CN108911588B - 一种阻燃沥青混合料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种阻燃沥青混合料及其制备方法，按质量份数计，包括基质沥青270～320份，聚酰亚胺纤维11～17份，集料4435～4815份，矿粉285～310份，以及占基质沥青质量20％的橡胶粉。本发明通过先将基质沥青预热再加入橡胶粉，得到橡胶沥青，再加入集料和聚酰亚胺纤维混合均匀，最后加入矿粉，步骤简单，制得的沥青混合料阻燃功效高，能显著降低沥青在火焰中的可燃性，具有良好的难燃性和自熄性，并改善沥青混合料的路用性能。
Description
技术领域
本发明属于路面沥青材料技术领域，具体涉及一种阻燃沥青混合料及其制备方法。
背景技术
近年来，高速公路建设的主战场逐渐由平原转向山区，公路隧道所占比重也越来越大，沥青路面因为具有平整度高，噪音小，无接缝，并且有着良好的力学性能等优点而被广泛的作为路面材料，但沥青为易燃材料，并且隧道内空间狭窄，通风不畅，一旦发生火灾，火情难以控制，并且会产生大量的有害气体，严重时甚至会造成人员伤亡与财产损失。因此隧道路面要求沥青材料具有良好的路用性能的同时具有较好的阻燃性能，且要求低的有害气体排放量。
鉴于公路行业对沥青混合料的阻燃性要求，研究人员多采用外加阻燃剂的方法对沥青进行改性，从而达到沥青阻燃的目的，常用的阻燃剂有有机溴/氧化锑协效体系、有机磷系、硼酸锌等。虽已经取得了相当多的成果并已应用到实体工程中，但比较可以发现诸多的研究成果在推广使用时依然存在着一定的局限性，主要体现在以下方面：
片面的强调阻燃效果而忽视了阻燃剂对沥青混合料既有路用性能的影响。为了达到较好的阻燃效果从而提高阻燃剂的外加掺量，由于这样就不可避免的对沥青混合料的路用性能产生损伤，实验表明随着阻燃剂掺量的增加，由于阻燃剂的吸油性不如矿粉，因此形成的沥青胶浆中自由沥青的比例偏高，扩散溶剂膜与矿料的接触面积小，颗粒间的粘结力较小。而且隧道内由于车辆制动频繁、车速较慢、渠化交通严格等原因使沥青路面承受更大的破坏作用，这所以阻燃剂掺量增加过多无疑会加速沥青路面的破坏。
结合以上现有研究成果及存在的主要问题可知，当今隧道阻燃沥青混合料发展趋势对于工程技术人员来说，如何在减少阻燃剂掺量、保证阻燃效果良好且经济的前提下，使沥青路面阻燃效果更持久、各项路用性能更优异显得十分迫切。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种阻燃沥青混合料及其制备方法，该混合料在保证路用性能的同时具有良好阻燃性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
按质量份数计，包括基质沥青270～320份，聚酰亚胺纤维11～17份，集料4435～4815份，矿粉285～310份，以及占基质沥青质量20％的橡胶粉。
进一步地，基质沥青采用A-90级石油沥青。
进一步地，集料包括粒径≤4mm的辉绿岩850～920份，4mm＜粒径≤7mm的辉绿岩285～310份，7mm＜粒径≤11mm的辉绿岩1415～1535份，以及11mm＜粒径≤16mm的辉绿岩1885～2050份。
进一步地，聚酰亚胺纤维的长度为3mm或6mm。
进一步地，聚酰亚胺纤维的长度为3mm时，该阻燃沥青混合料包括基质沥青300～320份，聚酰亚胺纤维12～17份，粒径≤4mm的辉绿岩865～920份，4mm＜粒径≤7mm的辉绿岩290～310份，7mm＜粒径≤11mm的辉绿岩1440～1535份，11mm＜粒径≤16mm的辉绿岩1920～2050份，矿粉290～310份，以及占基质沥青质量20％的橡胶粉。
