CN112830712A - 一种改性沥青混合料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改性沥青混合料及其制备方法，属于道路材料制备技术领域。本发明的沥青混合料是由一种或一种以上复合相变材料部分替代矿粉制备的沥青混合料，具体包括改性沥青5‑10份，木质纤维0.3份和集料100份；其中，集料包括复合相变材料2‑4份、矿粉5‑7份、粗集料79份以及细集料12份。本发明解决了由于气温升高沥青路面的温度变化问题，减少沥青路面高温病害，提高路面性能，最终能够延长沥青路面的使用寿命。复合相变材料部分替代矿粉加入沥青混合料材料中，具有储热和温度调节作用，缓解沥青路面的高温病害，提高高温稳定性并能够缓解城市热岛效应，推广后创造经济价值的同时发挥出巨大的社会效益。

Description

一种改性沥青混合料及其制备方法
技术领域
本发明属于道路材料制备技术领域，具体涉及一种改性沥青混合料及其制备方法。
背景技术
沥青路面因其优良的性能、表面平整、震动噪声小、行驶舒适等优点在我国公路路面尤其是高等级路面的应用越来越广泛。但是，由于沥青和沥青混合料是温度敏感型材料，其性能与温度的变化息息相关。沥青的吸热能力强，黑色表面使其能够吸收更多的太阳辐射，然而达到一定的温度时，沥青会发生软化；在车辆荷载作用下，进而会引起沥青路面产生一系列高温病害，如车辙、拥抱、推移等，这都极大地缩短了沥青路面的使用寿命。此外，城市道路系统中，城市生活的织物覆盖城市道路系统，阻碍了道路辐射和热扩散，并能产生"城市热岛"效应。因此，我们有必要采取适当的措施控制沥青路面的温度。
国内外科研人员采用了多种措施改善沥青路面由于温度影响引起的性能变化，如：各种改性沥青、抗车辙剂、高模量沥青、集料的级配优化等。这些措施在一定程度上缓解了沥青路面的温度病害，解决了一些具体问题，然而由于沥青材料的温度敏感性，温度造成的沥青路面病害依然不可避免。
在沥青混合料中掺加相变材料制备相变沥青或相变沥青混合料，不但可以有效缓解沥青路面受温度的影响，用于城市道路还可以缓解“城市热岛效应”。相变材料(PCM-Phase Change Material，简称PCMs)在相变过程中发生相态转换，这一过程会伴随能量的变化储存或释放热量，同时保持自身温度不发生变化，是一种非常理想的储热材料。当周围环境温度升高时，相变材料改性沥青路面温度随环境温度升高而升高，当温度达到相变材料的相变温度后，相变材料将发生相变，吸收储存热量，降低沥青路面的升温速率。当周围环境温度降低时，相变材料改性沥青反之释放热量，降低路面的降温速率，沥青路面的温度变化范围较不掺加相变材料更小，可以提高沥青路面对环境温度变化的适应能力，有效地缓减沥青路面高温病害的影响。聚乙二醇(PEG-1000)，相变温度在30℃至60℃，具有较好的耐热性，具有较大的蓄热系数，使其具有较大的热惯性指数，将聚乙二醇直接分散在沥青中，其相变过程被抑制。所以将聚乙二醇制备成复合相变材料填加到沥青或沥青混合料中，得到改性沥青混合料。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于复合相变材料实现自调温的改性沥青混合料，在沥青混合料中添加复合相变材料，替代部分矿粉，具有储热和自调温作用，降低沥青路面升温速度，缓解沥青路面的高温病害，满足沥青路面路用性能指标。
本发明的技术方案如下：
一种改性沥青混合料，按质量份数，包括改性沥青5-10份，木质纤维0.3份和集料100份；其中，集料包括复合相变材料2-4份、矿粉5-7份、粗集料79份以及细集料12份。
上述粗集料和细集料均为玄武岩；粗集料粒径为3-18mm，细集料粒径0-3mm。
矿质混合料的级配应满足《公路沥青路面施工技术规范》的级配范围要求。
上述技术方案中，所述复合相变材料由吸附材料和相变材料组成，吸附材料为多孔吸附材料，相变材料为相变温度在30-60℃的有机相变材料。
在上述技术方案的基础上，矿粉为石灰岩。
在上述技术方案的基础上，多孔吸附材料选自硅藻土和沸石粉中的一种或两种。
在上述技术方案的基础上，多孔吸附材料的粒径为50-70μm。
在上述技术方案的基础上，相变材料为聚乙二醇。
优选地，聚乙二醇为聚乙二醇-1000(PEG-1000)。
在上述技术方案的基础上，多孔吸附材料与相变材料质量比为6.5:3.5-4:1。
优选地，多孔吸附材料与相变材料质量比为6.5:3.5，8:2中的一种。
