CN106746927A - 纳米复合改性沥青混合料及其制备方法 - Google Patents

纳米复合改性沥青混合料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：矿料100份，沥青3～7份，纳米二氧化锆0.09～0.21份，纳米二氧化钛0.03～0.07份，改善剂0.013～0.032份，稳定剂0.12～0.28份，偶联剂0.004～0.010份。本发明的沥青混合料路用性能优良、制备工艺简单、原料无毒无害，同时可以提高沥青路面高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性，对延长沥青路面使用寿命具有重大意义；本发明纳米复合改性沥青混合料属于环保无毒无腐蚀类复合沥青，且原材料来源广泛，生产过程无污染且价格低廉，成本低，具有良好的经济、社会效益。

Description

纳米复合改性沥青混合料及其制备方法
技术领域
本发明涉及道路工程材料技术领域，具体涉及一种纳米复合改性沥青混合料及其制备方法。
背景技术
随着我国公路建设的快速发展，沥青路面因具有足够的力学强度、行车平稳、舒适、振动小、无扬尘、噪音低以及便于维修养护等优点，已成为国内运用最广泛的一种路面形式。然而，由于高低温极端天气的增多以及使用环境的不确定性，我国许多高速公路沥青路面在建成运营后，容易出现高低温破坏以及水损坏现象，这大大缩短了路面的使用年限，致使许多高速公路提前进入大修或改造期，造成了大量的经济损失。现今的沥青路面针对高低温的技术主要是高温的路表降温涂层等手段，但是不能同时兼顾高温、低温对路面造成的损害，不具有全面性。因此，开发一种新型改性沥青混合料来解决路面高低温病害显得尤为关键。
发明内容
本发明提供了一种纳米复合改性沥青混合料及其制备方法，旨在解决保证沥青混合料的路用性能的同时减少沥青路面的高低温病害及水损坏的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种纳米复合改性沥青混合料，其特征在于，由下列重量份的原料制成：矿料100份，沥青3～7份，纳米二氧化锆0.09～0.21份，纳米二氧化钛0.03～0.07份，改善剂0.013～0.032份，稳定剂0.12～0.28份，偶联剂0.004～0.010份。
优选的，该纳米复合改性沥青混合料由下列重量份的原料制成：矿料100份，沥青4～6份，纳米二氧化锆0.12～0.18份，纳米二氧化钛0.04～0.06份，改善剂0.018～0.026份，稳定剂0.16～0.24份，偶联剂0.006～0.008份。
进一步优选的，该纳米复合改性沥青混合料由下列重量份的原料制成：矿料100份，沥青4.3份，纳米二氧化锆0.129份，纳米二氧化钛0.043份，改善剂0.019份，稳定剂0.172份，偶联剂0.006份。
优选的，所述的改善剂为蒙脱土。
优选的，所述的稳定剂为糠醛抽出油。
优选的，所述的偶联剂为TMC-931复合型单烷氧基类钛酸酯。
优选的，所述的沥青为道路石油沥青、煤沥青、SBS改性沥青、PE改性沥青、SBR改性沥青或纤维类改性沥青。
所述的矿料的级配类型为AC-13型、AC-16型、SMA-13型或OGFC-13型。
所述的矿料由粗集料、细集料和矿粉组成。
本发明还涉及该纳米复合改性沥青混合料的制备方法，包括下列步骤：
（1）制备改性剂：按照上述的重量份数选取原料；
将纳米二氧化锆、偶联剂和改善剂以1:0.035:0.11的比例混合均匀，得到纳米二氧化锆改性剂；
将纳米二氧化钛、偶联剂、改善剂以1:0.035:0.11的比例混合均匀，得到纳米二氧化钛改性剂；
（2）制备纳米材料改性沥青：将基础沥青在温度为130℃～140℃的条件下加热熔融，再将稳定剂和步骤（1）中所得的纳米二氧化锆改性剂、纳米二氧化钛改性剂加入到熔融后的基础沥青中，搅拌均匀后升温至150℃～160℃；然后采用高速剪切机对升温后的基础沥青进行剪切处理，再经自然冷却后得到纳米材料改性沥青；
（3）制备纳米复合改性沥青混合料：将加热至175℃～180℃的矿料和步骤（2）所得的纳米材料改性沥青按照常规方法混合搅拌均匀，即可得到该纳米复合改性沥青混合料。
