Модификация асфальтобетонных смесей для холодных регионов с использованием микрокапсулированных материалов с фазовым переходом
Материалы с фазовым переходом (PCM) могут использоваться для регулирования температуры дорожных покрытий, чтобы избежать повреждений при низких температурах, когда асфальтовые материалы становятся хрупкими и склонными к растрескиванию. Имея это в виду, различные асфальтовые смеси модифицировали микроинкапсулированными материалами с фазовым переходом (например, тетрадеканом) для оценки их термических преимуществ в процессе фазового превращения. Аналогичным образом оценивалось влияние на механические характеристики ПКМ в качестве замены минерального наполнителя. Особое внимание уделялось сухим и мокрым процессам модификации для включения ПКМ в смеси. Результаты показали, что модификации ПКМ действительно способны замедлять охлаждение и влиять на отрицательные температуры. Приблизительно максимальное смещение на 2.5 °C было достигнуто в испытанных условиях охлаждения по сравнению с немодифицированными эталонными образцами. Что касается механической реакции при 0 °C и 10 °C, результаты показали, что модификация PCM значительно снижает жесткость материала по сравнению со значениями, полученными для эталонной смеси.
Введение
Асфальтовое дорожное покрытие подвергается непосредственному воздействию окружающей среды. Температура окружающей среды оказывает большое влияние на физико-химические свойства этих материалов. Асфальтовые вяжущие (т.е.. битум) — термочувствительные материалы, которые проявляют вязкостные свойства при высоких температурах и приобретают эластичность при низких температурах. Зимой асфальт становится жестким и ломким, что в конечном итоге приводит к термическому растрескиванию и повреждениям, связанным с дорожным движением, таким как усталостные повреждения. Кроме того, в холодное время года образование льда на дорожном полотне может снизить трение на границе шины с поверхностью, что значительно снижает безопасность движения.
Материалы с фазовым переходом (PCM) представляют собой материалы, аккумулирующие скрытую теплоту, которые поглощают или выделяют тепло практически в изотермических условиях. Что касается регулировки или регулирования температуры, PCM демонстрируют большой потенциал для предотвращения или задержки возникновения экстремальных температур. Они имеют узкий характерный диапазон температур, в котором происходит плавление и кристаллизация. Это изменение температуры может быть выбрано для регулирования рабочих температур различных приложений путем выбора конкретного модуля PCM. Pielichowska и Pielichowski 1 обобщили ряд тепловых, физических, кинетических и химических критериев, которым должен соответствовать ПКМ для использования в качестве материала для хранения тепловой энергии. PCM широко используются в различных областях, таких как текстиль/ткани, компьютерная техника, солнечная энергия, фармацевтическая промышленность или аэрокосмическая промышленность 2 . Что касается строительных материалов, микроинкапсулированные ПХМ были включены в строительные элементы, такие как панели, гипсокартон и стеновые панели 3,4,5,6. Кроме того, экспериментальные результаты новых конструкций капсул с PCM показали их потенциал для систем хранения тепловой энергии (TES) 7,8,9.
