CN113045249A - 一种早强沥青冷补料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种早强沥青冷补料及其制备方法，原材料包括基质沥青、SBS改性剂、多聚磷酸、催干剂、乳化剂、无机稳定剂、有机稳定剂、集料、矿粉、水泥和水。在水中加入有机稳定剂搅拌均匀；然后添加催干剂并搅拌均匀，再依次加入无机稳定剂和乳化剂，利用工业盐酸调节PH至2～3，制得皂液；将集料烘干后冷却至室温，然后进行常温机械拌合；将水加入到拌合锅中，机械拌合，使集料完全润湿；向集料中添加SBS/PPA复合改性乳化沥青，机械拌和，使SBS/PPA复合改性乳化沥青均匀裹敷于集料表面；将矿粉和水泥混合均匀，添加到集料中，常温机械拌合，制得早强沥青冷补料。
Description
技术领域
本发明属于道路建筑材料领域，涉及一种早强沥青冷补料及其制备方法。
背景技术
随着我国公路建设规模不断扩大，公路养护的高峰期也随之而来。沥青混合料具有良好的力学性质和稳定性能，用其铺筑的路面性能优异且安全性高，在道路建设应用广泛。然而，沥青路面在自然环境和行车荷载的综合作用下，路面容易出现裂缝、车辙和松散等病害，若不及时进行修补，将会影响沥青路面的结构稳定性和耐久性，严重缩短其使用寿命，因此，当路面出现病害时，需及时进行修补。
目前，在沥青路面坑槽修补材料中应用较多的为热拌沥青混合料和冷补料，热拌沥青混合料路用性能优异且施工技术成熟，适用于沥青路面的大修和养护。但是存在消耗能源，污染环境，易受环境因素的制约，社会经济效益有限。因此，具有环保、节能、施工方便等优势的冷补料越来越受到工程技术人员的青睐，成为沥青路面坑槽修补的常见材料。冷补料是指以液体沥青或乳化沥青作为胶结材料，与矿料及填料进行均匀拌和，并且能够在常温下进行施工的沥青路面坑槽修补材料，其路用性能优良，施工工艺简单，无需大型施工机械，故而被广泛用于沥青路面坑槽的修补。
SBS改性乳化沥青冷补料作为常见的沥青路面坑槽冷修补材料，具有安全、节能、环保、方便快捷的优点，用于沥青路面坑槽修补前景广阔。然而，SBS的极性较弱，与基质沥青的相容性差，使得SBS未能充分发挥其改性效果，因此，其对沥青的路用性能提升作用有限，导致SBS改性沥青极性不强、SBS改性乳化沥青及其冷补料的路用性能较差，在环境和行车荷载的作用下极易产生二次破损，需要进行再次修补。此外，SBS改性乳化沥青冷补料还存在早期强度低，强度形成缓慢的问题，这就导致在施工以后修补路面难以快速通车，社会效益有限。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种早强沥青冷补料及其制备方法，具有良好的黏聚性能、水稳定性、强度性能和高低温性能。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种早强沥青冷补料，原材料以质量分数计，包括：基质沥青3.8％～5.0％，SBS改性剂0.15％～0.25％，多聚磷酸0.01％～0.03％，催干剂0.08％～0.13％，乳化剂0.07％～0.12％，无机稳定剂0.01％～0.03％，有机稳定剂0.01％～0.02％，集料82％～88％，矿粉4％～8％，水泥0％～4％，余量为水。
优选的，以质量分数计，基质沥青4.1％～5.0％，SBS改性剂0.21％，多聚磷酸0.02％，催干剂0.10％，乳化剂0.09％，无机稳定剂0.015％，有机稳定剂0.015％，集料84％，矿粉4％，水泥2％，余量为水。
一种早强沥青冷补料的制备方法，包括以下步骤；
