CN109311751A - 用于道路建设的改善的粘结层和应力吸收膜夹层施加的粘合剂组合物 - Google Patents

用于道路建设的改善的粘结层和应力吸收膜夹层施加的粘合剂组合物 Download PDF

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Abstract

一种用于沥青路面的粘合剂组合物，包括：沥青粘合剂；弹性体聚合物；蜡改性剂；和可选的以下中的至少一种：i)煅制二氧化硅或煅制氧化铝；以及ii)皂化脂肪酸和树脂酸胶凝化合物。该组合物作为粘结层和/或应力吸收膜夹层施加，并且是无车辙的。

Description

用于道路建设的改善的粘结层和应力吸收膜夹层施加的粘合 剂组合物
背景技术
本发明总体涉及沥青铺设面的安装、修理和预防性维护。更具体地，本发明涉及一种热施加的粘合剂组合物，用于在沥青铺设和道路建设中的粘结层、应力吸收膜夹层(SAMI)和无车辙(non-tracking)应力吸收膜夹层(NT-SAMI)。更具体地，本发明涉及一种无车辙的，热施加的粘合剂应用，其具有改进的低温柔韧性，用于沥青混合料层(mix course)下方。
在为建造、维修或维护现有道路而安装沥青铺设混合料层时，需要在混合料层下面施加粘合材料，以提供对现有的底层表面的粘合。在建造新道路时，混合料层之间也需要使用这种粘合材料。
沥青混合料层之下或之间的不充分粘附通常可以导致混合料层之下和/或之间的过早开裂、分层或滑移以及道路的整体破坏。过早破坏的结果可能会对车辆交通造成危险，并且对负责机构和纳税人来说，纠正这种情况通常是昂贵的。
用于粘结沥青混合料层的粘合材料在本领域中是已知的，并且被称为粘结层(tack coat)。典型的粘结层可以包含一定百分比的沥青水泥液体、乳化剂、水或其它添加剂，并可以在热、温暖或环境气候温度下施加。
当用于粘结层组合物中时，与沥青乳液(包含沥青水泥、水和乳化剂)相关的通常现象是需要一定量的固化时间来释放乳液的水相。施加率通常在0.05至0.15加仑/平方码的约60％沥青含量的乳液的范围内。通常，固化时间从粘结层开始施加到沥青混合料层开始安装。最小固化时间由水从沥青乳液材料中释放的速度决定。更高的施加率需要更长的时间来固化并且产生建设设备的牵引问题。在可以为15分钟到几个小时的固化时间的过程中，经常出现的情况是，行进中的公众不允许在粘结层上行驶，这导致了与道路关闭或交通绕行相关的成本。讽刺的是，在这一固化期间，沥青铺路设备和沥青混合料运输车在粘结层施加上行驶是非常常见的行业做法。这种常见做法的结果通常会导致粘结层被拖运车辆轮胎或履带从其预期的粘合区域移位、粘起或带走。因此，这种做法可能会导致被建筑交通损坏的区域的不完全粘合，这些区域通常与以后交通的车轮路径相对应。
粘结层可由液态沥青水泥组成，通常在高温下施加，通常称为“热施加粘结层”。热施加粘结层的典型施加率为约0.05至0.1加仑/平方码。铺路级沥青水泥已经被使用，具有一系列不同的稠度，从较软的等级，如150或更高的贯入度(penetration)，到贯入度低于100的较硬等级。虽然这些材料只需要在铺设开始前将温度降至通常低于140°F，但它们仍然容易被铺设设备的轮胎或履带粘起。在放置热的混合沥青铺设层之前，粘结层材料的量不足会导致过早的路面破坏，如上文关于沥青乳液粘结层材料的使用描述的。
致力于克服与沥青乳液粘结层或热施加粘结层相关的车辙问题，已经开发了一种分类为“无车辙粘结层”材料的类别。无车辙粘结层材料已经以沥青乳液和热施加沥青材料的形式实施。虽然施加率可能与其它热施加粘结层相似，但由于配方中使用较硬的沥青，可能会使用更高的施加率，据报道高达0.2加仑/平方码。据报道，热施加的无车辙粘结层比传统热施加粘结层和沥青乳液粘结层固化更快。热施加的无车辙粘结层通常包含贯入度(pen)小于40dmm的沥青液体水泥。这些低pen材料导致其在粘结层应用中的预期使用的脆性，并且由于脆性导致粘结失效，这表现为过早的纵向车轮路径开裂和沥青混合料层的分层。