Для асфальтированных дорог было разработано несколько численных моделей для прогнозирования температуры в реальных погодных условиях, которые учитывают присутствие ПХМ в асфальтобетонных покрытиях 10,11. Однако, несмотря на то, что преимущества ПКМ для модификации асфальтовых дорог кажутся очень многообещающими и могут предотвратить поломки, связанные с температурой, их практическая применимость в этой области рассматривалась лишь недавно. При низких температурах Bentz и Turpin 12 предложили альтернативную идею использования бетона, модифицированного ПКМ, для уменьшения количества циклов замерзания/оттаивания бетонных настилов мостов. Используя численное моделирование, они показали, что бетон, модифицированный ПКМ с содержанием микрокапсул 15% по весу, потенциально может сократить количество циклов замораживания/оттаивания на 30% по сравнению с обычным бетоном (контроль). Сосредоточенный на асфальтовых материалах, Чен и др.. 13 установлено, что использование различных органических кислот (Tплавиться = 45 и 50 °С, Нплавиться = 110 и 100 Дж/г соответственно), так как ПКМ был перспективен для решения задач дорожных покрытий при высоких температурах. Их результаты показали, что разные PCM по-разному влияют на тепловые характеристики асфальтобетонных смесей. Кроме того, добавление ПКМ в асфальтобетонные смеси приводило к снижению прочности на непрямое растяжение, уменьшению сопротивления колееобразованию и снижению сопротивления растрескиванию при низких температурах. Практические вопросы, связанные с включением ПКМ в процесс подготовки к дорожному строительству, были впервые оценены Ма и др.. 14 . Они провели различные исследования, сосредоточив внимание на концепции осуществимых процедур добавления ПХМ в асфальтовые смеси. Различные композиты были разработаны с использованием ненасыщенной органической кислоты (подробности отсутствуют) в качестве пропитки ПКМ в полипропиленовом носителе. Однако они обнаружили, что часть полипропилена может плавиться при высоких температурах, влияющих на механические свойства асфальтовой смеси. В более позднем исследовании 15 они включили тетрадекан (Tплавиться = 5.8 ° С и Нплавиться = 221.2 Дж/г) в виде ПКМ в пористых материалах, таких как диоксид кремния и активированный уголь, для получения ПКМ со стабилизированной формой. Кроме того, они покрыли ПКМ-композит мембраной из этилцеллюлозы с температурой плавления более 160 °C, что предотвратило разрушение композита во время процедуры смешивания. Так же и Какар и др.. 16,17,18 недавно исследовали использование тетрадекана в качестве ПХМ в асфальтовых смесях для низкотемпературных применений. Они также изучили процесс включения, тип связующего, а также эффекты старения. Установлено, что прямое взаимодействие тетрадекана с асфальтовым вяжущим не только существенно влияет на реологические свойства асфальтовых вяжущих, но и не обеспечивает ожидаемого накопления тепловой энергии в скрытой форме. Таким образом, для предотвращения возможной утечки из-за разрушения оболочки капсулы использование микрокапсулирования таких ПКМ оказалось решающим для модификации битумного вяжущего.
Последние работы по добавлению ПКМ в качестве термического модификатора в асфальтовые материалы сосредоточены на использовании полиэтиленгликоля (ПЭГ), поддерживаемого различными минеральными носителями 19,20,21. В этих новых исследованиях полученный композитный ПКМ заменяет некоторые исходные мелкие заполнители. Сообщалось, что этот подход улучшил термические свойства модифицированных смесей. Тем не менее, объемная доля мелких заполнителей в дорожных материалах ограничена (приблизительно 9% по массе от общей массы заполнителей) и ограничивает объемную долю ПКМ. В другом исследовании Ли и др.. 22, были разработаны армированные микрокапсулы ПКМ для замены части крупных заполнителей с получением модифицированных смесей, удовлетворяющих техническим требованиям.
Настоящая работа направлена на экспериментальную оценку влияния микроинкапсулированного тетрадекана в виде ПКМ на реологические, механические и тепловые характеристики асфальтобетонных материалов для дорожных покрытий при низких температурах. Подход предполагает полную замену минерального наполнителя (частиц размером менее 0.063 мм) на микрокапсулированный ПКМ в качестве искусственного наполнителя. Сначала были приготовлены различные модифицированные битумные мастики (асфальтовое вяжущее плюс наполнитель) для проведения серии реологических измерений. Затем были проанализированы термические и механические свойства асфальтобетонных смесей, модифицированных низкотемпературным ПКМ. Кроме того, для оценки выживаемости микрокапсул, прошедших стадию смешивания, при приготовлении асфальтобетонных смесей применяли разные процессы включения (сухой и мокрый способы). Ожидается, что путем модификации асфальтобетонных смесей ПКМ, с одной стороны, механические характеристики при низкой температуре могут быть улучшены как прямое следствие а) использования гибких микрокапсул в качестве искусственного наполнителя и б) регулирования температуры, которое, параллельно предотвратит эффекты термического растрескивания во время охлаждения. Кроме того, модификация отсрочит (или полностью предотвратит) наступление отрицательных температур, то есть образование льда на дорожном полотне. Это уменьшит риски для безопасности и экономические потери 23,24,25, а также использование солей или химических соединений, таких как антифризы, которые могут загрязнять почвы и грунтовые воды 26 .
