CN105862552A - 一种道路用纳米沥青制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种道路用纳米沥青制备装置及方法，目的在于，制备高温性能好、温度敏感性低的纳米沥青，从而提高沥青材料耐久性，本发明装置所采用的技术方案为：包括在底座(5)上依次设置的第一加热杯、第二加热杯和第三加热杯，相邻加热杯之间通过导管(13)连通，导管(13)上设置有阀门(12)，三个加热杯内均设置有加热片(2)，第一加热杯上设置有搅拌装置，第二加热杯上设置有剪切装置，第三加热杯上设置有振动装置，所述搅拌装置、剪切装置和振动装置连接至控制系统(1)。

Description

一种道路用纳米沥青制备装置及方法
技术领域
本发明属于道路沥青材料技术领域，具体涉及一种道路用纳米沥青制备装置及方法。
背景技术
近年来，纳米技术在逐渐的向交通材料领域渗透，其中纳米材料改性沥青是一个重要的方向。纳米沥青是指把纳米材料缓慢添加到普通基质沥青中加热熔融，在剪切、粉碎、研磨等机械搅拌作用力下，以细小的微粒形成均匀稳定多项分散体系，从而改善沥青的各项性能，如高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性、防滑性、抗老化性以及水稳性，纳米沥青作为道路建设和公路养护材料具有诸多优势，如节能环保、提高道路质量、降低养护成本以及延长施工时间等。如今纳米沥青在交通运输领域应用越来越广泛，受到的重视程度也日益提高,对于纳米沥青，因为其主要是在常温下或者较低的高温下制备和施工，对沥青的高温抗老化性能要求并不苛刻。因此，若在普通基质沥青中加入纳米材料，然后制备成改性纳米沥青，这样既可以避免普通沥青的严重老化，也节约了沥青用量，不仅节省了沥青成本，而且还减少了能源的损耗，同时也可以充分发挥纳米材料和普通基质沥青各自的优势，具有非常广阔的应用前景。综上所述，有必要寻找出一种合理的道路用纳米沥青及其制备工艺。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种用于制备高温性能好、温度敏感性低的纳米沥青，从而提高沥青材料耐久性的道路用纳米沥青制备装置及方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：
一种道路用纳米沥青制备装置，包括在底座上依次设置的第一加热杯、第二加热杯和第三加热杯，相邻加热杯之间通过导管连通，导管上设置有阀门，三个加热杯内均设置有加热片，第一加热杯上设置有搅拌装置，第二加热杯上设置有剪切装置，第三加热杯上设置有振动装置，所述搅拌装置、剪切装置和振动装置连接至控制系统。
所述搅拌装置包括滚珠式搅拌鼓，滚珠式搅拌鼓连接有旋转杆，旋转杆的底端固定连接有沥青搅拌棒。
所述沥青搅拌棒上端的旋转杆上设置有装料器。
所述剪切装置采用高速剪切仪。
所述振动装置采用超声波振动仪。
所述底座上设置有水平仪。
所述底座下端设置有用于调整高度的支座。
一种道路用纳米沥青制备方法，包括以下步骤：
1)取质量百分比为94-98％的基质沥青加入第一加热杯中，加热至135-155℃后采用搅拌装置进行搅拌分散；
2)将步骤1)中的基质沥青转至第二加热杯中，取质量百分比为2％-6％的纳米材料加入步骤1)的基质沥青中，保持135-155℃温度并对纳米材料和基质沥青采用剪切装置进行剪切搅拌；
3)将步骤2)中的纳米材料和基质沥青转至第三加热杯，保持135-155℃温度并采用振动装置对纳米材料和基质沥青进行超声振动，直至纳米材料完全溶解并分散均匀，即得到道路用纳米沥青。
所述基质沥青采用70号沥青，所述纳米材料为高聚物改性纳米粘土PMN、非改性纳米粘土NMN、纳米碳粉、纳米橡胶粉VP362或纳米硅NS。
所述步骤1)中取质量百分比为95％的基质沥青，并向基质沥青中添加质量百分比为0.5％的分散剂和0.5％的调节助剂后进行搅拌分散；所述步骤2)中取质量百分比为4％的纳米材料加入基质沥青中进行剪切搅拌。
