一种近海路面用抗腐蚀抗老化的改性沥青乳液及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种近海环境道路工程领域用沥青的制备方法及其产品,特别涉及一种抗海水环境腐蚀、耐老化性、降温性能、抗车辙能力等性能优异的改性沥青乳液制备方法及其产品。
【背景技术】
沥青路面由于具备良好的路用性能而成为国内外公路建设的主流路面类型,其中在海港、码头、防波堤、桥梁、海底隧道、坝闸、道涵、渡槽等海洋工程的近海公路绝大部分是采用沥青混凝土类材料铺筑。据相关统计数据,截止2014年,美国、法国以及中国的近海公路中,沥青路面比例都已占85%以上,其中我国近海路面用沥青材料的年需求量高达200万吨,并以较快地幅度持续增加。
我国广东、山东、福建等省份地处沿海,有着漫长的海岸线,沿海构筑的海洋工程一直暴露在海水环境的各类腐蚀中。由于氯盐侵蚀、硫酸盐侵蚀、海水冲刷以及碳化等原因,许多近海公路陆续出现松软、开裂、坍塌等病害腐蚀现象,不仅严重影响了近海公路的运行,也对国民经济和人民生命财产安全造成了极大的浪费和威胁。大量应用和试验表明,处于海洋和近海环境中的近海公路,海水及其盐雾中的各类腐蚀性离子(主要是Cl-、Mg2+、SO4 2-等)会逐渐从表面到内部不断地腐蚀沥青筑路材料,最终引起高温车辙及变形、水损害破坏、抗湿滑性能不足等各种病害后果。
另外一方面,沿海地区的日照时间很长,照射能量很高。沥青作为一种吸热材料,具有较高的太阳热辐射吸收率,使得近海路面在夏季时的温度远远高于环境温度(温差甚至可高达60℃以上),不仅直接导致近海沥青路面的承载力和抗车辙性能较快地下降,直接致使近海沥青路面的抗车辙能力迅速降低,同时还会加剧近海城市“热岛效应”,反而更进一步地加深了近海沥青路面的高温病害。其中,紫外光老化是近海沥青材料老化的主要现象之一,尤其是在紫外光强度大、辐射时间长的地区,紫外光老化问题尤为严重。自然环境的太阳光中紫外光辐射作用就是近海沥青路面老化的一个重要影响因素,其可使沥青的破坏应变能力变得较差,极易导致近海路面出现裂缝、松散、沉陷等早期病害。
随着近海沥青路面的不断使用,由于受到海洋环境等各种因素的长时间作用,近海沥青路面会逐渐产生一系列各种老化病害,迅速地降低路用性能和使用寿命。尽管国内外进行了许多沥青改性的研究和技术应用,但是目前相关措施未从根本解决沥青路面容易出现被海洋环境腐蚀和高温车辙损害等病害问题。
目前,现有技术所生产的沥青材料在近海环境容易被腐蚀破坏,在长时间阳光照射下也极易由于吸收大量太阳光能量而发生各种老化病害;即使沥青材料中加入了一些光稳定剂,但光稳定剂由于没有保护而容易与外界物质发生反应而失去活性。因此,制备出抗近海环境腐蚀和抗高温老化能力优异的沥青材料是当务之急,其不仅利于延长沥青路面的使用寿命,并且利于资源的有效利用、减少消耗新资源以及有利于环保与社会的可持续发展。
本发明技术针对沥青路面的近海腐蚀和高温的危害,首先加入阳离子表面活性剂插层蒙脱石,将光稳定剂吸收在蒙脱石的层状结构中(该类型层状络合结构能够保护光稳定剂);再加入羟基化富勒烯,利用其独特的微观量子结构来提高近海环境的腐蚀,从而开发出一种抗腐蚀、抗老化性能优异、降温效果显著、性价比高的沥青路面用改性沥青乳液,从根本上解决抗腐蚀能力不足和有效缓解城市“热岛效应”,极大地降低沥青路面建设投资成本。这是本发明技术突出的实质性技术特点和显著进步之所在。