进一步地，聚酰亚胺纤维的长度为6mm时，该阻燃沥青混合料包括基质沥青270～290份，聚酰亚胺纤维11～16份，粒径≤4mm的辉绿岩850～880份，4mm＜粒径≤7mm的辉绿岩285～295份，7mm＜粒径≤11mm的辉绿岩1415～1470份，11mm＜粒径≤16mm的辉绿岩1885～1955份，矿粉285～295份，以及占基质沥青质量20％的橡胶粉。
进一步地，矿粉采用粒径在0.6mm以下的石灰岩粉。
如上所述的一种阻燃沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量份数计，将基质沥青预热后在搅拌条件下加入橡胶粉，胶粉完全加入后，升温至180℃～190℃将橡胶粉搅拌均匀，得到混合物A；
(2)将集料和聚酰亚胺纤维加入混合物A中搅拌均匀，得到混合物B；
(3)向混合物B中加入矿粉搅拌均匀，得到阻燃沥青混合料。
进一步地，步骤(1)中在180℃～190℃搅拌1h～1.5h。
进一步地，步骤(2)和步骤(3)中搅拌的时间均为90s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明中通过添加聚酰亚胺纤维，其不仅具有高强度的特性，而且聚酰亚胺的主链上含有大量的芳基，燃烧时可缩合成芳构型碳，燃烧时产生的气态可燃性产物较少，因此具有优异的阻燃效果，燃烧时不产生有害毒物，由于聚酰亚胺纤维的分散作用，沥青混合料在拌和时加入适量的纤维后，沥青和矿粉就能均匀地分散在集料之间，同时聚酰亚胺纤维具有良好的吸附作用，在混合料中能吸附沥青，使沥青的用量增加，集料表面的结构沥青膜增厚，从而提高沥青混合料的路用性能。聚酰亚胺纤维能增加沥青和集料的粘附性，提高沥青混合料的黏度，加强集料间的粘结能力，添加聚酰亚胺纤维，可使沥青处于比较稳定的状态，尤其是在高温状态下，纤维内部的空隙吸附了部分受热膨胀的沥青，使沥青膜不致在高温下成为自由沥青而泛油；本发明集料占比较高，集料本身的物理力学性质对骨架嵌挤作用影响极大，形成嵌挤作用，利于最终得到的沥青混合料具有良好的抗车辙能力；同时矿粉与沥青拌合形成的沥青胶浆提供了沥青混合料骨架间良好的粘结力，对沥青混合料具有至关重要的作用。由于橡胶粉用于沥青混合料既有对沥青的改性作用，其颗粒在沥青混合料中又是天然存在的，使得橡胶粉沥青混合料的受力特性发生了变化，赋予了沥青混合料良好的降噪性能、抗高温性能和重载性能、抗疲劳性能。本发明通过聚酰亚胺纤维、基质沥青、集料以及胶粉等相互配合，实现了混合料在保证路用性能的同时具有良好的阻燃性。经试验证明，本发明掺加了聚酰亚胺纤维的沥青极限氧指数能够提高51.7％，沥青混合料稳定度能够提高55.9％，流值能够降低40.5％，本发明可以显著提高沥青的阻燃性能，并改善沥青混合料的路用性能。
进一步地，本发明集料采用多级粒径的辉绿岩，符合SMA抗滑表层混合料的技术要求，具有足够的强度、良好的耐磨耗性、耐磨光性、抗压碎能力以及与沥青良好的粘附性等性能。
本发明制备方法中，通过先将基质沥青预热再加入橡胶粉，得到橡胶沥青，再加入集料和聚酰亚胺纤维混合均匀，最后加入矿粉，步骤简单，制得的沥青混合料阻燃功效高，能显著降低沥青在火焰中的可燃性，具有良好的难燃性和自熄性；对沥青混合料有明显的增强、增韧和阻裂作用，使其疲劳耐久性显著提高；施工工艺简单，便于机械化；安全环保，性价比高。因此，将本发明用于隧道路面对提高隧道路面使用品质具有重要意义。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。
