CN109369063A - 一种复合改性抗车辙剂及其制备方法 - Google Patents

一种复合改性抗车辙剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种复合改性抗车辙剂，属于道路工程材料领域。以质量百分数计，所述复合改性抗车辙剂包括如下组分：再生热塑性聚合物的质量分数为40～70％，再生橡胶粉的质量分数为10～30％，无机填充料的质量分数为5～15％，偶联剂的质量分数为1～5％，助溶剂的质量分数为2～8％，木质素纤维的质量分数为1～5％。本发明根据固体废弃物自身的物理化学性质，并加入一定量的添加剂进行有机组合制备沥青混合料抗车辙剂，显著提高了沥青混合料的高、低温性能。同时，在生产原料角度而言，可以有效利用多种固体废弃物，不仅具有显著的环境效益，还可以降低抗车辙剂的综合成本。

Description

一种复合改性抗车辙剂及其制备方法
技术领域
本发明属于道路工程材料领域，尤其涉及一种利用再生聚合物及固体废弃物制备的沥青混合料抗车辙剂及其制备方法。
背景技术
随着我国高速公路交通量的逐年增加，以及大轴载和渠化交通的特点，沥青路面在高温和持续荷载作用下容易产生显著的永久变形并累积形成车辙。沥青路面车辙的出现严重地影响了高等级路面服务质量及行车安全，并直接影响沥青路面的使用寿命，造成维护成本的增加，构成了交通运输的安全隐患。针对这一问题，国内外道路工作者开展了一系列研究工作，其中在材料添加剂方面，采用了高模量沥青混合料、低标号沥青混合料、抗车辙剂等一系列技术，其目的都是为了提高路面的抗变形能力。在我国北方大部分地区，提高沥青混合料高温条件下的模量可以有效减缓车辙的发生。然而，这些地区冬季气候寒冷，单纯提高沥青混合料的模量会极大降低其低温条件下的柔性，极易引起低温开裂，达不到延长沥青路面整体寿命的目的。因此，在提高沥青混合料抗车辙性能的同时，需要兼顾其低温抗裂性能。
目前，我国常用的抗车辙剂是以热塑性塑料为主要材料制成的混合颗粒，通过干拌法与集料进行混合，提高沥青混合料的模量，从而改善沥青路面高温抵抗永久变形的能力。但是目前市售抗车辙剂普遍与沥青相容性较差，造成沥青混合料黏聚性不足，影响沥青混合料的低温性能和疲劳性能。另外，市售抗车辙剂价格普遍偏高，仍有降低的空间。
随着社会经济的快速发展，塑料用品的使用量逐年增加，随之而来的就是大量的废弃塑料制品，若处置不当，不仅会造成环境污染，而且会造成巨大的资源浪费。同时，汽车保有量的逐年增加产生了大量的废旧汽车轮胎，其合理化利用也是目前亟待解决的问题。另外，电解铝生产过程中产生的大量赤泥，不仅占用大量的土地资源，处置不当还会造成碱性物质下渗，污染地下水源。综上，有必要研究一种成本低、又能够兼顾高温抗车辙性能和低温抗开裂性能的抗车辙剂。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种复合改性抗车辙剂及其制备方法。本发明根据固体废弃物自身的物理化学性质，并加入一定量的添加剂进行有机组合制备沥青混合料抗车辙剂，显著提高了沥青混合料的高、低温性能。同时，在生产原料角度而言，可以有效利用多种固体废弃物，不仅具有显著的环境效益，还可以降低抗车辙剂的综合成本。
本发明的目的之一是提供一种复合改性抗车辙剂。
本发明的目的之二是提供一种复合改性抗车辙剂的制备方法。
本发明的目的之三是提供一种抗车辙沥青混合料。
本发明的目的之四是提供复合改性抗车辙剂、抗车辙沥青混合料的应用。
为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开了一种复合改性抗车辙剂，以质量百分数计，包括如下组分：
