CN112010587A - 纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：矿料100份、沥青6.5份、纳米石墨烯微片0.003份、纳米Y型酞菁氧钛0.0637份、纳米铁酸镍0.1188份、聚乙二醇0.0975份、橡胶粉1.17份、表面处理剂0.26份、增韧剂0.327份、增溶剂0.011份。本发明沥青混合料路用性能优良，增强重交沥青路面使用寿命，使其在整个服务周期内保持良好的高低温性能和疲劳性能。本发明公开了纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料的制备方法，该方法改善橡胶粉改性沥青的存储稳定度，缓解黑色污染的同时，降低了施工难度与施工成本，具有较好的经济效益和社会效益。

Description

纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料及其制备方法
技术领域
本发明涉及道路工程材料技术领域，具体涉及一种复合材料改性沥青混合料及其制备方法。
背景技术
随着我国汽车保有量迅猛发展，沥青道路面对的超载现象日益严重，基质沥青难以解决路面长时间的疲劳寿命问题。目前，国内已有改性沥青中应用最广泛的是SBS改性沥青，其较基质沥青的拥有优异的高低温稳定性；但与SBS改性沥青比较，橡胶粉改性沥青拥有更好的高低温以及抗疲劳性能，采用橡胶粉改性沥青混合料铺筑路面，具有减少交通噪音，增加路面抗滑性和其它优点。
而在实际施工过程中橡胶粉与沥青的存储稳定性较差，极易出现离析问题，施工难度大且影响橡胶粉改性沥青的实际经济发展以及应用；因此，开发新型的复合改性沥青混合料，使其扬长补短，实现低成本、环保、高品质、长寿命的道路沥青材料，对我国交通领域创新发展具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料及其制备方法，旨在增强重交沥青路面使用寿命，使其在整个服务周期内保持良好的高低温性能和疲劳性能的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：
矿料90～110份、沥青5.85～7.15份、纳米石墨烯微片0.002～0.010份、纳米Y型酞菁氧钛0.0514～0.0759份、纳米铁酸镍0.0891～0.1485份、聚乙二醇0.0756～0.1123份、橡胶粉0.5～1.5份、表面处理剂0.1～0.5份、增韧剂0.12～0.50份、增溶剂0.004～0.020份。
优选的，该纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料由下列重量份的原料制成：矿料95～105份、沥青6～7份、纳米石墨烯微片0.003～0.006份、纳米Y型酞菁氧钛0.0573～0.0790份、纳米铁酸镍0.1069～0.1307份、聚乙二醇0.0813～0.1029份、橡胶粉0.8～1.2份、表面处理剂0.2～0.4份、增韧剂0.16～0.44份、增溶剂0.006～0.019份。
进一步优选的，该纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料由下列重量份的原料制成：
矿料100份、沥青6.5份、纳米石墨烯微片0.003份、纳米Y型酞菁氧钛0.0637份、纳米铁酸镍0.1188份、聚乙二醇0.0975份、橡胶粉1.17份、表面处理剂0.26份、增韧剂0.327份、增溶剂0.011份。
优选的，所述表面处理剂为聚四氟乙烯表面处理剂。
优选的，所述增韧剂为苯二甲酸酯类。
优选的，所述增溶剂为聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯。
优选的，所述沥青为道路石油沥青、煤沥青、硅藻土改性沥青、PE改性沥青、SBR改性沥青或纤维类改性沥青。
所述矿料的级配类型为AC-13型、AC-16型、SMA-13型或OGFC-13型。
所述矿料由粗集料、细集料和矿粉组成。
本发明还涉及该纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料的制备方法，包括下列步骤：
（1）制备改性剂：按照上述原料配比选取备料；
将纳米石墨烯微片、纳米Y型酞菁氧钛、纳米铁酸镍、聚乙二醇和表面处理剂以0.02～0.04:0.610～0.650:1.10～1.25：0.90～1.00:2.2～3.0的质量比均匀混合，得纳米复合材料分散液；
再将纳米复合材料分散液、增溶剂、橡胶粉以0.002～0.004:0.010～0.015：1.10～1.20的质量比均匀混合，得复合改性剂；
（2）改性沥青制备：将基础沥青加热熔融，再将增韧剂和步骤（1）中所得复合改性剂加入到熔融后的基础沥青中，搅拌均匀并升温至180℃～200℃后进行剪切处理，冷却后得改性沥青；
