CN103328406A - 沥青铺路材料及制造该材料的方法 - Google Patents

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Abstract

沥青摊铺材料包括存在量约为沥青摊铺材料的3~8wt％的沥青结合料。该沥青结合料包括基质沥青和氧化聚烯烃，其存在量约为基质沥青的0.25~10wt％。骨料的存在量约为沥青摊铺材料的92~97wt％。所述氧化聚烯烃有效地将沥青结合料附着于骨料，以抗由潮湿引起的沥青结合料从骨料剥离。

Description

沥青铺路材料及制造该材料的方法
相关参考的交叉引用
本申请涉及并要求2011年1月28日申请的美国临时专利申请61/437,265的所有可用权益，其全部内容通过引用方式并入本文。
发明领域
本发明通常涉及沥青铺路材料及制造沥青铺路材料的方法，更特别涉及表现为抗“车辙”并具有沥青结合料和骨料之间改进的粘合性的沥青铺路材料，以及制造这种沥青铺路材料的方法。
发明背景
沥青混合料常用作道路建设和维护的铺路材料。一般情况下，通常称为“沥青结合料”或“沥青水泥”的沥青与骨料混合以形成用于沥青铺路的材料。由铺路工作人员加工和使用这种材料，得到沥青路面。该沥青路面包括通过沥青结合料对骨料的粘附而保持在沥青结合料连续相中的骨料。
沥青路面的强度和耐久性取决于各种因素，例如所使用材料的性质、各种材料的相互作用、混合设计、施工管理以及该路面所处的环境及交通状况。为了生产在路面使用期限内具有良好性能的混合物，重要的是获得沥青以最佳沥青结合料膜厚度对骨料的适当涂覆、沥青在骨料上的良好粘附性以及沥青的良好粘结强度。
传统路面遭受各种类型的破坏模式，如永久变形，粘结强度、氧化作用和水损害。永久变形是沥青路面的重大问题。道路的温度在夏天可能比在冬天高约80至约100℉或更高。在较高的温度时，沥青路面软化，并在经过它的重型卡车重量之下或在临时停止的交通之下如在红绿灯路口处可发生蠕变和移动形成脊和辙，通常称为“车辙”，因为车辙取决于车辆的重量和重量施加的持续时间。为减少或防止车辙，具有比沥青相对更高的模量的聚合物或其它材料，或可以在较高温度下产生比沥青更高模量的沥青结合料的材料也常常加入到传统的沥青结合料中。通常，用于改性沥青结合料以减少或防止车辙的聚合物包括弹性体，例如苯乙烯/丁二烯/苯乙烯共聚物（SBS）和塑性体，例如聚乙烯、乙基/醋酸乙烯共聚物（EVA）等。
水损害对于传统沥青路面也是重大问题。因为水对于骨料表面比沥青结合料具有更高的亲和力，因为在沥青结合料和骨料表面之间实际上没有或很少有化学键结，水可不时地使沥青结合料从骨料表面移开而引起水损害。这称为“剥离”。为了减少或防止剥离，往往在常规的沥青结合料中加入抗剥离添加剂。一般的抗剥离添加剂包括通常包含长的、非极性脂肪链并表现出对沥青结合料的高亲和性的胺。这些胺的分子结构倾向于增加结合料和骨料之间的粘附结合强度。
遗憾的是，用于减少或防止剥离的添加剂通常不能减少或防止车辙；同样，用于减少或防止车辙的聚合物通常不能减少或防止剥离。这会导致更加复杂和昂贵的沥青铺路组合物，其同时包括抗剥离添加剂和抗车辙聚合物以用于抗剥离和车辙。
因此，需要提供包括聚合物添加剂的沥青铺路材料，该聚合物添加剂能有效减少或防止剥离和车辙两者。此外，需要提供制造这样的沥青铺路材料的方法。
发明概要
本文提供沥青铺路材料和制备沥青铺路材料的方法。根据示例性实施方式，沥青铺路材料包含沥青结合料，其存在量为沥青铺路材料的约3至约8wt％。该沥青结合料包含基质沥青和氧化聚烯烃，氧化聚烯烃的存在量为基质沥青的约0.25至约10 wt％。骨料的存在量为沥青铺路材料的约92至约97 wt％。该氧化聚烯烃有效地将沥青结合料粘附于骨料，以抵抗由水分导致的沥青结合料从骨料的剥离。
