CN113735483A - 一种纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂 - Google Patents

一种纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂 Download PDF

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Abstract

本发明属于工程材料技术领域，具体涉及一种纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，所述添加剂以天然岩沥青为主要原料，辅以废胎胶粉、聚合物、纳米硅藻土、木质素纤维、纳米氧化锌等原料，有效改善沥青混合料的弹性、粘合性与刚性，从而显著提高复配岩改性沥青混合料的高温抗变形能力、低温抗裂能力及抗水损能力。

Description

一种纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂
技术领域
本发明属于工程材料技术领域，具体涉及一种纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂。
背景技术
普通石油沥青自身的组成和结构决定了其高低温稳定性差，高温易流淌，低温易脆裂，弹性和耐老化性不足，普通石油沥青难以满足高等级公路使用要求。对普通石油沥青进行改性是路用石油沥青路面材料的现实需求。推广应用绿色环保路用改性沥青复合材料已经成为建设资源节约型、环境友好型路用材料的必然之路。
岩沥青是石油在岩石夹缝经过长达亿万年的沉积、变化，在热、压力、氧化、触媒、微生物的综合作用下生成的沥青类物质，是一种分子量较大的天然固体沥青。我国交通运输部2014年8月下发了《关于印发公路水路交通运输主要技术政策的通知》([2014]165号文件)鼓励推广应用天然岩沥青等改性沥青混合料。岩沥青作为沥青类固体物质，性质稳定，抗氧化性强，与集料的粘结能力强，是一种天然优良的石油基沥青改性剂，已经应用于道路石油沥青改性及工程实践应用。
但由于产地、来源等因素的影响，在实践中天然岩沥青作为改性剂还存在高温抗变形能力、抗水损能力还不够稳定、低温抗裂性不足等缺点，过多岩沥青也会导致沥青延展性降低等问题，因此有待深入开发新型纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题，本发明提供了一种纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，能提高路用改性沥青复合材料的高温抗变形性能、抗水损性能以及低温抗裂性能。
本发明的技术方案为：
一种纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，由以下重量份的原料配制而成：岩沥青30-40份、废胎胶粉20-30份、聚合物1-20份、纳米硅藻土1-10份、木质素纤维10-20份、纳米氧化锌5-10份。
进一步地，所述聚合物选自低密度聚乙烯LDPE、高密度聚乙烯HDPE、聚丙烯PP中的一种或多种。
本发明所述岩沥青中，天然沥青含量＞30％，软化点＞80℃，碳酸钙＞30wt％，闪点温度＞250℃，加热损失＜2.0％，含水量＜2％，颗粒最大粒径＜1.5毫米。
所述废胎胶粉中，橡胶烃含量＞50％，所述金属含量＜0.5％，所述胶粉粒径＜0.5毫米。
本发明所述纳米硅藻土，粒径为15-100nm，纳米二氧化硅含量>90％。
本发明所述纳米氧化锌的平均粒径为25-30nm。
本发明所述木质素纤维中，木质素纯度＞80％。
本发明所述的纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂的制备方法，包括以下步骤：
S1.按重量份称取岩沥青、聚合物、废胎胶粉、木质素纤维，破碎、加热到30-35℃干燥后过筛，控制破碎后的颗粒最大粒径小于1.0mm；
S2.将步骤S1处理后获得的颗粒与纳米硅藻土和纳米氧化锌搅拌，混合均匀，造粒，即得到所述纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂。
本发明还提供了上述的纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂在制备沥青混合料的应用。
进一步地，所述沥青混合料的制备方法包括以下步骤：
将集料加热至185-195℃，泵入所述纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂干拌10s-15s，后喷入加热至150-160℃的基质沥青湿拌30-50s，出料，得到所述沥青混合料。
优选地，所述油石比控制在3.5-5％；所述纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂的掺量为所述沥青混合料重量的2-3％，所述出料温度控制在170-180℃。
由于采用上述技术方案，本发明的有益效果为：
以上所述的纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，添加了岩沥青、废胎胶粉、聚合物、纳米硅藻土、木质素纤维、纳米氧化锌。其中：
聚合物改性剂对沥青进行改性主要是因为聚合物改性沥青在低温时具有更好的延伸性可以减少沥青混合料的开裂，而在高温时具有更好的抗变形能力可以减少路面车辙，同时还可以增加沥青混合料的强度和稳定性，提高沥青混合料的抗磨损性。
