CN108249823B - 掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料及其制备方法 - Google Patents

掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料及其制备方法。所述掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料由下列重量份的原料制成：矿料100份、纳米氧化铝改性沥青3.3～7.7份、活化秸秆复合纤维0.09～0.55份；其中，纳米氧化铝改性沥青由以下重量份的原料制成：沥青3～7份、纳米氧化铝0.03～0.071份；活化秸秆复合纤维由以下重量份的原料制成：玉米秸秆纤维0.04～0.3份、棉花秸秆纤维0.06～0.2份、活化剂0.4～2.0份、引发剂0.011～0.056份、交联剂0.001～0.005份。本发明还公开了掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料的制备方法，该制备方法所用原料来源广泛、价格低廉，制备过程简单，具有经济和社会双重效益。

Description

掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝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，具体涉及一种掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料及其制备方法。
背景技术
随着经济的快速发展，我国的公路交通建设也保持持续的高速发展，其中，沥青路面因具有高强度、行车平稳、舒适、振动小、噪音低以及便于维修养护等优点，而被广泛采用，在道路建设中占有很大比例。但是目前的沥青路面普遍存在着夏季高温时易出现较深的车辙，冬季低温时易出现低温开裂等病害，这些病害不仅严重影响行车安全和舒适性，也严重影响着沥青路面的使用寿命，造成大量的经济损失。另外，我国日益增大的交通量和车辆的大型化，也对作为影响沥青路面重要因素的沥青及其混合料的性能也提出了更高的要求。
作为一个农业大国，我国具有充足的秸秆，对秸秆的直接焚烧会造成对环境的污染，而对其专门处理又会费钱费力，因此，将秸秆变废为宝，开发出一种新型改性沥青混合料来解决路面高低温病害具有经济和社会双重效益。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种成本低的掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料及其制备方法，以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：
设计一种掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：矿料80～120份、纳米氧化铝改性沥青3.3～7.7份、活化秸秆复合纤维0.09～0.55份；
其中，所述纳米氧化铝改性沥青由以下重量份的原料制成：沥青3～7份、纳米氧化铝0.03～0.071份；
所述活化秸秆复合纤维由以下重量份的原料制成：玉米秸秆纤维0.04～0.3份、棉花秸秆纤维0.06～0.2份、活化剂0.4～2.0份、引发剂0.011～0.056份、交联剂0.001～0.005份。
优选的，所述掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料由下列重量份的原料制成：矿料90～110份、纳米氧化铝改性沥青4.4～6.6份、活化秸秆复合纤维0.21～0.42份；
其中，所述纳米氧化铝改性沥青由以下重量份的原料制成：沥青4～6份、纳米氧化铝0.04～0.061份；
所述活化秸秆复合纤维由以下重量份的原料制成：玉米秸秆纤维0.12～0.24份、棉花秸秆纤维0.1～0.15份、活化剂0.88～1.56份、引发剂0.025～0.044份、交联剂0.0022～0.0039份。
优选的，所述掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料由下列重量份的原料制成：矿料100份、纳米氧化铝改性沥青4.8份、活化秸秆复合纤维 0.35份；
其中，所述纳米氧化铝改性沥青由以下重量份的原料制成：沥青4.4份、纳米氧化铝0.045份；
所述活化秸秆复合纤维由以下重量份的原料制成：玉米秸秆纤维0.23份、棉花秸秆纤维0.12份、活化剂1.4份、引发剂0.0395份、交联剂0.0035份。
优选的，所述纳米氧化铝细度小于20nm，所述棉花秸秆纤维和玉米秸秆纤维细度均小于12mm。
优选的，所述活化剂为单体苯乙烯。
优选的，所述引发剂为过氧化苯甲酰。
优选的，所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺。