根据另一示例性实施方式，提供了用于制备沥青铺路材料的方法。该方法包括在有效条件下混合沥青结合料和骨料的步骤，该有效条件使得能有效地形成该沥青铺路材料。沥青结合料的存在量为沥青铺路材料的约3至约8 wt％，骨料的存在量为沥青铺路材料的约92至约97 wt％。沥青结合料包含基质沥青和氧化聚烯烃，氧化聚烯烃的存在量为基质沥青的约0.25至约10wt％。该氧化聚烯烃有效地将沥青结合料粘附于骨料，以抵抗由水分导致的沥青结合料从骨料的剥离。
附图简要说明
本发明的实施方式将在下文结合以下附图进行说明，其中相同的标号表示相同的元件，并且其中：
图1是根据示例性实施方式的各种沥青铺路材料的抗拉强度比的图解比较；
图2包括骨料样品的照片，该骨料样品根据示例性实施方式涂有各种沥青结合料，然后经受沸水试验；以及
图3是根据示例性实施方式的各种沥青铺路材料的高温真实等级的图解比较。
详细说明
下面的详细说明实际上仅仅是示例性，并不是为了限制本发明或本发明的应用和用途。此外，不打算受记载于前述发明背景和以下详细说明中的任何理论约束。
本文预期的各种实施方式涉及沥青铺路材料，其表现为抗车辙并具有沥青结合料和骨料之间改进的粘附以抗剥离。在示例性实施方式中，该沥青铺路材料包括沥青结合料和骨料。该沥青结合料包含基质沥青（如纯沥青或未改性沥青）和氧化聚烯烃。发明人已经发现氧化聚烯烃是适用于改性沥青结合料的塑性体，以减少或防止沥青路面在较高温度下的永久变形。此外，发明人还已经发现，氧化聚烯烃作为沥青结合料和骨料之间的助粘剂，便于改善沥青路面对由剥离造成的水损害的抗性。因此，沥青铺路材料包括氧化聚烯烃，其有效减少或防止剥离和车辙两者，并优选提供了生产成本更低的简化材料。
在示例性实施方式中，该沥青铺路材料包括沥青结合料，其存在量为沥青铺路材料的约3至约8 wt％。该沥青结合料包含基质沥青和氧化聚烯烃，氧化聚烯烃的存在量为基质沥青的约0.25至约10 wt％，优选为约0.5至约4wt％，更优选为约1至约4wt％。
沥青由ASTM定义为深棕色至黑色胶结材料，其中主要成分是天然存在或在石油加工中获得的沥青。沥青典型地包含饱和烃(saturates)、芳香烃、树脂和沥青质。
根据本文预期的沥青铺路材料，可使用所有类型的沥青，天然存在的、合成生产的和改性的。天然存在的沥青包括天然岩沥青、湖沥青等。合成生产的沥青通常是石油精炼或精炼后操作的副产品，包括加气沥青、掺合沥青、劣化或残留沥青、石油沥青、丙烷沥青、直馏沥青、热沥青等。改性沥青包括用弹性体、磷酸、多磷酸、塑性体、乙烯/醋酸乙烯酯共聚物等或这些改性剂的各种组合改性的基质沥青（例如可以是天然存在或合成生产的纯沥青或未改性沥青）。适合用于改性基质沥青的弹性体的非限制性实例包括天然橡胶或合成橡胶，包括废橡胶粉(ground tire rubber)、丁基橡胶、苯乙烯/丁二烯橡胶（SBR）、苯乙烯/乙烯/丁二烯/苯乙烯三元共聚物（SEBS）、聚丁二烯、聚异戊二烯、乙烯/丙烯/二烯（EPDM）三元共聚物、乙烯/丙烯酸正丁酯/甲基丙烯酸缩水甘油酯三元共聚物和苯乙烯/共轭二烯嵌段或无规共聚物，例如包括苯乙烯/丁二烯/苯乙烯共聚物（SBS）的苯乙烯/丁二烯、苯乙烯/异戊二烯和苯乙烯/异戊二烯-丁二烯嵌段共聚物。该嵌段共聚物可以是支链或直链的，可以是二嵌段、三嵌段、四嵌段或多嵌段。
优选地，所述氧化聚烯烃是氧化聚乙烯、氧化聚丙烯及它们的混合物，更优选地是氧化聚乙烯。在一个实例中，氧化聚烯烃是氧化聚乙烯均聚物。在另一实例中，氧化聚烯烃是优选密度为约0.95至约1g/cc的氧化高密度聚乙烯。两种这类合适的氧化聚烯烃是Honeywell Titan™7817和Honeywell Titan™7686氧化高密度聚乙烯均聚物，其由Honeywell国际公司制造，其总部设在新泽西州的莫里斯敦。
