CN108358539B - 一种抗温缩复合物及抗温缩乳化沥青混合料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗温缩复合物及抗温缩乳化沥青混合料。所公开的抗温缩复合物的制备原料包括：橡胶粉、N‑异丙基丙烯酰胺单体、交联剂、引发剂和改性剂。所公开的抗温缩乳化沥青混合料由下列原料制成：阳离子乳化沥青、玄武岩集料、普通硅酸盐水泥、石灰岩矿粉、抗温缩复合物和水。本发明的抗温缩复合物可提高抗开裂能力；当环境温度较低时，凝胶材料保存水分，防止水分逸散，与橡胶粉一起防止混合料开裂；与传统的乳化沥青稀浆分层混合料相比，本发明的抗温缩乳化沥青混合料的温度敏感性降低，表面抗滑性提高。

Description

一种抗温缩复合物及抗温缩乳化沥青混合料
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，特别涉及一种路用抗温缩复合物及其应用。
背景技术
沥青路面作为一种无接缝的连续式路面大量应用在高等级公路建设中。由于组成沥青路面的胶结材料是一种高分子碳氢化合物，又是一种典型的粘弹性材料，其路用性能受温度和作用时间的影响很大，在行车荷载及各种自然因素作用下表现为不同形式的病害，严重影响了沥青路用性能的发挥。温缩开裂是沥青路面破坏的一种主要形式，尤其对于传统的乳化沥青稀浆分层混合料，由于水分的蒸发发用，改混合料的温缩开裂现象更加明显，现已成为科研工作者普遍关注的问题。
然而，由于沥青材料自身温度敏感性强的特点，现有改善沥青混合料温缩措施主要集中于沥青混合料集料级配的设计以及沥青胶结材料的改性，但缺少直接且明显的效果，这是因为集料的级配设计受集料类型、岩性以及组成比例的影响较大，沥青胶结材料的改性效果受改性剂的成本、类型以及加工工艺等因素的限制。因此，研发新型的抗温缩复合物并在沥青混合料中应用，对于提高沥青混合料的抗温缩能力，实现沥青路面的高耐久，具有重要意义。
发明内容
针对传统沥青路面易产生收缩开裂的问题，本发明的目的在于，提供一种抗温缩复合物，并应用于乳化沥青混合料中。
本发明提供的一种抗温缩复合物，其特征在于，所述抗温缩复合物的制备原料包括：橡胶粉：50.0％～58.1％，N-异丙基丙烯酰胺单体：36.6％～44.5％，交联剂：1.8％～3.0％，引发剂：1.4％～2.5％，改性剂：0.8％～1.3％；所述交联剂为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、四甲基乙二胺、二叔丁基过氧化物、丙烯酸和丙烯酸钠中的一种或多种；所述引发剂为过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、过硫酸钾、过硫酸钠和过硫酸铵中的一种或多种；所述改性剂为聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物、四级铵盐、二丁酸二辛酯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠和二氯异氰尿酸钠中的一种或多种。
本发明还提供一种抗温缩复合物的制备方法。所提供的方法包括：将配方量的橡胶粉和改性剂进行球磨后除去多余的改性剂，制得改性橡胶粉；将配方量的N-异丙基丙烯酰胺单体、改性橡胶粉和去离子水混合，在在60-70℃的水浴箱中放置一段时间后，加入配方量的交联剂和引发剂，在25-35℃、无氧的条件下反应得到抗温缩复合物。
本发明的方法还包括：分别在15-25℃和45-55℃温度下交替漂洗产物2～3次后70±2℃下真空干燥。
本发明同时提供了一种抗温缩乳化沥青混合料。
本发明提供的抗温缩乳化沥青混合料由下列原料按体积百分比组成：阳离子乳化沥青：6％～15％，玄武岩集料：59％～91％，普通硅酸盐水泥：1％～3％，石灰岩矿粉：2％～5％，抗温缩复合物：0.5％～2.5％，水：3％～7％；上述原料的体积百分比之和为100％；
进一步，本发明的抗温缩乳化沥青混合料由下列原料按体积百分比组成：阳离子乳化沥青：8％～13％，玄武岩集料：79％～89％，普通硅酸盐水泥：2％～3％，石灰岩矿粉：2％～4％，抗温缩复合物：1％～2％，水：4％～6％；上述原料的体积百分比之和为100％。
