CN111117272A

CN111117272A - 一种耐低温改性沥青路面修复材料及其制备方法

Info

Publication number: CN111117272A
Application number: CN202010098450.4A
Authority: CN
Inventors: 黄紫洋; 黄云雄; 张晓宇
Original assignee: Fujian Normal University
Current assignee: Fujian Normal University
Priority date: 2020-02-18
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2020-05-08

Abstract

本发明公开了一种耐低温改性沥青路面修复材料及其制备方法，按重量计算改性沥青路面修复材料的各组分比例如下：基质沥青66%～75%、改性剂15%～20%、软化剂2%～8%、交联剂1%～1.5%、抗紫外线吸收剂1%～1.5%、稳定剂0.2%～0.6%、亚克力4%～6%。该改性沥青路面修复材料采用预软化工艺对改性剂鞋胶粉进行预软化，解除其表面惰性从而提高相容性，改性后的沥青材料其耐低温性能非常显著；加入纳米TiO₂可大幅度提高其抗紫外线性能，效果远胜于传统防老剂，改性后的沥青其耐低温开裂性能、抗强紫外线辐射性能、抗冲击性能、粘结性能等都得到较大幅度提升。

Description

一种耐低温改性沥青路面修复材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耐低温改性沥青路面修复材料及其制备方法，属于沥青的技术领域。

背景技术

随着我国交通业的快速发展，道路路面的性能指标也随之提高，以往的沥青道路可使用时间越来越缩短，沥青道路损坏现象越来越严重，尤其在一些常年高寒高海拔的地区，因其特殊的气候、环境特点，导致沥青道路寿命降低。沥青和石料均匀拌合后的混合物组成沥青混合料，而沥青则是用于填充石料构架之间的缝隙，在温度超过处于两头极端时沥青就会出现“热胀冷缩”的现象，并且，如果沥青本身的韧度不够，再经过车辆荷载的反复碾压，则非常容易对沥青路面造成严重损伤。尤其是在高寒高海拔地区温度低、紫外线强、海拔高，这些极端恶劣的自然气候等条件给这些地区的沥青路面造成严重损伤，如松散、裂缝、坑槽、车辙等问题；同时这些地区的道路养护工作也十分困难，道路的重修频率及维护成本正逐年攀升，很多路面在进行修复后的次年又出现明显的二次破损的现象，高寒高海拔沥青道路之所以会在短时间内反复出现较大程度损坏，很大一部分原因是因为该地区极端低温的气候条件与强紫外线的双重损害。因此，为了提高高寒高海拔地区沥青道路的使用寿命，提高其耐低温抗裂性能与抗强紫外线性能已是势在必行。

在高原地区，高寒与高海拔是主要的自然特征，在如此低温环境下，沥青道路的应变能力也随之快速下降，使得材料的劲度模量急剧增大，超过了产生开裂的极限劲度，因而便产生了裂缝，并且随着温度降低裂缝将越来越宽。因此在高原地区，耐低温性能是沥青道路路面修复材料的一项至关重要的性能。本发明向基质沥青中添加具有优越的耐低温性能的鞋胶粉改性剂，通过芳烃油预软化工艺解除鞋胶粉表面惰性，从而提高鞋胶粉与基质沥青相容性，切实有效地提高改性沥青路面修复材料的耐低温性能从而适用于高原地区的沥青路面修复。

