CN106928731A - 一种湖沥青/sbs复合改性剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种湖沥青/SBS复合改性剂及其制备方法和应用。所述湖沥青/SBS复合改性剂是由湖沥青、聚合物SBS和相容剂经熔融共混而成的预分散体，将其与石油沥青和稳定剂通过熔融共混可以制备改性沥青。本发明制得的湖沥青/SBS复合改性剂是一种可显著改善石油沥青抗高温变形、抗低温开裂和抗水损害能力的预分散体，将该预分散体加入到石油沥青中，利用预分散体与石油沥青良好相容性的优点，制备出分散均匀、不易发生分层离析的湖沥青/SBS复合改性沥青。该改性沥青用于高温、潮湿、多雨地区的重载交通沥青路面的建设，可显著减少沥青路面病害、降低路面养护费用、延长沥青路面使用寿命。

Description

一种湖沥青/SBS复合改性剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种湖沥青/SBS复合改性剂及其制备方法和应用。
背景技术
进入21世纪以来，我国公路建设得到快速发展，截至2016年底，全国高速公路总里程已突破13万公里，位居世界第一。在已建高速公路中，90%以上为沥青路面。但随着交通运输量的持续增长，普通基质沥青已难以满足高等级沥青路面结构和现代交通发展的需求，取而代之的是路用性能更为优异的改性沥青。湖沥青因具有与石油沥青相近的化学组成且可赋予石油沥青良好的高温稳定性而被用于道路石油沥青改性。相比于常用的聚合物类沥青改性剂，湖沥青对石油沥青具有其独特的改性效果，例如可改善石油沥青抗老化、抗水损害、抗剥落等性能。尽管湖沥青改性沥青具有以上诸多优点，但是由于湖沥青中含有大量沥青质、树脂和灰分，将其加入到石油沥青中，降低了改性沥青的低温延展性，使得改性沥青低温抗裂性不但没有改善，反而显著降低，导致沥青路面在寒冷气温下易产生发生开裂，大大缩短沥青路面的使用寿命。
专利CN 101445659 B与专利CN 101445658 B分别公开了一种湖沥青改性沥青和天然复合（由湖沥青与岩沥青组成）改性沥青，两件专利均提供了具有优良路用性能的改性沥青制备方法，但在工程应用中发现，湖沥青（或湖沥青和岩沥青的复合）改性沥青中含有较大比例的灰分，这些灰分与沥青并不相容且两者之间存在密度差，因此灌装的湖沥青改性沥青在储存和运输过程中容易发生离析沉淀，一旦发生严重的灰分离析，罐底部分湖沥青改性沥青中的灰分含量会明显偏大，在拌和楼计量控制时，单位湖沥青改性沥青中有效沥青含量会偏少，将影响湖沥青改性沥青混合料中的有效沥青含量和生产级配，特别是0.075 mm以下筛孔的通过率会偏大，从而严重影响沥青混合料的路用性能。同时离析沉淀也易引起拌和喷油时发生喷油嘴堵塞，引发施工机械故障，影响拌料质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种湖沥青/SBS复合改性剂及其制备方法和应用。该湖沥青/SBS复合改性沥青具有优良物理性能和抗路面病害能力。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种湖沥青/SBS复合改性剂，由湖沥青、聚合物SBS和相容剂经熔融共混而成的预分散体，各原料所占质量百分比为：湖沥青60%~82%、SBS 8%~17%、相容剂10%~23%。
所述的湖沥青为常用湖沥青，其25℃针入度为3dmm，软化点为100℃，密度为1.359g/cm3，灰分为33.1%。
所述的SBS是线型苯乙烯－丁二烯－苯乙烯三嵌段热塑性弹性体、星型苯乙烯－丁二烯－苯乙烯三嵌段热塑性弹性体中的一种或二种。
所述的相容剂为糠醛抽出油或催化裂化油浆或环氧大豆油中的一种或二种。
一种湖沥青/SBS复合改性剂的制备方法，按如下步骤进行：
