CN112374805A - 一种碳纤维橡胶改性沥青混合料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维橡胶改性沥青混合料及其制备方法，涉及沥青材料技术领域，解决了现有技术中大掺量胶粉改性沥青混合料动态模量较低的问题。本发明的碳纤维橡胶改性沥青混合料，包括橡胶改性沥青、矿料以及碳纤维，所述的橡胶改性沥青与矿料质量比的百分数为4.6％～5.6％，所述的碳纤维占混合料总质量的0.1～0.3％。本发明提供的技术方案有效地提升了大掺量胶粉改性沥青混合料的刚性，提高了大掺量胶粉改性沥青混合料的动态模量，改善了路面结构的匹配性和稳定性。

Description

一种碳纤维橡胶改性沥青混合料及其制备方法

技术领域

本发明涉及沥青材料技术领域，尤其涉及一种碳纤维橡胶改性沥青混合料及其制备方法。

背景技术

废旧轮胎是一种需要占用大量环境空间的工业有害固体废弃物。由于橡胶轮胎本身不易降解、不易分裂的化学特性，无论采用堆放、填埋还是焚烧的方法处理都将带来新的污染，加之每年产生的废旧轮胎量在逐年增长，如何有效解决日益突出的废旧轮胎环保困挠问题，己经引起了世界各国的高度重视。

可持续发展是我国的基本国策，从节约资源的角度出发，将废旧轮胎生产成废旧橡胶粉作为道路沥青改性剂，在公路建设中充分加以利用将是国际公认的无害化、资源化处理的最好方法之一。橡胶改性沥青是一种耐久型的路用材料，在全面提高路面性能的同时，也为我国日益严重的废弃轮胎环保问题，提供了可持续的解决方案。

常规橡胶改性沥青技术虽然能在一定程度上改善沥青的路用性能，但却存在着高温加工容易老化、高温存储稳定性差、容易离析沉淀造成质量不稳定等缺点。此外，常规橡胶改性沥青胶粉利用率低，一般胶粉的最大掺量在20％左右，不能更大程度对废胶粉合理利用。随着全降解、微波活化、双螺杆等胶粉预处理工艺的出现，胶粉与沥青的相容性大大提升，胶粉掺量提升至30％以上，出现了所谓的大掺量橡胶改性沥青。

大掺量橡胶改性沥青混合料，具有优越的抗老化、抗疲劳特性，可有效遏制反射裂缝和疲劳裂缝的产生与扩展；具有优秀的抗车辙能力，可承受重载交通的侵害；具有优秀的抗低温开裂能力，可应用于寒区道路铺筑。但是，由于胶粉在降解预处理过程中，化学键全部或部分断裂，丧失了抵抗强力，因此大掺量橡胶改性沥青混合料的动态模量普遍较低，达不到目前沥青路面设计规范要求水平，给路面材料和结构设计带来了困扰，也为路面长期服役埋下了隐患。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种碳纤维橡胶改性沥青混合料及其制备方法，用以解决现有技术中大掺量胶粉改性沥青混合料动态模量较低的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术申请实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种碳纤维橡胶改性沥青混合料，包括橡胶改性沥青、矿料以及碳纤维，所述的橡胶改性沥青与矿料质量比的百分数为4.6％～5.6％，所述的碳纤维占混合料总质量的0.1～0.3％。

进一步地，橡胶改性沥青为胶粉质量份数在30份以上的橡胶改性沥青。

为了与常规橡胶改性沥青区分，一般胶粉质量份数在30份以上的橡胶改性沥青才称之为大掺量橡胶改性沥青，一般采用胶粉预处理技术。

进一步地，橡胶改性沥青采用的胶粉目数为20～40目。

胶粉的价格与胶粉的细度呈正比，细度越大，价格越高，采用20～40目胶粉可以在满足改性要求的前提下，有效降低成本。

进一步地，碳纤维橡胶改性沥青混合料所用矿料，包括石料与矿粉。

进一步地，碳纤维橡胶改性沥青混合料所用碳纤维，为废弃碳纤维制品破碎研磨得到的针状纤维，纤维长度为3-9mm。

采用废弃碳纤维制品破碎研磨得到的纤维，既可以变废为宝，又可以降低成本。为了保证纤维的良好分散性，纤维长度不宜过大，但由于碳纤维强度与韧性都很强，加工长度越短，成本越高，因此定为3-9mm。

第二方面，本发明实施例提供了一种碳纤维橡胶改性沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、向拌和锅中加入石料，干拌时间不小于60s；