在示例性实施方式中，该氧化聚烯烃的分子量为约1000至约30000道尔顿，更优选为约1000至约10,000道尔顿。另外，该氧化聚烯烃的氧化程度（如羧基含量）可通过如下方式表征，用0.1N的氢氧化钾（KOH）醇溶液滴定氧化聚合物溶液至可见的“粉红色”滴定终点，用酚酞作指示剂以确定该氧化聚烯烃的总酸含量或酸值。优选地，所述氧化聚烯烃的酸值为约5至约50（例如，酸值为约5至约50mgKOH/g），更优选为约15至约40（例如，酸值为约15至约40 mgKOH/g）。
该沥青铺路材料还包括骨料。“骨料”是用于矿物材料的总称，例如砂、砾石或碎石，它们与沥青结合料结合以形成沥青铺路材料。该骨料可包括天然骨料、人造骨料或它们的组合。天然骨料通常是来自露天挖掘工程（例如采石场）的挖掘岩石，其通过机械破碎减小到可用的大小。人造骨料通常是其它制造工艺的副产品，如来自冶金加工（例如，钢、锡和铜生产）的炉渣。人造骨料还包括特种材料，其生产为具有未在天然岩石中发现的特定物理特性，例如低密度。在示例性实施方式中，该沥青铺路材料包括骨料，其存在量为沥青铺路材料的约92至约97wt％。
在优选实施方式中，沥青铺路材料基本上由沥青粘合剂和骨料组成，该沥青结合料基本由基质沥青和氧化聚烯烃组成，基本上没有典型的抗剥离剂。这里所用的术语“基本上没有抗剥离剂”表示如果存在抗剥离剂的话，其用量不满足行业标准的水损害抗性。在AASHTO T-283和ASTM D 4867标准工序中规定了两种用于确定沥青铺路材料的水损害抗性的这类合适试验。各种类型的典型抗剥离剂包括胺例如多胺和多亚烷基多胺、改性胺如与脂肪酸反应的多胺、包括消石灰（Ca（OH）2）的石灰（CaO）、磷酸、包括苯乙烯-丙烯酸聚合物的丙烯酸聚合物或它们的组合和/或衍生物。在可选实施方式中，沥青结合料可包含抗车辙聚合物和/或弹性体，例如，存在量为基质沥青的约0.5至约5wt％的SBS。
在示例性实施方式中，提供了如上述段落中论述的沥青铺路材料的制备方法。该方法包括在约120至约190℃的温度加热和干燥骨料。在一个实例中，通过常规方式，连续或间歇地，加热并干燥骨料，例如在滚筒混合器中通过热气进行。基质沥青或改性沥青与骨料分开地在约120至约190℃的温度下加热到液态。
在一个实施方式中，氧化聚烯烃添加到热的液体沥青中以形成热的液体沥青结合料。然后该热沥青结合料与经加热的骨料以常规连续或间歇操作混合，其中沥青结合料和骨料在约120至约190℃的温度混合以形成热混合沥青铺路材料。
在另一实施方式中，该氧化聚烯烃最初与经加热的骨料在滚筒混合器中混合，其中经加热的骨料使该氧化聚烯烃熔化。在该实施方式中，该常规的连续或间歇操作将热骨料与熔融的氧化聚烯烃混合，使得氧化聚烯烃涂覆在骨料表面。然后，热液体沥青与氧化聚烯烃涂覆的骨料在滚筒混合器中合并，合并的成分在约120至约190℃的温度混合形成热混合沥青铺路材料。在混合过程中，氧化聚烯烃从骨料转移和/或扩散到热液体沥青中形成连续的热液体沥青结合料相。
参考图1，提供了各种沥青铺路材料的水损害研究结果的图解表示。具体地，在这项研究中评估了两种不同聚合物Honeywell Titan™7686氧化高密度聚乙烯均聚物和Honeywell Titan™7205中密度聚乙烯均聚物（由Honeywell 国际公司制造，其总部设在新泽西州的莫里斯敦）对沥青混合物水敏感性的作用。设计为满足Wisconsin DOT要求的精细分级（fine graded）的用于交通繁忙路段的沥青铺路混合物用作该研究的基础组合物。用于形成沥青铺路混合物的骨料是来自威斯康星州北部中心著名的骨料源的花岗岩骨料。使用AASHTO T-283标准工序中规定的工序进行水损害测试。
