CN104194366B - 一种耐低温型高模量沥青改性剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耐低温型高模量复合沥青改性剂及其制备方法。本发明所述耐低温型高模量沥青改性剂由以下原料组成：耐低温高模量主剂，增强型粘结剂，隔离剂；以及与上述组分的质量比为1:100的高效增溶剂。本发明所述耐低温型高模量沥青改性剂是一种针对沥青的聚合物类复合添加剂，可全面增强沥青的高低温性能，并显著提高沥青路面的低温抗裂、高温抗车辙以及抗水损害性能。

Description

一种耐低温型高模量沥青改性剂及其制备方法

技术领域

本发明属于沥青改性技术领域，具体涉及一种耐低温型高模量复合沥青改性剂及制备方法。

背景技术

沥青是一种道路工程中应用十分广泛的路面结构胶结材料，可以显著提高铺路用粒料抵抗行车、自然因素对路面损害的能力，通过与不同类型及组成的矿质材料按一定比例配合后，可以建成适用于不同交通环境、具备不同结构的沥青路面。

自“七五”计划实施以来，我国的高等级公路建设发展十分迅速，截止2012年末，全国公路总里程达423.75万公里，比上年末增加13.11万公里，全国高速公路里程达9.62万公里，比上年末增加1.13万公里。过去五年，我国不断加强建设高速公路，里程长度新增3.3万公里，平均每年新增6000多公里的高速公路，“五纵七横”十二条主干线提前十三年全部建成，西部大开发地区八条省际通道也已大致贯通。

随着我国高等级沥青路面的迅速发展，作为路面结构胶结料的沥青需要能满足日益提高的性能要求。车辆大型化、超载严重以及车辆渠道化使沥青及沥青混凝土路面面临严峻的考验，许多高等级路面建成不久便不能适应交通环境，进而出现各种路面病害。比如高温车辙及变形问题。大型车辆以及重载、超载路段的车辙问题是高温地区沥青路面潜在的最严重的破坏形式之一。再比如寒冷地区沥青路面还会产生温缩裂缝。冬季气温骤降，沥青温度应力的增大远大于混合料的应力松弛，同时劲度迅速增大，超过了混合料的极限拉伸应变或极限强度，便会产生开裂。另外，沥青路面在温度胀缩和交通载荷的反复作用下，加之水分的存在，水分会逐步侵入到集料和沥青的界面上。同时因为水动力的作用，集料表面的沥青层逐渐剥离，并导致集料间失去了粘结力而引发路面破坏。由于存在这种破坏作用，完好的路面在雨季逐渐产生麻面、松散及坑槽。

目前全世界道路工作者们面临一个重要课题，即如何提高沥青及沥青路面的使用性能以满足交通发展的需要。对于高速公路建设处在高速发展阶段的我国，这一问题的解决显得更为迫切。

目前，改性沥青是一种针对沥青路面高温车辙和低温冻裂等常见病害的有效解决方案。从40年代欧洲使用改性沥青以来，已有60多年的历史。在我国，使用较多的沥青改性剂品种包括橡胶类(天然橡胶、乙丙橡胶、废胶粉等)，聚烯烃类(聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯-乙酸乙烯酯等)以及热塑性弹性体类(SBS、SEBS、SIS等)。

近年来，以废橡胶粉、废旧塑料为代表的再生资源由于较低的成本以及对沥青优异的改性效果得到了越来越多的重视。但是，废橡胶粉种类、来源十分复杂，并不是所有品种的胶粉都可以有效增强沥青与沥青路面的性能；废橡胶粉的热加工性能较差，多数厂家以其为原料制备沥青改性剂时并不能做到稳定的质量工艺控制，胶粉在实际使用过程中难分散，导致实际使用效果欠佳。而且由其制备的改性沥青虽然低温抗裂性能得到明显改善，但无法较好的兼顾高温性能以及抗水损害性能，影响了再生资源在沥青改性领域的应用范围及水平。

申请号：201310375609.2的专利“一种橡塑合金沥青改性剂”提到：原料使用废旧轮胎制备的橡胶粉，目数20目～40目；与其复配的塑料采用由废旧塑料制备的颗粒；加工方式采用传统的热加工工艺中的挤出造粒，首先将废轮胎橡胶粉在单螺杆机上加热至230～250℃，加入增塑剂环氧脂肪酸甲酯，维持在230～250℃使胶粉软化、降解20～30分钟，再依次加入表面活性剂、废塑料颗粒，上述的共混物在螺杆机上运行2遍，挤出造粒，即得到橡塑合金改性剂。

