CN101475351A - 一种冷拌高聚物改性沥青混凝土及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷拌高聚物改性沥青混凝土及其制造方法，该混凝土包括冷态高聚物沥青5.0－15、石料55－70、石粉1.0－5、水泥1.0－4、冷拌膨化剂4.0－10及纯净水5.0－27(重量份)经常混冷拌而成冷拌高聚物改性沥青混凝土。该混凝土制造简单，配方新颖独特，性能优异、节省能源，是快速、经济、节能、环保、性能优异的高等级公路用冷拌高聚物改性沥青混凝土，可广泛应用于各种等级公路铺摊的沥青混凝土路面。

Description

一种冷拌高聚物改性沥青混凝土及其制造方法

技术领域

本发明涉及公路铺摊沥青混凝土领域，特别是涉及高低温性能、水稳定性、粘结力及耐久性优异的一种冷拌高聚物改性沥青混凝土及其制造方法。

技术背景

我国使用热拌沥青混凝土已经有50多年的历史，人们通过加热的方法使常温下固态的沥青变为液态，再与各种矿料拌合成热拌沥青混凝土，摊铺在道路上，进行反复碾压，这就是沥青路面。后来，人们又在沥青中加入高分子聚合物，使用专门的设备对沥青进行改性，生产改性沥青混凝土，应用在高等级路面上，这就是改性沥青混凝土。热拌沥青或热拌改性沥青施工有很多弊病，不仅需要大量热能，而且污染环境、危害人体。随着科学技术的发展和国家对节能环保，能源再生利用的要求，产生了沥青冷态应用技术：温拌沥青混凝土；冷拌沥青混凝土及乳化沥青稀浆封层；冷再生等技术。冷拌沥青混凝土通常的生产技术是将沥青加热，在乳化剂的作用下，加入40-60重量％的水制成乳化沥青，再与各种矿料拌合，摊铺与喷洒在路面上。温拌沥青混凝土是将沥青加热到120℃-130℃流动状态下加入添加剂量，降粘再使用专用设备送入拌合楼与矿料拌合，可比热拌沥青降低30℃-35℃，但仍然需要加热；所谓乳化沥青稀浆封层技术，就是将沥青制备成常温是液态的物质，经过专门的摊铺设备与选择的矿料拌合成稀浆在路面上，这种施工方法、快速、经济、环保，在我国广泛应用，不足的是仅仅作为道路的养护维修应用，而且只能是道路的表面上封或下封、结合层、应用实际范围很窄。不能作为道路的主导材料，应用于结构层。

随着交通流量的日益增加，交通密度大，车辆大型化，重载超载严重，车速高，负荷作用时间短，密度增加快，这些对路面的要求越来越高。沥青路面对气温、雨水、日照等因素敏感，其承载能力和防止水害、病害能力相对偏低。高温季节出现痈包推移，雨季时老化及水浸泡剥离，严寒地区昼夜温差大，出现地面低温反射性裂缝及冻融现象，这些导致路用性能下降，加速路面损坏。因此，随着科学技术发展，用聚合物改性沥青开发冷态技术是当今世界主流。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足与缺陷，经发明人多年从事开发研究公路建设的沥青混凝土以及摊铺施工实践，本发明将使用高聚物冷拌沥青为胶结料，选择适宜的矿料，进行独特的高聚物冷拌高聚物改性沥青混合料(混凝土)配合比设计研究，将冷拌沥青混合料作为沥青上面层，对沥青路面结构进行优化研究，并通过长期路面试验路工程，完善配合比设计体系和施工工艺流程，完善高聚物改性冷态沥青冷拌混合料沥青路面结构设计方法，在保证路面使用性能的前提下，探索更为环保和经济的沥青路面材料和结构形式，具有重要的现实意义，其经济效益和社会效益也是显著的，从而因此本课题的研究取得突破性进展，开发提供一种冷拌高聚物改性沥青混凝土及其制造方法。

