CN110272230B - 一种高性能稀浆封层沥青混合料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能稀浆封层沥青混合料及其制备方法，该稀浆封层沥青混合料包括以下原料：乳化沥青，粗细集料，氧化石墨烯，煤油，竹纤维，水。该制备方法包括：a）将氧化石墨烯溶于煤油后置于超声波振荡仪中振散，制得混合溶液；b）将竹纤维置于NaOH溶液中浸泡处理，再置于烘箱中使其充分改性，将改性后的竹纤维二次搓碾制得改性竹纤维；c）将乳化沥青和混合溶液加入拌合锅进行第一次搅拌；d）将粗细集料、改性竹纤维和水加入拌合锅进行第二次搅拌。本发明所述的高性能稀浆封层沥青混合料具有良好的粘结性能和耐磨性能，在改善封层混合料高、低温性能的同时可延长路面的使用寿命。该混合料制备方法简单易操作，易于工业化生产。

Description

一种高性能稀浆封层沥青混合料及其制备方法

技术领域

本发明属于新材料领域，也涉及生物质能源利用领域，具体涉及一种高性能稀浆封层沥青混合料及其制备方法。

背景技术

截至2017年底，我国公路通车总里程已达到477.35万km，其中已养护的公路里程达到467.46万km，养护里程占公路总里程的97.9%，随着公路路网建设的逐步完善，公路养护任务将逐年增加。根据交通运输部提出的“建设是发展，养护管理也是发展”的理念，各级公路管理部门需要建养并重，协调发展。

稀浆封层是用适当级配的石屑、填料（水泥、石灰等）与乳化沥青、外加剂、水，按一定比例拌合而成流动状态的沥青混合料，再由专业机械设备均匀洒布于路面上形成的封层。由于该种沥青混合料稠度较稀，形态似浆状，故名稀浆封层，一般铺筑厚度在3mm～10mm之间，对原路面起防水、防滑、耐磨耗、填充缝隙、恢复外观等作用，且具有施工速度快、开放交通用时短、常温作业利于环保等特点，适用于对沥青路面进行预防性养护。

氧化石墨烯（GO）是一种新兴的纳米材料，它有着独特的二维层状结构，层间距为0.7～1.2nm。GO的表面拥有大量的富氧官能团，如羧基、烃基、环氧基、酯基等。这些官能团使GO可与基质沥青产生良好的结合，在显著提高沥青与集料间粘附性的同时改善沥青混合料的路用性能。

生物质纤维稳定剂是制备高性能沥青结（混）合料的重要外掺剂，其价格低廉、可再生、低污染和来源广泛的特点使其日益受到新型材料研究者及工业企业的青睐。生物质纤维抗拉强度高、弹性模量大，可极大地提高沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和耐磨性等，使沥青混合料的使用寿命大大延长。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高性能稀浆封层沥青混合料及其制备方法，该方法提高了稀浆封层沥青混合料的粘结性能、高温稳定性、低温抗裂性和耐磨性。

为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种高性能稀浆封层沥青混合料，由以下组分按重量份数计：乳化沥青7～10份，粗细集料70～75份，氧化石墨烯0.04～0.1份，煤油3～6份，竹纤维0.5～3份，水6～9份。

在较佳实施情况下，所述一种高性能稀浆封层沥青混合料，由以下组分按重量份数计：乳化沥青8.5～10份，粗细集料72～75份，氧化石墨烯0.06～0.1份，煤油3～5份，竹纤维2～3份，水8～9份。

在较佳实施情况下，所述乳化沥青采用沥青为AH-70或AH-90型重交基质沥青，乳化剂为阳离子型慢裂快凝乳化剂。

在较佳实施情况下，所述粗细集料均为玄武岩；其中粗集料公称最大粒径为9.5mm，表观密度3.80～5.30g/cm3，细集料公称最大粒径为4.75mm，表观密度2.90～3.40g/cm3。

