用于沥青混合料中不影响其机械性能的自愈合微胶囊外文翻译资料

 2022-07-18 19:39:44

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用于沥青混合料中不影响其机械性能的自愈合微胶囊

T. Al-Mansoori a, R. Micaelo a,b,c, I. Artamendi d, J. Norambuena-Contreras a,e, A. Garcia a

a:诺丁汉交通工程中心，英国诺丁汉大学公园诺丁汉大学土木工程学院

b:葡萄牙卡帕里卡NOVA里斯本大学,DEC, FCT2829-516

c:葡萄牙帕里卡里斯本大学CERIS, CESUR1049-001

d:英国德贝郡DE6 3ET聚合工业英国有限公司

e: MAT实验室，智利康塞普西翁Biacute;o-Biacute;o大学土木与环境工程系

强调：

制造含有葵花籽油的海藻酸钙微胶囊。

微胶囊不影响沥青混合料的机械性能。

提出了微胶囊作用下沥青自修复的新方法。

微胶囊引起沥青自我修复的显着改进。

摘要：在这项研究中，含有可通过机械触发释放其内容的植物油的海藻酸钙胶囊已在沥青混合料中制成并混合，以改善其天然自我修复特性。第一次评估了含有这些胶囊的沥青混合料的物理，机械和自愈合性能。使用了含三种不同的胶囊修复剂的样品，其中油与沥青的比例分别为1.1,2.8和5.5。胶囊与沥青混合料牢固结合，结果表明在水敏感性，颗粒损失和永久变形试验中，具有与含有和不含胶囊的沥青相似的机械性能。这表明用于沥青自愈合的胶囊可以在道路上安全使用，而不会影响其质量。包含胶囊的沥青刚度稍低，通过减小胶囊的尺寸可以容易地解决未来的问题。此外，设计和测试了一种测试包含胶囊的沥青的新方法。 发现含胶囊的裂解沥青混合料在20℃下恢复了初始强度的52.9％，而没有胶囊的沥青混合料的恢复率则为14.0％。

关键字：沥青混合料 裂纹愈合 修复剂封装 胶囊的影响 机械测试

  1. 介绍

沥青混合料由大小范围从几微米到2-3厘米的矿物集料（90％体积分数）和沥青（10％体积分数）组成，是最广泛使用的路面铺装材料。集体为沥青提供结构稳定性，而沥青（一种具有温度依赖性粘度的流体）将集体结合在一起。对于制备沥青混合料，集体和沥青必须在大约180℃混合在一起，以便用沥青涂覆集体。之后，材料被机械压实以在约140℃达到最大的集体堆积[1]。

经过若干年后，交通荷载，氧气，紫外线辐射，热循环和环境湿度的影响导致沥青和氧化沥青的微裂纹（微细聚集体包裹体中的沥青）[2]。水分通过菲克扩散浸渍沥青[3]并降低对聚集体的粘附力[4]。机械负载随后产生界面裂缝，这加速了水的渗透，直到需要维护。然而，已经证明，将沥青引入微裂缝可以使它们愈合[5]。根据沥青类型，排水流量为20-30℃以上的牛顿流体，并且可以使用N-S方程作为粘度，重力和表面能的函数来预测[5]。由于沥青在环境温度下是一种粘度非常高的液体，沥青自我修复发生在数天内[6]。然而，由于交通的反复流动，裂缝的增长速度可能会大于愈合速度，因此宏观裂缝仍可能形成[7]。

通过在混合过程中添加含有修复剂的胶囊，沥青自我修复可以从几天加速到几秒。这个想法是，这些胶囊在沥青路面上将保持不活动几年一个外部因素，例如，过度的负荷，触发释放修复剂将溶解微胶囊周围的沥青[8]。因此，粘合剂可以很容易地流入裂缝中，并且加速了自愈。以前的研究人员已经制备了用于沥青自愈的胶囊。例如，通过使用（1）脲醛原位聚合[9]封装修复剂，甲醇 - 三聚氰胺 - 甲醛[10]或苯酚 - 甲醛[11]，（2）海藻酸钠在氯化钙溶液中的离子胶凝[12]和（3）用修复剂饱和多孔聚集体并用环氧树脂和水泥[8]。一般而言，胶囊可以抵抗混合和压实操作，并且由于加载而释放修复剂[13]。此外，在沥青[14,15]和沥青混合料[12]中已经显示由胶囊引起的裂缝愈合。然而，含有回春剂的胶囊的发展仍处于早期阶段，它们对沥青混合料耐久性的影响尚不清楚。

