CN112299755B - 一种水泥混凝土桥面用改性沥青混合料 - Google Patents

Abstract

本发明属于道路工程材料技术领域，具体涉及一种水泥混凝土桥面用改性沥青混合料。本发明提供的改性沥青混合料包括集料、基质沥青、SBS、酚醛树脂、硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂和乳化剂，酚醛树脂含有羟基氢，硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂含有羟基氢和酮基，硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂的酮基可与自身羟基氢及酚醛树脂羟基氢形成稳定氢键，提高改性沥青混合料之间的粘结强度，改善桥面力学性能；硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂与SBS形成超支化网状结构，在乳化剂作用下提高SBS与基质沥青的相容性，促使SBS继续发挥提高软化点作用，提高桥面耐高温性能，有效避免桥面早期病害。

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Description

一种水泥混凝土桥面用改性沥青混合料

技术领域

本发明属于道路工程材料技术领域，具体涉及一种水泥混凝土桥面用改性沥青混合料。

背景技术

随着高速公路的快速发展，高速公路桥梁建造技术也得到不断地创新。桥梁作为悬空结构，其桥面铺装层相对于普通路面铺装层更容易出现早期病害，有调查发现，在炎热的夏季，钢桥面板的温度要比气温高25～35℃，车辙发生的可能性要高于普通路面；桥面对低温和温度的升降循环更为敏感，所以更容易出现各种形式的裂缝。

新材料的应用是解决桥面早期病害的重要突破口之一，沥青作为一种有机凝胶材料，由于具备独特的粘结能力、较好的变形能力而广泛应用于桥面铺装等工程，但沥青路面在建成后服役过程中将受到诸多因素影响，从而导致沥青的使用性能下降。引起沥青路面产生病害的外界因素主要有热、氧和水等；其中，氧环境和水环境这两方面的影响因素引起的病害可以得到很好的控制，而热环境对沥青路面的影响一时难以解决。

为解决该技术难题，目前主要是通过加入改性剂如SBS提高沥青的软化点来改善耐高温性能，其改性机理是SBS与沥青中胶质、沥青质等大分子之间发生交联反应，使得沥青分子链长增大，进而表现为软化点升高，但SBS和沥青的相容性较差，容易造成混合不均，难以很好地发挥其提高软化点作用，并且加入SBS后易导致沥青的粘结强度变弱，进而降低了桥面的抗压和抗折强度，并使沥青桥面失去原本较好的抗氧能力和耐水能力。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有的桥面用沥青混合料中SBS与沥青相容性差从而导致SBS不能有效发挥提高软化点作用并降低桥面抗压和抗折强度以及抗氧能力、耐水能力的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，包括以下重量份的原料：

所述硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂具有如式(Ⅰ)所示结构的单体：

其中，x和y是10～300之间的整数，n是100～100000之间的整数。

优选地，该水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，所述集料由以下质量百分比的原料组成：

其余为粒径为2.36～4.75mm的碎石。

优选地，该水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，所述基质沥青选自70号基质沥青、90号基质沥青中的至少一种。

优选地，该水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，所述酚醛树脂的数均分子量为15000～20000g/mol。

优选地，该水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，还包括硅烷类疏水剂0.5～1.5重量份。

进一步优选地，该水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，所述硅烷类疏水剂选自十八烷基三甲基氧硅烷、十八烷基三氯硅烷、十六烷基三乙氧基硅烷、十七氟烷基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷中的至少一种。

优选地，该水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，所述乳化剂选自N-丁基苯胺、二异丙醇胺、邻苯二甲酰亚胺中的至少一种。

优选地，该水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，还包括矿物纤维1～3重量份。

进一步优选地，该水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，所述矿物纤维由以下质量百分比的原料组成：

其余为坡缕石纤维。

进一步优选地，该水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，所述矿物纤维的长度为2～4mm，直径为5～15μm。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，包括集料、基质沥青、SBS、酚醛树脂、硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂和乳化剂。

