CN111978743B - 一种耐候性强的橡胶改性沥青及其制备方法 - Google Patents

一种耐候性强的橡胶改性沥青及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及橡胶沥青路面材料领域，具体公开了一种耐候性强的橡胶改性沥青及其制备方法。耐候性强的橡胶改性沥青由包含以下重量份的原料制成：沥青90‑115份；橡胶粉20‑29份；SBS15‑25份；沥青稳定剂0.5‑1份；抗紫外线剂7‑15份；碳纳米纤维3‑8份；其制备方法为：将橡胶粉、SBS、沥青稳定剂、抗紫外线剂和碳纳米纤维混合，得一级混合物；将沥青预热，加入一级混合物混合，得二级混合物；对二级混合物进行剪切，得三级混合物；将三级混合物发育80‑135min，即得。本发明的耐候性强的橡胶改性沥青具有较优的抗光老化性能以及较强的抗裂性能；另外，本发明的制备方法能够有效促进原料组分之间反应，使得制得的改性沥青具有较优的抗紫外线性能和抗裂性能。

Description

一种耐候性强的橡胶改性沥青及其制备方法
技术领域
本发明涉及橡胶沥青路面材料领域，更具体地说，它涉及一种耐候性强的橡胶改性沥青及其制备方法。
背景技术
胶粉改性沥青是将胶粉及多种改性剂按一定比例、不同顺序加入沥青中搅拌并高强剪切，通过化学能、热能与机械能共同作用将胶粉及改性剂均匀分散在沥青中发生反应，形成稳定的胶粉改性沥青结构体系；是改善沥青性能及实现废橡胶资源化处理的有效措施。
现有授权公告号为CN101555355B的中国专利公开了一种废橡胶改性沥青，包括废橡胶复合改性剂、沥青和稳定剂，稳定剂的重量含量占总废橡胶改性沥青的0.1-0.5%，废橡胶复合改性剂的重量含量占总废橡胶改性剂的6%，其中，废橡胶复合改性剂的成分进一步包括有SBS、橡胶粉、PE，SBS占废橡胶复合改性剂的重量百分比为8-12%，PE占废橡胶复合改性剂的重量比7-13%，橡胶粉占废橡胶复合改性剂的重量比为75-85%，橡胶粉中含有占橡胶粉50%以上的废橡胶粉。上述公开专利旨在提供一种无污染、具备良好性能，且性价比的废橡胶改性沥青。
针对上述中的相关技术，发明人认为橡胶改性沥青在长期用于路面铺设时，由于紫外线的照射和汽车的碾压，沥青路面容易出现老化和开裂等现象，进而会缩短沥青路面的使用寿命。
发明内容
针对现有技术存在的改性沥青抗紫外线性能差、易开裂的问题，本发明的第一个目的在于提供一种耐候性强的橡胶改性沥青，所述耐候性强的橡胶改性沥青具有较优的抗光老化性能以及较强的抗裂性能。
本发明的第二个目的在于提供一种耐候性强的橡胶改性沥青的制备方法，所述制备方法能够有效促进原料组分之间发生反应，使得制得的改性沥青具有较优的抗光老化性能和抗裂性能。
为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：
一种耐候性强的橡胶改性沥青，由包含以下重量份的原料制成：
沥青 90-115份；
橡胶粉 20-29份；
SBS 15-25份；
沥青稳定剂 0.5-1份；
抗紫外线剂 7-15份；
碳纳米纤维 3-8份。
通过采用上述技术方案，利用橡胶粉和SBS对沥青进行改性，以增强沥青的高低温稳定性和粘弹性；利用沥青稳定剂增强沥青的热稳定性和坚韧性；利用抗紫外线剂增强沥青的抗紫外线性能，延缓沥青的老化速度；利用碳纤维增强沥青的粘弹性和粘结性，使得沥青中各原料组分之间能够紧固粘结，从而降低了沥青易发生开裂的可能性，进而一定程度上提升了沥青路面的使用寿命。
