CN104109215B - 一种低碳温拌沥青改性剂及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低碳温拌沥青改性剂及其应用方法，它是N-乙烯基吡咯烷酮-苯乙烯-马来酸酐共聚物的酰化物，其制备包括以下步骤：按重量份计，将111～200份N-乙烯基吡咯烷酮、208～416份苯乙烯和196～392马来酸酐单体溶于有机溶剂，然后加入到反应容器中，在搅拌状态下，通氮除氧，后升温至60～65℃；同时滴加引发剂质量分数为5～15wt％的甲苯溶液和链转移剂质量分数1～5wt％的甲苯溶液，2h内滴完，保温2～4h；继续升温至80～110℃，加入烷基伯胺258～1078份，催化剂3～10份，反应6～8小时，停止反应，冷却室温，后处理得目标产物。将其按照沥青质量的0.3～0.6wt％的掺量加入到沥青中，搅拌均匀制备成为温拌沥青，应用温拌沥青制备成的沥青混合料，出料温度与摊铺成型温度可降低40-65℃，但其路用性能优于热拌沥青混合料的性能。

Description

一种低碳温拌沥青改性剂及其应用方法

技术领域

本发明属于公路建设材料领域，尤其涉及一种用于沥青路面施工的低碳温拌沥青改性剂及其应用方法。

技术背景

沥青路面具有性能优良、行车舒适、易于维护等优点，在我国公路、市政道路中广泛采用。热拌沥青混合料是最常用的沥青路面铺筑材料，其综合路用性能优良，但拌和温度高达170～180℃，存在能耗高、沥青易老化、环境污染严重、施工季节短等缺点，不符合我国“资源节约型、环境友好型”的发展理念。冷拌沥青混合料可在常温施工，无有害气体排放，但其路用性能远远不及热拌沥青混合料，铺筑的沥青路面具有耐久性差、使用寿命短，难以满足沥青路面使用要求。因此，开发合理技术既能降低沥青路面施工温度，又能保证沥青混合料路用性能，对保证沥青路面施工质量和节能环保具有重要意义。

随着我国基础交通设施的大规模的建设，环境污染越来越严重，各地的雾霾天气频发，严重影响了人们的正常生活。环境污染治理已到了刻不容缓的地步，从事公路建设的相关人员也立志把我国的公路建设成绿色低碳循环公路。2011年交通运输部印发了《建设低碳交通运输体系指导意见》，将温拌沥青列为重要低碳技术。

专利CN988103362公开了一种添加费-托合成蜡(FT蜡)的施工路面用的沥青或柏油、路面和生产沥青或柏油的方法。FT蜡的加入可有效降低沥青的粘度从而降低混合料的拌和温度，并因此降低了有害物质的排放。但由于FT蜡属于石蜡的范畴，单独加入沥青中虽然有降低沥青高温粘度的效果，但必然会增加沥青中的蜡含量。而且沥青中含蜡量高会导致沥青温度敏感性强，高温下容易永久变形，低温下容易脆裂，导致沥青混合料热稳定性和低温抗裂性不好，以致沥青混凝土路面面层出现车辙和开裂而加速损坏。

专利CN101899218A提出了一种以烷基胺类阳离子表面活性剂、酰胺类阳离子表面活性剂、季铵盐类阳离子表面活性剂、氯化钙及水为原料的水剂型温拌剂，直接在沥青混合料拌和过程中加入该种温拌剂。这种直接喷进拌和楼的温拌剂存在一些不足：一、水剂喷进拌和锅时会受热骤然气化，水蒸气会带走部分矿粉，使级配发生变化，导致混合料的性能会有所变化，水蒸气携带矿粉粘结在进料处，堵塞进料处导致集料计量不准确，要经常清理，影响拌和楼生产效率；二、水及水蒸气影响沥青与石料的粘附性能，使沥青混合料的水稳定性受到损伤。

专利CN101861360A公开了一种用于道路表面的路面的温拌沥青配制剂的添加剂包，所述添加剂包包含表面活性剂组分和沥青流变改进组分，其中所述沥青流变改进组分包含蜡组分和树脂组分中的至少一种。该种温拌添加剂包不故意将水引入混合料中，且对沥青的低温性能不具有任何不利影响。但是该温拌添加包显著增加温拌沥青混合料的生产成本，不利于温拌技术的大规模的使用推广。

