CN102942326A

CN102942326A - 有机硅强化剂、再生集料、及沥青混合料与应用

Info

Publication number: CN102942326A
Application number: CN2012104744007A
Authority: CN
Inventors: 吴少鹏; 林俊涛; 杨世明; 陈美祝; 庞凌; 谢君; 雷敏; 万里; 王腾
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2013-02-27
Also published as: WO2014079086A1

Abstract

本发明提供一种有机硅强化剂、再生集料、及沥青混合料与应用。该有机硅强化剂由下列组分按重量百分比组成：50%-98%的有机硅树脂溶液、1%-30%的渗透剂、及1%-20%的增粘剂。该再生集料由下述方法制备：将有机硅强化剂喷洒于废弃集料或者将废弃集料浸泡于有机硅强化剂后，在25-60℃的温度下养生2-5天，即得到所述再生集料。该沥青混合料由下述方法制备得到：将天然集料和再生集料混合后加热至170-180℃，然后与沥青，矿粉拌合形成所述沥青混合料，所述再生集料占所述天然质量的质量百分比为60%-90%。本发明中合成的有机硅强化剂可以显著的降低再生集料的吸水率，提高再生集料与沥青的粘附性。将处理后的再生集料大比例应用于沥青混合料中，取代天然石料后，不影响沥青混合料的力学性能。

Description

有机硅强化剂、再生集料、及沥青混合料与应用

技术领域

本发明属于固体废弃物资源循环利用领域，尤其涉及一种有机硅强化剂、再生集料、及沥青混合料与应用。

背景技术

进入二十一世纪以来，随着世界范围内城市化进程的加快，建筑业进入高速发展阶段，建筑垃圾的处理量和处理费用越来越高，由此引起的社会环境问题也越来越多。根据有关资料的测算，我国每年仅施工建设所产生的建筑废渣就有4000万t，其中约34%是混凝土块，则由此产生的废弃混凝土(waste Concrete)就有1360万t，而且随着我国经济建设步伐的进一步加快，今后废弃混凝土也必然随之增加。

另外，钢渣等固体废弃物也逐年增多。据统计，钢渣的产量占到钢铁生产量的18%-20%左右，目前我国积存的钢渣已有2亿多吨，而且每年仍以800-900万吨的排渣量递增，占据了大量的土地资源，同时影响了区域环境。而其中钢渣废料中有的80%未能被有效利用。

目前，这些固体废弃物的处理办法主要是运往郊外弃置或填埋，这既占用土地又影响环境。而将固体废弃物经过破碎、清洗与分级后，按一定的比例与级配混合后作为新的混凝土的集料，称为再生集料。制备的再生集料可以重新用于水泥混凝土或者沥青混合料中。另外，公路建设中集料短缺的问题日益严重。据估算，2011年我国用于公路建设的沥青混凝土达5.7亿吨，消耗了天然碎石骨料近5.1亿吨。对于不可再生的天然砂石资源来说，如此大的消耗量几乎意味着消耗殆尽。在这样的形势下，大规模的应用再生集料成为了解决集料短缺的必由之路。再生集料的应用完全满足世界环境组织提出的“绿色”的三大含义：(1)节约资源、能源；(2)不破坏环境，更应有利于环境；(3)可持续发展，既可满足当代人的需求，又不危害后代人满足其需要的能力。

国内外的研究人员对再生集料的研究和应用已经取得了很多的成果。用途主要集中在在公路沥青混合料，水泥混凝土和钢筋混凝土中以取代部分天然集料。1991年日本政府制定的《资源重新利用促进法》规定建筑施工过程产生的渣土、混凝土块、沥青混凝土块、木材、金属等建筑垃圾，必须送往“再生资源化设施”进行处理。根据美国联邦公路局统计，截止2003年，美国现在己有超过20个州在公路建设中采用再生混凝土，26个州允许将再生集料作为基层材料，4个州允许将再生集料作为底基层材料，将再生集料应用于基层和底基层的28个州级机构中，有15个制定了关于再生集料和再生集料混凝土的相关规范；在欧洲，在20世纪80年代，荷兰就制定了有关利用再生混凝土集料制备素混凝土、钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土的规范，丹麦于1990年颁布法规修正案将回收的混凝土按强度分为2类:其中强度为20MPa以下的为第1类，而强度为20-40MPa的为第2类。在使用这些再生集料的过程中，要求各类集料达到一定的技术要求。我国对再生集料混凝土的开发研究晚于发达国家，但近年政府对建筑垃圾的循环再利用高度重视，制定的中长期发展战略鼓励废弃物的开发利用。目前国内数十家大学和研究机构开展了再生混凝土的研究，取得了一定进展，并在北京、上海等地的建筑企业在建筑垃圾，固体废弃物回收利用方面做了一些有益的尝试。

