一种基于橡胶颗粒和应变控释胶囊的自愈合沥青混凝土的制作方法

1.本发明涉及有机高分子化合物技术领域，具体涉及一种基于橡胶颗粒和应变控释胶囊的自愈合沥青混凝土。


背景技术：

2.沥青路面性能优越，在公路交通中发挥着越来越重要的作用，有力支撑了国民经济的快速发展。然而，由于交通荷载及自然环境的作用，沥青路面极易老化并在温度和荷载作用下产生微裂纹，进而发展成裂缝、松散、坑槽等宏观病害，严重降低路面耐久性。
3.目前，在沥青路面出现宏观病害之前进行修复，是国内外学者倡导的先进沥青路面养护理念。海藻酸钙胶囊因其具有弹性和应变控释特性，可在行车荷载作用下因弹性收缩释放内部的修复剂，从而起到软化沥青和愈合微裂纹的作用，从而实现沥青路面出现宏观病害前的修复。
4.但是，在实际的工程使用中，为了防止海藻酸钙胶囊在沥青混合料拌合与压实过程中破裂，所用的海藻酸钙胶囊强度较高，且沥青混合料刚性大、荷载作用下变形量小，导致海藻酸钙胶囊中的修复剂难以及时释放，制约了其对沥青混凝土的愈合效果。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于橡胶颗粒和应变控释胶囊的自愈合沥青混凝土，采用的技术方案如下：
6.第一方面，提供了一种基于橡胶颗粒和应变控释胶囊的自愈合沥青混凝土；
7.自愈合沥青混凝土包括：沥青、集料、矿粉、橡胶颗粒和应变控释型自愈合胶囊；沥青为4.5～6％，橡胶颗粒对集料中细集料的体积替代率为25％～35％，应变控释型自愈合胶囊的掺量为0.54％～1％。
8.进一步的，橡胶颗粒为具有良好回弹性能的天然橡胶，弹性模量为2.0～2.5mpa，橡胶颗粒的粒径为2.36～4.75mm。
9.进一步的，应变控释型自愈合胶囊的掺量按以下公式计算：
10.y＝x
×
7％/(ab)
11.在上式中，y表示应变控释型自愈合胶囊的掺量，x表示沥青用量，a表示应变控释型自愈合胶囊中沥青修复剂的含量，b表示循环荷载作用下应变控释胶囊修复剂的最高释放率。
12.第二方面，提供了一种自愈合沥青混凝土的制备方法，包括以下步骤：
13.将粗、细集料和橡胶颗粒加热至175℃，沥青加热至160℃；
14.将粗、细集料和橡胶颗粒保持温度为165～175℃，搅拌1分钟；
15.加入沥青、矿粉和应变控释型自愈合胶囊继续搅拌1分钟；
16.在160～165℃下，采用轮碾法成型含有橡胶颗粒和应变控释型自愈合胶囊的自愈合沥青混凝土。
17.第三方面，提供了一种应变控释型自愈合胶囊，应变控释型自愈合胶囊为弹性多腔室胶囊，直径为1.6～2.3mm，壁材为海藻酸钙，芯材为沥青修复剂；沥青修复剂含量为50～70％；胶囊的屈服强度为15～20n。
18.进一步的，应变控释型自愈合胶囊用于制备第一方面提供的自愈合沥青混凝土。
19.第四方面，提供了一种应变控释型自愈合胶囊的制备方法，包括以下步骤：
20.常温下将海藻酸钠溶解于水中，配置成浓度为2.0％～2.5％的海藻酸钠溶液；
21.将浓度为2.0％～2.5％的海藻酸钠溶液与沥青再生剂进行混合，得到的海藻酸钠和沥青再生剂的混合液，混合液中海藻酸钠和沥青再生剂的质量比为10:1～7:1；
22.在磁力搅拌作用下，将海藻酸钠和沥青再生剂的混合液滴入的氯化钙溶液中，氯化钙溶液的浓度为2.5％～3％；
23.待海藻酸钠和沥青再生剂的混合液全部滴入氯化钙溶液后，继续搅拌；
24.经自来水洗涤、通风干燥后，得到应变控释型自愈合胶囊。
25.进一步的，将浓度为2.0％～2.5％的海藻酸钠溶液与沥青再生剂进行混合时，剪切速率为4000～5000转/分钟，剪切时间为10～15分钟。
26.进一步的，在进行磁力搅拌时，转速为50～100转/分钟。
27.进一步的，将海藻酸钠和沥青再生剂的混合液滴入的氯化钙溶液时，以60～100滴/分钟的速率滴入，氯化钙溶液的温度保持为50～55℃。