温拌技术在节能减排方面优势明显。目前，我国每年沥青使用量约为1800万吨，如果60％采用温拌技术代替热拌技术，则可节省约54万吨标准煤，可以减少二氧化碳排放量约162万吨，数量相当可观。因此，温拌技术是一种节能环保的新技术，是建设绿色低碳循环公路的必然选择。

发明内容

针对现有技术的不足的问题，本发明公开了一种低碳温拌沥青改性剂——N-乙烯基吡咯烷酮-苯乙烯-马来酸酐共聚物与脂肪胺的酰化物及应用方法。将该低碳温拌沥青改性剂按照0.3～0.6wt％的掺量加入到沥青中制备出温拌沥青。其在不改变沥青关键技术指标和流变性能条件下，可降低沥青与集料之间的界面张力，使沥青混合料在较低的温度下更容易拌和和碾压，从而使得沥青混合料出料温度与摊铺成型温度降低40-65℃。

提供一种低碳温拌沥青改性剂，它是N-乙烯基吡咯烷酮-苯乙烯-马来酸酐共聚物的酰化物，其制备方法包括以下步骤：

按重量份计，将111～200份N-乙烯基吡咯烷酮、208～416份苯乙烯和196～392马来酸酐单体溶于有机溶剂，然后加入到反应容器中，在搅拌状态下，通氮除氧，后升温至60～65℃；同时滴加引发剂质量分数为5～15wt％的甲苯溶液和链转移剂质量分数1～5wt％的甲苯溶液，2h内滴完，保温2～4h；继续升温至80～110℃，加入烷基伯胺258～1078份，催化剂3～10份，反应6～8小时，停止反应，冷却室温，后处理得目标产物。

按上述方案，所述的N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)，纯度为98wt％，使用前加入8-羟基喹啉减压蒸馏纯化；苯乙烯(St)，纯度为99wt％，使用前减压蒸馏纯化；马来酸酐(MA)，纯度为99.5wt％，使用前用氯仿重结晶。

按上述方案，所述的有机溶剂的用量为150-280份，可为苯、甲苯和二甲苯等。

按上述方案，所述的引发剂可为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁酸二甲酯和偶氮异丁氰基甲酰胺等，用量为2.5-7.5份。

按上述方案，所述的链转移剂可为巯基乙酸、脂肪族硫醇等，优选十二烷基硫醇，用量为0.5-2.5份。

按上述方案，所述的烷基伯胺为C₈～C₁₈的饱和长链或支链的取代的烷基伯胺，优选辛胺、葵胺、月桂胺、十四烷基伯胺。

按上述方案，所述的催化剂为4-二甲氨基吡啶或1-羟基苯并三唑。

按上述方案，所述的后处理为：加入氯仿于反应产物中沉淀，过滤分离得到固体产物，然后用乙醚洗涤多次，离心即得目标产物“GHWM-H9”。

低碳温拌沥青改性剂的应用方法：将沥青加热到150～170℃，按照沥青质量的0.3～0.6wt％的掺量，加入低碳温拌沥青改性剂，控制温度在150～170℃条件下，高速剪切机以2000～2600rpm的转速剪切10～15min，即得温拌沥青。

按上述方案，所述的温拌沥青作胶结料制备沥青混合料，出料温度和摊铺成型温度均能下降40～65℃。

本发明的有益效果：

本发明的低碳温拌沥青改性剂“GHWM-H9”添加到沥青中制备出的温拌沥青，与未添加低碳温拌沥青改性剂的沥青相比，基本不改变沥青关键技术指标和流变性能。

将本发明低碳温拌沥青改性剂产品“GHWM-H9”添加到沥青中制备出的温拌沥青用于沥青混合料，相比于热拌沥青混合料，应用本发明产品的温拌沥青混合料的拌和温度和成型温度均可下降40～65℃，但其各项性能指标都可达到甚至优于热拌沥青混合料的要求。每吨温拌沥青混合料可节省约5～8公斤标准煤，减少二氧化碳排放量约8～10公斤，节能减排效果明显。同时该低碳温拌沥青改性剂能显著降低温拌沥青混合料的生产成本，有利于温拌技术的大规模推广应用，在路用性能和经济性上可以完全代替热拌沥青混合料。