在较佳实施情况下，所述氧化石墨烯采用Hummers方法制得，层间距为0.7～1.2nm，比表面积为2100～2600m2/g。

在较佳实施情况下，所述竹纤维为毛竹制成的絮状纤维，长度为1000μm～2500μm，相对密度0.90～0.94，含水率＜3%。

一种高性能稀浆封层沥青混合料制备方法，包括如下步骤：

a)将氧化石墨烯按上述重量份数溶于煤油后置于超声波振荡仪中振散20～30min，制得混合溶液，备用；

b)将竹纤维按上述重量份数置于NaOH溶液中浸泡处理60～120min，处理后的竹纤维置于烘箱中2.5～3.5h使其充分改性，将改性后的竹纤维二次搓碾制得改性竹纤维，备用；

c)将乳化沥青和步骤a）得到的混合溶液依次加入拌合锅中进行第一次搅拌，搅拌时间为15～20min；

d)将粗细集料、水和步骤b）得到的改性竹纤维依次加入拌合锅中进行第二次搅拌，搅拌时间为10～20min，得到沥青混合料。

在较佳实施情况下，所述步骤b)中的NaOH溶液浓度为1.0%-1.5%；烘箱温度设置为110-120℃。

本发明的有益效果是：（1）沥青胶浆与集料间的粘附性是影响稀浆封层沥青混合料路用性能的重要指标，GO改性沥青具有较高的粘度和较强的粘结力，可与改性竹纤维协同作用提高沥青结合料与集料间的粘结作用，并增强沥青混合料的低温抗裂性能和封水性能；片状的GO分散于沥青中使轻组分及游离氧的行走路径变得复杂，且GO增强了沥青各组分之间的黏聚，因此可有效减缓沥青老化过程中轻组分的挥发，从而降低老化对GO改性沥青混合料劲度和弹塑性能的影响；GO形成的层状结构膜可有效防止热氧的入侵，阻止内部混合料被进一步老化，从而减缓了老化对沥青混合料水稳定性和低温抗裂性能的影响，延长了道路使用寿命；

（2）改性竹纤维在沥青胶浆中形成网状结构可以产生加筋和桥接作用，可增强沥青胶浆与集料间的粘结力、提高沥青混合料的抗变形能力并减少混合料析漏和泛油。另一方面，改性竹纤维在湿润条件下与GO共同作用附着在集料表面可提高表面粗糙度，在改善稀浆封层混合料与基底路面粘结效果的同时显著提高混合料的耐磨性能；

（3）碳纳米材料在粘弹性材料中的分散均匀性一直是困扰其在道路工程中应用的技术难题，为实现GO在乳化沥青中的稳定、均匀分散，基于稀浆封层沥青混合料制备与施工过程中无需加热的特点，本发明首先将GO溶于煤油中制得混合溶液，尽可能保证其在后续工艺中以最小尺寸均匀地分散在基体中，尤其是避免其在与竹纤维拌合的过程中发生团聚。此外，超声振荡作用在提高GO乳化分散效果的同时可进一步使颗粒细化；

（4）本发明采用的竹纤维表面含有大量羟基导致其具有较强的亲水性，采用NaOH碱溶液处理可在去除纤维中果胶组分的同时改善其吸水性，进而提高其在稀浆封层沥青混合料中的分散均匀性和界面粘结性能；

（5）本发明公开的高性能稀浆封层沥青混合料技术性能好（具有优良的粘结性能、高温抗变形性能、低温抗开裂性能、抗老化性能和耐磨性能），制备工艺简单、过程环保，对提高路面质量和使用寿命均具有重要意义。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