酚醛树脂和硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂在与基质沥青混溶时，酚醛树脂含有羟基氢，硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂含有羟基氢和酮基，硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂所含的酮基可与自身的羟基氢以及酚醛树脂的羟基氢形成稳定氢键，从而提高了该改性沥青混合料之间的粘结强度，使得由该改性沥青混合料所铺装的桥面力学性能得到提升，其抗压强度和抗折强度均显著增强；同时，硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂与SBS形成超支化网状结构，并在乳化剂作用下提高了SBS与基质沥青的相容性，促使SBS继续发挥提高软化点作用，提高了桥面的耐高温性能，从而使得桥面较高的力学性能得到继续维持，继而使得桥面的抗氧能力和耐水能力得到继续维持，可有效避免桥面早期病害。

2.本发明提供的水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，集料采用特定配比的特细砂、细砂、中砂、粗砂和碎石，与基质沥青、SBS等原料混合，提高了桥面结构层的力学性能以及桥面表面的抗滑磨性能。

3.本发明提供的水泥混凝土桥面用改性沥青混合料还含有硅烷类疏水剂，硅烷类疏水剂具有良好的疏水性，可显著提高桥面的防水性能，同时硅烷类疏水剂还可与酚醛树脂、硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂混溶，有助于进一步增强各原料之间的粘结强度。

4.本发明提供的水泥混凝土桥面用改性沥青混合料还含有矿物纤维，矿物纤维与基质沥青具有更好的亲和力，可显著提高桥面的抗滑磨性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例6提供的硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂的红外谱图；

图2为本发明实施例6提供的硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂的热失重图。

具体实施方式

为了便于理解本发明的目的、技术方案和要点，下面将对本发明的实施方式作进一步详细描述。本发明可以多种不同的形式实施，而不应该被理解为仅限于在此阐述的实施例。相反，提供此实施例，使得本发明将是彻底的和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。

如无特别说明，本发明实施例中采用的原料均为市购。

实施例1

本实施例提供的一种水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，包括以下重量份的原料：

上述集料由以下质量百分比的原料组成：特细砂7.5wt％、细砂12.5wt％、中砂20wt％、粗砂25wt％、碎石35wt％，其中，碎石选自玄武岩、辉绿岩、闪长岩，粒径范围为2.36～4.75mm。

上述基质沥青选用70号基质沥青。

上述SBS选用线性SBS，S与B嵌段比为4.5:5.5。

上述酚醛树脂的数均分子量为17000～18000g/mol。

上述硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂具有如式(Ⅰ)所示结构的单体：

其中，x和y是100～200之间的整数，n是50000～60000之间的整数。

上述乳化剂选用N-丁基苯胺。

上述硅烷类疏水剂选用十八烷基三甲基氧硅烷。

上述矿物纤维由以下质量百分比的原料组成：硅酸铝纤维45wt％、硫酸钙纤维10wt％、玄武岩纤维17.5wt％、蛭石纤维7.5wt％、碳纤维4wt％、坡缕石纤维16wt％，每种纤维长度为2.5～3.5mm，直径为7.5～12.5μm。

实施例2

本实施例提供的一种水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，包括以下重量份的原料：

上述集料由以下质量百分比的原料组成：特细砂10wt％、细砂15wt％、中砂15wt％、粗砂30wt％、碎石30wt％，其中，碎石选自玄武岩、辉绿岩、闪长岩，粒径范围为2.36～4.75mm。

上述基质沥青选用90号基质沥青。

上述SBS选用线性SBS，S与B嵌段比为5.5:4.5。

上述酚醛树脂的数均分子量为15000～16000g/mol。

上述硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂具有如式(Ⅰ)所示结构的单体：

其中，x和y是10～50之间的整数，n是90000～100000之间的整数。

上述乳化剂选用邻苯二甲酰亚胺。

上述硅烷类疏水剂选用十六烷基三乙氧基硅烷和十三氟辛基三乙氧基硅烷混合，其质量比为1:1。

上述矿物纤维由以下质量百分比的原料组成：硅酸铝纤维40wt％、硫酸钙纤维8wt％、玄武岩纤维20wt％、蛭石纤维10wt％、碳纤维3wt％、坡缕石纤维19wt％，每种纤维长度为2～3mm，直径为10～15μm。