国际研究界强烈怀疑胶囊可能影响沥青路面的耐久性和性能。例如，在沥青混合料中释放回春剂会损害承载能力和抗永久变形，剥落，渗色等。另外，正如Gilabert等人报道的那样[16]。他们在数值上研究了界面结合强度和嵌入聚合物基质胶囊周围的应力集中的影响，胶囊可以影响应力集中模式以及道路裂缝的萌生和扩展。此外，根据作者的经验，使用现有的测试方法测试含有胶囊的胶囊的自愈性能是困难的。

因此，本文的目的是提供一个关于海藻酸钙胶囊对沥青混合料机械性能和自愈合性能影响的概述。为此，基于工业常用的标准化测试，已经在含有胶囊的沥青混合物中进行了广泛的实验程序。标准测试方案用于评估最重要的性能，例如水敏感性，颗粒损失，劲度模量，车辙抵抗力和疲劳。此外，还有一项测量自愈合特性的新测试设计并使用含胶囊的沥青混合物来产生本文中的自愈合结果。

2原材料及测试方法

本章介绍了此研究的技术方案，参见图1。

2.1胶囊

笔者制作了平均直径为2.9mm的海藻酸钙胶囊（参见图2），采用的是以前的研究中描述的材料和程序[12]。修复剂是葵花籽油，它在以前的研究中被用作修复剂[17-19]。用于制造胶囊的材料是（1）海藻酸钠（C6H7O6Na）（Sigma-Aldrich），（2）氯化钙（CaCl 2）（Sigma-Aldrich）和（3）葵花籽油（East End，UK）。首先，通过将60g油和15g海藻酸钠在600ml水中溶解再以3,000次/分钟的高剪切速率混合来制备乳液。之后，将该乳液引入具有3mm插口的滴液漏斗中，使用磁力搅拌器在连续搅拌下滴入用600ml水和12g氯化钙制备的氯化钙溶液中。允许胶囊留在溶液中直到包封过程结束。最后，将微胶囊用去离子水洗涤并通过将它们放入40℃的电干燥器中进行干燥12小时。表1列出了在[12]中获得的胶囊的尺寸和强度性能，其中显示它们能够在沥青混合和压实后存活。

2.2沥青混合料

本研究选择沥青混凝土混合物采用AC20的级配和40/60的沥青，参见EN13108-1。沥青选择40/60的道路沥青。这些骨料是Tunstead公司的石灰石，表2列出了沥青混合料的骨料级配和体积性能。以三个不同的胶囊含量的质量比例加入总混合物，进行测试，含量分别为0.10％; 0.25％和0.50％。这些值分别对应于大约沥青质量的1.1％，2.8％和5.5％。此外，在参考文献[12]中得出结论这些胶囊可以在混合和压实过程中将油释放到混合物中。因此，在第3.1节中详细介绍的等量的葵花籽油被添加到没有胶囊的沥青混合物中，以区分由胶囊引起的自愈和制造过程中释放的油引起的自愈。假定混合和压实期间释放的油均匀分散在沥青混合物中。

使用装有螺旋水平混合轴的实验室混合器，在实验室中以大约14kg的批量生产沥青混合物。将骨料和粘合剂分别在160℃预热12小时和4小时，而胶囊是没有预先加热。将全部材料在160℃下以125转/分钟混合2分钟，以充分分散。然后，将混合物转移到模具中进行后续压实。

本研究采用圆柱形和棱柱形样本测试。棱形标本，大约150*100*60mm3，从使用实验室辊压机压实达到5％的空气空隙含量的306*306*60mm3的板材中切割出来的。圆柱形样品大概直径为100mm高为50mm，将被旋转式压实机压实到倾角为2.0°和静压为650kPa的状态。在压实过程中不超过250转。

2.3胶囊释放的油量

衰减全反射 - 傅立叶变换红外光谱（ATR-FTIR），用Bruker Tensor 27光谱仪测量，用于测定胶囊在沥青混合和压实过程中释放的油量。太阳能油在1745cm-1处有一个明显的吸收峰，而沥青没有它，见图3。测试设置在吸收模式为400-4000cm-1，分辨率为4cm-1。通过比较损坏胶囊释放的油与引入胶囊中的所有油的百分比，计算油释放测量值。使用红外光谱下的归一化面积来表示混合物中的油[30]。使用三种油与沥青的比例来模拟破碎所有胶囊后油的完全释放，分别为1.1％，2.8％和5.5％，这分别相当于胶囊含量为沥青混合料总质量的0.10％，0.25％和0.50％。对于取胶粘样，将压实的沥青试样被加热到100℃，用手破碎，用热刀从粗骨料表面收集胶粘样品。为了计算胶囊释放的油量，根据其胶囊含量，将沥青混合料的红外曲线下的归一化面积与油改性的沥青混合料样品的归一化面积进行比较。

