CN111253730B - 一种用于提高微表处成型质量的改性材料及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高微表处成型质量的改性材料及其使用方法，属于微表处改性材料技术领域。本发明的技术方案要点为：一种用于提高微表处成型质量的改性材料，由以下重量份的原料组成：聚氨酯预聚体70‑85份、催化剂1‑3份、催化剂配合剂乙二胺四乙酸二钠3‑6份、粘度调节剂邻苯二甲酸二辛酯10‑15份和非离子表面活性剂OP‑20 3‑6份。本发明还具体公开了该用于提高微表处成型质量的改性材料的制备方法及其使用方法。本发明有效改善微表处混合料和易性、提高微表处强度形成速度、减少施工封闭交通时间及提高微表处工艺的耐久性。

Description

一种用于提高微表处成型质量的改性材料及其使用方法

技术领域

本发明属于微表处改性材料技术领域，具体涉及一种用于提高微表处成型质量的改性材料及其使用方法。

背景技术

随着我国公路养护事业的快速发展以及养护理念的不断提高，诸多预防性养护工艺技术也得到长足的发展和应用，如主要用于建立和恢复高速公路表面功能层的微表处罩面技术，具有防水、抗滑、耐磨、耐久等技术优势，节约能源、污染物排放量低等社会环境优势，以及施工质量好、综合成本低等性价优势而得到广泛推广和运用。

微表处是采用专用机械设备将乳化沥青、级配矿料、填料、水和添加剂等按照设计配比拌和成稀浆混合料摊铺到原路面上，是一种能够很快开放交通的具有高抗滑和耐久性的薄层。同时，微表处在实际施工过程中会受到诸多特殊条件的影响，如气温较高或较低时节、隧道内施工作业、道路交通量大等情况，均会对微表处的施工和易性、开放交通时间、路用性能等产生较大影响。因此，当如上客观因素无法改变，需要从工艺材料设计方面对微表处进行优化时，如何改善和易性、缩短开放交通时间、提高早期强度和耐久性等方面的材料或工艺研究极为重要。

上述背景技术的内容主要体现在以下几个方面：1、当微表处混合料施工和易性不佳时，混合料摊铺或压实困难，会严重影响降低其路用性能或表观效果；2、为保证微表处混合料能够常温施工且具有良好和易性，混合料当中需要含有一定含量水分来起到润滑作用，但由于混合料中水分的存在，混合料强度的形成具有一定的时间性和过程性，即沥青乳液必须经过破乳、水分蒸发才能恢复沥青的粘结性能，且剩余的水分从混合料中排出、蒸干，混合料的强度才能最终形成，当总用水量较大的时候，会导致开放交通时间延长，不利于缩短施工工期及降低封闭交通带来的负面影响；3、由于微表处罩面处于路面的表面层，直接承受行车荷载、大气降水、复杂气候的循环作用，其易损性问题逐渐突出，若微表处混合料耐久性不足，则微表处罩面性能在早期阶段就会出现不同程度的衰减，导致其不能适应重载交通环境和苛刻气候条件的实际要求，而沥青粘结料自身强度以及沥青粘结料与石料之间界面强度，是影响微表处耐久性的重要因素。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种用于提高微表处成型质量的改性材料及其使用方法，用于有效改善微表处混合料和易性、提高微表处强度形成速度、减少施工封闭交通时间及提高微表处工艺的耐久性。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种用于提高微表处成型质量的改性材料，其特征在于由以下重量份的原料组成：聚氨酯预聚体70-85份、催化剂1-3份、催化剂配合剂乙二胺四乙酸二钠3-6份、粘度调节剂邻苯二甲酸二辛酯10-15份和非离子表面活性剂OP-20 3-6份，其中聚氨酯预聚体为端异氰酸酯基预聚体，该端异氰酸酯基预聚体由甲苯二异氰酸酯TDI、聚乙二醇400和氮丙啶基乙醇以1.0:0.8:0.2的重量配比制备而成，催化剂由五甲基二乙烯三胺和有机铋以1.0:0.1的重量配比组成。

