一种自愈合沥青材料及其制备方法与应用

1.本发明涉及道路工程材料技术领域，具体涉及一种自愈合沥青材料及其制备方法与应用。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.交通运输系统在国民经济的发展中具有前导性和基础性作用。我国绝大部分公路均采用沥青混凝土路面，在车辆的反复作用下，沥青混凝土路面逐渐开裂，损坏，因此，公路，特别是高速公路的养护维修需求迫在眉睫。
4.目前对于旧路路面裂缝等病害的处理措施主要包括裂缝填封法、修复剂喷涂法等方法，但这些养护维修方法不仅工艺繁琐而且成本很高，不利于实际工程的需要。虽然过去研究人员结合金属导电相的掺入和电磁加热形式提出了自修复沥青的概念，但由于金属导电相尺径过大，实际应用过程中会导致局部加热温度过高，造成沥青老化，而其余部分加热不充分不能实现理想的自修复目的。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种自愈合沥青材料及其制备方法与应用，所述自愈合沥青材料基于碳纳米管/石墨烯/橡胶复合改性，实现高性能沥青自愈合路面铺筑及裂缝的自修复。
6.为了达到上述目的，本发明的技术方案如下所述：
7.一种自愈合沥青材料，所述材料的制备方法包括将碳纳米管(cnt)、石墨烯及橡胶粉通过不同的混合分散工艺制备碳纳米管/石墨烯/橡胶复合改性的自愈合沥青材料，大大提高改性沥青的路用性能，并通过电磁感应或微波的形式加热自愈合沥青材料，增加沥青的自愈合能力。
8.现有技术中有研究已经将碳纳米管或石墨烯用于沥青的改性，但是这些改性大多是针对沥青力学性能的改进；现有技术中还没有研究将碳纳米管或石墨烯与橡胶结合制备自愈合改性沥青。本发明中纳米材料碳纳米管和石墨烯的添加主要作为导电相材料或吸波材料，使改性沥青具备吸波和导电的能力；同时两者的杂化对于材料的导电性具有协同改善作用，可通过电生热和磁生热技术快速实现沥青的热愈合；聚合物橡胶添加的作用包括协助分散和增加愈合能力，一方面橡胶粉在热沥青中的溶胀、降解和脱硫反应不仅会加速橡胶的溶解，也可以将碳纳米管和石墨烯的分散“移植”到橡胶的溶解过程，提高碳纳米管和石墨烯在沥青中的分散均匀性，避免自愈合沥青加热不充分、不均匀等问题；另一方面橡胶改性沥青提高了沥青高温下的流动特性，增加了裂缝处沥青接触的可能，可有效提高沥青的自愈合能力。
9.具体的，在本发明的第一方面，提供一种自愈合沥青材料，以质量百分数计包括：0.1％
‑
10％碳纳米管、0.1％
‑
10％石墨烯、1％
‑
30％橡胶粉、70％
‑
95％基质沥青。
10.优选的，所述自愈合沥青材料以质量分数计包括：1％
‑
5％碳纳米管、1％
‑
5％石墨烯、1％
‑
10％橡胶粉、80％
‑
95％基质沥青。
11.在本发明的第二方面，提供一种第一方面所述自愈合沥青材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
12.(a1)将碳纳米管和石墨烯加入熔融沥青中，人工搅拌，直到碳纳米管和石墨烯完全进入基体；
13.(a2)采用高速剪切的方法来分散碳纳米管和石墨烯，使得碳纳米管和石墨烯在沥青中充分分散；
14.(a3)向步骤(2)得到的混合物中加入熔融橡胶，机械搅拌，在混合过程中恒温加热，即制得自愈合沥青材料。
15.或者，所述制备方法包括以下步骤：
16.(b1)将碳纳米管和石墨烯分散在熔融橡胶中，通过挤出的方式制得碳纳米管/石墨烯/橡胶复合材料；
17.(b2)采用高速剪切的方法，将制备的碳纳米管/石墨烯/橡胶复合材料分散在熔融沥青中；