28.由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：
29.利用掺入的橡胶颗粒的弹性能够提高沥青混凝土的荷载作用下的变形量，促进应变控释胶囊及时释放修复剂，提高胶囊对沥青混凝土的愈合效果，且橡胶颗粒的回弹性能可提高沥青混凝土的变形恢复能力，增强沥青混凝土本身的自愈合性能。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
31.图1为本发明一实施例的自愈合沥青混凝土制备方法流程示意图；
32.图2为本发明一实施例的应变控释型自愈合胶囊制备方法流程示意图。
具体实施方式
33.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
34.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
35.实施例1
36.本实施例提供了一种应变控释型自愈合胶囊，制备方法包括以下步骤：
37.常温下将40g海藻酸钠溶解于2000ml水中，配置成浓度为2.0％的海藻酸钠溶液。
38.待海藻酸钠溶液冷却至室温后，与200g沥青再生剂进行混合，混合时：剪切速率为
4000转/分钟、剪切时间为15分钟。得到的海藻酸钠和沥青再生剂的混合液，海藻酸钠和沥青再生剂的质量比为10:1。
39.在50转/分钟的磁力搅拌作用下，将海藻酸钠和沥青再生剂的混合液以60滴/分钟的速率滴入50℃、230ml的2.5％氯化钙溶液中。
40.待海藻酸钠和沥青再生剂的混合液全部滴入氯化钙溶液后，继续搅拌反应3h；经自来水洗涤、通风干燥24h得到应变控释型自愈合胶囊。
41.制备的应变控释型自愈合胶囊为弹性多腔室胶囊，其直径为1.6mm，壁材为海藻酸钙，芯材为沥青修复剂，沥青修复剂含量为50％；胶囊的屈服强度为20n，能够在荷载作用下因胶囊弹性收缩释放腔室中的芯材。
42.实施例2
43.本实施例提供了一种应变控释型自愈合胶囊，制备方法包括以下步骤：
44.常温下将50g海藻酸钠溶解于2000ml水中，配置成浓度为2.5％的海藻酸钠溶液。
45.待海藻酸钠溶液冷却至室温后，与286g沥青再生剂混合。混合时：剪切速率为5000转/分钟，剪切时间为10分钟。得到的海藻酸钠和沥青再生剂的混合液，海藻酸钠和沥青再生剂的质量比为7:1。
46.在100转/分钟的磁力搅拌作用下，将海藻酸钠和沥青再生剂的混合液以100滴/分钟的速率滴入55℃、240ml的3.0％氯化钙溶液中。
47.待海藻酸钠和沥青再生剂的混合液全部滴入氯化钙溶液后，继续搅拌反应4h；经自来水洗涤、通风干燥24h得到应变控释型自愈合胶囊。
48.制备的应变控释型自愈合胶囊为弹性多腔室胶囊，其直径为2.3mm，壁材为海藻酸钙，芯材为沥青修复剂，沥青修复剂含量为70％；胶囊的屈服强度为15n，能够在荷载作用下因胶囊弹性收缩释放腔室中的芯材。
49.实施例3
50.本实施例提供了一种基于橡胶颗粒和应变控释胶囊的自愈合沥青混凝土，制备方法包括以下步骤：
51.采用ac-13级配，沥青用量为4.5％，橡胶颗粒对细集料的体积替代率为25％，选用的橡胶颗粒为具有良好回弹性能的天然橡胶，弹性模量为2.0mpa，橡胶颗粒的粒径为2.36～4.75mm。选用实施例1或2中制备得到的应变控释型自愈合胶囊，自愈合胶囊的掺量根据以下公式计算得到：
52.y＝x
×
7％/(ab)
53.在上式中，y表示应变控释型自愈合胶囊的掺量，x表示沥青用量，a表示应变控释型自愈合胶囊中沥青修复剂的含量，b表示循环荷载作用下应变控释胶囊修复剂的最高释放率，取85％，因当沥青修复剂释放率超过85％后，胶囊内残余的修复剂将难以再释放。
54.在本实施例中，自愈合胶囊的掺量＝4.5％
×
7％/50％/85％＝0.74％。