本发明所述的用于提高微表处成型质量的改性材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：

步骤S1：按照上述改性材料各原料的重量配比分别称取原料；

步骤S2：将聚乙二醇400和氮丙啶基乙醇在无水、氮气环境下搅拌混合均匀并升温至50±2℃，再在45±5min内匀速加入甲苯二异氰酸酯TDI并升温至75±2℃，继续在此温度下反应1.5h制得聚氨酯预聚体；

步骤S3：将五甲基二乙烯三胺和有机铋在无水环境下搅拌混合均匀制得催化剂；

步骤S4：将粘度调节剂、非离子表面活性剂和催化剂配合剂依次加入到步骤S3制得的催化剂中并在无水环境下混合均匀；

步骤S5：将步骤S2制得的聚氨酯预聚体与步骤S4制得的混合物混合后在无水、氮气环境下以500±5r/min的转速搅拌10±1min，最终制得用于提高微表处成型质量的改性材料。

本发明所述的用于提高微表处成型质量的改性材料的使用方法，其特征在于具体步骤为：将上述改性材料加入到已经由外加水润湿均匀的石料中并以100±5r/min的转速搅拌5-10s，再加入阳离子乳化沥青和水泥并搅拌形成微表处混合料。

进一步优选，所述改性材料的使用量为微表处混合料总用水量的25wt％～45wt％。

本发明与现有技术相比具有以下创新性和有益效果：

1、本发明以聚氨酯预聚体为基本成份的水固化型改性剂，其与微表处混合料中的水份接触后发生固化反应，反应过程中生成二氧化碳气体，固化产物为聚脲类化合物。

2、本发明的改性材料与拌和时微表处混合料中的水发生化学反应，与水反应过程中逐渐生成的二氧化碳形成了大量的细小气泡，因此显著改善微表处混合料施工和易性，有利于混合料的拌合和摊铺，并且气泡排放过程中形成的微通道有利于微表处混合料乳化沥青破乳产生的水随之导出。

3、在微表处混合料强度形成早期，乳化沥青破乳过程中水分较多，水的润滑作用致使沥青的粘结力作用不能很好发挥，只有在混合料养护和辗轧过程中，混合料中水分逐渐蒸发，混合料内聚力才能逐渐显现并发挥更为重要的作用。本发明改性材料与拌和时微表处混合料中的水发生化学反应，消耗混合料成型过程中的水含量，因此缩短微表处混合料的强度形成时间，促进微表处混合料成型速度，缩短养生时间，降低因封闭交通对交通运输的不利影响。

4、本发明改性材料与水反应过程中生成的大分子或高分子聚合物，如聚脲可以在乳化沥青破乳形成强度过程中对沥青进行改性，以及其后对微表处混合料性能的改善；同时该类生成产物极性较强，可提高混合料的粘结性能。

5、微表处混合料在交通荷载应力、温度应力和水损害作用下，病害发生的起因一般是沥青胶结料自身强度不足或者沥青-石料结合力不足所致，从而混合料整体强度降低发生破坏。本发明以聚氨酯预聚体为基本成份的水固化型改性剂，与微表处混合料中的水份接触后发生固化反应，在混合料中形成坚韧的聚脲类固化产物。固化产物强度高且极性大，对沥青胶结料进行补强，同时提高了沥青-石料界面结合力，有效提高了微表处混合料的整体强度和耐久性。

6、本发明改性材料在使用过程中，改性材料与水发生化学反应，对微表处拌和、施工和路用性能具有以下综合有利影响：

本发明改性材料加入混合料的初期阶段，通过与水反应产生气体，改善微表处和易性，提高混合料拌和和摊铺效果，利于对微表处施工过程中的质量控制；

本发明改性材料加入混合料的中期阶段，由于发生反应消耗水份并引导破乳水排出，促进微表处混合料成型速度，加快早期强度形成，缩短养生时间，降低因长时封闭交通对交通运输的不利影响；