本发明提供的一种冷拌高聚物改性沥青混凝土包括下列组份及组份重量份经常温冷拌均匀而成。

冷态高聚物沥青   5.0-15重量份

石料             55-70重量份

石粉             1.0-5重量份

水泥             1.0-4重量份

冷拌膨化剂       4.0-10重量份

纯净水           5.0-27重量份。

本发明提供的冷拌高聚物改性沥青混凝土优选的组份重量份为：

冷态高聚物沥青   5.0-12重量份

石料             60-65重量份

石粉             1.5-3重量份

水泥             1.5-4.5重量份

冷拌膨化剂       5.0-9重量份

纯净水           6.5-27重量份。

本发明提供的冷拌高聚物改性沥青混凝土的制造方法包括下列步骤：

①冷态高聚物沥青的制造

将复合改性聚合物、重交沥青及固化剂按下列重量份在带有搅拌容器中于120℃-145℃低速混合搅拌20-45分钟，优选为30-35分钟，搅拌速度为35-60r/分，然后按下列重量份将纯净水、分散剂、稳定剂及乳化剂与搅拌混合物一起加入胶体磨中，于160℃-175℃高速研磨加工数分钟，优选为5分钟以下，研磨转速为3000-10000转/分，优选为4000-6000转/分，得冷态高聚物沥青；所述冷态高聚物沥青由下列组份及组份重量份组成：

复合改性聚合物   15-30重量份

重交沥青         50-60重量份

固化剂           4.0-16重量份

纯净水            15-18重量份

分散剂            2.0-3.0重量份

稳定剂            0.5-2.0重量份

乳化剂            1.5-2.0重量份。

优选为：

复合改性聚合物    18-20重量份

重交沥青          50-55重量份

固化剂            8.0-12重量份

纯净水            15-16重量份

分散剂            2.5-3.0重量份

稳定剂            1.0-2.0重量份

乳化剂            1.5-1.8重量份。

②将步骤①的冷态高聚物沥青与石料、石粉、水泥、冷拌膨化剂及纯净水按上述冷拌高聚物改性沥青混凝土的组份重量份进行常温拌合均匀得冷态高聚物沥青混凝土。

按照本发明提供的冷拌高聚物改性沥青混凝土及其制造方法中，所述冷态高聚物沥青是冷拌高聚物改性沥青混凝土的关键材料，其中作为沥青路面的沥青(指冷态高聚物沥青)软化点，是沥青开始到液化的恒定温度，表征沥青软、硬程度，软化点越高，说明沥青耐高温性能越高，路用性能抗车辙性能越好，道路高温下不软化、沥青高温不流淌。冷态高聚物沥青软化点大于80℃，远远高于冷拌乳化沥青50℃-53℃及热沥青SBS改性沥青的软化点45℃-55℃的国际要求。它对于冷拌沥青混凝土的耐高温性能提供保障。沥青感温性能在过去聚合物改性热沥青中有要求，最高要求不小于-1.2，而冷态高聚物沥青为0.8.说明对温度的敏感性远远优于现有技术中通用热沥青的指标要求，高温不变软，低温不变脆。低温延度性能目前我国现行规范要求用5℃延伸来表征材料的低温性能，它也更能反应沥青的改性效果，5℃延度越大说明低温抗裂性能越好，当然还要结合材料的低温流变性能和沥青混凝土材料剪切应变来综合评价。在相同矿料和适合的级配体系下5℃低温延度值越大，材料的抗低温开裂性越好，本发明实验结果表明单纯使用聚合物SBS改性或SBR乳胶改性，其5℃延度没有复合改性好，为大于35。蒸发残留物含量指标值越大，说明乳化沥青中含水越少，我国规范要求不小于60％；这是针对通常现行施工工艺而言，如果代替热拌沥青混凝土，这个指标很低，含水量太大，必须把水量控制在5.5-26重量之间，即蒸发残留物的含量为74-94.5重量之间，试验结果表明，通常所单纯使用的聚合物材料，如：SBS、SBR、PR、EVA都很难满足要求，须进行复合改性，才能满足综合指标的要求，达到代替热拌沥青混凝土的目的。

所述重交沥青以优质低凝环烷基原油为主要原料生产加工的优质芳烃基高级重交道路沥青，例如中石化(东海牌)芳烃基AH-70#、中石油芳烃基AH-70#或中海油芳烃基AH-70#；其质量指标如表1所示，具有优良特性，蜡含量低于2.0％，密度大于1，TFOT(163℃，5小时)15℃延度为130-140厘米，由此可见该重交沥青具有优质的道路性能。重交沥青对质量影响至关重要，其用量为50-60重量份，优选为50-55重量份。

