CN103788668B

CN103788668B - 一种复合改性沥青及其制备方法

Info

Publication number: CN103788668B
Application number: CN201310744500.1A
Authority: CN
Inventors: 叶群山; 刘可; 罗根传; 付宇文; 何俊辉; 叶长建
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2033-12-30
Also published as: CN103788668A

Abstract

本发明公开了一种复合改性沥青及其制备方法。该复合改性沥青组成为：85～95质量份的基质沥青，2.5～4.5质量份的热塑丁苯橡胶，0.5～2.0质量份的多聚磷酸，0.5～10的硫可交联的弹性体，1～10的偶联剂。其制备方法是先将基质沥青加热至170～180℃，然后分别加入SBS、多聚磷酸改性剂、硫可交联的弹性体和偶联剂，采用高速剪切搅拌机搅拌90min以上，得到分散均匀、性能优良的复合改性沥青。本发明所制备的复合改性沥青适用于高温重载条件下的沥青路面，对于提高路面结构抵抗永久变形的能力、延长路面结构的使用寿命、降低工程造价、提高路面的使用品质等方面具有重大的经济和社会效益。

Description

一种复合改性沥青及其制备方法

技术领域

本发明涉及道路材料领域，具体为一种适用于高温重载条件的复合改性沥青及其制备方法。

背景技术

国内外几十年的高等级公路建设的实践表明，由于交通量、汽车载重量的不断增加和自然因素的影响，按现行路面设计体系和标准设计的沥青路面常常在远未达到设计使用年限时，就会出现沥青路面的早期破坏，其中车辙破坏为主要的破坏形式之一。因此，为了提高沥青路面的高温稳定性、延长道路的使用寿命，必须采用有效的改性增强方法和手段提高沥青路面的品质。

目前用于改善沥青路面高温稳定性的途径主要由两类：一是通过对沥青混合料的矿料级配进行优化设计，要求既能有效利用粗集料的骨架嵌锁作用，又能充分发挥沥青胶浆和细集料的填充作用，最终形成嵌挤密实结构或骨架密实结构的沥青混合料类型。室内试验研究表明该类级配沥青混合料具有良好的高温性能，但是在实际工程中应用时还是存在一些问题，主要表现为实际工程中所采用的矿料的粒径和规格很难与室内研究过程中的情况相符；同时，虽然现行规范对于不同粒径规格的组成提出了推荐范围，但矿料的实际生产过程中其组成比例会出现较大的变异，导致实际生产的混合料矿料级配组成难以与配合比设计确定的优化配合比相符，无法达到预期目标。

另外一种提高沥青混合料高温稳定性的途径是在沥青或沥青混合料中掺入各种改性剂材料，包括橡胶粉、丁苯橡胶（SBS）、抗车辙剂等，其中尤以SBS改性沥青的应用最为广泛，表明该类改性剂对于提高沥青混合料的高温稳定性具有良好的效果。但是，从目前SBS改性沥青在各等级公路中的应用情况来看，单独使用SBS改性沥青依然难以从根本上解决沥青路面的车辙问题。因此，开发一种高温性能更加优良的复合改性沥青材料，充分发挥各种改性剂的物化性能，并在不同层次上相互激发、相互补充，从而达到进一步提高沥青混凝土路用性能并延长使用寿命的目的，具有十分重要的意义。

发明内容

从目前应用最为广泛的SBS改性沥青的使用情况来看，单独使用SBS改性沥青的路面在当前的高温重载条件下仍产生了较多剪切变形破坏，多数路面都出现了或重或轻的车辙、推移、拥包等病害，其中车辙是当前沥青路面病害的主要形式，占据着沥青路面病害的主要部分，在有些路面上车辙的严重程度可以达到数公里之长，行车安全性和舒适性也未得到很大的改善。

本发明的目的是制备一种适用于高温重载条件下沥青路面的复合改性沥青，其具有优良的抗剪切变形性能，可减少沥青路面在高温重载条件下产生的车辙、推移、拥包等病害的发生。

本发明的另一目的在于提供一种上述复合改性沥青的制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种复合改性沥青，其由基质沥青、热塑丁苯橡胶（SBS）、多聚磷酸、增溶剂、偶联剂组成，以上述组分总含量为100质量份，其中基质沥青为85～95质量份，热塑丁苯橡胶为2～5质量份，多聚磷酸为0.5～2.0质量份，增溶剂为0.5～10质量份，偶联剂为1～10质量份；所述增溶剂选自马来酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）、马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物（POE-g-MAH）、马来酸酐接枝聚乙烯（PE-g-MAH）中的一种或几种。

