專利名稱：一種能夠感知應(yīng)力變化的瀝青基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料領(lǐng)域，特別是一種能夠感知應(yīng)力變化的瀝青基復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱瀝青基應(yīng)力傳感材料)及其制備方法。
背景技術(shù)：
瀝青基復(fù)合材料因其特有的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越廣泛地被國(guó)內(nèi)外用來(lái)修建高速公路、橋面鋪裝和飛機(jī)跑道。我國(guó)目前已建成或在建的高速公路中，90％以上采用瀝青基復(fù)合材料路面。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)高速公路每公里約需消耗瀝青350～400噸(按四車道計(jì))，僅公路每年實(shí)際瀝青消耗量已經(jīng)突破600萬(wàn)噸。僅2004年一年，全國(guó)新增高速公路約1萬(wàn)公里就消耗瀝青超過700萬(wàn)噸，其中進(jìn)口瀝青超過200萬(wàn)噸，瀝青生產(chǎn)和應(yīng)用過程中發(fā)生的費(fèi)用超過1000億元人民幣。預(yù)計(jì)到2010年，我國(guó)高速公路總里程將達(dá)到8.5萬(wàn)公里，其中新增里程近5萬(wàn)公里，瀝青消耗量將超過3000萬(wàn)噸，因此瀝青基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響。但目前對(duì)瀝青基結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力狀況和變形的診斷主要依靠外部觀察，它耗費(fèi)大量的人力和物力，更重要的是無(wú)法發(fā)現(xiàn)早期損害和內(nèi)部應(yīng)力狀況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有本征智能和新型功能的瀝青基應(yīng)力傳感材料，在不損害材料本身性能的前提下，對(duì)施加在材料上面的荷載所產(chǎn)生的變形能夠感知，且反應(yīng)靈敏，從而為監(jiān)測(cè)高速公路、橋面鋪裝、機(jī)場(chǎng)跑道等大型基礎(chǔ)設(shè)施使用的瀝青基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全具有重要的意義。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案本發(fā)明提供的瀝青基復(fù)合材料，含有包括瀝青、粗集料、細(xì)集料和礦物質(zhì)填料的復(fù)合材料，在復(fù)合材料中摻入導(dǎo)電材料，形成一種能夠感知應(yīng)力變化的瀝青基復(fù)合材料；導(dǎo)電材料的摻入量占復(fù)合材料總重量的百分比為30～50。
本發(fā)明采用以下的三層次拌和后成型工藝，制備能夠感知應(yīng)力變化的瀝青基復(fù)合材料。
(1)將溫度為160～180℃左右的粗集料、細(xì)集料與碳纖維首先拌和100～110秒，然后加入160～180℃的瀝青再攪拌80～95秒，最后將礦粉、石墨以及碳黑加入混合料內(nèi)繼續(xù)攪拌120～30秒，直至各種料完全均勻混合；碳纖維、石墨以及碳黑為導(dǎo)電材料，其摻入量占瀝青材料總重量百分比的30～50，(2)擊實(shí)成型，采用馬歇爾擊實(shí)法，將導(dǎo)電瀝青混凝土兩面各擊75次；或者采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型，旋轉(zhuǎn)次數(shù)為N初始＝9，N設(shè)計(jì)＝125，N最大＝205；或者采用輪碾法成型，往返碾壓16～20次。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下主要的突出效果本發(fā)明提供的能夠感知應(yīng)力變化的瀝青基復(fù)合材料，是在傳統(tǒng)瀝青復(fù)合材料中，摻入適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電相材料，改善其導(dǎo)電性能，實(shí)現(xiàn)絕緣-導(dǎo)電轉(zhuǎn)變，用其作為結(jié)構(gòu)的一部分，在受到諸如反復(fù)行車荷載，氣候條件等外部條件作用時(shí)，其應(yīng)力、應(yīng)變、疲勞裂紋甚至老化等即可通過由于瀝青路面微觀結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致的電學(xué)性能的變化做出響應(yīng)。