CN102295445A - 微波加热固化的乳化沥青混凝土材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波加热固化的乳化沥青混凝土材料及其制备方法，乳化沥青混凝土由下列原料及其质量百分比组成：玄武岩或石灰岩集料79%~88%，石灰岩矿粉3%~6%，普通硅酸盐水泥1%~4%，微波加热破乳的乳化沥青8%~11%，上述原料质量百分比之和为100%；其制备方法先将集料、矿粉和水泥在常温条件下拌和1min，加入微波加热破乳的专用乳化沥青并将混合料拌和2min，摊开并预压至50%压实度，微波加热到50℃以上破乳排水，继续加热至100℃以上，终压，制得混凝土材料。本发明采用微波加热后破乳排水并终压固化，乳化沥青破乳时间可控，乳化沥青混凝土的路用性能大幅提高，绿色环保且施工方便，适用于乳化沥青混凝土用作高等级路面层，路面快速养护和沥青混凝土工厂化预制等领域。

Description

微波加热固化的乳化沥青混凝土材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于公路面层铺筑的乳化沥青混凝土材料，特别是一种使用微波加热固化的乳化沥青混凝土材料及其制备方法。

背景技术

微波是指频率在300MHz~300GHz的电磁波。在微波电磁场的作用下，介质材料中的极性分子从原来的热运动状态转为跟随微波电磁场的交变而排列取向，微波能量转化为介质内的热量，使材料温度呈现为宏观上的升高。微波加热是目前最先进的沥青路面材料加热方法，具有速度快、加热均匀、温度梯度小、热量散失少、无明火、无弱接缝和弱接面、修复质量高和无污染等优点，并能实现旧沥青料重复利用，符合国家节能减排、环境保护的要求，能够满足公路维修快速进入、快速作业、快速撤离的工作需要。

乳化沥青是将通常高温使用的道路石油沥青，经过机械搅拌和化学稳定的方法，扩散到水中而液化成常温下粘度低、流动性好的一种道路建筑材料。在乳化沥青中，水是分散介质，沥青是分散相，两者只有在表面能较接近条件下才能形成稳定结构，因此需要借助乳化剂和稳定剂等外加助剂来加强其稳定性。

然而，由于各地产基质沥青性能千差万别，一种乳化剂不能适应所有不同种类的沥青乳化，这就为生产乳化沥青带来困难，导致乳化沥青在运输和存储过程中过早分裂破乳，造成材料的极大浪费，增加了乳化沥青应用成本。

其次，由于各地集料千差万别，稳定的乳化沥青当洒布遇到集料时，立即产生破乳，为混凝土的均匀拌和带来困难，使乳化沥青与集料的粘附能力下降。而要合理控制乳化沥青破乳时机，需要针对每一种集料开发专门的乳化剂和乳化稳定剂，这在实际应用过程中很难实现，为乳化沥青混凝土材料的推广带来极大困难。

第三，混凝土成型后乳化沥青中还含有水分，需待水分完全蒸发，才能产生足够的粘结力，这就造成乳化沥青混凝土早期强度低，不能尽快开放交通，这也是乳化沥青混凝土路面的重要缺点之一。

第四，既要满足乳化沥青在储运过程中稳定不破乳，又要满足遇到集料适时破乳，相互矛盾；同时要适应各种类型的沥青和不同岩性的集料，这就为开发通用的乳化剂和乳化稳定助剂带来巨大的困难，进一步影响了乳化沥青混凝土材料的路用性能。

发明内容

针对背景技术中乳化沥青混凝土材料在实际应用过程中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种微波加热固化的乳化沥青混凝土材料及其制备方法，其主要制备方法为：乳化沥青冷拌—冷摊铺—微波加热破乳—热压成型。

本发明采用在常温下稳定的专用乳化沥青，这种乳化沥青常温下十分稳定，在储运过程中不破乳，同时在混合料拌制过程和摊铺过程中也不破乳，和集料可实现均匀拌合的目的；乳化沥青混合料拌好后，进行常温摊铺，摊铺好预压后通过微波外场诱导破乳；破乳后微波继续加热混合料，达到一定温度后，再进行复压和终压成型，实现致密化，最终获得早期强度高的乳化沥青混凝土路面材料。