与现有技术相比，本发明的制备装置利用三个加热杯装载纳米沥青原料，加热杯上设置加热片保持制备过程中的温度要求，三个加热杯之间连通，便于纳米沥青原料经过一道工序后转至下道工序，第一加热杯上设置有搅拌装置，利用搅拌装置对基质沥青进行搅拌分散，第二加热杯上设置有剪切装置，利用剪切装置对纳米材料和基质沥青进行剪切搅拌，使纳米材料大部分溶解于基质沥青，第三加热杯上设置有振动装置，利用振动装置对纳米材料和基质沥青进行超声振动，使纳米材料完全溶解于基质沥青，即得到了道路用的纳米沥青，采用本发明制备装置得到的纳米材料改性沥青具有高温性能好、温度敏感性低的特点，显著提高了沥青材料的耐久性；本发明装置成本较低，安全耐用，满足生态要求。
进一步，采用装料器便于下料，同时通过水平仪保证整个装置的水平位置，通过调整支座高度，进一步保证整个装置的水平位置，便于搅拌装置、剪切装置和振动装置更好的工作，提高工作效率，保证制备的纳米沥青性能可靠。
本发明的制备方法中首先采用搅拌装置对基质沥青进行搅拌分散，然后通过剪切装置对纳米材料和基质沥青进行剪切搅拌，使大部分纳米材料溶入基质沥青中，最后采用振动装置进行超声振动直至纳米材料完全溶入基质沥青中，制备工艺简单，制得的纳米材料改性沥青高温性能好、温度敏感性低，解决了现有制备方法得到的沥青高温性能差、温度敏感性强的缺点，显著提高了沥青材料的耐久性，工艺成本较低，安全可靠，满足生态要求。
进一步，由于纳米材料非常细小，容易团聚，因此采用分散剂和调节助剂，这样能使纳米材料更加均匀的分散在基质沥青中，从而起到改善纳米沥青性能的作用。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为实施例一基质沥青和本发明制备的纳米沥青的复数剪切模量主曲线对比图，图中圆圈区域曲线条件为低温高频情况；
图3为实施例一基质沥青和本发明制备的纳米沥青的APA车辙试验结果对比图；
图4为实施例二基质沥青和本发明制备的纳米沥青的复数剪切模量主曲线对比图，图中圆圈区域曲线条件为低温高频情况；
图5为实施例二基质沥青和本发明制备的纳米沥青的APA车辙试验结果对比图；
其中，1-控制系统、2-加热片、3-旋转杆、4-沥青搅拌棒、5-底座、6-加热杯、7-超声波振动仪、8-固定件、9-高速剪切仪、10-滚珠式搅拌鼓、11-装料器、12-阀门、13-导管、14-支座、15-水平仪。
具体实施方式
下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。
参见图1，本发明的装置包括底座5，底座5上端设置有水平仪15，底座5下端设置有用于调整高度的支座14，底座5上依次设置的三个加热杯6，依次为第一加热杯、第二加热杯和第三加热杯，相邻加热杯之间通过导管13连通，导管13上设置有阀门12，三个加热杯内均设置有加热片2，第一加热杯上设置有搅拌装置，搅拌装置包括滚珠式搅拌鼓10，滚珠式搅拌鼓10连接有旋转杆3，旋转杆3的底端固定连接有沥青搅拌棒4，沥青搅拌棒4上端的旋转杆上设置有装料器11；第二加热杯上设置有剪切装置，剪切装置采用高速剪切仪9；第三加热杯上设置有振动装置，振动装置采用超声波振动仪7，搅拌装置、剪切装置和振动装置连接至控制系统1。
本发明的制备方法包括以下步骤：
1)取质量百分比为94-98％的基质沥青加热至135-155℃后采用搅拌装置进行搅拌分散；
2)取质量百分比为2％-6％的纳米材料加入步骤1)的基质沥青中，保持135-155℃温度并对纳米材料和基质沥青采用剪切装置进行剪切搅拌；
3)采用振动装置对纳米材料和基质沥青进行超声振动，直至纳米材料完全溶解并分散均匀，即得到道路用纳米沥青。
方法中基质沥青采用70号沥青，纳米材料为高聚物改性纳米粘土PMN、非改性纳米粘土NMN、纳米碳粉、纳米橡胶粉VP362或纳米硅NS。
作为优选的，步骤1)中取质量百分比为95％的基质沥青，并向基质沥青中添加质量百分比为0.5％的分散剂和0.5％的调节助剂后进行搅拌分散；步骤2)中取质量百分比为4％的纳米材料加入基质沥青中进行剪切搅拌和超声振动；分散剂采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚丙烯、氢过氧化枯烯或LF-20沥青分散剂，LF-20沥青分散剂的主剂是由8-12碳烷基醇聚醚羧酸，8-10碳烷基酚聚醚羧酸，不饱合羧酸高碳醇酯聚合物，乙烯醋酸乙烯酯聚合物，胺和氨基化合物组成，调节助剂采用1631表面活性剂，1631表面活性剂是十六烷基三甲基氯化铵，是以烷基三甲基叔胺和氯化苄聚合而成的阳离子型表面活性剂。