18.(b3)高速剪切完成后再进行机械搅拌，搅拌混合的过程中进行恒温加热，即制得自愈合沥青材料。
19.优选的，步骤(a2)和(b2)中以1000
‑
10000rpm的速度进行高速剪切30
‑
60分钟；
20.优选的，步骤(a3)和(b3)中所述搅拌混合的转速为100
‑
2000rpm，搅拌混合的时间为60
‑
100分钟；所述恒温加热的温度设定为160
±
1℃，通过套上电加热套保持温度恒定。
21.在本发明的第三方面，提供一种第一方面所述自愈合沥青材料的自愈合方法，所述自愈合沥青材料在发生老化开裂或疲劳开裂而产生局部的微裂纹后，采用如下两种方法加热自愈合沥青材料，修复其内部的微裂缝：
22.方法一包括以下步骤：对自愈合沥青材料两端用导电银胶粘贴电极，接入交流电，通过电生热的方式，使自愈合沥青材料温度升高至100摄氏度以上，快速修复自愈合沥青材料内部的微裂缝；
23.优选的，所述交流电的电压为36v，通电时间为1h
‑
12h；
24.方法二包括以下步骤：将自愈合沥青材料用微波装置进行加热，借助微波的形式加热自愈合沥青材料，修复自愈合沥青材料内部的微裂缝。
25.本发明的具体实施方式具有以下有益效果：
26.本发明具体实施方式中制得的自愈合沥青材料，使用碳纳米管/石墨烯/橡胶复合改性，不仅增加了沥青材料的自愈合性能，使其在微波或电感的作用下短时间内实现修复沥青材料内部微裂缝的可能；碳纳米管和石墨烯两者的杂化对于材料的导电性具有协同改善作用，可通过电生热和磁生热技术快速实现沥青的热愈合；而且碳纳米管、石墨烯和橡胶也对基质沥青起到改性的效果，显著提高了沥青材料的路用性能。
27.聚合物橡胶添提高碳纳米管和石墨烯在沥青中的分散均匀性，避免自愈合沥青加热不充分、不均匀等问题；提高了沥青高温下的流动特性，增加了裂缝处沥青接触的可能，
可有效提高沥青的自愈合能力。
28.本发明具体实施方式中结合使用碳纳米管、石墨烯和橡胶复配来改善沥青，实现了以低剂量的碳纳米管和石墨烯对沥青性能进行改进，使得改性成本得以降低，有良好的应用前景。
29.本发明采用的聚合物橡胶粉均取自废旧橡胶轮胎，可缓解废旧轮胎带来的环境污染问题，所以更具有应用前景。
附图说明
30.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
31.图1为本发明实施例1制得的胶粉改性自愈合沥青材料的车辙因子随废胶粉粒径的变化曲线；
32.图2为本发明实施例1制得的基于碳纳米管/石墨烯/橡胶复合改性的自愈合沥青材料老化处理出现微裂缝后在36v安全电压通电加热前后的微观电镜图片；
33.其中，图2a为老化处理后的微观电镜图片，图2b为通电加热愈合微裂缝后的微观电镜图片。
具体实施方式
34.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
35.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
36.本发明的一种实施方式中，提供了一种自愈合沥青材料，以质量百分数计包括：0.1％
‑
10％碳纳米管、0.1％
‑
10％石墨烯、1％
‑
30％橡胶粉、70％
‑
95％基质沥青。
37.优选的，所述自愈合沥青材料以质量分数计包括：1％
‑
5％碳纳米管、1％
‑
5％石墨烯、1％
‑
10％橡胶粉、80％
‑
95％基质沥青。
38.本发明的一种实施方式中，提供了一种上述自愈合沥青材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
39.(a1)将碳纳米管和石墨烯加入熔融沥青中，人工搅拌，直到碳纳米管和石墨烯完全进入基体；