【发明内容】
为了解决上述沥青路面的近海腐蚀和高温老化的病害,本发明目的在于克服现有技术的不足,提供一种近海路面用抗腐蚀抗老化的改性沥青乳液及其制备方法。本发明采用阳离子表面活性剂、光稳定剂插层改性后的有机化蒙脱石以及羟基化富勒烯作为改性剂,通过各种原料成分的合理配比,制得一种改性沥青乳液;在此基础上所制备的沥青材料的抗海水腐蚀、耐老化性能(尤其是抗紫外光老化性能)、抗车辙能力等应用性能相当优异,可以大量应用于各种近海路面。本发明的技术方案如下:
一种近海路面用抗腐蚀抗老化的改性沥青乳液,其特征在于,按重量份计,包括以下组份:基质沥青60~75份,水20~35份,乳化剂0.1~3.5份,阳离子表面活性剂插层蒙脱石1~10份,光稳定剂0.5~5.5份;其通过以下步骤制备:
(1)将基质沥青加热至140~160℃而变为熔融状态;
(2)将乳化剂投入75~85℃水中,搅拌直至溶解后,投入阳离子表 面活性剂插层蒙脱石;继续搅拌直至溶解,再投入光稳定剂,搅拌直至体系分散均匀;
(3)将步骤(2)所得溶液的搅拌速度提高至1000~3000rpm,再将步骤(1)所得溶液投入其中,待投料完毕后,继续搅拌10~30min;
(4)投入羟基化富勒烯,继续搅拌30~60min,再通入胶体磨中研磨5~10min,最后出料即制得纤维增强的改性沥青乳液。
所述一种近海路面用抗腐蚀抗老化的改性沥青乳液,其特征在于:所述的阳离子表面活性剂插层蒙脱石的制备方法为:
(1)将去离子水加热至60~85℃,加入阳离子表面活性剂,搅拌至完全溶解,以得到固含量为2~8%重量百分比的溶液;
(2)缓慢加入蒙脱石,搅拌至完全分散后,保温反应30~120min,最后过滤、洗涤、干燥,即制得阳离子表面活性剂插层蒙脱石。
所述一种近海路面用抗腐蚀抗老化的改性沥青乳液,其特征在于:所述的乳化剂为十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵中的一种或两种以上任意组合。
所述一种近海路面用抗腐蚀抗老化的改性沥青乳液,其特征在于:所述的光稳定剂为苯并三哇类紫外吸收剂、二苯甲酮类紫外吸收剂、炭黑、纳米TiO2、纳米CaCO3、纳米CeO2中的一种或两种以上任意组合。
所述一种近海路面用抗腐蚀抗老化的改性沥青乳液制备方法,其特征在于:所述的羟基化富勒烯为碳原子个数在50~84之间的碳原子簇。
所述一种近海路面用抗腐蚀抗老化的改性沥青乳液,其特征在于:所述的羟基化富勒烯与基质沥青的质量比为(1×10-6~1×10-5):1。
所述一种近海路面用抗腐蚀抗老化的改性沥青乳液,其特征在于:所述的阳离子表面活性剂为十六烷基二甲基苄基氯化铵、十六烷基二甲基苄基溴化铵、十六烷基氯化吡啶中的一种或两种以上任意组合。
所述阳离子表面活性剂插层蒙脱石的制备方法,其特征在于:所述的阳离子表面活性剂与蒙脱石的质量比为1:20~1:5。
制备本发明所述改性沥青乳液的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:按重量份计,采用以下原料:基质沥青60~75份,水的用量20~35份,乳化剂0.1~3.5份,阳离子表面活性剂插层蒙脱石1~10份,光稳定剂0.5~5.5份;将所述原料通过机械乳化法制备,包括以下步骤:
(1)将基质沥青加热至140~160℃而变为熔融状态;
(2)将乳化剂投入75~85℃水中,搅拌直至溶解后,投入阳离子表面活性剂插层蒙脱石;继续搅拌直至溶解,再投入光稳定剂,搅拌直至体系分散均匀;
(3)将步骤(2)所得溶液的搅拌速度提高至1000~3000rpm,再将步骤(1)所得溶液投入其中,待投料完毕后,继续搅拌10~30min;
(4)投入羟基化富勒烯,继续搅拌30~60min,再通入胶体磨中研磨5~10min,最后出料即制得纤维增强的改性沥青乳液。
本发明所述的改性沥青乳液性能稳定,满足各项技术指标要求;其抗海洋环境腐蚀、抗老化性能(尤其是抗紫外老化光性能)、高温、低温性能、混合料的水稳定性等性能相当优异,具有良好的路用性能,满足近海路面铺筑、各项标准,能够极大地利于延长近海沥青路面的使用寿命。
本发明相对于现有技术具有如下优点和有益效果:通过乳化剂、阳离 子表面活性剂插层蒙脱石、光稳定剂、羟基化富勒烯的加入有效地改善沥青的抗海洋环境腐蚀和抗老化性能,并且配制工艺过程简单,生产成本低廉。所制备的改性沥青乳液技术指标满足国家的相关规范,不仅路用性能优越,而且其粘度低,施工方便,可以冷态施工,节约大量的能源消耗和人力成本以及极大地减少了环境污染。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明技术做进一步的描述。
沥青路面的路用性能主要取决于所采用的沥青材料的性能和品质。基质沥青是沥青材料的基础组成物质,其相关性能性质直接决定了沥青乳液的应用性能,从而影响了沥青材料的路用性能和使用情况,因此基质沥青的性质十分重要。本发明所述的基质沥青需要比较容易乳化、软化点较高、低温延性及柔韧性较好,其软化点为40~60℃,延度(10℃)为15~20cm,针入度(25℃)为6~10mm;按重量份计,基质沥青用量为60~95份。
本发明所述的羟基化富勒烯属于纳米材料,由于其具有小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等神奇优异特性,因此羟基化富勒烯的加入可以从微观结构上改变沥青性能。一方面,羟基化富勒烯与基质沥青相容性好,能够以纳米尺度分布在基质沥青材料中自由流动,促使沥青凝胶填充骨料的骨架空间,有效地提高了近海公路结构的致密程度,降低海水盐雾中的Cl-、SO4 2-等腐蚀性离子在沥青筑路材料中的渗透速度,从而延长了近海沥青道路的使用年限。另一方面,具有极高的比表面积、介孔结构与吸电性能,羟基化富勒烯可以将海水盐雾中的各类腐蚀离子吸附在碳原子 簇的结构中,从而起到增强沥青道路耐久性的作用。本发明中,羟基化富勒烯用量占基质沥青质量的1~10ppm。
本发明所述的乳化剂是十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵中的一种或两种以上任意组合。按重量份计,乳化剂用量为0.1~3.5份。乳化剂的主要作用是降低沥青-水两相之间的界面张力作用,保护界面膜以及通过双电层结构稳定界面。