本发明的抗温缩复合物及其乳化沥青混合料具有如下优点：
第一，当环境温度较高时，凝胶释放水分，加上橡胶粉的阻裂作用，提高抗开裂能力；当环境温度较低时，凝胶材料保存水分，防止水分逸散，与橡胶粉一起防止沥青混合料开裂；
第二，抗温缩乳化沥青混合料的性能满足乳化沥青稀浆分层混合料路用性能要求，完全可以用于旧路面的维修养护和新路面的预防性养护；
第三，与传统的乳化沥青稀浆分层混合料相比，本发明的抗温缩乳化沥青混合料的温度敏感性降低，表面抗滑性能提高。
附图说明
图1中(a)为橡胶粉在水中的分散(左图橡胶粉掺量与实施例1相同；右图橡胶粉的掺量为左图的两倍)，(b)为橡胶粉在凝胶溶液中的分散(其中左图凝胶和橡胶粉的掺量与实施例1相同；右图凝胶掺量不变，橡胶粉掺量为左图的两倍)。
具体实施方式
本发明中的抗温缩复合物的制备工艺简单，是一种新型的改性橡胶粉。温敏凝胶的加入，增加了橡胶粉在溶液中的分散，如图1所示。图1分别给出橡胶粉在水溶液和凝胶溶液中的分散，可知橡胶粉能够均匀分散在凝胶溶液中，这是因为橡胶粉的表面具有憎水特性，温敏凝胶的分子链上同时含有亲水性的酰胺基和疏水性的异丙基。本发明的乳化沥青混合料提高了稀浆分层乳化沥青的抗温缩开裂性能，且它的性能指标满足乳化沥青稀浆分层混合料路用性能要求。
优选的方案中，本发明采用溶胀收缩法反复漂洗产物2～3次，70±2℃下真空干燥；所述溶胀收缩法的两次温度分别为：15-25℃和45-55℃。
以下给出本发明的具体优选实施例，用于进一步说明本发明。这些实施例仅用于本领域技术人员充分的理解本发明，而不是用来限制本发明的范围。凡是在本发明技术方案之上进行的等同变换或者替换均属于本发明要求保护的权利范围之内。
实施例1：
本实施例给出一种抗温缩复合物，以质量百分数计，由以下原料组成：橡胶粉：53.5％，N-异丙基丙烯酰胺单体：40.9％，交联剂：2.5％，引发剂：2.0％，改性剂：1.1％；上述原料的质量百分比之和是100％；其中橡胶粉为120目废旧轮胎橡胶粉。
按照以下步骤制备抗温缩复合物：
第一步：将配方量的橡胶粉、改性剂在球磨机中球磨5h，用去离子水洗2～3次除去多余的改性剂，制得改性橡胶粉；
第二步：将配方量的N-异丙基丙烯酰胺单体、改性橡胶粉和去离子水加入到烧杯中(其中，去离子水的质量是N-异丙基丙烯酰胺单体质量的10倍)，在65±1℃的水浴箱中放置5min后，将水浴箱调至30±1℃，将一定量的交联剂和引发剂加入到烧杯中，在氮气保护下反应15h，得到抗温缩复合物；
第三步：采用溶胀收缩法(温度范围20±2℃～50±2℃)反复漂洗产物2～3次，70±2℃下真空干燥20h，粉碎成粉末备用。
实施例2：
本实施例给出一种抗温缩复合物，以质量百分数计，由以下原料组成：橡胶粉：51.6％，N-异丙基丙烯酰胺单体：42.7％，交联剂：2.6％，引发剂：2.1％，改性剂：1.0％；上述原料的质量百分比之和是100％。
本实施例中对原料的要求和抗温缩复合物的制备方法均与实施例1相同，其中，加入去离子水的质量是N-异丙基丙烯酰胺单体质量的10倍。
实施例3：
本实施例给出一种抗温缩复合物，以质量百分数计，由以下原料组成：橡胶粉：55.3％，N-异丙基丙烯酰胺单体：39.7％，交联剂：2.2％，引发剂：1.7％，改性剂：1.1％；上述原料的质量百分比之和是100％。
本实施例中对原料的要求和抗温缩复合物的制备方法均与实施例1相同，其中，加入去离子水的质量是N-异丙基丙烯酰胺单体质量的11倍。
以下是实施例1～3的相关性能试验：
一、抗温缩复合物在水中的溶胀行为
准确称取一定量的抗温缩复合物加入到20℃的去离子水中溶胀，每隔一定时间将复合物取出，用滤纸擦去表面水份立即称重，得到不同时间下复合物溶胀比：
SR＝(Wt-Wd)/Wd ①
式中：Wd为t＝0时复合物的质量；Wt为时间t时复合物的质量。复合物溶胀达到平衡时的溶胀比，称为平衡溶胀比SR。
表1抗温缩复合物在20℃水溶液中的溶胀比随时间的变化
Figure BDA0001554981680000051
Figure BDA0001554981680000061
二、抗温缩复合物的温度敏感性
准确称取一定量的抗温缩复合物加入到20℃的去离子水中达到溶胀平衡，逐渐升高温度，每隔一定温度将复合物取出，用滤纸擦去表面水份立即称重，得到不同温度下复合物溶胀比。
