CN107793775A

CN107793775A - 一种改性沥青复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN107793775A
Application number: CN201711103421.7A
Authority: CN
Inventors: 谢长溪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2018-03-13

Abstract

本发明涉及一种改性沥青复合材料及其制备方法，结合了无机矿物改性和纤维改性的优势，使其各项性能得到了进一步提升，且制备方法简单，原料便宜易得，节省了成本。

Description

一种改性沥青复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于沥青制备技术领域，具体涉及一种改性沥青复合材料及其制备方法，用于路面材料可以有效的提高路面的性能，延长路面的使用寿命。

背景技术

目前，沥青路面已成为道路路面的首选。根据美国沥青路面协会的调查，美国超过90％的高速公路路面采用的是沥青路面。然而，近期气候变化与车辆荷载的增加导致道路路面病害情况日趋严重。考虑到人们生活需要高质量、安全和高效率的基础设施，由此，提高沥青路面抗车辙性能、抗疲劳能力、抗温度裂缝能力与使用寿命己迫在眉睫。因而改性沥青的研究工作也突显出较明显的研究意义。

沥青材料中90％到95％的成分由碳氢元素组成，余下的成分则为杂原子和金属原子，其中杂原子如氮、氧和硫常在沥青结构中替代碳原子。沥青材料中各种原子与分子的相互作用形成了沥青独一无二的物理化学性质。沥青材料中的碳和硫等微量元素都比较容易与空气的氧发生反应从而引发沥青的老化作用，还有自然光的作用也会促成沥青的老化反应。沥青材料一旦开始老化后，其微观结构和成分也相应地会有一定的变化。一般来说，开始老化后的沥青材料会慢慢地变得更硬更脆f3-sl。金属原子如钒、镍和铁等一般在沥青材料中的含量不到1％。沥青材料的分子结构非常复杂，根据其产源地的不同，其结构、性质和化学成分也会有较大的差异。按照沥青材料不同的蒸馏方法，其成分会有三组分(油分、树脂、沥青质)和四组分(饱和烃、芳香烃、胶质和沥青质)两种分类。沥青质分子结构是线性的、三维的和链状的；芳香烃分子结构是平坦的，环状且稳定的碳原子堆积在一起，有很强的气味。沥青材料中这些分子间的相互作用与含量都与沥青物理化学性质密切相关。分子的化学键联结相对而言是比较脆弱的，是可以通过热和剪切力来破坏这类分子的联结，例如，在经过加热沥青材料后，其加热过程破坏了分子间键的联结后，沥青则呈现流动状态，而当沥青材料冷却后，其分子间键和化学结构又重新构成，成型后的沥青结构可能与之前的结构会有一定的差异。沥青中极性有极分子形成网络结构并给予了其弹性性能，而沥青中的非极性分子形成网络结构的周围部分并贡献了其粘性性能。极性有极分子与非极性分子共同的存在形成了稳定的沥青结合料，且牛顿体沥青分子间的弱联结性导致其性能随温度而变化。

近年来我国经济发展迅速，高速公路的建设规模日益扩大，交通路况呈现出重载荷、高流量和渠道化明显等特点。另外，冰冻灾害、高低温周期交替以及雨水侵蚀等恶劣气候的出现，使沥青路面出现了大量的早期公路病害现象，其中比较典型且出现比例较高的有车辙、裂缝、坑槽、松散、泛油等，使沥青路面面临着严峻的考验，因此对沥青及其混合料的性能也提出了更高的要求，普通沥青材料己难以满足高等级沥青路面结构和现代交通发展的需求。沥青路面的性能很大程度上取决于所采用的沥青混合料的品质。

改性沥青(沥青胶浆)的研究主要分为三个方向，一种是聚合物改性沥青，如SBS、SBR、TLA、PE、废旧橡胶粉改性沥青等；一种是无机粉体改性沥青，如蒙脱土、硅藻土、氧化锌等；一种是纤维改性沥青，如木质素纤维、聚酷纤维、玻璃纤维、石棉纤维、玄武岩纤维等。

