CN105837091A - 一种复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料及其制备方法 - Google Patents

一种复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料，各原料按重量份数计为：集料80～90份，功能填料5～15份，高粘高弹改性沥青4～7份，温拌剂0.4～0.7份，矿物纤维0.2～0.5份。本发明采用骨架密实型结构，使所得复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料具有合理的构造深度和较高的抗车辙能力，保证所得混合料的防滑性能和耐久性能；将乳化型温拌剂与功能填料进行复合，综合控制沥青混合料的拌合温度；同时采用复合阻燃组分实现梯度温度阻燃效果，使所得沥青隧道路面材料具有摊铺防滑、阻燃、拌合温度低等特点，满足其特殊的半封闭所处环境。

Description

一种复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料及其制备方法。
背景技术
随着我国经济和建设的发展，公路隧道数量在不断增加。由于公路隧道是一个特殊的环境，较为封闭且通风性较差，因而对路面铺装材料和施工工艺有着特殊的要求。普通的水泥混凝土路面的防滑性能、整体平整度已经无法满足隧道路面铺装的基本要求，取而代之的是各式沥青混凝土路面。将沥青混合料应用于半封闭的公路隧道铺装时，最大的两个问题是高温铺装过程所带来的高温与多烟环境问题以及在开放交通后交通事故可能引起的潜在火灾威胁。为了解决这一问题，沥青温拌剂与阻燃剂的开发一直得到多方重视。
当前使用的沥青温拌剂多为乳化类表面活性温拌剂，也有PE蜡类及发泡类温拌剂。乳化类温拌剂原理为向沥青中引入水滴，形成油包水乳液降低沥青粘度从而实现温拌，其综合性能最好，可以减少15～25℃的拌合及摊铺温度，且对沥青混合料的使用性能影响较小，同时能增加沥青与集料的裹附能力；PE蜡类温拌剂在高温下为液态使得沥青混合料在拌制过程中粘度降低，在低温下恢复固态，对沥青混合料高低温性能影响均较大，且易降低路面摩擦力；发泡类沥青温拌剂原理为在高温下释放水分形成小液滴降低沥青粘度从而实现温拌，但这样会使得沥青与集料的粘结性能下降，因而对沥青混合料水稳定性有一定破坏作用。虽然对每种温拌剂进行改性加强有着大量的研究，但是单一的温拌剂并不能实现理想的温拌效果，拌合和摊铺减少的温度往往不大于30℃，并且三种温拌剂分别为水溶液、有机固体和无机粉末，在复合使用时也存在较大困难。
阻燃剂的开发和使用，是从卤素向无卤素的阻燃剂方向发展的。卤素阻燃剂，环境污染较大且高温下易释放有害有毒烟尘，虽然用三氧化二锑、碳酸盐、钼化物等物质与卤素复合使用，仍不能解决环境污染和毒性问题。有机磷系阻燃剂，由于对沥青性能影响较大较少用于沥青混合料阻燃。无机的氢氧化物阻燃剂，通过在高温下分解释放水分并产生氧化物膜来实现阻燃，虽然无毒害作用，但阻燃效果往往有限。
在沥青级配的选择上，密级配沥青混合料如AC使用较为广泛，其设计与施工较为容易，但抗车辙性能较差，在隧道半密封环境下及其不利于其养护与翻新；且其构造深度较小摩擦系数较低，不利于车辆行驶作用中的防滑。开级配沥青混合料如OGFC对沥青的性能和施工的温度要求较高，隧道路面铺装难度较大；沥青马蹄脂稳定碎石混合料SMA，有较好的构造深度与防渗性能，但是其沥青使用量较高对阻燃的要求非常高，同时其也需要使用改性沥青所以施工温度较高。
发明内容
本发明的目的是，针对公路隧道路面所处的半封闭环境的特殊性，提供一种复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料，具有摊铺防滑、阻燃、拌合温度低等特点；且涉及的制备方法简单、能耗低，适合推广应用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料，各原料按重量分数计为：集料80～90份，功能填料5～15份，高粘高弹改性沥青4～7份，温拌剂0.4～0.7份，矿物纤维0.2～0.5份。
上述方案中，所述高粘高弹改性沥青的制备方法包括以下步骤：按配比称取各组分，各组分按重量份数计为AH-70重交沥青95～105份、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物5～6份、稳定剂2～4份、活性橡胶粉15～20份、抗剥落剂1～3份、增溶剂1～2份；将称量好的AH-70重交沥青加热至145～150℃，进行高速剪切并在9～10min时间内加热升温至170～175℃，在此升温过程中匀速加入苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和稳定剂；保持160～170℃的温度条件继续高速剪切9～10min，在此过程中匀速加入活性橡胶粉；然后停止剪切在140～150℃下保温15～20min；最后加入抗剥落剂和增溶剂，并高速剪切15～20min得所述高粘高弹改性沥青，其中高速剪切速度为5000～6000r/min。