以下实施例和对比例中所用原料及技术指标如下：

所用基质沥青为AH-70#重交基质沥青，其基本技术指标见表1。

表1 AH-70#基质沥青技术指标

所用乳化剂为阳离子型慢裂快凝乳化剂，制备的乳化沥青技术指标见表2。

表2 乳化沥青技术指标

所用粗细集料为坚硬、清洁、干燥、无风化的玄武岩，其矿料级配见表3。

表3 稀浆封层沥青混合料矿料级配

所用氧化石墨烯为实验室内采用Hummers方法自制，层间距为0.7～1.2nm，比表面积为2100～2600m²/g。

所用竹纤维为采用毛竹制成的絮状纤维，长度为1000μm～2500μm，相对密度0.90～0.94，含水率＜3%，其无机元素成分组成见表4。

表4 竹纤维的无机元素成分组成

对比例中所用水泥为P·O 42.5R级普通硅酸盐水泥，其技术指标见表5。

表5 硅酸盐水泥技术指标

实施例1：

一种高性能稀浆封层沥青混合料，由以下组分按重量份数计：乳化沥青9份，粗细集料72份，氧化石墨烯0.06份，煤油5份，竹纤维2份，水8.5份。

一种高性能稀浆封层沥青混合料制备方法，包括如下步骤：

a)将氧化石墨烯按上述重量份数溶于煤油后置于超声波振荡仪中振散20min，制得混合溶液，备用；

b)将竹纤维按上述重量份数置于NaOH溶液中浸泡处理110min，NaOH溶液浓度为1.5%，处理后的竹纤维置于烘箱中2.5h使其充分改性，烘箱温度设置为115℃，将改性后的竹纤维二次搓碾制得改性竹纤维，备用；

c)将乳化沥青和步骤a）得到的混合溶液依次加入拌合锅中进行第一次搅拌，搅拌时间为15min；

d)将粗细集料、水和步骤b）得到的改性竹纤维依次加入拌合锅中进行第二次搅拌，搅拌时间为20min，得到沥青混合料。

实施例2：

一种高性能稀浆封层沥青混合料，由以下组分按重量份数计：乳化沥青7份，粗细集料70份，氧化石墨烯0.04份，煤油3份，竹纤维0.5份，水6份。

一种高性能稀浆封层沥青混合料制备方法，包括如下步骤：

a)将氧化石墨烯按上述重量份数溶于煤油后置于超声波振荡仪中振散25min，制得混合溶液，备用；

b) 将竹纤维按上述重量份数置于NaOH溶液中浸泡处理120min，NaOH溶液浓度为1.0%，处理后的竹纤维置于烘箱中3.5h使其充分改性，烘箱温度设置为110℃，将改性后的竹纤维二次搓碾制得改性竹纤维，备用；

c)将乳化沥青和步骤a）得到的混合溶液依次加入拌合锅中进行第一次搅拌，搅拌时间为18min；

d)将粗细集料、水和步骤b）得到的改性竹纤维依次加入拌合锅中进行第二次搅拌，搅拌时间为16min，得到沥青混合料。

实施例3：

一种高性能稀浆封层沥青混合料，由以下组分按重量份数计：乳化沥青10份，粗细集料75份，氧化石墨烯0.1份，煤油6份，竹纤维3份，水9份。

一种高性能稀浆封层沥青混合料制备方法，包括如下步骤：

a)将氧化石墨烯按上述重量份数溶于煤油后置于超声波振荡仪中振散30min，制得混合溶液，备用；

b) 将竹纤维按上述重量份数置于NaOH溶液中浸泡处理90min，NaOH溶液浓度为1.2%，处理后的竹纤维置于烘箱中3.0h使其充分改性，烘箱温度设置为120℃，将改性后的竹纤维二次搓碾制得改性竹纤维，备用；

