CN111635166B - 温拌sbs超薄磨耗层沥青混合料配合比设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种温拌SBS超薄磨耗层沥青混合料配合比设计方法，主要步骤包括：基于沥青混合料的稳定性，选择沥青混合料的材料品种及配合比、矿料级配、沥青用量；沥青混合料的材料品种包括SBS改性沥青，集料和填料，SBS改性沥青的原料包括基质沥青，SBS，废塑料，丁二酰亚胺‑丁二酸酯和氨基丙烯酸酯类物质和丁二烯共聚物，过氧化物。本发明基于沥青混合料稳定性进行设计，克服当前采用通用废塑料体系不稳定的问题，还能提高混合料的强度和韧性，提高路面抵抗车辙等破损的能力。

Description

温拌SBS超薄磨耗层沥青混合料配合比设计方法
技术领域
本专利属于一种沥青路面铺设材料设计领域，具体涉及一种温拌SBS超薄磨耗层沥青混合料配合比设计方法。
背景技术
目前使用废塑料改性沥青越来越多，不仅解决了废旧塑料的污染问题，也能起到改善道路沥青、减轻道路养护压力的作用，节约经费与资源。相对于使用单一或两种聚合物的塑料，废塑料多为混合塑料，如将每种废塑料都一一分选出来，废塑料回收利用的成本将大为提高。废塑料与基质沥青较难相容，掺杂量不能很高，塑料沥青的贮存稳定性较差。尽管王刚在其硕士论文《聚烯烃类废塑料作为道路沥青性能改良材料的研究》中指出将聚烯烃类废塑料、SBS与基质沥青研磨剪切混合，能有效增加塑料和沥青的相容性，改善沥青的高温稳定性。但并未就增溶剂进行相关研究。
超薄磨耗层技术是主要针对交通荷载大、路面性能要求高的高等级路面提出的一种路面技术，可作为新建道路的表面磨耗层及高等级沥青或水泥混凝土路面的预防性养护处理，可以遏制、改善道路病害，延长道路使用寿命。目前应用于超薄磨耗层的沥青主要为SBS改性沥青、橡胶沥青及高黏改性沥青等。然而由于废塑料在沥青中的稳定性问题，将其用于研究超薄磨耗层沥青混合料中的研究较少，而且研究中废塑料的添加量也比较少。现有技术中针对稳定性的温拌SBS超薄磨耗层沥青混合料配合比设计方法也很少有研究。
发明内容
因此，本发明提出一种适宜的沥青混合料稳定性配合比设计方法，将废塑料应用到超薄磨耗层中，不仅能提高沥青混合料的稳定性，还能提高磨耗层的强度和韧性。
本发明提供一种温拌SBS超薄磨耗层沥青混合料配合比设计方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)基于沥青混合料的稳定性，初步选择沥青混合料的材料品种及配合比、矿料级配、沥青用量；沥青混合料的材料品种包括SBS改性沥青，集料和填料，SBS改性沥青的原料包括基质沥青，SBS，废塑料，丁二酰亚胺-丁二酸酯和氨基丙烯酸酯类和丁二烯的共聚物，过氧化物；
(2)选取适宜油石比，分别制作4-5个马歇尔试件，测定试件的空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等指标，进行马歇尔击实实验；
(3)以矿料间隙率最小时对应的油石比为最佳油石比，如果该油石比对应的空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等体积参数满足技术要求，则对其进行稳定性性能验证；如果稳定性性能指标不满足技术要求，则应重新调整矿料配合比，进行马歇尔击实试验和最佳油石比的确定。
具体来说，步骤(1)中，矿料级配如表1所示。
表1矿料级配参考范围
Figure GDA0003256615850000021
步骤(1)中，初步设计的沥青混合料的材料品种，按重量百分比计，包括70-90％集料，5-15％填料，SBS改性沥青7-15％，SBS改性沥青的原料按重量份包括基质沥青100-150，SBS3-10，废塑料8-17份，丁二酰亚胺-丁二酸酯0.5-2份和氨基丙烯酸酯类和丁二烯的共聚物0.5-2份，过氧化物交联剂0.1-0.5份。
所述集料可为玄武岩或辉绿岩等，填料可为石灰岩、岩浆岩或硅酸盐水泥等。废塑料是废旧通用塑料，被切割成20-60目大小。氨基丙烯酸酯类和丁二烯的共聚物中单体氨基丙烯酸酯类和丁二烯的重量比为30-70:70-30，粒径为3-30微米，25℃时聚合物粘度为50-3000cps，优选80-1000，更优选80-300。氨基丙烯酸酯类包括二甲基氨基乙基丙烯酸酯，二甲基氨基乙基丙基丙烯酸酯，二甲基氨基丙基丙烯酸酯等，丁二烯包括1,3丁二烯，2-甲基-1,3丁二烯，2-乙基-1,3丁二烯。过氧化物交联剂包括2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷、2,4-二氯过氧化苯甲酰。基质沥青为SBS改性沥青常用的沥青种类，如石油沥青A级70号，90号。所述共聚物进一步为嵌段共聚物。
