一种利用碳纤维中间体增强沥青混凝土层状结构的方法与流程

本发明属于碳纤维增强沥青混凝土的制备领域，特别是指碳纤维增强树脂基沥青混凝土层状结构设计方法。

背景技术：

1、传统的沥青路面结构在行车荷载和气候的作用下，过早地出现车辙、推移、裂缝和松散等问题，已不能满足公路运输业蓬勃发展的需要。

2、国内外越来越多地运用在沥青中掺加纤维的方法来改善沥青性能。常用纤维包括玻璃纤维、木质素纤维、聚合物纤维。玻璃纤维弹模高、强度高，但抗折性、耐久性较差；木质纤维脆、易吸水腐烂、耐热耐磨性较差；聚合物纤维性能优，但价格高。近年来，美国开发出由芳纶纤维和聚丙烯纤维混杂而成的福塔纤维，性能好，但为了便于在沥青混合料中分散，需要进行预处理，增加了沥青处理成本。

3、随着国家经济的飞速发展，基础设施建设的规模必然愈来愈大，如大型桥梁、大型机场、超大跨、高耸结构、高速公路、铁路，大型建(构)筑物等等，碳纤维复合材料的应用也会越来越广泛。自1969年法国工程师vidal提出加筋土概念后，土工加筋材料相关技术得到了迅猛的发展，近年来，由碳纤维和高分子聚合物合成的土工材料，因其强度高、耐腐蚀、柔性大、运输方便等优点，被广泛应用于路堤、边坡及挡土墙等土工加筋工程，然而本领域技术热员对于有关筋土相互作用的机制和增强原理无法在现有资料中查阅。

4、通过rowe的原型试验表明，铺土工织物可使试验堤的极限强度提高30％以上，甚至提高1倍。基于导电聚合物和碳纤维导电性的原理，本领域技术人员在实验阶段，通过采用碳纤维和高密度聚乙烯基等材料混合的方式得到一种碳纤维/高密度聚乙烯基土工格栅，此种土工格栅在rowe的原型试验中表现的效果尤为明显；但是，采用此种土工格栅材料在实际成型时的组份配比以及成型条件在现有技术中无法获悉。

5、随着碳纤维增强材料研究和应用工作的开展，碳纤维及其复合材料将会在更多工程，尤其是恶劣环境下的工程、沿海和海洋工程、要求高耐久性的工程中应用该技术，这必将导致产业化的形成和发展。

6、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。

7、周知，碳纤维具有优良的导电、导热、耐高温、耐摩擦及耐腐蚀性。碳纤维的电阻率约为20μω·m，电阻率较低，使得碳纤维增强复合材料具备电阻率设计性强、比强高、比重小、力学性能好以及耐腐蚀性能好等优点，是制备高性能沥青混凝土的理想材料。

8、根据我国国情和国外沥青混凝土的发展情况看，沥青混凝土正向着轻量化、耐磨以及载流稳定的方向发展，有望成为新型沥青混凝土的理想材料，所以，公开一种利用碳纤维中间体增强沥青混凝土层状结构的方法是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为克服上述问题，本发明以碳纤维作为中间体增强体，表面处理后获得良好界面结合，通过利用碳纤维中间体增强沥青混凝土层状结构的方法，制备碳纤维增强树脂基沥青混凝土，具备优异自润滑性能以及良好的机械性能，创设性地从复合材料结构本身入手进行结构调控，是沥青混凝土材料的主要发展方向之一。

2、为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种利用碳纤维中间体增强沥青混凝土层状结构的方法，包括：

4、将短切碳纤维、酚醛树脂、丁腈橡胶、鳞片状石墨等的无水乙醇混合液搅拌烘干，热压成型。

5、本申请对碳纤维增强树脂基沥青混凝土的结构进行设计，分析添加不同形态、对沥青混凝土性能的影响，确定层状铺设的碳网为理想结构，通过对层状结构设计使力学性能得到优化，得到抗冲击强度高、耐磨损及良好耦合的新型沥青混凝土材料。

6、在一些实施例中，通过碳纤维液相氧化法表面改性的具体步骤为：kclo3和h2so4混合液中氧化1～2h，去离子水清洗至中性并30～90℃干燥，增强了碳纤维表面含氧官能团的数量，不会生成过多的裂解，而且改变表面的物理化学性质进而提高浸润性。

7、在一些实施例中，将液相氧化后的碳纤维置于0.5～1.5wt％的y-氨丙基三乙基硅烷偶联剂水溶液中处理3～6h，60～100℃干燥12～48h，双官能团可分别与极性的碳纤维、非极性的酚醛树脂键合，牢固碳纤维和树脂基体的界面结合，有效提高复合材料界面结合强度。