当前研究表明，沥青改性是一个物理共混过程，当改性剂掺入基质沥青后，受沥青质中轻质组分的作用而溶胀，继而又发生溶解，改性剂由于经过溶胀和溶解两个过程才得以均匀地分散在沥青中。随着科技发展，环境保护理念渐渐深入人心，越来越多的研究人员选用回收废旧的材料来进行研究，一方面可以减少污染，变废为宝；另一方面可以降低工程造价。据相关报道，我国每年产生大量废弃鞋，还将逐年增长，如此之多的废弃鞋如果不能回收利用，那将造成巨大的资源浪费和环境污染。鞋底一般由天然橡胶或人工合成橡胶、聚氨酯、EVA（乙烯-乙酸乙烯酯共聚物）、TPR、TPU、MD、PVC等材料组成，这些材料拥有良好的弹性。废胶粉用于改性基质沥青不仅对提高沥青耐低温性能方面很显著，而且还可以降低路面噪音、防湿滑，提高道路的安全系数（曹萍，单宝龙，王雷等，苯乙烯焦油对橡胶改性沥青的影响，精细石油化工，2012）。在另一方面，目前回收的废弃鞋底转化为胶粉的技术也较为成熟，大大降低了聚合物改性沥青的成本。少量胶粉加入沥青中，被沥青所溶胀的橡胶相分散在沥青中呈“海岛”状微观结构。若加入量较多，则形成相互贯通的网络，表现为双连续相，此时沥青的软化点会随着胶粉用量的增大而急剧上升（袁德明，刘冬，廖克俭，废旧橡胶粉改性沥青研究进展，合成橡胶工业，2007）。但由于鞋胶粉表面呈惰性，与基质沥青相容性并不是很好，相容性不好导致改性效果下降，因此本发明通过对鞋胶粉使用软化剂芳烃油预先软化，可使鞋胶粉在沥青中充分溶胀，提高胶粉在沥青中的溶解度，降低其在沥青中的离析程度，从而更好地提高改性效果。

目前，申请公布号为CN107541081A的专利公开了一种活化废胶粉改性沥青的制备工艺，它选择了泰州中海70#沥青，80目废胶粉，掺量为15%；微波辐射条件为：微波功率600W，辐射时间2.5 min；剪切温度170～180℃，剪切速率最佳为7000 r/min，剪切时间为60min。该发明遵循废物回收利用，降低成本，也在一定程度上改善了沥青道路路用性能，但相容性问题未能处理，因此改性后沥青的耐低温性能方面也并不理想。本发明则是使用芳烃油对鞋胶粉进行预软化，解除胶粉表面惰性，使胶粉在改性沥青体系充分溶胀，从而提高两者的相容性，更大幅度地改善耐低温性能。

其次，申请公布号为CN104558733A的专利公开了一种废旧鞋底胶粉活化方法及其应用，它通过挑选去除杂质，并将按颜色分类的各种废旧鞋底粉碎成30-60目大小的粉末，再依次加入特定比例的浅色软化油、松香、活化剂，然后通过塑化剂进行活化，再制备再生胶。此方法环保且降低成本，但将胶粉按照颜色分类工艺很繁琐不易实施。

再者，申请公布号为CN106243747A的专利公开了一种高寒改性沥青及其制备方法，该发明主要按比例添加SBS、化学稳定剂、降粘剂入基质沥青中，其中化学稳定剂由固态稳定剂和液态稳定剂组成，固态稳定剂包括甲基纤维素钠、聚乙烯醇和苯基丙酸十八碳醇酯；液态稳定剂包括二月桂酸二丁基锡、二硫基乙酸异辛酯二甲基锡、亚磷酸三苯酯和二硫化二正丁基黄原酸锌，均按特定比例混合而成。该发明在一定程度上能够同时改善基质沥青耐高、低温性能，但SBS改性剂在提升耐低温性能方面并不显著，且该发明也未明确提出解决高寒地区中强紫外辐射的相关方案。本发明在解决高寒高海拔地区中强紫外辐射的问题方面则是通过添加紫外线吸收剂纳米TiO₂作为防老剂，在提高改性沥青耐低温性能的同时又能高效地提高沥青材料的抗紫外线性能。

最后，申请公布号为CN109810519A公开了一种轮胎粉改性沥青及其制备方法，它主要由基质沥青、轮胎粉、有机胺二苯胍、催化剂氯化亚铜、橡胶粉、热塑性树脂、乳化剂、稳定剂等混合制备得改性沥青，该发明具有工艺简单、成本低、能耗小、节能减排等特点，且在耐低温性能方面也较为优越，但在沥青材料的粘附性能方面却略显不足，没有切实地提高沥青混合料的结合力，因此可能降低沥青道路的使用寿命。本发明通过添加亚克力，即为丙烯酸树脂，具有优秀的附着力，粘结性强，能与路基稳固结合，有效地解决当前研究中修复材料易脱落的问题。