再生集料混凝土的各项性能在很大程度上取决于再生集料的性质。为此，国内外对再生集料的性质进行了大量研究并且发现：再生集料与天然集料比，具有孔隙率较高、密度较小、吸水性增强和集料强度较低等特点。其中再生集料的吸水率过高是制约其大规模应用的最重要问题，尤其是应用于沥青混合料中，集料吸水率过高将导致沥青用量的提高，从而明显提高再生集料应用的成本。另外，再生集料的吸水率过高，水分的存在导致再生集料与沥青的粘附性不好，使得水损害发生的机率增高。一般而言，再生细集料的吸水率为10-12%，粗集料的吸水率为2.5-12%。为解决制约再生集料应用的难题，必须要对再生集料进行强化处理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种有机硅强化剂、再生集料、及沥青混合料与应用方法，使用该有机硅强化剂处理废弃集料后得到的再生集料的吸水率显著降低、并能提高再生集料与沥青的粘附性能。

本发明的技术方案为：

有机硅强化剂，其特征在于，它由下列组分按重量百分比组成：50%-98%的有机硅树脂溶液、1%-30%的渗透剂、及1%-20%的增粘剂。

上述方案中，所述有机硅树脂溶液由质量比为40-60:1-10:2-10:5-15:0-2:10-40的甲基三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯、二甲基二乙氧基硅烷、乙醇、碱液和水于反应釜内，在温度为25℃-150℃时反应合成。

上述方案中，所述渗透剂为异丁基三乙氧基硅烷、聚甲基三乙氧基硅烷、甲基氢二乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、或异丁烯三乙氧基硅烷中的一种或者任意两种以上的混合。

上述方案中，所述增粘剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-硫丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、或乙烯基三甲氧基硅烷。

再生集料，所述再生集料由下述方法制备得到：将权利要求1至4任一项所述的有机硅强化剂喷洒于废弃集料或者将废弃集料浸泡于权利要求1至4任一项所述的有机硅强化剂后，在25-60℃的温度下养生2-5天，即得到所述再生集料。

上述方案中，将有机硅强化剂喷洒于废弃集料时，所述有机硅强化剂与所述废弃集料的质量比为0.5-4:100。

上述方案中，所述废弃集料为房屋建筑废弃物、钢渣废弃物、或废弃水泥混凝土路面破碎而成。

沥青混合料，所述沥青混合料由下述方法制备得到：将天然集料和权利要求5-7任一项所述的再生集料混合后加热至170-180℃，然后与沥青，矿粉拌合形成所述沥青混合料，所述再生集料占所述天然集料的质量百分比为60%-90%。

沥青混合料在沥青路面的中下面层的应用。

本发明的原理为：有机硅强化剂在固化前，其中的有机硅树脂溶液能够与再生集料空隙中的水分发生反应，固化生成网状结构的硅氧主链结构。一方面降低了再生集料中的水分含量，另一方面在再生集料的空隙中形成了致密的憎水有机硅薄膜，降低了再生集料的吸水率。有机硅强化剂中的增粘剂起到了偶联作用，其含有两种不同性质的基团，其中的氯基，甲氧基，乙氧基等基团可以与集料发生缩聚反应紧密结合，而其中的乙烯基，氨基，环氧基可以有效地粘附沥青，可以提高沥青与再生集料的粘附性。有机硅强化剂中的渗透剂起到表面活性的作用，可以降低强化剂的粘度与表面张力，使得有机硅强化剂能够与集料更好的接触，在集料的空隙中固化发挥防水作用。

本发明的有益效果为：

1. 本发明中合成的有机硅强化剂可以显著的降低再生集料的吸水率，提高再生集料与沥青的粘附性。

2. 将处理后的再生集料大比例应用于沥青混合料中，取代天然石料后，不影响沥青混合料的力学性能，并且还能减少沥青用量，大大降低成本。

3. 本发明的有机硅强化剂的合成工艺简单，成本低，并且比较环保。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种有机硅强化剂A，它由下列组分按重量百分比组成：70%的有机硅树脂溶液、28%的渗透剂、及2%的增粘剂。

所述有机硅树脂溶液由质量比为40:10:2:5:0.01:40的甲基三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯、二甲基二乙氧基硅烷、乙醇、碱液和水于反应釜内，在温度为25℃-150℃时反应合成。在本实施例中，碱液为氢氧化钠溶液。

所述渗透剂为异丁基三乙氧基硅烷、聚甲基三乙氧基硅烷、甲基氢二乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、或异丁烯三乙氧基硅烷中的一种或者任意两种以上的混合。在本实施例中，选用异丁基三乙氧基硅烷。

