CN103897414B - 一种复配耐老化道路沥青及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种复配耐老化道路沥青及其制备方法，该复配耐老化道路沥青由以下质量百分比的原料制成：沥青91.0～98.5％、层状硅酸盐1.0～6.0％、无机纳米粒子0.5～3.0％。本发明还包括复配耐老化道路沥青的制备方法。本发明利用层状硅酸盐对氧的阻隔作用、无机纳米粒子对紫外线的物理散射屏蔽和化学吸收作用，显著提高道路沥青的耐热氧和光氧老化性能，延长沥青路面的使用寿命，具有广泛的应用前景。

Description

一种复配耐老化道路沥青及其制备方法

技术领域

本发明涉及道路材料领域，特别是涉及一种层状硅酸盐与无机纳米粒子复配耐老化道路沥青及其制备方法。

背景技术

沥青路面以其优良的路用性能已成为各国高等级公路的首选路面类型。然而，沥青是一种有机材料，极易受到高温和紫外光辐射的影响而发生热氧和光氧老化，使沥青变硬变脆，导致沥青路面产生裂缝、车辙、坑槽、剥落等病害，这些病害严重影响了沥青路面的路用性能和使用寿命。

近年来，沥青的老化问题越来越受重视，已成为国内外道路材料领域研究的热点。沥青的光氧老化同样制约着沥青路面的使用寿命，这是因为太阳光透过大气层照射在地表的紫外光波长为290～400nm，其光量子能量为412～299kJ/mol，高于沥青中与苯环等稳定基团相连的C-C和C-H键键能，可以对它们产生破坏作用并形成自由基，导致沥青发生分子异构化、缩合和脱氢等化学反应，使沥青变硬变脆，从而易于开裂。

为解决沥青路面的老化问题，通过向道路沥青中添加如纳米二氧化钛、二氧化铈、炭黑、蒙脱土等外加剂，可在一定程度上提高道路沥青的耐老化性能。以上的方法只是单方面改善沥青耐热氧或抗紫外老化性能，并不能同时改善沥青的耐热氧和光氧老化性能，并且目前关注较多的是改善沥青的耐热氧老化性能。但是，沥青在实际服役过程中，同时受到热、光和氧的作用，因此，同时提高沥青的耐热氧和光氧老化性能是当务之急。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的上述不足，提供一种能同时耐热氧和光氧老化的层状硅酸盐与无机纳米粒子复配耐老化道路沥青及其制备方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

本发明之复配耐老化道路沥青，由以下质量百分比的原料制成：沥青91.0～98.5％（优选92.0～96.0％）、层状硅酸盐1.0～6.0％（优选2.0～5.0％）、无机纳米粒子0.5～3.0％（优选1.0～2.5％）。

进一步，所述沥青是道路石油沥青，软化点为45～54℃（优选46～52℃），25℃时的针入度大于60dmm（优选61~71dmm），其中1dmm＝1/10mm。

进一步，所述层状硅酸盐为膨胀蛭石、蒙脱石、累托石中的一种或两种以上的混合物，混合配比不限，层状硅酸盐的细度为23～75μm（优选25～70μm，更优选30～65μm）。

进一步，所述无机纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化锌中的一种或两种以上的混合物，混合配比不限，无机纳米粒子的细度为1～100nm（优选30～80nm，更优选40～70nm）。

本发明之复配耐老化道路沥青的制备方法，包括以下步骤：

（1）按预定质量百分比准备沥青、层状硅酸盐和无机纳米粒子原料，备用；

（2）将沥青加入搅拌机中，加热沥青至140～160℃，分别添加层状硅酸盐和无机纳米粒子，开动搅拌机，保持温度为140～160℃，在2000～8000rpm（优选3500～6500rpm，更优选4000～6000rpm）的转速下搅拌0.5～2.0小时（优选1.0～1.5小时），即得。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