为了实现上述技术任务，本发明采取如下具体的技术解决方案：

一种微波加热固化的乳化沥青混凝土材料，该混凝土材料由下列原料及其质量百分比为：

玄武岩或石灰岩集料：79%~88%；石灰岩矿粉；3%~6%；硅酸盐水泥：1%~4%；微波加热破乳的乳化沥青：8%~11%；上述原料的质量百分比之和为100%。

本发明的混凝土材料原料的优选质量百分比组合为：

玄武岩或石灰岩集料：81%~86%；石灰岩矿粉：3%~5%；硅酸盐水泥：2%~4%；微波加热破乳的乳化沥青：9%~10％；上述原料的质量百分比之和为100%。

所述的该混凝土材料原料的优选质量百分比为：

玄武岩集料占84%；石灰岩矿粉占4%；硅酸盐水泥占3%；微波加热破乳的乳化沥青占9%。

所述的玄武岩集料密度为2.821g/cm ³ ，对沥青粘附等级为4级，压碎值为10.1％，粒径为0.075mm~9.5mm，连续级配；所述的矿粉密度为2.711g/cm ³ ，亲水系数为0.83。

所述的微波加热破乳的乳化沥青是在室温下5天稳定度小于2%，微波加热到50℃以上时由于非离子乳化剂发生转相而制得，其中原料及其重量百分百比如下：

软化点为55^oC的石油沥青：58%；十七烷二甲基苄基氯化铵：3%；烷基酚聚氧乙烯醚：0.2%；聚乙烯醇17－92：0.3%；三氯化铁：3%；水溶性均三嗪三缩水甘油胺环氧树脂：1.5%；水：34%。

另外，本发明微波加热固化的乳化沥青混凝土材料方法包括以下步骤：

将81%~86%质量百分比的玄武岩集料、3%~5%质量百分比的石灰岩矿粉和2%~4%质量百分比的硅酸盐水泥加入拌和机，在常温条件下拌和1min后，加入8%~11%质量百分比的微波加热破乳的乳化沥青，在拌和机中再拌和2min，获得质地均匀的乳化沥青混合料，在整个拌和过程中混合料中乳化沥青不破乳。 

（2）对常温摊开的乳化沥青混合料进行预压，使得混合料压实度达到50% 。

（3）对预压后的乳化沥青混合料进行微波加热，实现乳化沥青混合料完全破乳。

（4）对破乳后的沥青混合料继续进行微波加热，加热到沥青混合料整体温度大于50℃且破乳后的沥青混合料中大部分水分排出后，对沥青混合料进行复压和终压，且终压温度不低于100℃，最终得到沥青混凝土路面材料。

本发明与现有技术相比具有以下技术优势：

首先，采用常温稳定、微波加热破乳的乳化沥青，克服了传统乳化沥青储运过程中易破乳，造成材料浪费的问题。同时克服了传统乳化沥青混凝土材料成型后不破乳，造成早期强度低的问题。消除了传统乳化沥青既要求长期储存稳定，又要求使用后迅速破乳之间的矛盾。

其次，采用冷拌冷摊工艺，实现洁净生产的制备技术，无污染；采用微波破乳，微波加热压实工艺，压实质量容易控制，压实过程中无污染，实现绿色施工。

第三，采用冷拌-冷摊-微波破乳-热压工艺，与温拌技术和热拌技术相比，节能和环保，突破了传统热拌混合料运输过程中的保温条件限制，压实过程中严格的温度条件限制，使得施工变得从容便利。

第四，本工艺突破了传统乳化沥青混合料只能做中下面层材料的局限，实现了乳化沥青混合料用作上面层的目的，扩展了乳化沥青混凝土材料的应用范围。

本发明制得的乳化沥青混凝土的马歇尔稳定度等路用性能，满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）中AC-10密级配沥青混合料相关技术标准，因此，该乳化沥青混凝土完全可以在公路面层中使用，而且采用微波加热破乳，能够人为控制乳化沥青的破乳时间，大幅度提高混合料的路用性能，从而进一步提高路面使用寿命。