在于沥青混合物中单独使用或与SBS聚合物结合使用的情况下，评估了Honeywell Titan™7686氧化高密度聚乙烯均聚物和Honeywell Titan™7205中密度聚乙烯均聚物的作用。还将该结果与用由仅借助SBS改性的基质沥青组成的沥青结合料生产的沥青混合物进行了比较。测试还包括包含由总部设在荷兰阿姆斯特丹的Akzo Noble N.V.制造的KLING BETA 2250多胺抗剥离剂的沥青混合物。在包含该多胺抗剥离剂的样品中，该多胺抗剥离剂的存在量为基质沥青的约0.5wt％。
根据AASHTO T-283标准工序，水敏感性试验将水损害量化为经调湿的(conditioned)沥青铺路样品与未经调湿的沥青铺路样品的间接抗拉强度的比值。所有的试验在约25℃，使用压实至空隙率为约7％+/-1％的样品进行。对于经调湿的样品，该标准工序要求真空饱和度达到约55至约85％的百分比饱和度水平，然后在约60℃完全浸泡在水浴中约24小时。
如图所示，第一组的两根柱102和104分别表示没有抗剥离剂和具有抗剥离剂的沥青铺路混合物的抗拉强度比，该沥青铺路混合物包含存在量为基质沥青的约4.5wt％的SBS。第二组的两根柱106和108分别表示没有抗剥离剂和具有抗剥离剂的沥青铺路混合物的抗拉强度比，该沥青铺路混合物包含存在量为基质沥青的约3.5wt％的Honeywell Titan™ 7686氧化高密度聚乙烯均聚物。第三组的两根柱110和112分别表示没有抗剥离剂和具有抗剥离剂的沥青铺路混合物的抗拉强度比，该沥青铺路混合物包含存在量为基质沥青的约1wt％的SBS和存在量为基质沥青的约2.5wt％的Honeywell Titan™ 7686氧化高密度聚乙烯均聚物。第四组的两根柱114和116分别表示没有抗剥离剂和具有抗剥离剂的沥青铺路混合物的抗拉强度比，该沥青铺路混合物包含存在量为基质沥青的约6wt％的Honeywell Titan™ 7205中密度聚乙烯均聚物。第五组的两根柱118和120分别表示没有抗剥离剂和具有抗剥离剂的沥青铺路混合物的抗拉强度比，该沥青铺路混合物包含存在量为基质沥青的约1wt％的SBS和存在量为基质沥青的约3.5wt％的Honeywell Titan™ 7205中密度聚乙烯均聚物。
根据Wisconsin DOT的要求，具有至少为0.70的AASHTO T-283抗拉强度比且无抗剥离添加剂的沥青铺路混合物用于道路建设和/或维护被认为是可以接受的，具有至少为0.75的AASHTO T-283抗拉强度比且有抗剥离添加剂的沥青铺路混合物用于道路建设和/或维护被认为是可以接受的。如所示，由柱102、114和118表示的无抗剥离剂并包含SBS和/或Honeywell Titan™ 7205中密度聚乙烯均聚物的沥青混合物的抗拉强度比分别为约0.5、0.68和0.52，因此发现它们用于道路建设和/或维护是不可接受的。然而，由柱106和110表示的无抗剥离剂并包含Honeywell Titan™ 7686氧化高密度聚乙烯均聚物的有或没有SBS的沥青混合物的抗拉强度比分别为约0.99和1.01，因此发现它们用于道路建设和/或维护是可以接受的。
在示例性实施方式中，该沥青铺路材料包含沥青结合料和骨料，其中该沥青结合料包含基质沥青和氧化聚烯烃，且基本上没有典型的抗剥离剂。该沥青铺路材料具有至少约0.65的AASHTO T-283抗拉强度比，优选至少约0.75，更优选至少约0.85，最优选至少约0.95。