（1）通过在普通道路沥青中加入层状硅酸盐和无机纳米粒子，利用层状硅酸盐对氧的阻隔作用和无机纳米粒子对紫外线的物理散射屏蔽和化学吸收作用，使沥青材料同时具有优良的耐热氧和光氧老化性能，显著提高道路沥青耐老化性能，延长沥青路面的使用寿命；

（2）将层状硅酸盐与无机纳米粒子进行复合，较抗氧剂、紫外线吸收剂等传统耐老化改性剂，对沥青耐老化性能的改善更为明显，作用时间更长。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的内容不仅仅局限于下述实施例。

实施例1

本实施例之复配耐老化道路沥青的制备方法，包括以下步骤：

（1）按各原料质量份数为：沥青91.0份、层状硅酸盐6.0份、无机纳米粒子3.0份准备原料，备用；

其中，沥青是道路石油沥青，软化点为46.5℃，25℃时的针入度为71dmm；

层状硅酸盐为蒙脱石，细度为25μm；

无机纳米粒子为纳米二氧化硅，细度为30nm；

（2）将沥青加入剪切搅拌机中，加热沥青至160℃，分别添加层状硅酸盐和无机纳米粒子，开动剪切搅拌机，保持温度为160℃，在2000rpm的转速下搅拌2.0小时，即得。

对该复配耐老化道路沥青进行薄膜烘箱老化（TFOT），复配耐老化道路沥青老化前后的60℃粘度由901Pa·s增加到1086Pa·s，增加了185Pa·s，软化点由52.6℃增加到54.3℃，增加了1.7℃。而未加层状硅酸盐和无机纳米粒子的沥青，TFOT老化前后60℃粘度由300Pa·s增加到556Pa·s，增加了256Pa·s，软化点由46.5℃增加到50.6℃，增加了4.1℃。

二者相比，加入层状硅酸盐和无机纳米粒子的沥青在TFOT老化后，粘度和软化点增加量均明显低于未加层状硅酸盐和无机纳米粒子的沥青，因而具有更为优良的耐短期热氧老化性能。

实施例2

本实施例之复配耐老化道路沥青的制备方法，包括以下步骤：

（1）按各原料质量份数为：沥青98.5份、层状硅酸盐1.0份、无机纳米粒子0.5份准备原料，备用；

其中，沥青是道路石油沥青，软化点为54.0℃，25℃时的针入度为61dmm；

层状硅酸盐为膨胀蛭石和蒙脱石，二者的比例为1:1，膨胀蛭石的细度为23μm，蒙脱石的细度为75μm；

无机纳米粒子为纳米二氧化硅，细度为30nm；

（2）将沥青加入剪切搅拌机中，加热沥青至140℃，分别添加层状硅酸盐和无机纳米粒子，开动剪切搅拌机，保持温度为140℃，在8000rpm的转速下搅拌0.5小时，即得。

对该复配耐老化道路沥青进行压力老化烘箱（PAV）老化，复配耐老化道路沥青老化前后的60℃粘度由410Pa·s增加到2285Pa·s，增加了1875Pa·s，软化点由54.5℃增加到66.5℃，增加了12.0℃。而未加层状硅酸盐和无机纳米粒子的沥青，PAV老化前后60℃粘度由401Pa·s增加到2811Pa·s，增加了2410Pa·s，软化点由54.0℃增加到69.0℃，增加了15.0℃。

二者相比，加入层状硅酸盐和无机纳米粒子的沥青具有优良的耐长期热氧老化性能。

实施例3

本实施例之复配耐老化道路沥青的制备方法，包括以下步骤：

（1）按各原料质量份数为：沥青96.0份、层状硅酸盐2.0份、无机纳米粒子2.0份准备原料，备用；

其中，沥青是道路石油沥青，软化点为49.5℃，25℃时的针入度为65dmm；

层状硅酸盐为蒙脱石，细度为50μm；

无机纳米粒子为纳米二氧化钛和纳米氧化锌，其中纳米二氧化钛1.5份，细度为40nm，纳米氧化锌0.5份，细度为70nm；

（2）将沥青加入剪切搅拌机中，加热沥青至150℃，分别添加层状硅酸盐和无机纳米粒子，开动剪切搅拌机，保持温度为150℃，在4000rpm的转速下搅拌1.5小时，即得。

