CN101031523A - 用于热拌沥青混凝土应用和其它相关应用的预处理的集料 - Google Patents

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Abstract

提供一种使用底涂料制造增强性能的沥青混凝土的方法。在向集料中加入沥青基的底结合料之前，将底涂料加入到表面温度至少为250°F的热集料上。底涂料在热集料和底结合料之间形成底涂料中间层。结果，与没有加入底涂料制备的其它沥青混凝土相比，这种沥青混凝土提高了性能。

Description

用于热拌沥青混凝土应用和其它相关应用的预处理的集料
相关申请
本专利申请要求于2004年7月15日提交的美国临时专利申请序列号60/588,207的优先权，该专利申请的全部内容参考结合于本文。
技术领域
本发明一般涉及热拌沥青混凝土领域以及沥青技术。更具体地，本发明涉及用沥青或其它石油基的结合料对集料进行预处理或底涂的方法。
背景技术
目前实际采用的制备热拌沥青混凝土方法是在连续转筒或间歇的热拌沥青混凝土装置中加热集料并将沥青粘合料喷射在很热的集料上。这两种组分的结合是用来铺路的沥青粘合料-集料产品。沥青粘合料提供沥青粘合料-集料产品灵活性，因此用来增添施工的容易性。然而，沥青-集料产品的一个缺陷是粘合料与集料的粘合强度相对较低，与室温下的固体不同，粘合料实质是高粘度流体，混合这两部分产生的沥青粘合料-集料界面意味着可能发生故障的薄弱点(weak-spot)。特别是高极性的水可能渗透产品并使粘合料与集料分离。这种现象通常是由冻结-融化循环或者通过车辆行驶期间缝隙中的水的泵吸作用引起的。一旦粘合料与集料之间的粘合力丧失，路面可能松散开来。如本领域技术人员所了解的，满足试验通常用来评价混合料对水破坏的敏感性的试验是改进的Lotman试验(AASHTO T283)和汉堡轮辙试验(Hamburg Wheel Tracking(HWT))。为满足试验规范的要求，已知使用石灰，熟石灰或集料的石灰浸渍物(marmation)。已知还可以在在沥青粘合料中加入液态胺类的抗剥离剂。
为解决低温和疲劳龟裂问题而而且进行的研究，结果开发出上述产品，但是这种产品在使用过程中又会形成车辙和推挤(rutting and shoving)。用常规的聚合物改性的沥青可以提高抗车辙的能力；但是，要达到这点通常是牺牲了粘合料的低温性能。聚合物的改性一般对中温性质没有改善。此外，添加聚合物会明显增加成本。希望能开发一种在使用中能抵抗车辙和推挤同时又解决了低温和疲劳龟裂问题的产品以及制备该产品的方法。
曾经试图通过改善沥青混合料中的界面性质来提高性能。例如，美国专利5,223,031(Sugi等)，题为“水泥/沥青混合料及其制备方法”提供一种水泥/沥青混合料，该混合料包含集料、沥青乳液、水泥、水硬无机物和水，其特点是集料屑的表面覆盖有沥青乳液聚结形成的沥青颗粒，并且在集料屑之间的缝隙中存在水硬无机物和水。水泥/沥青混合料可通过包括以下特征步骤的方法制备，即在集料中加入阳离子或阴离子沥青乳液，用混合器混合两组分约10-60秒。之后，形成的混合料再与水硬无机物混合，形成水泥/沥青混合料。该方法中，在冷环境中进行操作时，可以加热集料至低于120℃(即，低于248)以加速沥青乳液的聚结。
特别在欧洲，承包商和石油精制的厂商促进了超高模量粘合料的使用，降低了交通引发的变形。由于在欧洲南部中心的大多数地区的温和气候，低温性能下降一直并不是一个关注的因素。但是，在美国，北欧以及东欧，气候条件恶劣得多，导致一些缺陷。由于它们具有明显的龟裂倾向，精制的低针入度的超高模量混合料在这种气候下一般是不能被接受的。因此，需要对热拌沥青混凝土混合料进行改进，提高混合料在中等温度时的模量，而不会明显影响粘合料的性能。还需要改进沥青混合料，特别是在低温气候使用的沥青混合料的界面性能。还希望如果在提高了沥青集料界面的界面性能同时达到上述改进时，又能增强热拌沥青的防潮性。
发明概述
本发明较好提供高性能的热拌沥青混凝土的制备方法。该方法较好包括：提供表面温度至少为250的热集料。提供热集料后，立刻将底涂料(primer)加入集料，将两种组分混合足够的时间，使该底涂料熔化在集料表面的至少一部分上。熔化的底涂料能在集料表面较好形成底涂层。将沥青基的底结合料(base binder)(底结合料)加入到至少部分被底涂层覆盖的热集料中并与之混合。底涂层随后成为在热集料和底结合料之间的底涂中间层。这种底涂中间层是不连续的薄层，该层大部分是底涂料。底涂料与底结合料在足以产生集料的所需表面温度的操作温度下基本上不混溶，原因是底涂料和沥青粘合料粘度不同。形成的热拌沥青混凝土与集料与底结合料但没有加入过底涂料的组合相比，具有增强的性能。