（3）混合料制备：将加热至175℃～180℃的矿料和步骤（2）所得复合改性沥青均匀混合，即成。
优选的，在所述步骤（1）中，先将纳米石墨烯微片、纳米Y型酞菁氧钛、纳米铁酸镍、聚乙二醇与表面处理剂进行机械搅拌混合，再用高速剪切机于60℃下剪切分散25～35min，冷却得纳米复合分散液；
将少量增溶剂加入纳米复合分散液和橡胶粉中，采用高速剪切机剪切1～1.5h，最后置于干燥箱中干燥中静置，以便除去气泡后得复合改性剂。
优选的，在所述步骤（2）中，剪切处理过程为：
先以2000～3000rpm的低速剪切15～20min后，再以6000～7000rpm的高速剪切30～45min。
与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：
1. 本发明改性沥青混合料环保无毒无腐蚀，路用性能优良，可增强重交沥青路面使用寿命，使其在整个服务周期内保持良好的高低温性能和疲劳性能，对延长沥青路面使用寿命具有重大意义。
2. 原料来源广泛，成本低廉，尤其是可利用废轮胎作为橡胶原料，实现废物回收利用；废旧轮胎属于危险固体废弃物，常温下不能进行降解，势必形成一个黑色污染，危害地球生态经济环境，而将其作为橡胶粉的原料，为处理废旧轮胎增加了一个重要的方式，也大大缓解了目前我国废旧轮胎处理的工作压力，减少了黑色污染，改善了生态经济环境。
3. 本发明改性沥青混合料加入增溶剂聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯，通过联接有机与有机、无机与有机，使纳米石墨烯微片、纳米Y型酞菁氧钛、纳米铁酸镍、聚乙二醇、橡胶粉材料、聚四氟乙烯表面处理剂、苯二甲酸酯类与沥青在混合时通过相溶作用在沥青混合料内部联结形成网状联接结构，从而加强了沥青混合料的力学性能和稳定性，进而提高其低温性能和水稳定性能；同时加入纳米石墨烯微片、橡胶粉能够显著提高沥青混合料的高温性能和疲劳性能。
4. 本发明复合改性沥青混合料加入纳米石墨烯微片（直径与厚度的比值较大，其中片层堆积体厚度的为纳米级别，但其径向宽度尺寸为数个到数十个微米级别，故有很大的形状比）改善了混合料的耐高温和耐腐蚀性，可使该混合料所构筑的路面在高温条件下，其内部自上而下温度降低；在温差和石墨烯微片的引导下热能向路面内部纳米石墨烯微片处移动，纳米材料吸热产生电荷，可对路面进行降温，且低温条件下，纳米石墨烯微片可吸收沥青路面内部游离的电荷起到储热的效果；而纳米Y型酞菁氧钛可使电荷分散移动；纳米铁酸镍具有热稳定性好的特点，各纳米复合材料配合作用可改善沥青路面的稳定性。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的原料如无特别说明，均为市售常规工业原料。
实施例1：一种纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：
SMA-13型矿料100份、煤沥青5.95份、纳米石墨烯微片0.002份、纳米Y型酞菁氧钛0.0619份、纳米铁酸镍0.0902份、聚乙二醇0.0757份、橡胶粉1.01份，表面处理剂0.11份、增韧剂0.22份、增溶剂（聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯）0.005份。
实施例2：一种纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：
SMA-13型矿料100份、石油沥青6.0份、纳米石墨烯微片 0.003份、纳米Y型酞菁氧钛0.0593份、纳米铁酸镍0.0899份、聚乙二醇0.0815份、橡胶粉1.07份、表面处理剂0.16份、增韧剂0.29份、增溶剂（聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯）0.009份。
实施例3：一种纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：
SMA-13型矿料100份、硅藻土改性沥青6.3份、纳米石墨烯微片 0.004份、纳米Y型酞菁氧钛0.0721份、纳米铁酸镍0.1008份、聚乙二醇0.0895份、橡胶粉0.8份、表面处理剂0.21份、增韧剂0.20份、增溶剂（聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯）0.011份。
实施例4：一种纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：
SMA-13型矿料100份、硅藻土改性沥青6.6份、纳米石墨烯微片 0.006份、纳米Y型酞菁氧钛0.0925份、纳米铁酸镍0.1058份、聚乙二醇0.1005份、橡胶粉0.9份、表面处理剂0.18份、增韧剂0.24份、增溶剂（聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯）0.014份。