步骤一，在SBS改性沥青中加入多聚磷酸，搅拌15min～20min后在150℃～160℃温度下发育40min～50min，制得乳化用的SBS/PPA复合改性沥青；
步骤二，在65℃～70℃的水中加入有机稳定剂搅拌均匀；然后添加催干剂并搅拌均匀，再依次加入无机稳定剂和乳化剂，利用工业盐酸调节PH至2～3，制得皂液；
步骤三，将皂液加热保持温度50～70℃；
步骤四，将SBS/PPA复合改性沥青加热至160℃～170℃，乳化2min～4min，制得SBS/PPA复合改性乳化沥青。
步骤五，将集料在140℃～150℃温度下烘干4h-6h后冷却至室温，然后进行拌合，拌合时间为90s～120s；
步骤六，将水加入到集料中，拌合90s～120s，使集料完全润湿；
步骤七，向集料中添加步骤四中制备的SBS/PPA复合改性乳化沥青，拌和80s～100s，使SBS/PPA复合改性乳化沥青均匀裹敷于集料表面；
步骤八，将矿粉和水泥混合均匀，添加到集料中，拌合180s～200s，制得早强沥青冷补料。
优选的，SBS改性沥青的制备过程为：将基质沥青加热至160～170℃，加入SBS改性剂，搅拌均匀后在140℃～150℃的温度下溶胀40min～50min，以3800r/min～4100r/min的转速在170℃～180℃的温度下剪切80min～100min，制得SBS改性沥青。
进一步，以质量分数计，基质沥青3.8％～5.0％，SBS改性剂0.15％～0.25％，多聚磷酸0.01％～0.03％，催干剂0.08％～0.13％，乳化剂0.07％～0.12％，无机稳定剂0.01％～0.03％，有机稳定剂0.01％～0.02％，集料82％～88％，矿粉4％～8％，水泥0％～4％，余量为水。
优选的，催干剂采用二甲基亚砜。
优选的，乳化剂为胺化改性木质素阳离子慢裂快凝型乳化剂，以质量分数计，包括26％的木质素、10％的三甲胺盐酸盐、7％的甲醛溶液、5％的氢氧化钠和52％的蒸馏水。
优选的，无机稳定剂采用颗粒状的无水氯化钙，无水氯化钙含量≥90％。
优选的，有机稳定剂采用粉末状的聚乙烯醇，聚乙烯醇含量≥96％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用自行研制的SBS/PPA复合改性乳化沥青作为冷补料的胶结材料，与集料、填料与水进行拌合，制备早强高性能的冷补料。PPA作为一种极性较强的物质，能够改善SBS与沥青的相容性，使得SBS的改性效果得以充分发挥，促使SBS在沥青中由点状结构变为网状结构，显著提高了SBS改性沥青及其乳液的性能，从而提高了SBS/PPA复合改性乳化沥青的路用性能。水泥与冷补料中的水发生水化反应，释放的水化热促进了乳化沥青中水分的蒸发，加快了乳化沥青的破乳速度，同样加快了冷补料的强度成型速度，此外，水化反应生成的纤维状物质具有“加筋”的作用，提高了冷补料的刚度与强度，从而达到改善冷补料最终强度的目的。最终制得的冷补料黏聚性和水稳定性良好、力学强度高且高温稳定性和低温抗裂性俱佳。本发明的沥青冷补料较普通乳化沥青冷补料的破乳速度提高了37％以上，同时，该早强沥青冷补料还具有良好的黏聚性能和水稳定性，初始强度达到6kN以上，远超普通冷补沥青混合料初始强度的规范要求；成型强度达到11kN，满足热拌沥青混合料的要求。
进一步，二甲基亚砜的加入能够加快冷补料的强度形成速度。二甲基亚砜作为一种含硫有机化合物，常温条件下具有吸湿，催干的效果。DMSO中氧原子有两个孤对电子，可轻易与水分子间产生两个氢键，因此能够吸收冷补料中的水分，产生氢键的过程中放热，能够促进冷补料水分的蒸发，从而提高了冷补料中胶结料乳化沥青的破乳速度，使得冷补料在填补坑槽后，其强度在短时间内成型，达到快速修补，尽快开放交通的目的。此外，二甲基亚砜分子与水分子之间形成的氢键会破坏水分子间的氢键，从而阻碍了水分子间形成冰的三维网络结构氢键，这就使得冷补料在冬季填补坑槽后，有一定的防冻能力。