上述方案中，所述稳定剂为萜烯树脂、C9S石油树脂中的一种或二者混合；抗剥落剂为邻苯甲酸二丁酯；增溶剂为PE-g-ST、PP-g-st、ABS-g-MAH、PE-g-MAH、PP-g-MAH中的一种。
上述方案中，所述功能填料中各组分按重量份数计为：矿粉65～75份，氢氧化铝粉末15～25份，氢氧化镁粉末4～6份，4A沸石粉末2～4份，氧化锡粉末4～6份。
上述方案中，所述的氢氧化铝粉末、氢氧化镁粉末、4A沸石粉末、氧化锡粉末均能通过200目筛。
上述方案中，所述温拌剂为乳化型温拌剂。
上述方案中，所述乳化型温拌剂为烷基羧酸盐阴离子表面活性剂、烷基硫酸酯盐阴离子表面活性剂或烷基磺酸盐阴离子表面活性剂。
上述方案中，所述矿物纤维为石棉纤维、水镁石纤维或玄武岩矿物质纤维。
上述方案中，所述集料为符合国家规定的沥青混凝土用的玄武岩、辉绿岩、石灰岩、钢渣、机制砂、石屑。
上述方案中，所述集料和功能填料的级配符合以下两种条件之一：1)筛孔通过质量百分率为19mm 100％、16mm 90～100％、13.2mm 65～85％、9.5mm 45～65％、4.75mm 20～32％、2.36mm15～24、1.18mm 14～22％、0.6mm 12～18％、0.3mm 10～15％、0.15mm 9～14％、0.075mm 8～12％；2)筛孔通过质量百分率为16mm 100％、13.2mm 90～100％、9.5mm 50～75％、4.75mm 20～34％、2.36mm 15～26、1.18mm 14～24％、0.6mm 12～20％、0.3mm 10～16％、0.15mm 9～15％、0.075mm8～12％。
上述一种复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料的制备方法，包括以下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料按重量分数计为：高集料80～90份，功能填料5～15份，高粘高弹改性沥青4～7份，温拌剂0.4～0.7份，矿物纤维0.2～0.5份；
2)级配设计：所述集料和功能填料的级配符合以下两种条件之一：1)筛孔通过质量百分率为19mm 100％、16mm 90～100％、13.2mm 65～85％、9.5mm 45～65％、4.75mm 20～32％、2.36mm 15～24、1.18mm 14～22％、0.6mm 12～18％、0.3mm 10～15％、0.15mm 9～14％、0.075mm8～12％；2)筛孔通过质量百分率为16mm 100％、13.2mm 90～100％、9.5mm 50～75％、4.75mm20～34％、2.36mm 15～26、1.18mm 14～24％、0.6mm 12～20％、0.3mm 10～16％、0.15mm 9～15％、0.075mm 8～12％；
3)在搅拌条件下，将计量好的加热后的集料同时加入高粘高弹改性沥青和温拌剂，然后依次加入矿物纤维和功能填料，进行拌合，拌合温度为130～140℃，得所述复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料。
根据上述方案制备的复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料，其摊铺温度不低于120℃，从开始拌合到摊铺完成在6h之内完成。
本发明的原理为：
(1)合理的级配设计：本发明采用骨架密实型结构，使所得混合料(复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料)具有合理的构造深度和较高的抗车辙能力，保证所得混合料的防滑性能和耐久性能。更为重要的是，该级配有较高用量的沥青与填料，对功能组分的添加有较大的容纳能力，为实现逐级温拌与温度梯度阻燃提供一个更好的平台；
(2)逐级降粘温拌效果：本发明通过使用乳化型温拌剂初步降低沥青的粘度，使所得混合料在较低的拌置温度下可以开始拌制；加入功能填料后，功能填料中的沸石可以释放部分水分发泡进一步降低沥青粘度，从而使得拌合和摊铺温度最终可降低40℃以上；同时，乳化型温拌剂可使沥青与集料间的粘结作用增加，消除了功能填料释放水分所带来的对沥青混合料水稳定性的破坏作用。
(3)梯度温度阻燃效果：在拌合-摊铺时间低于6h时，功能填料中的沸石并未完全分解释水，在交通事故火灾发生时，功能填料中的沸石在140℃以上开始释放水分降低沥青温度；氢氧化铝在250～350℃分解释放水分并形成氧化膜；氢氧化镁在340～430℃分解释放水分并形成氧化膜，这种梯度温度的阻燃设计使得沥青混合料的防火性能大大提高；同时本发明将沸石、氢氧化铝和氢氧化镁等阻燃组分进行复合并分散于矿粉中，在高粘高弹改性沥青中的增溶剂的协同作用下，进一步增加了阻燃组分的分散性，使得氢氧化物在粒度较高时也能很好地发挥阻燃效果。