前述技术方案存在下述缺陷：1)废胶粉、塑料的热加工工艺性有很大区别，导致二者共混挤出时胶粉分散不均匀，工艺条件无法稳定控制，进而导致产品质量产生较大的波动性；而且二次挤出会降低生产效率、增加加工成本；2)产品挤出时由于韧性较高，对切粒工艺造成困难，易出现颗粒长短不一、缠丝，从而影响产品外观质量；

申请号为201110257188.4的专利“一种改性胶粉的制备方法、一种胶粉改性沥青和混合料及其制备方法”提到：原料使用废旧轮胎制备的橡胶粉，目数20目～120目；与其复配的聚合物为热塑性弹性体类或聚乙烯、聚乙烯接枝马来酸酐、聚丙烯中的一种或几种。加工方式为首先将质量比为0.1～6∶100的聚合物和基质沥青共混制成改性沥青，然后在高速搅拌釜中将上述改性沥青喷洒入废胶粉后在100～130℃、1200～3000r/min的搅拌速度下搅拌5～30分钟，风冷2～10分钟待温度降低至40℃～60℃时，加入质量分数为1-15％的所述无机粉体继续搅拌1～10分钟，制得所述改性胶粉。

前述技术方案受制备工艺的限制，该产品中的聚合物掺量上限受到限制，该技术仅提供了一种聚合物含量较低时提升废胶粉在沥青中分散效果的方法；而聚合物可显著提升沥青的高温稳定性，所以该技术无法提供在高聚合物掺量的前提下，同时提升沥青路面的低温抗裂性与高温抗车辙性能的技术途径。

发明内容

现有废胶粉、塑料在高温环境下流变性能与温度之间的关系具有较大差别，导致了二者的热加工工艺性差异明显，存在热加工方式制备的橡塑共混产品中各组分分布不均匀，进而影响沥青改性剂性能的稳定的问题；

以及对于“直投式”沥青改型产品而言，提高沥青模量需要使用更多塑料，又存在高掺量的塑料类聚合物与废胶粉共混制备的沥青改性剂在沥青中分散效果不理想，所以很难同时提高沥青路面的低温抗裂性与高温抗车辙性能的问题。

针对上述问题，本发明提供一种耐低温型高模量复合沥青改性剂及其制备方法；本发明所述耐低温型高模量沥青改性剂是一种针对沥青的聚合物类复合添加剂，可全面增强沥青的高低温性能，并显著提高沥青路面的低温抗裂、高温抗车辙以及抗水损害性能。

本发明所述耐低温型高模量沥青改性剂，由以下重量份的原料组成：

耐低温高模量主剂70份～90份，

增强型粘结剂5份～20份，

隔离剂5份～10份，

以及与上述组分的质量比为1:100的高效增溶剂。

所述耐低温高模量主剂的制备方法如下：

1)将50份由鞋底胶制备的目数为40目的废胶粉与2份硅烷偶联剂溶液一起放入搅拌釜中；在常温、800r/min的搅拌速率下搅拌15分钟，停止搅拌，取出；在120度下持续烘干30分钟；得到表面处理后的废胶粉；

2)将21份的分子量范围为5～50万的低密度聚乙烯粉剂、21份的分子量范围10～50万的线性低密度聚乙烯粉剂、6份粉末状高模量添加剂与上述表面处理后的废胶粉一起放入搅拌釜中，在常温、800r/min的搅拌速率下搅拌5分钟，取出，即得所述耐低温高模量主剂。

所述粉末状高模量添加剂选自天然沥青粉末、有机膨润土、硅藻土、硫酸钡粉末、碳酸钙粉末中的一种或几种。

所述增强型粘结剂的制备方法如下：将55～82份改性沥青专用芳烃油、5～20份增粘剂、4～14份增强剂、0.5～3份抗氧剂以及5～10.5份70#石油沥青，一起投入反应釜中，在130℃下搅拌2小时后制得本发明所述增强型粘结剂。

所述增粘剂选自碳5改性石油树脂、碳9改性石油树脂、膨润土、聚异丁烯、聚甲基丙烯酸酯中的一种或几种以任意比例混合。

所述增强剂选自马来酸酐接枝聚乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚苯乙烯-丁二烯共聚物及聚烯烃弹性体中的一种或几种以任意比例混合。