具体实施方式
本发明给出的早强沥青冷补料，以质量分数计，包含以下原材料：基质沥青3.8％～5.0％，SBS改性剂0.15％～0.25％，多聚磷酸0.01％～0.03％，催干剂0.08％～0.13％，乳化剂0.07％～0.12％，无机稳定剂0.01％～0.03％，有机稳定剂0.01％～0.02％，集料82％～88％，矿粉4％～8％，水泥0％～4％，余量为水，原材料的质量分数之和为100％。
其中，原材料规格如下：
所述的基质沥青为SK90#道路石油沥青，其针入度为82mm，软化点为47.0℃，15℃延度大于100cm，135℃粘度为0.250Pa·s。
所述的SBS改性剂为中国石化集团巴陵石化公司生产的线型SBS。
所述的多聚磷酸(PPA)为成都市科龙化工试剂厂销售的多聚磷酸(分析纯)，P2O5含量≥80％。
所述的催干剂为二甲基亚砜(DMSO)，为济南恒诚新材料有限公司研制的工业级二甲基亚砜，含量≥99％。
所述的乳化剂为一种胺化改性木质素阳离子慢裂快凝型乳化剂，以质量分数计，包括26％的木质素，10％的三甲胺盐酸盐，7％的甲醛溶液，5％的氢氧化钠，52％的蒸馏水。
所述的无机稳定剂为颗粒状的无水氯化钙，无水氯化钙含量≥90％。
所述的有机稳定剂为粉末状的聚乙烯醇，聚乙烯醇含量≥96％。
所述的集料选用棱角分明的碱性集料，由碱性的石灰岩机械破碎制成，级配选用LB-13级配。
所述的矿粉由巴林右旗鑫源矿业有限责任公司生产，为石灰岩研磨制成的无团粒结块的矿粉。
所述的水泥由巴林右旗鑫源矿业有限责任公司生产，为42.5强度等级的普通硅酸盐水泥。
所述的水为无污染的自来水，外观干净透明，无杂质，PH值为7.5，CaO含量＜80mg/dm3。
在以下的实施实例中，采用了普通SBS改性乳化沥青冷补料和本发明进行对比试验。
对比例1：普通冷补料
本对比例给出的普通SBS改性乳化沥青冷补料以质量百分数计，由以下原材料组成：
基质沥青4.0％，SBS改性剂0.20％，乳化剂0.09％，无水氯化钙0.015％，聚乙烯醇0.015％，集料83％，矿粉5％，水泥2％，余量为水，原材料的质量分数之和为100％。
实施例1：高性能冷补料
本实施例给出的SBS/PPA复合改性乳化沥青冷补料，以质量分数计，由以下原材料组成：基质沥青3.8％，SBS改性剂0.15％，多聚磷酸0.01％，催干剂0.08％，乳化剂0.07％，无水氯化钙0.01％，聚乙烯醇0.01％，集料82％，矿粉8％，余量为水。原材料的质量分数之和为100％。
上述SBS/PPA复合改性乳化沥青的制备方法，按照以下步骤执行：
步骤一，将基质沥青加热至162℃，加入SBS改性剂，搅拌均匀后放入150℃的烘箱中溶胀45min，以3800r/min的转速在180℃的温度下剪切100min，制得SBS改性沥青。
步骤二，在SBS改性沥青中加入多聚磷酸，搅拌17min后在155℃烘箱中发育42min，制得乳化用的SBS/PPA复合改性沥青。
步骤三，加入聚乙烯醇、加入65℃的热水搅拌均匀；然后添加催干剂二甲基亚砜并搅拌均匀，再依次加入无水氯化钙和乳化剂，利用工业盐酸调节PH至2，制得皂液。
步骤四，将皂液加入到胶体磨的沥青罐内，加热保持温度55℃。
步骤五，将加热至165℃的SBS/PPA复合改性沥青加入到胶体磨的沥青罐内，乳化2min，制得SBS/PPA复合改性乳化沥青。