所述再生热塑性聚合物包括回收聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯中的一种或多种。所述再生热塑性聚合物主要提高沥青胶浆的模量从而提高沥青混合料的高温抗车辙性能。
优选地，所述再生热塑性聚合物由回收聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等经清洗、干燥、挤出造粒制备，粒径控制在2～4mm，以保证后续材料混炼的便利性。
所述再生橡胶粉为废旧汽车轮胎制备的非脱硫和脱硫橡胶粉中的一种或两种，其中非脱硫橡胶粉为废旧汽车轮胎经物理研磨制得的橡胶粉末；脱硫橡胶粉是在非脱硫橡胶粉基础上经脱硫工艺打断橡胶粉中部分硫交联键制得的胶粉，而打断橡胶粉中部分硫交联键可以有效提高橡胶粉的表面活性。再生橡胶粉主要提高沥青胶浆的弹性恢复和低温柔性，从而改善沥青混合料的低温抗裂性。
优选地，所述再生橡胶粉的粒径为40～80目，以保证混炼过程中与其它组分的充分融合。
所述无机填充料为烧结法得到的赤泥与消石灰的混合物，两者的质量比为7～9:1～3。采用烧结法制备的赤泥具有丰富的多孔结构特质，其带来了巨大的比表面积，这一特质可以有效吸附抗车辙剂中轻质组分(偶联剂、助溶剂等)，保障抗车辙剂的高温稳定性，提高沥青混合料的低温性能，同时可以有效保障沥青在集料表面的黏附厚度，提高沥青与集料界面的强度，限制沥青混合料高温下的自由流动，从而提高沥青混合料的抗车辙能力。而消石灰中的钙离子可以保证抗车辙剂与沥青以及集料之间的交联结合，进而提高沥青混合料的黏聚性，并改善沥青混合料的疲劳性能；另外，烧结法赤泥中本身也含有高含量的钙离子，可以辅助消石灰进一步增强抗车辙剂与沥青以及集料之间的交联结合，提高沥青混合料的黏聚性。
优选地，无机填充料的粒径为200～400目，保证无机填充料的均匀分散，提高无机填充料的裹覆能力。
所述偶联剂包括硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、铝钛复合偶联剂中的一种或多种。
所述助溶剂包括橡胶油、蓖麻油、芳烃油、糠醛抽出油中的一种或多种。
所述木质素纤维包括针叶木浆纤维和阔叶木浆纤维中的一种或多种。针叶木浆纤维、阔叶木浆纤维木质素可以有效提高抗车辙剂的松散度，与集料拌合过程中更容易分散，从而与集料、沥青充分融合。另外，木质素纤维可以在改善沥青胶结料与集料的裹覆能力，从而提高沥青混合料的黏聚性，改善沥青混合料高温稳定性的同时，还可以提高沥青混合料的黏聚性，从而改善沥青混合料的低温抗裂性能。
其次，本发明公开了一种复合改性抗车辙剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将再生热塑性聚合物加热到170～190℃，在搅拌条件下依次加入助溶剂和无机填充料，并进行充分搅拌形成预混物；
(2)向步骤(1)得到的预混物中加入再生橡胶粉，并将温度升高到190～210℃，继续搅拌后再加入偶联剂，剪切后制成抗车辙剂共混物；
(3)将步骤(2)得到的抗车辙剂共混物和木质素纤维加入双螺杆挤出机，进行共混挤出，通过水冷、造粒过程制得抗车辙剂。
步骤(1)中，所述搅拌的转速为100～300rpm，搅拌时间为10分钟，实现无机填料与再生热塑性聚合物的预混。
步骤(2)中，所述搅拌的速度为300～500rpm，搅拌时间为5分钟，保证橡胶粉的充分混合，便于下一步高速剪切。
步骤(2)中，所述剪切在高速剪切机中进行，转速为4000～5000rpm，剪切时间为30分钟。
步骤(3)中，混炼温度为200～230℃，所述抗车辙剂的粒度为2～4mm。
再次，本发明提供一种抗车辙沥青混合料，包括集料、填料、沥青以及上述复合改性抗车辙剂。
进一步地，其中抗车辙剂掺量为沥青混合料质量的0.1～0.4％。
进一步地，所述集料为玄武岩，所述填料为石灰岩矿粉，所述沥青为70#基质沥青。