所述隔离剂是指目数为40目的碳酸钙粉末。

所述抗氧剂是指2,6-二叔丁基对甲酚。

所述高效增溶剂选自聚乙烯-醋酸乙烯酯、硬脂酸、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯中的一种或几种以任意比例混合。

本发明所述耐低温型高模量沥青改性剂采用废胶粉、聚合物粉料为原料，结合对沥青兼顾增强改性的粘结剂，以冷加工方式制备沥青改性剂颗粒，从而摆脱了热加工工艺对材料的限制。

在本发明中，由粒子粘结形成的沥青改性剂颗粒结构较为松散，拌和施工时更容易分散于沥青中；同时，本发明还添加了高模量添加剂、高效增溶剂，二者的复配使用以及选择针对性更强的废胶粉；使产品在显著提高沥青模量的同时具备与沥青良好的相容性，进而实现了同时提高沥青路面的低温抗裂性与高温抗车辙性能。

本发明所述耐低温型高模量沥青改性剂的制备方法包括下述步骤：

1)将耐低温高模量主剂、增强型粘结剂、隔离剂一起投入高速搅拌釜中，在常温、1200r/min的搅拌速率下高速搅拌5分钟，取出；

所述隔离剂是指目数为40目的碳酸钙粉末。

2)将上述混合均匀的原料与高效增溶剂按质量比100:1一起投入双螺杆挤出机，螺杆长径比为32，螺杆转速400～600r/min，各段温度均控制在常温(20℃～25℃)；

3)挤出条经人工牵引投入制丸机组，经过丸剂成型滚轴加工成粒径均一的耐低温型高模量沥青改性剂颗粒；其中制丸机滚轴转速50～100r/min，3台制丸机协调使用保证生产连续；所制备丸剂粒径控制在3mm～4mm。

本发明由于加入了高效增溶剂和针对性强的废胶粉，产品与沥青之间相容性提高明显，增强了其施工和易性；另外由于采用了创新的粘结剂设计和冷加工模式，解决了废胶粉热加工过程中工艺不稳定以及环境污染等问题。

综上，本发明制备的耐低温型高模量沥青改性剂可同时提高沥青的高温稳定性、低温抗裂性能，进而增强了沥青路面的高温抗车辙性能、低温抗裂性能以及水稳定性能，有效的延长了沥青路面的使用寿命。

具体实施方式：

实施例1

耐低温型高模量沥青改性剂的制备：将50份的40目废鞋底胶粉与2份硅烷偶联剂溶液一起放入搅拌釜中，在常温、800r/min的搅拌速率下搅拌15分钟，停止搅拌，取出，在120度下持续烘干30分钟；将21份低密度聚乙烯粉剂(分子量范围5～50万)、21份线性低密度聚乙烯粉剂(分子量范围10～50万)、6份天然沥青粉末与上述表面处理后的废胶粉一起放入搅拌釜中，在常温、800r/min的搅拌速率下搅拌5分钟，取出，备用。

粘结剂的制备：将55份改性沥青专用7#芳烃油、20份碳9改性石油树脂、14份苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、0.5份抗氧剂以及10.5份70#沥青，一起投入反应釜中，在130℃下搅拌2小时后制得。

准备好上述材料后，具体制备工艺分三步：

1.将90份复配好耐低温、高模量主剂、5份粘结剂以及5份隔离剂一起投入高速搅拌釜中，在常温、1200r/min的搅拌速率下高速搅拌5分钟，取出；

2.将上述混合均匀的原料与聚乙烯-醋酸乙烯酯按质量比100:1一起投入双螺杆挤出机，螺杆长径比为32，螺杆转速400～600r/min，各段温度均控制在常温(20℃～25℃)；

3.挤出条经人工牵引投入制丸机组，经过丸剂成型滚轴加工成粒径均一的耐低温型高模量沥青改性剂颗粒；其中制丸机滚轴转速50～100r/min，3台制丸机协调使用保证生产连续；所制备丸剂粒径控制在3mm～4mm。

实施例2

耐低温、高模量主剂的制备：将50份的40目废鞋底胶粉与2份硅烷偶联剂溶液一起放入搅拌釜中，在常温、800r/min的搅拌速率下搅拌15分钟，停止搅拌，取出，在120度下持续烘干30分钟；将21份低密度聚乙烯粉剂(分子量范围5～50万)、21份线性低密度聚乙烯粉剂(分子量范围10～50万)、6份40目硫酸钡粉与上述表面处理后的废胶粉一起放入搅拌釜中，在常温、800r/min的搅拌速率下搅拌5分钟，取出，备用。

