CN104926194A - 一种水溶性集料-沥青界面防锈改性剂及制备方法与应用 - Google Patents
一种水溶性集料-沥青界面防锈改性剂及制备方法与应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于表面改性剂技术领域，公开了一种水溶性集料-沥青界面防锈改性剂及制备方法与应用。所述表面改性剂包含以下重量份的组分：溶剂20～40份、水溶性成膜树脂20～30份、硅烷偶联剂5～20份、防锈剂3～10份、促进剂3～10份、水溶性润滑助剂0.5～3份、乳化剂0.3～2份、表面活性剂0.3～2份、加工助剂5～10份。本发明的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂可增强集料的粘附等级和防锈功能，在使用过程中可降低集料使用及运输成本，有效提升沥青路面质量及延长使用寿命，适用于大范围的推广应用。
Description
技术领域
本发明属于道路工程材料表面改性剂技术领域，具体涉及一种水溶性集料-沥青界面防锈改性剂及制备方法与应用。
背景技术
我国高速公路建设正处于蓬勃发展阶段，根据国家交通运输部发布的《国家公路网(2013年--2030年)》，我国到2030年，普通国道总规模将达到26.5万公里，国家高速公路里程达到11.8万公里，为此投入约4.7万亿元人民币。其中有90％以上的高速公路采用沥青路面结构形式。
沥青路面作为全国高等级公路的主要路面形式，体现了优越的功能性。然而，随着路面水损害、车辙和裂缝等早期病害的不断出现，已有实体工程造成巨大经济损失、产生不良影响，沥青路面质量的耐久性问题成为全国道路工作者高度重视和关注的问题。
沥青路面的性能与质量关系到庞大的国有资产保值问题。并且，集料-沥青的界面性能被认为是直接影响沥青路面整体性能的关键因素，基于此原因，沥青路面通常要求使用玄武岩和辉绿岩等中性及碱性优质集料作为路面表面层集料。然而该类集料在国内许多地区由于过度开采，使得其极度稀缺且价格高昂，这已经成为制约高速公路沥青面层工程质量和工程造价的瓶颈问题。因此将储量丰富且价格较低的酸性集料作为沥青公路表面层集料将成为必然趋势。然而，花岗岩、砂岩等酸性集料虽然实质坚硬、耐磨性强，能满足沥青路面的耐磨及承载力等要求，但其与沥青的粘结力较弱，沥青膜容易发生脱落而出现坑槽等损害。并且，不同种类的酸性集料均不同程度的含有铁等金属元素，可能造成公路表面出现锈斑等损害。路面生锈是一个严重影响道路质量的问题，部分高速公路全线整个路面表面出现大面积的锈斑，提取的集料分为青灰色、白色和红色三种，经测试，含铁量分别为0.82％、0.94％和1.72％，且粘附性指标均已无法满足规范要求，其中，泛锈红色集料的粘附性仅为2级，其余两种为3级。
发明内容
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种水溶性集料-沥青界面防锈改性剂。
本发明的另一目的在于提供上述水溶性集料-沥青界面防锈改性剂的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述水溶性集料-沥青界面防锈改性剂的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种水溶性集料-沥青界面防锈改性剂，包含以下重量份的组分：
所述的溶剂优选去离子水或酒精中的一种或两种的混合。
所述的水溶性成膜树脂是指各种水溶性的且能够用于成膜的改性的或未改性的树脂，其物理形态可以是固态、乳液形态或溶液形态，优选水溶性苯丙成膜树脂、水溶性环氧成膜树脂、水溶性硅丙成膜树脂、水溶性丙烯酸成膜树脂、水溶性聚氨酯成膜树脂和水溶性聚酯成膜树脂中的至少一种。
所述的硅烷偶联剂为γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷(R-Si(OCH3)3)、γ-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷(R-Si(OC2H5)3)、γ-缩水甘油醚氧基丙基甲基二甲氧基硅烷(R-SiCH3(OCH3)2)和γ-缩水甘油醚氧基丙基甲基二乙氧基硅烷(R-SiCH3(OC2H5)2)中的至少一种，R表示CH2(O)CHCH2O(CH2)3-。
所述的防锈剂包含水溶性硅酸盐和氧化硅填料；所述的水溶性硅酸盐优选硅酸钠或硅酸钾，所述硅酸钠可以为无水硅酸钠、五水硅酸钠和九水硅酸钠中的至少一种；所述氧化硅填料可以为纳米二氧化硅粉或纳米二氧化硅溶胶，氧化硅填料的粒径优选为5～90nm；所述水溶性硅酸盐与氧化硅填料的重量比优选为(0.1～6):1，所述重量比中水溶性硅酸盐是以无水硅酸盐的量进行计算，氧化硅填料是以氧化硅本身的重量计算的，例如纳米二氧化硅溶胶的用量是以溶胶中的二氧化硅的量计算，即以纳米二氧化硅溶胶的重量乘以其二氧化硅含量百分数(重量)后得到的数值计算。
所述的促进剂选自环氧树脂用促进剂或聚氨酯胶粘剂用促进剂；优选对氯代苯甲酸促进剂、三乙醇胺促进剂和氯化亚锡促进剂中的至少一种。