（1）按原料配比称取湖沥青、SBS、相容剂；
（2）将相容剂加入到高速剪切搅拌机保温容器中，将其加热至170℃±5℃并保温；
（3）开动高速剪切搅拌机，将转速设定为1000~2000rmp，将破碎的湖沥青逐渐加入到相容剂中，在170℃±5℃温度下搅拌10~30分钟；
（4）将步骤（3）混合物温度提高至180℃±5℃，将转速提高到2500~4500rmp，将SBS逐渐加入到混合沥青中，然后搅拌0.5~2小时；
（5）将步骤（4）所得预混合物在5~10℃下破碎至粒径不大于1cm的颗粒，制得湖沥青/SBS复合改性剂预分散体。
所述的湖沥青/SBS复合改性剂用于制备改性沥青上的应用，由湖沥青/SBS复合改性剂、石油沥青和稳定剂通过熔融共混制备改性沥青；各原料所占质量百分比为：石油沥青56.5%~77.9%、湖沥青/SBS复合改性剂22%~42%和稳定剂0.1%~1.5%。
所述的石油沥青为普通的道路石油沥青，其25℃针入度大于60dmm，软化点为45~55℃。
所述的稳定剂为硫磺或多聚磷酸中的一种或二种。
具体步骤为：
（1）按原料配比称取石油沥青、湖沥青/SBS复合改性剂、稳定剂；
（2）将石油沥青加入到高速剪切搅拌机保温容器中，将其加热至180℃±5℃并保温；
（3）开动高速剪切搅拌机，将转速设定为2500~4500rmp，将湖沥青/SBS复合改性剂预分散体和稳定剂依次逐渐加入到石油沥青中，在180℃±5℃温度下搅拌0.5~1小时；
（4）保持温度为180℃±5℃，将转速降低至1500~2500rmp，继续搅拌2~3.5小时，即制得湖沥青/SBS复合改性沥青。
本发明的有益效果如下：
其一，湖沥青/SBS复合改性剂同时提高石油沥青的抗高温变形、抗水损害和抗低温开裂能力。湖沥青中沥青质含量较大，属于凝胶结构体系，同时含有大量的灰分，因此其硬而脆，对普通石油沥青的高温稳定性具有显著的改善效果，并且湖沥青中的杂原子化合物成分增大了石油沥青的极性，可增强石油沥青对石料的浸润及粘附能力，提高了其抗水损害能力。但湖沥青较脆，且灰分含量较大，使得其改性石油沥青的抗低温开裂能力极差，在低温环境下易受交通荷载作用而发生开裂。SBS在沥青中形成网络结构，对作用于沥青的应力具有较好的分散耗散作用，可提高沥青的低温性能。将湖沥青与SBS、相容剂熔融共混制成复合改性剂，相容剂使得SBS充分溶胀并均匀分散在沥青中，使湖沥青与SBS的改性石油沥青性能上起到较好的协同作用，赋予石油沥青兼具良好的抗高温变形、抗水损害、抗低温开裂性能。
其二，采用预分散体的办法解决了湖沥青灰分与SBS在改性沥青体系热储存和运输过程中易发生分层离析的问题。湖沥青中沥青成分种类与石油沥青基本相同，只是重组分的沥青质含量较大，其也是沥青中密度最大的组分，但对于湖沥青中的灰分来说，其本质与沥青完全不同，密度也明显大于沥青，因而将其与粘度相对较小的石油沥青混合后，易于向改性沥青体系的底部沉降。与之相反，SBS与石油沥青属于热力学不相容物质，SBS在石油沥青中会发生离析而向改性沥青上层迁移。在湖沥青/SBS复合改性剂预分散体制备过程中，SBS被相容剂溶胀而变得松散，湖沥青中密度较大的沥青质胶团与灰分可被吸附到SBS溶胀体上，并填充到溶胀空隙中，使复合改性剂的密度与石油沥青的趋于一致，使得湖沥青的灰分和SBS在改性沥青中不易发生分层离析。
其三，湖沥青/SBS复合改性剂预分散体以湖沥青为主要成分，而湖沥青本身与石油沥青的混容性较好，因此将经过适当破碎的预分散体颗粒加入到石油沥青中，可迅速、均匀地被分散到石油沥青中，不会出现SBS因容积密度很小而漂浮在熔融石油沥青表面而难以被分散到石油沥青内部，解决了难以均匀分散的问题。