粘结剂的制备：将75份改性沥青专用7#芳烃油、14份膨润土、4份马来酸酐接枝聚乙烯、1.5份抗氧剂以及5.5份70#沥青，一起投入反应釜中，在130℃下搅拌2小时后制得。

制备工艺分三步：

1.将80份复配好耐低温、高模量主剂、13份粘结剂以及7份隔离剂一起投入高速搅拌釜中，在常温、1200r/min的搅拌速率下高速搅拌5分钟，取出；

2.将上述混合均匀的原料与邻苯二甲酸二辛酯按质量比100:1一起投入双螺杆挤出机，螺杆长径比为32，螺杆转速400～600r/min，各段温度均控制在常温(20℃～25℃)；

3.挤出条经人工牵引投入制丸机组，经过丸剂成型滚轴加工成粒径均一的耐低温型高模量沥青改性剂颗粒；其中制丸机滚轴转速50～100r/min，3台制丸机协调使用保证生产连续；所制备丸剂粒径控制在3mm～4mm。

实施例3

耐低温、高模量主剂的制备：将50份的40目废鞋底胶粉与2份硅烷偶联剂溶液一起放入搅拌釜中，在常温、800r/min的搅拌速率下搅拌15分钟，停止搅拌，取出，在120度下持续烘干30分钟；将21份低密度聚乙烯粉剂(分子量范围5～50万)、21份线性低密度聚乙烯粉剂(分子量范围10～50万)、6份有机膨润土与40目硫酸钡粉以1:1复配混合物与上述表面处理后的废胶粉一起放入搅拌釜中，在常温、800r/min的搅拌速率下搅拌5分钟，取出，备用。

粘结剂的制备：将82份改性沥青专用5#芳烃油、5份碳5改性石油树脂、5份聚苯乙烯-丁二烯共聚物、3份抗氧剂以及5份70#沥青，一起投入反应釜中，在130℃下搅拌2小时后制得。

制备工艺分三步：

1.将70份复配好耐低温、高模量主剂、20份粘结剂以及10份隔离剂一起投入高速搅拌釜中，在常温、1200r/min的搅拌速率下高速搅拌5分钟，取出；

2.将上述混合均匀的原料与硬脂酸按质量比100:1一起投入双螺杆挤出机，螺杆长径比为32，螺杆转速400～600r/min，各段温度均控制在常温(20℃～25℃)；

3.挤出条经人工牵引投入制丸机组，经过丸剂成型滚轴加工成粒径均一的耐低温型高模量沥青改性剂颗粒；其中制丸机滚轴转速50～100r/min，3台制丸机协调使用保证生产连续；所制备丸剂粒径控制在3mm～4mm。

改性沥青的制备

将70#基质道路沥青加热至可自由流动，然后称取按上述方法制备的沥青改性剂以6％比例外掺投入基质沥青中，在160-170℃下匀速搅拌30分钟即可。

沥青混合料的制备

依据我国《公路沥青路面施工技术规范》F40-2004，使用按上述方法制备的耐低温型高模量改性沥青作为胶结料，以连续密级配沥青混合料AC-13为沥青混合料类型，采用规范F40-2004要求的马歇尔设计方法设计沥青混合料的级配组成及沥青用量(油石比为5.0％)制备出沥青混合料。

对比例

对比例1：采用法国路孚8000型沥青改性剂为对比样品。

将70#基质道路沥青加热至可自由流动，然后称取路孚8000型改性剂以6％比例外掺投入基质沥青中，在160-170℃下匀速搅拌30分钟，制备出对比改性沥青样品。

对比例2：去除增强型粘结剂和高效增溶剂，其它与实施例1相同。

对比例3：去除高效增溶剂，其它与实施例1相同。

对比例4：去除增强型粘结剂，其它与实施例1相同。

其中，在对比例2、4中，由于去除组分中包含本发明关键组分，去除后后续工艺无法实施。

依据我国《公路沥青路面施工技术规范》F40-2004，以上述方法制备的对比改性沥青样品作为胶结料，以连续密级配沥青混合料AC-13为沥青混合料类型，采用规范F40-2004要求的马歇尔设计方法设计沥青混合料的级配组成及沥青用量(油石比为5.0％)制备出沥青混合料。