因此当前研究中关于高寒高海拔地区的改性沥青路面修复材料已无法满足诸如西北高原地区极端低温与高辐射环境对沥青道路的需求，只有在提高沥青材料耐低温性能的同时还能增强其抗紫外线能力，才是目前市场中最迫切需求的。

发明内容

为了解决现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种耐低温改性沥青路面修复材料及其制备方法，该改性沥青有优越的耐低温开裂性能、抗强紫外线辐射性能、抗冲击性能、粘结性能等，操作简便，特别适用于小型的沥青路面的修复操作。

本发明的技术方案如下：

本发明涉及一种耐低温改性沥青路面修复材料及其制备方法，由以下重量比原料制成：

基质沥青66%～75%、改性剂15%～20%、软化剂2%～8%、交联剂1%～1.5%、抗紫外线吸收剂1%～1.5%、稳定剂0.2%～0.6%、亚克力4%～6%；所述的改性剂为废旧鞋底所制成的粉末。

进一步的，所述的基质沥青为去除水分的70#道路沥青或90#道路沥青。

进一步的，所述的改性剂为回收的废旧鞋底所制成的粉末，目数为20-40目。

进一步的，所述的软化剂为芳烃油，用于预先对鞋底胶粉进行软化，提高鞋底胶粉与基质沥青的相容性与界面的结合力。

进一步的，所述的交联剂为过氧化二异丙苯、硬脂酸锌、氧化锌、硫磺粉或过氧化二叔丁基苯中的一种。

进一步的，所述的抗紫外线吸收剂为纳米TiO₂。

进一步的，所述的稳定剂为甲基纤维素钠。

进一步的，所述的亚克力即为丙烯酸树脂，具有优秀的附着力，粘结性强，能与路基稳固结合，有效地解决现存修复材料修补后易脱落的问题。

本发明还包括一种耐低温改性沥青路面修复材料的制备方法及其制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)，预软化过程：将软化剂芳烃油和改性剂鞋胶粉在搅拌速率为800～1000 r/min下搅拌15 min，提高改性剂与基质沥青相容性；

步骤(2)，改性过程：在保持搅拌速率不变下将经去除水分与杂质的基质沥青加热成液体状添加入步骤(1)中体系，然后加入交联剂并升温至 180℃，加入抗紫外线吸收剂、甲基纤维素钠和亚克力搅拌10 min后提高搅拌速率至1500～2000 r/min，再升温至240℃后恒温搅拌2 h，即得一种耐低温改性沥青路面修复材料。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供了一种耐低温改性沥青路面修复材料及其制备方法，采用废旧的鞋底制成胶粉，通过用芳烃油预先对鞋底胶粉进行软化，该方法有效地加快胶粉与基质沥青的溶胀反应，提高鞋底胶粉与基质沥青的相容性与界面的结合力，解决了以往胶粉与基质沥青相容性差的问题，最大程度上地提高了改性沥青的耐低温性能，特别适用于高寒高海拔地区，并且该发明具有工艺简单、成本低、能耗小、节能减排等特点。

2、本发明在抗强紫外线辐射方面采用添加纳米TiO₂，其抗紫外线性能远胜于传统紫外线吸收剂，改性后的沥青其抗紫外线性能比以往改性沥青优越，特别适用于高寒高海拔地区的强紫外线照射的地理环境。

3、本发明添加亚克力，即为丙烯酸树脂，具有优秀的附着力，粘结性强，不仅能加强沥青与集料之间的结合力，还能与路基稳固结合，有效地解决现存修复材料修补后易脱落的问题。