乳化粘结层的另一个问题是，由于乳液的低粘度，通常如果它们以过高的施加率施加，它们在固化前会移动(流动)。当在具有坡度的山丘或曲线上铺设路面时，这种移动(流动)的问题通常通过降低施加率来解决。虽然高速公路管理机关想要更高的施加率，但是以乳液(代表目前使用的所有粘结层的至少95％)很难达实现更高的施加率。另外，承包商不喜欢他们的设备上脏乱的乳液粘结层，所以在高速公路管理机关不阻止他们的情况下他们经常使用尽可能低的施加率。如果交托给承包商，在大多数情况下不会施加粘结层。
应力吸收膜夹层(SAMI)通常是热施加或乳液形式施加于现有的受损路面，最常见的是沥青混凝土路面的的沥青粘合剂。施加率大于粘结层施加中通常使用的施加率，乳液类产品的施加率通常为0.4加仑/平方码或更高。沥青粘合剂是聚合物改性的，以提供更大的弹性，且能够抵御底层路面应力传递到新的沥青覆盖层中。在施加SAMI粘合剂后，集料被放置在粘合剂上，以防止建设设备或交通工具粘起粘合剂。SAMI中嵌入的集料形成的纹理表面与新的沥青覆盖层形成机械互锁。虽然互锁有助于压缩新覆盖层的能力，但未覆盖的集料表面缺乏与新覆盖层的实际粘合。SAMI和新覆盖层之间缺乏粘合可能导致纵向车轮路径开裂。
发明内容
根据本发明的各种特征、特性和实施方式随着其描述的进行将变得显而易见，本发明提供了一种在路面的整个宽度上形成的无车辙粘结层或应力吸收膜夹层(SAMI)，该无车辙粘结层或SAMI作为粘合剂组合物施加在路面上，其包含：
沥青粘合剂；
弹性体聚合物；以及
蜡改性剂。
本发明还提供了一种安装沥青路面的方法，包括：
提供待铺设的表面，
在待铺设表面的整个宽度上施加粘合剂组合物的无车辙层，该粘合剂组合物包含：
沥青粘合剂；
弹性体聚合物；和
蜡改性剂，以及
在粘合剂层上施加热拌沥青层以形成沥青路面。
在本发明提供的其它实施方式中，粘合剂组合物还包含以下中的至少一种：
i)煅制二氧化硅或煅制氧化铝；以及
ii)皂化脂肪酸和树脂酸胶凝化合物。
附图说明
将参照附图描述本发明，附图仅作为非限制性实例给出，其中：
图1是在下面的工作实施例中讨论的柔性指数相对热施加粘结层/夹层结果的图表。
具体实施方式
本发明提供沥青铺设面的安装、修理和预防性维护，并涉及热施加粘合剂组合物的使用。本发明的粘合剂组合物可以用于粘结层施加和应力吸收膜夹层(SAMI)，用于沥青铺设和道路建设。该粘合剂组合物提供了无车辙的热施加的粘合剂施加，其具有改进的低温柔韧性，用于沥青混合料层下方。
本发明的粘合剂组合物包括使用较软的聚合物改性沥青，其产生无车辙粘结层或应力吸收膜夹层(SAMI或NT-SAMI)。
通过弯曲梁流变仪通过贯入度或模量测量的，较软的基础沥青通常比较硬的基础沥青更具延展性或柔韧性。聚合物改性可以在不破坏改性沥青低温性能的情况下帮助提高建筑刚度。用弹性体聚合物改性的较软的沥青通常具有非常强的粘合性能，即使在环境温度下也是非常粘性的。
申请人于2016年3月9日提交的共同未决申请序列号15/064,819，其整个内容特别通过引证结合于此，描述了一种减少空隙的沥青膜组合物，其开发用于形成纵向沥青路面施工接缝，其中相邻的铺设层或铺道彼此邻接。沿着这种纵向沥青路面施工接缝的区域存在较高的气隙，产生对空气和水的渗透性，导致接缝比路面的其他部分更快地受到氧化和老化。如共同未决申请序列号15/064,819中所公开的，在用热拌沥青铺设之前，减少空隙的沥青膜组合物被配制为抵抗侧向流动，以便以足够的量保留在接缝区域以填充空隙。与此同时，减少空隙的沥青膜组合物配制为可以以足够的厚度施加，以允许其在铺设过程中向上迁移到新放置的沥青覆盖层中，以减少气隙并降低透水性。申请人的共同未决申请序列号15/064,819教导了传统的粘结层可以单独或与减少空隙的沥青膜组合物的带一起在第一或先前的铺设之下使用。