附图说明

图1为AC-13混合料矿料的级配曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中，在不背离本发明的技术解决方案前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将归入本发明的权利要求范围之内。

实施例1

单体的纯化：N-乙烯基吡咯烷酮(NVP，98wt％)，加入八羟基喹啉减压蒸馏；苯乙烯(St，99wt％)，使用前减压蒸馏；马来酸酐(MA，99.5wt％)，使用前用氯仿重结晶。其它试剂未经处理，直接使用。

在带有冷凝器、温度计、搅拌器和恒压滴定漏斗的500ml四口烧瓶中，按重量份计，加入N-乙烯基吡咯烷酮111份、苯乙烯208份和马来酸酐196份溶于155份甲苯中。控制一定搅拌速度，通氮气30分钟后升温至60℃；同时滴加质量分数为5wt％的偶氮异丁氰基甲酰胺的甲苯溶液50份即引发剂偶氮异丁氰基甲酰胺为2.5份，质量分数3wt％的十二烷基硫醇的甲苯溶液50份即链转移剂十二烷基硫醇为1.5份，2h滴完，保温2h；继续升温至110℃，加入辛胺258份，催化剂4-二甲氨基吡啶5份，反应8小时，停止反应。冷却室温。加入大量的氯仿于反应产物中沉淀，过滤分离可得到固体产物，再用乙醚洗涤多次，离心沉积即得目标产物。

实施例2

单体的纯化与实施例1相同

在带有冷凝器、温度计、搅拌器和恒压滴定漏斗的500ml四口烧瓶中，按重量份计，加入N-乙烯基吡咯烷酮150份、苯乙烯312份和马来酸酐294份溶于210份苯中。控制一定搅拌速度，通氮气40分钟后升温至65℃；同时滴加质量分数为8wt％的偶氮二异丁酸二甲酯的甲苯溶液50份即引发剂偶氮二异丁酸二甲酯为4份，质量分数1wt％的巯基乙酸的甲苯溶液50份即链转移剂巯基乙酸为0.5份，2h滴完，保温3h；继续升温至90℃，加入月桂胺556份，催化剂1-羟基苯并三唑7份，反应6小时，停止反应，冷却室温。加入大量的氯仿于反应产物中沉淀，过滤分离可得到固体产物，再用乙醚洗涤多次，离心沉积即得目标产物。

实施例3

单体的纯化与实施例1相同

在带有冷凝器、温度计、搅拌器和恒压滴定漏斗的500ml四口烧瓶中，按重量份计，加入N-乙烯基吡咯烷酮200份、苯乙烯416份和马来酸酐392份溶于280份二甲苯中。控制一定搅拌速度，通氮气60分钟后升温至62℃；同时滴加质量分数为12wt％的偶氮二异丁腈的甲苯溶液50份即引发剂偶氮二异丁腈为6份，质量分数4wt％的十二烷基硫醇的甲苯溶液50份即链转移剂十二烷基硫醇为2份，2h滴完，保温4h；继续升温至100℃，加入硬脂伯胺1078份，催化剂4-二甲氨基吡啶10份，反应7小时，停止反应冷却室温。加入大量的氯仿于反应产物中沉淀，过滤分离可得到固体产物，再用乙醚洗涤多次，离心沉积即得目标产物。

温拌沥青改性剂“GHWM-H9”的性能验证

将70#A道路石油沥青加热到150℃，按照沥青质量的0.3～0.6wt％的掺量，分别加入实施例1-3中的低碳温拌沥青改性剂“GHWM-H9”，控制温度在150℃条件下，高速剪切机以2000～2600rpm的转速剪切10min，即得温拌沥青，将制备好的温拌沥青储存起来用于后续的性能检测。

低碳温拌沥青改性剂“GHWM-H9”和上述实施例所制备的温拌沥青，按照沥青质量的0.3～0.6wt％添加到沥青中的效果如表1所示。

表1基质沥青和温拌沥青的性能指标结果对比

由表1看出，添加本发明的低碳温拌沥青改性剂“GHWM-H9”制备出的温拌沥青与未添加低碳温拌沥青改性剂的基质沥青相比，基本不改变沥青关键技术指标和流变性能。

以添加本发明所述的低碳温拌沥青改性剂制备出的温拌沥青和原样沥青国产70#A道路石油沥青为胶结料分别制备沥青混合料(分别称为温拌沥青混合料和热拌沥青混合料)，沥青混合料的制备按照我国《公路沥青路面施工技术规范》F40-2004的要求。为验证沥青混合料的降温效果，热拌沥青混合料与温拌沥青混合料采用相同的级配组成及沥青用量。沥青混合料的类型选择连续密级配沥青混合料AC-13，其配合比如表2所示，原样沥青为国产70#A道路石油沥青。其中粗集料选用玄武岩，细集料选用辉绿岩，填料为石灰石矿粉。矿料的级配如图1所示。