SBS改性沥青的制备包括：第一步，在熔融状态下，将SBS添加到基质沥青中，并使用高速剪切机剪切混合0.5-1小时；第二步，丁二酰亚胺-丁二酸酯与废塑料粉充分混合后，加入第一步所得混合物，充分剪切混合0.2-1.5小时，发育0.5-2小时；第三步，再加入氨基丙烯酸酯类和丁二烯嵌断共聚物，充分剪切混溶；最后，加入过氧化物交联剂。所述制备温度在110-150℃之间。
所制备的SBS改性沥青的性能指标参见表2。
表2 SBS改性沥青技术指标
Figure GDA0003256615850000031
添加的SBS可以在沥青中先形成网状结构，之后添加破碎的废塑料和丁二酰亚胺-丁二酸酯，二者既不会破坏这种网状结构，而且会使得废塑料分散加入体系，沥青更加粘稠；丁二酰亚胺-丁二酸酯包含不同的官能团，能使废塑料中不同的塑料组分充分分散在沥青材料中，比单一使用丁二酰亚胺和丁二酸酯能够产生更好的分散作用。随后加入二甲基氨基乙基丙烯酸酯和丁二烯嵌断共聚物，能充分提高废塑料的再分散和粘附能力，并减少剪切混合时间。最后，加入过氧化物交联剂，使废塑料组分与SBS和沥青之间产生交联，提高混合料的强度、稳定性和耐磨性。
步骤(2)中，适宜油石比范围为4-6，马歇尔试件制作参数见表3。
表3马歇尔试件制作参数
Figure GDA0003256615850000032
步骤(3)中，SBA沥青混合料的空隙率为3-5％、矿料间隙率不小于15％、沥青饱和度为68-78％。稳定性性能参数包括马歇尔稳定度不小于10kN，动稳定度不小于3800次/mm,水稳定性不小于80％，均采用常规方法测定。进一步地，稳定性性能参数包括马歇尔稳定度不小于15kN，动稳定度不小于3800次/mm,水稳定性不小于85％。
本发明采用通用废塑料，不经特殊分离，减少了分离成本。在SBS改性沥青中使用了丁二酰亚胺-丁二酸酯和氨基丙烯酸酯类物质和丁二烯共聚物，在不同制备步骤加入，既能提高沥青粘度，又能充分混溶分散不同塑料成分，提高了废塑料的再分散能力，沥青混合料的硬度和韧性大大提高，马歇尔稳定度不小于15kN，动稳定度大于3900次/mm,水稳定性不小于85％，克服当前采用较多通用废塑料体系不稳定的问题，使得所述SBS沥青混合料能很好的用做超薄磨耗层，以减少车辆载荷作用下沥青产生的应变和残余变形，提高路面抵抗车辙等破损的能力，能够明显节约养护成本。
具体实施方式
【实施例1】
一宁夏高速公路磨耗层设计沥青混合料，初步选取SBS改性沥青原料：基质沥青100份，SBS 5份，废塑料8份，丁二酰亚胺-丁二酸酯0.8份和二甲基氨基乙基丙烯酸酯和丁二烯嵌断共聚物分散剂1.5份，2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷0.3份。二甲基氨基乙基丙烯酸酯和丁二烯嵌断共聚物SBS沥青混合料的单体比为49:50，25℃时聚合物粘度为100cps。沥青混合料包括80重量％集料，12重量％填料，8重量％SBS改性沥青。通过试配法，选取的沥青混合料矿料级配如下表所示：
表4沥青混合料矿料级配
Figure GDA0003256615850000041
选取油石比为5，按沥青加热温度、集料加热温度和拌和温度均为120℃，拌和时间为160秒，击实温度为120℃，击实次数为100制作5个马歇尔试件，分别测试试件的空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等指标，测试方法按照T0705方法进行。确定沥青的最佳用量为8.5％，当SBA沥青混合料的空隙率为3-5％、矿料间隙率不小于15％、沥青饱和度为68-78％时，进一步测定混合料的稳定性性能指标。按T0709方法测试的马歇尔稳定度不小于10kN，T0719方法测试的动稳定度不小于3800次/mm,T0709测试的水稳定性不小于80％，SBS改性沥青中的废塑料含量高达13重量份。经计算调整获得的稳定性参数见表5。
【实施例2】
一宁夏高速公路磨耗层设计沥青混合料，初步选取SBS改性沥青原料：基质沥青100份，SBS 7份，废塑料10份，丁二酰亚胺-丁二酸酯0.8份和二甲基氨基乙基丙烯酸酯和丁二烯嵌断共聚物分散剂1.3份，2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷0.4份。二甲基氨基乙基丙烯酸酯和丁二烯嵌断共聚物的单体比为60:40，25℃时聚合物粘度为500cps。沥青混合料包括79重量％集料，12重量％填料，9重量％SBS改性沥青。通过试配法，选取的沥青混合料矿料级配同表4。选取油石比为6，按实施例1所示条件制作5个马歇尔试件，分别测试试件的空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等指标。确定沥青的最佳用量为9.8％。符合条件的SBS改性沥青中的废塑料含量高达15重量份。