优选的示例底结合料包括一种或多种石油基的沥青粘合料。不含聚合物添加剂的石油基的沥青粘合料被称作“净的”。在操作温度，优选的底结合料和底涂料层由于它们之间的粘度差异而基本上不混合。此外，底涂料和集料间的粘合性降低了混合。
该方法中所用的底涂料优选是沥青组分，并可含有增量剂(augmenter)。增量剂是一种加工助剂。在优选的实施方式中，底涂料的主要组分，沥青组分是天然沥青，如黑沥青(Gilsonite)。另一种特别优选的底涂料沥青组分是特立尼达湖地沥青(Trinidad Lake Asphalt)(TLA)。沥青组分如，页岩沥青、溶剂脱沥青工艺的底馏份、真空塔底部的底馏份，以及硬质沥青、含烃沥青质、吹制沥青、劲性精制沥青(stiff refined asphalt)和/或稀释剂(flux)也可以用作底涂料的主要组分。在又一个实施方式中，使用这些底涂料的组合。在特别优选的实施方式中，沥青组分在没有加工助剂或者任何纤维、聚合物添加剂和弹性体添加剂存在下使用。底涂料的软化点高于约250。优选的一种底涂料是Gilsonite沥青。底涂料在操作条件下熔化，在集料周围形成高粘度层。
一个实施方式中，将底涂料和底结合料一起加入到热集料中，使底涂料形成底涂料层。在优选的实施方式中，在热集料中加入底结合料之前将底涂料加入到热集料中。底涂料较好地熔化在热集料的至少一部分表面，随后形成在热集料和底结合料之间的底涂料中间层。
本发明还较好提供一种具有上述方法产生的高性能的热拌沥青混凝土。该热拌沥青混凝土较好包含：集料、底涂料和沥青基的底结合料。形成的热拌沥青混凝土与集料和底结合料但没有加入过底涂料的组合相比，具有增强的性能。增强的性能包括在低温气候下的良好性能。
附图简述
因此，以参照作为说明书的一部分的附图进行说明的方式，能详细了解本发明的特征、优点和目的以及其它显而易见的特点，并对上面本发明的概述内容进行更具体的描述。然而，应注意，附图仅对本发明的优选实施方式进行说明，但是因为这些附图容许其它等效的实施方式，因此不认为这些附图构成对本发明范围的限制。
图1所示是对采用本发明方法的热拌沥青混凝土混合料与现有技术的不含底涂料的沥青混凝土混合料的汉堡轮辙试验仪(HWT)结果进行比较的图。
图2所示是按照现有技术实施方式的沥青混凝土混合料，在HWT的20,000次往复之后的透视图；混合料A是高斜率的曲线，是在试验中车辙深度积累超过12mm的混合料。同样的混合料，有一个重要差异是不含底涂料。采用该试验来证明混合料抵抗水分(剥离)损害的能力。在同一试验中，有同样沥青结合料和同样混合料组成的底涂过的混合料的车辙仅为2.5mm。
图3所示是本发明实施方式的沥青混凝土混合料在HWT的20,000次往复后的透视图。
[0015]图4所示是按照本发明实施方式制备的热拌沥青混凝土混合料和按照现有技术方法制备的热拌沥青混凝土混合料，在汉堡轮辙试验仪的76℃干法的车辙曲线。
图5所示是按照本发明实施方式制备的热拌沥青混凝土混合料和按照现有技术方法制备的热拌沥青混凝土混合料，在有约束试件温度应力试验法(TSRST)中的热应力曲线。
图6所示是按照本发明实施方式制备的热拌沥青混凝土混合料和按照现有技术方法制备的热拌沥青混凝土混合料，在SHRP旋转式压实(GyratoryCompaction)法中的压实曲线。
图7所示是按照本发明的实施方式的抗张强度储量的示意图。
图8所示是按照本发明实施方式的底涂过的集料混合料的各自频率扫描(frequency sweep)；
图9所示是按照本发明实施方式的底涂过的集料混合料平移因子与绝对温度的倒数的关系图；
图10所示是按照现有技术方法制备的含RAP的底结合料在15℃参考温度的叠合曲线；
图11所示是按照本发明的实施方式制备的底涂的集料混凝土混合料在15℃参考温度的叠合曲线；
图12所示是按照本发明实施方式制备的底涂过的集料混凝土混合料与按照现有技术方法制备的底涂过的集料混凝土混合料在10Hz下的抗弯模量作为温度的函数的图；
图13所示是对3英寸混凝土层在不同深度时的应力作为按照本发明实施方式的沥青混凝土混合料的劲度(stiffness)函数的图；
图14所示是平均应力作为按照本发明的沥青混凝土混合料对3英寸厚度层的模量的函数的图；
图15所示是按照现有技术的沥青混凝土混合料的抗拉强度储量(tensilestrength reserve)和热应力曲线；
图16所示是按照本发明的沥青混凝土混合料的抗拉强度储量和热应力曲线；
图17所示是对按照本发明实施方式制备的沥青混凝土混合料与按照现有技术方法制备的两种沥青混凝土混合料的混合料劲度测量的比较图；
图18所示是对按照本发明实施方式制备的沥青混凝土混合料与按照现有技术方法制备的两种沥青混凝土混合料的预测的切向应变的比较图；
图19所示是对按照本发明实施方式制备的沥青混凝土混合料与按照现有技术方法制备的两种沥青混凝土混合料的回弹模量的比较图。
发明详述