40.(a2)采用高速剪切的方法来分散碳纳米管和石墨烯，使得碳纳米管和石墨烯在沥青中充分分散；
41.(a3)向步骤(2)得到的混合物中加入熔融橡胶，机械搅拌，在混合过程中恒温加热，即制得自愈合沥青材料。
42.或者，所述制备方法包括以下步骤：
43.(b1)将碳纳米管和石墨烯分散在熔融橡胶中，通过挤出的方式制得碳纳米管/石
墨烯/橡胶复合材料；
44.(b2)采用高速剪切的方法，将制备的碳纳米管/石墨烯/橡胶复合材料分散在熔融沥青中；
45.(b3)高速剪切完成后再进行机械搅拌，搅拌混合的过程中进行恒温加热，即制得自愈合沥青材料。
46.优选的，步骤(a2)和(b2)中以1000
‑
10000rpm的速度进行高速剪切30
‑
60分钟；
47.优选的，步骤(a3)和(b3)中所述搅拌混合的转速为100
‑
2000rpm，搅拌混合的时间为60
‑
100分钟；所述恒温加热的温度设定为160
±
1℃，通过套上电加热套保持温度恒定。
48.本发明的一种实施方式中，提供了一种上自愈合沥青材料的自愈合方法，所述自愈合沥青材料在发生老化开裂或疲劳开裂而产生局部的微裂纹后，采用如下两种方法加热自愈合沥青材料，修复其内部的微裂缝：
49.方法一包括以下步骤：对自愈合沥青材料两端用导电银胶粘贴电极，接入交流电，通过电生热的方式，使自愈合沥青材料温度升高至100摄氏度以上，快速修复自愈合沥青材料内部的微裂缝；
50.优选的，所述交流电的电压为36v，通电时间为1h
‑
12h；
51.方法二包括以下步骤：将自愈合沥青材料用微波装置进行加热，借助微波的形式加热自愈合沥青材料，修复自愈合沥青材料内部的微裂缝。
52.下面结合具体的实施例对本发明进行进一步的解释和说明。
53.实施例1
54.(1)称取1g cnt和1g石墨烯加入190g熔融基质沥青中，用玻璃棒进行人工搅拌，直到碳纳米管完全进入沥青基体；
55.(2)进一步采用高速剪切的方法来分散cnt和石墨烯，以5000rpm的速度进行高速剪切50分钟；
56.(3)最后在混合物中加入8g熔融橡胶粉，用机械搅拌器以1500rpm的速度混合80分钟，在混合过程中，温度设定为160
±
1℃并通过套上电加热套保持温度恒定。制得基于碳纳米管/石墨烯/橡胶复合改性的自愈合沥青材料。
57.本实施例先将cnt和石墨烯经过人工搅拌加高度剪切进行充分分散到基质沥青中，再加入熔融橡胶分散到前述混合物中，所述基于碳纳米管/石墨烯/橡胶复合改性的自愈合沥青材料中碳纳米管、石墨烯、橡胶和基质沥青的质量比为0.5：0.5：4：95。
58.实施例2
59.(1)先将2.5g cnt和2.5g石墨烯分散在15g熔融橡胶中，通过挤出的方式分散cnt和石墨烯在橡胶中，从而制得碳纳米管/石墨烯/橡胶复合材料。
60.(2)将制备的20g碳纳米管/石墨烯/橡胶复合材料分散在180g熔融沥青中，以6000rpm的速度进行高速剪切60分钟，再用机械搅拌器以2000rpm的速度混合100分钟，在混合过程中，温度设定为160
±
1℃并通过套上电加热套保持温度恒定。制得基于碳纳米管/石墨烯/橡胶复合改性的自愈合沥青材料。
61.本实施例先将cnt和石墨烯通过挤出分散的方式充分分散到橡胶基体中，再将制得的碳纳米管/石墨烯/橡胶复合材料加入熔融沥青中，采用高速剪切进行分散，所述基于碳纳米管/石墨烯/橡胶复合改性的自愈合沥青材料中碳纳米管、石墨烯、橡胶和基质沥青
的质量比为0.5：0.5：3：16。
62.实施例1和实施例2制得的基于碳纳米管/石墨烯/橡胶复合改性的自愈合沥青材料均具有良好的导电性能，并对沥青具有一定的改性效果。