表1

所述乳化剂为慢裂快凝型阳离子乳化剂(简称阳离子乳化剂)或慢裂快凝型阴离子乳化剂(简称阴离子乳化剂)，所述阳离子乳化剂如酰胺类、咪唑啉类和烷基酰胺基多胺类，例如RH-C05(酰胺类，山西化工研究院生产销售)，MK系列(江阴市荣成路桥生产销售)，KX-I型阳离子沥青乳化剂，(浙江金华市公路处研制生产销售)，MJ型(河南省公路局与山西省化工研究所联合研制)或QS-2(安徽芜湖中联公司生产销售)等；所述阴离子乳化剂为脂肪醇聚氧乙烯醚与烷基酚聚氧乙烯醚的混合物如OP(上海经纬有限公司)；XLY2000(河南省郾城龙逸化工公司生产销售)，上述乳化剂均为慢裂快凝型乳化剂，这些慢裂快凝型沥青乳化能力强，改性沥青乳液不结块，不沉淀，乳液光滑，性能稳定。这些乳化剂可单独使用，亦可混配使用，混配没有严格要求，可按任何比例混配，含量为1.5-2.0重量份，优选为1.5-1.8重量份。

所述稳定剂为：聚烯烃类化合物如沙所比德(SaSobit，无锡万邦化工有限公司销售)、聚有机硅氧烷与多元醇的接枝共聚物、烷基酚聚氧乙烯醚类如聚乙二醇脂肪酸酯、澎润土或凹凸棒土等；优选为SaSobit、聚有机硅烷氧与多元醇的接枝共聚物或聚乙二醇脂肪酸酯，这些稳定剂主要起到增稠和缓破作用，以上稳定剂市场均可以购得，其用量0.5-2.0重量份，优选为1.0-2.0重量份。

所述分散剂为：萘磺酸甲醛缩合物，如：PD(上海助剂厂)；萘磺酸甲醛缩合钠盐(C₁₂H₁₄O₆S₂Na₂)n、亚甲基双萘磺酸钠NNO或亚甲基双甲基萘磺酸钠MF(C₂₃H₂₀O₆Na₂)等，优选为NNO或(C₁₂H₁₄O₆S₂Na₂)n，这些分散剂都有良好的扩散和分散作用，市场均可购得。其用量2.0-3.0重量份，优选为2.5-3.0重量份。

所述改性复合聚合物为丙烯腈一丁二烯一苯乙烯树脂(ABS)，乙烯一醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚乙烯(PE)、无规(立构)聚丙烯(APP)、顺丁橡胶(BR)、氯丁橡胶(CR)、丁苯橡胶(SBR)、苯乙烯一丁二烯一苯乙烯三元嵌段共聚物(SBS)如线型或星型三元嵌段共聚物或其他们的乳胶等，以任何比例复合聚合物，所述复合改性聚合物的乳胶可用已知方法制成乳胶再使用或市销胶乳产品，优选苯乙烯一丁二烯一苯乙烯三元嵌段共聚物(SBS)胶乳和SBR胶乳。所述复合改性聚合物可单独使用，或以任何比例混配复合使用，优选复合改性聚合物，例如将高分子聚合物SBS经过预处理工艺后，充加低凝环烷油并接枝缩水甘油酯，进行环氧化在低温下聚合而成，由江阴荣成路桥厂生产销售，其用量通常15-30重量份，优选为18-20重量份。

所述固化剂为碳酸盐水泥、轻质碳酸钙、钛白粉或硅藻土，所述固化剂用量为4.0-16.0，优选8.0-12重量份。

所述石料和石粉是通常开采的矿石，例如石灰岩、玄武岩、青石或花岗岩等，优选为玄武岩等矿石经破碎或粉碎后呈一定粒度的碎石、石屑及石粉，碎石的粒度通常为5-10mm、10-15mm的混合碎石料，石屑粒度<3mm的细碎石，本发明的石料指碎石和石屑按一定粒度比例组成，例如5-10mm碎石与10-15mm碎石重量百分数为32：34重量％，石屑为30重量％，石粉为4重量％，这种比例在公路路面沥青混凝土中是公知的，对于高等级高速公路、低等级普通公路有所不同，根据所建公路等级及所用石料而定，石灰岩通常因硬度低，用于低等级公路路面用冷拌高聚物改性沥青混凝土，玄武岩或花岗岩等因硬度高，用于高等级公路路面用冷拌高聚物改性沥青混凝土。