所述抗车辙沥青混合料中各原料的配比可按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)中的要求配制。
最后，本发明公开所述复合改性抗车辙剂、抗车辙沥青混合料在交通领域中的应用。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
(1)本发明根据固体废弃物自身的物理化学性质，并加入一定量的添加剂进行有机组合制备沥青混合料抗车辙剂，显著提高了沥青混合料的高、低温性能。同时，在生产原料角度而言，可以有效利用多种固体废弃物，不仅具有显著的环境效益，还可以降低抗车辙剂的综合成本。
(2)本发明制备的复合改性抗车辙剂的动稳定度平均达到13699(次/mm)，马歇尔稳定度平均达到11.2KN，冻融劈裂强度比平均达到94.1％，可以看出，本发明制备的复合改性抗车辙剂在保证低成本的情况下，兼具优异的高温抗车辙性能和低温抗开裂性能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例中复合改性抗车辙剂的制备流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，在冬季气候寒冷地区，单纯提高沥青混合料的模量会极大降低其低温条件下的柔性，极易引起低温开裂，达不到延长沥青路面整体寿命的目的，另外，目前市售抗车辙剂普遍与沥青相容性较差，造成沥青混合料黏聚性不足，影响沥青混合料的低温性能和疲劳性能，而且市售抗车辙剂价格普遍偏高，仍有降低的空间。因此，本发明提出一种复合改性抗车辙剂，下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。
实施例1
1、一种复合改性抗车辙剂，以质量百分数计，包括如下组分：
所述无机填充料为山铝集团烧结法赤泥与消石灰的混合物，质量比为9:1。所述再生热塑性聚合物粒径为2～4mm，所述再生橡胶粉的粒径为40～80目。无机填充料的粒径为200～400目。
2、上述复合改性抗车辙剂的制备方法如下：
(1)将回收聚乙烯加热到170℃，在搅拌转速为100rpm条件下依次加入橡胶油和无机填充料，并进行充分搅拌形成预混物；
(2)向步骤(1)中的预混物中加入再生非脱硫胶粉并将温度升高到190℃，在搅拌速度为300rpm条件下搅拌5分钟；再加入一定比例的硅烷偶联剂，换高速剪切机在4000rpm条件下剪切30分钟，制成抗车辙剂共混物；
(3)将步骤(2)中的抗车辙剂共混物和针叶木浆纤维加入双螺杆挤出机，在210℃下进行共混挤出，通过水冷、造粒过程制得粒度为2～4mm的抗车辙剂。
实施例2
1、一种复合改性抗车辙剂，以质量百分数计，包括如下组分：
所述无机填充料为山铝集团烧结法赤泥与消石灰的混合物，质量比为8:2。所述再生热塑性聚合物粒径为2～4mm，所述再生橡胶粉的粒径为40～80目。无机填充料的粒径为200～400目。
2、上述复合改性抗车辙剂的制备方法如下：
(1)将回收聚丙烯加热到180℃，在搅拌转速为200rpm条件下依次加入芳烃油和无机填充料，并进行充分搅拌形成预混物；
(2)向预混物中加入再生脱硫胶粉并将温度升高到2000℃，在搅拌速度为400rpm条件下搅拌5分钟；再加入一定比例的铝酸酯偶联剂，换高速剪切机在4500rpm条件下剪切30分钟，制成抗车辙剂共混物；
(3)将抗车辙剂共混物和针叶木浆纤维加入双螺杆挤出机，在210℃进行共混挤出，通过水冷、造粒过程制得粒度为2～4mm的抗车辙剂。
实施例3
1、一种复合改性抗车辙剂，以质量百分数计，包括如下组分：
所述无机填充料为山铝集团烧结法赤泥与消石灰的混合物，质量比为7:3。所述再生热塑性聚合物粒径为2～4mm，所述再生橡胶粉的粒径为40～80目。无机填充料的粒径为200～400目。