4、本发明的制作方法简单方便，对制作设备要求不高，能较大程度地降低能耗，适合一定规模的现场实际应用。

5、本发明实验研究结果表明，该产品完全符合我国高寒高海拔地区聚合物改性沥青三大性能指标的最低技术要求，包括：针入度（25℃，60 g，5 s）在4.0～6.0 mm、软化点（℃）≥ 60、延度（5℃，5 cm/min）/cm ≥ 30，因此该产品将适用于高寒高海拔地区沥青路面修复。

附图说明

1、图1为本发明对比实施例1制备样品的扫描电镜图；

2、图2为本发明对比实施例2制备样品的扫描电镜图；

3、图3为本发明实施例1制备样品的扫描电镜图；

4、图4为本发明实施例2制备样品的扫描电镜图；

5、图5为本发明实施例3制备样品的扫描电镜图；

6、图6为本发明实施例4制备样品的扫描电镜图；

7、图7为本发明实施例5制备样品的扫描电镜图。

具体实施方式

以下是本发明的几个实施例，进一步说明本发明，但本发明不仅限于此。

实施例一：

一种耐低温改性沥青路面修复材料及其制备方法，包括按重量计算的各组分比例：基质沥青75%、20～40目的鞋胶粉15%、芳烃油5%、过氧化二异丙苯1.5%、纳米TiO₂ 1.2%、甲基纤维素钠0.4%、亚克力5%；反应温度240℃，反应时间2 h。

上述的一种耐低温改性沥青路面修复材料的制备方法，包括如下步骤：首先使用芳烃油解除鞋胶粉表面惰性，将两者按比例混合搅拌，搅拌速率为800～1000 r/min，搅拌时间15 min；其次将经去除水分与杂质的70#A级道路沥青使用液化气进行加热烧化后添加入体系中，随后加入过氧化二异丙苯，并将其升温至180℃，待整体恒定180℃后加入纳米TiO₂、甲基纤维素钠和亚克力，继续搅拌10 min后，将搅拌速度升至1500～2000 r/min，再升温至240℃后恒温搅拌2 h，即得一种耐低温改性沥青路面修复材料。所得样品采用STLL-7型软化点测定仪测得软化点为75℃，采用STLZ-5型针入度仪测得25℃时针入度为5.1 mm、STYD-7型延度仪测得定5℃时延度为62 cm。

实施例二：

一种耐低温改性沥青路面修复材料及其制备方法，包括按重量计算的各组分比例：基质沥青70%、20～40目的鞋胶粉18%、芳烃油6%、硬脂酸锌1.2%、纳米TiO₂ 1.4%、甲基纤维素钠0.5%、亚克力4%；反应温度220℃，反应时间2 h。

上述的一种耐低温改性沥青路面修复材料的制备方法，包括如下步骤：该实施在提高鞋胶粉与芳烃油含量的基础上进行改性，与实施例一相同，在搅拌速率为800～1000r/min下将芳烃油和鞋胶粉充分混合搅拌15 min，对鞋胶粉预先软化以达到解除鞋胶粉改性剂表面惰性的目的；其次将基质沥青通过以上加热装置烧化后得到液态后添加入体系中，保持搅拌速率不变条件下加入硬脂酸锌，调高体系的温度至180℃后加入纳米TiO₂、甲基纤维素钠和亚克力，持续搅拌10 min后将搅拌速度升至1500～2000 r/min，再升温至220℃后恒温搅拌2 h，即得一种耐低温改性沥青路面修复材料。所得样品采用实施例一种的仪器分别进行软化点测定试验、25℃的针入度测定试验、5℃的延度测定试验，试验得软化点为73℃、25℃的针入度为5.3 mm、5℃的延度为53 cm。

实施例三：

一种耐低温改性沥青路面修复材料及其制备方法，包括按重量计算的各组分比例：基质沥青68%、20～40目的鞋胶粉20%、芳烃油4%、氧化锌1.4%、纳米TiO₂ 1.5%、甲基纤维素钠0.6%、亚克力6%；反应温度240℃，反应时间1.5 h。