作為一種本征智能材料，在不損害材料本身性能的前提下，對(duì)施加在材料上面的應(yīng)力能夠進(jìn)行感知，且反應(yīng)靈敏，成本低廉，它在高速公路、橋面鋪裝、機(jī)場(chǎng)跑道等大型基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測(cè)方面展現(xiàn)出了良好而廣闊的應(yīng)用前景。作為一種新型的功能材料，應(yīng)力傳感瀝青基復(fù)合材料的研究與開發(fā)，使瀝青基復(fù)合材料能夠感受荷載所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷與變形，使對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施工程進(jìn)行實(shí)時(shí)的、長(zhǎng)期的安全健康監(jiān)測(cè)成為可能，對(duì)道路及機(jī)場(chǎng)等瀝青基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全具有重要的意義。
本發(fā)明提供了一種能對(duì)各種力學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的材料。由于在受到力學(xué)刺激后，材料的電阻也將跟著發(fā)生相應(yīng)的變化，通過建立受壓時(shí)的力學(xué)特性與電性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由電學(xué)性能變化逆推力學(xué)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)力感應(yīng)。本發(fā)明能夠在不影響瀝青基復(fù)合材料其它相關(guān)性能的前提下進(jìn)行材料組成設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)絕緣-導(dǎo)電轉(zhuǎn)變，并能夠?qū)ν饬ψ饔米龀龈哽`敏度、高重復(fù)性、高可靠性響應(yīng)，它使得道路及機(jī)場(chǎng)的瀝青路面實(shí)施長(zhǎng)期的安全健康監(jiān)測(cè)成為可能。


圖1為最大荷載為14KN，最小荷載為500N，循環(huán)荷載的頻率為10HZ，每次循環(huán)都采用相同荷載，循環(huán)之間停頓20秒條件下應(yīng)變與電阻率變化關(guān)系曲線圖。
圖2為最大荷載為20KN，最小荷載為50N，循環(huán)荷載的頻率為10HZ，每次循環(huán)都采用相同荷載，循環(huán)之間停頓20秒條件下應(yīng)變與電阻率變化關(guān)系曲線圖。
圖3為最小荷載為300N，最大荷載為14KN，循環(huán)荷載的頻率為10HZ，每次循環(huán)荷載逐漸增加，循環(huán)之間不停頓條件下應(yīng)變與電阻率變化關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種能對(duì)各種力學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的材料，其含有包括瀝青、粗集料、細(xì)集料和礦物質(zhì)填料的復(fù)合材料，在復(fù)合材料中摻入導(dǎo)電材料。導(dǎo)電材料的摻入量占復(fù)合材料總重量的百分比為30～50。
上述的瀝青可采用重交A-70、90、110等型號(hào)的產(chǎn)品。
上述的導(dǎo)電材料可采用碳黑、石墨粉、碳纖維中的一種，或者它們?nèi)叩幕旌衔?。摻入此?dǎo)電材料后，可使瀝青基應(yīng)力傳感材料具有10～103Ω·cm的電阻率。在受到荷載和其他力學(xué)反應(yīng)后，材料的電阻將隨之發(fā)生改變，依據(jù)電阻變化與力學(xué)反應(yīng)之間的規(guī)律就可以感知材料內(nèi)部的應(yīng)力狀況和結(jié)構(gòu)變化。當(dāng)瀝青混凝土受到壓縮循環(huán)荷載作用的時(shí)候，它的電阻將隨著荷載作用時(shí)間的增加逐漸發(fā)生改變，也就是所謂的壓敏性1.如圖1所示，最大荷載為14KN，最小荷載為500N，循環(huán)荷載的頻率為10HZ，而且每次循環(huán)都采用相同荷載，循環(huán)之間停頓20秒時(shí)，瀝青混凝土的變形由于其彈性特征也發(fā)生循環(huán)改變，其輸出電阻變化也隨著應(yīng)變進(jìn)行有規(guī)律的循環(huán)改變，雖然因?yàn)闉r青的粘性特征，應(yīng)變和電阻變化都有一定的滯后效應(yīng)，但由于中間有間隔20秒，大部分變形來(lái)得及恢復(fù)，所以滯后效應(yīng)不是很明顯。
