CN111978744A - 一种橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的设计制备方法 - Google Patents

一种橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的设计制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高粘改性沥青的制备方法，包括以下步骤：1)将基质沥青加热至135℃左右加入4.5％的热塑性丁苯橡胶及4.0％纳米氧化锌，用高速剪切机剪切45min，剪切时保持温度在190℃左右；2)剪切结束后，加入掺量为10％的橡胶粉，用低速搅拌机搅拌30min，搅拌温度保持在190℃左右；3)搅拌结束后放入180℃的烘箱里发育，发育时间为2h。本发明还提供一种高粘改性沥青。本发明还提供一种橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料。使用本发明，可以得到一种具有抗滑性能高、噪声低、抑制水雾、防止水漂、减轻眩光、黑色持久的排水路面用沥青混合料。

Description

一种橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的设计制备方法
技术领域
本发明属于环保材料技术领域，具体涉及一种橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的制备方法。
背景技术
排水沥青混合料路面一般用大孔隙开级配沥青混合料，排水表层下的中、下沥青面层采用密级配沥青混凝土，并在排水性沥青面层与中层之间设置防水粘层，同时在路肩下设置纵向侧沟和横向排水管，使雨天渗入排水功能层的水能横向排到路面结构以外。
排水性沥青路面由于采用单一粒径碎石嵌挤形成的骨架空隙结构，该结构路表面粗糙，构造深度大，能增大轮胎与路面间的摩擦系数，因而抗滑性能好。尤其雨天水被迅速排出，增大了轮胎与路面的附着力，保证了雨天行车的安全。排水沥青混合料使用的粗集料大颗粒间直接相互接触而形成的骨架结构能够承担较大的荷载作用，再加上高粘沥青优良的黏附作用，排水混凝土高温下抵抗变形的能力较好，具有良好的抗车辙能力。
现有技术中，高粘沥青通常使用TAFPACK-Super(简称TPS)材料等做为高粘沥青改性剂，工程造价很高。由于大空隙开级配结构，沥青排水路面也存在一些缺陷，主要是抗飞散性、水稳定性和耐久性方面较差。尤其是我国的重载车辆比例较大，道路实际承载远远高于设计承载，导致沥青路面早期损害严重。
专利申请CN 201810894949.9公开了一种开级配木质素纤维沥青混合料及其制备方法。沥青混合料采用OGFC-13骨架孔隙结构级配，该混合料包括：SBS改性沥青、木质素纤维和矿料。该申请提供的开级配木质素纤维沥青混合料其路用性能得到较大改善。
李雪峰(扬州大学硕士学位论文，2006)采用纳米ZnO和SBS作为沥青改性剂，使改性沥青的高温性能、低温性能、抗老化性能等都有明显的改善与提高。
许志扬(苏州科技大学硕士学位论文，2019)采用橡胶粉与SBS作为沥青改性剂，使改性沥青的各项性能提升明显，橡胶粉的添加还对于SBS的老化分解具有一定的抑制作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的制备方法。
本发明提供一种高粘改性沥青的制备方法，包括以下步骤：1、将基质沥青加热至135℃左右加入4.5％的SBS和4.0％纳米氧化锌(ZnO)，用高速剪切机剪切45min，剪切时保持温度为190℃左右；2、剪切SBS结束后，再加入掺量10％的橡胶粉，用低速搅拌机搅拌30min，搅拌温度保持在190℃左右；3、搅拌结束后，放入180℃的烘箱里发育，发育时间为2h，完成试样制备。
优选地，改性剂掺量为4.5％SBS、4.0％纳米ZnO和10％橡胶粉。
优选地，基质沥青采用A级70#重交石油沥青。进一步优选基质沥青采用双龙70#沥青。
优选地，SBS选用中国石化型号YH-791H的热塑性丁苯橡胶。
优选地，橡胶粉采用40目橡胶粉。
本发明还提供一种高粘改性沥青，本发明的高粘改性沥青是由上述方法制备的高粘改性沥青。
本发明还提供一种橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的制备方法，包括以下步骤：
1)将集料加热至170～180℃，将上述方法制备的高粘改性沥青加热至170～175℃；
2)将集料和高粘改性沥青拌和，拌和温度为175℃。
优选地，在步骤2中进一步掺加纤维稳定剂。进一步优选纤维稳定剂为矿物纤维。进一步优选矿物纤维掺加比例为沥青混合料总质量的0.1％～0.3％。进一步优选矿物纤维掺加比例为沥青混合料总质量的0.3％。
优选地，在步骤2中掺加矿粉。进一步优选矿粉的掺加比例为沥青混合料总质量的1％～3％。进一步优选矿粉掺加比例以为沥青混合料总质量的3％。
本发明还提供一种橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料，橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料是使用上述方法制备的混合料。