55.将粗、细集料和橡胶颗粒加热至175℃，沥青加热至160℃，开动搅拌器，加入粗、细集料和橡胶颗粒，保持温度为165～175℃，搅拌1分钟，再加入沥青、矿粉和应变控释型自愈合胶囊继续搅拌1分钟；最后在160～165℃下，采用轮碾法成型含有橡胶颗粒和应变控释型自愈合胶囊的自愈合沥青混凝土；轮碾法为现有技术中制备沥青混合料的一种方法。
56.采用上述材料、方法和步骤，保持应变控释型自愈合胶囊的掺量不变，制备不掺橡
胶颗粒的自愈合沥青混凝土。
57.将成型的两种自愈合沥青混凝土切割成小梁试件后，在-10℃下进行三点弯曲试验使试件断裂，然后将试件放在模具中并对试件施加60000次循环荷载，间歇48小时再次对试件进行三点弯曲试验和红外光谱试验。试验结果表明：不掺橡胶颗粒的试件断裂强度恢复到初始强度的55％、断裂能恢复到初始断裂能的69％、胶囊的释放率为52％；掺有橡胶颗粒的试件的断裂强度恢复到初始强度的79％、断裂能恢复到初始断裂能的120％、红外光谱测试显示胶囊的释放率为82％，说明掺入的橡胶颗粒可促进自愈合胶囊及时释放修复剂、提高沥青混凝土的自愈合性能。
58.实施例4
59.采用sma-13级配，各原料所占质量百分数为：沥青6.0％，粗、细集料85.3％，矿粉8.7％，按照实施例3的步骤和方法制备sma型沥青混凝土，其中应变控释型自愈合胶囊的掺量为1％；再利用橡胶颗粒替代30％细集料，制备掺有橡胶颗粒的sma型沥青混凝土，选用的橡胶颗粒为具有良好回弹性能的天然橡胶，弹性模量为2.5mpa，橡胶颗粒的粒径为2.36～4.75mm。
60.按照实施例3的方法测试两种沥青混凝土的愈合性能，结果表明，对试件施加60000次循环荷载并愈合48h后，两种沥青混凝土的强度恢复率分别为45％和62％，说明掺入的橡胶颗粒可增强沥青混凝土本身的自愈合性能。
61.实施例5
62.采用superpave-12.5级配，沥青用量为4.6％，橡胶颗粒对细集料的体积替代率为35％，选用的橡胶颗粒为具有良好回弹性能的天然橡胶，弹性模量为2.5mpa，橡胶颗粒的粒径为2.36～4.75mm。应变控释型自愈合胶囊的掺量为0.54％，0.54％＝4.6％
×
7％/70％/85％。
63.将粗、细集料和橡胶颗粒加热至175℃，沥青加热至160℃，开动搅拌器，加入粗、细集料和橡胶颗粒，保持温度为165～175℃，搅拌1分钟，再加入沥青、矿粉和应变控释型自愈合胶囊继续搅拌1分钟；最后在160～165℃下，采用轮碾法成型含有橡胶颗粒和应变控释型自愈合胶囊的自愈合沥青混凝土。
64.采用上述材料、方法和步骤，保持应变控释型自愈合胶囊的掺量不变，制备不掺橡胶颗粒的自愈合沥青混凝土。
65.将成型的两种自愈合沥青混凝土切割成小梁试件后，在-10℃下进行三点弯曲试验使试件断裂，然后将试件放在模具中并对试件施加70000次循环荷载，间歇48小时再次对试件进行三点弯曲试验和红外光谱试验。试验结果表明：不掺橡胶颗粒的试件断裂强度恢复到初始强度的64％、断裂能恢复到初始断裂能的79％、胶囊的释放率为61％；掺有橡胶颗粒的试件的断裂强度恢复到初始强度的87％、断裂能恢复到初始断裂能的182％、红外光谱测试显示胶囊的释放率为83％，明掺入的橡胶颗粒可促进自愈合胶囊及时释放修复剂、提高沥青混凝土的自愈合性能。
66.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方
案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

技术特征：
1.一种基于橡胶颗粒和应变控释胶囊的自愈合沥青混凝土，其特征在于，包括：沥青、集料、矿粉、橡胶颗粒和应变控释型自愈合胶囊；沥青为4.5～6％，橡胶颗粒对集料中细集料的体积替代率为25％～35％，应变控释型自愈合胶囊的掺量为0.54％～1％。2.根据权利要求1所述的自愈合沥青混凝土，其特征在于，所述橡胶颗粒为具有良好回弹性能的天然橡胶，弹性模量为2.0～2.5mpa，橡胶颗粒的粒径为2.36～4.75mm。3.根据权利要求1所述的自愈合沥青混凝土，其特征在于，所述应变控释型自愈合胶囊的掺量按以下公式计算：y＝x