进一步地，所述抗紫外线剂为纳米蒙脱土和纳米二氧化硅的混合物，所述纳米蒙脱土和纳米二氧化硅的重量比为（2-3）：（5-7）；
所述耐候性强的橡胶改性沥青还包括硅烷偶联剂0.3-0.6份和分散剂0.1-0.2份。
通过采用上述技术方案，纳米蒙脱土属于层状硅酸盐矿物，对紫外辐射具有较好的屏蔽作用，在增强沥青的抗紫外线性能的同时，蒙脱土的层间空隙有利于沥青中分子迁移并插入，从而一定程度上能够提升沥青的粘结性能；利用纳米二氧化硅对紫外线的高反射率可有效提高沥青的抗紫外线性能。本方案通过选择特定配比范围的纳米蒙脱土和纳米二氧化硅，使得纳米蒙脱土和纳米二氧化硅能够发挥较大的协同作用，有效提高沥青的抗紫外线性能，进而可延长沥青的使用寿命。利用硅烷偶联剂和分散剂降低纳米蒙脱土和纳米二氧化硅在沥青中发生聚集的可能性，提高纳米蒙脱土和纳米二氧化硅的分散性，有利于纳米蒙脱土和纳米二氧化硅与其他组分均匀混合。
进一步地，所述纳米蒙脱土和纳米二氧化硅的重量比为（2.5-2.7）：（5.5-6.3）。
通过采用上述技术方案，通过选择特定配比范围的纳米蒙脱土和纳米二氧化硅，使得纳米蒙脱土和纳米二氧化硅能够发挥较大的协同作用，较大程度的提升沥青的抗紫外线性能。
进一步地，所述纳米蒙脱土和纳米二氧化硅的重量比为2.6：5.7。
通过采用上述技术方案，通过选择特定配比的纳米蒙脱土和纳米二氧化硅，使得纳米蒙脱土和纳米二氧化硅的协同作用能够达到最大，进而能够有效提升沥青的抗紫外线性能。
进一步地，所述碳纳米纤维的直径为400-500nm，长度为30-45μm。
通过采用上述技术方案，选择特定直径和长度的碳纤维，有利于碳纤维与其他原料组分混合均匀和有效反应，进而可提升原料组分之间的粘结性，有效提升沥青的防开裂性能，延长沥青的使用寿命。
进一步地，还包括涂覆有聚乙烯醇树脂的碳纤维3-5份。
通过采用上述技术方案，利用聚乙烯醇树脂包覆碳纤维，从而可增强碳纤维的粘结性，使得碳纤维能够与其他组分有效粘结，进而可增强沥青中原料组分之间的粘结牢固度，有效增强了沥青的抗开裂性能。
为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：
一种耐候性强的橡胶改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
S1、按配比，将橡胶粉、SBS、沥青稳定剂、抗紫外线剂、硅烷偶联剂、分散剂和碳纳米纤维混合，搅拌均匀，得一级混合物，备用；
S2、将沥青加热至160-170℃，加入一级混合物，搅拌均匀，得二级混合物；
S3、对二级混合物以3000-3500r/min转速剪切8-13min；升温至180-185℃，以4000-5000r/min转速剪切50-70min，得三级混合物；
S4、将三级混合物置于160-175℃环境中保温80-135min，得到终成品。
通过采用上述技术方案，先预先加热沥青，再向沥青中投入其余组分并搅拌剪切，有利于橡胶粉发生溶胀，使橡胶粉与沥青中的组分发生反应，从而确保制得的沥青具有较优的抗老化性能和抗裂性能。
进一步地，所述步骤S2中，将涂覆有聚乙烯醇树脂的碳纤维投入二级混合物中，搅拌均匀。
通过采用上述技术方案，碳纤维表面涂覆有聚乙烯醇树脂，利用聚乙烯醇树脂涂层可有效增强碳纤维与沥青中其他组分之间的粘结性，从而可提升沥青的抗开裂性能。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
第一、利用纳米蒙脱土和纳米二氧化硅之间特定的配比进行制备抗紫外线剂，使得纳米蒙脱土和纳米二氧化硅能够协同作用，从而可增强沥青的抗老化性能，一定程度上可延长沥青的使用寿命；