所述的水溶性润滑助剂为二甲基硅油的水性乳液、聚醚改性的聚硅氧烷、聚乙烯蜡的水性乳液和氧化聚乙烯蜡的水性溶液中的一种或两种以上的混合。
所述的乳化剂为阿拉伯胶和烷基苯磺酸钠中的一种或两种。
所述的表面活性剂为两性离子表面活性剂，优选卵磷脂类表面活性剂、氨基酸型表面活性剂和甜菜碱型表面活性剂中的一种或两种以上。
所述的加工助剂是指固化剂，优选二乙烯三胺(DETA)和氨乙基哌嗪(AE)中的一种或两种。
上述水溶性集料-沥青界面防锈改性剂的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)将硅烷偶联剂、水溶性润滑助剂、乳化剂和水溶性成膜树脂溶于部分溶剂中搅拌混合均匀；
(2)将促进剂、加工助剂、防锈剂和表面活性剂，溶于剩余部分溶剂中搅拌混合均匀；
(3)将步骤(1)和步骤(2)得到的溶液混合，在室温下搅拌混合均匀，得到水溶性集料-沥青界面防锈改性剂。
上述水溶性集料-沥青界面防锈改性剂在沥青混合料用的集料表面改性中的应用，具体应用过程为：将水溶性集料-沥青界面防锈改性剂通过精细雾化系统和高效发泡系统对沥青混合料中集料的表面进行改性，水溶性集料-沥青界面防锈改性剂在沥青混合料中加入重量百分比为0.1％～0.3％。
本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
(1)本发明的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂通过各组分的相互作用，可以较好裹覆在集料的粗糙表面上，形成一层均匀的薄膜，使原本的集料-沥青的两相界面，变成集料-改性剂-沥青三相双界面，并且相邻两相之间发生物理-化学的交互作用，利用化学键在与沥青之间形成界面过渡层，增强集料与沥青的黏附作用，使集料与沥青紧密粘合，防止沥青膜的剥落；
(2)本发明的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂在应用过程中可覆盖在集料表面形成一层均匀的薄膜，使得集料表面与空气隔绝开，避免了空气中的氧气对集料中金属元素的腐蚀，并且界面防锈改性剂中的防锈剂成分也可以减缓或阻止氧气腐蚀集料中的金属元素，有效抑制路面生锈情况的发生；
(3)本发明的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂在应用过程中在保证粘附等级、增强防锈功能的同时，可将酸性集料作为沥青公路表面层集料，从而达到降低集料使用及运输成本，有效提升沥青路面质量及延长使用寿命，适用于大范围的推广应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)将15份硅烷偶联剂γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷(15g)、1份水溶性润滑助剂(二甲基硅油的水性乳液)、0.5份烷基苯磺酸钠乳化剂和25份水溶性环氧成膜树脂溶于20份去离子水中，搅拌混合均匀；
(2)将8份对氯代苯甲酸促进剂、6.5份氨乙基哌嗪、7份防锈剂(由重量比为0.5:1的无水硅酸钠和粒径为90nm的纳米二氧化硅粉组成)和1份氨基酸型表面活性剂溶于16份去离子水中，搅拌混合均匀。
(3)将步骤(1)和步骤(2)得到的溶液混合，在室温下搅拌混合均匀，得到水溶性集料-沥青界面防锈改性剂。
本实施例的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂在沥青混合料用的集料表面改性中的应用，具体应用过程如下：
在沥青混合料中掺0.1％(重量百分比)的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂，通过精细雾化系统和高效发泡系统将其应用于集料表面(精细雾化系统为专利201420210732.9中的一种实验室内石料表面改性的雾化装置，高效发泡系统为专利201420210697.0中的一种实验室内石料表面改性的发泡装置)。
本实施例的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂的防锈性能按以下方法测试：
取两组铁矿石，大小适中，每组9个，其中一组不做处理，另一组施用本实施例的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂进行表面改性，然后将两组铁矿石暴露在空气中并置于相同环境中，放置3周，对比两组铁矿石的锈蚀程度。结果表明：在相同环境中，经过相同的时间，未施用本实施例界面防锈改性剂的铁矿石表面锈斑远远多于施用本实施例界面防锈改性剂后的铁矿石，说明本发明的界面防锈改性剂可以改善集料-沥青界面生锈问题，延缓集料表面的锈蚀速率。
本实施例的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂依据国家行业标准——公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E-20-2011)中沥青与粗集料的黏附性试验方法(T0616-1993)水煮法完成了粘附性等级试验，并与相应的对照组进行对比，结果如表1所示。
