CN107722649A - 一种改性沥青及其制备与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改性沥青及其制备与应用,该改性沥青包括沥青和填料,其中所述沥青为高黏沥青,所述填料包括赤泥,所述高黏沥青与赤泥的重量比为1:x,其中,0<x≤0.9,其制备方法是分三次将干燥高温的填料加入到熔融的高黏沥青中,用于铺设多孔隙沥青路面。与现有技术相比,本发明的改性沥青有更为优良的高温性能和黏附性能,因此可以很好的适用于重载、高温、渠化交通严重的传统密实沥青路面及易于松散的多孔隙沥青路面;且该改性沥青具有相对掺矿粉改性沥青更高的布氏黏度、车辙因子和回弹率,反应其具有相对较优的高温性能和回弹性能。
Description
技术领域
本发明涉及沥青改性剂技术领域,具体涉及一种改性沥青及其制备与应用。
背景技术
由于多孔隙沥青混合料具有较大的孔隙率,且混合料内部多为石-石点接触,因此在外界环境因素和车辆荷载的综合作用下,混合料极易产生松散剥落,进而逐步发展为更严重的路面病害。在多孔隙沥青路面发展的初期,为了追求较大孔隙率带来的优良功能性(降噪、排水、抗滑等),通常矿粉等填料掺量很少,甚至不加填料。然而大量的已有研究表明填料与沥青形成的沥青胶浆在混合料中起着至关重要的作用,尤其是沥青胶浆的黏附性。而目前只有较少的关于多孔隙沥青混合料的研究中提出掺加少量的填料,但是不同种类的填料及掺量对多孔隙沥青混合料的抗飞散剥落的影响研究却少之又少,尤其是在改性沥青的应用方面,现有的改性沥青用于多孔隙路面时易于松散。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有优良的高温性能及粘附性能的改性沥青及其制备与应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:一种改性沥青,包括沥青和填料,其中所述沥青为高黏沥青,所述填料包括赤泥,所述高黏沥青与赤泥的重量比为1:x,其中,0<x≤0.9。在多孔隙沥青路面中通常采用的都为高黏沥青,因此多孔隙沥青路面易于松散,所以需要高黏沥青提供较强的黏附性能。本发明中采用赤泥作为高黏沥青的改性剂,其原因是:1.高黏沥青的价格较高,且对于多孔隙沥青路面抗飞散剥落性能的提高程度有限;2.赤泥作为一种固体废弃物可以代替多孔隙沥青路面中的石灰岩矿粉。赤泥改性沥青,提高了沥青的高温性能和黏附性能,且将赤泥改性沥青应用于多孔隙沥青路面中,提高了路面的抗飞散剥落性能。同时,赤泥的添加可以实现固体废弃物的资源化再利用
所述的填料包括石灰岩矿粉,所述沥青、赤泥和石灰岩矿粉的重量比为1:x:y,其中,0<x≤0.9,0<y≤0.9。添加石灰岩矿粉,可以进一步增加沥青的黏度,提高沥青性能。
一种如上所述改性沥青的制备方法,包括以下步骤:
(1)将高黏沥青加热熔融;
(2)将填料加热干燥保温,并等量分成三份;
(3)将第一份填料添加至步骤(1)处理后的高黏沥青中,充分搅拌,然后移至沥青剪切机中进行剪切,然后依次加入第二份填料和第三份填料,即得所述改性沥青。
之所以分开加入等量填料的原因在于:①防止由于添加填料过多,在剪切的时候时填料飞出,影响掺量粉胶比的准确性。②防止填料颗粒结团,虽然使用高速剪切机进行剪切,但是粉胶比较大的情况下仍然容易结团黏附在容器底和容器壁上。
优选的,步骤(1)中高黏沥青的加热温度为185~200℃。
优选的,步骤(2)中填料保温干燥的温度为175~185℃,保温干燥的时间为55~65min。
优选的,步骤(3)中沥青剪切机的剪切速率为4000~4200r/min,每份填料加入后的剪切时间为5~10min。
一种如上所述改性沥青的应用,该改性沥青用于铺设多孔隙沥青路面。
所述改性沥青在制备完成7天内使用,使用前用小型搅拌机搅拌均匀。
所述小型搅拌机的搅拌速率为400~600r/min,交班时间为4~6min。
与现有技术相比,本发明的有益效果体现在以下几方面:
(1)本发明的改性沥青有更为优良的高温性能和黏附性能,因此可以很好的适用于重载、高温、渠化交通严重的传统密实沥青路面及易于松散的多孔隙沥青路面。
(2)本发明的改性沥青具有相对掺矿粉改性沥青更高的布氏黏度和回弹率,反应其具有相对较优的高温性能和回弹性能;
(3)本发明的改性沥青具有相对矿粉改性沥青更高的拉拔破坏力和更低的飞散率,反映其具有相对较优的黏附性能。
附图说明
图1为本发明布氏黏度试验(BV)数据对比图;
图2为本发明G*/sinσ@82℃数据对比图;
图3为本发明Jnr3.2@82℃数据对比图;
图4为本发明BBR试验劲度模量S数据对比图;
图5为本发明BBR试验m值数据对比图;
图6为本发明BBS试验数据对比图;
图7为本发明肯塔堡飞散试验数据对比图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例中的赤泥亦称红泥,从铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业固体废物。一般含氧化铁量大,外观与赤色泥土相似,因而得名。但有的因含氧化铁较少而呈棕色,甚至灰白色。铝土矿中铝含量高的,采用拜尔法炼铝,所产生的赤泥称拜尔法赤泥。本发明所采用的赤泥为拜耳法赤泥,赤泥颗粒细小且不均匀,粒度分布主要集中在1μm~75μm。赤泥具有较高的比表面积,内部具有丰富的毛细孔,导致赤泥吸湿性强,含水率高。赤泥干容重0.65~0.90g/cm3,比重2.70~2.98g/cm3。其来源及生产工艺见表1,其主要物理指标见表2。
表1赤泥样品的来源及产生工艺
表2赤泥的主要物理指标
本发明的沥青为高黏改性沥青,目前在多孔隙沥青路面中应用极为广泛。
以下实施例中所用原料为:
沥青:国产高黏改性沥青(OB),技术指标符合《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40-2004的技术要求;
石灰岩矿粉:石灰岩磨细得到的粉末,技术指标符合《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40-2004的技术要求;
赤泥:中铝河南分公司采用拜耳法生产的赤泥,要矿物组成为钙水化石榴石,钠硅渣,赤铁矿,金红石、锐钛矿、石英等,具体技术指标见表1和表2。
实施例1
按国产高黏沥青1质量份,赤泥0.3质量份制备改性沥青胶浆,具体制备及应用步骤如下:
a)加热高黏沥青至185℃,本研究所用原样沥青为高黏沥青,故在胶浆制备和试验过程中需要保证较高温度,设定为185℃。
b)赤泥在180℃的烘箱中加热保温60±5min,保证填料干燥的同时与沥青的加热温度接近。
c)将填料分成三份,等量添加至沥青中,第一次添加填料之后,拿玻璃棒充分搅拌,然后开启沥青剪切机,将仪器的剪切速率设定为4000r/min,剪切5min后,加入第二份填料,继续剪切5min后加入第三份填料,之后再剪切5min,使沥青胶浆混合均匀。
d)制备好的沥青胶浆应当立即进行相关性能测试,储存后再次重新使用沥青胶浆之前,需要用小型搅拌机以500r/min的搅拌速率搅拌5min,保证胶浆最大限度地混合均匀。胶浆制备好后应在7d内完成所有试验测试,储存时间超过7d则需要重新制备胶浆。
实施例2
采用与实施例1相同的制备方法,不同之处在于:按国产高黏沥青1质量份,赤泥0.6质量份制备改性沥青胶浆。
实施例3
采用与实施例1相同的制备方法,不同之处在于:按国产高黏沥青1质量份,赤泥0.9质量份制备改性沥青胶浆。
实施例4
采用与实施例1相同的制备方法,不同之处在于:采用级配设计成熟且应用广泛的OGFC-13(具体参考《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004))进行多孔隙沥青混合料设计,以沥青膜厚作为控制指标,沥青膜厚采用13μm。
对比例1
采用与实施例1相同的制备方法,不同之处在于:按国产高黏沥青1质量份,矿粉0.3质量份制备改性沥青胶浆。
对比例2