所述冷拌膨化剂为甲基纤维素、澎润土、硅藻土或橡胶粉如天然橡胶粉、丁氯橡胶粉、顺丁橡胶粉、丁腈橡胶粉、丁基橡胶粉、废旧橡胶粉或再生橡胶粉或它们的以任何比例的混配橡胶粉，根据市场价格及使用路面而选择，从经济实用与性能平衡考虑，优选为废旧橡胶粉，这些橡胶粉可单独使用或混配使用(任何比例)，其作用是增大体积，降低密度，提高粘弹性，柔韧性，减小噪音，可更好适应气候变化而使路面耐用，一般而言橡胶粉的细度(粒度)越小越好，其分散性好，性能更佳。

所述水泥为市场出售的各种标号水泥，优选采用500号或700号高标号水泥，满足高等级公路使用。

按照本发明提供的冷拌高聚物改性沥青混凝土及其制备方法中，由于本发明的冷拌高聚物改性沥青混凝土的配方及其生产工艺，特别是冷态高聚物沥青的创新及改性使混凝土产品性能发生根本性变化，可广泛应用于高等级公路代替目前被使用的热拌沥青混凝土，本发明的冷态高聚物沥青与通用改性乳化沥青制备工艺及性能比较列于表2-4。

表2

从表2可以看出冷态高聚物沥青的制备温度高，聚合物复合使用加入量大，含水少混合搅拌，高强度研磨、粒径细、含水少等特点，所使用的工艺不一样，产品性能发生根本变化。

表3

表4

表4通常乳化沥青与高聚物冷态沥青路用性能要求对比：

本发明提供的冷拌高聚物改性沥青混凝土及其制备方法特点为：

1、本发明冷态高聚物沥青的制备温度高，聚合物复合使用加入量大，含水少混合搅拌，高强度研磨、粒径细、含水少等特点，所使用的工艺不一样，产品性能发生根本变化，性能优异，例如高聚物冷态沥青软化点大于80℃。符合或超过高等级公路沥青混凝土的要求。

2、冷拌高聚物改性沥青混凝土制造简单，节省能源，是快速、经济、节能、环保、性能优异，完全符合高等级公路用沥青混凝土，可替代目前使用热拌沥青混凝土达到国家规范JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

3、冷态高聚物沥青软化点大于80℃，远远高宇热沥青SBS改性沥青的软化点(50℃)。其沥青感温性能为0.8，充分说明对温度的敏感性远远满足规范热沥青的最高要求，高温不变软，低温不变脆。蒸发残留物的含量为74-94.5％之间，说明替代热拌沥青混凝土有了质量保证。

具体实施方式

本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。

实施例1

取16Kg洁净的水，在水中加入慢裂快凝型阳离子乳化剂(RC-SMRHJ804江阴荣成路桥公司)1.8Kg，加入复合改性聚合物SBR乳胶20Kg及天然乳胶(以聚合物重量为准)10Kg，分散剂萘磺酸甲醛混合钠盐2.5Kg，聚乙二醇脂肪酸1.5Kg搅拌均匀后，于温度至65℃，继续搅拌均匀并保持温度。取60Kg中石化芳烃基AH-704#重交沥青，碳酸盐水泥5kg加热至165℃，一起搅拌均匀加入胶体磨中研磨，转速为5000转/分，加工5分钟后就得到要配制的冷态高强度沥青。化验结果表明(见表2-4)，各项指标较理想，筛上剩余量小，贮存稳定性好，软好点高，粘韧性好，老化性能好，由江阴荣成路桥公司生产。

实施例2

本例采用江阴荣成路桥公司生产的冷态高聚物沥青，石料采用玄武岩，冷拌膨化剂、500号水泥、纯净水冷拌而成冷拌高聚物改性沥青混凝土，配方、性能列于下表5：

表5

实施例3

实施例3制造相同于实施例2，不同采用组份及组份重量份于表6

表6

实施例4

实施例4步骤相同于实施例3，不同组份及组份重量份于表7

表7

高温稳定性(AC-13花岗岩)

车辙板尺寸：300×300×50mm，拌合温度25℃；击实温度25℃，行走距离23±1cm，轮压0.7MPa.