中国专利201710199292.X公开了一种道路用改性沥青及制备方法，所述改性沥青包括如下组分：沥青、SBS、聚对苯二甲酸丁二醇酯、炭粉、凹凸棒石粘土、环氧树脂、废旧橡胶、聚丙烯纤维、纤维素醚、纳米二氧化钛、氯化钠、硅酸钠、填充剂、相容剂、软化剂。制备方法包括：先制备膏状凹凸棒石粘土；称取沥青加入到反应罐中，升温至沥青呈溶解可流动状态，向反应罐中加入聚合物组分及纤维素醚、相容剂、软化剂，搅拌混合反应2～4h，再将剩余组分加入到混合物中，然后置于混炼机中混炼2～4h，冷却即可。所述改性沥青不仅具有较好的耐寒、防开裂、抗老化、高强度的特点，还具有一定的融雪防结冰的性能，大大提高了沥青路面的使用安全性。

中国专利201710377373.4公开了一种环保型园林路面材料及制备方法，所述材料包括组分如下：沥青、环氧树脂、聚丙烯酰胺树脂、炭黑、木屑、凹凸棒石粘土、填充剂、增塑剂、改性剂份、稳定剂。制备方法包括：称取沥青与环氧树脂、聚丙烯酰胺树脂及改性剂再160℃～170℃下反应；向反应混合物中加入炭黑、木屑、凹凸棒石粘土及增塑剂，于160℃～180℃超声反应20min～40min；向混合物中加入填充剂和稳定剂，混合搅拌均匀，剪切后置于烘箱中溶胀发育，然后冷却、粉碎、造粒，即可。所述材料具有较好的耐摩擦、承重性及抗撕裂等力学性能及较好的耐候性，避免了因道路车辙、开裂、破损等翻修造成资源浪费，具有较好的生态环保经济效益。

中国专利申请201510252081.9公开了一种耐候性的沥青路面修补材料，其由以下重量份数的原料制成：偶氮二甲酰胺1-5份，改性凹凸棒土6-14份，无机纤维9-11份，云母粉4-9份，正丁醇3-8份，氧化铝粉5-8份，抗氧剂1.3-3份，丙三醇三甘油酸酯3-7份，加热沥青12-18份，增韧剂2-6份，改性催化剂1-4份，蒙脱石粘土增稠剂5-12份，改性粘土6-9份，木纤维5-11份，开孔膨胀珍珠岩5.5-10份。其有益效果是：具有良好的耐候性，能够很好的适应温度范围，同时强度较好，提高了路面的抗压能力。

但是现有技术中多是单一方向的改性都有其各自的优缺点，并不能全面的满足实际道路的需求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种改性沥青复合材料及其制备方法，本发明的制备方法制备得到的改性沥青复合材料，结合了无机矿物改性和纤维改性的优势，使其各项性能得到了进一步提升，且制备方法简单，原料便宜易得，节省了成本，使得性价比与性能两方面的需要能最大的满足。

本发明采用如下技术方案：一种改性沥青复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将造岩矿物与蒸馏水、模板剂混合，在50-70℃条件下搅拌1-10h，待溶液自然冷却至室温后，进行抽滤，用去离子水反复洗涤，然后将滤饼置于烘箱中100-120℃下干燥5-10h，研磨后过300目筛，即制得改性的造岩矿物备用；

(2)将基质沥青进行熔融，并将熔融的基质沥青倒入高速搅拌器中，保持温度在200℃左右，基于基质沥青的质量，加入5-10wt％的步骤(1)得到的改性的造岩矿物，在3000-4000rpm的转速下搅拌5-10h，然后将混合物置于普通搅拌器中搅拌2-5h，温度保持在150℃左右，即得到改性的造岩矿物复合的沥青材料；