如图1-19中所示以及本文的进一步描述，本发明较好提供一种在制备热拌沥青混凝土(HMAC)期间，在施涂底结合料之前对集料进行底涂的方法，这种方法能制备具有增强性能的热拌沥青混凝土。该方法中，底涂料熔化在热集料的至少一部分上，形成底涂料中间层，底涂料具有高粘度，并且在集料和底结合料中间是高粘合性的。在优选的实施方式中，底涂料中间层的平均厚度为0.5-3μm。在某些底结合料含量很高的应用中，底涂料中间层的膜厚度超过了3μm。这种底涂料中间层通常是高极性的，因此对集料有高的亲合力。由于底涂料的有机碳氢化合物的特性，底涂料中间层对有机物，特别是石油基产物或沥青基粘合料也具有高的亲合力。在优选的实施方式中，底涂料中间层包含Gilsonite沥青。由传统的“罐”试验观察到，一旦加入Gilsonite沥青(一种天然沥青)，Gilsonite沥青粘附在罐的表面，甚至在高剪切和高温下也不能将Gilsonite沥青从罐表面除下。
较好地，这种方法的各种实施方式中，与不含底涂料的热拌物相比，本发明的沥青混凝土混合料的破坏温度(failure temperature)没有受到影响，原因是底结合料基本上不与底涂料混合，因此能保持良好的低温性质。底结合料的低温性质特别是热拌沥青在路面温度下降时发生龟纹的温度。由于集料强度比底结合料的强度高几个量级，通常在底结合料相观察到低温龟裂。劲性的底结合料在低温时是脆性的，并且比延性的软的底结合料更早出现龟裂。如图5所示，在底结合料中加入如Gilsonite沥青的硬的底涂料，导致底结合料在很高温度首先龟裂，因此为提高抗车辙能力而牺牲了破坏温度。优选用底涂料对集料进行处理不会使底结合料硬化，因此，实际的底结合料的低温性质不会受到高劲度的底涂料体系的影响。
在优选的实施方式中，底涂料的主要组分是天然沥青如Gilsonite沥青，这种沥青的碱性氮百分含量很高，因此表面活性很高。Gilsonite沥青的特性之一是高粘度(通常比普通沥青高几个数量级)和高的环球软化点。也可以使用页岩沥青、来自溶剂脱沥青工艺的底馏份、真空塔底部的底馏份、以及高硬沥青、含烃类的沥青质、吹制沥青、劲性精制地沥青和/或稀释剂作为用来产生高粘度中间层的底涂料的主要组分。同样，可以使用这些物质的组合。优选超高粘度/高粘度的底涂料，并用加工助剂增量。加入来提高底涂料的施工性能或者可润湿性，并促进沥青底涂料迅速熔化在集料的至少一部分表面上。但是，在一个实施方式中，本发明的热拌沥青混凝土不含添加剂如加工助剂。这样在保持优良性质的同时提高了底成本的沥青混凝土混合料。
底结合料构成填充底涂过的集料表面之间空隙的母料，这种底结合料可以是任何沥青、聚合物或化学改性的沥青。底结合料的组成特别对热拌沥青的延性有影响。本发明的方法提高了界面和总混合料的性质，而不只是底结合料母料的实际性质。但是，也可以使用低成本的沥青。虽然可以使用任何沥青、聚合物或化学改性的沥青作为本发明中的底结合料，但优选的底结合料包括单独的石油沥青和石油沥青与聚合物的混合料。
底涂料可含有上述组分的任何一种或它们的组合，底涂料在总结合料的添加量优选为占总结合料重量的3-10重量％。总结合料是底涂料和底结合料的组合。但是，当在集料中加入高百分量的细小和/或矿物填料时，使用较高百分量的底涂料(超过10％)来达到所需的集料表面覆盖。所述方法不限于热拌沥青混凝土应用，在需要底结合料与集料混合时也都可以采用该方法。可以采用在此所述的这种方法的其它应用的例子包括屋面石屑和石屑罩面的应用。
根据底涂料或其组分的粘度、熔点和玻璃化转变温度，集料表面温度优选更发高的。但是，在特定情况，某些底结合料特性可以采用低至250的温度。底涂料熔化并覆盖集料的至少一部分表面时，立刻加入底结合料并形成独立的层。或者，在底结合料存在下保持一定的温度，在底结合料提供粘合性之前使底涂料熔化并粘附在一部分集料上。在热拌装置中，在约3-10秒内底涂料能迅速达到熔化并覆盖至少一部分集料，并按照标准工业操作施用底结合料。较好地，通过添加一定量的底涂料可以减少底结合料的量，因此，填充空隙的总结合料量不变，即保持恒定。加入粘结剂后，当混合料在热拌装置中时，Gilsonite沥青在集料上形成一薄层。值得注意的优点是结合料不与底沥青混合。Gilsonite沥青的极性含氮化合物的含量也很高，因此这种沥青优选粘附到集料表面。
产生的沥青混凝土混合料在中等温度的动态模量显著提高，在受应力控制的环境下，该混合料降低了路面应力，因此提高了疲劳寿命。因此，使用本发明的底涂料，通过要求薄的热拌沥青层，即底结合料方式来达到相当的疲劳寿命期望，可以明显节约材料。
形成的混合料还明显提高了抗车辙和抗推挤浆能力。提高的值或车辙率的倒数超过500％。关于水分损害，本发明的热拌沥青混凝土具有添加剂因而能在汉堡轮辙试验测定中提供等于或优于用1-2％熟石灰处理的该混合料的防潮性。添加剂可以影响所有常用的集料类型。因为加工助剂的特性，混合料中与底涂料一起的总结合料含量，按照在SHRP旋转式压实器(AASHTO T312-03)测定，一般不受影响。