实施例3

本实施例提供的一种水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，包括以下重量份的原料：

上述集料由以下质量百分比的原料组成：特细砂5wt％、细砂10wt％、中砂25wt％、粗砂20wt％、碎石40wt％，其中，碎石选自玄武岩、辉绿岩、闪长岩，粒径范围为2.36～4.75mm。

上述基质沥青选用70号基质沥青和90号基质沥青混合，其质量比为1:1。

上述SBS选用线性SBS，S与B嵌段比为5.0:5.0。

上述酚醛树脂的数均分子量为19000～20000g/mol。

上述硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂具有如式(Ⅰ)所示结构的单体：

其中，x和y是250～300之间的整数，n是100～10000之间的整数。

上述乳化剂选用N-丁基苯胺、二异丙醇胺和邻苯二甲酰亚胺混合，其质量比为1:1:1。

上述硅烷类疏水剂选用十八烷基三氯硅烷和十七氟烷基三甲氧基硅烷混合，其质量比为1:1。

上述矿物纤维由以下质量百分比的原料组成：硅酸铝纤维50wt％、硫酸钙纤维12wt％、玄武岩纤维15wt％、蛭石纤维5wt％、碳纤维5wt％、坡缕石纤维13wt％，每种纤维长度为3～4mm，直径为5～10μm。

实施例4

本实施例提供的一种水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，与实施例1所不同的是，不含矿物纤维。

实施例5

本实施例提供的一种水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，与实施例1所不同的是，不含硅烷类疏水剂。

实施例6

本实施例提供实施例1-5中硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂的制备方法，包括以下制备步骤：

(1)将2,4-戊二烯醛0.1mol溶于乙醇150ml中，加热至40℃搅拌溶解，缓慢滴加6N盐酸，调节反应体系pH值为1，降温至10℃，滴加浓度为0.5mol/L的二巯丙醇乙醇溶液220ml，升温至40℃保温搅拌反应3小时，将反应体系减压蒸馏得到如式(Ⅰ-3)所示的醇代二硫化戊二烯；

(2)将步骤(1)得到的醇代二硫化戊二烯与2-甲基-3-丁烯酸乙酯、双甲基丙烯酸乙二醇酯、致孔剂乙酸乙酯、引发剂AIBN按照摩尔比(100～200):(100～200):1:0.02:0.01在氮气保护下进行悬浮聚合，80℃反应3小时，90℃反应3小时，得到球状物，过滤，并用去离子水洗涤，异丙醇抽提，干燥，得到具有如式(Ⅰ)所示单体结构的硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂。

本实施例制备得到的硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂的红外图谱如图1所示，图中3510cm^-1附近为醇代二硫化戊二烯上的O-H伸缩振动吸收峰，2600～3050cm^-1范围内吸收峰属于饱和C-H伸缩振动峰，1750cm^-1附近为酯键上的C＝O伸缩振动峰。

本实施例制备得到的硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂热失重分析如图2所示，热分解温度在300℃以上，有着较好的热稳定性。

对比例1

本对比例提供的改性沥青路面混合料，与实施例1不同的是，不含乳化剂。

对比例2

本对比例提供的改性沥青路面混合料，与实施例1不同的是，不含硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂。

对比例3

本对比例提供的改性沥青路面混合料，与实施例1不同的是，不含硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂和乳化剂。

对比例4

本对比例提供的改性沥青路面混合料，与实施例1不同的是，不含SBS。

测试例1

将实施例1-5、对比例1-3提供的水泥混凝土桥面用改性沥青混合料倒入相同的模具中，常温下固化养护28天，按照T0606-2000方法测定不同位点的软化点。

表1实施例1-5、对比例1-3提供的改性沥青路面混合料软化点

由表1可知，在改性沥青混合料中，SBS能不能很好地发挥其提高软化点作用是与硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂、乳化剂有关。