×
7％/(ab)在上式中，y表示应变控释型自愈合胶囊的掺量，x表示沥青用量，a表示应变控释型自愈合胶囊中沥青修复剂的含量，b表示循环荷载作用下应变控释胶囊修复剂的最高释放率。4.一种用于制备权利要求1所述自愈合沥青混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将粗、细集料和橡胶颗粒加热至175℃，沥青加热至160℃；将粗、细集料和橡胶颗粒保持温度为165～175℃，搅拌1分钟；加入沥青、矿粉和应变控释型自愈合胶囊继续搅拌1分钟；在160～165℃下，采用轮碾法成型含有橡胶颗粒和应变控释型自愈合胶囊的自愈合沥青混凝土。5.一种应变控释型自愈合胶囊，其特征在于；所述应变控释型自愈合胶囊为弹性多腔室胶囊，直径为1.6～2.3mm，壁材为海藻酸钙，芯材为沥青修复剂；所述沥青修复剂含量为50～70％；胶囊的屈服强度为15～20n。6.根据权利要求5所述的应变控释型自愈合胶囊，其特征在于，用于制备权利要求1所述的自愈合沥青混凝土。7.一种用于制备权利要求5所述应变控释型自愈合胶囊的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：常温下将海藻酸钠溶解于水中，配置成浓度为2.0％～2.5％的海藻酸钠溶液；将浓度为2.0％～2.5％的海藻酸钠溶液与沥青再生剂进行混合，得到的海藻酸钠和沥青再生剂的混合液，混合液中海藻酸钠和沥青再生剂的质量比为10:1～7:1；在磁力搅拌作用下，将海藻酸钠和沥青再生剂的混合液滴入的氯化钙溶液中，氯化钙溶液的浓度为2.5％～3％；待海藻酸钠和沥青再生剂的混合液全部滴入氯化钙溶液后，继续搅拌；经自来水洗涤、通风干燥后，得到应变控释型自愈合胶囊。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，将浓度为2.0％～2.5％的海藻酸钠溶液与沥青再生剂进行混合时，剪切速率为4000～5000转/分钟，剪切时间为10～15分钟。9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在进行磁力搅拌时，转速为50～100转/分钟。10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，将海藻酸钠和沥青再生剂的混合液滴入的氯化钙溶液时，以60～100滴/分钟的速率滴入，所述氯化钙溶液的温度为50～55℃。

技术总结
本发明提供了一种基于橡胶颗粒和应变控释胶囊的自愈合沥青混凝土与其制备方法。该混凝土由沥青、集料、矿粉、橡胶颗粒和具有应变控释特性的自愈合胶囊组成，按常规沥青混凝土进行配比设计，利用橡胶颗粒等体积替代部分2.36～4.76mm档集料，外掺0.54％～1％应变控释型自愈合胶囊，采用轮碾法碾压成型制备。其中掺入橡胶颗粒一方面可提高沥青混凝土的弹性以及行车荷载作用下的变形量、促进应变控释胶囊释放修复剂，另一方面能够提高沥青混凝土的弹性恢复能力、增强沥青混凝土本身的自愈合性能；掺入应变控释型胶囊在循环荷载作用下能够及时释放所包覆的沥青修复剂，从而达到自动软化老化沥青和愈合沥青混凝土中微裂纹的目的。化老化沥青和愈合沥青混凝土中微裂纹的目的。化老化沥青和愈合沥青混凝土中微裂纹的目的。


技术研发人员：伍杰 王全磊 周游 杨治攀 胡博文 周浩南 张含伟 王火明 徐周聪 周启伟
受保护的技术使用者：招商局重庆交通科研设计院有限公司
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/5