实施例一：
(1)将质量百分比为98％的基质沥青加入第一加热杯中，通过加热片加热至145℃，采用滚珠式搅拌鼓搅拌分散；
(2)将步骤(1)中的基质沥青通过导管13转至第二加热杯，通过加热片加热，保持145℃温度条件，然后将质量百分比为2％的纳米材料缓慢加入步骤(1)的基质沥青中，并保持在高剪切仪器中搅拌速度为4000RPM的条件下搅拌1h，直至纳米材料大部分溶解；
(3)将步骤(2)中的基质沥青和纳米材料转至第三加热杯，通过加热片保持145℃温度条件，采用超声波振动仪，搅拌速度为400RPM条件下持续搅拌1h，直至纳米材料完全溶解并分散均匀，即得到道路用纳米沥青。
参见图2，本发明制备的纳米材料改性沥青的复数剪切模量要明显高于基质沥青的复数剪切模量的45％。纳米材料有较高的表面能，且能使材料与沥青的反应更加剧烈。经过化学反应过后，沥青中会有更多的改性剂得到溶解，且相互作用形成了稳定的沥青网络结构。因此，沥青结构上的变化导致了其复数剪切模量的提高，也可能造成了沥青结合料抗车辙能力的提高。
参见图3，对比车辙试验结果所知，相比于基质沥青的车辙深度结果来说，本发明制备的纳米材料改性沥青混合料的车辙深度要下降了80％，添加纳米材料到基质沥青中改善了其改性沥青混合料抗永久变形能力，也提高其改性混合料在高温状态下的抗车辙性能。
实施例二：
(1)将质量百分比为95％的基质沥青加入第一加热杯中，通过加热片加热至150℃，采用滚珠式搅拌鼓搅拌分散；
(2)将步骤(1)中的基质沥青通过导管13转至第二加热杯，通过加热片加热，保持150℃温度条件，将质量百分比为5％的纳米材料缓慢加入步骤(1)的基质沥青中，并保持在高剪切仪器中搅拌速度为4000RPM的条件下搅拌1h，直至纳米材料大部分溶解；
(3)将步骤(2)中的基质沥青和纳米材料转至第三加热杯，通过加热片保持150℃温度条件，采用超声波振动仪，搅拌速度为400RPM条件下持续搅拌1h，直至纳米材料完全溶解并分散均匀，即得到道路用纳米沥青。
参见图4，本发明制备的纳米材料改性沥青的复数剪切模量都要明显高于基质沥青的复数剪切模量的175％，纳米材料有较高的表面能，且能使材料与沥青的反应更加剧烈。经过化学反应过后，沥青中会有更多的改性剂得到溶解，且相互作用形成了稳定的沥青网络结构。因此，沥青结构上的变化导致了其复数剪切模量的提高，也可能造成了沥青结合料抗车辙能力的提高。
参见图5，对比车辙试验结果所知，相比于基质沥青的车辙深度结果来说，本发明制备的纳米材料改性沥青混合料的车辙深度要下降了110％。添加纳米材料到基质沥青中改善了其改性沥青混合料的抗永久变形能力也提高其改性混合料在高温状态下的抗车辙性能。
实施例三：
1)取质量百分比为94％的基质沥青加入第一加热杯中，通过加热片加热至135-155℃后采用搅拌装置进行搅拌分散；
2)将步骤(1)中的基质沥青通过导管13转至第二加热杯，通过加热片加热，取质量百分比为6％的纳米材料加入步骤1)的基质沥青中，保持135-155℃温度并对纳米材料和基质沥青采用剪切装置进行剪切搅拌；
3)将步骤(2)中的基质沥青和纳米材料转至第三加热杯，通过加热片加热，保持135-155℃温度，采用振动装置对纳米材料和基质沥青进行超声振动，直至纳米材料完全溶解并分散均匀，即得到道路用纳米沥青。
实施例四：
1)取质量百分比为96％的基质沥青加入第一加热杯中，通过加热片加热至135-155℃后采用搅拌装置进行搅拌分散；
2)将步骤(1)中的基质沥青通过导管13转至第二加热杯，通过加热片加热，取质量百分比为4％的纳米材料加入步骤1)的基质沥青中，保持135-155℃温度并对纳米材料和基质沥青采用剪切装置进行剪切搅拌；
3)将步骤(2)中的基质沥青和纳米材料转至第三加热杯，通过加热片加热，保持135-155℃温度，采用振动装置对纳米材料和基质沥青进行超声振动，直至纳米材料完全溶解并分散均匀，即得到道路用纳米沥青。
实施例五：
1)取质量百分比为97％的基质沥青加入第一加热杯中，通过加热片加热至135-155℃后采用搅拌装置进行搅拌分散；
2)将步骤(1)中的基质沥青通过导管13转至第二加热杯，通过加热片加热，取质量百分比为3％的纳米材料加入步骤1)的基质沥青中，保持135-155℃温度并对纳米材料和基质沥青采用剪切装置进行剪切搅拌；
