CN108117306A - 一种纤维增强的沥青混合料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纤维增强的沥青混合料及其制备方法，其中该沥青混合料的原料包括如下组分：沥青2.9％～5.7％，集料85.2％～90.7％，矿粉2.2％～5.3％，粘结剂1.5％～3.8％，纤维复合物1.5％～2.5％，纤维复合物包括纤维以及包裹所述纤维的聚合物。通过控制升温程序，以达到纤维复合物的包裹聚合物软化或反应，从而实现保护纤维在沥青材料中的均匀分散性以及完整性的目的。

Description

一种纤维增强的沥青混合料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纤维增强的沥青混合料及其制备方法，具体的，涉及一种能够保持纤维在沥青混合物中的分散性及完整性的方法，从而改善沥青混合物中各组分分布的均匀性，进而提高铺筑的沥青路面的强度以及低温抗裂性能。

背景技术

沥青混合料是一种由沥青、矿粉、粗细骨料以及粘结剂混合而成的路面建筑材料，通常用作道路施工和维护的材料。由于我国近几年道路工程的快速发展，对沥青混合料数量，特别是质量的要求也越来越高。但是，目前的一些地区，特别是天气恶劣的山区，沥青路面遭受环境以及荷载的共同作用，沥青路面存在变形、开裂等一系列病害。

针对上述问题，目前现有技术中普遍在沥青混合料中使用改性剂等一系列措施来努力改善性能以及延长沥青路面结构中沥青层的寿命。目前通常使用聚合物苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)嵌段共聚合物加入沥青中，尽管某些沥青混合物的物理特性和性能有所提高，但使用SBS也有若干缺陷，包括SBS在沥青中的不相容性和分散性。

近几年，出现了纤维增强的沥青混合物。纤维由于其特殊的结构，作为建筑材料如沥青混合物、水泥、混凝土的加强改性剂，可提高材料的强度、韧性，耐久性，以及提高建筑材料整体的完整性。有多种增强纤维在现有技术中作为添加剂应用于这些混凝土建筑材料中。典型的混凝土增强材料包括，例如，多种规格的钢丝网或增强纤维，以及石棉纤维，玻璃纤维，钢纤维，无机纤维，天然纤维，合成纤维(例如聚合物和芳纶纤维)和纤维素。目前合适的增强纤维的非限制性例子包括玄武岩纤维。一些增强纤维更适用于一些特定的情况。

例如，中国专利CN107117871A一种掺入短切玄武岩纤维OGFC-13沥青混合料，在所制备的沥青混合料中掺入适当的短切玄武岩纤维，不仅可以提高水稳定性，还可以提高高温稳定性，且操作简便，节约成本。

中国专利CN107227668A一种纤维沥青混凝土路面及其施工方法，其中纤维沥青混凝土路面，包括下平铺于所述粘层上表面的下层纤维层、平铺于所述沥青混凝土层上表面的上层纤维层，所述上层纤维层、所述下层纤维层与所述沥青混凝土层紧密结合。该纤维沥青混凝土路面有效地解决了纤维混凝土拌和难的问题，推广了纤维沥青混凝土在实际道路工程中的运用。

中国专利CN107265926A一种掺入北美孚玄武岩纤维透水沥青混合料，通过向沥青混合料掺入适当的北美孚玄武岩纤维，不仅可以提高水稳定性，还可以提高高温稳定性，增强沥青混合料的强度以及耐高温和水稳定性，既能长期处于阳光曝晒中，又能用于大雨天气中，适用范围广，使用寿命长。

目前的现有技术中，纤维的增强已经被证实能够提高沥青混合料的韧性和耐久性，和降低其在建筑材料的重量。然而，现有的加强纤维具有许多不足，例如，难以控制缠绕的纤维以及其分散均匀性；难以控制它们引入到沥青混合料中的状态；同时在混合过程中存在纤维结构被破坏的问题。因此，亟需发展一种易于处理和控制纤维在沥青混合料中均匀分布的方法，并能够达到预想的增加沥青路面强度的效果。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中纤维增强沥青混合料中的纤维在混合料中分布效果不理想、制备过程中纤维被破坏的问题。提供了如下的技术方案：

本发明提供一种纤维增加的沥青混合料，其中该沥青混合料的原料包括如下组分：

沥青2.9％～5.7％

集料85.2％～90.7％

矿粉2.2％～5.3％

粘结剂1.5％～3.8％

纤维复合物1.5％～2.5％

其中，纤维复合物包括纤维以及包裹所述纳米纤维的聚合物。

进一步的，所述聚合物选自环氧树脂、聚酰亚胺，聚酰胺的一种或它们的混合物。

进一步的，所述纤维选自芳族聚酰胺纤维、聚烯烃纤维、碳纤维、金属纤维的一种或它们的混合物。

进一步的，所述粘结剂为苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯聚合物和苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯聚合物的一种。