本发明道路阻燃沥青混合料包括基质沥青、3mm或6mm聚酰亚胺纤维、集料、矿粉以及橡胶粉，本发明橡胶粉采用施工现场正常使用的橡胶粉，橡胶粉全部采用900型以上的斜交轮胎为原材料，经过常温研磨加工而成20～40目的粉末，本发明矿粉采用9.5～19mm石灰岩使用球磨机现场加工得到，且矿粉的粒径均在0.6mm以下。
本发明采用长度为3mm或6mm两种规格的聚酰亚胺纤维，该聚酰亚胺纤维由江苏先诺新材料科技有限公司提供，主要技术指标见表1和表2：
表1 6mm聚酰亚胺纤维主要技术指标
| 检验项目 | 实测值 | 技术要求值 |
| 单纤长度(D) | 1.9 | 1.8～2.2 |
| 短纤长度(mm) | 6.0 | 5.5～6.5 |
| 玻璃化转变温度Tg(℃) | 401 | ≥380 |
| d<sub>5</sub>分解温度(℃) | 565 | ≥560 |
| 含水率(％) | 0.8 | ≤4.0 |
| 极限氧指数(％) | 41 | ≥38 |
表2 3mm聚酰亚胺纤维主要技术指标
| 检验项目 | 实测值 | 技术要求值 |
| 单纤长度(D) | 1.0 | 0.8～1.0 |
| 短纤长度(mm) | 630 | 2.8～3.2 |
| 玻璃化转变温度Tg(℃) | 401 | ≥380 |
| d<sub>5</sub>分解温度(℃) | 565 | ≥560 |
| 含水率(％) | 0.7 | ≤4.0 |
| 极限氧指数(％) | 41 | ≥38 |
基质沥青采用韩国“SK”牌A-90道路石油沥青，本发明采用热熔法并使用扇形叶片搅拌机加工橡胶沥青。
表3 韩国“SK”牌A-90级沥青的技术指标检测结果
集料采用辉绿岩，基本技术指标如表4。
表4 辉绿岩基本技术指标
表5 橡胶粉检测指标
表6 矿粉主要技术指标测试结果
制备该隧道阻燃沥青混合料的方法，包括以下步骤：
①按照一定配比称取相应的基质沥青，胶粉，聚酰亚胺纤维与辉绿岩,胶粉烘干温度以110℃为宜，基质沥青在加工前须脱水。
②加热基质沥青使其温度达到160℃，缓缓加入胶粉，边加热边搅拌，胶粉分三次平均加入，前一次加入胶粉并搅拌均匀后再加入，整个加入胶粉过程的时间在5min左右完成。
③加入胶粉后，持续加热搅拌，为防止老化，加热温度控制在180℃～190℃。
④橡胶颗粒在上述高温的基质沥青中搅拌时间控制在1h～1.5h左右。
⑤拌和锅温度控制在180-190℃，将称取的辉绿岩同称取的纤维一起在拌和锅内搅拌至90S,加入橡胶沥青搅拌最后加入矿粉搅拌至90s,制得阻燃沥青混合料。
⑥对本发明隧道用阻燃沥青按照GB 2406-1993对沥青氧指数进行评价，按照JTGE20-2011规定的试验方法测出沥青混合料的稳定度与流值。
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
称取6mm聚酰亚胺纤维15.86质量份，基质沥青280质量份，称取粒径≤4mm的辉绿岩880质量份，4mm＜粒径≤7mm的辉绿岩294质量份，7mm＜粒径≤11mm的辉绿岩1468质量份，11mm＜粒径≤16mm的辉绿岩1957质量份，矿粉294质量份，橡胶粉56质量份。
加热基质沥青使其温度达到160℃，缓缓加入橡胶粉，边加热边搅拌，橡胶粉分三次平均加入，前一次加入橡胶粉并搅拌均匀后再加入，整个加入橡胶粉过程的时间在5min左右完成；加入橡胶粉后，在185℃持续加热搅拌1.2h左右；然后加入辉绿岩同称取的纤维一起在拌和锅内搅拌90S，最后加入矿粉搅拌90s，制得阻燃沥青混合料。
实施例2
