嵌入修复剂充填玻璃短丝的沥青混凝土自修复技

摘　要：本文使用嵌入修复剂充填玻璃短丝的沥青混凝土自修复方案，通过实验研究填充修复剂的玻璃短丝释放修复剂的特性，沥青压实过程中玻璃短丝破损情况和沥青劈裂试验中的玻璃短丝破损情况来最终确定了合适的玻璃短丝的规格。

关键词：沥青自修复，玻璃短丝

　　自修复又称自愈合，是生物的重要特征之一，人们把产生缺陷时在无外界作用的情况下，材料本身自我判断、控制和恢复的能力称为自修复。
　　沥青材料在刚开始出现老化或者裂缝的时候，如果在此时就进行修复的工作，则修复的效果要好于完全老化之后在进行修复。使用自修复的意义就在于是沥青在自身发生外界无法感知的老化反应的时候，就能够出发自身进行修复，来充分延长自身的寿命，降低路面的成本，同时也能够保护环境。
　　近年来进行沥青和沥青混合料自愈合实验室研究的研究者不少，主要有Little，Kim，和Shen，Kim和Roque，Pronk和Maillard等人。目前，沥青和沥青混合料具有一定的自愈合能力己被研究者普遍接受。本文研究沥青自修复的可行方案，主要依靠玻璃短丝这一载体，将其中封装入修复剂，并将其嵌入到沥青混合料当中。
用于自修复的玻璃短丝研究
　　本实验所用修复液玻璃短丝，载体为玻璃短丝套管，用环氧树胶内封修复试剂于玻璃短丝套管内。
1.1 玻璃短丝材料性能要求
1.1.1 玻璃短丝材料性能特点
　　玻璃材料：高硼硅玻璃管，具有1级耐水性能，1级耐酸性能，A2级耐碱性能
　　热膨胀系数：（20-300℃）3.30*10-6K-1
　　软化点（℃）：820
玻璃短丝对沥青性能的影响
玻璃短丝分布在骨料颗粒间隙之间，与沥青直接接触，不发生任何反应。由于玻璃短丝不参与铺面结构骨架构成，对铺面的结构特性无直接影响。玻璃短丝的软化点较高，不影响沥青的热稳定性。
1.2用于自修复实验的玻璃短丝制作
1.2.1修复液填充
　　采用沥青加热烘箱加热沥青修复剂至130摄氏度。将玻璃短丝一端浸没于修复液中，并连同修复液放置于真空抽气机中。抽出空气，修复液将逐渐填充玻璃短丝。当修复液填充至玻璃短丝80%~90%，将玻璃短丝拿出，并横置于阴凉处。
1.2.2玻璃短丝切割与封装
　　待修复液冷却至常温，可以按照试验所需玻璃短丝长度进行切割。本实验所用玻璃短丝长度分三个对照组，分别为0.5cm，1.0cm，2.0cm。将切割成型的玻璃短丝按组有序排列在桌面上。用玻璃棒蘸取环氧树胶，涂于玻璃短丝两端，使玻璃短丝两端口充分包裹。环氧树脂凝结成膜，并封住玻璃短丝端口，使修复液不溢出。在环氧树胶未完全凝胶之前，将玻璃短丝从环氧中取出，仅保留头尾两端的环氧树胶团。待环氧树胶凝结成胶，刮去玻璃短丝两端多余环氧树胶，并按组收归于一处。
1.3 玻璃短丝修复液释放特性研究
1.3.1玻璃短丝型号
　　为了研究不同内径玻璃短丝内修复剂的释放规律，实验选用了三种不同内外径的玻璃短丝做对比实验。表1-3-1-1为三种玻璃短丝的型号，图1-3-1-1为电子显微镜扫描的玻璃短丝图像。
　　
（图1-3-1-1）
1.3.2玻璃短丝胶囊修复剂释放特性分析
　　实验过程
　　通过压实实验确定玻璃短丝胶囊长度，制作不同内径尺寸且未用环氧基树脂封口的含修复剂的玻璃短丝胶囊
　　静置该玻璃短丝胶囊，分别观察24h，48h，及72h后修复剂的溢出比例
　　实验结果及数据分析
　　实验结果

　　

表（1-3-2-1）为不同内径及长度尺寸玻璃短丝胶囊内修复剂在不同时间点的释放状况。在长度选择上，其范围都在5-10mm之间。选择这个范围长度的原因在于在压实实验以后剥离出的玻璃短丝胶囊中，长度2mm的基本上都破裂掉了。断裂后的玻璃短丝胶囊除完全碎掉的，以及剩余的玻璃短丝胶囊其长度都在5-10mm之间。所以选择对这个长度范围内的玻璃短丝胶囊进行修复剂释放规律的分析。
（表1-3-2-1）
　　图（1-3-2-1）为电子显微镜扫描拍照的实验中的玻璃短丝胶囊。
　细管4号搁置24小时之后            中管8号搁置72小时之后            刚做好的粗管
　　（图1-3-2-1）
　　数据分析

　　
　　图（1-3-2-2）为不同管径玻璃短丝胶囊的平均释放率。图（1-3-2-3）为不同长度尺寸中管玻璃短丝胶囊中修复剂在不同时间的释放率对比。图（1-3-2-4）则为不同管径玻璃短丝胶囊在不同时间其单位长度释放量折线图。图（1-3-2-5）为不同长度尺寸中管玻璃短丝胶囊中修复剂在不同时间的单位长度玻璃短丝胶囊释放量对比。
　　在不考虑后续实验的情况下，做出定性分析如下：随着管径的增加，修复剂的平均释放率是增加的，单位长度修复剂的释放量也是增加的；相同管径条件下，随着玻璃短丝胶囊长度的增加，修复剂的平均释放率是降低的，而修复剂的单位长度释放量在6~8mm间并没有明显变化，超过8mm后释放量降低。
　　所以玻璃短丝胶囊的长度在6~8mm间较为有利，此外，管径较粗，修复剂的释放量也随之增加。然而，管径越大，玻璃短丝的破碎概率也就更高。
　　