步骤2、向拌和锅中加入碳纤维，搅拌分散时间不小于90s；

步骤3、向拌和锅中加入橡胶改性沥青，搅拌时间不小于90s；

步骤4、向拌和锅加入矿粉，搅拌时间不小于60s，搅拌完成后出料。

一种碳纤维橡胶改性沥青混合料的制备方法，所述步骤1中，拌和锅的加热温度为185～190℃。

进一步地，所述步骤3中，所加入橡胶改性沥青的温度为180～185℃。橡胶改性沥青的加热温度不宜过低，温度不足会影响沥青的流动性，对混合料拌和的均匀性有很大影响，因此橡胶改性沥青的温度定为180～185℃。

进一步地，所述步骤4中，沥青混合料的出料温度为180～185℃。

进一步地，所述方法还包括：将废弃碳纤维制品破碎、研磨，得到针状的碳纤维。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本申请的碳纤维橡胶改性沥青混合料，借助碳纤维强度高、分散性好、吸油率低的特性，有效提升了大掺量胶粉改性沥青混合料的刚性，提高了大掺量胶粉改性沥青混合料的动态模量，改善了路面结构的匹配性和稳定性。同时还解决了大掺量橡胶改性沥青混合料虽然具有优异的高低温性能，但很难被接受的问题。

(2)本申请的碳纤维橡胶改性沥青混合料，所用碳纤维为废弃碳纤维制品破碎研磨得到的针状纤维，为废弃碳纤维制品提供了变废为宝，高值化再利用的新途径。

(3)本申请的碳纤维橡胶改性沥青混合料制备方法步骤简单明确，在提高混合料性能的同时，没有额外增加工艺成本，经济效益显著。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的技术申请进行详细的说明。

为了与常规橡胶改性沥青区分，一般胶粉质量份数在30份以上的橡胶改性沥青才称之为大掺量橡胶改性沥青。因此，在本发明实施例中，大掺量橡胶改性沥青混合料的含义是：以质量份计，在混合料中加入大掺量橡胶改性沥青，即加入胶粉质量份数不小于30的橡胶改性沥青。

沥青混合料的状况既像一个弹性固体又像一个黏性液体，同时具有弹性和黏性两种特性。因此沥青混合料是一种较为典型的黏弹性体，而描述材料黏弹性性质的基本参数包括动态模量、蠕变柔量和松弛模量等。这些参数不仅可以用来描述材料的线性黏弹性特性，还可以用来描述材料的非线性黏弹特性和破坏特性。事实上这三个参数都反映了材料的基本蠕变和松弛特性，而动态模量在试验中测试则比较容易实现，并且其试验精度能得到较好地控制，因此在国家标准中将动态模量作为考察沥青混合料的标准。以SBS改性沥青为例，SMA类沥青混合料的动态模量取值范围为7500～12000MPa，AC10和AC13沥青混合料的动态模量取值范围为8500～12500MPa，AC16、AC20和AC25沥青混合料的动态模量取值范围为9000～13500MPa。虽然在国家标准中，尚未提出橡胶改性沥青混合料的动态模量取值范围，但从现有研究来看，大掺量橡胶改性沥青混合料的动态模量远低于SBS改性沥青的标准，在设计应用时遇到了很大的困难。

本发明实施例提供了一种碳纤维橡胶改性沥青混合料，包括橡胶改性沥青、矿料以及碳纤维，橡胶改性沥青与矿料质量比的百分数为4.6％～5.6％，碳纤维占混合料总质量的0.1～0.3％。

碳纤维是由碳元素组成的一种特种纤维。具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，外形呈纤维状，质地柔软。由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。再加上碳纤维的密度小，因此比强度和比模量高。因此在橡胶改性沥青混合料中掺入碳纤维能够提高其弹性模量。

在本发明实施例中，为了降低成本，碳纤维是由废弃碳纤维制品破碎、研磨制得的针状纤维，纤维长度为3-9mm。具体采用废弃的羽毛球拍、高尔夫球杆、钓鱼竿等运动器材，以及碳纤维板等建筑材料为原料，因为这些原料不仅碳纤维含量高，具有碳材料强度高的固有特性，而且兼备纺织纤维的柔软可加工性，便于破碎研磨，此外其耐久性、柔韧性和抗腐蚀性均比较理想。

采用胶粉多为目数为20～40目的预处理胶粉。胶粉的价格与胶粉的细度呈正比，细度越大，价格越高，采用20～40目胶粉可以在满足改性要求的前提下，有效降低成本。此外，掺入的橡胶改性沥青的软化点不应小于60℃，180℃旋转黏度为1.5～3.0Pa.s，以保证沥青良好的工作特性。