步骤六，将集料在140℃的烘箱中烘干6h后冷却至室温，然后倒入拌合锅中进行常温机械拌合，拌合时间为90s。
步骤七，将水加入到拌合锅中，机械拌合120s，使集料完全润湿。
步骤八，添加步骤五中制备的SBS/PPA复合改性乳化沥青，机械拌和100s，使SBS/PPA复合改性乳化沥青均匀裹敷于集料表面。
步骤九，将矿粉和水泥混合均匀，然后添加到拌合锅中，常温机械拌合180s，制得早强沥青冷补料。
实施例2：高性能冷补料
本实施例与上述实施例1的差别仅在于各原材料的组成与配比不同。本实施例给出的SBS/PPA复合改性乳化沥青冷补料，以质量分数计，由以下原材料组成：基质沥青4.5％，SBS改性剂0.2％，多聚磷酸0.02％，催干剂0.11％，乳化剂0.09％，无水氯化钙0.016％，聚乙烯醇0.016％，集料84％，矿粉4％，水泥4％，余量为水，原材料的质量分数之和为100％。
上述SBS/PPA复合改性乳化沥青的制备方法，按照以下步骤执行：
步骤一，将基质沥青加热至170℃，加入SBS改性剂，搅拌均匀后放入140℃的烘箱中溶胀47min，以3900r/min的转速在170℃的温度下剪切80min，制得SBS改性沥青。
步骤二，在SBS改性沥青中加入多聚磷酸，搅拌19min后在157℃烘箱中发育47min，制得乳化用的SBS/PPA复合改性沥青。
步骤三，加入聚乙烯醇、加入65℃的热水搅拌均匀；然后添加催干剂二甲基亚砜并搅拌均匀，再依次加入无水氯化钙和乳化剂，利用工业盐酸调节PH至2.5，制得皂液。
步骤四，将皂液加入到胶体磨的沥青罐内，加热保持温度60℃。
步骤五，将加热至168℃的SBS/PPA复合改性沥青加入到胶体磨的沥青罐内，乳化3min，制得SBS/PPA复合改性乳化沥青。
步骤六，将集料在150℃的烘箱中烘干5h后冷却至室温，然后倒入拌合锅中进行常温机械拌合，拌合时间为110s。
步骤七，将水加入到拌合锅中，机械拌合90s，使集料完全润湿。
步骤八，添加步骤五中制备的SBS/PPA复合改性乳化沥青，机械拌和90s，使SBS/PPA复合改性乳化沥青均匀裹敷于集料表面。
步骤九，将矿粉和水泥混合均匀，然后添加到拌合锅中，常温机械拌合190s，制得早强沥青冷补料。
实施例3：早强沥青冷补料
本实施例与上述实施例1的差别仅在于各原材料的组成与配比不同。所述的PPA/SBS复合改性乳化沥青冷补料，以质量分数计，由以下原材料组成：基质沥青5.0％，SBS改性剂0.25％，多聚磷酸0.03％，催干剂0.13％，乳化剂0.12％，无水氯化钙0.03％，聚乙烯醇0.02％，集料86％，矿粉4％，水泥2％，余量为水，原材料的质量分数之和为100％。
上述SBS/PPA复合改性乳化沥青的制备方法，按照以下步骤执行：
步骤一，将基质沥青加热至168℃，加入SBS改性剂，搅拌均匀后放入143℃的烘箱中溶胀50min，以4000r/min的转速在173℃的温度下剪切85min，制得SBS改性沥青。
步骤二，在SBS改性沥青中加入多聚磷酸，搅拌15min后在150℃烘箱中发育50min，制得乳化用的SBS/PPA复合改性沥青。
步骤三，加入聚乙烯醇、加入68℃的热水搅拌均匀；然后添加催干剂二甲基亚砜并搅拌均匀，再依次加入无水氯化钙和乳化剂，利用工业盐酸调节PH至3，制得皂液。
步骤四，将皂液加入到胶体磨的沥青罐内，加热保持温度50℃。
步骤五，将加热至160℃的SBS/PPA复合改性沥青加入到胶体磨的沥青罐内，乳化3min，制得SBS/PPA复合改性乳化沥青。
步骤六，将集料在148℃的烘箱中烘干4h后冷却至室温，然后倒入拌合锅中进行常温机械拌合，拌合时间为120s。