在优选实施方式中，Gilsonite沥青与高氮、低硫、高分子量、高沥青质含量、高熔点的沥青一起用作底涂料，这种沥青具有优良的吸收性质。集料“底涂”有Gilsonite化合料，在集料上形成一个层。这种沥青相很硬并且在将底结合料喷涂或者施用到集料时不溶于、混合或者混入该底结合料。底涂料沥青在底结合料和集料之间形成高强度的中间层底涂层。在Gilsonite沥青或页岩沥青情况下，多核芳香族含氮化合物的高极性能防止水突破沥青和集料之间的界面。由于底涂料很硬，水的泵吸作用不足以使底涂料与集料分离。同时，底涂料对沥青底结合料具有高亲合力，其上容易涂敷底结合料。因此，增强的混合料形成的体系不需要加入石灰，荷载下的挠曲明显较低，并且在降低路面厚度情况，在升高的温度下具有高得多的抗剪强度。
在此所述的方法除了形成沥青混凝土外，还可以用于其它需要将集料加入到底结合料的应用。例子包括在屋面石屑和石屑罩面的应用。采用在此所述方法的其它应用对沥青加工领域的普通技术人员而言是显而易见的，并且认为是在本发明的范围之内。
底涂料的软化点至少约为250。在优选的实施方式中，本发明的底涂料优选是软化点大于或等于280的沥青，因此，这种沥青室温下为固体。能用作底结合料的材料具有较低的软化点。
作为本发明的一个实施方式，使用底涂料制备增强了性能的沥青混凝土的方法包括提供表面温度至少为250的热集料。在另一个优选的实施方式中，表面温度至少为340。在特别优选的实施方式中，表面温度至少为380。通过本发明方法达到的增强性能包括提高的疲劳寿命，提高的抗车辙和抗推挤能力，和/或更好保持底结合料的低温性质。
本发明中使用的底涂料优选自以下：沥青组分、加工助剂、添加剂以及它们的组合。沥青组分的代表性例子包括天然沥青(如，Gilsonite)、页岩沥青、溶剂脱沥青关于的底馏份、硬沥青、吹制沥青、劲性精制地沥青、稀释剂以及它们的组合。加工助剂的代表性例子包括低聚蜡、低聚蜡的衍生物(如，低聚蜡的羧基化衍生物)。加工助剂提高了施工性能，例如，压实性。加工助剂能按本领域的常规方式使用。
该方法中使用的底涂料还包含制成粒料的特立尼达湖地沥青(TLA)以提高沥青混凝土的劲度，以及加工助剂。特立尼达湖地沥青的加入量与加工助剂量的比值优选为4∶1至20∶1。
在集料中加入底涂料时，底涂料优选为占总结合料的约3-10重量％。在优选的实施方式中，集料包括再生的沥青路面。底涂料较好以各种已知的方式添加。添加底涂料可以使用散装筒仓(bulk silo)、超大袋(supersack)、可熔化的包或者螺旋输送机。添加底涂料优选在添加底结合料之前，在约3-10秒内完成。选择该时间是要有足够的时间使底涂料至少部分粘附在集料的表面。
本发明还涉及采用上述方法制备的沥青混凝土。本发明的热拌的沥青混凝土包含至少部分被底涂料中间层覆盖，基本上被底结合料包围的集料，所述沥青混凝土具有增强的性能。
下面的实施例用于说明本发明的各实施方式的目的，不以任何方式构成对本发明的限制。
实施例1
组分
本发明提供用于集料的底涂料，所述集料主要但不只是用于热拌沥青混凝土(HMAC)的应用。底涂料由多种组分构成。第一组分是底涂料，是沥青载体，优选是天然沥青(如，Gilsonite沥青)、页岩沥青、溶剂脱沥青工艺的底馏份、吹制沥青或高劲性精制地沥青。该组分优选与加工助剂组合以改善施工性能，降低表观熔点并提高集料的覆盖。此外，磨碎的轮胎橡胶可用来对底涂料中间层提供优良的粘弹性。在高性能应用中，也可以混合制成粒料的特立尼达湖地沥青(TLA)，通过在热拌沥青混凝土中形成三维TLA网状结构，进一步提高该混合料的劲度。
各组分优选进行干混合，但是，也可以进行熔融混合，挤出，或者在聚合物后缩聚步骤中加入沥青组分，使沥青被包封在聚合物或者加工助剂的碎屑/小粒中。
实施例2
方法
优选在加入沥青底结合料之前将底涂料施涂在热集料上。根据热拌沥青装置的类型，底涂料体系可以通过散装筒仓、超大袋或者可熔化的包，施涂在至少一部分的热集料上。在连续转筒装置中，松散的材料优选通过螺旋输送机或带推进或送入到热集料上。入口点远离火焰，确保材料不被燃烧。当以粉料施用时，宜避免通过空气流将底涂料输入热沥青上，原因是该粉料可被带入燃烧器并可能存在安全隐患。在连续逆流的单筒装置中优选的入口点位于再生沥青路面(RAP)套管(collar)的下游侧。在双筒装置中，将其输入外筒，避免将底涂料暴露于火焰。在间歇式装置中，优选通过可熔化的包将其加入沥青混合料强制式桨叶拌和机。为确保适当涂敷和熔化底涂料，所需的时间为在施用底结合料之前的3-10秒内。
实施例3
制成的组合物的性能特性