优选的，所述沥青为道路石油沥青、煤沥青、SBS改性沥青、PE改性沥青、SBR改性沥青中的一种或多种；所述矿料的级配类型为AC-13型、AC-16型、SMA-136型或OGFC-13型。
一种掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备纳米氧化铝改性沥青：按所述重量份数称取沥青和纳米氧化铝，将所述沥青在130～140℃加热熔融，之后将熔融后的沥青加入到高速剪切混合乳化机中，在所述高速剪切混合乳化机的转速达到2500～3500r/min时，缓慢加入纳米氧化铝，之后将所述高速剪切混合乳化机的转速加大至5000～6000r/min并将温度升至150～160℃，进行剪切处理60-70分钟后即得到纳米氧化铝改性沥青；
（2）制备玉米秸秆纤维：在粉碎机转速为29000～30000r/min时，将玉米秸秆投入到所述粉碎机中，机械破碎两分钟，即得玉米秸秆纤维；
（3）制备棉花秸秆纤维：按照棉花秸秆：氢氧化钠：水=10：1:19的重量比，将所述棉花秸秆、氢氧化钠和水加入到蒸煮锅中蒸煮2～4h，获得浆料，将所述浆料烘干，即得棉花秸秆纤维；
（4）制备活化秸秆复合纤维: 按所述重量份数,将步骤（2）中所得玉米秸秆纤维、步骤（3）中所得棉花秸秆纤维、活化剂、引发剂、交联剂均匀混合后在50～70℃反应6～8 h，即得到活化秸秆复合纤维；
（5）制备掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料：按所述重量份数，将矿料加热至175～180℃后和步骤（4）中所得秸秆复合纤维混合搅拌3～5分钟，然后加入步骤（1）中所得纳米氧化铝改性沥青，搅拌均匀，即得。
优选的，所述活化剂为单体苯乙烯，所述引发剂为过氧化苯甲酰，所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
1.本发明采用纳米氧化铝对沥青进行改性处理，其中，无机纳米粒子纳米氧化铝具有表面能缺陷少、非配对原子多、表面吸附力强等特点，能够很好的与基础沥青发生结合，从而使得改性后的沥青具有较大的破坏荷载。
2.本发明中活化的秸秆复合纤维表面被大量的沥青吸附，纤维与沥青之间很好的浸润结合，从而可降低纤维沥青混合料的温湿敏感性，显著提高沥青混合料的高温稳定性、水稳定性。
3.本发明采用具有优良性能和良好组合效果的纳米氧化铝及秸秆复合纤维，使得在高温条件下，纤维沥青混合料具有高的粘结力、粘度和优良的高温抗剪切性能。
4.本发明所采用玉米秸秆纤维和棉花秸秆纤维复合而成的秸秆复合纤维，其表面粗糙，长度不一，极易与沥青形成搭接结构，从而在低温条件下时，增加沥青胶浆的韧性，提高沥青混合料的抗变形能力。
5.本发明所用的玉米秸秆纤维和棉花秸秆纤维具有原料来源广泛、价格低廉且容易制备的优点。
6.本发明路用性能优越，具有明显高于普通沥青混合料的高温、低温及水稳定性能。
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；所涉及的材料及试剂，如无特别说明，均购自常规化学试剂商店；所涉及的测试、制备方法，如无特别说明，均为常规方法。
实施例1 一种掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料，以重量份数计，由以下原料制成：矿料100份，纳米氧化铝改性沥青3.3份，活化秸秆复合纤维0.11份；其中，所述纳米氧化铝改性沥青由以下重量份的原料制成：沥青3份，纳米氧化铝0.03份；所述活化秸秆复合纤维由以下重量份的原料制成：玉米秸秆纤维0.04份，棉花秸秆纤维0.06份，单体苯乙烯0.4份，过氧化苯甲酰0.011份，N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.001份；本实施例所采用的矿料为AC-16型矿料，所采用的沥青为道路石油沥青。
实施例2 一种掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料，以重量份数计，由以下原料制成：矿料100份，纳米氧化铝改性沥青4.4份，活化秸秆复合纤维0.18份；其中，所述纳米氧化铝改性沥青由以下重量份的原料制成：沥青4份，纳米氧化铝0.04份；所述活化秸秆复合纤维由以下重量份的原料制成：玉米秸秆纤维0.08份，棉花秸秆纤维0.1份，单体苯乙烯0.7份，过氧化苯甲酰0.022份，N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.002份；本实施例所采用的矿料为AC-16型矿料，所采用的沥青为煤沥青。
实施例3 一种掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料，以重量份数计，由以下原料制成：矿料100份，纳米氧化铝改性沥青4.8份，活化秸秆复合纤维0.35份；其中，所述纳米氧化铝改性沥青由以下重量份的原料制成：沥青4.4份，纳米氧化铝0.045份；所述活化秸秆复合纤维由以下重量份的原料制成：玉米秸秆纤维0.23份，棉花秸秆纤维0.12份，单体苯乙烯1.4份，过氧化苯甲酰0.0395份，N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.0035份；本实施例所采用的矿料为AC-16型矿料，所采用的沥青为道路石油沥青。