Результаты и обсуждение
Методы термического анализа позволяют охарактеризовать и количественно определить термический переход различных испытуемых образцов мастики. Образцы анализировали с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и регистрировали тепловой поток во время процессов нагревания и охлаждения. На рис. 1 показана зависимость теплового потока от температуры как для минерального наполнителя, так и для битумных мастик ПКМ. В то время как обычная мастика с минеральным наполнителем не показывает термического перехода, при охлаждении мастика ПКМ показывает экзотермический пик ниже 0 °С, обусловленный кристаллизацией тетрадекана. Интегрирование площади пика дало энтальпию кристаллизации 60.2 Дж/г при температуре пика -3.6 °C. Параметры напрямую связаны с тепловой энергией, запасенной ПКМ, а в модифицированной битумной мастике, которая будет зависеть от содержания ПКМ, а также от энтальпии его плавления. Во время нагревания наблюдаемая эндотермическая энтальпия составляла 62.7 Дж/г при пиковой температуре 4.4°С. Разница температур между температурой плавления и температурой кристаллизации называется переохлаждением, и ее можно уменьшить, уменьшив скорость охлаждения и нагревания, а также используя зародышеобразователи. Было обнаружено, что наблюдаемая энтальпия плавления 62.7 Дж/г для отношения ПКМ/связующее 0.5 согласуется с ожидаемой энтальпией плавления 39.1 Дж/г, наблюдаемой для отношения ПКМ/связующее 0.25 18 .
Тепловой поток в зависимости от температуры для минеральной (эталонной) и битумной мастики из ПКМ.
Реологические измерения с использованием динамического сдвигового реометра (DSR) при испытании на изменение температуры проиллюстрированы на рис. 2. Результаты показывают, что при охлаждении комплексный модуль (G*) немодифицированного битумного вяжущего увеличивается с понижением температуры. Отчетливо виден укрепляющий эффект минерального наполнителя на характеристики обычной мастики с более высокими значениями G* по сравнению с образцом битумного вяжущего (без наполнителя). Кроме того, можно заметить, что битумная мастика, модифицированная PCM, демонстрирует такую же реакцию, что и немодифицированное вяжущее, при высоких температурах испытаний (от 10 °C до 0 °C). Однако при дальнейшем охлаждении жесткость модифицированной ПКМ мастики увеличивается и остается между немодифицированным вяжущим и модифицированной минеральным наполнителем мастикой. Согласно этим результатам, эффект кристаллизации ПКМ можно наблюдать по изменению G* при температурах от -1 °С до -3 °С (см. рис. 2). Этот результат согласуется с температурой кристаллизации (пик = -3.6 °C), наблюдаемой для мастики ПКМ в предыдущем термическом анализе (см. рис. 1). Эта разница в температурах, при которых происходит фазовый переход, может быть связана с более низкой скоростью охлаждения, используемой здесь, по сравнению с анализом ДСК. В любом случае предполагается, что этот эффект придания жесткости связан с фазовым переходом микроинкапсулированного ПКМ из жидкого в твердое (т.е. с кристаллизацией тетрадекана). Это явление также связано с высвобождением накопленной тепловой энергии, что приводит к увеличению общей температуры образца. В этом смысле важно отметить, что температура, показанная на рис. 2, соответствует не реальной температуре испытуемого образца, а температуре нижней пластины установки.
Низкотемпературная затирка вяжущего, мастики с минералом (эталон) и ПКМ.