实施例5：一种纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：
SMA-13型矿料100份、PE改性沥青7.0份、纳米石墨烯微片 0.008份、纳米Y型酞菁氧钛0.0699份、纳米铁酸镍0.1102份、聚乙二醇0.1016份、橡胶粉0.86份、表面处理剂0.32份、增韧剂0.30份、增溶剂（聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯）0.007份。
实施例6：一种纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：
SMA-13型矿料100份、纤维改性沥青6.9份、纳米石墨烯微片0.007份、纳米Y型酞菁氧钛0.0661份、纳米铁酸镍0.1146份、聚乙二醇0.0956份、橡胶粉1.23份、表面处理剂0.31份、增韧剂0.42份、增溶剂（聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯）0.008份。
实施例7：一种纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料，由下列重量份的原料制成：
SMA-13型矿料100份、SBR改性沥青6.72份、纳米石墨烯微片0.005份、纳米Y型酞菁氧钛0.0636份、纳米铁酸镍0.1168份、聚乙二醇0.0863份、橡胶粉1.42份、表面处理剂0.40份、增韧剂0.327份、增溶剂（聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯）0.010份。
对比例1：一种橡胶粉改性沥青混合料，以重量份数计，由以下原料制成：
SMA-13型矿料100份，道路石油沥青6.3份。
以上各实施例中的纳米复合材料与橡胶粉改性沥青混合料的制备方法包括下列步骤：
分别按照实施例1-7中所述重量份数选取原料。
（1）制备改性剂：
按0.03:0.637:1.19：0.98:2.6的质量比配置纳米石墨烯微片、纳米Y型酞菁氧钛、纳米铁酸镍、聚乙二醇和表面处理剂，先将石墨烯微片、纳米Y型酞菁氧钛、纳米铁酸镍、聚乙二醇与表面处理剂进行机械搅拌混合于 60℃下高速剪切机进行剪切分散30min，冷却后得到纳米复合材料分散液；
再按0.003:0.011：1.17的质量比配置纳米复合材料分散液、增溶剂、橡胶粉，将少量增溶剂加入纳米复合分散液和橡胶粉中，采用高速剪切机剪切1～1.5h，最后置于干燥箱中干燥中静置，以便除去气泡后得复合改性剂；
（2）制备复合改性沥青：将基础沥青在温度为160℃～170℃的条件下加热熔融，再将增韧剂和步骤（1）中所得复合改性剂加入到熔融后的基础沥青中，搅拌均匀后升温至180℃～200℃；然后采用高速剪切机对升温后的基础沥青进行剪切处理，再经自然冷却后得复合改性沥青；
先在剪切速率为1000～2000rpm的条件下低速剪切10～15min，再在剪切速率为5000～8000rpm的条件下高速剪切40～50min。
（3）制备沥青混合料：将加热至180℃～190℃的矿料和步骤（2）所得的纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青按照常规方法混合搅拌均匀，即可得到改性沥青混合料。
对实施例1-7中所记载的纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料进行路用性能试验，试验项目包括车辙试验、低温小梁弯曲试验(-10℃)、冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验和疲劳试验，用以测试本发明纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料的路用性能，并与不添加纳米复合材料的橡胶粉改性沥青混合料进行对比分析，试验结果见下表1。
表1实施例1-7中纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料的路用性能试验数据
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。
从表1可知，本发明纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料满足交通部部颁标准JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的相关要求，其高温性能、低温性能、水稳定性能和疲劳性能等指标明显高于普通沥青混合料，表明本发明沥青混合料的路用性能优越。