本发明基于申请人的减少空隙的沥青膜组合物作为热施加粘合剂组合物的用途，用于沥青铺设和道路建设的粘结层施加和应力吸收膜夹层(SAMI)。
本发明的粘合剂组合物可以作为涂层施加在现有路面上，该路面在将放置沥青混凝土的覆盖层的区域中限定了第一基底。施加粘合剂组合物以在新路面抬升的区域下方提供足够厚度的无车辙粘结层或SAMI，以产生与现有表面和新覆盖层的粘合。当以0.1至0.15加仑/平方码的比率施加时，粘合剂组合物涂层可以作用为无车辙柔性粘结层。当以更高的施加率如0.15至0.6加仑/平方码施加时，无车辙粘结层表现为SAMI，并可以向上迁移到新的沥青混合物抬升覆盖层中，以改善沥青混合物覆盖层的低温开裂特性。
通过施加本发明的粘合剂组合物形成的无车辙粘结层或SAMI，可以供建设设备或公共交通工具在上面行驶，而不会被轮胎/履带移位或粘起且不会在施加后立即从其预期位置移除。
粘合剂组合物的无车辙特性简化了施工过程，从两阶段过程简化为单阶段过程。也就是说，可以避免传统的附加分离阶段或步骤，其中为了防止粘合剂的粘起和车辙，必须在传统的粘结层或SAMI上施加集料层。因此，本发明的粘合剂组合物允许更快的施工和更低的施工成本。
本粘合剂组合物的另一个优点可以通过考虑在聚合物改性的乳液SAMI上施加集料层后，在铺设之前必须使其固化来实现。这种必要的固化时间(其是本发明的粘合剂组合物不需要的)可以将铺设延迟数小时。
通过施加本粘合剂组合物提供的无车辙粘结层或SAMI不会从其预定的放置位置横向流动。使用弯曲梁流变仪(其表征粘合剂的低温特性)的测试结果表明，这种无车辙粘结层或SAMI在-28℃或更低的温度下表现良好。这种低温性能等级通常比作为在粘结层或SAMI上的顶部铺设层或铺道而施加的沥青组合物中使用的粘合剂更好。在路面层之间的界面处添加改进的低温无车辙粘结层或SAMI的更高的施加率赋予了更大的混合料柔性，以抵抗交通负荷和温度变化引起的开裂。
由本发明的粘合剂组合物产生的无车辙粘结层或SAMI将粘附到任何类型的现有路面上，包括沥青混凝土、波特兰水泥混凝土、研磨沥青混凝土或波特兰水泥混凝土或砖或碎石封层表面。
本发明的粘合剂组合物通常包含沥青粘合剂、弹性体聚合物、增稠剂和减少粘性的添加剂的混合物。示例性的组合物包括沥青粘合剂、弹性体聚合物、蜡改性剂，并且可以包括煅制二氧化硅和/或煅制氧化铝以及皂化脂肪酸和树脂酸胶凝化合物。
沥青粘合剂是组合物的主要组分，且提供材料强度。沥青粘合剂可以占组合物的85至97wt.％，并且更优选地占组合物的90至93wt.％。合适的沥青粘合剂包括铺路级沥青，包括；性能分级、粘度分级或/或贯入度分级。
该组合物包括弹性体聚合物组分，其允许粘合剂组合物的施加以弹性地膨胀和收缩。聚合物组分与沥青粘合剂组分组合产生聚合物改性的沥青粘合剂。这种聚合物组分的合适实例包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、乙烯-苯乙烯-互聚物(ESI)、Evaloy(可以从DuPont获得的乙烯三聚物)和用于聚合物改性的沥青组合物中的其它弹性体聚合物。该聚合物组分可以占组合物的1至6wt.％，并且更优选地占组合物的2至5wt.％。