本发明的有益效果为：通过适宜复杂体系的平台合理构建及温拌、阻燃功能的交联，制备出本发明一种复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料，具有摊铺防滑、阻燃、拌合温度低等特点，适合推广应用。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例中，所述的氢氧化铝粉末、氢氧化镁粉末、4A沸石粉末、氧化锡粉末均能通过200目筛。
所述温拌剂为美国美德维实伟克公司提供的直投式温拌剂evotherm DAT。
所述集料为符合国家规定的沥青混凝土用的玄武岩、辉绿岩、石灰岩、钢渣、机制砂、石屑，使用前预热至165～175℃，得热集料。
实施例1
一种复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料，其制备方法包括以下步骤：
1)功能填料的配制：将矿粉69份，氢氧化铝粉末18份，氢氧化镁粉末5份，4A沸石粉末3份，氧化锡粉末5份混合成均匀粉末，得功能填料；
2)高粘高弹改性沥青的配制：将100份AH-70重交沥青加热至150℃，进行高速剪切并在10min内升温至170℃，在此升温过程中匀速加入5份苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和3份稳定剂(萜烯树脂)；保持165℃的温度条件继续高速剪切10min，在此过程中匀速加入20份活性橡胶粉；然后停止剪切并在145℃下保温20min；最后加入2份抗剥落剂(邻苯甲酸二丁酯)和1.5份增溶剂(PE-g-MAH)并高速剪切20min，冷却得高粘高弹改性沥青，本步骤中所述高速剪切速度为5500r/min；
3)级配设计：集料、功能填料计量后合成级配如表3所示：
表1实施例集料、功能填料的合成级配(16型)
3)在搅拌条件下，向计量好的热集料中同时加入占集料质量5.7％的高粘高弹改性沥青和占沥青质量10％的温拌剂，然后依次加入占集料和高粘高弹改性沥青总质量0.3％的水镁石纤维和计量好的功能填料，进行拌合，拌合温度130～140℃，得所述复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料；所述复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料的摊铺温度不低于120℃，从开始拌合到摊铺完成在6h之内完成。
将本实施例所得复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料按照成型温度制备标准马歇尔试件和规格为300×300×50的车辙板试件，并进行性能检测，结果见表3。
实施例2
一种复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料，其制备方法包括以下步骤：
1)功能填料的配制：将矿粉69份，氢氧化铝粉末18份，氢氧化镁粉末5份，4A沸石粉末3份，氧化锡粉末5份混合成均匀粉末，得功能填料；
2)高粘高弹改性沥青的配制：将100份AH-70重交沥青加热至150℃，进行高速剪切并在10min内升温至170℃，在此升温过程中匀速加入5份苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和3份稳定剂(萜烯树脂)；保持165℃的温度条件继续高速剪切10min，在此过程中匀速加入20份活性橡胶粉；然后停止剪切并在145℃下保温20min；最后加入2份抗剥落剂(邻苯甲酸二丁酯1)和1.5份增溶剂(PE-g-MAH)并高速剪切20min，冷却得高粘高弹改性沥青，本步骤中所述高速剪切速度为5500r/min；
3)级配设计：集料、功能填料计量后合成级配如表2所示：
表2实施例2中集料、功能填料的合成级配(13型)
3)在搅拌条件下，向计量好的热集料中同时加入占集料质量5.9％的高粘高弹改性沥青和占沥青质量10％的温拌剂，然后依次加入占集料和高粘高弹改性沥青总质量0.3％的水镁石纤维和计量好的功能填料，进行拌合，拌合温度130～140℃，得所述复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料；所述复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料的摊铺温度不低于120℃，从开始拌合到摊铺完成在6h之内完成。
将本实施例所得复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料按照成型温度制备标准马歇尔试件和规格为300×300×50的车辙板试件，并进行性能检测，结果见表3。