第二、通过添加碳纳米纤维和涂覆有聚乙烯醇树脂的碳纤维，使得沥青中各组分之间能够牢固粘结，从而可增强沥青的抗开裂性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1-实施例4
实施例1-实施例4中沥青的原料组分和制备方法均相同，不同之处仅在于各原料组分的掺量不同，具体见表1：
表1：实施例1-实施例4中各原料组分的掺量
Figure 737798DEST_PATH_IMAGE001
实施例1-实施例4中的抗紫外线剂均由重量比为2.6：5.7的纳米蒙脱土和纳米二氧化硅混合而成。
以实施例3为例进行说明沥青的制备方法，包括以下步骤：
S1、按配比，将橡胶粉、SBS、沥青稳定剂、抗紫外线剂、硅烷偶联剂、分散剂和碳纳米纤维混合，搅拌均匀，得一级混合物，备用；
S2、将沥青加热至170℃，加入一级混合物，以2000r/min转速搅拌30min，得二级混合物；
S3、对三级混合物以3000r/min转速剪切10min；升温至180℃，以4500r/min转速剪切60min，得三级混合物；
S4、将三级混合物置于170℃环境中保温100min，得到终成品。
实施例5
本实施例与实施例3的区别仅在于：抗紫外线剂中纳米蒙脱土和纳米二氧化硅的重量比为2.5：5.5。
实施例6
本实施例与实施例3的区别仅在于：抗紫外线剂中纳米蒙脱土和纳米二氧化硅的重量比为2.7：6.3。
实施例7
本实施例与实施例3的区别仅在于：抗紫外线剂中纳米蒙脱土和纳米二氧化硅的重量比为2：5。
实施例8
本实施例与实施例3的区别仅在于：抗紫外线剂中纳米蒙脱土和纳米二氧化硅的重量比为3：7。
实施例9
本实施例与实施例3的区别仅在于：碳纳米纤维的直径为400nm，长度为30μm。
实施例10
本实施例与实施例3的区别仅在于：碳纳米纤维的直径为500nm，长度为45μm。
实施例11
本实施例与实施例3的区别仅在于：将5g涂覆有聚乙烯醇树脂的碳纤维添加到步骤S1中制成一级混合物。
实施例12
本实施例与实施例3的区别仅在于：将3g涂覆有聚乙烯醇树脂的碳纤维添加到步骤S2中的二级混合物中，继续搅拌10min。
实施例13
本实施例与实施例3的区别仅在于：将4.2g涂覆有聚乙烯醇树脂的碳纤维添加到步骤S2中的二级混合物中，继续搅拌10min。
实施例14
本实施例与实施例3的区别仅在于：将5g涂覆有聚乙烯醇树脂的碳纤维添加到步骤S2中的二级混合物中，继续搅拌10min。
对比例1
以对比文件（CN101555355B）中实施例制得的沥青作为本对比例。
对比例2
本对比例与实施例3的区别仅在于各原料组分的掺量不同：沥青85g，橡胶粉35g，SBS10g，沥青稳定剂1.5g，抗紫外线剂5g，碳纳米纤维2g。
对比例3
本对比例与实施例3的区别仅在于：抗紫外线剂中纳米蒙脱土和纳米二氧化硅的重量比为1：8。
对比例4
本对比例与实施例3的区别仅在于：碳纳米纤维的直径为300nm，长度为25μm。
对比例5
本对比例与实施例3的区别仅在于：不添加抗紫外线剂，另外添加与抗紫外线剂等量的沥青。
对比例6
本对比例与实施例3的区别仅在于：不添加碳纳米纤维，另外添加与碳纳米纤维等量的沥青。
对比例7
本对比例与实施例3的区别仅在于：将2g涂覆有聚乙烯醇树脂的碳纤维添加到步骤S2中的二级混合物中，继续搅拌10min。
各实施例和各对比例中原料组分的来源见表2：
表2：各原料组分的来源
Figure 539532DEST_PATH_IMAGE002