在一个技术方案中，复合相变材料由硅藻土与聚乙二醇按质量比8:2组成。
在一个技术方案中，复合相变材料由沸石粉与聚乙二醇按质量比6.5:3.5组成。
在上述技术方案的基础上，复合相变材料的制备方法，步骤如下：
(1)将多孔吸附材料在105℃下干燥12h备用；
(2)将相变材料在70℃下完全融化备用；
(3)在多孔吸附材料中加入相变材料，搅拌均匀，形成混合物；
(4)将混合物在70℃烘箱中放置6-8h，得到复合相变材料。
在上述技术方案的基础上，改性沥青混合料，按质量份数，包括改性沥青6.2份，木质纤维0.3份和集料100份；其中，集料包括复合相变材料材料4份、矿粉5份、粗集料79份以及细集料12份。
在上述技术方案的基础上，所述粗集料和细集料均为玄武岩；粗集料粒径为3-18mm，细集料粒径0-3mm。
在上述技术方案的基础上，所述改性沥青为SBS改性沥青。
上述改性沥青混合料的制备方法，步骤如下：
(1)按质量份数取改性沥青、木质纤维、粗集料、细集料、复合相变材料以及矿粉；
(2)将粗集料、细集料和木质纤维在170-180℃下拌合；
(3)然后加入改性沥青，搅拌均匀；
(4)加入矿粉和复合相变材料，搅拌均匀，得到改性沥青混合料。
优选地，由上述改性沥青混合料制备方法制备的混合料，为SBS改性沥青SMA-13混合料。
本发明有益效果如下：
本发明在改性沥青混合料中添加复合相变材料，实现对改性沥青混合料温度的主动调节，降低沥青路面升温速度，缓解沥青路面的高温病害，具有储热和温度调节作用，提高了沥青路面的高温稳定性，并且满足沥青路面路用性能指标，具有很好的应用价值。
附图说明
图1为硅藻土(a)和复合相变材料A(b)的扫描电子显微镜(SEM)照片对比图；
图2为沸石粉(a)和复合相变材料B(b)的扫描电子显微镜(SEM)照片对比图；
图3为实施例1-2以及对比例1所述复合相变改性沥青混合料的调温性能测试结果图；
图4为实施例3-7所述复合相变改性沥青混合料的调温性能测试结果图。
具体实施方式
在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。
下面结合具体实施例，并参照数据进一步详细的描述本发明。以下实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
复合相变材料的制备
1、复合相变材料A的制备，步骤如下：
(1)将硅藻土在105℃下干燥12小时备用；
(2)将PEG-1000在70℃水浴下完全融化备用；
(3)在硅藻土中按质量比8:2加入PEG-1000，并用玻璃棒搅拌均匀；
(4)将混合物在70℃烘箱中放置8h，得到PEG-1000/硅藻土复合相变材料，即复合相变材料A。
2、复合相变材料B的制备，步骤如下：
(1)将沸石粉在105℃下干燥12小时备用；
(2)将聚乙二醇-1000在70℃水浴下完全融化备用；
(3)在沸石粉中按质量比6.5:3.5加入聚乙二醇-1000，并用玻璃棒搅拌均匀；
(4)将混合物在70℃烘箱中放置8h，得到PEG-1000/沸石粉复合相变材料，即复合相变材料B。
3、复合相变材料C的制备方法，步骤如下：
(1)将硅藻土在105℃下干燥12小时备用；
(2)将PEG-1000在70℃水浴下完全融化备用；
(3)在硅藻土中按质量比7.5:2.5加入PEG-1000，并用玻璃棒搅拌均匀；
(4)将混合物在70℃烘箱中放置8h，得到PEG-1000/硅藻土复合相变材料，即复合相变材料C。
实施例1
制备SBS改性沥青SMA-13混合料，步骤如下：各材料以质量份数计
(1)将79份级配如表1的玄武岩粗集料和12份级配如表1的玄武岩细集料在190℃下加热4h，并与0.3份木质素纤维在175℃下拌合60s；
(2)然后加入6.2份185℃的SBS改性沥青，搅拌均匀，搅拌60s；
(3)加入7份矿粉和2份复合相变材料A，搅拌均匀，搅拌120s，得到SBS改性沥青SMA-13混合料。
SBS改性沥青SMA-13混合料集料级配如表1所示：
表1
Figure BDA0002904177000000041
实施例2
制备SBS改性沥青SMA-13混合料时，加入5份矿粉和4份复合相变材料A。
其余步骤和条件与实施例1相同。
实施例3
制备SBS改性沥青SMA-13混合料时，加入7份矿粉和2份复合相变材料B。
其余步骤和条件与实施例1相同。
实施例4