所述增粘剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-硫丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、或乙烯基三甲氧基硅烷。在本实施例中，选用γ-氨丙基三乙氧基硅烷。

取两份由废弃水泥混凝土路面破碎而成的废弃集料，第一份的粒径范围在9.5-19mm，第二份的粒径范围在4.75-9.5mm。将每一份废弃集料分成等质量的五组。第一组喷洒占每组废弃集料的质量百分比为1%的有机硅强化剂A，得到再生集料；第二组喷洒占每组废弃集料的质量百分比为2%的有机硅强化剂A，得到再生集料；第三组喷洒占每组废弃集料的质量百分比为3%的有机硅强化剂A，得到再生集料；第四组将废弃集料浸泡（使有机硅强化剂淹没废弃集料即可）于有机硅强化剂A中30分钟，得到再生集料；第五组对废弃集料不做任何处理，作为对比样。

实施例2

本实施例提供一种有机硅强化剂B，它由下列组分按重量百分比组成：80%的有机硅树脂溶液、18%的渗透剂、及2%的增粘剂。

所述有机硅树脂溶液由质量比为60:1:10:15:0.01:10的甲基三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯、二甲基二乙氧基硅烷、乙醇、碱液和水于反应釜内，在温度为25℃-150℃时反应合成。在本实施例中，碱液为氢氧化钠溶液。

所述渗透剂为异丁基三乙氧基硅烷、聚甲基三乙氧基硅烷、甲基氢二乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、或异丁烯三乙氧基硅烷中的一种或者任意两种以上的混合。在本实施例中，选用甲基氢二乙氧基硅烷。

所述增粘剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-硫丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、或乙烯基三甲氧基硅烷。在本实施例中，选用γ-硫丙基三乙氧基硅烷。

取两份由废弃水泥混凝土路面破碎而成的废弃集料，第一份的粒径范围在9.5-19mm，第二份的粒径范围在4.75-9.5mm。将每一份废弃集料分成等质量的五组。第一组喷洒占每组废弃集料的质量百分比为1%的有机硅强化剂B，得到再生集料；第二组喷洒占每组废弃集料的质量百分比为2%的有机硅强化剂B，得到再生集料；第三组喷洒占每组废弃集料的质量百分比为3%的有机硅强化剂B，得到再生集料；第四组将废弃集料浸泡于有机硅强化剂B中30分钟，得到再生集料；第五组对废弃集料不做任何处理，作为对比样。

实施例3

本实施例提供一种有机硅强化剂C，它由下列组分按重量百分比组成：90%的有机硅树脂溶液、8%的渗透剂、及2%的增粘剂。

所述有机硅树脂溶液由质量比为50:8:8:10:1:30的甲基三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯、二甲基二乙氧基硅烷、乙醇、碱液和水于反应釜内，在温度为25℃-150℃时反应合成。在本实施例中，碱液为氢氧化钠溶液。

所述渗透剂为异丁基三乙氧基硅烷、聚甲基三乙氧基硅烷、甲基氢二乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、或异丁烯三乙氧基硅烷中的一种或者任意两种以上的混合。在本实施例中，选用异丁烯三乙氧基硅烷。

所述增粘剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-硫丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、或乙烯基三甲氧基硅烷。在本实施例中，选用3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷。

取两份由废弃水泥混凝土路面破碎而成的废弃集料，第一份的粒径范围在9.5-19mm，第二份的粒径范围在4.75-9.5mm。将每一份废弃集料分成等质量的五组。第一组分别喷洒占每组废弃集料的质量百分比为1%的有机硅强化剂C，得到再生集料；第二组分别喷洒占每组废弃集料的质量百分比为2%的有机硅强化剂C，得到再生集料；第三组分别喷洒占每组废弃集料的质量百分比为3%的有机硅强化剂C，得到再生集料；第四组将废弃集料浸泡于有机硅强化剂C中30分钟，得到再生集料；第五组对废弃集料不做任何处理，作为对比样。

将上述三个实施例中的4.75-9.5mm粒径和9.5-19mm粒径的五组样品养护3天后，将所有样品浸泡在水中24小时，然后进行吸水率的测试，测试方法按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005），测试结果参见表1和表2。

将上述三个实施例中的9.5-19mm粒径的五组样品养护3天后，然后将所有样品浸泡在水中24小时，然后进行粘附性指标的测试，测试方法按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的相关规定进行，测试结果参见表3。