采用与实施例1相同的制备方法,不同之处在于:按国产高黏沥青1质量份,矿粉0.6质量份制备改性沥青胶浆。
对比例3
采用与实施例1相同的制备方法,不同之处在于:按国产高黏沥青1质量份,矿粉0.9质量份制备改性沥青胶浆。
对比例4
采用与实施例1相同的制备方法,不同之处在于:按国产高黏沥青1质量份,赤泥0%质量份和石灰岩矿粉0%质量份配置改性沥青胶浆。
以下是发明人提供的关于以上实施例的赤泥改性沥青胶浆和矿粉改性沥青胶浆的性能与功能试验;
一、沥青布氏旋转黏度
按照ASTM D4402规范进行布氏旋转黏度试验,分别测试沥青在135℃和175℃及沥青胶浆在135℃、175℃和185℃布氏黏度,其测试结果如图1所示,数据如下表所示。
OB | 0.3CJ | 0.6CJ | 0.9CJ | 0.3KJ | 0.6KJ | 0.9KJ | |
Number of Points | 2 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
Degrees of Freedom | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
R-Square(COD) | 1 | 0.98 | 0.97 | 0.97 | 0.98 | 0.98 | 0.99 |
注:图中及表中OB代表原样高粘沥青,0.3CJ代表粉胶比为0.3的赤泥改性沥青胶浆,0.3KJ代表粉胶比为0.3的矿粉改性沥青胶浆,以此类推。本发明的图中均以此作为标注,后面不再重复说明。
由沥青布氏旋转黏度试验结果可以得到以下结论:
a)对三个测量温度135℃、175℃和185℃所得布氏黏度数据进行线性拟合,原样高黏沥青、矿粉改性沥青胶浆和赤泥改性沥青胶浆的布氏黏温曲线均呈现很好的线性关系。b)从黏温图中可以看出,随着温度的上升,矿粉改性沥青胶浆和赤泥改性沥青胶浆的黏度出现不同程度的下降。c)随着矿粉和赤泥掺量的增大,沥青胶浆的黏度也随之增大。d)同一温度和同等掺量条件下,赤泥改性沥青胶浆的布氏黏度均高于矿粉改性赤泥胶浆。说明赤泥改性沥青胶浆的高温及黏附性能优于矿粉改性沥青胶浆。
二、沥青DSR和MSCR试验
分别按照AASHTO TP 5和AASHTO TP-70规范在82℃进行沥青和沥青胶浆的DSR和MSCR试验,所得数据高温车辙因子G*/sinσ(高温车辙因子)和Jnr3.2(3.2kPa作用力下的弹性恢复率)如图2和图3所示。
由沥青DSR和MSCR试验结果可以得到以下结论:
a)随着粉胶比的增大,沥青胶浆的抗车辙因子G*/sinσ逐渐增大,说明填料的加入提高了沥青的的抗车辙能力。但是抗车辙因子增大的程度和粉胶比的关系并不是简单的线性关系。b)在粉胶比为0.3的时候,矿粉改性沥青胶浆和赤泥改性沥青胶浆抗车辙因子相近。但是随着粉胶比的增加,赤泥胶浆的抗车辙因子明显大于矿粉沥青胶浆的抗车辙因子,说明赤泥改性沥青胶浆的高温抗车辙性能显著优于矿粉改性沥青胶浆。c)赤泥和矿粉的掺加均提高了高黏沥青的Jnr3.2,增强了高黏沥青的弹性恢复性能,但是随着矿粉掺量的增加,矿粉改性沥青胶浆的Jnr3.2几乎无变化,而随着赤泥掺量的增加,赤泥改性沥青胶浆的Jnr3.2迅速上升,且均高于同等粉胶比的矿粉改性沥青胶浆,说明赤泥改性沥青胶浆的弹性恢复能力显著优于矿粉赤泥胶浆。
三、沥青弯曲蠕变劲度试验(BBR)
按照AASHTO M320进行沥青和沥青胶浆的BBR试验,其试验结果如图4和图5所示。
由沥青BBR试验结果可以得到以下结论:
a)随着温度的降低,高黏沥青、赤泥改性沥青胶浆和矿粉改性沥青胶浆的劲度模量S呈现增大的趋势。变形恢复斜率m值与劲度模量具有相反的规律,表明高黏沥青、赤泥改性沥青、矿粉改性沥青胶浆的低温抗裂性能随着温度的降低而降低;b)与高黏沥青相比,赤泥改性沥青胶浆和矿粉改性沥青胶浆的S值增大,且m值减小,说明赤泥和矿粉对高黏沥青的低温性能产生了不利影响;c)赤泥改性沥青胶浆的变形恢复斜率m值略微低于矿粉改性沥青胶浆。而劲度模量S的无明显的变化规律。说明在本发明中赤泥改性胶浆比矿粉改性胶浆的低温性能略差,但两者之间相差很小。