根据实施例1-5、对比例1-2数据得出，当缺少硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂、乳化剂其中任一种均可导致改性沥青混合料软化点降低，由此可见，在改性沥青混合料中，硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂、乳化剂均有助于提高软化点或者有助于促使其它成分(如SBS)发挥提高软化点作用。

根据对比例1-4数据得出，对比例4含有硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂、乳化剂，但不含SBS，其软化点也明显下降，这说明，在改性沥青混合料中，硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂、乳化剂是有助于改善SBS在基质沥青中相容性从而起到提高软化点作用，硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂、乳化剂不能直接提高软化点。

根据对比例3数据得出，在不含硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂、乳化剂情况下，不同位点的软化点差别较大，换言之，SBS在改性沥青混合料中分散不均匀，这说明，硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂、乳化剂是有助于提高SBS在基质沥青中分散的均匀性，促进其更好地发挥提高软化点作用。

测试例2

将实施例1-5、对比例1-4提供的改性沥青混合料与其它常规基料倒入相同的模具中，常温下固化养护28天，测定力学强度。

表2实施例1-5、对比例4提供的改性沥青混合料制备的路面力学强度

由表2可知，相比于对比例1-4，实施例1-5采用硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂、乳化剂配合，使得SBS提高软化点作用更好发挥，由此改性沥青混合料所制备形成的桥面的针入度更低，高温稳定性更好。

相比于实施例5，实施例1-4优选加入硅烷类疏水剂，由此改性沥青混合料所制备形成的桥面的具有较好的水稳定性能更好，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中水稳定性MS大于80％的要求和TSR大于75％的耐久性的要求。

相比于实施例4，实时例1-3和5优选加入矿物纤维，由此改性沥青混合料所制备形成的桥面的具有较好的BPN系数值更高，这说明，矿物纤维有助于提高桥面的抗滑磨性能，满足《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2006)中BPN系数大于55的要求。

硅烷类疏水剂与酚醛树脂、硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂混溶以及硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂与SBS形成超支化网状结构，均有助于进一步增强各原料之间的粘结强度、抗压强度和抗折强度，当缺少SBS、酚醛树脂、硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂和硅烷类疏水剂其中任一种均可导致桥面的粘结强度、抗压强度和抗折强度降低。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，其特征在于，包括以下重量份的原料：

其中，所述酚醛树脂的数均分子量为15000～20000g/mol；

所述硫化改性的聚甲基丙烯酸乙二醇酯树脂具有如式(Ⅰ)所示结构的单体：

其中，x和y是10～300之间的整数，n是100～100000之间的整数。

2.根据权利要求1所述的水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，其特征在于，所述集料由以下质量百分比的原料组成：

其余为粒径为2.36～4.75mm的碎石。

3.根据权利要求1或2所述的水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，其特征在于，所述基质沥青选自70号基质沥青、90号基质沥青中的至少一种。

4.根据权利要求1或2所述的水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，其特征在于，还包括硅烷类疏水剂0.5～1.5重量份。

5.根据权利要求4所述的水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，其特征在于，所述硅烷类疏水剂选自十八烷基三甲基氧硅烷、十八烷基三氯硅烷、十六烷基三乙氧基硅烷、十七氟烷基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷中的至少一种。

6.根据权利要求1或2所述的水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，其特征在于，所述乳化剂选自N-丁基苯胺、二异丙醇胺、邻苯二甲酰亚胺中的至少一种。

7.根据权利要求1或2所述的水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，其特征在于，还包括矿物纤维1～3重量份。

8.根据权利要求7所述的水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，其特征在于，所述矿物纤维由以下质量百分比的原料组成：

其余为坡缕石纤维。

9.根据权利要求8所述的水泥混凝土桥面用改性沥青混合料，其特征在于，所述矿物纤维的长度为2～4mm，直径为5～15μm。

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