步骤七，将水加入到拌合锅中，机械拌合100s，使集料完全润湿。
步骤八，添加步骤五中制备的SBS/PPA复合改性乳化沥青，机械拌和85s，使SBS/PPA复合改性乳化沥青均匀裹敷于集料表面。
步骤九，将矿粉和水泥混合均匀，然后添加到拌合锅中，常温机械拌合195s，制得早强沥青冷补料。
实施例4：早强沥青冷补料
本实施例与上述实施例1的差别仅在于各原材料的组成与配比不同。所述的PPA/SBS复合改性乳化沥青冷补料，以质量分数计，由以下原材料组成：基质沥青4.1％，SBS改性剂0.21％，多聚磷酸0.02％，催干剂0.10％，乳化剂0.09％，无水氯化钙0.015％，有机稳定剂0.015％，集料84％，矿粉4％，水泥2％，余量为水，原材料的质量分数之和为100％。
上述SBS/PPA复合改性乳化沥青的制备方法，按照以下步骤执行：
步骤一，将基质沥青加热至160℃，加入SBS改性剂，搅拌均匀后放入148℃的烘箱中溶胀40min，以4100r/min的转速在178℃的温度下剪切95min，制得SBS改性沥青。
步骤二，在SBS改性沥青中加入多聚磷酸，搅拌20min后在150℃烘箱中发育40min，制得乳化用的SBS/PPA复合改性沥青。
步骤三，加入聚乙烯醇、加入70℃的热水搅拌均匀；然后添加催干剂二甲基亚砜并搅拌均匀，再依次加入无水氯化钙和乳化剂，利用工业盐酸调节PH至2，制得皂液。
步骤四，将皂液加入到胶体磨的沥青罐内，加热保持温度70℃。
步骤五，将加热至170℃的SBS/PPA复合改性沥青加入到胶体磨的沥青罐内，乳化4min，制得SBS/PPA复合改性乳化沥青。
步骤六，将集料在143℃的烘箱中烘干5h后冷却至室温，然后倒入拌合锅中进行常温机械拌合，拌合时间为100s。
步骤七，将水加入到拌合锅中，机械拌合110s，使集料完全润湿。
步骤八，添加步骤五中制备的SBS/PPA复合改性乳化沥青，机械拌和80s，使SBS/PPA复合改性乳化沥青均匀裹敷于集料表面。
步骤九，将矿粉和水泥混合均匀，然后添加到拌合锅中，常温机械拌合200s，制得早强沥青冷补料。
分别对上述对比例1的普通SBS改性乳化沥青冷补料和实施例1～4的SBS/PPA复合改性乳化沥青冷补料进行破乳速度和路用性能测试，具体过程如下：参照《沥青路面坑槽冷补成品料》(JT/T 972-2015)中的方法进行破乳速度、黏聚性能和强度性能测试；依据热拌沥青混合料的修正车辙试验进行高温车辙试验；参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)中的方法进行水稳定性试验和低温小梁弯曲试验。
具体参数如表1所示。
综合表1的试验结果可以看出，相较对比例中的普通乳化沥青冷补料而言，本发明所制备的早强高性能乳化沥青冷补料，其破乳速度较快，初始强度得到明显提高，且其黏聚性、成型强度、水稳定性和低温抗裂性均在一定程度上得到改善，其高温稳定性明显优于对比例，性价比较高，因此，能够具有较长的沥青路面使用寿命，降低修补路面二次破损的风险，同时，也说明本发明各原材料组分之间具有协同促进的作用。
表1改性乳化沥青冷补料性能指标