石料在沥青混合料中起到骨架和填充的作用，其中采用公称最大粒径大于4.75mm的石料作为骨料，再用公称最大粒径小于4.75mm的矿料填充骨架中的孔隙。

为了进一步增加在沥青混合料中骨架的稳定程度，在本发明实施例中，在石料、碳纤维和橡胶改性沥青改性混合完成后还要加入矿粉。具体地，橡胶改性沥青加热后为液体，矿料、碳纤维为固体，为了使橡胶改性沥青能够牢固地附着在石料、碳纤维的表面，加入矿粉。矿粉一方面可以填充骨架的孔隙，另一方面矿粉和橡胶改性沥青混合后利用矿粉的吸附性使得沥青更牢固地吸附在石料、碳纤维上。

为了制备该种碳纤维橡胶改性沥青混合料，本发明实施例提供了一种碳纤维橡胶改性沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、向拌和锅中加入石料，干拌时间不小于60s；

步骤2、向拌和锅中加入碳纤维，搅拌分散时间不小于90s；

步骤3、向拌和锅中加入橡胶改性沥青，搅拌时间不小于90s；

步骤4、向拌和锅加入矿粉，搅拌时间不小于60s，搅拌完成后出料。

在本发明实施例中，为了保证碳纤维能够均匀地分布在混合料中，需要将碳纤维分散在矿料中。如果先将橡胶改性沥青与矿料混合，由于沥青粘度较高，因而橡胶改性沥青与矿料的混合物不易分散，从而造成碳纤维不能均匀地分布在混合料中，这会降低混合料的动态模量。

基于本发明实施例中橡胶改性沥青在180℃旋转黏度为1.5～3.0Pa.s，因而步骤1、步骤3和步骤4的工艺温度均大于180℃，以便于搅拌，使得橡胶改性沥青与矿料混合均匀。优选地，步骤1中，拌和锅的温度为185～190℃；步骤3中，加入的橡胶改性沥青的温度为180～185℃；步骤4中，沥青混合料的出料温度为180～185℃。

与现有沥青混合料制作工艺相比，本发明虽然多加了碳纤维，但从工艺的角度来说，，没有增加新的工艺的反应条件，也没有对工艺中的材料进行预处理，这说明本发明实施例的工艺条件便于实施，同时又提高沥青混合料2000-2200M动态模量，解决了大掺量橡胶改性沥青混合料虽然具有优异的高低温性能，但其动态模量很难满足国家标准的问题。

为了说明本发明实施例提供的沥青混合料的性能及沥青混合料制备方法的可行性，给出下述实施例。

实施例1

本实施例采用级配为ARHM13级配，其各筛孔通过率如表1所示；采用沥青为胶粉质量份数为30份的橡胶改性沥青，橡胶改性沥青与矿料质量比的百分数为5.5％；采用矿料规格为11-15mm、6-11mm、3-6mm、0-3mm以及矿粉，按质量分数计，各档矿料所占比例为32份：37份：6份：16份：9份；采用碳纤维为废弃碳纤维制品破碎研磨得到的针状纤维，纤维长度为3-9mm。

本实施例设2组试验，A组不掺加任何纤维，作为对照组，B组掺加混合料总质量0.1％的碳纤维。

按照下列步骤制备A组橡胶改性沥青混合料

步骤1、向拌和锅中加入石料，干拌60s；

步骤2、向拌和锅中加入橡胶改性沥青，搅拌90s；

步骤3、向拌和锅加入矿粉，搅拌60s后出料。

按照下列步骤制备B组碳纤维橡胶改性沥青混合料

步骤1、向拌和锅中加入石料，干拌60s；

步骤2、向拌和锅中加入碳纤维，搅拌分散90s；

步骤3、向拌和锅中加入橡胶改性沥青，搅拌90s；

步骤4、向拌和锅加入矿粉，搅拌60s后出料。

表1 ARHM13级配各筛孔通过率(％)

混合料拌和出料后，采用旋转压实仪成型圆柱体试件，然后用钻孔取芯机从试件中央钻取芯样，并切割成标准尺寸，1组包括3个平行试件。将切割完成的试件放置于已达到20℃的温控箱中养护至少5h，进行标准的单轴压缩动态模量测试，加载频率为10Hz。混合料试件空隙率及具体测试结果见表2。