2.4劲度模量及抗疲劳性

在圆柱形试样中通过间接拉伸试验确定疲劳断裂前的刚度模量和循环次数。 首先使用相同的试样来测试刚度模量，然后测试疲劳失效。

按照EN 12697-26 [20]标准中规定的方法测量刚度模量。测试在20C下完成。沿垂直直径施加五个加载循环，调整幅度以实现0.005％样本直径的目标峰值瞬态水平变形。水平变形通过两个线性可变差动变压器（LVDT）在刚性框架中彼此相对安装进行测量。考虑泊松比为0.35并且调整到0.6的载荷面积系数，计算每个加载周期的刚度模量。因此，在测试温度下每个测试样本的刚度模量取作在两个垂直直径上测量的值的平均值。

然后使用与之前相同的加载方案将沥青试样加载至疲劳失效[21]。测试在20C下进行。 标本以负载控制模式加载。如[20]中所定义的，每个试样的载荷水平定义为引起最大初始拉伸水平应力（rxmax）600 kPa。

2.5水敏感性分析

海藻酸钙胶囊的再水化可能会危及内部油脂的保存[22]。同样，胶囊的膨胀可能会影响胶囊/胶粘剂的粘合。采用标准EN 12697-12 [23]中定义的方法A来评估含胶囊沥青试验样品中饱和加速水调节的影响。有了这个目的，两个标本的子集的条件如下：

a）干燥组，圆柱形标本在温度控制的室内于20℃下养护72小时;

b）湿润组，圆柱形样品在40℃水中养护72小时。在将样品置于水浴中之前，将样品在真空容器中饱和30分钟，使用标准中定义的残余压力6.7kPa。

最后，使用间接拉伸测量水敏感性圆柱形试样的强度（ITS）方法，遵循EN 12697-23标准 [24]，试验温度25℃。每个材料子集使用三个样本。

2.6颗粒损失测试

使用标准EN12697-17 [25]中定义的颗粒损失测试来评估含胶囊的沥青混合料的耐久性。测试方法包括将一个样品放在洛杉矶机器鼓内，没有钢球，并以30转/分钟旋转300次。一种材料的颗粒损失定义为五个试样的平均值。单个测试样本的颗粒损失（PL）被确定为：

(1)

其中W1是初始试样质量（g）; W2是试验后试样的质量。

该测试是在三种不同类型的测试样品中完成的：

a）圆柱形试样在温度控制室中在20℃下放置24小时;

b）圆柱形试样在水中，40℃，72小时，测试前，20℃，2小时;

c）裂缝愈合试验后的棱柱试样（2.8节描述），在20℃的温度控制室中养护24小时。

试验配置b）用于补充ITS测试中的水敏感性分析，配置c）用于评估软化沥青在沥青中的愈合后对颗粒损失强度的影响。

2.7永久形变

按照标准DD226：1996 [26]中定义的方法，将沥青试样在单轴循环压缩下加载，无侧向变形，以评估抗永久变形的能力。 圆柱形试样在其表面加载1800个循环，在加载之间有1秒的休息时间周期。在每个循环中施加100kPa的负荷应力（r）1秒。在30℃的温度下进行试验，试样在此温度下预处理至少4h。使用三种不同的试验变量评价沥青试样的永久变形抗力。首先，n次循环后的试样的累积轴向应变（ed）为：

(2)

△h是试件的累积轴向变形量（mm）; h0是试样的初始高度（mm）。

其次，n次循环后试样的动载荷刚度模量（S）为：

（3）

根据以前的结果，可以确定轴向应变演化的三个不同阶段。第三，试验第二阶段（稳定增长）的变形积累（sd）[27]的斜率为：

(4)

△hnf和△hni分别是nf和ni样品周期性的轴向变形（mm）。

2.8裂缝恢复测试

开发了一种评估沥青混合料裂缝恢复效率的新测试方法。这种方法可以模拟交通荷载造成的胶囊损坏。根据裂纹的强度恢复来量化沥青自愈率。通过三点弯曲（3PB）实验测量的沥青样本，参见图4-A。 为了便于在测试过程中形成单个裂纹表面，在中点处在底表面上刻出5mm深度的横向凹口的试样。3PB以2毫米/分钟的加载速率和在20℃下进行，直到试样破裂成两块，见图4-A。

3PB测试后，从

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