上述的一种耐低温改性沥青路面修复材料的制备方法，包括如下步骤：首先对鞋胶粉进行预软化过程：按比例混合芳烃油和鞋胶粉搅拌15 min，搅拌速率为800～1000 r/min；再将经加热软化成液体状的70#A级道路沥青加热后添加入体系中（注：基质沥青须经去除水分与杂质处理），体系保持搅拌速率800～1000 r/min不变条件下加入氧化锌，然后将其升温至180℃，待整体恒定180℃后加入纳米TiO₂、甲基纤维素钠和亚克力，继续搅拌10min后，将搅拌速度升至1500～2000 r/min，再升温至240℃后恒温搅拌1.5 h，即得一种耐低温改性沥青路面修复材料。所得样品使用STLL-7型软化点测定仪进行软化点测定试验，测得软化点为71℃；使用STLZ-5型针入度仪进行25℃的针入度测定试验，测得25℃的针入度为4.9 mm；使用STYD-7型延度仪进行5℃的延度测定试验，测得5℃的延度为58 cm。

实施例四：

一种耐低温改性沥青路面修复材料及其制备方法，包括按重量计算的各组分比例：基质沥青71%、20～40目的鞋胶粉16%、芳烃油6%、硫磺粉1%、纳米TiO₂ 1.3%、甲基纤维素钠0.6%、亚克力4%；反应温度200℃，反应时间2 h。

上述的一种耐低温改性沥青路面修复材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一为预软化过程，目的是解除鞋胶粉改性剂表面惰性，提高其在基质沥青中的溶解度，具体操作是按比例混合芳烃油和鞋胶粉，搅拌速率为800～1000 r/min，搅拌时间为15 min；步骤二为改性过程，首先使用液化气将去除水分与杂质后的70#A级道路沥青烧化，得到液态基质沥青后添加入体系中，保持搅拌速率800～1000 r/min不变条件下加入硫磺粉，然后将其升温至180℃，待整体恒定180℃后加入纳米TiO₂、甲基纤维素钠和亚克力，继续搅拌10 min后，将搅拌速度升至1500～2000 r/min，再升温至200℃后恒温搅拌2 h，即得一种耐低温改性沥青路面修复材料。所得样品使用上述3种仪器分别对样品进行软化点测定试验、25℃的针入度测定试验、5℃的延度测定试验表征其常规性能，试验得软化点为75℃、25℃的针入度为4.8 mm、5℃的延度为52 cm。

实施例五：

一种耐低温改性沥青路面修复材料及其制备方法，包括按重量计算的各组分比例：基质沥青74%、20～40目的鞋胶粉15%、芳烃油4%、过氧化二叔丁基苯1.1%、纳米TiO₂ 1%、甲基纤维素钠0.5%、亚克力4%；反应温度220℃，反应时间2 h。

上述的一种耐低温改性沥青路面修复材料的制备方法，包括如下步骤：同上述相同，首先在搅拌速率为800～1000 r/min下使用芳烃油将鞋胶粉进行预软化15 min以提高其与基质沥青相容性；然后将经液化气加热软化的70#A级道路沥青添加入体系中，加热软化前须先进行去除水分与杂质处理，以免对试验造成误差。接着保持搅拌速率不变条件下加入过氧化二叔丁基苯后升温至180℃，待整体恒定180℃后加入纳米TiO₂、甲基纤维素钠和亚克力，继续搅拌10 min后，将搅拌速度升至1500～2000 r/min，再升温至240℃后恒温搅拌1 h，即得一种耐低温改性沥青路面修复材料。所得样品分别进行上述3种常规性能评价指标试验，最终测得软化点70℃、25℃的针入度为5.3 mm、5℃的延度为55 cm。

以上实施例测试结果均达到我国高寒高海拔地区聚合物改性沥青三大性能指标的最低技术要求：针入度（25℃，60 g，5 s）在4.0～6.0 mm、软化点（℃）≥ 60、延度（5℃，5cm/min）/cm ≥ 30，尤其以实施例一所制得的改性沥青路面修复材料的耐低温性能最为优越。

