CN108440977B - 用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青、改性剂及制备方法 - Google Patents

用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青、改性剂及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青、改性剂及制备方法，以重量份数计，由以下原料制成：沥青为64～66份，杂环芳纶纤维为12～16份，异氰酸酯为14～20份，余量为水，原料的重量份数之和为100份；所述的用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青在制备过程中，先将杂环芳纶纤维浸入异氰酸酯中，然后加入水进行反应，制得杂环芳纶改性剂；然后将杂环芳纶改性剂加入加热后的沥青中搅拌混合，制得用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青。本发明通过异氰酸酯基团与杂环纤维上的酰胺基上的活泼氢反应，将异氰酸酯接枝到杂环纤维改善了杂环芳纶纤维表面的性质，有利于提高杂环芳纶纤维与沥青界面剪切强度。

Description

用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青、改性剂及制备方法
技术领域
本发明属于道路材料领域，涉及用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青，具体涉及一种用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青、改性剂及制备方法。
背景技术
随着交通流量和行驶频度急剧增长，许多重载交通路面尤其是处于高温地区的重载路面，在其使用年限内就产生了较大深度的车辙，严重影响了路面使用性能。使用低标号硬质高模量沥青可以减少或者推迟车辙的产生，但在我国由于原油品质的特殊性和低标号沥青炼制工艺的复杂性制约了硬质高模量沥青的发展，为此许多道路专家采用不同的改性剂对沥青进行改进，如采用SBS、EVA、SBR等外掺剂对沥青改性，但要达到低标号高模量沥青混凝土的效果，这些改性方法造价都比较昂贵而且制作工艺复杂；因此亟需一种造价低廉且制作工艺简单、高模量较高、抗车辙性能较好的改性沥青以减少车辙深度，从而延长路面使用寿命，保证路面的正常服务质量，减少设计使用期内因车辙产生的维修费用，带来巨大的经济效益和社会效益。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青、改性剂及制备方法，解决高温地区沥青路面过早出现较大深度的车辙问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青，以重量份数计，由以下原料制成：沥青为64～66份，杂环芳纶纤维为12～16份，异氰酸酯为14～20份，余量为水，原料的重量份数之和为100份；
所述的用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青在制备过程中，先将杂环芳纶纤维浸入异氰酸酯中，然后加入水进行反应，制得杂环芳纶改性剂；然后将杂环芳纶改性剂加入加热后的沥青中搅拌混合，制得用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青。
本发明还保护一种杂环芳纶改性剂，以重量份数计，由以下原料制成：杂环芳纶纤维为12～16份，异氰酸酯为14～20份，水为4份；具体的，所述的杂环芳纶改性剂的制备过程为：将杂环芳纶纤维加入四氢呋喃与氢化钠按照体积比1：1组成的混合溶液中，冰浴10min，按照异氰酸酯：杂环芳纶纤维＝1.5:1的质量比将异氰酸酯滴加进去，在室温条件下反应12h，即可得到杂环芳纶改性剂。
本发明还保护一种杂环芳纶改性剂的制备方法，该方法采用如上所述的杂环芳纶改性剂配方和方法。
本发明还具有如下区别技术特征：
具体的，制得杂环芳纶改性剂的具体制备过程为：将杂环芳纶纤维加入四氢呋喃与氢化钠按照体积比1：1组成的混合溶液中，冰浴10min，按照异氰酸酯：杂环芳纶纤维＝1.5:1的质量比将异氰酸酯滴加进去，在室温条件下反应12h，即可得到杂环芳纶改性剂。
优选的，所述的杂环芳纶纤维为五元含氮杂环聚芳酰胺纤维，所述的五元含氮杂环聚芳酰胺的结构式为：
Figure BDA0001594180700000031
其中：n为200～400；