本发明改性材料加入混合料的后期阶段，因改性材料和水分发生较为充分的固化反应，固化反应物有效提高了微表处混合料的内聚力和耐久性。

7、本发明改性材料中非离子乳化剂OP-20可提高改性材料在使用过程中与乳化沥青之间的相容性，发挥液态改性材料的流体作用特点，因此可降低微表处混合料设计时外加用水量；本发明改性材料中五甲基二乙烯三胺、有机铋和乙二胺四乙酸二钠用于提高改性材料的反应活性，提高改性材料用于提高微表处成型质量时的应用效果；本发明改性材料中邻苯二甲酸二辛酯主要用于调控改性材料粘度，实现成型质量相对可控化。

8、本发明改性材料通过活性材料的综合使用和复配效果，提高微表处施工成型过程的可控性，降低对传统微表处工艺对施工环境(如施工温度)的依赖性，可以在夜间、隧道内等温度低、湿度大的环境条件下施工，有效拓宽了微表处使用范围和工程效果。

附图说明

图1是乳化沥青混合料和时间与扭矩的变化曲线。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例

本发明实施例1～5用于提高微表处成型质量的改性材料重量组成配比见表1。

表1实施例用于提高微表处成型质量的改性材料所用原料组成(单位：千克)

实施例	聚氨酯预聚体	催化剂	粘度调节剂	非离子表面活性剂	催化剂配合剂
						1	70	1	10	4	3
2	75	2	12	3	5
						3	80	3	10	5	4
4	85	3	15	4	6
						5	78	2.5	12	6	4

本发明实施例1～5用于提高微表处成型质量的改性材料的制备方法为：

a、按照各实施例中改性材料的重量配比比例准备各种原料。

其中，聚氨酯预聚体为端异氰酸酯基预聚体，由甲苯二异氰酸酯TDI、聚乙二醇400和氮丙啶基乙醇以1.0:0.8:0.2的重量配比制备而成；催化剂由五甲基二乙烯三胺和有机铋以1.0:0.1的重量配比组成；粘度调节剂为邻苯二甲酸二辛酯；非离子表面活性剂为OP-20；催化剂配合剂为乙二胺四乙酸二钠。

b、按步骤a，根据表1和设计原料配比：将已计量的聚乙二醇400、氮丙啶基乙醇在无水、氮气环境下搅拌均匀并升温至50±2℃，在45±5min内匀速将甲苯二异氰酸酯加入并升温至75±2℃，继续在此温度下反应1.5h制得聚氨酯预聚体。

c、按步骤a，根据表1和设计原料配比：将已计量的五甲基二乙烯三胺和有机铋在无水环境内搅拌均匀制得催化剂。

d、根据表1，将已计量的粘度调节剂、非离子表面活性剂和催化剂配合剂依次加入到步骤c所得催化剂中，在无水环境下混合均匀。

e、根据表1，将步骤b和步骤d以设计计量比，在无水、氮气环境下以500±5r/min搅拌10±1min制得用于提高微表处成型质量的改性材料，以下简称为改性材料。

按照《微表处和稀浆封层技术指南》中“附录A3粘聚力试验”、“附录A4湿轮磨耗试验”、“附录A6微表处混合料轮辙变形试验”试验方法来评价用于微表处成型质量的改性材料的以下改性效果：1)以30min时粘聚力指标一方面能够评价混合料的成型速度，在相同的时间内，粘聚力数值越大，说明混合料的成型速度越快，另一方面还能够评价混合料的早期强度，粘聚力数值大则说明其早期强度高，抵抗破坏的能力就越强；2)以6d的湿轮磨耗值评价改性材料对微表处混合料抗水损害性能提升效果，湿轮磨耗值越小，则说明微表处混合料抗水损害性能越好；3)以负荷轮试件宽度变形率评价改性材料对微表处混合料耐久性影响，负荷轮试件宽度变形率越小，则说明微表处混合料耐久性越好。选用稀浆混合料拌和试验仪(专利号CN200620078485.7)扭矩达到峰值时的拌和时间评价改性材料对微表处混合料和易性影响，拌合时间越长，则说明微表处混合料和易性越好。