针对各实施例和对比例中的沥青进行抗老化性能测试。将各实施例和各对比例中的沥青试件放入烘箱45min，温度设置为160℃，以模拟实际工程中沥青在摊铺过程中的短期老化；随后将各试样放入紫外线老化仪中进行7天的老化试验，紫外线老化仪的温度设定为60℃，辐射强度为0.68μW/cm2。测试各试件在经受紫外线老化前后的性能，具体测试过程如下：
一、浸水马歇尔稳定度试验
1、标准马歇尔试验
（1）将各试件置于温度达到60℃的恒温水槽中，保温30min；
（2）将马歇尔试验仪的上下压头放入水槽中达到60℃；将上下压头从水槽中取出擦拭干净内面；将试件取出置于下压头上，盖上上压头，然后装在加载设备上；
（3）启动加载设备，使试件承受荷载，加载速度为50mm/min；计算机记录传感器压力和试件变形曲线并将数据自动存入计算机；读取并记录试件的稳定度和流值。
2、浸水马歇尔试验
与标准马歇尔试验的操作步骤相同，不同之处仅在于：将试件置于温度达到60℃的恒温水槽中，保温48h。
3、结果计算
MS0= MS1/ MS*100%
上式中：MS0—试件的浸水残留稳定度，%；
MS1—试件浸水48h后的稳定度，KN；
MS—试件的稳定度，KN。
具体结果见表3：
表3：各实施例和各对比例中试件的残留稳定度比值
Figure 744117DEST_PATH_IMAGE003
二、冻融劈裂试验
（1）各实施例和各对比例中的沥青试件均分别取8个，平均分为第一组和第二组；按规程T0702方法制作圆柱体试件，用马歇尔击实仪双面击实各50次；
（2）将各组第一组试件置于平台上，室温下保存备用；将各组第二组试件按规程T0717标准的饱水试验方法真空饱水，在98.3kPa（730mmHg）真空条件下保持15min，然后打开阀门，回复常压，试件在水中放置0.5h；
（3）取出试件放入塑料袋中，加入10mL的水，扎紧袋口，将试件放入恒温冰箱，冷冻温度为零下18℃，保持16h；
（4）将各组第一组试件和各组第二组试件全部进入温度为25℃的恒温水槽中2h；
（5）取出试件按照规程T0716用50mm/min的加载速率进行劈裂试验，记录试验的最大荷载。
（6）结果计算：
RT1=0.006287 RT11/h1
RT2=0.006287 RT21/h2
TSR=（RT2/ RT1）*100%
式中：RT1—未进行冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度，MPa；
RT2—经受冻融循环的第二组试件的劈裂抗拉强度，MPa；
RT11—第一组试件的试验荷载的最大值，N；
RT21—第二组试件的试验荷载的最大值，N；
h1—第一组试件的试验高度，mm；
h2—第二组试件的试验高度，mm；
TSR—冻融劈裂强度比，%。
试验结果见表4：
表4：各实施例和各对比例中试件的冻融劈裂强度比
Figure 22039DEST_PATH_IMAGE004
三、车辙试验
（1）按轮碾法成型试件，将试件连通试模一起在常温条件下放置48h，试件的标砖尺寸为300mm*300mm*50mm；
（2）将试件连同试模，置于达到试验温度60℃的恒温室中，保温10h；在试件的试验轮不行走的部位上，粘贴一个热电偶温度计，控制试件温度稳定在60℃+0.5℃；
（3）将试件连同试模移至车辙试验机的试验台上，试验轮在试件的中央部位，其行走方向须与试件碾压方向一致；开动车辙变形自动记录仪，然后启动试验机，使试验轮往返行走，时间1h；试验时，记录仪自动记录变形曲线及时间温度；
（4）结果计算：从记录仪上读取45min（t1）及60min（t2）时的车辙变形d1及d2，精确至0.01mm；
