CN112745686B - 一种冻土路面用复合胶结料及其制法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于冻土路面用复合胶结料。该复合胶结料，按重量份计，包括以下原料：空心漂珠20~80份，石油树脂10~50份，SBS 4~20份，芳香型塑化剂20~70份，聚合无机酸0.2~5.0份。本发明同时还提供了该复合胶结料的制备方法和应用。配方中无石蜡组分，所制备胶结料的低温延展性好；在改善了界面相容性同时，还能够提高胶结料的高温性能及粘结强度；由于黏结剂本身无黑色因子，路面本体吸热效能较小，路体传导热量降低，能明显减小路面对冻土的扰动，从而起到保护冻土的作用。
Description
技术领域
本发明属于道路工程材料技术领域，特别是一种冻土路面用复合胶结料及其制备方法。
背景技术
冻土是一种温度在0℃及以下，并含有冰的特殊岩土体，是一种力学性质与温度密切相关特殊土壤。在西藏等多年冻土地区，由于路基工程的修筑不可避免地改变地表原有冻土层的热平衡状态，导致季节融化层压缩变形、高温冻土层压缩变形以及多年冻土的融沉变形等，并由此引发多年冻土路基的融沉、不均匀沉降等路基路面系列工程病害问题。尤其是在全球气候变暖的条件下，太阳辐射到地表能量及路面吸收太阳热能是影响冻土层温度场发生改变的主要原因。路面吸收太阳热能越多对冻土路基的热效应越大，路面反射的太阳能越多对冻土路基的热效应越小。
青藏高原地区已建公路的路面结构形式主要是沥青路面，其颜色较黑，对太阳光辐射吸收率超过90％，从而导致沥青路面温度升高。在高原区强辐射的背景下，大量热量被路面吸收，传至路基，进而引起路基温度升高，扰动冻土，引发冻土融沉，造成沥青路面病害频发。为降低沥青路面吸热对冻土路基的干扰，目前主要采取热棒、通风管、通风板、EPS保温板等技术措施。这些技术普遍存在施工周期长、工程造价高、作用效果有限等问题。
CN 201710360470.2，“一种用于冻土区沥青路面的复合改性剂”，采用29.6%~70.8%空心漂珠、5.8%~46.1%石蜡、0.6%~1.8%硅烷偶联剂制备成集阻热与蓄热于一体的复合改性剂。该复合改性剂添加到沥青混合料中，能够有效降低冻土区沥青路面吸热效率，减少进入路基的热量，减小路面温度变化幅值，减小路面对冻土的扰动，有效避免冻土融沉的发生。该技术方案中，加入5.8%~46.1%的石蜡，虽然石蜡能够起到粘结作用。但是，对沥青路面而言，石蜡的存在会严重影响石油沥青低温延展性，导致沥青路面的龟裂等病害。通常，道路施工技术规范中都严格限制石油沥青的蜡含量，一般不超过沥青用量的2%。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明目的在于提供一种冻土路面用复合胶结料，能够避免石蜡导致沥青路面的龟裂等病害。同时，所制备的胶结料为无色胶结料，以克服黑色沥青路面的吸热效应，减少热量对冻土路基的扰动，以有效避免冻土融沉的发生。
本发明一方面提供一种用于冻土路面用复合胶结料，按重量份计，包括以下原料：空心漂珠20~80份，石油树脂10~50份，SBS 4~20份，芳香型塑化剂20~70份，聚合无机酸0.2~5.0份。按重量份计，优选包括以下原料：空心漂珠30~70份，石油树脂20~40份，SBS 8~15份，芳香型塑化剂30~60份，聚合无机酸0.5~2.0份。
所述的石油树脂是C5以上的石油树脂，软化点为70~150℃。所述的SBS分子量为10~30万，为白色产物。所述的芳香型塑化剂为润滑油精制抽出油，馏程范围为360~500℃。所述的聚合无机酸为多聚磷酸，分子量为105~116。
所述的空心漂珠比重：0.5~0.7，粒径100~200微米，SiO2质量含量50%~55%。
本发明另一方面在于提供一种冻土路面用复合胶结料的制备方法，制备步骤包括：
