[发明专利]用于增强性凹坑修补材料的高韧性、低粘度纳米分子的树脂在沥青和混凝土基础路面中的应用

说明书

相关申请的交叉引用

该申请要求2011年4月28日申请的美国申请号No.13/096,750的权益，其内容在此全文引文参考。

关于发起的研究或发展的声明

本发明受到由商务部-NIST授予的批准号70NANB10H019的政府支持而完成。政府具有该发明中的某些权利。

背景技术

对混凝土结构如公路、跑道、桥梁以及甚至建筑物的损伤在世界上是长期的问题。自然腐蚀的过程与污染和/或过度使用一起对于这些结构的寿命具有严重的影响。

混凝土公路中的表面损伤可由于许多霜冻损失、延迟的精整、在主要土板已经被致密化并且发现其为低的之后“上”层的擦蹭(toweling-on)、或例如由车辆引起的机械损伤造成。混凝土可具有高的空洞含量，其可使湿气进入表面并且在冰冻时，产生导致表面剥离和裂纹的拉伸应力。此外，由于使用用于冰和雪除去的除冰剂，混凝土表面可剥离。除冰剂对于已经被雪或冰覆盖的路面的应用将使表面迅速散热。这将表面上的冰熔融，但是可引起已经被截留在材料中的任何湿气的结冰，潜在地使其损伤。

沥青和水泥路面上的凹坑的存在对于这个国家以及世界的所有交通机构已经是长期的问题。多年来，材料上的改善、修补配置的方法，以及支持性配置体系已经大大有助于形成更耐久或经济的修补。但是，修补的凹坑寿命通常仍以天或月而非年来计算。对于城市和州的交通和维护部门和联邦局的凹坑修补成本每年在百万美元的范围。此外，凹坑的存在对于车辆、结构、和行人构成大的安全隐患。司机偏离凹坑的天生反应经常对于附近的车辆和行人构成危险并且可引起严重的交通障碍。

尽管水在次地基(sub-base)中的存在成为凹坑形成的主要原因，但形成凹坑的主要机理被认为在不同的天气或环境条件下不同。凹坑一般由通过路面中裂缝的湿气和水分渗滤引起并且在路面中的次地基中集中。寒冷的气候中，随之而来的结冰-融化行为将路面向上推动而交通则对路面施以应力并且路面崩溃引起形成凹坑的材料破坏。或者，在较暖的地区，结冰-融化循环起到不重要的作用。在如佛罗里达地区，温度和水对公路材料与次表面的整体性的影响一起降低表面的一体性并且导致其退化。此外，交通、差的建筑、老化的混凝土或者这些因素的组合也在各个地区中起到作用。因此通过限制水量经过在道路和任何以后的修补中的裂缝渗滤的量，湿气对于公路质量的不利影响可以缓和。

凹坑的破损和短寿命被认为是由于由材料的低韧性、低的耐车辙性和低强度造成的前体裂缝的形成。湿气进一步帮助了修补材料内的聚集体中的粘结剂和修补材料与路面基础的消粘结。因此，通过增加动态韧性和强度，以及湿气渗透路径的存在于修补混合物中的空洞消除，凹坑修补寿命可基本上得到改善。

类似地，建筑物、桥梁和其他混凝土结构通过水的最初的催化而受到天气过程连续的影响。水可引起桥梁和建筑物表面的开裂和损伤，对结构组件如钢梁和钢筋施加影响，这可能进一步成为损伤并且引起更多的对混凝土腐蚀。此外，酸雨不仅引起建筑物外观的明显的褪色，而且对混凝土建筑物、桥梁和其他混凝土表面的明显损坏和劣化，如酸性溶液将水泥中的氢氧化钙溶解。当美国的目前的高速公路体系巨大并且在老化中，显然需要寻找保护组成我们的基础结构的公路和桥梁的经济有效的方法。

在已经使用的方法中，沥青混凝土为改性的聚合物(“PMA”)。PMA在公路铺路和屋面中已经变得普通并且可能在今天使用的所有沥青中占据20％之多。在车辙耐受性、热开裂、疲劳损伤、脱落和温度灵敏性上的改善导致聚合物改性的粘结剂在许多铺路应用中代替沥青，包括热拌合物、冷拌合物、条状密封体、热和冷的填缝、修补、和浆料密封体。在希望性能和耐久性的任何地方使用PMA。沥青分类符是许多Superpave(Superpave，其表示高性能沥青路面(Superior Performing Asphalt Pavement)，表示改善的标准体系，用于表征、测试和设计沥青材料)粘结剂等级需要聚合物改性以满足高温耐车辙性和低温耐热开裂性的所有要求的认定。

典型的凹坑修补设计为提高公路表面以上的表面，并且沿着修补的周边将材料直接覆盖公路表面上。这样做为了防止水分的侵入。此外，覆盖的面积必须具有厚度足以使得将修补的片打破和驱逐的破裂不会发生。尽管在缺乏坚固的不透水的粘结下使修补与公路表面齐平更为安全，但是这是不可能的。希望产生不会形成可不利地影响汽车司机的凸起的修补。还进一步希望具有修补材料，其不会因交通而压缩，使得在不用担心经历的改变下其固定在在希望的高度。