R1为-NHCOCH3；
R2为-OCH3。
具体的，所述的异氰酸酯为4，4′-二甲基三苯基甲烷-2，2′，5，5′-四异氰酸酯、JQ-6多异氰酸酯、1-苯并噻吩-5-基异氰酸酯、3，4，5-三甲氧基苄基异氰酸酯、2，5-二甲氧基苯异氰酸酯、2，5-二氯苯基异氰酸酯、3，5-二氯苯异氰酸酯、七异氰酸酯、异氰酸十四酯、正辛基异氰酸酯、叔辛基异氰酸酯、异氰酸酯基硅氧烷树脂、四甲基苯二甲基二异氰酸酯基或苯异氰酸酯基-β-环糊精。
优选的，所述的异氰酸酯为4，4′-二甲基三苯基甲烷-2，2′，5，5′-四异氰酸酯。
优选的，以重量份数计，由以下原料制成：沥青为64份，杂环芳纶纤维为14份，异氰酸酯为18份，水为4份。
具体的，所述的搅拌过程的具体条件为：沥青的加热温度为110～130℃，以900r/min的搅拌速率进行搅拌，搅拌时间为15min～30min。
优选的，以重量份数计，由以下原料制成：杂环芳纶纤维为14份，异氰酸酯为18份，水为4份。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明通过异氰酸酯基团与杂环纤维上的酰胺基上的活泼氢反应，将异氰酸酯接枝到杂环纤维改善了杂环芳纶纤维表面的性质，有利于提高杂环芳纶纤维与沥青界面剪切强度。
(Ⅱ)本发明首次采用高模量物质杂环芳纶纤维为外掺剂，以提高沥青的模量。本发明首次使用4，4′-二甲基三苯基甲烷-2，2′，5，5′-四异氰酸酯改善杂环芳纶纤维表面活性。
(Ⅲ)本发明使用的4，4′-二甲基三苯基甲烷-2，2′，5，5′-四异氰酸酯，结构式中含有四个异氰酸酯基团，其中一个与杂环芳纶纤维中的酰胺基的活泼氢反应，剩余三个异氰酸酯基团接枝到纤维主链上，在纤维表面接入刚性苯环结构，提高了杂环芳纶纤维的模量，进一步提高沥青混合料的模量。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青，以重量份数计，由以下原料制成：沥青64份，杂环芳纶纤维12份，异氰酸酯20份，水4份。
本实施例中，沥青为基质沥青，采用90#克拉玛依基质沥青。
本实施例中，杂环芳纶纤维为五元含氮杂环聚芳酰胺纤维，所述的五元含氮杂环聚芳酰胺的结构式为：
Figure BDA0001594180700000051
其中：n为200～400；
R1为-NHCOCH3；
R2为-OCH3。
本实施例中，异氰酸酯为4，4′-二甲基三苯基甲烷-2，2′，5，5′-四异氰酸酯。
需要说明的是，本实施例中的4，4′-二甲基三苯基甲烷-2，2′，5，5′-四异氰酸酯还可以采用如下异氰酸酯替换。
JQ-6多异氰酸酯、1-苯并噻吩-5-基异氰酸酯、3，4，5-三甲氧基苄基异氰酸酯、2，5-二甲氧基苯异氰酸酯、2，5-二氯苯基异氰酸酯、3，5-二氯苯异氰酸酯、七异氰酸酯、异氰酸十四酯、正辛基异氰酸酯、叔辛基异氰酸酯、异氰酸酯基硅氧烷树脂、四甲基苯二甲基二异氰酸酯基或苯异氰酸酯基-β-环糊精。
本实施中的用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青的制备过程为：先将杂环芳纶纤维浸入异氰酸酯中，利用异氰酸酯基与杂环芳纶纤维中酰胺基的氢反应，在纤维表面引入异氰酸酯基团，从而改善了杂环芳纶纤维的表面活性；然后加入水进行反应，将纤维表面的异氰酸酯基团转化成氨基，制得杂环芳纶改性剂；然后将杂环芳纶改性剂加入加热后的沥青中搅拌混合，制得用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青。
具体的，杂环芳纶改性剂的制备过程为：制得杂环芳纶改性剂的具体制备过程为：将杂环芳纶纤维加入四氢呋喃与氢化钠按照体积比1：1组成的混合溶液中，冰浴10min，按照异氰酸酯：杂环芳纶纤维＝1.5:1的质量比将异氰酸酯滴加进去，在室温条件下反应12h，即可得到杂环芳纶改性剂。
具体的，搅拌过程的具体条件为：沥青的加热温度为110～130℃，以900r/min的搅拌速率进行搅拌，搅拌时间为15min～30min。
性能测试：
待测物的制备：制备高模量抗车辙改性沥青混凝土时，矿料级配采用AC-13合成级配，最佳油石比为4.61％，将混合料置于搅拌机中搅拌，得到待测物为一种高模量抗车辙沥青混凝土。
(a)采用室内小型车辙试验，得到任意时刻的总变形，即为车辙深度；取60min的动稳定度，来评价沥青混合料的高温抗车辙能力；
(b)采用沥青混合料弯曲试验，得到试件破坏时的粱底最大弯拉应变，来评价沥青混合料的低温稳定性；
(c)采用冻融劈裂残留强度试验，得到劈裂强度和冻融劈裂抗拉强度，来评价沥青混合料的水稳定性；