（1）将石油树脂、SBS、芳香型塑化剂，混合、剪切、搅拌得到混合物A；
（2）将聚合无机酸喷涂在空心漂珠表面，得到混合物B；
（3）将混合物B加入到混合物A中，搅拌，得到冻土路面用复合改性胶结料。
按重量份计，包括以下原料：空心漂珠20~80份，石油树脂10~50份，SBS 4~20份，芳香型塑化剂20~70份，聚合无机酸0.2~5.0份。按重量份计，优选包括以下原料：空心漂珠30~70份，石油树脂20~40份，SBS 8~15份，芳香型塑化剂30~60份，聚合无机酸0.5~2.0份。
步骤（1）中所述的混合、剪切、搅拌在带有加热剪切搅拌功能反应釜中进行。反应温度120~200℃，搅拌器转速为3000～6000转/分，剪切搅拌0.5~4小时。
步骤（3）中所述搅拌的操作条件：搅拌温度为120℃~200℃，优选130℃~180℃；搅拌器转速为1000～2000转/分，优选1300～1800转/分；搅拌时间为0.2~5小时，优选0.5~2小时。
本发明再一方面提供了一种用于冻土路面用复合胶结料在制备改性混合料中的应用。
应用本发明冻土路面用复合改性胶结料制备改性混合料的方法为：将复合改性胶结料加热到140℃~160℃，并按道路沥青混合料规范要求，与集料混合均匀后，得到冻土路面复合胶结料之混合料，矿料级配优选采用SMA-13，集料最大粒径16毫米，胶结料与矿料的比例优选5%～6%。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
配方中无石蜡组分，所制备胶结料的低温延展性好；在改善了界面相容性同时，还能够提高胶结料的高温性能及粘结强度，对混合料的力学性能和路用性能无不良影响；由于黏结剂本身无黑色因子，路面本体吸热效能较小，路体传导热量降低，能明显减小路面对冻土的扰动，从而起到保护冻土的作用。
本发明使用聚合无机酸喷涂处理空心漂珠表面，一是使其表面纹理粗糙，增大与混合物A的吸附作用；二是聚合无机酸还能使混合物A发生缩聚反应，提高其高温性能。
具体实施方式
下面借助具体实施例对本发明进行详细的说明，但应当理解实施例仅用于更好的展现发明内容，本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。
实施例1
本实施例制备一种冻土区路面的复合改性胶结料，其配比及物料性质如下：
空心漂珠 30份，比重：0.65，粒径120微米，SiO2质量含量50%；
石油树脂 30份，软化点为110℃；
SBS 12份，分子量15万；
润滑油精制抽出油 48份，馏程范围为360~500℃；
多聚磷酸 0.5份，分子量：116。
其制备工艺过程如下：
（1）将石油树脂、SBS、芳香型塑化剂加入到带有加热剪切搅拌功能反应釜中进行。在反应温度130℃，搅拌器转速为3500转/分，剪切搅拌3小时，得到混合物A1；
（2）将上述称量好的多聚磷酸喷涂在空心漂珠表面，得到混合物B1；
（3）将混合物B加入到胶结料A1中，加热至135℃搅拌，搅拌器转速为1500转/分钟，搅拌2小时，冷却至室温，即得到复合改性胶结料C1。
将复合改性胶结料加热到140℃，并扣除1%重量的矿粉，按照道路沥青混合料规范要求，与集料混合均匀后，得到冻土路面用改性复合胶结料之混合料，矿料级配采用SMA-13，集料最大粒径16毫米，胶结料与矿料的比例为5.5%。
对A1及改性复合胶结料之混合料的性质进行测试，结果见表1及表2。
实施例2
本实施例制备一种冻土区路面的复合改性胶结料，其配比如下：
空心漂珠 50份，比重：0.5，粒径150微米，SiO2质量含量55%；
石油树脂 20份，软化点为80℃；
SBS 12份，分子量20万；
润滑油精制抽出油 44份，馏程范围为360-500℃；
多聚磷酸 1份，分子量：110。
其制备工艺过程如下：