蜡改性剂降低了组合物在铺设温度下的粘度，使得在铺设过程中，组合物可以向上迁移到新放置的沥青覆盖层中。此外，在路面温度下，蜡改性剂提供减少车辙问题的刚度。合适的蜡改性剂包括但不限于植物蜡(例如棕榈蜡)、动物蜡(例如蜂蜡)、矿物蜡(例如来自煤的褐煤蜡、来自煤的费托蜡)或石油(例如石蜡、聚乙烯蜡、来自气体的费托蜡)来源的蜡，包括氧化蜡；酰胺蜡(例如乙烯双硬脂酰胺、硬脂酰胺、硬脂酰硬脂酰胺)；蜡性质的脂肪酸和脂肪酸盐(例如硬脂酸铝、硬脂酸钙、脂肪酸)。蜡改性剂还改善了组合物的内聚性。蜡改性剂可以占组合物的1至5wt.％，并且更优选地占组合物的2至4wt.％。
煅制二氧化硅和/或煅制氧化铝起到填料的作用，并在施加后立即赋予流动阻力，并赋予组合物非粘特性，防止在铺设完成前被建设和非建设设备粘起。
煅制二氧化硅和煅制氧化铝可以单独使用或以任何期望的比例一起使用。煅制二氧化硅和/或煅制氧化铝的总量可以占组合物的1至10wt.％，并且更优选地占组合物的3至6wt.％。
皂化脂肪酸和树脂酸胶凝化合物用于控制组合物凝固或固化的速率。合适的皂化脂肪酸和树脂酸胶凝化合物包括但不限于粗妥尔油(tall oil)或蒸馏妥尔油。皂化脂肪酸和树脂酸胶凝化合物的总量可以占组合物的0至3wt.％，并且更优选地占组合物的1至2wt.％。
粘合剂组合物的典型制剂是通过在剪切混合物的同时将聚合物组分添加到加热的沥青粘合剂中来制备的。在聚合物组分和沥青粘合剂充分混合之后或之前，可以在剪切混合物的同时加入蜡改性剂，随后加入煅制二氧化硅和/或煅制氧化铝以及皂化脂肪酸和树脂酸胶凝化合物。混合的粘合剂组合物应在搅拌和加热的条件下储存，直到施加。容易理解的是，本发明的粘合剂组合物不是沥青乳液组合物。
实施例
将参考以下非限制性实施例讨论本发明，其仅被认为是本发明的代表，因此不应被认为是限制性的。
对于这些实施例，本发明的粘合剂组合物以各种施加量(或施加率)施加，作为现有路面和新的热拌沥青(HMA)表面路面之间的粘结层和应力吸收膜夹层。路段长度设置为500英尺，测试段位于现有路面的两侧，其是较旧的HMA路面，具有中度到重度的开裂。铺设前对测试段进行裂缝绘图和录像。铺路材料是2英寸的中间HMA，随后是1英寸的表面层。在新铺设之前，热施加粘结层和SAMI测试段被放置在旧的HMA表面上。
这些实施例中使用的粘合剂组合物的配方列于表1中，如下所示：
表1
组分 量(wt.％)
沥青粘合剂； 91.7
弹性体聚合物 3.2
硫 0.1
蜡改性剂 2
煅制二氧化硅 3
包括对照测试段，其包含用水稀释60:40的SS-1h乳液。稀释的乳液以0.08gal/yd2喷洒，得到0.03gal/yd2残留沥青。
热施加粘结层以0.07、0.10和0.15gal/yd2的量施加。以0.20和0.25gal/yd2施加相同的材料以产生无车辙应力吸收膜夹层(NT-SAMI)。通过在路面上放置3×3英尺的油毡纸片并在上面喷洒然后称重油毡纸来检查施加率。结果列于以下表2中。
表2：测试施加率
目标比率，gal/yd<sup>2</sup> 测量比率，gal/yd<sup>2</sup>
0.07 0.071
0.10 未测量
0.15 0.152
0.20 0.204
0.25 0.286
热施加粘结层和NT-SAMI不会被用于施加沥青粘合剂组合物的卡车或铺料机的轮胎粘起。当在粘结层上移动时，轮胎会发出“魔术贴(Velcro)”的声音。0.25gal/yd2测试段是看上去非常重的施加。沥青膜的足够重以填补现有路面上1/4英寸宽的裂缝。拖运卡车上的轮胎在整个测试段保持清洁。
将包括对照部分在内的每个测试段取芯用于实验室测试。提取芯以包括粘结层和NT-SAMI材料以及下面的沥青混合物。然后用2”的现有沥青混合物、粘结层/NT-SAMI材料和新放置的2”HMA来修整芯以产生复合样品。
对来自每个测试段的芯进行了改进的伊利诺伊柔性指数测试(I-FIT)程序。该方法用于表征具有较高柔性指数值的沥青混合料的抗开裂性，较高柔性指数值表示较高的抗开裂性。测试在25℃和50mm/min的受控应变率下进行。计算通过试样扩展裂纹的能量。结果显示在下面的表3中，也显示在图1中，其为柔性指数相对热施加粘结层/夹层结果的图表。