(d)采用冻融循环试验，经过200次冻融循环，测得其劈裂抗拉强度，来评价沥青混合料的抗冻性能。
性能测试结果如表1所示。
实施例1-1：
本实施例给出一种杂环芳纶改性剂，以重量份数计，由以下原料制成：杂环芳纶纤维12份，异氰酸酯20份，水4份。本实施例的杂环芳纶改性剂的制备过程与实施例1中的杂环芳纶改性剂的制备过程相同。
实施例2：
本实施例给出一种用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青，以重量份数计，由以下原料制成：沥青64份，杂环芳纶纤维14份，异氰酸酯18份，水4份。
本实施例中原料的选择和规格与实施例1相同。
本实施例的高模量抗车辙沥青混凝土的制备方法与实施例1相同。
本实施例的性能测试项目与实施例1相同，性能测试结果如表1所示。
实施例2-1：
本实施例给出一种杂环芳纶改性剂，以重量份数计，由以下原料制成：杂环芳纶纤维14份，异氰酸酯18份，水4份。本实施例的杂环芳纶改性剂的制备过程与实施例1中的杂环芳纶改性剂的制备过程相同。
本实施例的产物的表征结果与实施例1-1基本相同。
实施例3：
本实施例给出一种用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青，以重量份数计，由以下原料制成：沥青65份，杂环芳纶纤维11份，异氰酸酯20份，水4份。
本实施例中原料的选择和规格与实施例1相同。
本实施例的高模量抗车辙沥青混凝土的制备方法与实施例1相同。
本实施例的性能测试项目与实施例1相同，性能测试结果如表1所示。
实施例3-1：
本实施例给出一种杂环芳纶改性剂，以重量份数计，由以下原料制成：杂环芳纶纤维11份，异氰酸酯20份，水4份。本实施例的杂环芳纶改性剂的制备过程与实施例1中的杂环芳纶改性剂的制备过程相同。
本实施例的产物的表征结果与实施例1-1基本相同。
实施例4：
本实施例给出一种用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青，以重量份数计，由以下原料制成：沥青66份，杂环芳纶纤维15份，异氰酸酯15份，水4份。
本实施例中原料的选择和规格与实施例1相同。
本实施例的高模量抗车辙沥青混凝土的制备方法与实施例1相同。
本实施例的性能测试项目与实施例1相同，性能测试结果如表1所示。
实施例4-1：
本实施例给出一种杂环芳纶改性剂，以重量份数计，由以下原料制成：杂环芳纶纤维15份，异氰酸酯15份，水4份。本实施例的杂环芳纶改性剂的制备过程与实施例1中的杂环芳纶改性剂的制备过程相同。
本实施例的产物的表征结果与实施例1-1基本相同。
实施例5：
本实施例给出一种用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青，以重量份数计，由以下原料制成：沥青64份，杂环芳纶纤维15份，异氰酸酯17份，水4份。
本实施例中原料的选择和规格与实施例1相同。
本实施例的高模量抗车辙沥青混凝土的制备方法与实施例1相同。
本实施例的性能测试项目与实施例1相同，性能测试结果如表1所示。
实施例5-1：
本实施例给出一种杂环芳纶改性剂，以重量份数计，由以下原料制成：杂环芳纶纤维15份，异氰酸酯17份，水4份。本实施例的杂环芳纶改性剂的制备过程与实施例1中的杂环芳纶改性剂的制备过程相同。
本实施例的产物的表征结果与实施例1-1基本相同。
实施例6：
本实施例给出一种用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青，以重量份数计，由以下原料制成：沥青66份，杂环芳纶纤维16份，异氰酸酯14份，水4份。
本实施例中原料的选择和规格与实施例1相同。
本实施例的高模量抗车辙沥青混凝土的制备方法与实施例1相同。
本实施例的性能测试项目与实施例1相同，性能测试结果如表1所示。
实施例6-1：
本实施例给出一种杂环芳纶改性剂，以重量份数计，由以下原料制成：杂环芳纶纤维16份，异氰酸酯14份，水4份。本实施例的杂环芳纶改性剂的制备过程与实施例1中的杂环芳纶改性剂的制备过程相同。
本实施例的产物的表征结果与实施例1-1基本相同。
对比例1：
本对比例给出一种改性沥青，以重量份数计，由以下原料制成：沥青66份，杂环芳纶纤维30份，水4份。即采用等量的杂环芳纶纤维直接替换实施例6中的杂环芳纶改性剂。
本对比例中原料的选择和规格与实施例6相同。