通过对沥青乳液体系分析可知,保持沥青-水分散体系的稳定的唯一途径只有降低沥青-水的界面张力。在沥青乳液中,乳化剂的非极性一端朝向沥青,而极性一端朝向水,由此形成的定向排列可大大降低沥青-水的界面张力,从而使得沥青-水形成相对稳定的分散体系。此外,沥青乳液中的乳化剂吸附在沥青-水的界面上形成界面膜而起到屏障作用。另一方面,由于发生电离、吸附以及沥青与液滴之间的摩擦作用,在沥青-水界面形成双电层结构。当沥青液滴表面电荷增加,势垒的增大会有效地阻止沥青液滴聚合,从而使沥青乳液保持稳定。
相关研究表明,层状硅酸盐所独有的层状结构可以对紫外光起到物理屏蔽作用,而且表面层状结构中的金属元素和层间的阳离子可以对紫外光起到化学吸收作用。同时,紫外光在通过多级结构单元层时,会在表面层状上发生多级反射和折射,从而起到屏蔽紫外线的作用。多级多重化学吸收和物理屏蔽作用,使层状硅酸盐具有了良好的紫外光阻隔作用,可以阻缓沥青在紫外光老化过程中羰基和亚砜基等官能团的形成,大大提升沥青的抗紫外老化性能。
因此,在沥青材料中掺入蒙脱石、蒙脱石、镁皂石等层状硅酸盐,可以减缓氧气和紫外光向沥青材料内部渗透和透射,从而可以延缓沥青材料的氧化、老化,并使其具有较高的复数模量和较低的相位角,致使层状硅酸盐改性后的沥青材料具有优良的路用性能。
但是,由于层状硅酸盐是强极性的无机氧化物,与基质沥青的相容较差,极易出现絮凝、团聚以及分层,因此层状硅酸盐需要有机化改性,由亲水性变为疏水性。本发明所述的阳离子表面活性剂插层蒙脱石是通过吸附法将蒙脱石进行有机插层改性,即当蒙脱石在水中与阳离子表面活性剂接触时,阳离子表面活性剂电离出来的阳离子基团取代蒙脱石结构单元层间的无机阳离子(一般是Li+或Na+),从而将亲水的蒙脱石变成疏水的有机蒙脱石。有机蒙脱石不仅赋予沥青材料的紫外光阻隔性能,而且层间的阳离子表面活性剂会体现出乳化作用,进一步使沥青乳液保持稳定。
本发明所述的阳离子表面活性剂插层蒙脱石的阳离子表面活性剂是十六烷基二甲基苄基氯化铵、十六烷基二甲基苄基溴化铵、十六烷基氯化吡啶中的一种或两种以上任意组合,并且阳离子表面活性剂插层蒙脱石的阳离子表面活性剂与蒙脱石质量比为1:20~1:5。阳离子表面活性剂,其可使沥青液滴带上正电荷,由于骨料表面一般呈现负电荷,因此阳离子型沥青乳液中带正电荷的沥青液滴与骨料表面的负电荷由于强烈静电引力而迅速取代骨料表面的水分,不仅导致沥青液滴在骨料表面较快地成膜,致使骨料容易被沥青完全包裹,而且可使沥青乳液的破乳、聚结、成型阶段所需时间较短,有利于缩短路面铺筑时间。
本发明所述的阳离子表面活性剂插层蒙脱石的制备方法:
(1)首先将去离子水加热至60~85℃,再加入阳离子表面活性剂,搅拌直至完全溶解以得到固含量为2~8%重量百分比的溶液;
(2)然后缓慢加入蒙脱石,搅拌直至完全分散后,保温反应30~120min,最后过滤、洗涤、干燥即制得阳离子表面活性剂插层蒙脱石。
诚如前述,沥青容易发生老化作用,其中紫外光老化作用是最重要的因素之一。这是因为沥青主要中所含的C-H、C-C、C=C等化学键断裂所需要的能量一般低于200~400nm范围的紫外光所具有的能量,所以沥青极易受到紫外光的老化作用,导致沥青的化学结构变化,使得沥青产生脆性,减小了破坏应变,容易出现温缩裂缝、路面开裂、龟裂等病害,并且比较容易导致沥青从骨料表面脱落,产生坑槽等后果,影响沥青路面的使用性能,造成路用性能变坏。