对比实施例1

将未经过改性的基质沥青直接加热软化后进行三大性能指标的测试试验。所得样品采用STLL-7型软化点测定仪测得软化点为63℃，采用STLZ-5型针入度仪测得25℃时针入度为8.3 mm、STYD-7型延度仪测得定5℃时延度为23 cm。

对比实施例2

一种未经芳烃油预软化的耐低温改性路面修复材料及其制备方法，包括按重量计算的各组分比例：基质沥青80%、20～40目的鞋胶粉15%、过氧化二异丙苯1.5%、纳米TiO₂ 1.2%、甲基纤维素钠0.4%、亚克力5%；反应温度240℃，反应时间2 h。

一种未经芳烃油预软化的耐低温改性路面修复材料的制备方法，包括如下步骤：首将经去除水分与杂质的70#A级道路沥青使用液化气进行加热烧化后添加入体系中，先加入鞋胶粉与过氧化二异丙苯，搅拌速率为800～1000 r/min，并将其升温至180℃，待整体恒定180℃后加入纳米TiO₂、甲基纤维素钠和亚克力，继续搅拌10 min后，将搅拌速度升至1500～2000 r/min，再升温至240℃后恒温搅拌2 h，即得一种未经芳烃油预软化的耐低温改性沥青路面修复材料。所得样品采用STLL-7型软化点测定仪测得软化点为67℃，采用STLZ-5型针入度仪测得25℃时针入度为6.5 mm、STYD-7型延度仪测得定5℃时延度为37cm。

对实施例1-5以及对比实施例1-2制备的样品进行扫描电镜测试，该测试采用德国蔡司生产的型号为ZEISS SUPRA 40扫描电子显微镜，观察基质沥青路面修复材料与改性沥青路面修复材料微观结构。沥青样品导电性差，在观察前需要对其进行喷金，粘导电胶上观察。

图1为未添加改性剂改性的基质沥青，因此表面很平整；图2 为未添加芳烃油进行预软化的改性沥青路面修复材料，可见块状鞋胶粉仍然较为显著；图3-图7为经芳烃油预软化工艺，可见鞋胶粉分散较均匀，溶解程度较好，说明芳烃油改善了鞋胶粉与基质沥青的相容性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种耐低温改性沥青路面修复材料，其特征在于，由以下重量比原料制成：

2.如权利要求1所述的一种耐低温改性沥青路面修复材料，其特征在于：所述的基质沥青为去除水分的70#道路沥青或90#道路沥青。

3.如权利要求1所述的一种耐低温改性沥青路面修复材料，其特征在于：废旧鞋底所制成的粉末的目数为20-40目。

4.如权利要求1所述的一种耐低温改性沥青路面修复材料，其特征在于：所述的软化剂为芳烃油。

5.如权利要求1所述的一种耐低温改性沥青路面修复材料，其特征在于：所述的交联剂为过氧化二异丙苯、硬脂酸锌、氧化锌、硫磺粉或过氧化二叔丁基苯中的一种。

6.如权利要求1所述的一种耐低温改性沥青路面修复材料，其特征在于：所述的抗紫外线吸收剂为纳米TiO₂。

7.如权利要求1所述的一种耐低温改性沥青路面修复材料，其特征在于：所述的稳定剂为甲基纤维素钠。

8.如权利要求1所述的一种耐低温改性沥青路面修复材料，其特征在于：所述的亚克力即为丙烯酸树脂。

9.一种耐低温改性沥青路面修复材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1) 按比例混合软化剂和改性剂，搅拌速率为800～1000 r/min，搅拌15 min，对改性剂预先软化，解除胶粉表面惰性，提高其与基质沥青相容性；

(2) 将基质沥青加热软化后添加入(1)中体系中，保持搅拌速率800～1000 r/min不变条件下加入交联剂，然后将其升温至180℃，待整体恒定180℃后加入抗紫外线吸收剂、稳定剂和亚克力，继续搅拌10 min后，将搅拌速度升至1500～2000 r/min，再升温至240℃后恒温搅拌2 h，即得耐低温改性沥青路面修复材料。