Чтобы более четко увидеть эффект кристаллизации ПКМ, диаграмма Блэка, представленная на рис. 3, представляет собой подходящее средство для сравнения реологических свойств модифицированных вяжущих (мастик) без необходимости математического сдвига, как, например, в случае модуля-частоты. основные кривые. С одной стороны, видно, что наличие гибких микрокапсул (жидких ПКМ) в битумной матрице мастики ПКМ обусловливает меньшую жесткость даже по сравнению с образцом битумного вяжущего (без наполнителя). С другой стороны, тепловой эффект ПКМ более значителен на этом типе графика, где температурный диапазон кристаллизации ПКМ становится очевидным через внезапное увеличение фазового угла из-за повышения температуры (выделение тепловой энергии), а также параллельное и резкое увеличение G* (твердый PCM). Таким образом, замедленное изменение фазового угла по отношению к G* указывает на влияние кристаллизации микроинкапсулированных ПХМ в битумной матрице.
Черная схема вяжущего, мастики с минералом (эталон) и ПКМ.
Что касается теплового отклика асфальтобетонных смесей, модифицированных ПКМ, при охлаждении, то на рис. 4 представлены два ИК-изображения, соответствующие разным моментам протекания термоцикла. В данном исследовании из эталонной смеси с минеральным наполнителем взяты только образцы, приготовленные сухим способом ( обычный процесс) были оценены. Хорошо видно, что все образцы имели одинаковую температуру (10 °C) после времени кондиционирования в начале линейного охлаждения (t = 0 мин). Тем не менее, после 84-минутного охлаждения, которое включает температуру воздуха, близкую к -10 °C, видно, что образцы, модифицированные ПКМ, имеют разницу температур поверхности более 2 °C. Эти изображения подтверждают эффективность ПКМ в качестве термической модификации асфальтобетонной смеси за счет задержки снижения температуры. Как было замечено при анализе реологических измерений, выделение тепловой энергии при фазовом переходе тетрадекана позволяло образцам сохранять свою температуру, несмотря на продолжающееся понижение температуры окружающего воздуха.
Тепловые инфракрасные изображения смесей с минералом (эталон) и ПКМ (сухой и влажный).
Для детального анализа наблюдаемого ранее эффекта на рис. 5 показано изменение температуры поверхности различных испытуемых образцов во время проведенных термических циклов. Различие можно найти между кривыми минеральной (эталон) и асфальтобетонной смеси, модифицированной ПКМ. Однако уже при температуре около 10 °C наклон кривых модифицированных ПХМ смесей начинает отклоняться от минеральной (эталонной) смеси и снова возвращается к ней через прибл. 1 мин при -1 °С. Это лучше видно на рис. 90, где показан только один полный термический цикл. Процесс фазового перехода, по-видимому, начинается при более высокой температуре, чем в предыдущих экспериментах (ДСК и ДСР). Это наблюдение можно объяснить тем, что на фактическую температуру кристаллизации (начиная с -10 °C) влияет скорость охлаждения. С другой стороны, при нагреве эффект фазового перехода наблюдается примерно при 6 °С и продолжается до тех пор, пока температура смеси не достигнет 1 °С. Это связано с тем, что смеси, модифицированные ПКМ, демонстрируют относительно низкую скорость изменения температуры при охлаждении и нагревании. Это явление связывают с эффектом кристаллизации и плавления ПКМ. При охлаждении ПКМ высвобождает энергию в виде тепла, накопленного в процессе плавления. Взяв за эталон температуру 5°C (т.е. образование льда), смеси, модифицированные PCM (мокрый процесс), получили задержку примерно на 10 минут по сравнению с эталонными смесями. Кажущиеся отклонения могут наблюдаться между эталонной смесью и смесями, модифицированными ПХМ, когда наносятся фактические разности температур между ними, как они представлены на рис. 0. Эти разности температур остаются выше для смесей, модифицированных ПХМ (мокрый процесс), чем для смесей, приготовленных с использованием ПХМ. сухой процесс. Отклонения до 15 °С зафиксированы для битумных смесей ПКМ, модифицированных мокрым способом. Это можно объяснить тем, что мокрый процесс модификации ПКМ имеет меньшую вероятность разрушения микрокапсул в процессе смешивания. Более того, в сухом процессе микрокапсулированные ПКМ добавляются непосредственно к минеральным заполнителям во время смешивания, что делает их более уязвимыми к поломке из-за сдавливания заполнителей. Этот факт приведет к снижению эффективной концентрации ПКМ, что приведет к снижению теплового эффекта 7 .