四、沥青拉拔试验
按照AASHTO TP-91,进行沥青和沥青胶浆的沥青拉拔试验(BBS,binder bondstrength),其试验结果如图6所示。
由沥青拉拔试验(BBS)结果可以得到以下结论:
a)掺入矿粉之后,沥青胶浆的拉拔强度降低,说明由于添加了填料,虽然增加了沥青的黏度,但是改变了沥青与集料之间的界面接触情况,部分矿粉颗粒在沥青-集料界面形成缺陷,导致应力集中,从而降低了矿粉改性沥青的黏附性,而随着粉胶比的提高,矿粉改性沥青的黏度迅速上升,黏度上升带来黏附性增强的正影响超过了颗粒在界面形成缺陷带来的黏附性降低的负影响。b)当掺入赤泥填料后,沥青胶浆的拉拔强度获得提高,并且随着粉胶比的增大,拉拔强度进一步增大。c)同等粉胶比情况下,赤泥改性沥青胶浆的拉拔破坏力明显高于矿粉改性沥青胶浆。
五、OGFC-13沥青混合料肯塔堡飞散试验
参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)规范中OGFC-13级配,进行混合料设计,控制沥青膜厚为13μm。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011中T0733-2011的进行粉胶比分别为0.3、0.6和0.9的赤泥改性沥青混合料和矿粉改性沥青混合料的肯塔堡飞散试验,其试验结果如图7所示。
由OGFC-13沥青混合料肯塔堡飞散试验结果可以得到以下结论:
a)随着粉胶比的增加,掺加矿粉的多孔隙沥青混合料的抗飞散性能逐渐增大,表现为飞散率降低。
b)同等粉胶比的情况下,赤泥改性多孔隙沥青混合料的抗飞散性能优于矿粉改性多孔隙沥青混合料的抗飞散性能,这与拉拔试验所得试验规律一致。
从以上试验我们可以看出,本发明制备所得改性沥青具有以下优点:
(1)具有相对掺矿粉改性沥青更高的布氏黏度、车辙因子和回弹率,反应其具有相对较优的高温性能和回弹性能;
(2)具有相对矿粉改性沥青更高的拉拔破坏力和更低的飞散率,反映其具有相对较优的黏附性能。
Claims (9)
1.一种改性沥青,其特征在于,包括沥青和填料,其中所述沥青为高黏沥青,所述填料包括赤泥,所述高黏沥青与赤泥的重量比为1:x,其中,0<x≤0.9。
2.根据权利要求1所述的一种改性沥青,其特征在于,所述的填料包括石灰岩矿粉,所述沥青、赤泥和石灰岩矿粉的重量比为1:x:y,其中,0<x≤0.9,0<y≤0.9。
3.一种如权利要求1或2所述改性沥青的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将高黏沥青加热熔融;
(2)将填料加热干燥保温,并等量分成三份;
(3)将第一份填料添加至步骤(1)处理后的高黏沥青中,充分搅拌,然后移至沥青剪切机中进行剪切,然后依次加入第二份填料和第三份填料,即得所述改性沥青。
4.根据权利要求3所述的一种改性沥青的制备方法,其特征在于,步骤(1)中高黏沥青的加热温度为185~200℃。
5.根据权利要求3所述的一种改性沥青的制备方法,其特征在于,步骤(2)中填料保温干燥的温度为175~185℃,保温干燥的时间为55~65min。
6.根据权利要求3所述的一种改性沥青的制备方法,其特征在于,步骤(3)中沥青剪切机的剪切速率为4000~4200r/min,每份填料加入后的剪切时间为5~10min。
7.一种如权利要求1或2所述改性沥青的应用,其特征在于,该改性沥青用于铺设多孔隙沥青路面。
8.根据权利要求7所述的一种改性沥青的应用,其特征在于,所述改性沥青在制备完成7天内使用,使用前用小型搅拌机搅拌均匀。
9.根据权利要求8所述的一种改性沥青的应用,其特征在于,所述小型搅拌机的搅拌速率为400~600r/min,搅拌时间为4~6min。
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