具体实施方式

下面通过具体的优选实施例对发明作进一步详细说明。

以下是发明人给出的实施例，这些实施例仅用于本领域技术人员充分的理解本发明，凡是在以下实施例基础上做的等同变换或者替换均属于本发明的保护范围。

实施例1：

在乳化沥青混合料配制中，以混合料总质量计，集料占84%，矿粉占4％，水泥占3%，乳化沥青占9%；级配（质量比）如表1所示。

表1集料级配表

原材料选择：

集料：浙江产玄武岩集料，密度为2.821g/cm³，对沥青粘附等级为4级，压碎值为10.1％，粒径为0.075mm~9.5mm，连续级配；

矿粉：陕西泾阳产石灰岩矿粉，密度为2.711g/cm³，亲水系数为0.83；

水泥：陕西秦岭水泥股份有限公司产P.O42.5R水泥，安定性合格，强度等级满足《通用硅酸盐水泥标准》（GB175-2007）要求。

微波加热破乳的乳化沥青：在室温下5天稳定度小于2%，微波加热到50℃以上时由于非离子乳化剂发生转相而制得，它与集料拌和不破乳，使用微波加热后破乳并固化，其性能指标满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的要求，见表2.

其中原料及其重量百分百比如下：

基质沥青为软化点为55^oC的石油沥青占58%；水为自来水占34%；阳离子乳化剂为十七烷二甲基苄基氯化铵占3%；非离子乳化剂为烷基酚聚氧乙烯醚（OP-10）占0.2%；有机稳定剂为聚乙烯醇17－92（PVA17-92）占0.3%；无机稳定剂为三氯化铁占3%；保水剂为水溶性均三嗪三缩水甘油胺环氧树脂占1.5%。

表2 乳化沥青性能

本发明微波加热固化的乳化沥青混凝土材料混凝土的制备方法，先将集料、矿粉和水泥在常温条件下拌和均匀，加入乳化沥青并将混合料拌和均匀；再对常温摊开的乳化沥青混合料进行预压并进行预压，使得混合料压实度达到50%，对预压后的乳化沥青混合料进行微波加热，实现乳化沥青混合料完全破乳；当微波加热至50℃以上，使得乳化沥青破乳并排水；微波继续加热混合料温度达到100℃以上，进行复压与终压，压至马歇尔标准密实度100%，最终制得路用性能试验试件。

实施例2～12：

实施例2～12的混凝土的原料及其质量配合比见表3，按照实施例1中描述的制备方法生产混凝土，其破乳时间和最终成型温度见表4。

表3混凝土原料质量配合比（%）

表4混凝土破乳温度和终压温度

试验实施例：

对实施例1～12中成型的乳化沥青混合料试件在室温下放置3天，参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000），进行路用性能试验。

马歇尔稳定度的测定

采用马歇尔击实仪，击锤重量4536g，自由下落高度457.2mm，根据压实度，初始在试件两面各击实25次，达到50%密实度，微波加热，破乳排水，然后在试件两面各击实50次，成型φ101.6mm×h63.5mm圆柱体试马歇尔试件。用马歇尔稳定度测定仪测试其稳定度和流值，试验结果见下表5。

表5马歇尔试验结果

表5表明，随着水泥质量百分比的增加，乳化沥青混合料混凝土稳定度逐渐提高；随着乳化沥青质量百分比的增加，混凝土微波破乳时间延长，流值逐渐增加；当水泥质量百分比为0%，混合料稳定度值小于《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）所要求的8.0kN，而且在实施例4、7、9和12中，当乳化沥青质量百分比达到10%时，微波破乳时间较长，终压温度较高，混凝土流值大于4.0mm。

静压强度的测定

试件采用静压成型的圆柱体试件，直径为100mm±2.0mm，高为100±2.0mm。试验温度为20℃，初始加载至1MPa，至50%密实度，微波加热，破乳排水，然后加载至25MPa，加载速率为2mm/min，成型混凝土时间，试验结果如表6所示。

表6静压强度试验结果

表6表明，随着水泥质量百分比的增加，混凝土的静压强度逐渐提高；而随着乳化沥青质量百分比增加，混凝土静压强度先升高后降低。

动稳定度的测定

车辙板尺寸为300mm×300mm×50mm。试验采用HLR-3型沥青混合料轮碾成型机先在一个方向碾压2个往返，至50%密实度，微波加热，破乳排水，将混凝土试件调转方向，再压12个往返，达到马歇尔标准密实度，制的混凝土高温稳定性测定试件；养生结束后，用HLR-3型沥青混合料水路两用车辙试验机，进行动稳定度试验，试验轮往返碾压速度为42次/分钟，试验温度为60℃，试验结果如表7所示。