进一步的，所述沥青选自基质沥青、石油质沥青或SBS改性沥青的一种。

进一步的，所述纤维复合物的制备方法包括如下步骤：将纤维粉末加入表面活性剂中，进行搅拌，洗涤，干燥后得到表面改性后的纤维体，将该纤维体置于聚合物的乙醇混合溶液中，搅拌分散均匀，将混合物置于挤出机中进行加热造粒，得到纤维复合物。

进一步的，所述表面活性剂可选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或十六烷基苯磺酸钠的一种或它们的混合物，加热温度为180-200℃，保温时间为5-10min。

同时，本发明提供一种纤维增强的沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：

1)、加入沥青升温至190-200℃，加入粘结剂，搅拌约10分钟；

2)、控制温度在180-200℃，将集料加入步骤1)的沥青混合物中，拌合约5分钟；然后再加入矿粉，拌后1min，然后缓慢冷却，降温至100℃，得到混合物A；3)、保持缓慢搅拌混合物A，控制搅拌转速，加入纤维复合物，以15-20℃/min的升温速率加热至120-130℃，然后以5-10℃/min的升温速率加热至170-180℃，在该温度范围内保持恒温60-120s，得到纤维增强的沥青混合料。

进一步的，所述集料、矿料在拌合前，进行预热。

进一步的，所述步骤3)中，搅拌的同时，优选地进行剪切。

本发明中的沥青混合料中，纤维复合物分散在沥青材料中。原始状态下，纤维复合物结构组成为纤维以及包裹纤维的聚合物。该聚合物在一定的低温范围内是固态，固性的，能很好地保护纳米纤维不受破坏，纳米纤维在分散至沥青材料中之前的状态都保持原始有序的状态，而不是无序、缠绕、团聚的状态。在后期制备道路铺筑用的沥青混合料时，通过有效的控制加热工序，如升温及搅拌混合工艺以及加热温度，控制其包裹用的聚合物到达转变温度，开始软化和/或发生相变反应，均匀分散的纤维与沥青物质发生交联作用，实现均匀分散，达到沥青混合料强化以及增韧的技术效果。

本发明达到的技术效果:

通过采用特殊结构的纤维复合物，可以实现沥青中均匀分布性改性纤维的同时，最大程度地保持纤维的完整性，避免纤维被切断、团聚、结块等现象。同时，通过本发明方案制备的纤维增强的沥青组合物，在路面性能方面提高了路面的弯曲强度、抗冻等性能。

附图说明

图1为本发明制备沥青混合物时纤维复合物的转变示意图；

具体实施方式

为更好地说明本发明的原理及方案，对本发明技术方案涉及的各种物质以及制备步骤中各种参数做出以下详细解释。更具体的技术方案，可参见实施例方案。

<沥青混合料>

本发明生产的沥青混合料是指应用沥青道路铺筑用的沥青混合料，也称为沥青混凝土。本发明的沥青混合料，可广泛用于建筑结构中，例如，路面结构，机场跑道和公路，桥面覆盖，地板，预制沥青产品。本发明的沥青混合料也可以用于修复或改造现有的产品，例如，修复机场路面，桥面，停车区，巷道等，包括坑槽修补及灌缝。本发明的沥青混合料的原料一般包含一定粒度的细、粗集料，以及粘结剂(聚合物)。

本发明在制备沥青混合料产品时，选择的沥青原料可以为基质沥青、石油质沥青、或者改性沥青。改性沥青优选可选择SBS改性沥青、橡胶改性沥青等。制备沥青混合料时，使用的设备可以为沥青拌合机、滚筒式混料机，或者直接在运输车辆的混料斗中进行混合；加热设备可选择程序可控的微波加热。

<纤维复合物>

本发明的纤维复合物，是本发明沥青混合料实现强化、低温抗裂性能的关键物质。常温下、制备混合料前的纤维复合物，在结构上，由多根纤维以及包裹该纤维的聚合物组成。示意图如图1a所示。

其中，纤维可以是合成或天然的。天然纤维可以包括多种木质素纤维及它们的混合物。合成纤维，可以包括，但不局限于，现有技术中常见的商业纤维，如聚合物纤维，例如芳族聚酰胺纤维、聚丙烯、丙乙烯、或聚氯乙烯纤维中混合物。更优选的，纤维可以选自无机纳米纤维，例如碳纤维、金属纤维如铝、铜纤维。无机纤维增强的沥青混合物，其延度以及韧性更好，同时，掺入金属纤维的沥青聚合物在热、电性能上也表现得更加优异，在冰雪等恶劣天气下，可以通过导电、导热实现对沥青路面上冰雪的去除。