优选的，步骤（1）中所述纳米二氧化锆改性剂的制备过程中，先将偶联剂用乙醇进行稀释，再将纳米二氧化锆和改善剂加入到该偶联剂的稀释液中，然后在80℃～85℃的条件下加热搅拌1～1.5h，最后置于干燥箱中干燥除去乙醇，得到制备完成的纳米二氧化锆改性剂；
所述纳米二氧化钛改性剂的制备过程中，先将偶联剂用乙醇进行稀释，再将纳米二氧化钛和改善剂加入到该偶联剂的稀释液中，然后在80℃～85℃的条件下加热搅拌1～1.5h，最后置于干燥箱中干燥除去乙醇，得到制备完成的纳米二氧化钛改性剂。
优选的，步骤（2）中所述的剪切处理过程为：先在剪切速率为2000～3000rpm的条件下低速剪切15～20min，再在剪切速率为6000～7000rpm的条件下高速剪切30～45min。
本发明的有益技术效果在于：
1.本发明纳米复合改性沥青混合料属于环保无毒无腐蚀类复合沥青混合料，路用性能优良，可以增强沥青路面高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性，对延长沥青路面使用寿命具有重大意义；其原料无毒无害，且原材料来源广泛，生产过程无污染且价格低廉；本发明制备工艺简单，成本低，具有良好的经济效益。
2.本发明的纳米复合改性沥青混合料，加入了TMC-931复合型单烷氧基类钛酸酯，通过联接有机与有机、无机与有机，使纳米二氧化锆、纳米二氧化钛材料、蒙脱土、糠醛抽出油与沥青在混合时通过TMC-931复合型单烷氧基类钛酸酯偶联剂的偶联作用在沥青混合料内部联结形成网状联接结构，加强沥青混合料的机械强度、抗冲击性和稳定性。同时TMC-931复合型单烷氧基类钛酸酯可以提高沥青混合料的耐老化和耐水性能。纳米二氧化锆、纳米二氧化钛具有优秀的物理性能，能够显著提高沥青混合料的高温性能、低温性能和抗水损坏性能。
3.本发明的纳米复合改性沥青混合料，基于纳米二氧化锆、纳米二氧化钛的优良性能，在高温条件下，路面内部自上而下温度降低，在温差驱动下热能向路面内部纳米材料处移动，纳米材料吸热产生电荷，达到降温效果；在低温条件下，纳米材料会吸收路面内部游离电荷产生热量提高温度达到储热效果，从而降低高低温对路面的损害。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料。
实施例1：一种纳米复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：矿料100份，沥青3份，纳米二氧化锆0.09份，纳米二氧化钛0.03份，改善剂0.013份，稳定剂0.12份，偶联剂0.004份；本实施例所采用的矿料为AC-13型矿料，所采用的偶联剂为TMC-931复合型单烷氧基类钛酸酯，所采用的沥青为SBS沥青。
实施例2：一种纳米复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：矿料100份，沥青4份，纳米二氧化锆 0.12份，纳米二氧化钛0.04份，改善剂0.018份、稳定剂0.16份、偶联剂0.006份；本实施例所采用的矿料为AC-13型矿料，所采用的偶联剂为TMC-931复合型单烷氧基类钛酸酯，所采用的沥青为煤沥青。
实施例3：一种纳米复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：矿料100份，沥青5.0份，纳米二氧化锆0.15份，纳米二氧化钛0.05份，改善剂0.022份、稳定剂0.20份、偶联剂0.007份；本实施例所采用的矿料为AC-13型矿料，所采用的偶联剂为TMC-931复合型单烷氧基类钛酸酯，所采用的沥青为道路石油沥青。
实施例4：一种纳米复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：矿料100份，沥青5.5份，纳米二氧化锆0.165份，纳米二氧化钛0.055份，改善剂0.024份、稳定剂0.22份、偶联剂0.008份；本实施例所采用的矿料为AC-13型矿料，所采用的偶联剂为TMC-931复合型单烷氧基类钛酸酯，所采用的沥青为PE改性沥青。