实施例4 一种掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料，以重量份数计，由以下原料制成：矿料100份，纳米氧化铝改性沥青6.6份，活化秸秆复合纤维0.39份；其中，所述纳米氧化铝改性沥青由以下重量份的原料制成：沥青6份，纳米氧化铝0.06份；所述活化秸秆复合纤维由以下重量份的原料制成：玉米秸秆纤维0.23份，棉花秸秆纤维0.12份，单体苯乙烯1.7份，过氧化苯甲酰0.046份，N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.004份；本实施例所采用的矿料为AC-16型矿料，所采用的沥青为道路石油沥青。
实施例5 一种掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料，以重量份数计，由以下原料制成：矿料100份，纳米氧化铝改性沥青7.7份，活化秸秆复合纤维0.55份；其中，所述纳米氧化铝改性沥青由以下重量份的原料制成：沥青7份，纳米氧化铝0.071份；所述活化秸秆复合纤维由以下重量份的原料制成：玉米秸秆纤维0.3份，棉花秸秆纤维0.2份，单体苯乙烯2.0份，过氧化苯甲酰0.056份，N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.005份；本实施例所采用的矿料为AC-16型矿料，所采用的沥青为PE改性沥青。
实施例6 一种掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料，以重量份数计，由以下原料制成：矿料100份，纳米氧化铝改性沥青5.5份，活化秸秆复合纤维0.31份；其中，所述纳米氧化铝改性沥青由以下重量份的原料制成：沥青5份，纳米氧化铝0.055份；所述活化秸秆复合纤维由以下重量份的原料制成：玉米秸秆纤维0.26份，棉花秸秆纤维0.13份，单体苯乙烯1.5份，过氧化苯甲酰0.042份，N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.0035份；本实施例所采用的矿料为AC-16型矿料，所采用的沥青为SBR改性沥青。
对比例1 一种普通沥青混合料，以重量份数计，由以下原料制成：矿料100份，沥青4.5份；本例所采用的矿料为AC-16型矿料，所采用的沥青为道路石油沥青。
实施例7 实施例1-6中掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备纳米氧化铝改性沥青：按实施例1-6中重量份数称取沥青和纳米氧化铝，将所述沥青于130～140℃的条件下加热熔融后加入到高速剪切混合乳化机中，在高速剪切混合乳化机的转速达到3000r/min时，缓慢加入纳米氧化铝（约用时10min），之后将所述高速剪切混合乳化机的转速加大至5500r/min并将温度升至150～160℃，进行剪切处理60～70分钟后即得到纳米氧化铝改性沥青。
（2）制备玉米秸秆纤维：在家用小型粉碎机转速为29000r/min时，将玉米秸秆投入到所述粉碎机中，机械破碎两分钟，即得长度为8-12mm的玉米秸秆纤维。
（3）制备棉花秸秆纤维：按照棉花秸秆：氢氧化钠：水=10：1:19的重量比，将所述棉花秸秆、氢氧化钠和水加入到蒸煮锅中蒸煮3h，获得浆料，将所述浆料烘干，即得棉花秸秆纤维。
（4）制备活化秸秆复合纤维: 按实施例1-6中重量份数称取步骤（2）中所得玉米秸秆纤维、步骤（3）中所得棉花秸秆纤维、单体苯乙烯、过氧化苯甲酰和N，N-亚甲基双丙烯酰胺在60℃混合反应6 h，即得到秸秆复合纤维。
（5）制备掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料：按实施例1-6中重量份数，将加热至175～180℃的AC-16型矿料和步骤（4）中所得秸秆复合纤维混合搅拌3分钟，然后加入步骤（1）中所得纳米氧化铝改性沥青，搅拌均匀，即得。
对实施例1-6中的掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料和对比例1中的普通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，用以测试本发明掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料的路用性能，并与不添加秸秆复合纤维的普通沥青混合料进行对比分析，试验结果见下表1。
Figure 731208DEST_PATH_IMAGE001
。