c)将乳化沥青和步骤a）得到的混合溶液依次加入拌合锅中进行第一次搅拌，搅拌时间为20min；

d)将粗细集料、水和步骤b）得到的改性竹纤维依次加入拌合锅中进行第二次搅拌，搅拌时间为10min，得到沥青混合料。

实施例4：

一种高性能稀浆封层沥青混合料，由以下组分按重量份数计：乳化沥青8.5份，粗细集料73份，氧化石墨烯0.06份，煤油5份，竹纤维2份，水8份。

一种高性能稀浆封层沥青混合料制备方法，包括如下步骤：

a)将氧化石墨烯按上述重量份数溶于煤油后置于超声波振荡仪中振散22min，制得混合溶液，备用；

b)将竹纤维按上述重量份数置于NaOH溶液中浸泡处理60min，NaOH溶液浓度为1.5%，处理后的竹纤维置于烘箱中2.5h使其充分改性，烘箱温度设置为120℃，将改性后的竹纤维二次搓碾制得改性竹纤维，备用；

c)将乳化沥青和步骤a）得到的混合溶液依次加入拌合锅中进行第一次搅拌，搅拌时间为15min；

d)将粗细集料、水和步骤b）得到的改性竹纤维依次加入拌合锅中进行第二次搅拌，搅拌时间为20min，得到沥青混合料。

对比例：

一种普通稀浆封层沥青混合料，由以下组分按重量份数计：乳化沥青8.5份，粗细集料80份，水泥2份，水9.5份。

普通稀浆封层沥青混合料的制备方法为将乳化沥青、粗细集料、水泥和水一次加入至拌合锅搅拌15min。

将上述实施例和对比例的各稀浆封层沥青混合料按照中国交通部《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）规定的标准方法测试其稠度、拌和时间、初凝时间、粘结力、湿轮磨耗值和负荷轮压粘砂量等指标，测试结果见表6。

表6 各稀浆封层沥青混合料性能对比

由表6可知，氧化石墨烯与改性竹纤维协同作用可显著提高稀浆封层沥青混合料的粘结性能和耐磨性能，且施工和易性良好，表明此高性能稀浆封层沥青混合料是一种很好的沥青路面养护材料。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员理解和使用本发明。熟悉本领域的技术人员可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高性能稀浆封层沥青混合料制备方法，其特征在于，由以下组分按重量份数计：乳化沥青8.5～10份，粗细集料72～75份，氧化石墨烯0.06～0.1份，煤油3～5份，竹纤维2～3份，水8～9份；所述竹纤维为毛竹制成的絮状纤维，长度为1000μm～2500μm，相对密度0.90～0.94，含水率＜3%；所述乳化沥青采用沥青为AH-70或AH-90型重交基质沥青，乳化剂为阳离子型慢裂快凝乳化剂；所述氧化石墨烯采用Hummers方法制得，层间距为0.7～1.2nm，比表面积为2100～2600m²/g；包括如下步骤：

a) 将氧化石墨烯按上述重量份数溶于煤油后置于超声波振荡仪中振散20～30min，制得混合溶液，备用；

b)将竹纤维按上述重量份数置于NaOH溶液中浸泡处理60～120min，处理后的竹纤维置于烘箱中2.5～3.5h使其充分改性，将改性后的竹纤维二次搓碾制得改性竹纤维，备用；

c) 将乳化沥青和步骤a）得到的混合溶液依次加入拌合锅中进行第一次搅拌，搅拌时间为15～20min；

d) 将粗细集料、水和步骤b）得到的改性竹纤维依次加入拌合锅中进行第二次搅拌，搅拌时间为10～20min，得到沥青混合料。

2.根据权利要求1所述的一种高性能稀浆封层沥青混合料制备方法，其特征在于，所述粗细集料均为玄武岩；其中粗集料公称最大粒径为9.5mm，表观密度3.80～5.30g/cm³，细集料公称最大粒径为4.75mm，表观密度2.90～3.40g/cm³。

3.根据权利要求1所述的一种高性能稀浆封层沥青混合料制备方法，其特征在于，所述步骤b)中的NaOH溶液浓度为1.0%-1.5%；烘箱温度设置为110-120℃。