DS=（t2- t1）*42*c1*c2/（d2- d1）
上式中：DS—沥青的动稳定度，次/mm；
d1—时间t1时车辙的变形量，mm；
d2—时间t2时车辙的变形量，mm；
42—试验机每分钟行走次数，次/min；
c1—试验机类型修正系数，本实验中采用链驱动试验轮的等速方式，c1值为1.5；
c2—试件系数，本实验中制备的试件宽度为300mm，c2值为1.0。
试验结果见表5：
表5：各实施例和各对比例中试件的动稳定度值
Figure 695597DEST_PATH_IMAGE005
结合表3、表4和表5，与对比例1相比，实施例1至实施例8中沥青的老化前后的残留稳定度、动稳定度和冻融劈裂强度均优于对比例1，表明本发明公开的沥青具有较优的抗老化性能和抗裂性能。
与实施例5至实施例8以及对比例5相比，实施例3中的沥青具有更优的残留稳定度、动稳定度和冻融劈裂强度，表明参照本发明公开的配比进行添加抗紫外线剂，一定程度上可有效提高沥青的抗老化性能，能够延长沥青路面的使用寿命。
与实施例3相比，实施例12至实施例14中的沥青具有更优的残留稳定度、动稳定度和冻融劈裂强度，表明本发明中添加的涂覆有聚乙烯醇树脂的碳纤维能够有效提升沥青中组分之间的粘结牢固度，能够有效提升沥青的抗裂性能，从而可延长沥青路面的使用寿命。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种耐候性强的橡胶改性沥青，其特征在于，由包含以下重量份的原料制成：
沥青 90-115份；
橡胶粉 20-29份；
SBS 15-25份；
沥青稳定剂 0.5-1份；
抗紫外线剂 7-15份；
碳纳米纤维 3-8份；
还包括涂覆有聚乙烯醇树脂的碳纤维3-5份。
2.根据权利要求1所述的一种耐候性强的橡胶改性沥青，其特征在于，所述抗紫外线剂为纳米蒙脱土和纳米二氧化硅的混合物，所述纳米蒙脱土和纳米二氧化硅的重量比为（2-3）：（5-7）；
所述耐候性强的橡胶改性沥青还包括硅烷偶联剂0.3-0.6份和分散剂0.1-0.2份。
3.根据权利要求2所述的一种耐候性强的橡胶改性沥青，其特征在于，所述纳米蒙脱土和纳米二氧化硅的重量比为（2.5-2.7）：（5.5-6.3）。
4.根据权利要求3所述的一种耐候性强的橡胶改性沥青，其特征在于，所述纳米蒙脱土和纳米二氧化硅的重量比为2.6：5.7。
5.根据权利要求1所述的一种耐候性强的橡胶改性沥青，其特征在于，所述碳纳米纤维的直径为400-500nm，长度为30-45μm。
6.权利要求1-5任一所述的一种耐候性强的橡胶改性沥青的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按配比，将橡胶粉、SBS、沥青稳定剂、抗紫外线剂、硅烷偶联剂、分散剂和碳纳米纤维混合，搅拌均匀，得一级混合物，备用；
S2、将沥青加热至160-170℃，加入一级混合物，搅拌均匀，得二级混合物；
S3、对二级混合物以3000-3500r/min转速剪切8-13min；升温至180-185℃，以4000-5000r/min转速剪切50-70min，得三级混合物；
S4、将三级混合物置于160-175℃环境中保温80-135min，得到终成品。
7.根据权利要求6所述的一种耐候性强的橡胶改性沥青的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，将涂覆有聚乙烯醇树脂的碳纤维投入二级混合物中，搅拌均匀。
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