纤维的形状，可以为束状，柱状，管状或绳状、线状。其在被包裹时，优选的，被捆在一起并切割成合适或预定长度，预定的长度可使得纤维以最大均匀性地分散至沥青材料中。在本发明的实施方案中，纤维的预定长度设为1-20um。

纤维可以通过现有技术中常见的静电纺丝技术制备。

其中，包裹纤维的聚合物，可选自，但不局限于树脂、聚酰亚胺，聚酰胺的高分子聚合物，以及它们的混合物。该聚合物可一步包括其它添加剂，例如那些与沥青组分相同或对沥青结构有益的添加剂，如聚烯烃。包裹纤维的聚合物具有如下的性质，在低温下为固态，具有一定的强度及刚性，同时具有一软化温度中转化温度，在接近该温度时，聚合物开始发生性质改变，聚合物或被分解，其包裹的纤维均匀分散于沥青材料中；或与纤维、周围的沥青组分发生交联作用，生成相互交联的增强骨架结构。优选的，聚合物也可以选自与本发明沥青材料组分接近的物质，得到沥青混合料在成分及结构上更加均匀。其中，纤维复合料的在沥青中的结构变化如图1b所示。

纤维复合物的形貌可以为粒状、片状、柱状以及不规则的交联块体形状。所述纤维复合物的制备方法包括如下步骤：将纤维粉末加入表面活性剂中，进行搅拌，洗涤，干燥后得到表面改性后的纤维体，将该纤维体置于聚合物的乙醇混合溶液中，搅拌分散均匀，将混合物置于挤出机中进行加热造粒，得到纤维复合物。所述表面活性剂可选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或十六烷基苯磺酸钠的一种或它们的混合物，加热温度为180-200℃，保温时间为5-10min。挤出机优选为螺旋挤出机。

<集料和矿粉>

集料可选择，但不局限于碎石；集料分为粗集料和细集料，细集料粒度为2-5mm，粗集料粒度为10-20mm。

矿粉可以选自粒度为0.1mm以下研磨后的石灰粉。

<粘结剂>

沥青混合料中的粘结剂起着粘结沥青质组分和集料、矿粉的作用，优选的，可以选择，但不局限于，苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯聚合物和苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯聚合物的一种。

<实施例>

下面将参考实施例详细说明本发明技术方案的构成，不过并不限于下列实施方式。

实施例1

配置下列组成的原料：SBS改性沥青4.5％，集料85.7％，矿粉3.3％，苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯聚合物粘结剂1.5％，纤维复合物(聚酰胺纤维与包裹纤维的环氧树脂、聚酰亚胺组合物组成)5％。沥青混合料的具体制备步骤为：1)、加入沥青升温至190℃，加入粘结剂，搅拌约10分钟；2)、控制温度在180℃，将集料加入步骤1)的沥青混合物中，拌合约5分钟；然后再加入矿粉，拌后1min，然后缓慢冷却，降温至100℃，得到混合物A；3)、保持缓慢搅拌混合物A，控制搅拌转速，加入纤维复合物，以15℃/min的升温速率加热至120℃，然后以10℃/min的升温速率加热至170℃，在该温度范围内保持恒温60s，得到纤维增强的沥青混合料。

实施例2

配置下列组成的原料：基质沥青5.5％，集料87.7％，矿粉2.3％，苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯聚合物粘结剂1.5％，纤维复合物(碳纤维与包裹纤维的环氧树脂聚合物组成)3％。沥青混合料的具体制备步骤为：1)、加入沥青升温至190℃，加入粘结剂，搅拌约10分钟；2)、控制温度在180℃，将集料加入步骤1)的沥青混合物中，拌合约5分钟；然后再加入矿粉，拌后1min，然后缓慢冷却，降温至100℃，得到混合物A；3)、保持缓慢搅拌混合物A，控制搅拌转速，加入纤维复合物，以18℃/min的升温速率加热至110℃，然后以10℃/min的升温速率加热至170℃，在该温度范围内保持恒温80s，得到纤维增强的沥青混合料。

实施例3

配置下列组成的原料：基质沥青5.0％，集料88.7％，矿粉3.3％，苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯聚合物粘结剂1.5％，纤维复合物(铜纤维与包裹纤维的聚酰亚胺组成)1.5％。沥青混合料的具体制备步骤为：1)、加入沥青升温至200℃，加入粘结剂，搅拌约10分钟；2)、控制温度在180℃，将集料加入步骤1)的沥青混合物中，拌合约5分钟；然后再加入矿粉，拌后1min，然后缓慢冷却，降温至100℃，得到混合物A；3)、保持缓慢搅拌混合物A，控制搅拌转速，加入纤维复合物，以20℃/min的升温速率加热至110℃，然后以5℃/min的升温速率加热至170℃，在该温度范围内保持恒温90s，得到纤维增强的沥青混合料。