【对比例1】用丁二酰亚胺替换丁二酰亚胺-丁二酸酯，其它与实施例1初始条件相同。确定沥青的最佳用量为11％，符合条件的SBS改性沥青中的废塑料含量仅为5重量份。
【对比例2】用丁二酰亚胺-丁二酸酯2.3份替换丁二酰亚胺-丁二酸酯0.8份和二甲基氨基乙基丙烯酸酯和丁二烯嵌断共聚物分散剂1.5份。其它与实施例1初始条件相同。确定沥青的最佳用量为10％，符合条件的SBS改性沥青中的废塑料含量8重量份。
【对比例3】用二甲基氨基乙基丙烯酸酯和丁二烯嵌断共聚物2.3份替换丁二酰亚胺-丁二酸酯0.8份和二甲基氨基乙基丙烯酸酯和丁二烯嵌断共聚物分散剂1.5份。其它与实施例1初始条件相同。确定沥青的最佳用量为12％，符合条件的SBS改性沥青中的废塑料含量为9重量份。
【对比例4】用乙基丙烯酸酯和丁二烯嵌断共聚物替换二甲基氨基乙基丙烯酸酯和丁二烯嵌断共聚物。其它与实施例1初始条件相同。确定沥青的最佳用量为11％，符合条件的SBS改性沥青中的废塑料含量为8重量份。
当SBS改性沥青中的废塑料含量为9重量份时，经调整获得的稳定性参数见表5。
表5稳定性参数测试结果
Figure GDA0003256615850000051
由表5可知，沥青混合料材料品种的选用对超薄磨耗层的稳定性非常重要，当废塑料用量一定时，通过实施例1和实施例2的设计方法，所获得的沥青混合料的马歇尔稳定度、动稳定度和浸水马歇尔试验残留稳定度都比较高，能很好的达到超薄磨耗层对沥青混合料的要求。而通过对比例1-2的设计方法，不能达到超薄磨耗层对沥青混合料的稳定性要求。而通过对比例3和4的设计方法，动稳定度和马歇尔稳定度并不能同时较好。

Claims (4)

1.一种温拌SBS超薄磨耗层沥青混合料配合比设计方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）基于沥青混合料的稳定性，选择沥青混合料的材料品种及配合比、矿料级配、沥青用 量；沥青混合料的材料品种包括SBS改性沥青，集料和填料，SBS改性沥青的原料包括基质沥青，SBS，废塑料，丁二酰亚胺-丁二酸酯和氨基丙烯酸酯类物质和丁二烯共聚物，过氧化物；
（2）选取适宜油石比，分别制作4-5个马歇尔试件，测定试件的空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度指标，进行马歇尔击实实验；
（3）以矿料间隙率最小时对应的油石比为最佳油石比，如果该油石比对应的空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度体积参数满足技术要求，则对其进行稳定性性能验证；如果稳定性性能指标不满足技术要求，则应重新调整矿料配合比，进行马歇尔击实试验和最佳油石比的确定；
步骤（1）中，初步设计的沥青混合料的材料品种，按重量百分比计，包括70-90%集料，5-15%填料，SBS改性沥青7-15%，SBS改性沥青的原料按重量份包括基质沥青100-150份，SBS3-10份，废塑料 10-17份，丁二酰亚胺-丁二酸酯 0.5-2份和氨基丙烯酸酯类物质和丁二烯的共聚物0.5-2份，过氧化物交联剂 0.1-0.5份；
其中氨基丙烯酸酯类物质和丁二烯共聚物中单体氨基丙烯酸酯类物质和丁二烯共聚物的重量比为30-70:70-30，粒径为3-30微米，聚合物25℃粘度为50-3000cps。
2.根据权利要求1的设计方法，其中稳定性参数包括：马歇尔稳定度不小于15kN，动稳定度不小于3800次/mm,水稳定性不小于85%。
3.根据权利要求1的设计方法，氨基丙烯酸酯类物质包括二甲基氨基乙基丙烯酸酯，二甲基氨基乙基丙基丙烯酸酯或二甲基氨基丙基丙烯酸酯。
4.根据权利要求1的设计方法，SBS改性沥青的制备包括：第一步，在熔融状态下，将SBS 添加到基质沥青中，并使用高速剪切机剪切混合0.5-1小时；第二步，丁二酰亚胺-丁二酸酯与废塑料粉充分混合后，加入第一步所得混合物，充分剪切混合0.2-1.5小时，发育0.5-2小时；第三步，再加入氨基丙烯酸酯类物质和丁二烯嵌断共聚物，充分剪切混溶；最后，加入过氧化物交联剂。
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