表2抗温缩复合物在水溶液中的平衡溶胀度随温度的变化
Figure BDA0001554981680000062
以上试验结果表明，抗温缩复合物具有一定的温缩溶胀性。当环境温度较高时，凝胶释放水分；当环境温度较低时，凝胶材料保存水分，防止水分逸散。复合物的溶胀性是解决路面温缩开裂问题的关键。
实施例4：
原材料选择：以体积百分比计，阳离子乳化沥青：9％，玄武岩集料：81％，普通硅酸盐水泥：2％，石灰岩矿粉：3％，抗温缩复合物：1％，水：4％；
乳化沥青：乳化剂为十六烷基三甲基氯化铵，密度为0.987g/cm3，1.18mm筛上剩余量为0.02％，粘度(C25，3)为28s，蒸发残留物含量为61％；
玄武岩集料：密度为2.576g/cm3，孔隙率为2.2％，对沥青粘附等级为4级，压碎值为15.0％，粒径为0.075mm～9.5mm，连续级配；
水泥：42.5R普通硅酸盐水泥，密度为3.101g/cm3，安定性合格。
石灰岩矿粉：密度为2.701g/cm3，无结块；
抗温缩复合物：采用实施例1的配比制成，粉末状；
混合料的集料级配如表3所示。
表3集料级配表(体积比％)
Figure BDA0001554981680000072
Figure BDA0001554981680000081
制备抗温缩乳化沥青混合料的步骤是：在60℃条件下分别将玄武岩集料、石灰岩矿粉和水泥烘干24h；将石灰岩矿粉、水泥和抗温缩复合物混合均匀后，加入到玄武岩集料中，最后加入阳离子乳化沥青和水搅拌均匀。
实施例5～10：
按照实施例4中描述的方法生产实施例5～10所用的抗温缩乳化沥青混合料，原料及其体积配合比如表4所示。其中，所涉及的抗温缩复合物的制备方法和配合比均与实施例1相同。
表4混合料配合比(体积比％)
编号 集料 乳化沥青 石灰岩矿粉 水泥 抗温缩复合物 水
实施例5 81 9 2.8 2 1.2 4
实施例6 81 9 2.6 2 1.4 4
实施例7 80.9 9 2.5 2 1.6 4
实施例8 80.7 9 2.5 2 1.8 4
实施例9 80.7 8.8 2.5 2 2 4
实施例10 81.5 9 3 2 0 4.5
以下是实施例4～10的相关性能试验：
一、抗温缩乳化沥青混合料抗滑性能测试
(1)表面构造深度测试
按照实施例4～10中的配合比成型抗温缩乳化沥青混合料试件，在温度为20℃、湿度为50％的条件下养护至28d龄期，采用手工铺砂法测定试件的表面构造深度，其中，砂子的粒径为0.15mm～0.3mm。表面构造深度测定结果按式②计算，精确到0.01mm。
Figure BDA0001554981680000091
式中：TD为表面构造深度，mm；V为砂的体积，25cm3；D为摊平砂的平均直径，mm。
(2)摩擦系数
按照实施例4～10中的配合比成型抗温缩乳化沥青混合料试件，在温度为20℃、湿度为50％的条件下养护至28d龄期，采用摆式仪法测定试件的摩擦系数。
表5表明，随着抗温缩复合物的增多，抗温缩乳化沥青混合料的表面构造深度减小，摩擦系数增大。抗温缩复合物可以提高乳化沥青混合料的抗滑性能。
表5抗滑性能试验结果
实施例序号 表面构造深度(mm) 摩擦系数(BPN)
实施例4 3.27 75.2
实施例5 3.23 75.6
实施例6 3.04 75.9
实施例7 2.92 76.1
实施例8 2.81 76.2
实施例9 2.81 76.6
实施例10 3.89 71.0
二、动稳定度的测定
车辙板尺寸为300mm×300mm×50mm，试件养护龄期为28d。试验轮碾仪和车辙仪采用HLR-3型沥青混合料轮碾成型机和HLR-3型沥青混合料水路两用车辙试验机。试验轮往返碾压速度为42次/min，试验温度为60℃，结果见表6。
表6动稳定度试验结果
实施例序号 动稳定度(次/mm)
实施例4 3780
实施例5 3833
实施例6 4101
实施例7 4362
实施例8 4587
实施例9 4613
实施例10 3310
三、温缩率试验