表2AC-13的配合比

16～10mm/％	10～5mm/％	5～3mm/％	3～0mm/％	矿粉/％	油石比/％
						19	29	18	29	5	4.3

温拌沥青混合料与热拌沥青混合料的降温幅度和路用性能如表3所示。

表3热拌AC-13与温拌AC-13的结果对比

以上实验结果表明，实施例1、2和3制备的低碳温拌沥青改性剂添加到沥青中搅拌均匀制成的温拌沥青作胶结料制备温拌沥青混合料，相比于热拌沥青混合料，应用本发明产品的温拌沥青混合料的出料温度和摊铺成型温度均下降40～65℃，有很好的降温效果。同时温拌沥青改性剂在一定程度上可改善沥青与矿料的粘附性。与热拌沥青混合料相比，温拌沥青混合料的各项性能指标都可达到热拌沥青混合料，具有良好的市场推广价值和环保效益。

Claims (10)

1.一种低碳温拌沥青改性剂，其特征在于：它是N-乙烯基吡咯烷酮-苯乙烯-马来酸酐共聚物的酰化物，其制备方法包括以下步骤：按重量份计，将111~200份N-乙烯基吡咯烷酮、208~416份苯乙烯和196~392份马来酸酐单体溶于有机溶剂，然后加入到反应容器中，在搅拌状态下，通氮除氧，后升温至60~65℃；同时滴加引发剂的质量分数为5~15wt%的甲苯溶液和链转移剂的质量分数为1~5wt%的甲苯溶液，2h内滴完，保温2~4h；继续升温至80~110℃，加入烷基伯胺258~1078份，催化剂3~10份，反应6~8小时，停止反应，冷却室温，后处理得目标产物；所述的引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁酸二甲酯和偶氮异丁氰基甲酰胺；链转移剂为巯基乙酸、十二烷基硫醇。

2.根据权利要求1所述的低碳温拌沥青改性剂，其特征在于：所述的N-乙烯基吡咯烷酮，纯度为98wt%，使用前加入8-羟基喹啉减压蒸馏纯化；苯乙烯，纯度为99wt%，使用前减压蒸馏纯化；马来酸酐，纯度为99.5wt%，使用前用氯仿重结晶。

3.根据权利要求1所述的低碳温拌沥青改性剂，其特征在于：所述的有机溶剂的用量为150-280份，为苯、甲苯和二甲苯。

4.根据权利要求1所述的低碳温拌沥青改性剂，其特征在于：所述的引发剂用量为2.5-7.5份。

5.根据权利要求1所述的低碳温拌沥青改性剂，其特征在于：所述的链转移剂用量为0.5-2.5份。

6.根据权利要求1所述的低碳温拌沥青改性剂，其特征在于：所述的烷基伯胺为C₈~C₁₈的饱和长链或支链的取代的烷基伯胺。

7.根据权利要求1所述的低碳温拌沥青改性剂，其特征在于：所述的催化剂为4-二甲氨基吡啶或1-羟基苯并三唑。

8.根据权利要求1所述的低碳温拌沥青改性剂，其特征在于：所述的后处理为：加入氯仿于反应产物中沉淀，过滤分离得到固体产物，然后用乙醚洗涤多次，离心即得目标产物。

9.低碳温拌沥青改性剂的应用方法，其特征在于：将沥青加热到150~170℃，按照沥青质量的0.3~0.6wt%的掺量，加入权利要求1所述的低碳温拌沥青改性剂，控制温度在150~170℃条件下，高速剪切机以2000~2600rpm的转速剪切10~15min，即得温拌沥青。

10.根据权利要求9所述的低碳温拌沥青改性剂的应用方法：其特征在于：所述的温拌沥青作胶结料制备沥青混合料，出料温度和摊铺成型温度均能下降40~65℃。