（1）将石油树脂、SBS、芳香型塑化剂加入到带有加热剪切搅拌功能反应釜中进行。在反应温度170℃，搅拌器转速为5500转/分，剪切搅拌2小时，得到混合物A2；
（2）将上述称量好的多聚磷酸喷涂在空心漂珠表面，得到混合物B2；
（3）将混合物B2加入到胶结料A2中，加热至150℃搅拌，搅拌器转速为1800转/分钟，搅拌1小时，冷却至室温，即得到复合改性胶结料C2。
将复合改性胶结料C2加热到150℃，并扣除1%重量的矿粉，按照道路沥青混合料规范要求，与集料混合均匀后，得到冻土路面用改性复合胶结料之混合料，矿料级配采用SMA-13,集料最大粒径16毫米，胶结料与矿料的比例5.5%。
对A2及改性复合胶结料之混合料的性质进行测试，结果见表1及表2。
实施例3
本实施例制备一种冻土区路面的复合改性胶结料，其配比如下：
空心漂珠 70份，比重：0.7，粒径200微米，SiO2质量含量55%；
石油树脂 38份，软化点为140℃；
SBS 8份，分子量25万；
润滑油精制抽出油 30份，馏程范围为360-500℃；
多聚磷酸 2份，分子量：105。
其制备工艺过程如下：
（1）将石油树脂、SBS、芳香型塑化剂加入到带有加热剪切搅拌功能反应釜中进行。在反应温度180℃，搅拌器转速为4000转/分，剪切搅拌1小时，得到混合物A3；
（2）将上述称量好的多聚磷酸喷涂在空心漂珠表面，得到混合物B3；
（3）将混合物B3加入到胶结料A3中，加热至170℃搅拌，搅拌器转速为1300转/分钟，搅拌1.5小时，冷却至室温，即得到复合改性胶结料C3。
将复合改性胶结料C3加热到160℃，并扣除1%重量的矿粉，按照道路沥青混合料规范要求，与集料混合均匀后，得到冻土路面用改性复合胶结料之混合料，矿料级配采用SMA-13,集料最大粒径16毫米，胶结料与矿料的比例5.5%。
对A3及改性复合胶结料之混合料的性质进行测试，结果见表1及表2。
实施例4
本实施例制备一种冻土区路面的复合改性胶结料，其配比如下：
空心漂珠 70份，比重：0.65，粒径140微米，SiO2质量含量53%；
石油树脂 30份，软化点为130℃；
SBS 15份，分子量18万；
润滑油精制抽出油 58份，馏程范围为360-500℃；
多聚磷酸 1份，分子量：110。
其制备工艺过程如下：
（1）将石油树脂、SBS、芳香型塑化剂加入到带有加热剪切搅拌功能反应釜中进行。在反应温度150℃，搅拌器转速为4500转/分，剪切搅拌1.5小时，得到混合物A4；
（2）将上述称量好的多聚磷酸喷涂在空心漂珠表面，得到混合物B4；
（3）将混合物B4加入到胶结料A4中，加热至180℃搅拌，搅拌器转速为1600转/分钟，搅拌0.5小时，冷却至室温，即得到复合改性胶结料C4。
将复合改性胶结料C4加热到145℃，并扣除1%重量的矿粉，按照道路沥青混合料规范要求，与集料混合均匀后，得到冻土路面用改性复合胶结料之混合料，矿料级配采用SMA-13,集料最大粒径16毫米，胶结料与矿料的比例5.5%。
对A4及改性复合胶结料之混合料的性质进行测试，结果见表1及表2。
表1 实施例中混合物A的性能
| 产品性质 | 混合物A1 | 混合物A2 | 混合物A3 | 混合物A4 |
| 25℃针入度，1/10mm | 74 | 95 | 69 | 85 |
| 15℃延度，cm | >100 | >100 | >100 | >100 |
| 10℃延度，cm | 47 | 58 | 38 | 52 |
| 软化点，℃ | 59.4 | 53.2 | 62.4 | 57.6 |
| 蜡，% | 〈0.1 | 〈0.1 | 〈0.1 | 〈0.1 |
由表1数据可见，本发明中混合物的蜡含量均较低，有利于混合料的低温性能表现。
对比例1
本对比例制备的改性复合胶结料之混合料与实施例1的不同之处是未对空心漂珠进行任何改性。
测试例