相关研究表明,光稳定剂能够有效阻止高分子物质光老化,可以用于沥青材料中以大幅度改善耐紫外老化性能。按照作用机理的不同,光稳定剂可分为紫外线吸收剂、能量碎灭剂、光屏蔽剂等不同类型。光稳定剂类型和用量对沥青紫外老化后的物理化学性能影响很大。本发明所述的光稳定剂为苯并三哇类紫外吸收剂、二苯甲酮类紫外吸收剂、炭黑、纳米TiO2、纳米CaCO3、纳米CeO2中的一种或两种以上任意组合。按重量份计,光稳定剂用量为0.5~5.5份。
下面介绍几种具体实施方式。
实施例1
(1)阳离子表面活性剂插层蒙脱石的制备
(a)固定原料组分m(十六烷基二甲基苄基氯化铵):m(蒙脱石)=1:15, 即按重量份计,十六烷基二甲基苄基氯化铵用量为1份,蒙脱石用量为15份。
(b)将15.7份去离子水加热至65℃,再加入1份十六烷基二甲基苄基氯化铵,搅拌直至完全溶解,得到固含量为6%重量百分比的溶液。
(c)然后往步骤(b)所得溶液中投入15份蒙脱石,搅拌直至完全分散后,保温反应60min,最后过滤、洗涤、干燥即制得约为16份的阳离子表面活性剂插层蒙脱石。
(2)改性沥青乳液的制备
(a)将65份基质沥青加热至145℃而呈现出熔融状态.。
(b)将0.5份十六烷基三甲基氯化铵投入40份80℃的水中,搅拌直至溶解后,再加入8份由步骤(1)制备的阳离子表面活性剂插层蒙脱石,继续搅拌直至完全分散后,再投入5份二苯甲酮类紫外吸收剂,充分搅拌直至体系分散均匀。
(c)将搅拌速度提高至2500rpm,再向步骤(a)所得溶液匀速投入步骤(b)所得溶液中,投料完毕,继续搅拌25min;
(d)按羟基化富勒烯与基质沥青的质量比为5×10-6:1投入羟基化富勒烯,继续搅拌45min,再通入胶体磨中研磨8min,最后出料即制得纤维增强的改性沥青乳液1。
实施例2
(1)阳离子表面活性剂插层蒙脱石的制备
(a)固定m(十六烷基氯化吡啶):m(蒙脱石)=1:10,即按重量份计,十六烷基二甲基苄基氯化铵用量为1份,蒙脱石用量为10份。
(b)将24份去离子水加热至70℃,再加入1份十六烷基氯化吡啶,搅拌直至完全溶解,得到固含量为4%重量百分比的溶液。
(c)然后往步骤(b)所得溶液中投入10份蒙脱石,搅拌直至完全分散后,保温反应90min,最后过滤、洗涤、干燥即制得约为11份的阳离子表面活性剂插层蒙脱石。
(2)改性沥青乳液的制备
(a)将80份基质沥青加热至150℃而呈现出熔融状态.。
(b)将1份十六烷基三甲基溴化铵投入35份80℃的水中,搅拌直至溶解后,再加入6份由步骤(1)制备的阳离子表面活性剂插层蒙脱石,继续搅拌直至完全分散后,再投入3份纳米CeO2,充分搅拌直至体系分散均匀。
(c)将搅拌速度提高至2000rpm,再将步骤(a)所得溶液匀速投入步骤(b)所得溶液中,投料完毕,继续搅拌20min;
(d)按羟基化富勒烯与基质沥青的质量比为4×10-6:1投入羟基化富勒烯,继续搅拌50min,再通入胶体磨中研磨8min,最后出料即制得纤维增强的改性沥青乳液2。
实施例3
(1)阳离子表面活性剂插层蒙脱石的制备
(a)固定原料组分m(十六烷基二甲基苄基溴化铵):m(蒙脱石)=1:20,即按重量份计,十六烷基二甲基苄基氯化铵用量为1份,蒙脱石用量为20份。
(b)将49份去离子水加热至60℃,再加入1份十六烷基氯化吡啶,搅拌直至完全溶解,得到固含量为2%重量百分比的溶液。