制备SBS改性沥青SMA-13混合料时，加入5份矿粉和4份复合相变材料B。
其余步骤和条件与实施例1相同。
实施例5
制备SBS改性沥青SMA-13混合料时，加入5份矿粉、1份复合相变材料A以及3份复合相变材料B。
其余步骤和条件与实施例1相同。
实施例6
制备SBS改性沥青SMA-13混合料时，加入5份矿粉、2份复合相变材料A以及2份复合相变材料B。
其余步骤和条件与实施例1相同。
实施例7
制备SBS改性沥青SMA-13混合料时，加入5份矿粉、3份复合相变材料A以及1份复合相变材料B。
其余步骤和条件与实施例1相同。
对比例1
制备SBS改性沥青SMA-13混合料时，实施方式与实施例1基本相同，不同之处在于，将复合相变材料替换为矿粉，使矿粉的总份数为9份。
对比例2
制备一种普通SMA-13沥青混合料，步骤如下：各材料以质量份数计。
(1)将79份级配如表1的玄武岩粗集料和12份级配如表1的玄武岩细集料在170℃下加热4h，并与0.3份木质素纤维在165℃下拌合60s；
(2)然后加入6.2份165℃的70号基质沥青，搅拌均匀，搅拌60s；
(3)加入9份矿粉，搅拌均匀，搅拌120s，得到一种普通SMA-13沥青混合料。
对比例3
制备SBS改性沥青SMA-13混合料时，加入5份矿粉和4份复合相变材料C。
其余步骤和条件与实施例1相同。
实施例和1-7以及对比例1-3的沥青混合料配比，如表2所示：
表2复合相变材料各掺量下SMA-13沥青混合料配比
Figure BDA0002904177000000051
注：表2中所述“0～3”指的是集料中玄武岩细集料的粒径(mm)，所述“3～5”、“5～11”、“11～18”指的是集料中玄武岩粗集料的粒径(mm)。
复合相变材料扫描电子显微镜结果分析
利用扫描电子显微镜(SEM)对硅藻土以及复合相变材料A分别进行扫描，扫描结果如图1所示，图1(a)为硅藻土扫描电子显微镜照片，图1(b)为复合相变材料A扫描电子显微镜照片。
从图1中可以看出，硅藻土为载体，呈圆盘状多孔结构。在图1(a)中，多孔的微观结构表明硅藻土有很大的表面积。图1(b)显示，在PEG-1000与硅藻土的界面中，PEG-1000均匀地分布在硅藻土的主要多孔结构中。硅藻土本身在图1(b)中看不到。矿物多孔结构的毛细管和表面张力不仅使复合材料机械耐用，而且还使融化的PEG-1000不渗漏。
利用扫描电子显微镜(SEM)对沸石粉以及复合相变材料B分别进行扫描，扫描结果如图2所示，图2(a)为沸石粉扫描电子显微镜照片，图2(b)为复合相变材料B扫描电子显微镜照片。
从图2中可以看出，图2(a)显示，沸石粉具有孔结构，表面不平整，且有晶体伸出表面。沸石粉一般由天然的沸石岩磨细而成，大致的主要成份有氧化硅(60-65％)，氧化铝(10-15％)，氧化钙(2-3％)，氧化镁(2-3％)，氧化钾(2-3％)，氧化铁(1-1.5％)，用途也非常广泛。颜色为白色。沸石是火山熔岩形成的一种架状结构的铝硅酸盐矿物，主要由SiO2、Al2O3、H2O和碱金属、碱土金属离子四部分组成，其中硅氧四面体和铝氧四面体构成了沸石的三维空间架状结构，碱金属、碱土金属和水分子结合的松散、易置换，使得沸石粉具有特殊的应用性能，如吸附作用，离子交换作用等，具有较高的化学和生物稳定性以及优良的吸附性能。图2(b)所示，PEG-1000均匀地分布在沸石粉的三维结构中。
SBS改性沥青SMA-13混合料的技术指标测试
测试指标涉及马歇尔稳定度、浸水残留稳定度、冻融劈裂抗拉强度比以及动稳定度。
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)规定的试验方法，对SBS改性沥青SMA-13混合料和基于复合相变材料实现自调温的SBS改性沥青SMA-13混合料进行性能测试，试验结果如表3所示，均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)
表3
Figure BDA0002904177000000061
Figure BDA0002904177000000071
通过表3可以看出：
相变改性沥青混合料随着复合相变材料的份数增加，其马歇尔稳定度基本不变，浸水残留稳定度上升，冻融劈裂抗拉强度比略有下降，从表3中的试验结果可以看出，掺加了复合相变材料的沥青混凝土的水稳定性与未掺加的沥青混凝土差别不大。表明复合相变材料对沥青混合料的热稳定性、水稳定性以及强度的影响较小。