63.图1展示了不同粒径橡胶粉改性沥青材料的抗车辙性能改性效果，图1描述了车辙因子g*/sin(δ)随橡胶粉粒径的变化曲线，车辙因子越大表示抗车辙能力越强，由图可以看出，改性沥青车辙因子随胶粉粒径增加而增大，适当的橡胶粒径及掺量对提高沥青的性能具有显著作用。
64.将实施例1制得的自愈合沥青材料在旋转薄膜烘箱中进行短期老化，老化后的微观电镜图片如附图2a所示，通过图片可以看出，沥青老化处理后，其内部分布着微小裂缝，在微观电镜扫描下清晰可见；通过对老化开裂后的自愈合沥青材料两端用导电银胶粘贴电极，接入36v安全电压的交流电，通电1h后再观察沥青材料的形貌图，如附图2b所示，通过电生热的方式，通电1h可使自愈合沥青材料温度升高至100℃以上，快速修复自愈合沥青材料内部的微裂缝。
65.对比例1
66.(1)称取2g石墨烯加入198g熔融基质沥青中，用玻璃棒进行人工搅拌，直到石墨烯完全进入沥青基体；
67.(2)进一步采用高速剪切的方法来分散石墨烯，以5000rpm的速度进行高速剪切50分钟，之后再以1500rpm的速度混合80分钟，在混合过程中，温度设定为160
±
1℃并通过套上电加热套保持温度恒定，制得基于石墨烯改性的自愈合沥青材料。
68.本对比例只选取石墨烯单一导电物质作为自愈合沥青的导电相材料，通过对本对比例制得的自修复沥青接入36v安全电压的交流电，需要5h才可使形貌图中的可观裂缝消失；且通电1h的温度仅升高至62℃，自修复效率大大下降。
69.对比例2
70.(1)称取2g碳纳米管加入198g熔融基质沥青中，用玻璃棒进行人工搅拌，直到碳纳米管完全进入沥青基体；
71.(2)进一步采用高速剪切的方法来分散碳纳米管，以5000rpm的速度进行高速剪切50分钟，之后再以1500rpm的速度混合80分钟，在混合过程中，温度设定为160
±
1℃并通过套上电加热套保持温度恒定。制得基于碳纳米管改性的自愈合沥青材料。
72.本对比例只选取碳纳米管单一导电物质作为自愈合沥青的导电相材料，通过对本对比例制得的自修复沥青接入36v安全电压的交流电，需要3h才可使形貌图中的可观裂缝消失；且通电1h的温度仅升高至79℃，自修复效率大大下降。
73.对比例3
74.在热熔沥青中加入8g熔融橡胶粉，用机械搅拌器以5000rpm的速度进行高速剪切50分钟，之后再以1500rpm的速度混合80分钟，在混合过程中，温度设定为160
±
1℃并通过套上电加热套保持温度恒定。制得基于橡胶改性的自愈合沥青材料。
75.本对比例只选取橡胶最为改性材料未掺加石墨烯或碳纳米管等导电材料，通过对本对比例制得的改性沥青接入36v安全电压的交流电，8h仍不能使裂缝消失；且通电1h的温度并无明显升高，无自修复效果。
76.对比例4
77.(1)称取1g cnt和1g石墨烯加入198g熔融基质沥青中，用玻璃棒进行人工搅拌，直到碳纳米管完全进入沥青基体；
78.(2)进一步采用高速剪切的方法来分散cnt和石墨烯，以5000rpm的速度进行高速剪切50分钟，之后再以1500rpm的速度混合80分钟，在混合过程中，温度设定为160
±
1℃并通过套上电加热套保持温度恒定。制得基于碳纳米管/石墨烯改性的自愈合沥青材料。
79.本对比例添加了碳纳米管和石墨烯复合导电物质作为自愈合沥青的导电相材料，而未掺加橡胶作为改性材料，通过对本对比例制得的自修复沥青接入36v安全电压的交流电，需要2h可使形貌图中的可观裂缝消失；且通电1h的温度仅升高至83℃，自修复效率大大下降。
80.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。