3)将步骤(2)中的基质沥青和纳米材料转至第三加热杯，通过加热片加热，保持135-155℃温度，采用振动装置对纳米材料和基质沥青进行超声振动，直至纳米材料完全溶解并分散均匀，即得到道路用纳米沥青。
实施例六：
1)取质量百分比为95％的基质沥青、质量百分比为0.5％的分散剂和0.5％的调节助剂加入第一加热杯中，通过加热片加热至135-155℃后采用搅拌装置进行搅拌分散；
2)将步骤(1)中的基质沥青、分散剂和调节助剂通过导管13转至第二加热杯，通过加热片加热，取质量百分比为4％的纳米材料加入步骤1)的基质沥青中，保持135-155℃温度并对纳米材料和基质沥青采用剪切装置进行剪切搅拌；
3)将步骤(2)中的基质沥青、分散剂、调节助剂和纳米材料转至第三加热杯，通过加热片加热，保持135-155℃温度，采用振动装置对纳米材料和基质沥青进行超声振动，直至纳米材料完全溶解并分散均匀，即得到道路用纳米沥青。
本发明制备的纳米材料改性沥青，制备工艺简单，采用本发明装置将纳米材料加入基质沥青，搅拌均匀后即可制成；本发明的纳米材料改性沥青高温性能好、温度敏感性低，解决了已有制备方法得出的基质沥青高温性能差、温度敏感性强的缺点，显著提高了沥青材料的耐久性；本发明的纳米材料相对而言成本较低，安全耐用，满足生态要求。

Claims (10)

1.一种道路用纳米沥青制备装置，其特征在于，包括在底座(5)上依次设置的第一加热杯、第二加热杯和第三加热杯，相邻加热杯之间通过导管(13)连通，导管(13)上设置有阀门(12)，三个加热杯内均设置有加热片(2)，第一加热杯上设置有搅拌装置，第二加热杯上设置有剪切装置，第三加热杯上设置有振动装置，所述搅拌装置、剪切装置和振动装置连接至控制系统(1)。
2.根据权利要求1所述的一种道路用纳米沥青制备装置，其特征在于，所述搅拌装置包括滚珠式搅拌鼓(10)，滚珠式搅拌鼓(10)连接有旋转杆，旋转杆的底端固定连接有沥青搅拌棒(4)。
3.根据权利要求2所述的一种道路用纳米沥青制备装置，其特征在于，所述沥青搅拌棒(4)上端的旋转杆上设置有装料器(11)。
4.根据权利要求1所述的一种道路用纳米沥青制备装置，其特征在于，所述剪切装置采用高速剪切仪(9)。
5.根据权利要求1所述的一种道路用纳米沥青制备装置，其特征在于，所述振动装置采用超声波振动仪(7)。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种道路用纳米沥青制备装置，其特征在于，所述底座(5)上设置有水平仪(15)。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种道路用纳米沥青制备装置，其特征在于，所述底座(5)下端设置有用于调整高度的支座(14)。
8.一种道路用纳米沥青制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)取质量百分比为94-98％的基质沥青加入第一加热杯中，加热至135-155℃后采用搅拌装置进行搅拌分散；
2)将步骤1)中的基质沥青转至第二加热杯中，取质量百分比为2％-6％的纳米材料加入基质沥青中，保持135-155℃温度并对纳米材料和基质沥青采用剪切装置进行剪切搅拌；
3)将步骤2)中的纳米材料和基质沥青转至第三加热杯，保持135-155℃温度并采用振动装置对纳米材料和基质沥青进行超声振动，直至纳米材料完全溶解并分散均匀，即得到道路用纳米沥青。
9.根据权利要求8所述的一种道路用纳米沥青制备方法，其特征在于，所述基质沥青采用70号沥青，所述纳米材料为高聚物改性纳米粘土PMN、非改性纳米粘土NMN、纳米碳粉、纳米橡胶粉VP362或纳米硅NS。
10.根据权利要求8所述的一种道路用纳米沥青制备方法，其特征在于，所述步骤1)中取质量百分比为95％的基质沥青，并向基质沥青中添加质量百分比为0.5％的分散剂和0.5％的调节助剂后进行搅拌分散；所述步骤2)中取质量百分比为4％的纳米材料加入基质沥青中进行剪切搅拌。
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