Claims (7)

1、一种冷拌高聚物改性沥青混凝土，包括下列组份及组份重量份经常温冷拌而成：

冷态高聚物沥青      5.0-15重量份

石料                55-70重量份

石粉                1.0-5重量份

水泥                1.0-4重量份

冷拌膨化剂          4.0-10重量份

纯净水              5.0-27重量份。

2、根据权利要求1的冷拌高聚物改性沥青混凝土，其特征在于所述组份重量份为：

冷态高聚物沥青        5.0-12重量份

石料                  60-65重量份

石粉                  1.5-4.5重量份

水泥                  1.5-3重量份

冷拌膨化剂            5.0-9重量份

纯净水                6.5-27重量份。

3、根据权利要求1或2的冷拌高聚物改性沥青混凝土，其特征在于所述冷态高聚物沥青由下列组份及组份重量份经低速搅混匀，高速研磨而成；

复合改性聚合物        15-20重量份

重交沥青              50-60重量份

固化剂                4.0-16重量份

纯净水                15-18重量份

分散剂                2.0-3.0重量份

稳定剂                0.5-2.0重量份

乳化剂                1.5-2.0重量份；

所述复合改性剂聚合物为丙烯腈-丁二烯一苯乙烯树脂、无规聚丙烯、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚乙烯、苯乙烯-丁二烯三元嵌段共聚物或其它们的胶乳，以任何比例的混配聚合物；所述重交沥青为优质低凝环烷基原油加工的芳烃基高级重交道路沥青，蜡含量低于2.0重量％，密度大于1，TFOT15度延度130-140cm；

所述分散剂为萘磺酸甲醛缩合物及其钠盐、亚甲基双萘磺酸钠或亚甲基双甲萘磺酸钠；

所述固化剂为碳酸盐水泥、轻质碳酸钙、钛白粉或硅藻土；

所述稳定剂为聚烯烃类化合物、聚有机硅氧烷与多元醇的接枝共聚合物、烷基酚聚氧乙烯醚或澎润土；

所述乳化剂为慢裂快凝型阳离子乳化剂和/或阴离子乳化剂。

4、根据权利要求3的冷拌高聚物改性沥青混凝土，其特征在于所述乳化剂为酰胺类、咪唑啉类、烷基酰胺类或脂肪醇聚氧乙烯醚与烷基酚聚氧乙烯醚的混合物。

5、根据权利要求1或2的冷拌高聚物改性沥青混凝土，其特征在于所述石料为5-10mm及10-15mm粒度的碎石与<3mm的石屑的混合石料，其碎石与石屑的重量百分数为32％；34％；30％，石粉为4重量％；所述冷拌膨化剂为甲基纤维素、澎润土、硅藻土或橡胶粉。

6、根据权利要求5的冷拌高聚物改性沥青混凝土，其特征在于所述橡胶粉为天然橡胶粉、丁苯橡胶粉、顺丁橡胶粉、废旧橡胶粉或它们以任何比例的混配橡胶粉。

7、一种权利要求1或2的冷拌高聚物改性沥青混凝土的制造方法，包括以下步骤：

①冷态高聚物沥青的制造

将复合改性聚合物、重交沥青及固化剂按下列重量份在带有搅拌容器中于120-145℃低速混合搅拌20-45分钟，搅拌速度为35-60r/分，然后按下列重量份将纯净水、分散剂、稳定剂及乳化剂与搅拌混合物一起加入胶体磨中，于160-175℃研磨加工数分钟，研磨转速为3000-10000转/分，得冷态高聚物沥青；所述冷态高聚物沥青的组份及组份重量份为：

复合改性聚合物         15-20重量份

重交沥青               50-60重量份

固化剂                 4.0-16重量份

纯净水                 15-18重量份

分散剂                 2.0-3.0重量份

稳定剂                 0.5-2.0重量份

乳化剂                 1.5-2.0重量份；

②将步骤①的冷态高聚物沥青、石料、石粉、水泥、冷拌膨化剂及纯净水按权利要求1或2中所述重量份于常温拌合均匀得冷拌高聚物改性沥青混凝土。