所述热塑丁苯橡胶为线性结构或星型结构，为线性结构时，嵌段比PS/PB的质量比为30/70～40/60，平均分子量为8×104～12×104；为星型结构时，嵌段比PS/PB的质量比为30/70～40/60，平均分子量为14×104～30×104。

上述适用于高温重载条件的复合改性沥青材料中，所述的基质沥青的25℃针入度值要求为60～80，单位为0.01mm。针入度为在25℃和5秒时间内，在100克的荷重下，标准针垂直穿入沥青试样的深度，以0.1mm为单位。

所述多聚磷酸中H3PO4含量≥115%，密度2.060g/cm3，粘度约为35000CP。

所述偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷或乙烯基三（2-甲氧基乙氧基）硅烷。

上述复合改性沥青的制备方法，首先将基质沥青加热熔化，向基质沥青中加入热塑丁苯橡胶和多聚磷酸，并均匀搅拌，再向其中加入增溶剂和偶联剂，将获得的混合物在高速剪切仪中高速剪切搅拌，剪切完成后将混合物放入烘箱中发育，将发育完成的混合物在高速剪切仪中继续高速剪切，得到所述的复合改性沥青。

以上制备过程中温度优选为170～185℃。

上述复合改性沥青的制备方法，优选包括以下步骤：

1）将基质沥青在170～185℃温度下熔化，并恒温45min～75min；

2）在温度为170～185℃条件下，向步骤1）所述的基质沥青中加入热塑丁苯橡胶和多聚磷酸，并均匀搅拌30～40min；

3）在温度为170～185℃条件下，向步骤2）所述的基质沥青、热塑丁苯橡胶和多聚磷酸混合料中加入增溶剂和偶联剂，并将获得的混合物在高速剪切仪中高速剪切搅拌30～40min，转速为4500～5500r/min，剪切完成后将混合物放入175～185℃的烘箱中发育20～30min；

4）在温度为170～185℃的条件下，将步骤3）所述的发育完成的混合物在高速剪切仪中继续高速剪切30～40min，转速为3500～4500r/min，得到所述复合改性沥青。

本发明的原理

本发明中，多聚磷酸促进了沥青中的胶质向沥青质转化,使得沥青中的分散相出现明显的缔合,从而提高了沥青的刚性，显著改善了沥青的高温物理性能和流变性能；偶联剂作为油石界面改性剂，直接加入沥青中，能够显著改善沥青混凝土油石界面，从而能够提高沥青混合料的高温稳定性；所述增溶剂借助于分子间的键合力，促使不相溶的沥青和热塑丁苯橡胶结合在一体，改善界面黏结，促进分散相粒子的细化，进而得到具有很强粘合力的共混物的助剂，达到改善沥青高温粘聚力的目的，相比于CN102585525A中所使用的芳烃油等增溶剂，本发明中使用的增溶剂不会使沥青的粘度下降、软化点降低，且本发明的针入度升高，延度提高，使上述指标得到改善，此外，两种增溶剂属于不同的品类。通过实验表明，通过使用本发明的增溶剂，高温性能得到提升。

本发明的有益效果

本发明所制备的复合改性沥青适用于高温重载条件下的沥青路面，其具有优良的抗剪切变形性能，可减少沥青路面在高温重载条件下产生的车辙、推移、拥包等病害的发生。使用本发明所制备的复合改性沥青相比于SBS改性沥青在软化点、运动粘度等高温指标都获得了一定程度的提高，且弹性恢复能力也优于SBS改性沥青。此外，其抗老化性能也优于其它沥青。因此，本发明所制备的复合改性沥青对延长沥青路面结构的使用寿命、降低工程造价、提高路面使用品质方面具有重大的经济和社会效益。

本发明的制备过程中，通过控制各个步骤的温度在同样的范围内，通过合理地配制各个组分及其含量，以及通过合理地设计各种组分的加入前后顺序，使获得的复合改性沥青不仅在高温性能上得到了改善，而且其抗老化性能也优于其它改性沥青。