实施例4

配置下列组成的原料：沥青4.0％，集料86.5％，矿粉3.0％，苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯聚合物粘结剂2.5％，纤维复合物(铝纤维与包裹纤维的聚酰亚胺组成)4％。沥青混合料的具体制备步骤为：1)、加入沥青升温至200℃，加入粘结剂，搅拌约10分钟；2)、控制温度在180℃，将集料加入步骤1)的沥青混合物中，拌合约5分钟；然后再加入矿粉，拌后1min，然后缓慢冷却，降温至100℃，得到混合物A；3)、保持缓慢搅拌混合物A，控制搅拌转速，加入纤维复合物，以15℃/min的升温速率加热至110℃，然后以10℃/min的升温速率加热至170℃，在该温度范围内保持恒温80s，得到纤维增强的沥青混合料。

实施例5

配置下列组成的原料：沥青4.0％，集料86.0％，矿粉3.5％，苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯聚合物粘结剂1.5％，纤维复合物(碳纤维/铝纤维与包裹纤维的环氧树脂组成)5.0％。沥青混合料的具体制备步骤为：1)、加入沥青升温至200℃，加入粘结剂，搅拌约10分钟；2)、控制温度在180℃，将集料加入步骤1)的沥青混合物中，拌合约5分钟；然后再加入矿粉，拌后1min，然后缓慢冷却，降温至100℃，得到混合物A；3)、保持缓慢搅拌混合物A，控制搅拌转速，加入纤维复合物，以20℃/min的升温速率加热至110℃，然后以5℃/min的升温速率加热至170℃，在该温度范围内保持恒温90s，得到纤维增强的沥青混合料。

<对比实施例>

本发明还具体设计了如下对比实施来验证本发明的效果。

对比例1

将纤维复合物直接替换成铜纤维，其它原料与制备工艺与实施例3完全相同。

<性能测试>

对本发明的实施例及对比例得到的沥青混合料进行相关的性能测试，结果如表1。

表1

表1数据可知，本发明得到纤维增强的沥青混合料的路用性能均大于《公路沥青路面施工技术规范》中相关规定的要求。

弯曲应变以及冻融劈裂强度比可以反映沥青混合料的低温性能。与单独纤维增强的沥青混合料相比，本发明方法得到纤维增强的沥青混合料的在韧性以及低温抗冻裂方面的性能更加突出。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纤维增加的沥青混合料，其中该沥青混合料的原料包括如下组分：

沥青2.9％～5.7％

集料85.2％～90.7％

矿粉2.2％～5.3％

粘结剂1.5％～3.8％

纤维复合物1.5％～2.5％

其特征在于，纤维复合物包括纤维以及包裹所述纤维的聚合物。

2.根据权利要求1所述的沥青混合料，其特征在于，所述聚合物选自环氧树脂、聚酰亚胺，聚酰胺的一种或它们的混合物。

3.根据权利要求1所述的沥青混合料，其特征在于，所述纤维选自芳族聚酰胺纤维、聚烯烃纤维、碳纤维、金属纤维的一种或它们的混合物。

4.根据权利要求1所述的沥青混合料，其特征在于，所述粘结剂为苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯聚合物和苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯聚合物的一种。

5.根据权利要求1所述的沥青混合料，其特征在于，所述沥青选自基质沥青、石油质沥青或SBS改性沥青的一种。

6.根据权利要求1-5所述的任意一种沥青混合料，其特征在于，所述纤维复合物的制备方法包括如下步骤：将纤维粉末加入表面活性剂中，进行搅拌，洗涤，干燥后得到表面改性后的纤维体，将该纤维体置于聚合物的乙醇混合溶液中，搅拌分散均匀，将混合物置于挤出机中进行加热造粒，得到纤维复合物。

7.根据权利要求6所述的沥青混合料，其特征在于，所述表面活性剂可选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或十六烷基苯磺酸钠的一种或它们的混合物，加热温度为180-200℃，保温时间为5-10min。

8.一种如权利要求1-5任意一种纤维增强的沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：

1)、加入沥青升温至190-200℃，加入粘结剂，搅拌约10分钟；

2)、控制温度在180-200℃，将集料加入步骤1)的沥青混合物中，拌合约5分钟；然后再加入矿粉，拌合1min，然后缓慢冷却，降温至100℃，得到混合物A；

3)、保持缓慢搅拌混合物A，控制搅拌转速，加入纤维复合物，以15-20℃/min的升温速率加热至120-130℃，然后以5-10℃/min的升温速率加热至170-180℃，在该温度范围内保持恒温60-120s，得到纤维增强的沥青混合料。

9.根据权利要求8所述的沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述集料、矿料在拌合前，进行预热。

10.根据权利要求9-10所述任意一种沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，搅拌的同时，进行剪切。