防潮性：汉堡轮辙试验(HWT)中将样品浸在水中，评价两种混合料，混合料A和混合料E的对水的敏感性(moisture susceptibility)。混合料A具有和混合料E相同的底结合料和混合料组成。但是，混合料E中，集料涂敷了Gilsonite沥青、蜡的低聚物的加工助剂和Gilsonite沥青-增量的苯乙烯丁二烯共聚物。HWT是一种在德国开发的破坏性(torture)试验，发现该试验能表征混合料对剥离的敏感性，即水分损害。许多的州如Utah和Texas的交通部门，近来采用该试验作为验收试验。
本研究中对HWT进行改进，以接受高性能的沥青路面(Superpave)旋转压实的样品，而不是压实的路面厚片。以52次通过/分钟的速率，在50℃进行测试。对HWT，样品的目标空隙(air void)水平为6-7％。当20,000次往复后车辙超过10mm时一般认为失败。更复杂的分析方法是将剪切引起的永久形变与“车辙”分开。当车轮横过中心时，车轮将水“泵吸”到混合料中，削弱底结合料。如果失去底结合料与集料间的粘合性，水可渗透到底结合料与集料之间，该混合料会大规模地剥离。发生这种情况时细小的混合料可以被冲洗去，而水会变得混浊。结果，车辙曲线部分可以再分成三个独立区域：(i)初始后压实相，发生在最初约1,000次通过的时候；(ii)发生常规车辙的第二区域；(iii)如果发生水分损害时，第三“灾变性”剥离区域。在第三区域的斜率即表观“车辙”率加速，并且是对一个系统的抗剥离性的直接性能测量。对混合料A和E抗剥离性示于图1。
在混合料A(未改性的混合料)中，在17,310次往复后达到10mm的临界车辙深度，并且在剥离区域的车辙率仅为0.00075mm/次往复。混合料E不存在剥离问题。20,000循环后累积的混合料车辙仅为2.7mm，在其第三相的车辙率比使用同样沥青但没有经过预处理的混合料低约10倍。图2和图3示出的试样清楚地表明底涂料明显降低了水分损害。在常规混合料A的情况，浸过样品的水在HWT试验结束时变混浊，即，细小物被冲洗去。而混合料E没有发生这种情况。
抗永久形变性的能力：采用汉堡轮辙试验仪(由Precision Machine Works制造的HWT)但试样不浸在水中，评价混合料的抗车辙性。采用汉堡轮辙试验仪而不是沥青路面分析仪(Asphalt Pavement Analyzer)(APA)的原因是现有技术的试验表明，汉堡轮辙试验仪的剪切分量比上述其它破坏性试验高得多。因此，认为汉堡轮辙试验仪能更真实地模拟实际的场地状况。
由于集料的棱角性优良，并且底结合料的动态剪切流变仪(DSR)劲度的很高温度值，车辙试验在76℃进行。选择通过40次/分钟的加载速率，提高该试验的正确性。为对混合料的抗车辙能力进行分类，通常采用20,000次通过后的累积总形变或者在线性范围的斜率进行分类。后一种方法更可靠并且是对实际车辙的更好测量，因为这种方法消除在初始后压实相的易变性。在“干”HWT的线性范围的车辙率列于表1，说明对各种混合料的高温和低温性能的比较，所述混合料包括含有用底结合料的10重量％量Gilsonite沥青进行改性的PG70-28底结合料的混合料，有同样底结合料的同样混合料但其中集料底涂了0.5重量％的Gilsonite沥青/加工助剂/弹性体的混合料。
                                        表1
  混合料类别  底结合料   底涂料   干HWT，在76℃车辙率(mm/1000次往复)   TSRST破坏温度(℃)
  混合料A  PG70-28   无   0.58   -33.2
  混合料C  用10％Gilsonite改性的PG70-28   无   0.14   -27.9
  混合料E  PG70-28   混合料总重量的0.5％   0.12   -33.2
沥青(PG70-28)是聚合物改性的沥青。混合料A(常规未处理的混合料)和混合料E(底涂过的集料混合料)的的抗车辙能力示于图4。所有混合料在线性区域的斜率即车辙率列于表1。试验结果表明，添加混合改性剂能降低实际车辙率近五倍，从0.58mm/1,000次往复降低到0.12mm/1,000次往复。
实施例4
形成的组合物的抗疲劳性
在此实施例中，使用沥青路面分析仪(APA)，在20℃进行作为破坏性试验的疲劳测定。数据表明，含2％石灰的混合料在约4,900次通过后失败，但是底涂过Gilsonite沥青/加工助剂/弹性体的混合料只到26,700次往复后才失败。虽然APA疲劳试验是一种破坏性试验，但是该试验提供了相对的性能测量。因此，在等同的应力水平上，即在受应力控制的试验中，可以预期底涂过的集料混合料清楚地胜过常规的混合料。
低温性能：由于用底涂料对集料进行底涂，并且底涂料不混入底结合料，硬的粘弹性沥青组分对底结合料沥青的作用可以忽略。这点在对表1列出的前面的混合料，采用本领域技术人员理解的有约束试件温度应力试验法(TSRST)中得到证实。该试验评价了温度下降在有约束的路面引起的应力(dT/dt＝2℃/hr)。