表1粘附性等级试验结果
| 组合方式 | 粘附等级 |
| 酸性石料+沥青 | 3级 |
| 酸性石料+沥青+传统抗剥落剂 | 4级 |
| 酸性石料+沥青+界面防锈改性剂 | 5级 |
| 碱性石料+沥青 | 4～5级 |
| 碱性石料+沥青+传统抗剥落剂 | 4～5级 |
| 碱性石料+沥青+界面防锈改性剂 | 5级 |
由表1结果可以看出，无论是酸性集料还是碱性集料，在添加本发明的界面防锈改性剂之后，其粘附性等级都得到提高。沥青与集料之间相互作用所产生吸附能力都有所提高，沥青路面的强度、水稳性以及耐久性都得到提高。尤其对酸性集料的高温稳定性贡献最大。
实施例2
(1)将18份硅烷偶联剂γ-缩水甘油醚氧基丙基甲基二甲氧基硅烷(18g)、1.5份水溶性润滑助剂(二甲基硅油的水性乳液)、2份烷基苯磺酸钠乳化剂和20份水溶性环氧成膜树脂溶于20份去离子水中，搅拌混合均匀；
(2)将8份三乙醇胺促进剂、7份氨乙基哌嗪、8.5份防锈剂(由重量比为0.4:1的无水硅酸钠和粒径为5nm的纳米二氧化硅溶胶组成)和1.5份甜菜碱型表面活性剂溶于15份去离子水中，搅拌混合均匀。
(3)将步骤(1)和步骤(2)得到的溶液混合，在室温下搅拌混合均匀，得到水溶性集料-沥青界面防锈改性剂。
本实施例的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂在沥青混合料用的集料表面改性中的应用，具体应用过程如下：
在沥青混合料中掺0.3％(重量百分比)的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂，通过精细雾化系统和高效发泡系统将其应用于集料表面(精细雾化系统为专利201420210732.9中的一种实验室内石料表面改性的雾化装置，高效发泡系统为专利201420210697.0中的一种实验室内石料表面改性的发泡装置)。
按实施例1的方法对本实施例水溶性集料-沥青界面防锈改性剂的防锈性能及粘附等级进行测试，结果表明，本发明的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂能显著提高集料的防锈性能，其粘附等级均达到5级。
实施例3
(1)将5份硅烷偶联剂γ-缩水甘油醚氧基丙基甲基二甲氧基硅烷(5g)、0.5份水溶性润滑助剂(聚醚改性的聚硅氧烷)、0.3份阿拉伯胶乳化剂和30份水溶性丙烯酸成膜树脂溶于10份酒精中，搅拌混合均匀；
(2)将3份氯化亚锡促进剂、10份二乙烯三胺、3份防锈剂(由重量比为6:1的五水硅酸钠和粒径为50nm的纳米二氧化硅粉组成)和0.3份甜菜碱型表面活性剂溶于10份酒精中，搅拌混合均匀。
(3)将步骤(1)和步骤(2)得到的溶液混合，在室温下搅拌混合均匀，得到水溶性集料-沥青界面防锈改性剂。
本实施例的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂在沥青混合料用的集料表面改性中的应用，具体应用过程如下：
在沥青混合料中掺0.3％(重量百分比)的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂，通过精细雾化系统和高效发泡系统将其应用于集料表面(精细雾化系统为专利201420210732.9中的一种实验室内石料表面改性的雾化装置，高效发泡系统为专利201420210697.0中的一种实验室内石料表面改性的发泡装置)。
按实施例1的方法对本实施例水溶性集料-沥青界面防锈改性剂的防锈性能及粘附等级进行测试，结果表明，本发明的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂能显著提高集料的防锈性能，其粘附等级均达到5级。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种水溶性集料-沥青界面防锈改性剂，其特征在于：包含以下重量份的组分：
2.根据权利要求1所述的一种水溶性集料-沥青界面防锈改性剂，其特征在于：所述的溶剂是指去离子水和酒精中的一种或两种的混合；所述的水溶性成膜树脂是指水溶性苯丙成膜树脂、水溶性环氧成膜树脂、水溶性硅丙成膜树脂、水溶性丙烯酸成膜树脂、水溶性聚氨酯成膜树脂和水溶性聚酯成膜树脂中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种水溶性集料-沥青界面防锈改性剂，其特征在于：所述的硅烷偶联剂是指γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧基丙基甲基二甲氧基硅烷和γ-缩水甘油醚氧基丙基甲基二乙氧基硅烷中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种水溶性集料-沥青界面防锈改性剂，其特征在于：所述的防锈剂由重量比为(0.1～6):1的水溶性硅酸盐和氧化硅填料组成。
5.根据权利要求4所述的一种水溶性集料-沥青界面防锈改性剂，其特征在于：所述的水溶性硅酸盐是指硅酸钠或硅酸钾；所述氧化硅填料是指粒径为5～90nm的纳米二氧化硅粉或纳米二氧化硅溶胶。