8、为了获得理想的碳纤维中间体增强树脂基沥青混凝土结构，按照设计的配比量取实验用到的酚醛树脂、丁腈橡胶、鳞片状石墨等物料，添加无水乙醇，混合均匀后将前述碳纤维浸渍于混合液中，50～70℃烘干备用。然后把表面处理后的碳纤维和成比例量取的酚醛树脂、石墨的无水乙醇溶液在搅拌机中混合均匀，在50～70℃以下烘干。

9、在一些实施案例中，把浸渍后的碳纤维剪裁成模腔大小，烘干后的物料和碳布/碳粉/碳纤维按照设计配比依次填充到模腔，在预设的成型工艺参数条件下压制成型。最后，将压制成型的中间体试样在160～180℃的温度、50～70mpa压力条件下热处理1～3h。

10、在一些实施案例中，制备不同形态的碳：碳粉、碳纤维和碳布，将其和混合均匀的填料按照10～30wt％质量比依次铺入模具中。

11、对比并分析了碳的形态对性能的影响。添加10～30wt％碳布时，电阻率相对降低91.77％。更重要的是，磨损量减少13.21％，冲击强度提高了14.19％，最终确定层状铺设的碳中间体是理想结构。

12、本发明提供了任一上述的方法增强沥青混凝土中增强相碳纤维与基体酚醛树脂的浸润性。

13、本发明还提供了上述的碳纤维中间体增强树脂基沥青混凝土在现代公路领域的广泛应用。

14、本发明的有益效果在于：

15、(1)本专利申请提供一种操作简单，节约时间，效率高，可制备电阻率低、冲击韧性高、耐磨损的碳纤维中间体增强树脂基沥青混凝土，利用液相氧化法和偶联剂涂层法对增强相碳纤维进行改性处理，有效改善树脂基体和碳纤维界面结合性能，同时完成结构设计。该方法能克服现在技术的不足，解决工艺制备复杂的问题，弥补传统沥青混凝土性能的缺陷，满足使用需求。

16、(2)本申请的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。

技术特征：

1.一种利用碳纤维中间体增强沥青混凝土层状结构的方法，其特征在于：

2.如权利要求1所述的一种利用碳纤维中间体增强沥青混凝土层状结构的方法，其特征在于，短切碳纤维在kclo3和h2so4混合液中氧化1～2h，去离子水清洗至中性并30～90℃干燥。

3.如权利要求1所述的一种利用碳纤维中间体增强沥青混凝土层状结构的方法，其特征在于，液相氧化后的短切碳纤维置于0.5～1.5wt％的y-氨丙基三乙基硅烷偶联剂水溶液处理3～6h，60～100℃干燥12～48h。

4.如权利要求1所述的一种利用碳纤维中间体增强沥青混凝土层状结构的方法，其特征在于，酚醛树脂、丁腈橡胶、鳞片状石墨物料，添加无水乙醇，混合均匀后将短切碳纤维浸渍于混合液中，50～70℃烘干。

5.如权利要求1所述的一种利用碳纤维中间体增强沥青混凝土层状结构的方法，其特征在于，短切纤维和成酚醛树脂、石墨的无水乙醇溶液在搅拌机中混合均匀，在50～70℃以下烘干。

6.如权利要求1所述的一种利用碳纤维中间体增强沥青混凝土层状结构的方法，其特征在于，浸渍后的短切碳纤维和碳布剪裁成模腔大小，烘干后的物料和不同型号的碳布按照设计配比依次填充到模具中压制成型；将压制成型的板块试样在160～180℃温度、50～70mpa压力条件下热处理1～3h。

7.如权利要求1所述的碳纤维中间体增强树脂基沥青混凝土的制备方法，其特征在于，将压制成型的沥青混凝土试样在160～180℃的温度、50～70mpa压力条件下热处理1～3h。

8.一种道路路面，其特征在于，路面中含有如权利要求1-7任意一项所公开的碳纤维增强树脂基沥青混凝土。

技术总结本发明涉及一种碳纤维中间体增强树脂基沥青混凝土的层状结构设计方法。本发明制备方法包括以下步骤：步骤1：将碳纤维氧化改性处理；步骤2：步骤1得到的碳纤维水洗至中性并干燥；步骤3：配制1wt％Y‑氨丙基三乙基硅烷偶联剂；步骤4：将步骤2得到的碳纤维置于偶联剂中4h，经去离子水水洗至PH值恒定，80℃干燥24h；步骤5：改性酚醛树脂、鳞片状石墨、碳粉以及丁腈橡胶的无水乙醇混合液均匀涂覆在步骤4得到的碳纤维上，烘干；步骤6：步骤4得到的碳纤维与一定比例的酚醛树脂、石墨以及碳粉的无水乙醇溶液混合均匀并烘干；步骤7：物料以及碳布/碳粉/碳纤维依次填充到模具中，在一定压力下成型制得成品。技术研发人员：邴秋颖,戚云柱,张姗姗,姜盈盈,刘双双,李仕鹏,张磊,李哲浩,侯聪聪,赵帅,杨萍受保护的技术使用者：德达交通建设发展集团有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/16