低温时，应力不能弛放，最终应力超出混合料的强度而导致破坏，如图5所示。这种失败模式称作单事件的热龟裂，其本身证明在横贯路面的横向裂纹。由于底结合料的性质不受底涂料的影响，底结合料PG64-34能保持其优良的低温性能即挠性。PG64-34并不是表1中列出的底结合料之一。正如表1中所示的，底涂料对混合料的低温性能没有影响。在底结合料中混合等量的Gilsonite沥青改进了低温破坏温度，从约-33℃提高到-28℃，并使底结合料变脆。表1列出的样品1的抗车辙特性不能令人满意，样品2由于破坏温度升高而失败，样品3提供了良好结果。
压实性和施工性能：天然沥青添加剂经常能明显提高底结合料的模量，在压实温度下，底结合料或难以到达场地中的空隙，或者设计的沥青膏(AC)含量必须明显增加，以满足在SuperPave旋转式压实器中4％设计空隙含量。
当AC含量增加时，通常的结果是混合料的动态模量下降，原因是底结合料始终比集料要软几个量级。为解决这一问题，底涂料优选含有加工助剂(PA)，加工助剂导致降低AC含量或者保持AC含量不变。图6示出对一种典型的未改性的常规混合料(混合料A)和底涂的混合料(混合料E)的压实曲线。
抗拉强度储量：评价底涂料对低温时路面上荷载引起的应力的作用。如图7所示，抗拉强度储量是抗拉强度与温度引起的热应力间的差。该差值越小，路面在交通荷载下，在单事件荷载引起的热龟裂而不是通过传统疲劳破坏的失败的可能性越大。因为荷载是叠加在已存在的热应力之上，因此预期发生这种现象时的温度会明显高于无荷载的试样的临界龟裂温度(即，BBR破坏温度)是合乎逻辑的。
下面的描述内容简要描述了用来对4英寸的常规PG64-34路面以及本发明使用PG64-34的底涂集料系统的抗拉强度储量的近似模型。为估算作为空气温度函数的应力和应变，考虑抗弯模量对温度的从属性。可以对混合料长条进行分别在15℃、20℃、25℃和35℃的矩形抗扭测试来完成。该测试在0.1-100rad/sec频率范围进行，如图8所示。随后，采用时间温度叠合来计算平移因子并形成叠合曲线，由该曲线可以预测在10Hz的模量，通常假设该曲线来模拟在相对宽范围的交通荷载。这种方法中，选择参考温度T参考，在任何温度T时的频率乘以平移因子aT，获得降低的频率
Figure A20058002951100161
在此所示的情况，T参考等于15℃。降低的频率
Figure A20058002951100162
可由下面公式获得：
Figure A20058002951100163
如图9所示，在宽温度范围，在平移因子与绝对温度的倒数K存在线性关系，如下面等式所示：
                   log aT＝c1+c2/T。
这种关系对示例混合料很有效，并已用于形成图10-11所示的叠合曲线。如下面等式所示，使用10Hz的参照频率，将降低的频率TO转换为温度定范围，用这些数据可以预测作为温度的函数的动态模量，如图12所示：
T ( ω ~ ) = c 2 ( lg ( ω ~ 10 HZ ) - c 1 )
然后用下面公式确定该模量：
Figure A20058002951100172
下一步是确定假设年平均温度为8.9℃条件下温度沿路面深度上的分布，该温度类似于某一典型区域的温度。假设为双曲线的温度深度分布，则可以估算在任一指定深度的温度以及取该层中的平均温度，以得到对任何指定区域的平均模量。最高应力在1英寸区域。
在路面更深的区域，应力水平对模量从属性较小。更贴近地观察表明在更深区域的应力随模量的增加而略下降，如图13所示。
在此实施例中，平均应力近似在1英寸和4英寸深度之间，因为该区域很可能是发生应力引发的热龟裂的区域。在上层部分，局部应力可以很高，对此分析结果需要认真考虑。这些应力是对四个数据点如1英寸、2英寸、3英寸和4英寸深处的平均，而不是在整个截面上的数值积分。平均层高应力示于图14。图中数据清楚地表明，对大于500,000psi的混合模量，在指定层厚(liftthickness)上的平均应力水平没有明显的变化。
利用这些资料，能够计算作为温度函数的荷载引起的应力。然后将这些负荷引起的应力加到热应力上。抗拉强度储量，σβz则是在任意温度下混合强度和合开应力之间的差。如果合并的应力超过强度，则混合料应产生龟裂。在图15和图16示出对PG64-34和相应的底涂集料混合料的这一情况。底涂料显著提高了混合料强度(分别为401psi与329psi)。假设在-15℃至-30℃之间抗拉强度没有明显的变化，两种混合料都在相同的温度(约-24℃)失败。
实施例5
超高模量混合料