其四，湖沥青是经过亿万年的充分氧化而形成，因而其本身抗氧化老化能力较强。同时将湖沥青中加入石油沥青中，湖沥青中氮的含量是普通石油沥青的几倍至几十倍（0.8%），其中的氮元素是以官能团形式出现，湖沥青中的这些对氧化自由基具有高抵抗性的官能团也提高了石油沥青的抗老化性，因此采用湖沥青/SBS复合改性剂提高了石油沥青的耐老化性。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合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。
实施例1：
将10份（质量份，下同）糠醛抽出油加入到高速剪切搅拌机保温容器中，加热至170℃左右；开动高速剪切搅拌机，设定转速为1000rmp，加入82份经过适当破碎的湖沥青后搅拌20分钟；再将温度升高到180℃、转速提高到3500rmp，加入8份的线型SBS后搅拌1小时；最后将制得的混合物在5~10℃下破碎至粒径不大于1cm的颗粒，即制得湖沥青/SBS复合改性剂预分散体。
将77.9份石油沥青（25℃针入度为70dmm，软化点为49.1℃）加入到高速剪切搅拌机保温容器中，加热至180℃左右；开动高速剪切搅拌机并将转速设定为4000rmp，将22份湖沥青/SBS复合改性剂预分散体和0.1份硫磺加入到石油沥青中，并搅拌0.5小时；保持温度为180℃，搅拌转速降低至2000rmp后继续搅拌2.5小时，即制得湖沥青/SBS复合改性沥青。
对本发明制备的湖沥青/SBS复合改性沥青以及采用该复合改性沥青制备的沥青混合料进行性能测试，为便于比较，相应的湖沥青改性沥青及其混合料性能也进行同样的测试，下述各试验的方法均采用本技术领域的常规测试方法，测试结果列于表1。
表1 湖沥青/SBS复合改性沥青和湖沥青改性沥青及其混合料性能对比
与湖沥青改性沥青相比，湖沥青/SBS复合改性沥青具有更大的延度和弯曲破坏应变，因而具有更好的抗低温开裂性能；采用预分散体加入的方法，离析软化点差值也明显降低，说明其高温储存稳定性得到提高；与此同时，马歇尔稳定度和动稳定度以及浸水马歇尔残留稳定度均有所增大，抗高温变形能力和水稳定性得到改善。
实施例2：
将23份催化裂化油浆加入到高速剪切搅拌机保温容器中，加热至170℃左右；开动高速剪切搅拌机，设定转速为1500rmp，加入60份经过适当破碎的湖沥青后搅拌30分钟；再将温度升高到180℃、转速提高到4000rmp，加入17份的星型SBS后搅拌1.5小时；最后将制得的混合物在5~10℃下破碎至粒径不大于1cm的颗粒，即制得湖沥青/SBS复合改性剂预分散体。
将56.5份石油沥青（25℃针入度为89dmm，软化点为45.8℃）加入到高速剪切搅拌机保温容器中，加热至180℃左右；开动高速剪切搅拌机并将转速设定为4500rmp，将42份湖沥青/SBS复合改性剂预分散体和1.5份多聚磷酸加入到石油沥青中，并搅拌45分钟；保持温度为180℃，搅拌转速降低至2000rmp后继续搅拌2.5小时，即制得湖沥青/SBS复合改性沥青。
对本发明制备的湖沥青/SBS复合改性沥青以及采用该复合改性沥青制备的沥青混合料进行性能测试，为便于比较，相应的湖沥青改性沥青及其混合料性能也进行同样的测试，下述各试验的方法均采用本技术领域的常规测试方法，测试结果列于表2。
表2 湖沥青/SBS复合改性沥青和湖沥青改性沥青及其混合料性能对比
与湖沥青改性沥青相比，湖沥青/SBS复合改性沥青具有更大的延度、弯曲破坏应变、马歇尔稳定度、动稳定度以及浸水马歇尔残留稳定度，同时具有更小的离析软化点差值，表现出明显的性能优势。与实施例1类似，湖沥青/SBS复合改性沥青及其混合料具有优异的性能。
实施例3：
将20份环氧大豆油加入到高速剪切搅拌机保温容器中，加热至170℃左右；开动高速剪切搅拌机，设定转速为2000rmp，加入68份经过适当破碎的湖沥青后搅拌10分钟；再将温度升高到180℃、转速提高到4500rmp，加入8份的线型SBS和4份的星型SBS后搅拌1小时；最后将制得的混合物在5~10℃下破碎至粒径不大于1cm的颗粒，即制得湖沥青/SBS复合改性剂预分散体。