Термические циклы смесей с минералом (эталон) и ПКМ (сухой и мокрый).
Памятка по температуре нанесения: удобное руководство по нанесению шпатлевки, герметика и краски для штриховой разметки
Знание идеальной рабочей температуры перед нанесением шпатлевки, герметика или краски для разметки линий имеет важное значение для обеспечения долговечности вашего проекта. Планирование ваших запланированных работ и своевременное получение прогнозов погоды очень важно, чтобы вы не жертвовали качеством своей работы из-за далеко не идеальных температур.
Щелкните правой кнопкой мыши, чтобы сохранить изображение
Дополнительные примечания и информация
Засыпка
Распространенным заблуждением является то, что заделка трещин возможна только в теплую погоду. Однако это не совсем так. Хотя лучше всего заделывать трещины весной и осенью, это можно делать и в более холодные дни – даже зимой! Независимо от фактической температуры окружающей среды, если трещины сухие и нагреты как минимум до 40–50 °F с помощью горелки или копья горячего воздуха, вы можете нанести асфальтовый заполнитель трещин.
Для заполнителя трещин холодной заливки максимальная температура окружающей среды должна быть ниже 120 ⁰F, чтобы обеспечить правильное прилипание материала к трещинам. Если температура выше, заполнитель трещины может расплавиться и не сцепиться должным образом. Для горячей заливки крекинга максимальная температура котла может достигать 400⁰F, что является максимальной теплоемкостью продукта без нарушения его способности к склеиванию.
Не многие знают об этом, но на самом деле в холодную погоду трещины сохнут быстрее, если не ожидается дождя в течение 24-48 часов после нанесения. Это означает, что вы можете заделывать трещины очень рано или очень поздно в сезон, а время между ними использовать для работы над другими проектами, требующими более теплой погоды, такими как герметизирующее покрытие и разметка линий.
Если вам нужно определить, сколько шпаклевки вам понадобится в ваших проектах, вы можете бесплатно воспользоваться нашим калькулятором шпаклевки. Чтобы узнать о наших лучших методах и методах герметизации трещин, посетите нашу страницу ремонта трещин сегодня!
Патч выбоины
Выбоины образуются, когда микротрещины на поверхности дорожного покрытия не заполняются или не заделываются своевременно. По мере того как заполнительная основа становится более слабой из-за проникновения влаги, поверхностный слой проседает и крошится, оставляя углубления в дорожном покрытии. Чем больше эти дыры растут, тем больше будет стоить их исправление. Заделка дыр на тротуаре до того, как они станут еще хуже, является разумным вложением, так как это предотвратит дальнейший ущерб и будет стоить меньше, чем ремонт или замена покрытия.
Asphalt Kingdom предлагает два разных типа заплат для выбоин в зависимости от типа выбоины, которую необходимо исправить.
Ремонт холодного асфальта идеально подходит для круглогодичного использования, поскольку этот продукт можно наносить даже при температуре -5⁰F и до тех пор, пока она не превышает 120⁰F. Пока холодный участок трамбуется и уплотняется должным образом с помощью ручной трамбовки выбоин или механизированного виброплиты, этот вариант ремонта прослужит долгое время.
Gator Patch, с другой стороны, идеально подходит для паутинообразной сети неглубоких трещин, глубина которых не превышает ½ дюйма. Этот продукт лучше всего работает при температуре от 50⁰F до 100⁰F.
Чтобы получить подробное руководство по ремонту выбоин, обязательно посетите нашу страницу ресурсов!