附图说明

图1为本发明的制备复合改性沥青的反应流程图。

具体实施例

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐述本发明的内溶，但本发明的内容并不限于下述实施例。

实施例1

复合改性沥青的配比为：

具体制备过程：

1）将87.9质量份的基质沥青在170～185℃温度下熔化并恒温1h；

2）在温度为170～185℃条件下，向步骤1）所述的基质沥青中加入4.5质量份的SBS和0.8质量份的多聚磷酸，并均匀搅拌30～40min；

3）在温度为170～185℃条件下，向步骤2）所述的基质沥青、SBS和多聚磷酸混合物中加入4.5质量份的PP-g-MAH和2.3质量份的乙烯基三乙氧基硅烷，将混合物在高速剪切仪中高速剪切搅拌30～40min，转速为5000r/min，剪切完成后将混合物放入175～185℃的烘箱中发育20～30min；

4）在温度为170～185℃的条件下，将步骤3）所述的发育完成的混合物在高速剪切仪中继续高速剪切30～40min，转速为4000r/min，得到所述的复合改性沥青。

实施例2

复合改性沥青的配比为：

具体制备过程：

1）将90.3质量份的基质沥青在170～185℃温度下熔化并恒温1h；

2）在温度为170～185℃条件下，向步骤1）所述的基质沥青中加入3.5质量份的SBS和1.2质量份的多聚磷酸，并均匀搅拌30～40min；

3）在温度为170～185℃条件下，向步骤2）所述的基质沥青、SBS和多聚磷酸混合物中加入3.2质量份的PP-g-MAH和1.8质量份的乙烯基三乙氧基硅烷，将混合物在高速剪切仪中高速剪切搅拌30～40min，转速为5000r/min，剪切完成后将混合物放入175～185℃的烘箱中发育20～30min；

实施例3

复合改性沥青的配比为：

具体制备过程：

1）将88.5质量份的基质沥青在170～185℃温度下熔化并恒温1h；

2）在温度为170～185℃条件下，向步骤1）所述的基质沥青中加入3.3质量份的SBS和1.2质量份的多聚磷酸，并均匀搅拌30～40min；

3）在温度为170～185℃条件下，向步骤2）所述的基质沥青、SBS和多聚磷酸混合物中加入4.5质量份的PP-g-MAH和2.5质量份的乙烯基三乙氧基硅烷，将混合物在高速剪切仪中高速剪切搅拌30～40min，转速为5000r/min，剪切完成后将混合物放入175～185℃的烘箱中发育20～30min；

对比例1

复合改性沥青的配比为：

具体制备过程：

1）将88.5质量份的基质沥青在170～185℃温度下熔化并恒温1h；

2）在温度为170～180℃条件下，向步骤1）所述的基质沥青中加入2.6质量份的SBS和2.9质量份的多聚磷酸，并均匀搅拌30～40min；

3）在温度为170～180℃条件下，向步骤2）所述的基质沥青、SBS和多聚磷酸混合物中加入3.4质量份的PP-g-MAH和0.6质量份的乙烯基三乙氧基硅烷，将混合物在高速剪切仪中高速剪切搅拌30～40min，转速为5000r/min，剪切完成后将混合物放入175～185℃的烘箱中发育20～30min；

4）在温度为170～180℃的条件下，将步骤3）所述的发育完成的混合物在高速剪切仪中继续高速剪切30～40min，转速为4000r/min，得到所述的复合改性沥青。

对实施例1、2、3所制备的复合改性沥青进行测试，实施例1、2、3各项指标均符合表1的要求。对比例2（70号基质沥青1000g，芳烃油30g，1301SBS45g，硫粉1.2g，多聚磷酸5g）、对比例3（70号基质沥青1000g，芳烃油40g，4303SBS35g，硫粉1.5g，多聚磷酸3g）、对比例4（70号基质沥青1000g，芳烃油20g，4303SBS30g，硫粉1.1g，多聚磷酸7g）和对比例5（90号基质沥青1000g，芳烃油30g，4303SBS40g，硫粉1.2g，多聚磷酸4g）均来至于专利“一种热储存稳定的SBS改性沥青及其制备工艺”（申请号：201210008880.9）。具体测试数据及对比如下：

所述复合改性沥青材料的性能指标为：25℃的针入度为40～60（0.1mm）、软化点不小于75℃、5℃延度不小于30cm，25℃的弹性恢复不小于85%，PG分级不小于PG76-22。

其中，沥青的运动粘度采用毛细管法测试，在135℃条件下，测定一定体积的沥青在重力作用下流过一个标好的玻璃毛细管粘度计的时间，粘度计的毛细管常数与流动时间的乘积，即为135℃温度下沥青的运动粘度。