为了验证用于冻土区沥青路面的复合改性胶结料对沥青混合料的隔热性能和路用性能的影响。本发明根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJE20-2011）的相关规定对冻土路面用复合改性胶结料进行了路用性能试验；对改性复合胶结料之混合料4厘米深度的温度进行了测试，检验了冻土路面用改性复合胶结料之混合料的隔热性能。具体实验数据如表2所示。
表2 改性复合胶结料之混合料试验数据
| 动稳定度次/mm | 抗弯拉强度MPa | 残留稳定度% | 4cm 深温度℃ | |
| 实施例1 | 4300 | 14.52 | 90.2 | 42.7 |
| 实施例2 | 4500 | 14.86 | 93.8 | 41.5 |
| 实施例3 | 4600 | 14.97 | 96.4 | 37.8 |
| 实施例4 | 4400 | 14.68 | 92.7 | 40.2 |
| 对比例1 | 3600 | 12.83 | 80.4 | 52.6 |
由表2可知，利用本发明冻土路面用复合胶结料制备的改性复合胶结料之混合料，其高温性能、低温性能和水温性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》的相关技术要求，优于对比例1。混合料样品4cm 深温度下降明显，说明利用本发明复合胶结料制备的改性复合胶结料之混合料，具有优异的隔热降温效果。
Claims (8)
1.一种冻土路面用复合胶结料，其特征在于，按重量份计，由以下原料组成：空心漂珠20~80份，石油树脂10~50份，SBS 4~20份，芳香型塑化剂20~70份，聚合无机酸0.2~5.0份；所述的石油树脂是C5以上的石油树脂，软化点为70~150℃；所述的SBS分子量为10~30万；所述的芳香型塑化剂为润滑油精制抽出油，馏程范围为360~500℃；所述的聚合无机酸为多聚磷酸，分子量为105~116；所述的空心漂珠比重：0.5~0.7，粒径100~200微米，SiO2质量含量50%~55%；
所述冻土路面用复合胶结料制备时，将聚合无机酸喷涂在空心漂珠表面以改进空心漂珠。
2.根据权利要求1所述的复合胶结料，其特征在于，按重量份计，由以下原料组成：空心漂珠30~70份，石油树脂20~40份，SBS 8~15份，芳香型塑化剂30~60份，聚合无机酸0.5~2.0份。
3.权利要求1-2任一所述冻土路面用复合胶结料的制备方法，包括：
（1）将石油树脂、SBS、芳香型塑化剂，混合、剪切、搅拌得到混合物A；
（2）将聚合无机酸喷涂在空心漂珠表面，得到混合物B；
（3）将混合物B加入到混合物A中，搅拌，得到冻土路面用复合胶结料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的混合、剪切、搅拌的反应温度120~200℃，搅拌器转速为3000～6000转/分，剪切搅拌0.5~4小时。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述搅拌的操作条件：搅拌温度为120℃~200℃；搅拌器转速为1000～2000转/分；搅拌时间为0.2~5小时。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述搅拌的操作条件：搅拌温度为130℃~180℃；搅拌器转速为1300～1800转/分；搅拌时间为0.5~2小时。
7.一种权利要求1-2中任一项所述复合胶结料在制备改性混合料中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，具体应用方法为：将复合胶结料加热到140℃~160℃，并按道路沥青混合料规范要求，与集料混合均匀后，得到冻土路面用改性复合胶结料之混合料。
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