Линейная полосатая краска
Независимо от того, перекрашиваете ли вы выцветшие линии или наносите свежие полосы на новый участок, разумно знать, какие погодные и климатические условия являются лучшими. Как правило, не рекомендуется красить линии дорожного движения, если температура ниже 40⁰F, что делает идеальную базовую температуру 50⁰F. Если погода слишком холодная, краска для штриховки может очень быстро высохнуть, делая каждую полосу неровной и шелушащейся. Также не рекомендуется красить, если температура превышает 120⁰F по тем же причинам. Для быстрой работы с точной маркировкой мы предлагаем использовать трафареты при нанесении краски для штриховки.
Посетите нашу страницу разметки линий, чтобы узнать о проверенных и проверенных методах, чтобы убедиться, что ваш клиент доволен вашей продукцией. Не стесняйтесь использовать наш калькулятор краски, чтобы определить, сколько материала вам понадобится для выполнения работы.
Битумно-эмульсионный герметик
Битумно-эмульсионный герметик следует наносить только в том случае, если температура окружающей среды составляет не менее 50⁰F и повышается. Температура дорожного покрытия должна быть не менее 60⁰F и повышаться. Не рекомендуется наносить герметик в дождливые или пасмурные дни с повышенной влажностью. Влага на рабочей поверхности не позволит герметику должным образом сцепиться с асфальтом. Прогноз погоды должен быть солнечным и сухим в течение не менее 48 часов после нанесения, чтобы обеспечить надлежащее сцепление и долговечность.
Перед нанесением герметика убедитесь, что температура дорожного покрытия не превышает 120⁰F. Рекомендуется аэрозольное распыление, так как оно помогает достаточно охладить дорожное покрытие, не расплавляя герметик во время нанесения. Распылите достаточное количество воды, чтобы покрыть без образования луж.
Настоятельно рекомендуется использовать герметизирующее покрытие для дополнительной защиты асфальтового покрытия от проникновения влаги от дождя и талого снега. Посетите наше руководство по нанесению герметика, чтобы узнать о наших лучших методах нанесения герметика, и воспользуйтесь нашим калькулятором герметика, чтобы определить, сколько герметика вам понадобится для завершения работы.
Если вы работаете над очень большим проектом, мы также предлагаем доставку точечного герметика цистерной на вашу рабочую площадку! Этот вариант экономит не только ваше время, но и деньги и рабочую силу. Просто отправьте нам запрос на расценки, и мы будем работать с вами для беспроблемной доставки.
Добавки
Добавки помогают герметику быстрее высохнуть и обеспечивают более гладкую и темную поверхность. Однако это не единственные причины, по которым присадки являются отличным вложением в ваши работы по нанесению герметизирующих покрытий. Добавки помогают герметикам лучше сцепляться и обеспечивают лучшее распределение при использовании песка в смеси. Поскольку на рынке доступны различные типы герметиков, существуют также различные типы добавок, которые могут значительно повысить производительность по сравнению с простым применением герметика.
По словам Адама Веллмана из Maintenance Inc., «использование добавок придает вашему герметику совершенно другое измерение. Он инкапсулирует песок, если вы используете песчаную загрузку, что способствует лучшему смешиванию и диспергированию. Он также объясняет, что добавки «добавляют эластичность различным типам герметизирующих покрытий, особенно асфальтовой эмульсии, которая всегда плохо сцепляется» с асфальтовым покрытием. Но самое главное, это может сократить время сушки и отверждения, поэтому продлевает весенний и осенний сезоны.
FSA Fast Sealing Additive может помочь сократить время высыхания и отверждения герметика.
Теперь, когда у вас есть удобное руководство по наиболее оптимальным диапазонам температур для продуктов, которые вы используете в работе, вы должны убедиться, что члены вашей команды придерживаются этих стандартных отраслевых шаблонов. Фактические результаты могут немного отличаться в зависимости от используемых марок, однако выход должен быть в значительной степени однородным, если соблюдаются и соблюдаются эти допустимые диапазоны температур.