(c)然后往步骤(b)所得溶液中投入20份蒙脱石,搅拌直至完全分散后,保温反应30min,最后过滤、洗涤、干燥,即制得约为21份的阳离子表面活性剂插层蒙脱石。
(2)改性沥青乳液的制备
(a)将60份基质沥青加热至140℃而呈现出熔融状态.。
(b)将0.1份十八烷基三甲基溴化铵投入20份75℃的水中,搅拌直至溶解后,再加入1份由步骤(1)制备的阳离子表面活性剂插层蒙脱石,继续搅拌直至完全分散后,再投入0.5份纳米CaCO3,充分搅拌直至体系分散均匀。
(c)将搅拌速度提高至2000rpm,再将步骤(a)所得溶液匀速投入步骤(b)所得溶液中,投料完毕,继续搅拌10min;
(d)按羟基化富勒烯与基质沥青的质量比为1×10-6:1投入羟基化富勒烯,继续搅拌30min,再通入胶体磨中研磨5min,最后出料即制得纤维增强的改性沥青乳液3。
实施例4
(1)阳离子表面活性剂插层蒙脱石的制备
(a)固定原料组分m(十六烷基氯化吡啶):m(蒙脱石)=1:5,即按重量份计,十六烷基氯化吡啶用量为2份,蒙脱石用量为10份。
(b)将23份去离子水加热至85℃,再加入2份十六烷基氯化吡啶,搅拌直至完全溶解,得到固含量为8%重量百分比的溶液。
(c)然后往步骤(b)所得溶液中投入10份蒙脱石,搅拌直至完全分散后,保温反应120min,最后过滤、洗涤、干燥即制得约为12份的阳离子 表面活性剂插层蒙脱石。
(2)改性沥青乳液的制备
(a)将85份基质沥青加热至160℃而呈现出熔融状态.。
(b)将3.5份十八烷基三甲基氯化铵投入45份85℃的水中,搅拌直至溶解后,再加入10份由步骤(1)制备的阳离子表面活性剂插层蒙脱石,继续搅拌直至完全分散后,再投入5.5份苯并三哇类紫外吸收剂,充分搅拌直至体系分散均匀。
(c)将搅拌速度提高至2000rpm,再将步骤(a)所得溶液匀速投入步骤(b)所得溶液中,投料完毕,继续搅拌30min;
(d)按羟基化富勒烯与基质沥青的质量比为1×10-5:1投入羟基化富勒烯,继续搅拌60min,再通入胶体磨中研磨10min,最后出料即制得纤维增强的改性沥青乳液4。
改性沥青乳液1~4(对应1#~4#)的乳液性能的试验数据如表1所示,其流变性能的试验数据如表2所示(美国SHRP沥青试验方法规定的DSR试验。其中,粘度老化指数和软化点增量在紫外光老化条件下进行,紫外老化烘箱中紫外线辖射强度为1200μW/cm2,箱内部温度为60℃,烘烤7天)。
表1 改性沥青乳液1~4的乳液性能检测数据
由表1可知,改性沥青乳液1~4的乳液粘度试验、粘附性试验、贮存稳定度试验以及蒸发残留物试验等性能试验结果满足乳化沥青的各项质量技术要求,应用性能极其优越。
表2 改性沥青乳液1~4的流变性能检测数据
由表2可知,改性沥青乳液1~4的抗海洋环境腐蚀、车辙因子G*/s inδ 大,高温抗车辙能力强,低温破坏应变能力和水稳定性优良,而且抗紫外光老化能力突出,极大利于提高沥青路面的使用性能和延长其使用寿命。本发明所制备的改性沥青乳液性能分级达PG-70,具有良好的路用性能,施工技术和要求简单,并且性价比高,在近海公路的应用前景极为广阔,值得大力开发。
上述参照实施例的目的在于对本发明技术进行详细描述,是说明性的而不是限定性的。对本领域技术人员来说,在不背离本发明的范围和总体构思的前提下,按照本发明技术的方法作出不同的修改和变化是显而易见的,应属本发明技术将来通过官方渠道寻求保护范围之内。