将63份石油沥青（25℃针入度为78dmm，软化点为46.9℃）加入到高速剪切搅拌机保温容器中，加热至180℃左右；开动高速剪切搅拌机并将转速设定为3000rmp，将36份湖沥青/SBS复合改性剂预分散体、0.1份硫磺、0.9份多聚磷酸加入到石油沥青中，并搅拌1小时；保持温度为180℃，搅拌转速降低至1500rmp后继续搅拌3小时，即制得湖沥青/SBS复合改性沥青。
对本发明制备的湖沥青/SBS复合改性沥青以及采用该复合改性沥青制备的沥青混合料进行性能测试，为便于比较，相应的湖沥青改性沥青及其混合料性能也进行同样的测试，下述各试验的方法均采用本技术领域的常规测试方法，测试结果列于表3。
表3 湖沥青/SBS复合改性沥青和湖沥青改性沥青及其混合料性能对比
相比于湖沥青改性沥青，湖沥青/SBS复合改性沥青具有更大的延度、弯曲破坏应变、马歇尔稳定度、动稳定度以及浸水马歇尔残留稳定度，同时具有更小的离析软化点差值，表现出明显的性能优势。与实施例2类似，湖沥青/SBS复合改性沥青及其混合料具有优异的性能。
实施例4：
将5份糠醛抽出油和5份催化裂化油浆加入到高速剪切搅拌机保温容器中，加热至170℃左右；开动高速剪切搅拌机，设定转速为1000rmp，加入75份经过适当破碎的湖沥青后搅拌30分钟；再将温度升高到180℃、转速提高到4000rmp，加入15份的线型SBS后搅拌2小时；最后将制得的混合物在5~10℃下破碎至粒径不大于1cm的颗粒，即制得湖沥青/SBS复合改性剂预分散体。
将71份石油沥青（25℃针入度为91dmm，软化点为45.2℃）加入到高速剪切搅拌机保温容器中，加热至180℃左右；开动高速剪切搅拌机并将转速设定为3000rmp，将28.5份湖沥青/SBS复合改性剂预分散体和0.05份硫磺和0.45份多聚磷酸加入到石油沥青中，并搅拌0.5小时；保持温度为180℃，搅拌转速降低至1500rmp后继续搅拌3.5小时，即制得湖沥青/SBS复合改性沥青。
对本发明制备的湖沥青/SBS复合改性沥青以及采用该复合改性沥青制备的沥青混合料进行性能测试，为便于比较，相应的湖沥青改性沥青及其混合料性能也进行同样的测试，下述各试验的方法均采用本技术领域的常规测试方法，测试结果列于表4。
表4 湖沥青/SBS复合改性沥青和湖沥青改性沥青及其混合料性能对比
相比于湖沥青改性沥青，湖沥青/SBS复合改性沥青具有更大的延度、弯曲破坏应变、马歇尔稳定度、动稳定度以及浸水马歇尔残留稳定度，同时具有更小的离析软化点差值，表现出明显的性能优势。与实施例2类似，湖沥青/SBS复合改性沥青及其混合料具有优异的性能。
实施例5：
将10份糠醛抽出油和4份环氧大豆油加入到高速剪切搅拌机保温容器中，加热至170℃左右；开动高速剪切搅拌机，设定转速为1000rmp，加入78份经过适当破碎的湖沥青后搅拌30分钟；再将温度升高到180℃、转速提高到4500rmp，加入8份的星型SBS后搅拌2小时；最后将制得的混合物在5~10℃下破碎至粒径不大于1cm的颗粒，即制得湖沥青/SBS复合改性剂预分散体。
将68份石油沥青（25℃针入度为64dmm，软化点为52.8℃）加入到高速剪切搅拌机保温容器中，加热至180℃左右；开动高速剪切搅拌机并将转速设定为2500rmp，将31.7份湖沥青/SBS复合改性剂预分散体、0.05份硫磺、0.25份多聚磷酸加入到石油沥青中，并搅拌1小时；保持温度为180℃，搅拌转速降低至2000rmp后继续搅拌3小时，即制得湖沥青/SBS复合改性沥青。
对本发明制备的湖沥青/SBS复合改性沥青以及采用该复合改性沥青制备的沥青混合料进行性能测试，为便于比较，相应的湖沥青改性沥青及其混合料性能也进行同样的测试，下述各试验的方法均采用本技术领域的常规测试方法，测试结果列于表5。