表7动稳定度试验结果

表7表明，随着水泥质量百分比的增加，混凝土的动稳定度逐渐提高；而随着乳化沥青质量百分比增加，混凝土动稳定度先升高后降低，说明过高的乳化沥青质量百分比对破乳时间产生的影响对混凝土高温稳定性能产生了不利的作用，但仍然高于《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）所要求的1000次/mm。

低温劈裂强度的测定

试件采用马歇尔标准击实法成型的直径为Ф101.6mm±0.25mm，高为63.5mm±1.35mm试件。试验温度为-10℃±0.5℃，加荷速率为50mm/min，试验结果如表8所示。

表8表明，随着水泥质量百分比的增加，混凝土的低温劈裂先升高后下降，其原因主要是过多的水泥掺量影响了混凝土的拌和与压实效果，使得混凝土的空隙率增大，低温条件下混合料变脆，劈裂强度降低，而随着乳化沥青质量百分比增加，混凝土向韧性方向发展，低温劈裂强度逐渐提高。

表8低温劈裂强度试验结果

实施例13：

根据实施例1中的混凝土原料配比，按照常规乳化沥青混凝土生产方法制备实施例13，养生龄期与实施例1相同，其路用性能见表9。

表9混凝土路用性能试验结果

表9表明，与常规生产方法制备的乳化沥青混凝土相比，采用微波加热的乳化沥青混凝土路用性能大幅度提高。

Claims (6)

1.一种微波加热固化的乳化沥青混凝土材料，其特征在于，该混凝土材料由下列原料及其质量百分比组合为：

玄武岩或石灰岩集料：79%~88%；石灰岩矿粉；3%~6%；硅酸盐水泥：1%~4%；微波加热破乳的乳化沥青：8%~11%；上述原料的质量百分比之和为100%。

2.如权利要求1所述的微波加热固化的乳化沥青混凝土材料，其特征在于：所述的该混凝土材料原料的优选质量百分比组合为：

玄武岩或石灰岩集料：81%~86%；石灰岩矿粉：3%~5%；硅酸盐水泥：2%~4%；微波加热破乳的乳化沥青：9%~10％；上述原料的质量百分比之和为100%。

3.如权利要求1或2所述的微波加热固化的乳化沥青混凝土材料，其特征在于：所述的该混凝土材料原料的最优质量百分比为：

玄武岩集料占84%；石灰岩矿粉占4%；硅酸盐水泥占3%；微波加热破乳的乳化沥青占9%。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的微波加热固化的乳化沥青混凝土材料，其特征在于：所述的玄武岩集料密度为2.821g/cm ³ ，对沥青粘附等级为4级，压碎值为10.1％，粒径为0.075mm~9.5mm，连续级配；所述的矿粉密度为2.711g/cm ³ ，亲水系数为0.83。

5.如权利要求1-3中任意一项所述的微波加热固化的乳化沥青混凝土材料，其特征在于：所述的微波加热破乳的乳化沥青是在室温下5天稳定度小于2%，微波加热到50℃以上时由于非离子乳化剂发生转相而制得，其中原料及其重量百分百比如下：

软化点为55^oC的石油沥青：58%；十七烷二甲基苄基氯化铵：3%；烷基酚聚氧乙烯醚：0.2%；聚乙烯醇17－92：0.3%；三氯化铁：3%；水溶性均三嗪三缩水甘油胺环氧树脂：1.5%；水：34%。

6.制备权利要求1-3中任意一项所述的微波加热固化的乳化沥青混凝土材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）将81%~86%质量百分比的玄武岩集料、3%~5%质量百分比的石灰岩矿粉和2%~4%质量百分比的硅酸盐水泥加入拌和机，在常温条件下拌和1min后，加入8%~11%质量百分比的微波加热破乳的乳化沥青，在拌和机中再拌和2min，获得质地均匀的乳化沥青混合料，在整个拌和过程中混合料中乳化沥青不破乳；

（2）对常温摊开的乳化沥青混合料进行预压，使得混合料压实度达到50% ；

（3）对预压后的乳化沥青混合料进行微波加热，实现乳化沥青混合料完全破乳；

（4）对破乳后的沥青混合料继续进行微波加热，加热到沥青混合料整体温度大于50℃且破乳后的沥青混合料中大部分水分排出后，对沥青混合料进行复压和终压，且终压温度不低于100℃，最终得到沥青混凝土路面材料。