对该复配耐老化道路沥青在60℃紫外（UV）老化箱中进行3天UV老化，复配耐老化道路沥青UV老化前后的60℃粘度由412Pa·s增加到1220Pa·s，增加了808Pa·s，软化点由53.0℃增加到62.7℃，增加了9.7℃。而未加层状硅酸盐和无机纳米粒子的沥青，UV老化前后60℃粘度由350Pa·s增加到1300Pa·s，增加了950Pa·s，软化点由49.5℃增加到61.2℃，增加了11.7℃。

二者相比，加入层状硅酸盐和无机纳米粒子的沥青在UV老化前后，粘度和软化点增加量均低于未加层状硅酸盐和无机纳米粒子的沥青，因而具有更为优良的抗紫外老化性能。

实施例4

本实施例之复配耐老化道路沥青的制备方法，包括以下步骤：

（1）按各原料质量份数为：沥青94.0份、层状硅酸盐3.5份、无机纳米粒子2.5份准备原料，备用；

其中，沥青是道路石油沥青，软化点为48.0℃，25℃时的针入度为68dmm；

层状硅酸盐为膨胀蛭石、蒙脱石和累托石，三者的比例为1.0:1.0:1.5，三者的细度分别为25μm、50μm和70μm；

无机纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛和纳米氧化锌，三者的比例为1.0:0.5:1.0，细度均为55nm；

（2）将沥青加入剪切搅拌机中，加热沥青至155℃，分别添加层状硅酸盐和无机纳米粒子，开动剪切搅拌机，保持温度为155℃，在3500rpm的转速下搅拌1.25小时，即得。

对该复配耐老化道路沥青在60℃紫外（UV）老化箱中进行3天UV老化，复配耐老化道路沥青UV老化前后的60℃粘度由597Pa·s增加到1395Pa·s，增加了798Pa·s，软化点由52.0℃增加到60.6℃，增加了8.6℃。而未加层状硅酸盐和无机纳米粒子的沥青，UV老化前后60℃粘度由330Pa·s增加到1265Pa·s，增加了935Pa·s，软化点由48.0℃增加到58.8℃，增加了10.8℃。

二者相比，加入层状硅酸盐和无机纳米粒子的沥青在UV老化前后，粘度和软化点增加量均明显低于未加层状硅酸盐和无机纳米粒子的沥青，因而具有更为优良的抗紫外老化性能。

实施例5

本实施例之复配耐老化道路沥青的制备方法，包括以下步骤：

（1）按各原料质量份数为：沥青96.0份、层状硅酸盐3.0份、无机纳米粒子1.0份准备原料，备用；

其中，沥青是道路石油沥青，软化点为49.0℃，25℃时的针入度为69dmm；

层状硅酸盐为膨胀蛭石、蒙脱石和累托石，三者的比例为1:1:1，细度分别为50μm、25μm和65μm；

无机纳米粒子为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛和纳米氧化锌，三者的比例为0.25:0.25:0.50，细度分别为40nm、60nm和70nm；

（2）将沥青加入剪切搅拌机中，加热沥青至155℃，分别添加膨胀蛭石、蒙脱石和累托石以及纳米二氧化硅、纳米二氧化钛和纳米氧化锌，开动剪切搅拌机，保持温度为155℃，在6000rpm的转速下搅拌1.5小时，即得。