实施例5：一种纳米复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：矿料100份，沥青6份，纳米二氧化锆0.18份，纳米二氧化钛0.06份，改善剂0.026份、稳定剂0.24份、偶联剂0.008份；本实施例所采用的矿料为AC-13型矿料，所采用的偶联剂为TMC-931复合型单烷氧基类钛酸酯，所采用的沥青为SBR改性沥青。
实施例6：一种纳米复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：矿料100份，沥青4.3份，纳米二氧化锆0.129份，纳米二氧化钛0.043份，改善剂0.019份，稳定剂0.172份，偶联剂0.006份；本实施例所采用的矿料为AC-13型矿料，所采用的偶联剂为TMC-931复合型单烷氧基类钛酸酯，所采用的沥青为纤维类改性沥青。
实施例7：一种纳米复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：矿料100份，沥青7份，纳米二氧化锆0.21份，纳米二氧化钛0.07份，改善剂0.032份、稳定剂0.28份、偶联剂0.098份；本实施例所采用的矿料为AC-13型矿料，所采用的偶联剂为TMC-931复合型单烷氧基类钛酸酯，所采用的沥青为道路石油沥青。
实施例8：一种纳米复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：矿料100份，沥青6.5份，纳米二氧化锆0.195份，纳米二氧化钛0.065份，改善剂0.029份、稳定剂0.26份、偶联剂0.009份；本实施例所采用的矿料为AC-13型矿料，所采用的偶联剂为TMC-931复合型单烷氧基类钛酸酯，所采用的沥青为SBS改性沥青。
以上实施例中的纳米复合改性沥青混合料的制备方法包括下列步骤：
分别按照实施例1-8中所述的重量份数选取原料。
（1）制备改性剂：
将纳米二氧化锆、偶联剂和改善剂以1:0.035:0.11的比例制备纳米二氧化锆改性剂：先将偶联剂用乙醇进行稀释，再将纳米二氧化锆和改善剂加入到该偶联剂的稀释液中，然后在80℃～85℃的条件下加热搅拌1～1.5h，最后置于干燥箱中干燥除去乙醇，得到制备完成的纳米二氧化锆改性剂。
将纳米二氧化钛、偶联剂、改善剂以1:0.035:0.11的比例制备纳米二氧化钛改性剂：先将偶联剂用乙醇进行稀释，再将纳米二氧化钛和改善剂加入到该偶联剂的稀释液中，然后在80℃～85℃的条件下加热搅拌1～1.5h，最后置于干燥箱中干燥除去乙醇，得到制备完成的纳米二氧化钛改性剂。
（2）制备纳米材料改性沥青：将基础沥青（选取的沥青原料）在温度为130℃～140℃的条件下加热熔融，再将稳定剂和步骤（1）中所得的纳米二氧化锆改性剂、纳米二氧化钛改性剂加入到熔融后的基础沥青中，搅拌均匀后升温至150℃～160℃；然后采用高速剪切机对升温后的基础沥青进行剪切处理，再经自然冷却后得到纳米材料改性沥青；该剪切处理过程为：先在剪切速率为2000～3000rpm的条件下低速剪切15～20min，再在剪切速率为6000～7000rpm的条件下高速剪切30～45min。
（3）制备纳米复合改性沥青混合料：将加热至175℃～180℃的矿料和步骤（2）所得的纳米材料改性沥青按照常规方法混合搅拌均匀，即可得到该纳米复合改性沥青混合料。
对实施例1-8中的纳米复合改性沥青混合料进行路用性能试验，试验项目包括车辙试验、低温小梁弯曲试验(-10℃)、冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验，用以测试本发明纳米复合改性沥青混合料的路用性能，并与不添加纳米材料的普通沥青混合料进行对比分析，试验结果见下表1。
从表1可知，本发明纳米复合改性沥青混合料满足交通部部颁标准JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的相关要求，其高温性能、低温性能、水稳定性能等指标明显高于普通沥青混合料，表明本发明沥青混合料的路用性能优越。