参照图2，提供了骨料样品的照片，根据示例性实施方式该骨料涂覆有各种沥青结合料，然后经受了沸水试验。形成了使用North West Russian花岗岩骨料的各种沥青铺路材料的样品。具体地，对应于照片130的样品由涂覆有沥青结合料的骨料形成，该沥青结合料包含基质沥青和存在量为基质沥青的约3wt％的Honeywell Titan™ 7205。对应于照片132的样品由涂覆有沥青结合料的骨料形成，该沥青结合料包含基质沥青和存在量为基质沥青的约3wt％的SBS。对应于照片134的样品由涂覆有沥青结合料的骨料形成，该沥青结合料包含基质沥青和存在量为基质沥青的约3wt％的Honeywell Titan™ 7686。对应于照片136的样品由涂覆有沥青结合料的骨料形成，该沥青结合料包含基质沥青和存在量分别为基质沥青的约2.25wt％和0.75wt％的SBS和Honeywell Titan™ 7686。
样品各自分别放在沸水中约10分钟，然后取出并冷却。如照片130和132所示，在没有Honeywell Titan™ 7686（例如氧化聚乙烯）的沥青结合料中包含Honeywell Titan™ 7205和SBS的沥青铺路材料样品具有大面积裸露的骨料表面，表明在煮沸测试中很大部分的沥青结合料已从骨料表面剥离。与此相反，照片134和136中所示的沥青铺路材料样品的骨料，该样品在沥青结合料中包含Honeywell Titan™ 7686，基本上是黑颜色的，表明沥青结合料仍在原位并具有对骨料表面的良好附着力。因此，Honeywell Titan™7686氧化聚乙烯有效地使沥青结合料粘附于骨料以抵抗在煮沸测试期间沥青结合料从骨料的剥离。
参照图3，提供了根据示例性实施方式的各种沥青铺路材料样品的高温真实等级（high temperature true grade）的图解比较。根据性能等级（PG）描述了沥青水泥的铺路等级，其由代表路面温度的两个数字限定。这些数字使用AASHTO M320标准工序来确定。第一个数字PG 64-XX表示高路面温度（或“高温真实等级”），以摄氏度为单位，第二个数字PG XX-22表示低路面温度。高路面温度涉及车辙的作用，且低路面温度涉及低温开裂。性能等级的高路面温度（由第一个数字表示）越高，则沥青水泥就越耐车辙。例如，性能等级为PG 76-22（如高温真实等级为76）的沥青水泥比性能等级为PG64-22（如高温真实等级为64）的沥青水泥更耐车辙。
图3中所示的沥青铺路材料样品是使用性能等级为PG64-22的沥青路面制剂制备的，该沥青路面制剂还用以下的添加剂进行了改性以提高抗车辙能力：存在量为用于与第一组的两根柱140和142相对应样品的基质沥青的约4.5wt％的SBS；存在量分别为用于与第二组的两根柱144和146相对应样品的基质沥青的约1 wt％和2.5wt％的SBS和Honeywell Titan™ 7686；存在量为用于与第三组的两根柱148和150相对应样品的基质沥青的约3.5wt％的Honeywell Titan™ 7686；以及存在量分别为用于与第四组的两根柱152和154相对应样品的基质沥青的约1 wt％和3.5wt％的SBS和Honeywell Titan™ 7205。另外，根据AASHTO M320标准工序，对应于柱140、144、148和152的样品是未老化的沥青铺路材料样品，对应于柱142、146、150和154的样品是在约163℃经过持续约85分钟的短期热老化的样品。
如图所示，在所有情况下，表现出高温真实等级值大于76的样品表示该沥青铺路材料具有相对良好的抗车辙能力，并有至少为PG 76-22的相应性能等级。具体地，包含存在量为基质沥青的约3.5wt％的Honeywell Titan™ 7686并对应于柱148和150的样品具有的最高高温真实等级值分别为约82和79，表示优良的抗车辙能力。因此，Honeywell Titan™ 7686氧化聚乙烯作为抗车辙聚合物是有效的。