对比例1
采用实施例1中集料、功能填料的计量要求，用普通石灰石填料替代实施例1中的功能填料，在拌合条件下，向计量好的热集料中，依次加入占集料质量5.7％的I-D改性沥青，然后依次加入占集料和I-D改性沥青总质量0.3％的聚酯纤维和计量好的功能填料，拌合温度为170～180℃，成型温度不低于160℃，利用所得混合料制备标准马歇尔试件和规格为300×300×50的车辙板试件，并进行性能检测，结果见表3。
对比例2
采用实施例1中集料、功能填料的计量要求，用普通石灰石填料替代实施例1中的功能填料，在拌合条件下，向计量好的热集料中，依次加入占集料质量比5.7％的I-D改性沥青和占集料质量0.57％的温拌剂，然后依次加入占集料及I-D改性沥青总质量0.3％的聚酯纤维和计量好的填料，拌合温度为150～160℃，成型温度不低于140℃，利用所得混合料制备标准马歇尔试件和规格为300×300×50的车辙板试件，并进行性能检测，结果见表3。
对比例3
采用实施例1中集料、功能填料的计量要求，在拌合条件下，向计量好的热集料中，依次加入占集料质量5.7％的I-D改性沥青，然后依次加入占集料及沥青总质量0.3％的聚酯纤维、计量好的功能填料，拌合温度不低于155～165℃，成型温度不低于145℃，利用所得混合料制备标准马歇尔试件和规格为300×300×50的车辙板试件，并进行性能检测，结果见表3。
对比例4
采用实施例2中集料、功能填料的计量要求，用普通石灰石填料替代实施例2中的功能填料，在拌合条件下，向计量好的热集料中，依次加入占集料质量5.9％的I-D改性沥青，然后依次加入占集料及沥青总质量0.3％的聚酯纤维、计量好的填料，拌合温度为170～180℃，成型温度不低于160℃，利用所得混合料制备标准马歇尔试件和规格为300×300×50的车辙板试件，并进行性能检测，结果见表3。
对比例5
采用实施例2中集料、功能填料的计量要求，用普通石灰石填料替代实施例2中的功能填料，在拌合条件下，向计量好的热集料中，依次加入占集料质量5.9％的I-D改性沥青和占集料质量0.59％的温拌剂，然后依次加入占集料及沥青总质量0.3％的聚酯纤维、计量好的填料，拌合温度为150～160℃，成型温度不低于140℃，利用所得混合料制备标准马歇尔试件和规格为300×300×50的车辙板试件，并进行性能检测，结果见表3。
对比例6
采用实施例2中集料、功能填料的计量要求，在拌合条件下，向计量好的热集料中，依次加入占集料质量5.9％的I-D改性沥青，然后依次加入占集及沥青总质量0.3％的聚酯纤维、计量好的功能填料，拌合温度不低于155～165℃，成型温度不低于145℃，制备标准马歇尔试件和规格为300×300×50的车辙板试件，并进行性能检测，结果见表3。
按照《JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》所规定的实验方法分别对实施例1、实施例2、对比例1～6所制备的试件进行矿料间隙率(VFA)、空隙率(VV)、马歇尔稳定度(MS)、动稳定度(DS)、构造深度(TD)并计算浸水残留稳定度(MS0)、冻融劈裂强度比(TSR)等性能测试；在车辙板上浇40ml汽油并点燃，测试燃烧前车辙板表面温度T0与燃烧后车辙板表面温度T1，测量燃烧时间t，测试燃烧后车辙板动稳定度DS1，计算燃烧残留动稳定度RDS，测试并计算燃烧前后车辙板质量损失率LMR，结果如表3所示。
表3性能测试结果
由表3可以看出，相同级配下，本发明所述复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料的拌和温度可比使用I-D改性沥青制备的沥青混合料低大约40℃，而单独使用乳化类温拌剂或功能矿粉所得沥青混合料只能降低约20℃、15℃，且压实情况不如本发明；本发明拥有更好的抗车辙能力与较好的防滑性；就水稳定性来看，本发明的水稳定性与使用I-D改性沥青性能相当；在模拟公路事故火灾试验中，本发明所述合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料的燃烧时间显著缩短、燃烧后表面温度显著降低、燃烧造成的质量减少显著降低、且燃烧对动稳定度的破坏作用较小，属于一种耐火性非常好的路面材料。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料，其特征在于，各原料按重量份数计为：集料80～90份，功能填料5～15份，高粘高弹改性沥青4～7份，温拌剂0.4～0.7份，矿物纤维0.2～0.5份。