在欧洲，在市场上可以方便地买卖超高模量的底结合料。超高模量底结合料的例子包括吹制沥青、Gilsonite改性沥青、溶剂脱沥青的减压塔的底部馏份(VTB)。这些材料优选通过以下三种方法之一进行制备：(i)对沥青稀释剂进行吹制，(ii)深度精炼切取馏份；(iii)用多磷酸对底结合料进行化学处理。在有限的试验量条件下，通过在底结合料中加入Gilsonite沥青制成一种或多种材料。所有这些方法中，如在弯曲梁流变仪(BBR，AASHTO TP5)测定的低温性能总是受到负面影响，即，虽然高温动态剪切流变仪(DSR)的值以及中间DSR值提高，但是低温破坏温度也升高。这意味着低温性能受到影响。
在此实施例中，通过采用对集料进行底涂，达到了在不对低温性质产生负面影响条件下制备了超高模量的混合料。表1示出了在底结合料中加入Gilsonite沥青可以改善高温抗车辙能力的情况。表1未列出超高模量的混合料。然而，添加Gilsonite沥青，会降低低温性能。相反，本发明的底涂的集料混合料显示在没有牺牲低温性能下的等同的高温性质。
实施例6
特立尼达湖地沥青(TLA)的应用
通过综合TLA、用加工助剂改性和使用底涂料体系，可以达到接近混凝土的劲度。如图19所示，弹性模量从大约600,000psi提高到1.9E6psi。加工助剂可以是低聚蜡、低聚蜡衍生物(如其羧基化的衍生物)和/或低分子量聚烯烃。这类加工助剂能提高施工性能，增加相容性并加速TLA混入底沥青，以及促进其压实性。与传统工业实践不同，TLA的浓度在总结合料的2-15重量％范围。底涂料浓度依据集料老化和表面积优选在2-15％范围内。按照与前面实施例系统的方式加入底涂料。
或者，TLA可以与加工助剂预混合，并通过挤出或者造粒工艺进行制粒。在具有底涂料的情况将粒料加入热集料中。但是，由于粒料的非粉化特性而不能完全熔化到集料上和在底结合料填充的所有空隙上形成高粘弹性的三维网格。假设底涂料覆盖集料时底沥青和TLA形成内穿透网。当目标是使沥青膏(AC)的含量最大以获得最大膜厚度或者提高网格的粘弹性时，替代加工助剂或者与加工助剂组合的其它聚合物和弹性体可以熔化到TLA中。
实施例7
再生沥青路面(RAP)的应用
底涂料可以与RAP结合使用。由于老化的RAP底结合料已经覆盖了RAP集料，底涂料能最有效涂敷未被覆盖的集料部分。RAP实质上没有未露出的极性集料表面。较好地，将底涂料与RAP一起通过RAP套管加到热集料上。如图17所示，底涂料明显提高了RAP混合料的混合料模量。
实施例8
提高了的结构承载能力
如前面所述，动态模量是计算路面应力和应变最合适的参数。理想地，可利用弯曲动态模量E*，但是由于E*一般更难获得，需要更高价格的测试设备，AAHSTO(美国高速公路运输协会(Association of American State HighwayTransportation Officials))已经提出采用动态剪切模量G*来替代弯曲动态模量E*。动态剪切模量G*和弯曲模量E*通过Poisson比值ν直接关联，如下面公式所示：
                    E*＝2(1+ν)·G*
为了确定提高的混合料模量的效果，如图17中所示，采用Julia程序进行弹性分层分析，是即将发行的AASHTO 2002设计指南的工具(engine)。对RAP/PG70-28混合料以及含同样量RAP的底涂集料混合料都进行了切向应变预测。在不同的路面厚度进行该计算。
结果表明，在一个常规例子中在不改变预期的正交切向应变条件下厚度从8.5英寸减小到5.5英寸(图18)。因此，此研究提供了在没有对路面结构的抗疲劳能力产生负面影响条件下减小路面厚度的综合方法。
作为本发明的优点，按照本发明的实施方式制造的沥青混凝土在低温气候下的性能优于现有技术的沥青混凝土混合料。如这些实施例所示，当使用按照本发明实施方式制造的沥青混凝土时，明显减少了车辙、刹车和其它常见问题。
虽然本发明只是以其多种形式中的几种示出，但是对本领域的技术人员而言，显而易见的是本发明不限于示出的这些形式，而可以在不偏离本发明范围下进行各种变动。

Claims (29)

1.用底涂料制备增强性能的沥青混凝土的方法，该方法包括以下步骤：
(a)提供表面温度至少为250的热集料；
(b)将底涂料与热集料混合足够的时间，使底涂料熔化在集料的至少一部分表面上，熔化的底涂料在集料的至少一部分表面上形成底涂层；