上面结合实施例对本发明作了详细的说明；但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明技术构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是相关技术特征的等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (10)

1.一种纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料，其特征在于，由下列重量份的原料制成：
矿料90～110份、沥青5.85～7.15份、纳米石墨烯微片0.002～0.010份、纳米Y型酞菁氧钛0.0514～0.0759份、纳米铁酸镍0.0891～0.1485份、聚乙二醇0.0756～0.1123份、橡胶粉0.5～1.5份、表面处理剂0.1～0.5份、增韧剂0.12～0.50份、增溶剂0.004～0.020份。
2.根据权利要求1所述纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料，其特征在于，由下列重量份的原料制成：
矿料95～105份、沥青6～7份、纳米石墨烯微片0.003～0.006份、纳米Y型酞菁氧钛0.0573～0.0790份、纳米铁酸镍0.1069～0.1307份、聚乙二醇0.0813～0.1029份、橡胶粉0.8～1.2份、表面处理剂0.2～0.4份、增韧剂0.16～0.44份、增溶剂0.006～0.019份。
3.根据权利要求1所述纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料，其特征在于，由下列重量份的原料制成：
矿料100份、沥青6.5份、纳米石墨烯微片0.003份、纳米Y型酞菁氧钛0.0637份、纳米铁酸镍0.1188份、聚乙二醇0.0975份、橡胶粉1.17份、表面处理剂0.26份、增韧剂0.327份、增溶剂0.011份。
4.根据权利要求1、2或3所述纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料，其特征在于，所述表面处理剂为聚四氟乙烯表面处理剂。
5.根据权利要求1、2或3所述纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料，其特征在于，所述增韧剂为苯二甲酸酯类。
6.根据权利要求1、2或3所述纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料，其特征在于，所述增溶剂为聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯。
7.根据权利要求1、2或3所述纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料，其特征在于，所述沥青为道路石油沥青、煤沥青、硅藻土改性沥青、PE改性沥青、SBR改性沥青或纤维类改性沥青。
8.权利要求1所述纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）复合改性剂制备：按照权利要求1中所述配比配置原料；
将纳米石墨烯微片、纳米Y型酞菁氧钛、纳米铁酸镍、聚乙二醇和表面处理剂以0.02～0.04:0.610～0.650:1.10～1.25：0.90～1.00:2.2～3.0的质量比均匀混合，得纳米复合材料分散液；
再将纳米复合材料分散液、增溶剂、橡胶粉以0.002～0.004:0.010～0.015：1.10～1.20的质量比均匀混合，得复合改性剂；
（2）改性沥青制备：将基础沥青加热熔融，再将增韧剂和步骤（1）中所得复合改性剂加入到熔融后的基础沥青中，搅拌均匀并升温至180℃～200℃后进行剪切处理，冷却后得改性沥青；
（3）混合料制备：将加热至175℃～180℃的矿料和步骤（2）所得复合改性沥青均匀混合，即成。
9.根据权利要求8所述纳米复合材料与橡胶粉复合改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，先将纳米石墨烯微片、纳米Y型酞菁氧钛、纳米铁酸镍、聚乙二醇与表面处理剂进行机械搅拌混合，再用高速剪切机于60℃下剪切分散25～35min，冷却得纳米复合分散液；
将少量增溶剂加入纳米复合分散液和橡胶粉中，采用高速剪切机剪切1～1.5h，最后置于干燥箱中干燥中静置，以便除去气泡后得复合改性剂。
10.根据权利要求8所述纳米复合材料橡胶粉复合改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，剪切处理过程为：
先以2000～3000rpm的低速剪切15～20min后，再以6000～7000rpm的高速剪切30～45min。
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