对该复配耐老化道路沥青在60℃紫外（UV）老化箱中进行3天UV老化，复配耐老化道路沥青UV老化前后的60℃粘度由430Pa·s增加到1320Pa·s，增加了890Pa·s，软化点由51.2℃增加到61.2℃，增加了10.0℃。而未加层状硅酸盐和无机纳米粒子的沥青，UV老化前后60℃粘度由346Pa·s增加到1293Pa·s，增加了947Pa·s，软化点由49.0℃增加到60.2℃，增加了11.2℃。

二者相比，加入层状硅酸盐和无机纳米粒子的沥青在UV老化前后，粘度和软化点增加量均明显低于未加层状硅酸盐和无机纳米粒子的沥青，因而具有更为优良的抗紫外老化性能。

上述实施例的粘度和软化点测试方法分别按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）中T0661-2011和T0606-2011的规定进行。

综上所述，本发明利用层状硅酸盐对氧的阻隔作用和无机纳米粒子对紫外线的物理散射屏蔽和化学吸收作用，使沥青材料同时具有优良的耐热氧和光氧老化性能，显著提高道路沥青耐老化性能，延长沥青路面的使用寿命。

Claims (13)

1.一种复配耐老化道路沥青，其特征在于，由以下质量百分比的原料制成：沥青91.0～98.5％、层状硅酸盐1.0～6.0％、无机纳米粒子0.5～3.0％；所述层状硅酸盐为膨胀蛭石、累托石中的一种或膨胀蛭石、蒙脱石、累托石中两种以上的混合物，细度为23～75μm；

所述无机纳米粒子为纳米二氧化钛，或纳米二氧化钛和纳米氧化锌的混合物，或纳米二氧化钛与纳米二氧化硅的混合物，或纳米氧化锌与纳米二氧化硅的混合物，或纳米二氧化硅、纳米二氧化钛和纳米氧化锌的混合物，细度为1～100nm。

2.根据权利要求1所述的复配耐老化道路沥青，其特征在于，由以下质量百分比的原料制成：沥青92.0～96.0％、层状硅酸盐2.0～5.0％、无机纳米粒子1.0～2.5％，各组分配比之和为100%。

3.根据权利要求1或2所述的复配耐老化道路沥青，其特征在于，所述沥青是道路石油沥青，软化点为45～54℃，25℃时的针入度大于60dmm。

4.根据权利要求3所述的复配耐老化道路沥青，其特征在于，所述沥青的软化点为46～52℃，25℃时的针入度为61~71dmm。

5.根据权利要求1或2所述的复配耐老化道路沥青，其特征在于，所述层状硅酸盐的细度为25～70μm。

6.根据权利要求3所述的复配耐老化道路沥青，其特征在于，所述层状硅酸盐的细度为25～70μm。

7.根据权利要求4所述的复配耐老化道路沥青，其特征在于，所述层状硅酸盐的细度为25～70μm。

8.根据权利要求1或2所述的复配耐老化道路沥青，其特征在于，所述无机纳米粒子的细度为30～80nm。

9.根据权利要求3所述的复配耐老化道路沥青，其特征在于，所述无机纳米粒子的细度为30～80nm。

10.根据权利要求4所述的复配耐老化道路沥青，其特征在于，所述无机纳米粒子的细度为30～80nm。

11.根据权利要求5所述的复配耐老化道路沥青，其特征在于，所述无机纳米粒子的细度为30～80nm。

12.一种根据权利要求1~11之一所述复配耐老化道路沥青的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）按预定质量百分比准备沥青、层状硅酸盐和无机纳米粒子原料，备用；

（2）将沥青加入搅拌机中，加热沥青至140～160℃，分别添加层状硅酸盐和无机纳米粒子，开动搅拌机，保持温度为140～160℃，在2000～8000rpm的转速下搅拌0.5～2.0小时，即得。

13.根据权利要求12所述的复配耐老化道路沥青的制备方法，其特征在于，所述搅拌机的转速为3500～6500rpm，搅拌1.0～1.5小时。