(3)保持步骤(2)得到的沥青材料在150℃左右的搅拌的状态，然后加入1-2wt％的纤维材料，持续搅拌，直至无明显结团现象，再将样品在真空干燥箱中进行抽真空和干燥处理，最后冷却得到。

在本发明的优选的实施方案中，所述的造岩矿物优选为绿泥石、叶腊石中的一种或几种。

在本发明的优选的实施方案中，所述的基质沥青选自70号基质沥青或是90号基质沥青。

在本发明的优选的实施方案中，所述的纤维由玄武岩纤维、碳纤维和聚乙烯纤维组成。

在本发明的优选的实施方案中，所述的纤维由玄武岩纤维、碳纤维和聚乙烯纤维按照质量比为(1-3):1:1的比例组成。

本发明还保护上述制备方法制备得到的改性沥青复合材料。

本发明还保护上述制备方法制备得到的改性沥青复合材料在作为路面材料中的应用。

造岩矿物以硅酸盐类矿物为最多，其成分简单，能很大程度的改善沥青的流变性能和抗老化性能，经过对多种无机矿物作为改性的长期实验研究，在本发明的制备方法中，造岩矿物优选为绿泥石、叶腊石时，各项性能的综合评价最优。纤维改性在沥青改性领域已有较多得研究，在沥青材料中添加纤维改性剂后，沥青材料自身的组分和结构会发生变化，从而使沥青材料的流变性能发生相应的变化。玄武岩纤维是近年来出现的新型高性能沥青改性剂，与其他纤维相比，玄武岩纤维在沥青路面的应用中表现出显著的优势，如力学性能优异、工作范围大、比表面积大、耐酸碱性、耐老化和水稳定性好等，但是现有研究中针对玄武岩纤维材料自身的结构、物化性能和改性机理方面均为明确，并且使用玄武岩纤维的成本较高，本发明经过复配，采用玄武岩纤维、碳纤维和聚乙烯纤维的组合，获得了较佳的沥青性能，并且能有效的降低了成本。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明采用造岩矿物改性结合复合纤维改性的方式，制备得到具有优良性能的改性沥青复合材料，使得其流变性能和抗老化性能得到了显著的提升，并且在保证高性能的同时，显著的降低了成本；本发明的制备方法简单，原料便宜易得，具有较高的性价比，解决了现有技术的需求。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚，本发明用以下具体实施例进行说明，但本发明绝非限于这些例子。

实施例1改性沥青复合材料A

其制备方法包括如下步骤：

(1)将绿泥石与蒸馏水、模板剂混合，在60℃条件下搅拌2h，待溶液自然冷却至室温后，进行抽滤，用去离子水反复洗涤，然后将滤饼置于烘箱中105℃下干燥5h，研磨后过300目筛，即制得改性的绿泥石备用；

(2)将70号基质沥青进行熔融，并将熔融的基质沥青倒入高速搅拌器中，保持温度在200℃左右，基于基质沥青的质量，加入5％的步骤(1)得到的改性的造岩矿物，在4000rpm的转速下搅拌5h，然后将混合物置于普通搅拌器中搅拌2h，温度保持在150℃左右，即得到改性的造岩矿物复合的沥青材料；

(3)保持步骤(2)得到的沥青材料在150℃左右的搅拌的状态，然后加入1wt％的纤维材料，持续搅拌，直至无明显结团现象，再将样品在真空干燥箱中进行抽真空和干燥处理，最后冷却得到；所述的纤维由玄武岩纤维、碳纤维和聚乙烯纤维按照质量比为3:1:1的比例组成。

实施例2改性沥青复合材料B

其制备方法包括如下步骤：

(1)将叶腊石与蒸馏水、模板剂混合，在70℃条件下搅拌5h，待溶液自然冷却至室温后，进行抽滤，用去离子水反复洗涤，然后将滤饼置于烘箱中120℃下干燥5h，研磨后过300目筛，即制得改性的叶腊石备用；