(c)将沥青基的底结合料与至少部分覆盖了底涂层的热集料混合，使底涂层在热集料和底结合料之间形成底涂料的中间层，与没有施加过底涂料的集料和底结合料的组合相比，制成的沥青混凝土具有增强的性能。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热集料的表面温度至少为340。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热集料的表面温度至少为380。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，增强的性能包括：提高的疲劳寿命，提高的抗车辙和抗推挤能力，更好地保持底结合料的低温性质。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述底涂料包含沥青组分和增量剂，增量剂包含加工助剂。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述沥青组分选自天然沥青、页岩沥青、溶剂脱沥青工艺的底馏份、硬沥青、吹制沥青、劲性精制沥青、稀释剂或它们的组合。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述天然沥青包括黑沥青。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述天然沥青主要由黑沥青组成。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述加工助剂选自低聚蜡、低聚蜡的衍生物、低分子量聚烯烃或它们的组合。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述低聚蜡的衍生物包括低聚蜡的羧基化衍生物。
11.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述沥青组分包括制成粒料的特立尼达湖地沥青。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述底涂料还包含加工助剂，加入的特立尼达湖地沥青量与加工助剂量的比值为4∶1至20∶1。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述底涂料占总结合料量的约3-10重量％。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将底涂料充分熔化在集料的至少一部分表面所需的时间约为3-10秒。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，添加底涂料的步骤包括采用选自以下装置的方法：散装筒仓、超大袋、可熔化的包或螺旋推进器。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述集料包括再生的沥青路面。
17.制备具有增强性能的集料和底结合料的组合的方法，该方法包括以下步骤：
(a)提供表面温度至少为250的热集料；
(b)将底涂料与热集料混合足够的时间，使底涂料熔化在集料的至少一部分表面上，熔化的底涂料在集料的至少一部分表面上形成一个层；
(c)将底结合料与至少部分覆盖了底涂层的热集料混合，使底涂层在在热集料和底结合料之间形成底涂料的中间层，与没有施加过底涂料的集料和底结合料的组合相比，制成的集料和底结合料的组合具有增强的性能。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述热集料的表面温度至少为380。
19.一种具有增强性能的沥青混凝土，该沥青混凝土包含：
(a)表面温度至少为250的热集料；
(b)底涂料，在加入沥青基的底结合料之前将底涂料加入到热集料中，底涂料熔化在至少一部分的热集料上，随后在热集料和底结合料之间形成底涂料的中间层；
(c)沥青基的底结合料，与没有加入过底涂料的集料和底结合料的组合相比，制成的沥青混凝土具有增强的性能。
20.如权利要求19所述的沥青混凝土，其特征在于，热集料的表面温度至少为340。
21.如权利要求19所述的沥青混凝土，其特征在于，热集料的表面温度至少为380。
22.如权利要求19所述的沥青混凝土，其特征在于，所述底涂料包含沥青组分和增量剂，所述增量剂包含加工助剂。
23.如权利要求22所述的沥青混凝土，其特征在于，所述沥青组分选自天然沥青、页岩沥青、溶剂脱沥青工艺的底馏份、硬沥青、吹制沥青、劲性精制沥青、稀释剂或它们的组合。
24.如权利要求22所述的沥青混凝土，其特征在于，所述加工助剂选自低聚蜡、低聚蜡的衍生物、低分子量聚烯烃或它们的组合。
25.如权利要求22所述的沥青混凝土，其特征在于，低聚蜡的衍生物包括低聚蜡的羧基化衍生物。
26.如权利要求22所述的沥青混凝土，其特征在于，所述沥青组分包括制成粒料的特立尼达湖地沥青。
27.如权利要求26所述的沥青混凝土，其特征在于，所述底涂料还包含加工助剂，加入的特立尼达湖地沥青量与加工助剂量的比值为4∶1至20∶1。
28.如权利要求19所述的沥青混凝土，其特征在于，所述底涂料占总结合料的约3-10重量％。
29.如权利要求19所述的沥青混凝土，其特征在于，所述集料包括再生的沥青路面。
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