本对比例中的改性沥青的制备过程为：将杂环芳纶纤维直接加入加热后的沥青中搅拌混合，制得用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青。具体的，搅拌过程的具体条件为：沥青的加热温度为110～130℃，以900r/min的搅拌速率进行搅拌，搅拌时间为15min～30min。
本对比例的性能测试过程与实施例6相同，性能测试结果如表1所示。
对比例2：
本对比例给出一种改性沥青，以重量份数计，由以下原料制成：沥青66份，杂环芳纶纤维16份，水4份。即采用实施例6配方原始量的杂环芳纶纤维直接替换实施例6中的杂环芳纶改性剂。
本对比例中原料的选择和规格与实施例6相同。
本对比例中的改性沥青的制备过程与对比例1相同。
本对比例的性能测试过程与实施例6相同，性能测试结果如表1所示。
对比例3：
本对比例给出一种SBS改性沥青混凝土，本对比例与实施例6不同之处在于，用等量的质量分数为5％的SBS改性剂替代杂环芳纶改性剂。
本对比例中原料的选择和规格与实施例6相同。
本对比例的SBS改性沥青混凝土的制备方法与实施例6基本相同。
本对比例的性能测试与实施例6相同，性能测试结果如表1所示。
对比例4：
本对比例给出普通沥青混凝土，本对比例与实施例6不同之处在于，用等量的沥青替代杂环芳纶改性剂，即沥青未掺加改性剂。
本对比例中原料的选择和规格与实施例6相同。
本对比例的SBS改性沥青混凝土的制备方法与实施例6基本相同。
本对比例的性能测试与实施例6相同，性能测试结果如表1所示。
表1性能测试结果
Figure BDA0001594180700000111
从表1可可知：
(A)相比基质沥青，掺加改性后杂环芳纶纤维改性剂的沥青混合料动稳定度、最大弯拉应变、冻融劈裂抗拉强度及劈裂强度均有所提高，且与SBS改性沥青相差不大。因此改性沥青混凝土高温、低温、水稳、抗冻性能较基质沥青有较大的提高。
(B)对比实施例6与对比例1的试验结果，在混合料中掺加等量未改性的杂环芳纶纤维并未改变混合料的路用性能，原因在于未接枝异氰酸酯接枝的杂环芳纶纤维，其表面极性集团含量较低，与沥青界面剪切强度较低，因此改性效果较差。
(C)相比实施例1～6试件的各项指标，可以发现实施例2的各项指标是最优的。

Claims (5)

1.一种用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青，其特征在于，以重量份数计，由以下原料制成：沥青为64～66份，杂环芳纶纤维为12～16份，异氰酸酯为14～20份，余量为水，原料的重量份数之和为100份；
所述的用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青在制备过程中，先将杂环芳纶纤维浸入异氰酸酯中，然后加入水进行反应，制得杂环芳纶改性剂；然后将杂环芳纶改性剂加入加热后的沥青中搅拌混合，制得用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青；
所述的异氰酸酯为4，4′-二甲基三苯基甲烷-2，2′，5，5′-四异氰酸酯、JQ-6多异氰酸酯、七异氰酸酯或四甲基苯二甲基二异氰酸酯。
2.如权利要求1所述的用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青，其特征在于，制得杂环芳纶改性剂的具体制备过程为：将杂环芳纶纤维加入四氢呋喃与氢化钠按照体积比1：1组成的混合溶液中，冰浴10min，按照异氰酸酯：杂环芳纶纤维＝1.5:1的质量比将异氰酸酯滴加进去，然后加入水进行反应，即可得到杂环芳纶改性剂。
3.如权利要求1所述的用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青，其特征在于，所述的杂环芳纶纤维为五元含氮杂环聚芳酰胺纤维，所述的五元含氮杂环聚芳酰胺的结构式为：
Figure FDA0002491844550000011
其中：n为200～400；
R1为-NHCOCH3；
R2为-OCH3。
4.如权利要求1所述的用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青，其特征在于，以重量份数计，由以下原料制成：沥青为64份，杂环芳纶纤维为14份，异氰酸酯为18份，水为4份。
5.如权利要求1所述的用于高模量抗车辙混凝土的改性沥青，其特征在于，所述的搅拌过程的具体条件为：沥青的加热温度为110～130℃，以900r/min的搅拌速率进行搅拌，搅拌时间为15min～30min。
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