称取3mm聚酰亚胺纤维15.94质量份，基质沥青310质量份，称取粒径≤4mm的辉绿岩893质量份，4mm＜粒径≤7mm的辉绿岩298质量份，7mm＜粒径≤11mm的辉绿岩1489质量份，11mm＜粒径≤16mm的辉绿岩1985质量份，矿粉298质量份，橡胶粉62质量份。
制备步骤同实施例1，制得阻燃沥青混合料。
对比例1掺加其他阻燃剂
称取基质沥青315质量份，称取粒径0～4mm辉绿岩900质量份，4～7mm辉绿岩300质量份，7～11mm辉绿岩1500质量份，11～16mm辉绿岩2000质量份，矿粉300质量份，橡胶粉63质量份；Miber-Ⅲ阻燃矿物复合纤维25质量份；制备步骤同实施例1，制得阻燃沥青混合料。
对比例2无阻燃剂
称取基质沥青315质量份，称取粒径0～4mm辉绿岩900质量份，4～7mm辉绿岩300质量份，7～11mm辉绿岩1500质量份，11～16mm辉绿岩2000质量份，矿粉300质量份，橡胶粉63质量份。制备步骤同实施例1，制得阻燃沥青混合料。
按照GB 2406-1993，分别对实施例1和2以及对比例1和2制备的沥青混合料,进行沥青氧指数评价。
按照JTG E20-2011规定的试验方法，采用上述实施例及对比例制得的沥青混合料制备标准马歇尔试件，并测出沥青混合料的稳定度与流值，结果如下表7所示。
表7 本发明掺加聚酰亚胺纤维阻燃沥青混合料与其他沥青混合料的性能对比
由上表7数据可以得出，相对对比例2未添加阻燃剂的沥青混合料来说，本发明掺加了6mm聚酰亚胺纤维的石油沥青极限氧指数提高了51.7％，沥青混合料稳定度提高了55.9％，流值降低了40.5％。掺加了3mm聚酰亚胺纤维的石油沥青极限氧指数提高了40.4％，沥青混合料的稳定度提高了18.0％，流值降低了31.9％；相对添加其它阻燃剂的沥青混合料来说，本发明沥青混合料性能也有明显上升。由此可见，聚酰亚胺纤维可以显著提高沥青的阻燃性能，并改善沥青混合料的路用性能。同等条件比较之下，6mm聚酰亚胺纤维在提高沥青混合料的阻燃与力学性能方面的效果更为显著。
实施例3
称取6mm聚酰亚胺纤维11质量份，基质沥青270质量份，称取粒径≤4mm的辉绿岩860质量份，4mm＜粒径≤7mm的辉绿岩290质量份，7mm＜粒径≤11mm的辉绿岩1415质量份，11mm＜粒径≤16mm的辉绿岩1995质量份，矿粉290质量份，橡胶粉54质量份。
加热基质沥青使其温度达到160℃，缓缓加入橡胶粉，边加热边搅拌，橡胶粉分三次平均加入，前一次加入橡胶粉并搅拌均匀后再加入，整个加入橡胶粉过程的时间在5min左右完成；加入橡胶粉后，在180℃持续加热搅拌1.5h左右；然后加入辉绿岩同称取的纤维一起在拌和锅内搅拌90S，最后加入矿粉搅拌90s，制得阻燃沥青混合料，经测试，稳定度为13.52KN，流值为22.8(0.1mm),极限氧指数为29.6％。
实施例4
称取6mm聚酰亚胺纤维14质量份，基质沥青290质量份，称取粒径≤4mm的辉绿岩850质量份，4mm＜粒径≤7mm的辉绿岩285质量份，7mm＜粒径≤11mm的辉绿岩1450质量份，11mm＜粒径≤16mm的辉绿岩1885质量份，矿粉285质量份，橡胶粉58质量份。
加热基质沥青使其温度达到160℃，缓缓加入橡胶粉，边加热边搅拌，橡胶粉分三次平均加入，前一次加入橡胶粉并搅拌均匀后再加入，整个加入橡胶粉过程的时间在5min左右完成；加入橡胶粉后，在190℃持续加热搅拌1h左右；然后加入辉绿岩同称取的纤维一起在拌和锅内搅拌90S，最后加入矿粉搅拌90s，制得阻燃沥青混合料，经测试稳定度为13.56KN，流值为22.4(0.1mm),极限氧指数为30.2％。
实施例5