因此，已经描述了表现出抗车辙能力并具有改进的沥青结合料和骨料之间的粘附性以抗剥离的沥青铺路材料。在示例性实施方式中，该沥青铺路材料包含沥青结合料和骨料。该沥青结合料包含基质沥青和氧化聚烯烃。该氧化聚烯烃是适用于改性沥青结合料的塑性体，以减少或防止沥青路面在较高温度下由车辆的重量、持续时间和数量所造成的永久变形。此外，已经发现氧化聚烯烃可作为沥青结合料和骨料之间的助粘剂，以改善沥青路面对由剥离造成的水损害的抗性。因此，该沥青铺路材料包含能有效减少或防止剥离和车辙的氧化聚烯烃，更优选提供了生产成本更低的简化材料。
虽然已在前面的详细说明中介绍了至少一个示例性实施方式，但应该理解的是存在大量的变型。还应当理解的是，所述示例性实施方式或多个示例性实施方式仅仅是例子，不意于以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反，前面的详细说明将为本领域技术人员提供方便的路线图，用于实施本发明的示例性实施方式，应该理解，在示例性实施方式中描述的要素功能和配置中可做出各种改变而不背离在所附的权利要求及其法律等同物中所限定的本发明的范围。

Claims (15)

1.沥青铺路材料，包含：
含量为沥青铺路材料的约3至约 8wt％的沥青结合料，该沥青结合料包含基质沥青和氧化聚烯烃，该氧化聚烯烃的含量为该基质沥青的约0.25至约10wt％；以及
含量为沥青铺路材料的约92至约97wt％的骨料，其中所述氧化聚烯烃有效地使沥青结合料粘附到骨料，从而抵抗由水分引起的沥青结合料从骨料的剥离。
2.根据权利要求1所述的沥青铺路材料，其中所述氧化聚烯烃有效地使沥青结合料粘附到骨料，使得该沥青铺路材料具有至少约0.65的AASHTO T-283抗拉强度比。
3.根据权利要求1所述的沥青铺路材料，其中所述氧化聚烯烃有效地使沥青结合料粘附到骨料，使得该沥青铺路材料具有至少约0.75的AASHTO T-283抗拉强度比。
4.根据权利要求1所述的沥青铺路材料，其中所述氧化聚烯烃的含量为基质沥青的约1至约4wt％。
5.根据权利要求1所述的沥青铺路材料，其中所述氧化聚烯烃选自氧化聚乙烯、氧化聚丙烯及它们的混合物。
6.根据权利要求1所述的沥青铺路材料，其中所述氧化聚烯烃包含氧化聚乙烯均聚物。
7.根据权利要求1所述的沥青铺路材料，其中所述氧化聚烯烃包含氧化高密度聚乙烯。
8.根据权利要求1所述的沥青铺路材料，其中所述氧化聚烯烃的分子量为约1000至约30000道尔顿。
9.根据权利要求1所述的沥青铺路材料，其中所述氧化聚烯烃的酸值为约5至约50。
10.根据权利要求1所述的沥青铺路材料，其中所述沥青结合料进一步包含弹性体，其含量为基质沥青的约0.5至约5wt％。
11.根据权利要求1所述的沥青铺路材料，其中所述沥青结合料基本上不含抗剥离剂。
12.根据权利要求1所述的沥青铺路材料，其中所述沥青结合料基本上由基质沥青和氧化聚烯烃组成。
13.根据权利要求12所述的沥青铺路材料，其中所述沥青铺路材料基本上由沥青结合料和骨料组成。
14.制备沥青铺路材料的方法，该方法包括在有效形成沥青铺路材料的条件下混合沥青结合料和骨料的步骤，其中所述沥青结合料的含量为沥青铺路材料的约3至约8wt％，骨料的含量为沥青铺路材料的约92至约97 wt％，所述沥青结合料包含基质沥青和氧化聚烯烃，该氧化聚烯烃的含量为基质沥青的约0.25至约10wt％，其中所述氧化聚烯烃有效地使沥青结合料粘附到骨料，从而抵抗由水分引起的沥青结合料从骨料的剥离。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述混合沥青结合料和骨料的步骤包括在约120至约190℃的温度混合沥青结合料和骨料。
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