2.根据权利要求1所述的复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料，其特征在于，所述高粘高弹改性沥青的制备方法包括以下步骤：按配比称取各组分，各组分按重量份数计为AH-70重交沥青95～105份、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物5～6份、稳定剂2～4份、活性橡胶粉15～20份、抗剥落剂1～3份、增溶剂1～2份；将称量好的AH-70重交沥青加热至145～150℃，进行高速剪切并在9～10min时间内加热升温至170～175℃，在此升温过程中匀速加入苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和稳定剂；保持160～170℃的温度条件继续高速剪切9～10min，在此过程中匀速加入活性橡胶粉；然后停止剪切在140～150℃下保温15～20min；最后加入抗剥落剂和增溶剂，并高速剪切15～20min得所述高粘高弹改性沥青，其中高速剪切速度为5000～6000r/min。
3.根据权利要求2所述的复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料，其特征在于，所述稳定剂为萜烯树脂、C9S石油树脂中的一种或二者混合；抗剥落剂为邻苯甲酸二丁酯；增溶剂为PE-g-ST、PP-g-st、ABS-g-MAH、PE-g-MAH、PP-g-MAH中的一种。
4.根据权利要求1所述的复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料，其特征在于，所述功能填料中各组分按重量份数计为：矿粉65～75份，氢氧化铝粉末15～25份，氢氧化镁粉末4～6份，4A沸石粉末2～4份，氧化锡粉末4～6份。
5.根据权利要求1所述的复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料，其特征在于，所述温拌剂为乳化型温拌剂。
6.根据权利要求5所述的复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料，其特征在于，所述乳化型温拌剂为烷基羧酸盐阴离子表面活性剂、烷基硫酸酯盐阴离子表面活性剂或烷基磺酸盐阴离子表面活性剂。
7.根据权利要求1所述的复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料，其特征在于，所述矿物纤维为石棉纤维、水镁石纤维或玄武岩矿物质纤维；所述集料为符合国家规定的沥青混凝土用的玄武岩、辉绿岩、石灰岩、钢渣、机制砂、石屑。
8.根据权利要求1所述的复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料，其特征在于，所述集料和功能填料的复合级配符合以下两个条件之一：1)筛孔通过质量百分率为19mm 100％、16mm90～100％、13.2mm 65～85％、9.5mm 45～65％、4.75mm 20～32％、2.36mm 15～24、1.18mm14～22％、0.6mm 12～18％、0.3mm 10～15％、0.15mm 9～14％、0.075mm 8～12％；2)筛孔通过质量百分率为16mm 100％、13.2mm 90～100％、9.5mm 50～75％、4.75mm 20～34％、2.36mm15～26、1.18mm 14～24％、0.6mm 12～20％、0.3mm 10～16％、0.15mm 9～15％、0.075mm 8～12％。
9.权利要求1～8任一项所述复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料按重量分数计为：集料80～90份，功能填料5～15份，高粘高弹改性沥青4～7份，温拌剂0.4～0.7份，矿物纤维0.2～0.5份；
2)级配设计：所述集料和功能填料的级配符合以下两种条件之一：1)筛孔通过质量百分率为19mm 100％、16mm 90～100％、13.2mm 65～85％、9.5mm 45～65％、4.75mm 20～32％、2.36mm 15～24、1.18mm 14～22％、0.6mm 12～18％、0.3mm 10～15％、0.15mm 9～14％、0.075mm8～12％；2)筛孔通过质量百分率为16mm 100％、13.2mm 90～100％、9.5mm 50～75％、4.75mm20～34％、2.36mm 15～26、1.18mm 14～24％、0.6mm 12～20％、0.3mm 10～16％、0.15mm 9～15％、0.075mm 8～12％；
3)在搅拌条件下，向计量好的加热后的集料中同时加高粘高弹改性沥青和温拌剂，然后依次加入矿物纤维和功能填料，进行拌合，拌合温度为130～140℃，得所述复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述复合温拌阻燃防滑沥青隧道路面材料的摊铺温度不低于120℃，从开始拌合到摊铺完成在6h之内完成。
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