混合液体B。随后将混合液体B加入溶液A，使用高速剪切机以6000rmp转速剪切15分钟，使其充分乳化，获得混合液体C。再将混合液体C倒入三口烧瓶，在600rmp搅拌速度下，逐滴加入质量分数为40wt.％的己二胺溶液，同时升温至70℃，聚合3h；经由离心机得到小微胶囊试样D，并反复用乙醇溶液清洗并干燥。 [0038] 将25g苯乙烯马来酸酐(SMA)共聚物作为分散剂，分散于400g去离子水中， 35℃下搅拌2小时，获得溶液E。将15g双酚A型环氧树脂、10g沥青再生剂、 1g PAN基碳纳米纤维、1.5g小微胶囊试样D混合，35℃下置于磁力搅拌机搅拌 10min，得到混合液体F。随后将混合液体F加入溶液E，使用高速剪切机以5000rmp 转速剪切10分钟，使其充分乳化，获得混合液体G。再将混合液体G倒入三口烧瓶，在500rmp搅拌速度下，逐滴加入质量分数为40wt.％的己二胺溶液，同时升温至70℃，聚合1.5h，缓慢降至室温，经由离心机，并反复用乙醇溶液清洗并干燥，最终得到长效复合型微胶囊。 [0039] 实施例3： [0040] 本实施例还包括将上述长效复合型微胶囊自修复剂引入沥青材料并进行自修复效果评价。 [0041] 将实施例1中所述复合型微胶囊沥青混合料自修复剂加入70号A级道路石油沥青中，掺量为3wt.％；70号A级道路石油沥青软化点为47.5℃，针入度为67 (0.1mm)。采用沥青延度自愈合方法，测试实施例1中长效复合型微胶囊自修复剂的加入对沥青自修复性能的影响。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 (JTG E20‑2011)中T0605‑2011方法成型延度试件，通过刀片在制备好的沥青延度试件中线处预制裂缝，形成清晰且完全湿润的人工裂纹界面；其中试件未破坏深度为延度样品下部保留一枚一元硬币厚度。预制裂缝试件在20℃下静置3h后，进行沥青延度测试直至样品断裂试验终止，得到样品延度(L1)，测试环境温度为5℃，拉伸速度为5cm/min(±5％)。定义自修复后延度(L1)与未经破坏样品延度(L2)比值(L1)/(L2)为沥青延度自愈合率。 [0042] 结果表明，引入3wt.％长效复合型微胶囊自修复剂的沥青延度自愈合率恢复率达到52.4％，而未加入长效复合型微胶囊自修复剂的沥青延度自愈合率仅为9.6％，证实加入本发明所述长效复合型微胶囊自修复剂的沥青具有较为理想的自修复效果。 [0043] 实施例4： [0044] 本实施例还包括将上述长效复合型微胶囊自修复剂引入沥青混合料并进行自修复效果评价。 [0045] 将实施例1中所述长效复合型微胶囊自修复剂加入沥青混合料，其中长效复合型微胶囊自修复剂的添加量为0.5wt.％，所用沥青混合料采用的SMA‑13级配，其中SBS改性沥青含量为5.6wt.％，SBS改性沥青(I‑D型)软化点为72.0℃，针入度为54(0.1mm)。 [0046] 根据振动轮碾成型方法制作400mm×300mm×75mm的沥青混凝土板块，并切割成弯曲梁，采用美国AASHTO T321标准进行应变控制四点弯曲试验并确定沥青混合料疲劳寿命。将达到疲劳结束条件的试件再在20℃下静置48h，之后再次对试件进行上述疲劳试验。采用疲劳寿命恢复率，即愈合后的疲劳寿命/原疲劳寿命，评价沥青混合料的自修复效果。 [0047] 结果表明，引入0.5wt.％长效复合型微胶囊自修复剂的沥青混合料疲劳寿命恢复率达到73.3％，而未加入长效复合型微胶囊自修复剂的沥青混合料疲劳寿命恢复率仅为28.9％，证实加入本发明所述长效复合型微胶囊自修复剂的沥青混合料具有较为理想的自修复效果。 [0048] 对比例1： [0049] 重复设计实施例1，与实施例1相比，绝大部分相同，除省去内部小微胶囊的添加。将上述对比例1所制备的微胶囊自修复剂引入沥青混合料并进行自修复效果评价，其中对比例1自修复剂的添加量为0.5wt.％。采用实施例4所述疲劳寿命恢复率评价沥青混合料的自修复效果。 [0050] 结果表明，采用对比例1中未添加内部小微胶囊自修复剂制备的沥青混合料疲劳寿命恢复率为62.7％，证实加入本发明所述长效复合型微胶囊自修复剂的沥青混合料具有较为理想的自修复效果。 [0051] 对比例2： [0052] 重复设计实施例1，与实施例1相比，绝大部分相同，除省去纳米增强剂PAN 基碳纳米纤维的添加。将上述对比例2所制备的微胶囊自修复剂引入沥青混合料并进行自修复效果评价，其中对比例2自修复剂的添加量为0.5wt.％。采用实施例4 所述疲劳寿命恢复率评价沥青混合料的自修复效果。 [0053] 结果表明，采用对比例2中未添加纳米增强剂PAN基碳纳米纤维制备的沥青混合料疲劳寿命恢复率为66.1％，证实加入本发明所述长效复合型微胶囊自修复剂的沥青混合料具有较为理想的自修复效果。 [0054] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。 |
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