称取3mm聚酰亚胺纤维17质量份，基质沥青300质量份，称取粒径≤4mm的辉绿岩865质量份，4mm＜粒径≤7mm的辉绿岩290质量份，7mm＜粒径≤11mm的辉绿岩1440质量份，11mm＜粒径≤16mm的辉绿岩2050质量份，矿粉290质量份，橡胶粉60质量份。
加热基质沥青使其温度达到160℃，缓缓加入橡胶粉，边加热边搅拌，橡胶粉分三次平均加入，前一次加入橡胶粉并搅拌均匀后再加入，整个加入橡胶粉过程的时间在5min左右完成；加入橡胶粉后，在188℃持续加热搅拌1h左右；然后加入辉绿岩同称取的纤维一起在拌和锅内搅拌90S，最后加入矿粉搅拌90s，制得阻燃沥青混合料经测试稳定度为13.45KN，流值为25.8(0.1mm)，极限氧指数为28.4％。
实施例6
称取3mm聚酰亚胺纤维12质量份，基质沥青320质量份，称取粒径≤4mm的辉绿岩920质量份，4mm＜粒径≤7mm的辉绿岩310质量份，7mm＜粒径≤11mm的辉绿岩1535质量份，11mm＜粒径≤16mm的辉绿岩1920质量份，矿粉310质量份，橡胶粉64质量份。
加热基质沥青使其温度达到160℃，缓缓加入橡胶粉，边加热边搅拌，橡胶粉分三次平均加入，前一次加入橡胶粉并搅拌均匀后再加入，整个加入橡胶粉过程的时间在5min左右完成；加入橡胶粉后，在182℃持续加热搅拌1.3h左右；然后加入辉绿岩同称取的纤维一起在拌和锅内搅拌90S，最后加入矿粉搅拌90s，制得阻燃沥青混合料，经测试稳定度为13.42KN，流值为25.5(0.1mm)，极限氧指数为27.2％。
Claims (6)
1.一种阻燃沥青混合料，其特征在于：按质量份数计，包括基质沥青、辉绿岩、矿粉、橡胶粉和长度为3mm或6mm的聚酰亚胺纤维；
聚酰亚胺纤维的长度为3mm时，该阻燃沥青混合料包括基质沥青300～320份，聚酰亚胺纤维12～17份，粒径≤4mm的辉绿岩865～920份，4mm＜粒径≤7mm的辉绿岩290～310份，7mm＜粒径≤11mm的辉绿岩1440～1535份，11mm＜粒径≤16mm的辉绿岩1920～2050份，矿粉290～310份，以及占基质沥青质量20％的橡胶粉；
聚酰亚胺纤维的长度为6mm时，该阻燃沥青混合料包括基质沥青270～290份，聚酰亚胺纤维11～16份，粒径≤4mm的辉绿岩850～880份，4mm＜粒径≤7mm的辉绿岩285～295份，7mm＜粒径≤11mm的辉绿岩1415～1470份，11mm＜粒径≤16mm的辉绿岩1885～1955份，矿粉285～295份，以及占基质沥青质量20％的橡胶粉。
2.根据权利要求1所述的一种阻燃沥青混合料，其特征在于：基质沥青采用A-90级石油沥青。
3.根据权利要求1所述的一种阻燃沥青混合料，其特征在于：矿粉采用粒径在0.6mm以下的石灰岩粉。
4.如权利要求1所述的一种阻燃沥青混合料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)按质量份数计，将基质沥青预热后在搅拌条件下加入橡胶粉，胶粉完全加入后，升温至180℃～190℃将橡胶粉搅拌均匀，得到混合物A；
(2)将集料和聚酰亚胺纤维加入混合物A中搅拌均匀，得到混合物B；
(3)向混合物B中加入矿粉搅拌均匀，得到阻燃沥青混合料。
5.根据权利要求4所述的一种阻燃沥青混合料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中在180℃～190℃搅拌1h～1.5h。
6.根据权利要求4所述的一种阻燃沥青混合料的制备方法，其特征在于：步骤(2)和步骤(3)中搅拌的时间均为90s。
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