表2试件体积参数及动态模量测试结果

从表2可以看出，在同等水平体积参数和试验条件下，ARHM13型橡胶改性沥青混合料在掺加混合料总质量0.1％的碳纤维后动态模量提升约2200MPa，效果明显。

实施例2

本实施例采用级配为ARHM20级配，其各筛孔通过率如表3所示；采用沥青为胶粉质量份数为40份的橡胶改性沥青，橡胶改性沥青与矿料质量比的百分数为5.1％；采用矿料规格为15-22mm、11-15mm、6-11mm、3-6mm、0-3mm以及矿粉，按质量分数计，各档矿料所占比例为28份：20份：20份：8份：18份：6份；采用碳纤维为废弃碳纤维制品破碎研磨得到的针状纤维，纤维长度为3-9mm。

本实施例设2组试验，A组不掺加任何纤维，作为对照组，B组掺加混合料总质量0.1％的碳纤维。

按照下列步骤制备A组橡胶改性沥青混合料

步骤1、向拌和锅中加入石料，干拌60s；

步骤2、向拌和锅中加入橡胶改性沥青，搅拌90s；

步骤3、向拌和锅加入矿粉，搅拌60s后出料。

按照下列步骤制备B组碳纤维橡胶改性沥青混合料

步骤1、向拌和锅中加入石料，干拌60s；

步骤2、向拌和锅中加入碳纤维，搅拌分散90s；

步骤3、向拌和锅中加入橡胶改性沥青，搅拌90s；

步骤4、向拌和锅加入矿粉，搅拌60s后出料。

表3 ARHM20级配各筛孔通过率(％)

混合料拌和出料后，采用旋转压实仪成型圆柱体试件，然后用钻孔取芯机从试件中央钻取芯样，并切割成标准尺寸，1组包括3个平行试件。将切割完成的试件放置于已达到20℃的温控箱中养护至少5h，进行标准的单轴压缩动态模量测试，加载频率为10Hz。混合料试件空隙率及具体测试结果见表4。

表4试件体积参数及动态模量测试结果

从表4可以看出，在同等水平体积参数和试验条件下，ARHM20型橡胶改性沥青混合料在掺加混合料总质量0.1％的碳纤维后动态模量提升约2000MPa，效果显著。

实施例3

采用ARHM13级配设计了如下试验组，以验证不同纤维长度和纤维用量，对大掺量橡胶改性沥青动态模量的影响。具体结果如表5所示：

表5不同纤维长度和纤维用量对应的动态模量

对比试验证明，当纤维长度为6mm时，大掺量橡胶改性沥青混合料的动态模量最高。具体来讲，当纤维长度为3mm时，随着纤维掺量的增加，混合料动态模量逐步提升，但提升幅度有限；纤维长度为6mm和9mm时，采用0.3％的纤维掺量，混合料的动态模量最高，但相对0.1％掺量来说，提升幅度不大，性价比不高。综合考虑，建议采用的碳纤维长度为5-7mm，掺量为0.1％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纤维橡胶改性沥青混合料，其特征在于，包括橡胶改性沥青、矿料以及碳纤维，所述橡胶改性沥青与所述矿料质量比的百分数为4.6％～5.6％，所述碳纤维占混合料总质量的0.1～0.3％。

2.根据权利要求1所述的碳纤维橡胶改性沥青混合料，其特征在于，所述的橡胶改性沥青为胶粉质量份数在30份以上的橡胶改性沥青。

3.根据权利要求2所述的碳纤维橡胶改性沥青混合料，其特征在于，所述的胶粉目数为20～40目。

4.根据权利要求3所述的碳纤维橡胶改性沥青混合料，其特征在于，所述矿料包括：石料与矿粉。

5.根据权利要求4所述的碳纤维橡胶改性沥青混合料，其特征在于，所述碳纤维是由废弃碳纤维制品破碎、研磨制得的针状纤维，纤维长度为3mm～9mm。

6.一种碳纤维橡胶改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至5所述的碳纤维橡胶改性沥青混合料，所述制备方法包括以下步骤：

步骤1、向拌和锅中加入石料，干拌时间不小于60s；

步骤2、向拌和锅中加入碳纤维，搅拌分散时间不小于90s；

步骤3、向拌和锅中加入橡胶改性沥青，搅拌时间不小于90s；

步骤4、向拌和锅加入矿粉，搅拌时间不小于60s，搅拌完成后出料。

7.根据权利要求6所述的碳纤维橡胶改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，拌和锅的温度为185～190℃。

8.根据权利要求6所述的碳纤维橡胶改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，所加入橡胶改性沥青的温度180～185℃。

9.根据权利要求6所述的碳纤维橡胶改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，沥青混合料的出料温度为180～185℃。

10.根据权利要求6所述的碳纤维橡胶改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：

将废弃碳纤维制品破碎、研磨，得到针状的碳纤维。