优选地，本发明的集料采用大孔径骨架空隙结构，使用热塑性丁苯橡胶(下文简称SBS)与橡胶粉进行双改性制成的橡胶粉改性高粘沥青作为胶结材料，并掺加矿物纤维制备而成沥青混合料。
优选地，橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料为OGFC-13沥青混合料。
优选地，橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的空隙率为18～25％。进一步优选以4.75mm作为粗集料骨架的分界筛孔，在工程级配的范围内，调整矿料比例设计3组不同粗细的矿料级配，设计空隙率为18～25％的OGFC-13沥青混合料。
优选地，高粘沥青混合料的动稳定度大于3000次/mm，冻融劈裂强度比大于75％，表面构造深度大于0.55mm，具有抗滑、降噪、排水、黑色持久性等多种功能。
具体而言，本发明如下。
1.一种高粘改性沥青的制备方法，包括以下步骤：1)将基质沥青加热至135℃左右加入4.5％的热塑性丁苯橡胶及4.0％的纳米氧化锌，用高速剪切机剪切45min，剪切时保持温度在190℃左右；2)剪切结束后，加入掺量10％的橡胶粉，用低速搅拌机搅拌30min，搅拌温度保持在190℃左右；3)搅拌结束后放入180℃的烘箱里发育，发育时间为2h。
2.根据项1所述的高粘改性沥青的制备方法，其特征在于：所述基质沥青采用A级70#重交石油沥青。
3.根据项1或2所述的高粘改性沥青的制备方法制备的高粘改性沥青。
4.一种橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的制备方法，包括以下步骤：1)将集料加热至170～180℃，将项3所述的高粘改性沥青加热至170～175℃；2)将集料和高粘改性沥青拌和，拌和温度为175℃。
5.根据项4所述的橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的制备方法，其特征在于：所述橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的高粘改性沥青用量为6％。
6.根据项4所述的橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的制备方法，其特征在于：在步骤2中还掺加矿物纤维。
7.根据项6所述的橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的制备方法，其特征在于：所述矿物纤维掺加比例为沥青混合料总质量的0.1％～0.3％。
8.根据项5所述的橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的制备方法，其特征在于：在步骤2中还掺加矿物纤维。
9.根据项8所述的橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的制备方法，其特征在于：所述矿物纤维掺加比例为沥青混合料总质量的0.1％～0.3％。
10.根据项4至9中任一项中所述的制备方法制备的橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料。
11.根据项10所述的橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料，其特征在于：所述橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料为OGFC-13沥青混合料。
12.根据项10所述的橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料，其特征在于：所述橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的空隙率为18～25％。
13.根据项11所述的橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料，其特征在于：所述橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的空隙率为18～25％。
14.根据项10至13中任一项中所述的橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料，其特征在于：混合料的动稳定度大于3000次/mm，冻融劈裂强度比大于75％，表面构造深度大于0.55mm。
本发明得到一种具有抗滑性能高、噪声低、抑制水雾、防止水漂、减轻眩光、黑色持久的排水路面用沥青混合料。
附图说明
图1为合成级配示意图。
图2为析漏损失曲线图。
图3为飞散损失曲线图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，本发明给出如下实施例。应该理解的是，本发明的实施例仅用于对本发明进行解释而不是限定，本发明的保护范围仅仅由本发明的权利要求进行限定。在不违背本发明构思的情况下，对本发明的方法做出的任何改变和变形、任何等同替代，都在本发明的保护范围之中。
实施例
1.试验材料
基质沥青采用双龙A级70#重交石油沥青，沥青的性能指标要求见表1。
表1基质沥青性能指标
性能指标 规范要求
针入度25℃(0.1mm) 60～80
软化点(环球法)(℃) ≥46