2、上述复合改性抗车辙剂的制备方法如下：
(1)将回收聚氯乙烯加热到180℃，在搅拌转速为300rpm条件下依次加入芳烃油和无机填充料，并进行充分搅拌形成预混物；
(2)向预混物中加入再生非脱硫胶粉并将温度升高到205℃，在搅拌速度为500rpm条件下搅拌5分钟；再加入一定比例的铝钛复合偶联剂，换高速剪切机在5000rpm条件下剪切30分钟，制成抗车辙剂共混物；
(3)将抗车辙剂共混物和阔叶木浆纤维加入双螺杆挤出机，在220℃进行共混挤出，通过水冷、造粒过程制得粒度为2～4mm的抗车辙剂。
实施例4
1、一种复合改性抗车辙剂，以质量百分数计，包括如下组分：
所述无机填充料为山铝集团烧结法赤泥与消石灰的混合物，质量比为7:3。所述再生热塑性聚合物粒径为2～4mm，所述再生橡胶粉的粒径为40～80目。无机填充料的粒径为200～400目。
2、上述复合改性抗车辙剂的制备方法如下：
(1)将回收聚氯乙烯加热到190℃，在搅拌转速为250rpm条件下依次加入芳烃油和无机填充料，并进行充分搅拌形成预混物；
(2)向预混物中加入再生非脱硫胶粉并将温度升高到210℃，在搅拌速度为450rpm条件下搅拌5分钟；再加入一定比例的铝钛复合偶联剂，换高速剪切机在4500rpm条件下剪切30分钟，制成抗车辙剂共混物；
(3)将抗车辙剂共混物和阔叶木浆纤维加入双螺杆挤出机，在220℃下进行共混挤出，通过水冷、造粒过程制得粒度为2～4mm的抗车辙剂。
实施例5
1、一种复合改性抗车辙剂，以质量百分数计，包括如下组分：
所述无机填充料为山铝集团烧结法赤泥与消石灰的混合物，质量比为8:2。所述再生热塑性聚合物粒径为2～4mm，所述再生橡胶粉的粒径为40～80目。无机填充料的粒径为200～400目。
2、上述复合改性抗车辙剂的制备方法如下：
(1)将回收聚氯乙烯加热到190℃，在搅拌转速为300rpm条件下依次加入芳烃油和无机填充料，并进行充分搅拌形成预混物；
(2)向预混物中加入再生非脱硫胶粉并将温度升高到210℃，在搅拌速度为500rpm条件下搅拌5分钟；再加入一定比例的铝钛复合偶联剂，换高速剪切机在5000rpm条件下剪切30分钟，制成抗车辙剂共混物；
(3)将抗车辙剂共混物和阔叶木浆纤维加入双螺杆挤出机，在220℃下进行共混挤出，通过水冷、造粒过程制得粒度为2～4mm的抗车辙剂。
对比例1
一种复合改性抗车辙剂，以质量百分数计，包括如下组分：
所述无机填充料为消石灰。所述再生热塑性聚合物粒径为2～4mm，所述再生橡胶粉的粒径为40～80目。无机填充料的粒径为200～400目。本实施例复合改性抗车辙剂的制备方法同
实施例1。
对比例2
1、一种复合改性抗车辙剂，以质量百分数计，包括如下组分：
所述无机填充料为拜耳法赤泥(即未经过烧结的赤泥)与消石灰的混合物，质量比为8:2。所述再生热塑性聚合物粒径为2～4mm，所述再生橡胶粉的粒径为40～80目。无机填充料的粒径为200～400目。本实施例复合改性抗车辙剂的制备方法同实施例1。
性能测试：
将实施例1-5以及对比例1、2(均与实施例1对比)制备的复合改性抗车辙剂制成抗车辙沥青混合料，测试其性能，方法如下：首先按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)设计以玄武岩为集料、石灰岩矿粉为填料的AC-20型级配，采用70#基质沥青，分别和实施例1、2、3的备的复合改性抗车辙剂制备抗车辙沥青混合料，其中抗车辙剂掺量为沥青混合料质量的0.3％。按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)标准中的试验方法测试动态稳定度、马歇尔稳定度和冻融劈裂强度比，性能测试结果如表1所示。