动稳定度指标表明，掺加了复合相变材料的SBS改性沥青混合料抗车辙性能提高很多，极大的改善了沥青混凝土的路用性能。这是因为SMA是一种由沥青结合料与少量的纤维稳定剂、细集料以及较多量的填料(矿粉)组成的沥青玛蹄脂填充于间断级配的粗集料骨架的间隙，组成一体的沥青混合料。它是由足够的沥青结合料和具有相当劲度的沥青玛
Figure BDA0002904177000000072
脂胶浆填充在粗集料形成的石-石嵌挤结构的空隙中形成的。它具有抗高温、低温稳定性，良好的水稳定性，良好的耐久性和表面功能(抗滑、车辙小、平整度高、噪音小、能见度好)。车辆荷载主要由粗集料骨架承受，即使在高温条件下，由于粗集料颗粒之间良好的嵌挤作用，沥青混合料受沥青玛蹄脂的粘度下降的影响较小，仍有较好的抵抗荷载变形的能力。在现行规范中，车辙试件在试验前需置于60℃烘箱中保温5h，相变材料中具有多孔结构的硅藻土和沸石粉能够有效封装PEG-1000，发挥了良好的调温作用。
复合相变改性沥青混合料的调温性能测试
测试过程为用电钻在试件中心钻孔，孔径直径8mm，将数字温度计传感器埋设于孔内，先填入适量同级配石料，再用SBS改性沥青将孔口封上，将埋设好温度传感器的试件，常温下放置24h，使其温度保持一致后，放入已经恒温60℃的环境箱中，注意试件之间应与环境箱壁保持一定距离，实时观测并记录数据，直至试件温度基本达到60℃时停止试验。测试结果如图3和图4所示。
由图3可知，随着PEG-1000/硅藻土复合相变材料代替矿粉的份数增加，混合料的温度调节效果越明显，尤其在30min时，达到聚乙二醇的相变温度，此时调温效果最明显。当PEG-1000/硅藻土复合相变材料替代矿粉质量份数为两份时，即PEG-1000/硅藻土复合相变材料掺量为集料的2％时，温差最大为6.5℃，当PEG-1000/硅藻土复合相变材料替代矿粉质量份数为四份时，即PEG-1000/硅藻土复合相变材料掺量为集料的4％时，温差最大为7.3℃。因此，本发明的复合相变改性沥青混合料的调温性能良好，能够有效地控制温度状况，减少沥青路面病害，提高路面性能，最终延长沥青路面的使用寿命。
由图4可知，PEG-1000/沸石粉复合相变材料的调温效果与PEG-1000/硅藻土复合相变材料相比较弱。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种改性沥青混合料，其特征在于，由以下组分按质量份数组成，改性沥青5-10份，木质纤维0.3份和集料100份；
所述集料包括复合相变材料2-4份、矿粉5-7份、粗集料79份以及细集料12份；
所述复合相变材料由吸附材料和相变材料组成，吸附材料为多孔吸附材料，相变材料为相变温度在30-60℃的有机相变材料。
2.根据权利要求1所述的改性沥青混合料，其特征在于，所述粗集料和细集料均为玄武岩；粗集料粒径为3-18mm，细集料粒径0-3mm。
3.根据权利要求1所述的改性沥青混合料，其特征在于，多孔吸附材料为硅藻土、沸石粉中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的改性沥青混合料，其特征在于，相变材料为聚乙二醇。
5.根据权利要求4所述的改性沥青混合料，其特征在于，所述聚乙二醇为聚乙二醇-1000。
6.根据权利要求1所述的改性沥青混合料，其特征在于，多孔吸附材料的粒径为50-70μm。
7.根据权利要求1所述的改性沥青混合料，其特征在于，多孔吸附材料与相变材料质量比为6.5:3.5-4:1。
8.权利要求1-7任一项所述的改性沥青混合料，其特征在于，复合相变材料的制备方法，步骤如下：
(1)将多孔吸附材料在105℃下干燥12h备用；
(2)将相变材料在70℃下完全融化备用；
(3)在多孔吸附材料中加入相变材料，搅拌均匀，形成混合物；
(4)将混合物在70℃烘箱中放置6-8h，得到复合相变材料。
9.权利要求8所述改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)按质量份数取改性沥青、木质纤维、粗集料、细集料、复合相变材料以及矿粉；
(2)将粗集料、细集料和木质纤维在170-180℃下拌合；
(3)然后加入改性沥青，搅拌均匀；
(4)加入矿粉和复合相变材料，搅拌均匀，得到沥青混合料。
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