表5 湖沥青/SBS复合改性沥青和湖沥青改性沥青及其混合料性能对比
相比于湖沥青改性沥青，湖沥青/SBS复合改性沥青具有更大的延度、弯曲破坏应变、马歇尔稳定度、动稳定度以及浸水马歇尔残留稳定度，同时具有更小的离析软化点差值，表现出明显的性能优势。与实施例2类似，湖沥青/SBS复合改性沥青及其混合料具有优异的性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种湖沥青/SBS复合改性剂，其特征在于：所述的复合改性剂是由湖沥青、聚合物SBS和相容剂经熔融共混而成的预分散体。
2. 根据权利要求1所述的一种湖沥青/SBS复合改性剂，其特征在于：所述的复合改性剂由以下质量百分比的原料组成：湖沥青60%~82%、SBS 8%~17%和相容剂10%~23%。
3. 根据权利要求1所述的一种湖沥青/SBS复合改性剂，其特征在于：所述的湖沥青为常用湖沥青，其25℃针入度为3dmm，软化点为100℃，密度为1.359 g/cm3，灰分为33.1%。
4.根据权利要求1所述的一种湖沥青/SBS复合改性剂，其特征在于：所述的聚合物SBS是线型苯乙烯－丁二烯－苯乙烯三嵌段热塑性弹性体、星型苯乙烯－丁二烯－苯乙烯三嵌段热塑性弹性体中的一种或二种。
5.根据权利要求1所述的一种湖沥青/SBS复合改性剂，其特征在于：所述的相容剂为糠醛抽出油、催化裂化油浆、环氧大豆油中的一种或二种。
6.如权利要求1所述的一种湖沥青/SBS复合改性剂的制备方法，其特征在于：按如下步骤进行：
（1）按原料配比称取湖沥青、SBS、相容剂；
（2）将相容剂加入到高速剪切搅拌机保温容器中，将其加热至170℃±5℃并保温；
（3）开动高速剪切搅拌机，将转速设定为1000~2000rmp，将破碎的湖沥青逐渐加入到相容剂中，在170℃±5℃温度下搅拌10~30分钟；
（4）将步骤（3）混合物温度提高至180℃±5℃，将转速提高到2500~4500rmp，将SBS逐渐加入到混合沥青中，然后搅拌0.5~2小时；
（5）将步骤（4）所得预混合物在5~10℃下破碎至粒径不大于1cm的颗粒，制得湖沥青/SBS复合改性剂预分散体。
7.如权利要求1所述的湖沥青/SBS复合改性剂用于制备改性沥青上的应用，其特征在于：由湖沥青/SBS复合改性剂、石油沥青和稳定剂通过熔融共混制备改性沥青；各原料所占质量百分比为：石油沥青56.5%~77.9%、湖沥青/SBS复合改性剂22%~42%和稳定剂0.1%~1.5%。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述的石油沥青为普通的道路石油沥青，其25℃针入度大于60dmm，软化点为45~55℃。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：所述的稳定剂为硫磺或多聚磷酸中的一种或二种。
10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：具体步骤为：
（1）按原料配比称取石油沥青、湖沥青/SBS复合改性剂、稳定剂；
（2）将石油沥青加入到高速剪切搅拌机保温容器中，将其加热至180℃±5℃并保温；
（3）开动高速剪切搅拌机，将转速设定为2500~4500rmp，将湖沥青/SBS复合改性剂预分散体和稳定剂依次逐渐加入到石油沥青中，在180℃±5℃温度下搅拌0.5~1小时；
（4）保持温度为180℃±5℃，将转速降低至1500~2500rmp，继续搅拌2~3.5小时，即制得湖沥青/SBS复合改性沥青。
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