动力粘度(Pa.s) ≥180
延度(5cm/min) ≥100
橡胶粉选用苏州中胶资源再生有限公司生产的40目橡胶粉。SBS选用中国石化型号YH-791H的热塑性丁苯橡胶。纳米ZnO由江苏某公司生产，粒径为30nm，纯度为99.8％。改性剂性能指标见表2和表3。
表2橡胶粉性能指标
Figure BDA0002579781200000041
Figure BDA0002579781200000051
表3 SBS性能指标
检测项目 检测结果
挥发分(≤％) 1
灰分(≤％) 0.2
300％拉伸应力(≥MPa) 2.0
扯断伸长率(≥％) 700
熔体流动速率(g/10min) 0.01～0.50
硬度(≥邵A) 68
粗集料采用坚硬、洁净、吸水率低、破碎粒形好的抗滑石料，具体指标要求见表4。
表4粗集料质量要求
Figure BDA0002579781200000052
细集料具有一定的棱角性，洁净、干燥、无风化、无杂质、不含泥土，其质量要求满足表5。
表5细集料质量要求
Figure BDA0002579781200000053
矿粉采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细加工得到，并且将原石料中的泥土杂质清除干净。矿粉技术指标见表6。
表6矿粉质量要求
Figure BDA0002579781200000061
根据大孔隙开级配排水式沥青磨耗层(本文简称OGFC)特性，为提高其路用性能及耐久性能，需要掺加纤维稳定剂。纤维稳定剂采用矿物纤维，掺加比例为沥青混合料总质量的0.3％。矿物纤维的技术指标要求见表7。
表7矿物纤维技术指标
试验项目 质量标准
纤维长度(mm) ≤6mm
纤维直径/(μm) ≤5μm
PH值 7.5±1.0
吸油率(％) 纤维质量的(3.0±1.0)
吸湿率(％) <1(以质量计)
2.高粘改性沥青的制备
高粘改性沥青的制备方法如下：
1)将70#基质沥青加热至135℃左右加入4.5％的SBS和4.0％纳米氧化锌(ZnO)，用高速剪切机剪切45min，转速为4500r/min，剪切时保持温度为190℃左右。
2)剪切完SBS再加入掺量为10％的橡胶粉，用低速搅拌机搅拌30min，搅拌速度为1500～2000r/min，搅拌温度保持在190℃左右。
3)搅拌结束放入180℃的烘箱里发育，发育时间为2h，试样制备完成。
在橡胶粉改性高粘沥青中各组分的质量百分比如下：SBS 4.5％、ZnO 4％、橡胶粉10％，除以上成分外，其余成分为基质沥青，各成分的总量之和为100％。
3.混合料生产配合比级配设计
本发明选用OGFC-13矿料的推荐配合比。OGFC-13矿料的推荐配合比(目标配合比设计)见表8。
表8推荐配合比
Figure BDA0002579781200000071
混合料的制备方法如下：
1)将集料加热至170～180℃，将本发明的高粘改性沥青加热至170～175℃；
2)将混合料拌和，拌和温度为175℃。
步骤2拌合过程中，在混合料中加入矿物纤维和矿粉，矿物纤维掺加比例为沥青混合料总质量的0.3％，矿粉的掺加比例为沥青混合料总质量的3％。
试件成型方法如下：集料加热温度为170～180℃，沥青加热温度170～175℃，混合料拌和温度175℃，试模预热温度100℃，击实温度165℃，击实次数为双面各50次。空隙率及毛体积相对密度的测试方法采用体积法(《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)T 0708-2000)。
混合料生产配合比级配设计如下。
根据工程经验，确定OGFC-13矿料级配试验的初试沥青用量为4.7％。
OGFC-13以4.75mm作为粗集料骨架的分界筛孔，在工程级配的范围内，调整矿料比例设计3组不同粗细的矿料级配，设计空隙率为18～25％的OGFC-13沥青混合料。
按照目标配合比设计的比例进料，经过烘干和二次筛分后，从各热料仓分别取样筛分，利用Excel程序计算各热料仓的材料比例，并尽可能使合成级配接近目标配合比的设计级配，而不是接近级配范围的中值，否则易产生溢料和等料现象，另外应根据原材料规格选择相匹配的热料仓筛孔尺寸以达到供料均衡。
初试级配各筛孔通过率见表9。
表9初试级配各筛孔通过率
Figure BDA0002579781200000072
Figure BDA0002579781200000081
图1为合成级配示意图。根据工程经验，选定级配1作为试验级配。
4.沥青用量设计
《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)对OGFC提出了表10的控制范围。
表10 OGFC沥青混合料技术要求
Figure BDA0002579781200000082
马歇尔稳定度试验方法依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)T 0709-2011。
沥青混合料谢伦堡析漏试验方法依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)T 0732-2011。
沥青混合料肯塔堡飞散试验方法依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)T 0733-2011。