表3
施加传统粘结层的对照段的芯产生了2.1的柔性指数。
在不同的热施加粘结层的施加率下，来自测试段的芯的柔性指数平均是对照段的两倍。
来自以更高的施加率施加热施加粘结层来充当无车辙应力吸收膜夹层的测试段的芯的柔韧性指数高出3至6倍。
虽然已经参考特定的装置、材料和实施例描述了本发明，但是从前述描述中，本领域技术人员可以容易地确定本发明的基本特征，并且可以进行各种改变和修改以适应各种用途和特征，而不背离如上所述和所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。

Claims (18)

1.一种形成在路面上的无车辙粘结层或应力吸收膜夹层，所述无车辙粘结层或SAMI作为粘合剂组合物跨所述路面的整个宽度施加，所述粘合剂组合物包含：
沥青粘合剂；
弹性体聚合物；以及
蜡改性剂。
2.根据权利要求1所述的无车辙粘结层或应力吸收膜夹层，其中，所述粘合剂组合物还包含以下中的至少一种：
i)煅制二氧化硅或煅制氧化铝；以及
ii)皂化脂肪酸和树脂酸胶凝化合物。
3.根据权利要求1所述的无车辙粘结层或应力吸收膜夹层，其中，所述粘合剂组合物以0.15至0.6加仑/平方码的施加率施加在所述路面上。
4.根据权利要求1所述的无车辙粘结层或应力吸收膜夹层，其中，所述粘合剂组合物以0.10至0.15加仑/平方码的施加率施加在所述路面上。
5.根据权利要求2所述的无车辙粘结层或应力吸收膜夹层，其中，所述粘合剂组合物以0.15至0.6加仑/平方码的施加率施加在所述路面上。
6.根据权利要求2所述的无车辙粘结层或应力吸收膜夹层，其中，所述粘合剂组合物以0.10至0.15加仑/平方码的施加率施加在所述路面上。
7.根据权利要求1所述的无车辙粘结层或应力吸收膜夹层，其中，所述路面包括沥青混凝土、波特兰水泥混凝土、研磨沥青混凝土或波特兰水泥混凝土或砖或碎石封层表面中的一种。
8.根据权利要求1所述的无车辙粘结层或应力吸收膜夹层，具有形成在其上的沥青路面层。
9.一种安装沥青路面的方法，其包括：
提供待铺设的表面，
跨所述待铺设的表面的整个宽度施加粘合剂组合物的无车辙层，所述粘合剂组合物包含：
沥青粘合剂；
弹性体聚合物；和
蜡改性剂，以及
在粘合剂层上施加热拌沥青层以形成沥青路面。
10.根据权利要求9所述的安装沥青路面的方法，其中，所述粘合剂组合物作为粘结层施加。
11.根据权利要求10所述的安装沥青路面的方法，其中，所述粘合剂组合物以0.10至0.15加仑/平方码的施加率施加至所述表面上。
12.根据权利要求9所述的安装沥青路面的方法，其中，所述粘合剂组合物作为应力吸收膜夹层施加。
13.根据权利要求9所述的安装沥青路面的方法，其中，所述粘合剂组合物以0.15至0.6加仑/平方码的施加率施加至所述表面上。
14.根据权利要求9所述的安装沥青路面的方法，其中，所述粘合剂组合物进一步包括以下中的至少一种：
i)煅制二氧化硅或煅制氧化铝；以及
ii)皂化脂肪酸和树脂酸胶凝化合物。
15.根据权利要求14所述的安装沥青路面的方法，其中，所述粘合剂组合物作为粘结层施加。
16.根据权利要求14所述的安装沥青路面的方法，其中，所述粘合剂组合物作为应力吸收膜夹层施加。
17.根据权利要求9所述的安装沥青路面的方法，其中，所述表面包括沥青混凝土、波特兰水泥混凝土、研磨沥青混凝土或波特兰水泥混凝土或砖或碎石封层表面中的一种。
18.根据权利要求9所述的安装沥青路面的方法，其中，所述热拌沥青层施加在所述粘合剂层上，而没有中间层。
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