表1
指标 AC-20基质 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比例1 对比例2
动稳定度(次/mm) 1983 12634 13952 14512 15216 13397 4819 6727
马歇尔稳定度(KN) 8.2 10.1 11.7 11.9 12.2 11.3 8.6 8.9
冻融劈裂强度比(％) 83.4 94.2 93.8 94.4 93.7 94.5 85.8 84.1
从表可以看出：复合改性抗车辙剂可以显著提高沥青混合料的动稳定度，从而有效改善沥青路面的高温抗车辙性能。另外，可以显著提高沥青混合料的整体强度，从而保证沥青路面的结构稳定性。同时，复合改性抗车辙剂的加入显著提高了沥青混合料的冻融劈裂强度比，可以有效改善沥青路面的抗水损坏能力。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合改性抗车辙剂，其特征在于：以质量百分数计，包括如下组分：
所述无机填充料为烧结法得到的赤泥与消石灰的混合物，两者的质量比为7～9:1～3。
2.如权利要求1所述的复合改性抗车辙剂，其特征在于：所述偶联剂包括硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、铝钛复合偶联剂中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的复合改性抗车辙剂，其特征在于：所述助溶剂包括橡胶油、蓖麻油、芳烃油、糠醛抽出油中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的复合改性抗车辙剂，其特征在于：所述木质素纤维包括针叶木浆纤维和阔叶木浆纤维中的一种或多种。
5.如权利要求1-4任一项所述的复合改性抗车辙剂，其特征在于：无机填充料的粒径为200～400目。
6.如权利要求1-5任一项所述的复合改性抗车辙剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将再生热塑性聚合物加热到170～190℃，在搅拌条件下依次加入助溶剂和无机填充料，并进行充分搅拌形成预混物；
(2)向步骤(1)得到的预混物中加入再生橡胶粉，并将温度升高到190～210℃，继续搅拌后再加入偶联剂，剪切后制成抗车辙剂共混物；
(3)将步骤(2)得到的抗车辙剂共混物和木质素纤维加入双螺杆挤出机，进行共混挤出，通过水冷、造粒过程制得抗车辙剂。
7.如权利要求6所述的复合改性抗车辙剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述搅拌的转速为100～300rpm，搅拌时间为10分钟；
优选地，步骤(2)中，所述搅拌的速度为300～500rpm，搅拌时间为5分钟；
优选地，步骤(2)中，所述剪切在高速剪切机中进行，转速为4000～5000rpm，剪切时间为30分钟；优选地，步骤(3)中，所述抗车辙剂的粒度为2～4mm。
8.一种抗车辙沥青混合料，其特征在于：包括集料、填料、沥青以及如权利要求1-5任一项所述的复合改性抗车辙剂和/或如权利要求6或7所述的方法制备的复合改性抗车辙剂。
9.如权利要求8所述的抗车辙沥青混合料，其特征在于：所述集料为玄武岩，所述填料为石灰岩矿粉，所述沥青为70#基质沥青；优选地，所述抗车辙剂掺量为沥青混合料质量的0.3％。
10.如权利要求1-5任一项所述的复合改性抗车辙剂和/或如权利要求6或7所述的方法制备的复合改性抗车辙剂和/或如权利要求8或9所述的抗车辙沥青混合料在交通领域中的应用。
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