本发明采用自行研制的乳化沥青作为冷补料的胶结材料，PPA的加入改善了SBS与沥青的相容性，使得SBS对沥青的改性效果得以充分发挥，有效改善了SBS改性乳化沥青的性能，从而有效提高了SBS改性乳化沥青冷补料的路用性能；DMSO的结构及高极性使其具有较佳的吸水性和催干性，因此能够促使乳化沥青冷补料的强度迅速成型，提高其早期强度，从而达到尽快开放交通的目的。同时，本发明的制备工艺简单，施工方便快捷，生产成本较低，具有良好的应用价值和经济效益。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种早强沥青冷补料，其特征在于，原材料以质量分数计，包括：基质沥青3.8％～5.0％，SBS改性剂0.15％～0.25％，多聚磷酸0.01％～0.03％，催干剂0.08％～0.13％，乳化剂0.07％～0.12％，无机稳定剂0.01％～0.03％，有机稳定剂0.01％～0.02％，集料82％～88％，矿粉4％～8％，水泥0％～4％，余量为水。
2.根据权利要求1所述的早强沥青冷补料，其特征在于，以质量分数计，基质沥青4.1％～5.0％，SBS改性剂0.21％，多聚磷酸0.02％，催干剂0.10％，乳化剂0.09％，无机稳定剂0.015％，有机稳定剂0.015％，集料84％，矿粉4％，水泥2％，余量为水。
3.一种早强沥青冷补料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一，在SBS改性沥青中加入多聚磷酸，搅拌15min～20min后在150℃～160℃温度下发育40min～50min，制得乳化用的SBS/PPA复合改性沥青；
步骤二，在65℃～70℃的水中加入有机稳定剂搅拌均匀；然后添加催干剂并搅拌均匀，再依次加入无机稳定剂和乳化剂，利用工业盐酸调节PH至2～3，制得皂液；
步骤三，将皂液加热保持温度50～70℃；
步骤四，将SBS/PPA复合改性沥青加热至160℃～170℃，乳化2min～4min，制得SBS/PPA复合改性乳化沥青。
步骤五，将集料在140℃～150℃温度下烘干4h-6h后冷却至室温，然后进行拌合，拌合时间为90s～120s；
步骤六，将水加入到集料中，拌合90s～120s，使集料完全润湿；
步骤七，向集料中添加步骤四中制备的SBS/PPA复合改性乳化沥青，拌和80s～100s，使SBS/PPA复合改性乳化沥青均匀裹敷于集料表面；
步骤八，将矿粉和水泥混合均匀，添加到集料中，拌合180s～200s，制得早强沥青冷补料。
4.根据权利要求3所述的复合改性乳化沥青的制备方法，其特征在于，SBS改性沥青的制备过程为：将基质沥青加热至160～170℃，加入SBS改性剂，搅拌均匀后在140℃～150℃的温度下溶胀40min～50min，以3800r/min～4100r/min的转速在170℃～180℃的温度下剪切80min～100min，制得SBS改性沥青。
5.根据权利要求4所述的复合改性乳化沥青的制备方法，其特征在于，以质量分数计，基质沥青3.8％～5.0％，SBS改性剂0.15％～0.25％，多聚磷酸0.01％～0.03％，催干剂0.08％～0.13％，乳化剂0.07％～0.12％，无机稳定剂0.01％～0.03％，有机稳定剂0.01％～0.02％，集料82％～88％，矿粉4％～8％，水泥0％～4％，余量为水。
6.根据权利要求3所述的复合改性乳化沥青的制备方法，其特征在于，催干剂采用二甲基亚砜。
7.根据权利要求3所述的复合改性乳化沥青的制备方法，其特征在于，乳化剂为胺化改性木质素阳离子慢裂快凝型乳化剂，以质量分数计，包括26％的木质素、10％的三甲胺盐酸盐、7％的甲醛溶液、5％的氢氧化钠和52％的蒸馏水。
8.根据权利要求3所述的复合改性乳化沥青的制备方法，其特征在于，无机稳定剂采用颗粒状的无水氯化钙，无水氯化钙含量≥90％。
9.根据权利要求3所述的复合改性乳化沥青的制备方法，其特征在于，有机稳定剂采用粉末状的聚乙烯醇，聚乙烯醇含量≥96％。
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