6.根据权利要求1所述的一种水溶性集料-沥青界面防锈改性剂，其特征在于：所述的促进剂是指环氧树脂用促进剂或聚氨酯胶粘剂用促进剂；所述的水溶性润滑助剂是指二甲基硅油的水性乳液、聚醚改性的聚硅氧烷、聚乙烯蜡的水性乳液和氧化聚乙烯蜡的水性溶液中的一种或两种以上的混合。
7.根据权利要求1所述的一种水溶性集料-沥青界面防锈改性剂，其特征在于：所述的乳化剂为阿拉伯胶和烷基苯磺酸钠中的一种或两种；所述的表面活性剂是指卵磷脂类表面活性剂、氨基酸型表面活性剂和甜菜碱型表面活性剂中的一种或两种以上。
8.根据权利要求1所述的一种水溶性集料-沥青界面防锈改性剂，其特征在于：所述的加工助剂是指二乙烯三胺和氨乙基哌嗪中的一种或两种。
9.权利要求1～8任一项所述的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤：
(1)将硅烷偶联剂、水溶性润滑助剂、乳化剂和水溶性成膜树脂溶于部分溶剂中搅拌混合均匀；
(2)将促进剂、加工助剂、防锈剂和表面活性剂，溶于剩余部分溶剂中搅拌混合均匀；
(3)将步骤(1)和步骤(2)得到的溶液混合，在室温下搅拌混合均匀，得到水溶性集料-沥青界面防锈改性剂。
10.权利要求1～8任一项所述的水溶性集料-沥青界面防锈改性剂在沥青混合料用的集料表面改性中的应用，其特征在于具体应用过程为：将水溶性集料-沥青界面防锈改性剂通过精细雾化系统和高效发泡系统对沥青混合料中集料的表面进行改性，水溶性集料-沥青界面防锈改性剂在沥青混合料中加入重量百分比为0.1％～0.3％。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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Effective date of registration: 20190130 Address after: 510640 No. five, 381 mountain road, Guangzhou, Guangdong, Tianhe District Co-patentee after: Guangzhou South China University of Technology science and Technology Park Co., Ltd. Patentee after: Yu Jiangmiao Address before: 510640 No. five, 381 mountain road, Guangzhou, Guangdong, Tianhe District Patentee before: South China University of Technology |
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Effective date of registration: 20190329 Address after: 528313 Shunde Machinery City, Foshan City, Guangdong Province, 22 419 Rooms, No. 18 Xingye 4 Road, Guanglong Industrial Park, Chencun Town, Shunde District, Guangdong Province Patentee after: Huayun Tongda (Guangdong) Road Technology Co., Ltd. Address before: 510640 No. five, 381 mountain road, Guangzhou, Guangdong, Tianhe District Co-patentee before: Guangzhou South China University of Technology science and Technology Park Co., Ltd. Patentee before: Yu Jiangmiao |
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Denomination of invention: Water-soluble aggregate-asphalt interface rust-proof modifying agent and preparation method and application Effective date of registration: 20200119 Granted publication date: 20170301 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd Shunde branch Pledgor: GUANGDONG GT-TECH ROAD MATERIAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2020980000149 |