表1 9.5-19mm再生集料的吸水率

	1%	2%	3%	浸泡30分钟	空白
						实施例1	3.8%	3.3%	3.2%	2.8%	8.9%
实施例2	3.9%	3.0%	3.2%	2.1%	8.9%
						实施例3	3.2%	2.7%	2.4%	1.8%	8.9%

表2 4.75-9.5mm再生集料的吸水率

	1%	2%	3%	浸泡30分钟	空白
						实施例1	4.5%	4.0%	3.5%	2.9%	11.2%
实施例2	4.2%	4.1%	3.1%	2.4%	11.2%
						实施例3	4.3%	3.6%	2.9%	2.0%	11.2%

表3 再生集料的粘附性

	1%	2%	3%	浸泡30分钟	空白
						实施例1	3级	3级	4级	4级	3级
实施例2	3级	4级	4级	4级	3级
						实施例3	3级	4级	4级	4级	3级

从表1与表2可以看出，采用有机硅强化剂处理后，再生集料的吸水率明显降低，并且随着有机硅强化剂用量的增多而效果越好。另外，将废弃集料浸泡在有机硅强化剂中能够最大幅度降低再生集料的吸水率。

从表3可以看出，有机硅强化剂处理后增加了再生集料与沥青的粘附性等级。在一定的用量下，使再生集料的粘附等级由3级升高到4级，有助于再生集料应用于沥青混合料中。

实施例4

将废弃集料浸泡于实施例3中的有机硅强化剂C中30分钟后得到再生集料（9.5-19mm以及4.75-9.5mm），将所述再生集料取代80%的石灰石集料（4.75-19mm 范围内），然后进行级配设计AC-16沥青混合料，采用基质70号沥青，普通石灰石矿粉进行沥青混合料拌合，该沥青混合料的体积性能及力学性能如表4所示。其中，以未采用有机硅强化剂C处理的废弃集料得到的沥青混合料作为对比样。

表4 沥青混合料的技术指标

技术指标	对比样	实施例4
			最佳油石比（%）	6.1	4.9
空隙率（%）	4.6	4.5
			矿料间隙率（%）	14.1	14.5
沥青饱和度（%）	65.7	69.2
			马歇尔稳定度 (KN)	14.85	15.89
冻融劈裂强度比 (%)	83	90
			吸收沥青量 (%)	1.65	0.15

从表4可以看出，采用有机硅强化剂C处理后的沥青混合料与对比样相比，表现出了优益的力学性能。更为显著的是，采用有机硅强化剂处理后的再生集料制备的沥青混合料的沥青用量大大降低了，这可明显降低沥青混合料的成本。而且，冻融劈裂强度比的参数得到很大提高。沥青用量的降低和冻融劈裂强度比的提高正是由于再生集料的吸水率的降低和粘附性提高的结果。

Claims

1.有机硅强化剂，其特征在于，它由下列组分按重量百分比组成：50%-98%的有机硅树脂溶液、1%-30%的渗透剂、及1%-20%的增粘剂。

2.根据权利要求1所述的有机硅强化剂，其特征在于，所述有机硅树脂溶液由质量比为40-60:1-10:2-10:5-15:0-2:10-40的甲基三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯、二甲基二乙氧基硅烷、乙醇、碱液和水于反应釜内，在温度为25℃-150℃时反应合成。

3.根据权利要求1所述的有机硅强化剂，其特征在于，所述渗透剂为异丁基三乙氧基硅烷、聚甲基三乙氧基硅烷、甲基氢二乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、或异丁烯三乙氧基硅烷中的一种或者任意两种以上的混合。

4.根据权利要求1所述的有机硅强化剂，其特征在于，所述增粘剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-硫丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、或乙烯基三甲氧基硅烷。

5.再生集料，其特征在于，所述再生集料由下述方法制备得到：将权利要求1至4任一项所述的有机硅强化剂喷洒于废弃集料或者将废弃集料浸泡于权利要求1至4任一项所述的有机硅强化剂后，在25-60℃的温度下养生2-5天，即得到所述再生集料。

6.根据权利要求5所述的再生集料，其特征在于，将有机硅强化剂喷洒于废弃集料时，所述有机硅强化剂与所述废弃集料的质量比为0.5-4:100。

7.根据权利要求5或6所述的再生集料，其特征在于，所述废弃集料为房屋建筑废弃物、钢渣废弃物、或废弃水泥混凝土路面破碎而成。

8.沥青混合料，其特征在于，所述沥青混合料由下述方法制备得到：将天然集料和权利要求5-7任一项所述的再生集料混合后加热至170-180℃，然后与沥青，矿粉拌合形成所述沥青混合料，所述再生集料占所述天然集料的质量百分比为60%-90%。

9.根据权利要求8所述的沥青混合料在沥青路面的中下面层的应用。