2.填充修复剂的玻璃短丝的沥青自修复技术研究
2.1 玻璃短丝的修复机理
　　实验所探索的玻璃短丝的修复机理为在沥青铺面将要老化的时候，沥青变得坚硬，同时随着沥青所受应力的增大，当达到沥青的最大受压极限的时候，沥青出现裂缝，随之而来的是会将嵌在其中的玻璃短丝所折断，使得其中的修复剂能够释放出来进行修复已经出现裂缝的受损的沥青铺面。
2.2 玻璃短丝自修复性能评价
2.2.1 评价指标
　　玻璃短丝的在混入沥青混合料的时候，会经过几个阶段：
　　1.与沥青混合料共同搅拌，铺在路面上后进行压实；
　　2.沥青变硬同时使得玻璃短丝紧紧嵌在沥青当中；
　　3.当铺面结构受到极限压力的时候，沥青产生局部的裂缝，撕裂开来。
因而，通过在第一阶段的时候的玻璃丝断裂率和第三阶段的时候玻璃丝断裂率作为评价沥青自修复玻璃短丝的指标。若第一阶段的断裂率越低，第三阶段的断裂率越高，则越能说明该沥青自修复的玻璃短丝的性能越佳。
2.2.2 试验设计与分析
　　通过压实的实验来模拟沥青在拌合与压实的过程；通过劈裂实验并且到达最大受压强度便停止加压的劈裂实验来模拟沥青受极限压力的情况。
压实试验
　　标准击实仪，标准击实台，试验室用沥青混合料拌和机，脱模器，试模，烘箱，天平或电子秤，沥青运动粘度测定设备，插刀或大螺丝刀，温度计，电炉或煤气炉，沥青熔化锅，拌合铲，标准筛，滤纸（或普通纸），胶布，卡尺，秒表，粉笔，棉纱等。[11]
　　　2 准备工作
　　沥青

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混合料拌合温度为170摄氏度。玻璃短丝各种规格所方的数量为（右表）：
　　　3 选择集料
　　　4 成型
　　4.1 按照马歇尔标准击实法的成型

　　4.2 在击实完毕后，迅速使用脱模机将磨具脱下，趁热把试件切开，把找到的玻璃短丝找出来。
　　　5 实验结果分析
　　统计的结果为右表，数据为未断个数找到的数。
    可见2cm长度的玻璃短丝就已经能够在压实实验中大量得断裂，而0.5cm和1cm的短丝断裂情况相似，可以有用作修复剂载体的潜力。对于不同的粗细的玻璃短丝，粗丝最不容易断裂，而细丝和中丝情况类似。
2.2.2.2  劈裂试验
　　　1 仪具与材料
　　试验机，位移传感器，压条：上下各一根，劈裂试验夹具，卡尺，天平，记录纸，胶皮手套等。[11]
　　　2方法与步骤
　　2.1 准备工作
　　2.1.1 根据规定，制作圆柱体试件。圆柱体试件内部所放的玻璃短丝的数量和规格为：
　　
　　2.1.2 按测定试件的直径及高度，准确至0.1mm。在试件两侧通过圆心画上对称的十字标记。
　　2.2 试验步骤
　　2.2.1 将做好的试件常温放置一天，待其干硬。之后取出，将其放置在烘箱当中，常温2小时。
　　2.2.2 迅速安装试件变形测定装置，水平变形测定装置应对准水平轴并位于中央位置，垂直变形的支座与下支座固定，上端支于上支座上。
　　2.2.3 将记录仪与荷载及位移传感器连接，选择好适宜的量程开关及记录速度，当以压力机压头的位移作为垂直变形时，宜采用50mm/min加载。
　　　3 实验结果与分析
　　
右表为统计的到的未断的个数与找到的个数，对比压实实验可知对于5cm的玻璃短丝，劈裂的强度可能还不足以使得它断裂，但是对于1cm的玻璃短丝，劈裂已经接近它断裂的临界点，有相当一部分的玻璃短丝在此时能够断裂开来，说明该长度的玻璃短丝有作为修复剂载体的潜力。
　　再横向对比各个管径的玻璃短丝，劈裂使它们在压实实验后受损的比例相似。所以，1cm左右的中丝和细丝都具有一定的受压力后断裂的能力。
2.3 适用于沥青自修复的玻璃短丝确定
经过上述一系列的实验，我们建议使用长度为1cm左右的内径0.8mm，外径1.2mm左右的玻璃短丝作为沥青自修复的修复剂载体。这样的玻璃短丝能够在压实的时候大部分保存完整，在沥青受压力极限的时候能够部分破裂，并且能够在72h之内将其中的修复剂释放出来。
3  结语
　　本文着眼于沥青的老化，修复机理为使用脆性的玻璃短丝混于沥青混合料中，通过试验确定适宜沥青

　　

自修复的玻璃短丝。然而沥青老化是一个非常复杂的问题，本方案仅仅在实验室做过压实与劈裂的实验，未能真实模拟沥青老化，因而更多后续实验还有待完成。

参考文献：

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