按照实施例4～10中的配合比成型尺寸为20mm×20mm×200mm的试件，成型1d后，在试件两端粘结6mm钢制测头，采用卡尺测定试件的初始长度L0，然后将试件移入温度20℃的水槽中，水槽开始降温，降温速率为5℃/h，直至预定的终点温度为-30℃，停止降温，并在此条件下保温30min，测试此时试件的长度Le(单位：mm，精确至0.001mm)，按公式③计算温缩率εe，采用三个平行试件，每个试件测量三次结果，计算平均值，结果见表7。
Figure BDA0001554981680000101
式中：εe-温缩率，％；L0-初始长度测试值，mm；Le-测试温度为-30℃时长度值，mm。
表7温缩率试验结果
实施例序号 温缩率(×10<sup>-6</sup>)
实施例4 76.6
实施例5 75.2
实施例6 72.0
实施例7 71.8
实施例8 69.7
实施例9 65.2
实施例10 79.0
四、抗温缩乳化沥青混合料开裂试验
按照实施例4～10中的配合比成型尺寸为120mm×120mm×10mm的试件，试件带模的情况下，初始温度控制在20±2℃，按5℃/h降温速度降温，8h后观察试件的开裂情况，测量裂缝的尺寸，试验结果如表8所示。
表8表明，与实施例10相比，抗温缩复合物的掺入能够有效地降低裂纹宽度，减少裂纹数量。当环境温度较低时，凝胶材料吸收水分溶胀，防止水分逸散，与橡胶粉一起防止混合料收缩开裂。
表8抗温缩乳化沥青混合料抗开裂试验结果
Figure BDA0001554981680000111
Figure BDA0001554981680000121
以上试验结果表明，本发明的抗温缩乳化沥青混合料性能满足公路工程对稀浆分层乳化沥青混合料性能要求。抗温缩复合物提高了乳化沥青混合料的抗滑性能、高温性能以及抗温缩开裂性能。抗温缩乳化沥青混合料完全能够在新建沥青路面的预防性养护以及沥青路面的维修养护中推广应用。

Claims (4)

1.一种抗温缩复合物的制备方法，其特征在于，所述抗温缩复合物的制备原料包括：按质量百分比计，橡胶粉：50.0％～58.1％，N-异丙基丙烯酰胺单体：36.6％～44.5％，交联剂：1.8％～3.0％，引发剂：1.4％～2.5％，改性剂：0.8％～1.3％；
所述交联剂为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、四甲基乙二胺、二叔丁基过氧化物、丙烯酸和丙烯酸钠中的一种或多种；
所述引发剂为过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化苯甲酰、过氧化二叔丁基、过硫酸钾、过硫酸钠和过硫酸铵中的一种或多种；
所述改性剂为聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物、四级铵盐、二丁酸二辛酯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠和二氯异氰尿酸钠中的一种或多种；
所述制备方法包括：
将配方量的橡胶粉和改性剂进行球磨后制得改性橡胶粉；将配方量的N-异丙基丙烯酰胺单体、改性橡胶粉和去离子水混合，在60-70℃的水浴箱中放置合适时间后，加入配方量的交联剂和引发剂，在25-35℃、无氧的条件下反应得到抗温缩复合物。
2.权利要求1所述抗温缩复合物的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：分别在15-25℃和45-55℃温度下交替漂洗产物2～3次后68-72℃下真空干燥。
3.一种抗温缩乳化沥青混合料，其特征在于，由下列原料按体积百分比组成：阳离子乳化沥青：6％～15％，玄武岩集料：59％～91％，普通硅酸盐水泥：1％～3％，石灰岩矿粉：2％～5％，抗温缩复合物：0.5％～2.5％，水：3％～7％；上述原料的体积百分比之和为100％；所述抗温缩复合物为权利要求1所述方法制备的抗温缩复合物。
4.权利要求3所述抗温缩乳化沥青混合料，其特征在于，所述的抗温缩乳化沥青混合料由下列原料按体积百分比组成：阳离子乳化沥青：8％～13％，玄武岩集料：79％～89％，普通硅酸盐水泥：2％～3％，石灰岩矿粉：2％～4％，抗温缩复合物：1％～2％，水：4％～6％；上述原料的体积百分比之和为100％。
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