改性沥青试验结果如表1所示：

表1改性沥青性能参数

从表1中可以看出，通过与国外主流同类产品进行对比，得出本发明可以进一步提升基质沥青软化点，同时使其拥有更为优异的低温延展性能。当不使用高效增容组分时，改性沥青软化点无明显变化，但低温延度下降明显，运动粘度增大，对沥青使用时的和易性产生不利影响。而本发明通过采用适用性更强的胶粉以及高模量组分与高效增容组分复配使用，可以同时对基质沥青高、低温性能产生明显的改善，并利用高效增溶剂使各有效组分在沥青中迅速均匀分散，降低其运动粘度，进而更加便于施工。

改性沥青混合料试验结果如表2所示：

表2实施例1-3的AC-13改性沥青混合料性能参数

表3对比例1-4的AC-13改性沥青混合料性能参数

从表2与表3中可以看出，与国外主流产品对比，本发明可以使沥青混合料高温车辙动稳定度、冻融劈裂强度保持在较高水平，同时对混合料低温弯应变的提升效果更为显著；当不使用高效增容组分时，由于各有效组分无法在沥青混合料中形成均匀分散，导致其低温抗裂性能及施工和易性(空隙率)有较大程度的下降。通过对比，得出本发明可以有效提高改性沥青混合料的高温抗车辙能力以及抗水损害性能，对混合料低温抗裂性能的提升尤为明显。与此同时，制备出的混合料空隙率较小，证明拥有良好的施工和易性。

从上述实施例及对比例实验结果可以看出，本发明中的耐低温型高模量沥青改性剂可以更有效增强基质沥青的高低温性能，并有效改善沥青路面的高温抗车辙性能、低温抗裂性能，同时兼顾优异的抗水损害性，是一种优异的沥青改性材料。

Claims (2)

1.一种耐低温型高模量沥青改性剂，其特征在于：由以下重量份的原料组成：

耐低温高模量主剂70份～90份，

增强型粘结剂5份～20份，

隔离剂5份～10份，

以及与上述三种组分的质量之和的质量比为1:100的高效增溶剂；

所述耐低温高模量主剂的制备方法如下：

1)将50份由鞋底胶制备的目数为40目的废胶粉与2份硅烷偶联剂溶液一起放入搅拌釜中；在常温、800r/min的搅拌速率下搅拌15分钟，停止搅拌，取出；在120度下持续烘干30分钟；得到表面处理后的废胶粉；

2)将21份的分子量范围为5～50万的低密度聚乙烯粉剂、21份的分子量范围10～50万的线性低密度聚乙烯粉剂、6份粉末状高模量添加剂与上述表面处理后的废胶粉一起放入搅拌釜中，在常温、800r/min的搅拌速率下搅拌5分钟，取出，即得所述耐低温高模量主剂；

所述增强型粘结剂的制备方法如下：将55～82份改性沥青专用芳烃油、5～20份增粘剂、4～14份增强剂、0.5～3份抗氧剂以及5～10.5份70#石油沥青，一起投入反应釜中，在130℃下搅拌2小时后制得所述增强型粘结剂；

所述隔离剂是指目数为40目的碳酸钙粉末；

所述高效增溶剂选自聚乙烯-醋酸乙烯酯、硬脂酸、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯中的一种或几种以任意比例混合；

所述增粘剂选自碳5改性石油树脂、碳9改性石油树脂、膨润土、聚异丁烯、聚甲基丙烯酸酯中的一种或几种以任意比例混合；

所述增强剂选自马来酸酐接枝聚乙烯、苯乙烯-丁二烯共聚物及聚烯烃弹性体中的一种或几种以任意比例混合；

所述耐低温高模量主剂的制备方法的步骤2)中所述粉末状高模量添加剂选自天然沥青粉末、有机膨润土、硅藻土、硫酸钡粉末、碳酸钙粉末中的一种或几种。

2.权利要求1所述的耐低温型高模量沥青改性剂的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

1)将耐低温高模量主剂、增强型粘结剂、目数为40目的碳酸钙粉末一起投入高速搅拌釜中，在常温、1200r/min的搅拌速率下高速搅拌5分钟，取出；

2)将上述混合均匀的原料与高效增溶剂按质量比100:1一起投入双螺杆挤出机，螺杆长径比为32，螺杆转速400～600r/min，各段温度均控制在20℃～25℃；

3)挤出条经人工牵引投入制丸机组，经过丸剂成型滚轴加工成粒径均一的耐低温型高模量沥青改性剂颗粒；其中制丸机滚轴转速50～100r/min，3台制丸机协调使用保证生产连续；所制备丸剂粒径控制在3mm～4mm。