通过以上几种评价方法，选用微表处MS-3型级配，以对改性材料表1的5个实施例进行微表处改性效果评价，试验设计实例配比见表2，其中阳离子乳化沥青和水泥均为常规市售原料。

表2微表处混合料实施例配比表(以石料重量为基准)

根据表2，相应试验结果见图1及表3。

由试验结果可知，在相同配比条件下随着改性材料的加入，乳化沥青混合料的可拌和时间表现出增加的趋势；同时，随着改性材料掺量的增加，其拌和时间进一步延长；且乳化沥青破乳前，其扭矩偏低，乳化沥青破乳后其扭矩大幅度增加，改性材料掺量越大，扭矩峰值相对越高，说明改性材料的加入改善了乳化沥青混合料的拌和和易性，且乳化沥青破乳后混合料的强度相对较高。

表3微表处混合料试验结果

由试验结果可知，本发明提供的用于微表处成型质量的改性材料具有以下几方面优势或特点：1)改善微表处稀浆混合料和易性：随着改性材料用量的增加，拌和时间增加；2)缩短微表处成型时间，提高早期强度：随着改性材料用量的增加，30min微表处混合料粘聚力逐渐增大；3)对微表处混合料具有改性效果：随着改性材料用量的增加，6d湿轮磨耗值减小；4)提高微表处耐久性：随着改性材料用量的增加，微表处车辙变形率逐渐减小。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (1)

1.一种用于提高微表处成型质量的改性材料及其使用方法，其特征在于：所述的用于提高微表处成型质量的改性材料由以下重量份的原料组成：聚氨酯预聚体70-85份、催化剂1-3份、催化剂配合剂乙二胺四乙酸二钠3-6份、粘度调节剂邻苯二甲酸二辛酯10-15份和非离子表面活性剂OP-20 3-6份，其中聚氨酯预聚体为端异氰酸酯基预聚体，该端异氰酸酯基预聚体由甲苯二异氰酸酯TDI、聚乙二醇400和氮丙啶基乙醇以1.0:0.8:0.2的重量配比制备而成，催化剂由五甲基二乙烯三胺和有机铋以1.0:0.1的重量配比组成；

所述的用于提高微表处成型质量的改性材料的具体制备步骤为：

步骤S1：按照所述改性材料各原料的重量配比分别称取原料；

步骤S2：将聚乙二醇400和氮丙啶基乙醇在无水、氮气环境下搅拌混合均匀并升温至50±2℃，再在45±5min内匀速加入甲苯二异氰酸酯TDI并升温至75±2℃，继续在此温度下反应1.5h制得聚氨酯预聚体；

步骤S3：将五甲基二乙烯三胺和有机铋在无水环境下搅拌混合均匀制得催化剂；

步骤S4：将粘度调节剂、非离子表面活性剂和催化剂配合剂依次加入到步骤S3制得的催化剂中并在无水环境下混合均匀；

步骤S5：将步骤S2制得的聚氨酯预聚体与步骤S4制得的混合物混合后在无水、氮气环境下以500±5r/min的转速搅拌10±1min，最终制得用于提高微表处成型质量的改性材料；

所述的用于提高微表处成型质量的改性材料的使用方法具体步骤为：将所述改性材料加入到已经由外加水润湿均匀的石料中并以100±5r/min的转速搅拌5-10s，再加入阳离子乳化沥青和水泥并搅拌形成微表处混合料，其中改性材料的使用量为石料用量的25wt%~45wt%，阳离子乳化沥青的使用量为石料用量的6.3wt%，水泥的使用量为石料用量的2wt%，总用水量为石料用量的10wt%。

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