沥青混合料车辙试验动稳定度测定方法依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)T 0719-2011。
沥青混合料冻融劈裂试验方法依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)T 0729-2000。
沥青用量设计如下：
1)OGFC沥青混合料的最佳沥青用量的确定不得采用马歇尔法，应采用析漏与飞散试验综合法。
2)以油石比或沥青用量为横坐标，以析漏、飞散指标为纵坐标，以试验结果做图，连成圆滑曲线。
3)以沥青析漏试验的拐点作为最大沥青用量(Pbmax)，以沥青混合料飞散试验的拐点作为最少沥青用量(Pbmin)，且所确定的沥青用量下混合料空隙率必须满足设计要求，析漏、飞散指标满足表10之规定，则最佳沥青用量(Pb)＝(Pbmax+Pbmin)/2。
图2为析漏损失曲线图。
图3为飞散损失曲线图。
如图2、图3所示，沥青析漏试验的拐点在沥青用量为6.2％处，确定沥青混合料中沥青不发生明显流淌时的最大沥青用量为6.2％，即沥青最大用量Pbmax＝6.2％。沥青混合料飞散损失的拐点在沥青用量为5.8％处，确定沥青混合料不发生严重松散时的最小沥青用量为5.6％，即沥青最小用量Pbmin＝5.8％，范围内各项指标均满足设计要求，故(Pb)＝(Pbmax+Pbmin)/2＝6％。
5.生产配合比最佳沥青用量验证
参考上述确定的目标配合比设计的最佳沥青用量，以0.5％为间隔，取五个沥青用量进行析漏、肯特堡飞散试验，并测定其空隙率大小，各项指标应满足表10的指标要求。
试验结果见表11。最佳沥青用量取6％，并且沥青用量为6％时测定的空隙率为18％符合排水路面空隙率要求。
表11生产配合比最佳沥青用量验证
沥青用量(％) 4.5 5 5.5 6 6.5
空隙率(％) 20.2 18.8 18.4 18 17.7
析漏损失率(％) 0.077 0.099 0.113 0.134 0.217
飞散损失率(％) 17.12 13.18 6.63 5.96 3.39
6.混合料生产性能验证
按照目标配合比设计的级配1的比例进料，制成排水路用用沥青混合料，测试其冻融、飞散和车辙性能是否满足排水用沥青道路规范。
试验结果见表12。
表12混合料生产性能验证
混合料性能 设计配合比 规范
高温车辙动稳定度 4242(次/mm) ≥3000
浸水飞散损失 4.2％ ≤15
冻融劈裂强度比 83.3％ ≥80％

Claims (10)

1.一种高粘改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
1)将基质沥青加热至135℃左右加入4.5％的热塑性丁苯橡胶和4％的纳米氧化锌，用高速剪切机剪切45min，剪切时保持温度在190℃左右；
2)剪切结束后，加入掺量为10％的橡胶粉，用低速搅拌机搅拌30min，搅拌温度保持在190℃左右；
3)搅拌结束后放入180℃的烘箱里发育，发育时间为2h。
2.根据权利要求1所述的高粘改性沥青的制备方法，其特征在于：所述基质沥青采用A级70#重交石油沥青。
3.根据权利要求1或2所述的高粘改性沥青的制备方法制备的高粘改性沥青。
4.一种橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的制备方法，包括以下步骤：
1)将集料加热至170～180℃，将权利要求3所述的高粘改性沥青加热至170～175℃；
2)将集料和高粘改性沥青拌和，拌和温度为175℃。
5.根据权利要求4所述的橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的制备方法，其特征在于：所述橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的高粘改性沥青用量为6％。
6.根据权利要求4所述的橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的制备方法，其特征在于：在步骤2中还掺加矿物纤维，所述矿物纤维掺加比例为沥青混合料总质量的0.1％～0.3％。
7.根据权利要求4至6中任一项中所述的制备方法制备的橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料。
8.根据权利要求7所述的橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料，其特征在于：所述橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料为OGFC-13沥青混合料。
9.根据权利要求7所述的橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料，其特征在于：所述橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料的空隙率为18～25％。
10.根据权利要求7至9中任一项中所述的橡胶粉改性高粘沥青排水路面混合料，其特征在于：混合料的动稳定度大于3000次/mm，冻融劈裂强度比大于75％，表面构造深度大于0.55mm。
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