上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (10)

1.一种纳米复合改性沥青混合料，其特征在于，由下列重量份的原料制成：矿料100份，沥青3～7份，纳米二氧化锆0.09～0.21份，纳米二氧化钛0.03～0.07份，改善剂0.013～0.032份，稳定剂0.12～0.28份，偶联剂0.004～0.010份。
2.根据权利要求1所述的纳米复合改性沥青混合料，其特征在于，由下列重量份的原料制成：矿料100份，沥青4～6份，纳米二氧化锆0.12～0.18份，纳米二氧化钛0.04～0.06份，改善剂0.018～0.026份，稳定剂0.16～0.24份，偶联剂0.006～0.008份。
3.根据权利要求1所述的纳米复合改性沥青混合料，其特征在于，由下列重量份的原料制成：矿料100份，沥青4.3份，纳米二氧化锆0.129份，纳米二氧化钛0.043份，改善剂0.019份，稳定剂0.172份，偶联剂0.006份。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的纳米复合改性沥青混合料，其特征在于，所述的改善剂为蒙脱土。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的纳米复合改性沥青混合料，其特征在于，所述的稳定剂为糠醛抽出油。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的纳米复合改性沥青混合料，其特征在于，所述的偶联剂为TMC-931复合型单烷氧基类钛酸酯。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的纳米复合改性沥青混合料，其特征在于，所述的沥青为道路石油沥青、煤沥青、SBS改性沥青、PE改性沥青、SBR改性沥青或纤维类改性沥青。
8.一种权利要求1所述纳米复合改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）制备改性剂：按照权利要求1中所述的重量份数选取原料；
将纳米二氧化锆、偶联剂和改善剂以1:0.035:0.11的比例混合均匀，得到纳米二氧化锆改性剂；
将纳米二氧化钛、偶联剂、改善剂以1:0.035:0.11的比例混合均匀，得到纳米二氧化钛改性剂；
（2）制备纳米材料改性沥青：将基础沥青在温度为130℃～140℃的条件下加热熔融，再将稳定剂和步骤（1）中所得的纳米二氧化锆改性剂、纳米二氧化钛改性剂加入到熔融后的基础沥青中，搅拌均匀后升温至150℃～160℃；然后采用高速剪切机对升温后的基础沥青进行剪切处理，再经自然冷却后得到纳米材料改性沥青；
（3）制备纳米复合改性沥青混合料：将加热至175℃～180℃的矿料和步骤（2）所得的纳米材料改性沥青按照常规方法混合搅拌均匀，即可得到该纳米复合改性沥青混合料。
9.根据权利要求8所述的纳米复合改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述纳米二氧化锆改性剂的制备过程中，先将偶联剂用乙醇进行稀释，再将纳米二氧化锆和改善剂加入到该偶联剂的稀释液中，然后在80℃～85℃的条件下加热搅拌1～1.5h，最后置于干燥箱中干燥除去乙醇，得到制备完成的纳米二氧化锆改性剂；
所述纳米二氧化钛改性剂的制备过程中，先将偶联剂用乙醇进行稀释，再将纳米二氧化钛和改善剂加入到该偶联剂的稀释液中，然后在80℃～85℃的条件下加热搅拌1～1.5h，最后置于干燥箱中干燥除去乙醇，得到制备完成的纳米二氧化钛改性剂。
10.根据权利要求8所述的纳米复合改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的剪切处理过程为：先在剪切速率为2000～3000rpm的条件下低速剪切15～20min，再在剪切速率为6000～7000rpm的条件下高速剪切30～45min。
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