从表1可知，本发明掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝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 (6)

1.一种掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：矿料80～120份、纳米氧化铝改性沥青3.3～7.7份、活化秸秆复合纤维 0.09～0.55 份；
其中，所述纳米氧化铝改性沥青由以下重量份的原料制成：沥青3～7份、纳米氧化铝0.03～0.071份；
所述活化秸秆复合纤维由以下重量份的原料制成：玉米秸秆纤维0.04～0.3份、棉花秸秆纤维0.06～0.2份、活化剂0.4～2.0份、引发剂0.011～0.056份、交联剂0.001～0.005份，其中，所述活化剂为单体苯乙烯，所述引发剂为过氧化苯甲酰，所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺；
其中，玉米秸秆纤维制备步骤如下：在粉碎机转速为29000～30000r/min时，将玉米秸秆投入到所述粉碎机中，机械破碎两分钟，即得玉米秸秆纤维；棉花秸秆纤维制备步骤如下：按照棉花秸秆：氢氧化钠：水=10：1:19的重量比，将所述棉花秸秆、氢氧化钠和水加入到蒸煮锅中蒸煮2～4h，获得浆料，将所述浆料烘干，即得棉花秸秆纤维；活化秸秆复合纤维制备步骤如下：将玉米秸秆纤维、棉花秸秆纤维、活化剂、引发剂、交联剂均匀混合后在50～70℃反应6～8 h，即得到活化秸秆复合纤维。
2.根据权利要求1所述的掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料，其特征在于，其由下列重量份的原料制成：矿料90～110份、纳米氧化铝改性沥青4.4～6.6份、活化秸秆复合纤维 0.21～0.42 份；
其中，所述纳米氧化铝改性沥青由以下重量份的原料制成：沥青4～6份、纳米氧化铝0.04～0.061份；
所述活化秸秆复合纤维由以下重量份的原料制成：玉米秸秆纤维0.12～0.24份、棉花秸秆纤维0.1～0.15份、活化剂0.88～1.56份、引发剂0.025～0.044份、交联剂0.0022～0.0039份。
3.根据权利要求1所述的掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料，其特征在于，其由下列重量份的原料制成：矿料100份、纳米氧化铝改性沥青4.8份、活化秸秆复合纤维0.35份；
其中，所述纳米氧化铝改性沥青由以下重量份的原料制成：沥青4.4份、纳米氧化铝0.045份；
所述活化秸秆复合纤维由以下重量份的原料制成：玉米秸秆纤维0.23份、棉花秸秆纤维0.12份、活化剂1.4份、引发剂0.0395份、交联剂0.0035份。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料，其特征在于，所述纳米氧化铝细度小于20nm，所述棉花秸秆纤维和/或玉米秸秆纤维的细度均小于12mm。
5.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料，其特征在于，所述沥青为道路石油沥青、煤沥青、SBS改性沥青、PE改性沥青、SBR改性沥青中的一种或多种；所述矿料的级配类型为AC-13型、AC-16型、SMA-136型或OGFC-13型。
6.权利要求1所述掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备纳米氧化铝改性沥青：按权利要求1中所述重量份数称取沥青和纳米氧化铝，将所述沥青在130～140℃加热熔融，之后将熔融后的沥青加入到高速剪切混合乳化机中，在所述高速剪切混合乳化机的转速达到2500～3500r/min时，缓慢加入纳米氧化铝，之后将所述高速剪切混合乳化机的转速加大至5000～6000r/min并将温度升至150～160℃，进行剪切处理60～70分钟后即得到纳米氧化铝改性沥青；
（2）制备玉米秸秆纤维：在粉碎机转速为29000～30000r/min时，将玉米秸秆投入到所述粉碎机中，机械破碎两分钟，即得玉米秸秆纤维；
（3）制备棉花秸秆纤维：按照棉花秸秆：氢氧化钠：水=10：1:19的重量比，将所述棉花秸秆、氢氧化钠和水加入到蒸煮锅中蒸煮2～4h，获得浆料，将所述浆料烘干，即得棉花秸秆纤维；
（4）制备活化秸秆复合纤维: 按权利要求1中所述重量份数，将步骤（2）中所得玉米秸秆纤维、步骤（3）中所得棉花秸秆纤维、活化剂、引发剂、交联剂均匀混合后在50～70℃反应6～8 h，即得到活化秸秆复合纤维；
（5）制备掺加秸秆复合纤维的纳米氧化铝改性沥青混合料：按权利要求1中所述重量份数，将矿料加热至175～180℃后和步骤（4）中所得秸秆复合纤维混合搅拌3～5分钟，然后加入步骤（1）中所得纳米氧化铝改性沥青，搅拌均匀，即得。
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