2.如圖2所示，最大荷載為20KN，最小荷載為50N，循環(huán)荷載的頻率為10HZ，而且每次循環(huán)都采用相同荷載，循環(huán)之間停頓20秒時(shí)，電阻隨著壓力的變化而有規(guī)律地變化。
3.如圖3所示，最小荷載為300N，最大荷載為14KN，循環(huán)荷載的頻率為10HZ，但是每次循環(huán)荷載逐漸增加，循環(huán)之間不停頓時(shí)，瀝青混凝土的應(yīng)變由于其彈性特征也在發(fā)生明顯的循環(huán)改變，但是由于中間有沒有停頓，永久變形逐漸增大，但是電阻變化依然隨著壓應(yīng)力有規(guī)律的變化。
本發(fā)明提供的瀝青基應(yīng)力傳感材料，因其比現(xiàn)有技術(shù)具有更加突出的優(yōu)點(diǎn)，因此更適合應(yīng)用于高速公路、飛機(jī)跑道等的路面。
本發(fā)明提供的瀝青基應(yīng)力傳感材料，其制備方法為將集料加熱后與溫度相當(dāng)?shù)囊簯B(tài)瀝青拌和，然后加入礦粉拌和，再加入導(dǎo)電相材料拌和均勻后，最后壓實(shí)成型。具體如下1.當(dāng)摻入石墨、碳黑作為導(dǎo)電相材料時(shí)的制備方法如下(1)依照GBJTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，選擇符合要求的粗集料、細(xì)集料和礦粉填料。將現(xiàn)有級(jí)配AC、Superpave、SMA等結(jié)構(gòu)和級(jí)配設(shè)計(jì)理論充分結(jié)合，優(yōu)化和改良原有級(jí)配，找出最佳級(jí)配，使其顆粒組成具有足夠的礦料間隙填充大量的導(dǎo)電相材料。導(dǎo)電相材料可采用碳纖維、石墨以及碳黑，其作為礦粉填料的一部分引入，其摻入量占瀝青材料總重量百分比的30～50。
(2)材料組成與電性能、路用性能之間最佳組合的設(shè)計(jì)。在保證其馬歇爾穩(wěn)定度、回彈模量、動(dòng)穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度等路用性能的前提下，使其電阻率保持在10～103Ω·cm之間。
(3)將溫度為160～180℃的粗集料、細(xì)集料加入160～180℃的重交瀝青攪拌80～95秒，然后將礦粉、石墨以及碳黑加入混合料內(nèi)繼續(xù)攪拌120～130秒，直至各種料均完全均勻混合，在溫度高于130℃以前將混合料采用馬歇爾擊實(shí)、輪碾或旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型。
(4)成型的同時(shí)將兩組不銹鋼電極或銀電極埋入混合料內(nèi)，電極的接觸電阻與材料本身的電阻相比可以忽略不計(jì)。
2.當(dāng)摻入碳纖維和碳纖維與石墨、碳黑等混在改性時(shí)的制備方法如下(1)同上述制備方法步驟1；(2)同上述制備方法步驟2；(3)將溫度為170℃左右的粗集料、細(xì)集料與碳纖維首先拌和100～110秒，然后加入170℃的重交瀝青再攪拌80～95秒，最后將礦粉、石墨以及碳黑加入混合料內(nèi)繼續(xù)攪拌120～30秒，直至各種料均完全均勻混合，在溫度高于130℃以前將混合料采用馬歇爾擊實(shí)、輪碾或旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型。
下面借助于具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步的說明。
采用下述的原材料，按前述的制備方法，分別采用AC、SMA和Superpave級(jí)配制備瀝青基應(yīng)力傳感材料。
原材料石墨粉；碳黑；短切碳纖維；重交瀝青A-70、A-90、A-110；集料玄武巖，最大粒徑為19mm，分為19～9.5mm，9.5～4.75mm，4.75～2.36mm和小于2.36mm四種；礦物質(zhì)填料親水系數(shù)0.9，主要化學(xué)成分CaO 51.5％，SiO21.76％，例如選用石灰石礦粉。
實(shí)施例1采用AC-10I型級(jí)配制備瀝青基應(yīng)力傳感材料表1AC-10I瀝青混合料的合成級(jí)配設(shè)計(jì)

石墨、碳纖維改性瀝青基應(yīng)力傳感材料瀝青用量7％，石墨用量為瀝青重量的32％，碳纖維用量0.6％。電阻率為475.4Ω·cm，可以對(duì)500N以上的應(yīng)力進(jìn)行感知；石墨、碳黑、碳纖維改性瀝青基應(yīng)力傳感材料瀝青用量6.5％，石墨用量38％，碳黑用量用量2％，碳纖維用量0.6％，電阻率25.3Ω·cm，可以對(duì)50N以上的應(yīng)力進(jìn)行感知。
實(shí)施例2Superpave12.5型級(jí)配制備瀝青基應(yīng)力傳感材料表2 Superpave12.5瀝青基傳感材料的合成級(jí)配設(shè)計(jì)