改性沥青贮存稳定性的评价主要采用试管法，即将改性沥青倒入细长的玻璃试管中，将其在163℃模拟现场条件存贮存48h，然后测试管上部与下部改性沥青的软化点差。

软化点为沥青试样在规定的圆环内，上置一直径为9.53mm，质量为3.5g±0.05g的钢球，放于水或甘油中，以每分钟5℃±0.5℃的速度加热，至钢球下沉至与下层底板接触时的温度，以℃计。

5℃延度为规定形态的沥青试样，在5℃温度条件下以5cm/min±0.25cm/min的速度受拉伸至断开时的长度，以cm计。

弹性恢复为规定形态的沥青试样在25℃水槽中保温1.5h后，以5cm/min的速率拉伸试样至10cm±0.25cm后将试样剪断，测得两半截试样的残留长度和，其弹性恢复率即为拉伸后试样长度与两半截试样的残留长度和之差与拉伸后试样长度的比值的百分率。

由表中可以看出关健成分的含量在本发明范围内的实施例1、实施例2和实施例3的软化点指标均高于对比例1、2、3、4、5的74.2℃、77℃、75℃、67℃、73℃，且实施例1、实施例2和实施例3的针入度总体上都高于对比例并满足规范要求，说明本发明所制备的复合改性沥青具有更低的温度敏感性，在高温条件下具有较高的高温稳定性；三个实施例中的5℃延度指标总体上优于对比例，说明本发明所制备的复合改性沥青具有更好的低温性能；在贮存稳定性离析这一指标上，三个实施例的48h软化点总体上也都小于对比例，说明本发明所制备的复合改性沥青贮存稳定性也得到了较好的提高，本发明中使用的增溶剂能很好的提高复合改性沥青组分之间的相溶性，改善复合沥青的综合性能，而对比例中采用的增溶剂仅能提高SBS的储存稳定性；此外，三个实施例中的135℃运动粘度指标均优于对比例1的1.3，其弹性恢复能力也优于对比例1，且满足规范要求，这说明在高温荷载条件下本发明所制备的复合改性沥青具有更高的抵抗变形的能力。因此，本发明所制备的复合改性沥青可以提高沥青混合料的高温稳定性，从而减少沥青路面出现早期车辙等病害问题，达到延长道路的使用寿命的目的。

Claims

1.一种复合改性沥青，其特征在于，其中基质沥青为85～95质量份，热塑丁苯橡胶为2～5质量份，多聚磷酸为0.5～2.0质量份，增溶剂为0.5～10质量份，偶联剂为1～10质量份；其中，所述的增溶剂选自马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物、马来酸酐接枝聚乙烯中的一种或几种；

所述热塑丁苯橡胶为线性结构或星型结构，为线性结构时，嵌段比PS/PB的质量比为30/70～40/60，平均分子量为8×10⁴～12×10⁴；为星型结构时，嵌段比PS/PB的质量比为30/70～40/60，平均分子量为14×10⁴～30×10⁴；

所述基质沥青在25℃下的针入度为60～80，单位为0.1mm；

所述的多聚磷酸中H₃PO₄含量≥115％，密度2.060g/cm³，粘度为35000CP；

所述的偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷或乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷。

2.一种用于制备权利要求1所述的复合改性沥青的方法，首先将基质沥青加热熔化，向基质沥青中加入热塑丁苯橡胶和多聚磷酸，并均匀搅拌，再向其中加入增溶剂和偶联剂，将获得的混合物在高速剪切仪中高速剪切搅拌，剪切完成后将混合物放入烘箱中发育，将发育完成的混合物在高速剪切仪中继续高速剪切，得到所述的复合改性沥青。

3.权利要求2所述的复合改性沥青的制备方法，其特征在于，上述制备过程中的温度均为170～185℃。

4.权利要求2所述的复合改性沥青的制备方法，具体包括以下步骤：

1)将基质沥青在170～185℃温度下熔化，并恒温45min～75min；

2)在温度为170～185℃条件下，向步骤1)所述的基质沥青中加入热塑丁苯橡胶和多聚磷酸，并均匀搅拌30～40min；

3)在温度为170～185℃条件下，向步骤2)所述的基质沥青、热塑丁苯橡胶和多聚磷酸混合料中加入增溶剂和偶联剂，并将获得的混合物在高速剪切仪中高速剪切搅拌30～40min，转速为4500～5500r/min，剪切完成后将混合物放入175～185℃的烘箱中发育20～30min；

4)在温度为170～185℃的条件下，将步骤3)所述的发育完成的混合物在高速剪切仪中继续高速剪切30～40min，转速为3500～4500r/min，得到所述复合改性沥青。