(2)将70号基质沥青进行熔融，并将熔融的基质沥青倒入高速搅拌器中，保持温度在200℃左右，基于基质沥青的质量，加入10wt％的步骤(1)得到的改性的造岩矿物，在4000rpm的转速下搅拌10h，然后将混合物置于普通搅拌器中搅拌5h，温度保持在150℃左右，即得到改性的造岩矿物复合的沥青材料；

(3)保持步骤(2)得到的沥青材料在150℃左右的搅拌的状态，然后加入2wt％的纤维材料，持续搅拌，直至无明显结团现象，再将样品在真空干燥箱中进行抽真空和干燥处理，最后冷却得到；所述的纤维由玄武岩纤维、碳纤维和聚乙烯纤维按照质量比为2:1:1的比例组成。

实施例3改性沥青复合材料C

其制备方法包括如下步骤：

(1)将绿泥石和叶腊石混合物与蒸馏水、模板剂混合，在50℃条件下搅拌10h，待溶液自然冷却至室温后，进行抽滤，用去离子水反复洗涤，然后将滤饼置于烘箱中100℃下干燥10h，研磨后过300目筛，即制得改性的绿泥石备用；

(2)将70号基质沥青进行熔融，并将熔融的基质沥青倒入高速搅拌器中，保持温度在200℃左右，基于基质沥青的质量，加入6wt％的步骤(1)得到的改性的造岩矿物，在3000rpm的转速下搅拌10h，然后将混合物置于普通搅拌器中搅拌3h，温度保持在150℃左右，即得到改性的造岩矿物复合的沥青材料；

(3)保持步骤(2)得到的沥青材料在150℃左右的搅拌的状态，然后加入1.5wt％的纤维材料，持续搅拌，直至无明显结团现象，再将样品在真空干燥箱中进行抽真空和干燥处理，最后冷却得到；所述的纤维由玄武岩纤维、碳纤维和聚乙烯纤维按照质量比为1:1:1的比例组成。

对比例1改性沥青复合材料D

除了所述的纤维全部为玄武岩纤维，其余与实施例1相同。

对比例2改性沥青复合材料E

除了未加入改性的造岩矿物，其余与实施例1相同。

对比例3改性沥青复合材料F

除了未加入纤维，其余与实施例1相同。

实施例4

将各个实施例得到的沥青复合材料的高低温及流变试验性能进行测试。

从沥青动态模量试验结果得知，实施例1-3的沥青复合材料在短期老化和长期老化前后的复数剪切模量都高于对比例1-3的复数剪切模量，这意味着，实施例1-3相对于对比例1-3显著的提高沥青路面的抗车辙性能与抗永久变形能力，

从沥青弯曲梁流变试验结果来看，实施例1-3相比对比例1-3，沥青复合材料的劲度模量显著的提高，并且低温性能没有显著的降低，因此对其低温性能并没有太大的影响，即实施例1-3相比对比文件1-3得到的沥青复合材料的各方面性能都将有一定程度的提高。

表1实施例1-3和对比例1-3的在未老化和长期热氧老化60d的羰基指数对比

从表1可以看出，对于实施例1，老化前后的羰基指数分别为0.0523和0.1025，其增加量均显著低于对比例1-3的增加量，即实施例1显著的减缓了老化过程中沥青的氧化，即本发明表现出了更显著的耐热氧老化性能。

尽管通过参照本发明的优选实施例，已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims

1.一种改性沥青复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的造岩矿物优选为绿泥石、叶腊石中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的基质沥青选自70号基质沥青或是90号基质沥青。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的纤维由玄武岩纤维、碳纤维和聚乙烯纤维组成。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的纤维由玄武岩纤维、碳纤维和聚乙烯纤维按照质量比为(1-3):1:1的比例组成。

6.权利要求1-6中任一项所述的制备方法制备得到的改性沥青复合材料。

7.权利要求6所述的改性沥青复合材料在作为路面材料中的应用。