石墨、碳纖維改性瀝青基應(yīng)力傳感材料瀝青用量7％，石墨用量為瀝青重量的32％，碳纖維用量0.6％。電阻率為498.3Ω·cm，可以對(duì)500N以上的應(yīng)力進(jìn)行感知；石墨、碳黑、碳纖維改性瀝青基應(yīng)力傳感材料瀝青用量6.5％，石墨用量38％，碳黑用量用量2％，碳纖維用量0.6％，電阻率35.3Ω·cm，可以對(duì)50N以上的應(yīng)力進(jìn)行感知。
實(shí)施例3SMA13型級(jí)配制備瀝青基應(yīng)力傳感材料表3 SMA13瀝青基傳感材料的合成級(jí)配設(shè)計(jì)

石墨、碳纖維改性瀝青基應(yīng)力傳感材料瀝青用量7％，石墨、碳纖維用量分別為瀝青重量的30％，0.6％。電阻率為209.4Ω·cm，可以對(duì)500N以上的應(yīng)力進(jìn)行感知；石墨、碳黑、碳纖維改性瀝青基應(yīng)力傳感材料瀝青用量6.5％，石墨、碳纖維用量、碳黑用量分別為瀝青重量的48％，0.6％，2％，電阻率56.8Ω·cm，可以對(duì)50N以上的應(yīng)力進(jìn)行感知。
權(quán)利要求
1.一種瀝青基復(fù)合材料，含有包括瀝青、粗集料、細(xì)集料和礦物質(zhì)填料的復(fù)合材料，其特征是在復(fù)合材料中摻入導(dǎo)電材料，形成一種能夠感知應(yīng)力變化的瀝青基復(fù)合材料；導(dǎo)電材料的摻入量占瀝青材料總重量百分比的30～50。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瀝青基復(fù)合材料，其特征是導(dǎo)電材料為碳黑、石墨粉、碳纖維中的一種，或者它們?nèi)叩幕旌衔铩?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瀝青基復(fù)合材料，其特征是采用重交A-70、90、110瀝青材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瀝青基復(fù)合材料，其特征在于所述的能夠感知應(yīng)力變化的瀝青基復(fù)合材料，其電阻率為10～103Ω·cm。
5.一種瀝青基復(fù)合材料的制備方法，其特征是采用三層次拌和后成型工藝制備能夠感知應(yīng)力變化的瀝青基復(fù)合材料，具體步驟是(1)將溫度為160～180℃的粗集料、細(xì)集料與碳纖維首先拌和100～110秒，然后加入160～180℃的瀝青再攪拌80～95秒，最后將礦粉、石墨以及碳黑加入混合料內(nèi)繼續(xù)攪拌，直至各種料完全均勻混合；碳纖維、石墨以及碳黑為導(dǎo)電材料，其摻入量占瀝青材料總重量百分比的30～50，(2)擊實(shí)成型，采用馬歇爾擊實(shí)法，將導(dǎo)電瀝青混凝土兩面各擊75次；或者采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型，旋轉(zhuǎn)次數(shù)為N初始＝9，N設(shè)計(jì)＝125，N最大＝205；或者采用輪碾法成型，往返碾壓16～20次。
6.一種能夠感知應(yīng)力變化的瀝青基復(fù)合材料，應(yīng)用于高速公路、橋面鋪裝或飛機(jī)跑道的路面。
全文摘要
本發(fā)明是一種能夠感知應(yīng)力變化的瀝青基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明提供的瀝青基復(fù)合材料，含有包括瀝青、粗集料、細(xì)集料和礦物質(zhì)填料的復(fù)合材料，在復(fù)合材料中摻入導(dǎo)電材料，形成一種能夠感知應(yīng)力變化的瀝青基復(fù)合材料；導(dǎo)電材料的摻入量占復(fù)合材料總重量的百分比為30～50。本發(fā)明提供的制備方法為將集料加熱后與溫度相當(dāng)?shù)囊簯B(tài)瀝青拌和，然后加入礦粉拌和，再加入導(dǎo)電相材料拌和均勻后，最后壓實(shí)成型。本發(fā)明能夠在不影響瀝青基復(fù)合材料其它相關(guān)性能的前提下進(jìn)行材料組成設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)絕緣－導(dǎo)電轉(zhuǎn)變，并能夠?qū)ν饬ψ饔米龀龈哽`敏度、高重復(fù)性、高可靠性響應(yīng)，它使得道路及機(jī)場(chǎng)的瀝青路面實(shí)施長(zhǎng)期的安全健康監(jiān)測(cè)成為可能。
文檔編號(hào)C08K3/00GK1837289SQ20061001884
公開日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2006年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月20日
發(fā)明者吳少鵬, 劉小明, 李波, 邱健, 葉群山, 磨煉同, 龐凌, 高博 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)