废胎胶粉的加入可以提高改性沥青的等粘温度、抗氧化性以及硬度等，同时也使沥青分子间内聚力下降，抗拉伸应变能力下降。
木质素纤维添加到沥青中，木质素会吸持沥青组分中的芳香酚和饱和酚，增加沥青质的含量，从而降低沥青的玻璃转化温度和吸热量，增强其低温性能和热稳定性，木质素与沥青混合后，会在两相间形成一个纤维-沥青界面结构，该结构粘弹性的强弱决定着沥青胶浆的开裂性能和稳定性。
纳米硅藻土：纳米材料具有特有的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，可对沥青进行复合改性，不仅可以提高沥青路用性能，且由于岩沥青本身含有一定份量的天然沥青，还可降低油石比，节约成本又节能减排；通过纳米硅藻土可发挥纳米尺寸效应，可与聚合物、岩沥青及基质沥青发生相互作用，从而提高沥青混合料高温抗变形能力、抗水损能力、抗老化、延展性等综合性能。
纳米ZnO与沥青具有较好的相容性，在基质沥青中加入纳米ZnO能够改善其基本性能，表现在能够降低针入度，提高软化点，提高低温延度；纳米ZnO能够提高沥青在受到荷载及温度作用时抵抗应变的能力，并能够使改性沥青在较高温度时表现出一定程度的弹性恢复。纳米ZnO对于紫外光具有极强的吸收特性，能够达到95％以上，可进一步提高沥青抗老化的性能；
本发明以天然岩沥青为主要原料，辅以废胎胶粉、聚合物、纳米硅藻土、木质素纤维、纳米氧化锌等原料，有效改善沥青混合料的弹性、粘合性与刚性，从而显著提高复配岩改性沥青混合料的高温抗变形能力、低温抗裂能力及抗水损能力。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，由以下重量份的原料配制而成：岩沥青35份、废胎胶粉25份、低密度聚乙烯LDPE10份、纳米硅藻土5份、木质素纤维15份、纳米氧化锌10份。
实施例2
一种纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，由以下重量份的原料配制而成：岩沥青30份、废胎胶粉30份、高密度聚乙烯HDPE1份、纳米硅藻土10份、木质素纤维10份、纳米氧化锌10份。
实施例3
一种纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，由以下重量份的原料配制而成：岩沥青40份、废胎胶粉20份、聚丙烯PP20份、纳米硅藻土1份、木质素纤维20份、纳米氧化锌5份。
为了进一步说明本发明的技术效果，申请人设置了如下对比例。
对比例1
与实施例1基本相同，区别在于，对比例1不添加有废胎胶粉。
具体如下：
一种纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，由以下重量份的原料配制而成：岩沥青35份、低密度聚乙烯LDPE10份、纳米硅藻土5份、木质素纤维15份、纳米氧化锌10份。
对比例1的纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂的制备方法，包括以下步骤：
S1.按重量份称取岩沥青、聚合物、木质素纤维，破碎、加热到30-35℃干燥后过筛，控制破碎后的颗粒最大粒径小于1.0mm；
S2.将步骤S1处理后获得的颗粒与纳米硅藻土和纳米氧化锌搅拌，混合均匀，造粒，即得到所述纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂。
对比例2
与实施例1基本相同，区别在于，对比例2不添加有木质素纤维。
具体如下：
一种纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，由以下重量份的原料配制而成：岩沥青35份、废胎胶粉25份、低密度聚乙烯LDPE10份、纳米硅藻土5份、纳米氧化锌10份。
对比例2的纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂的制备方法，包括以下步骤：
S1.按重量份称取岩沥青、聚合物、废胎胶粉，破碎、加热到30-35℃干燥后过筛，控制破碎后的颗粒最大粒径小于1.0mm；
S2.将步骤S1处理后获得的颗粒与纳米硅藻土和纳米氧化锌搅拌，混合均匀，造粒，即得到所述纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂。
对比例3
与实施例1基本相同，区别在于，对比例3采用玄武岩纤维替换木质素纤维。
具体如下：
一种纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，由以下重量份的原料配制而成：岩沥青35份、废胎胶粉25份、低密度聚乙烯LDPE10份、纳米硅藻土5份、玄武岩纤维15份、纳米氧化锌10份。
对比例1的纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂的制备方法，包括以下步骤：
S1.按重量份称取岩沥青、聚合物、废胎胶粉、玄武岩纤维，破碎、加热到30-35℃干燥后过筛，控制破碎后的颗粒最大粒径小于1.0mm；
S2.将步骤S1处理后获得的颗粒与纳米硅藻土和纳米氧化锌搅拌，混合均匀，造粒，即得到所述纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂。
上述实施例和对比例中，原料参数要求如下：
所述岩沥青中，天然沥青含量＞30％，软化点＞80℃，碳酸钙＞30wt％，闪点温度＞250℃，加热损失＜2.0％，含水量＜2％，颗粒最大粒径＜1.5毫米。
所述废胎胶粉中，橡胶烃含量＞50％，所述金属含量＜0.5％，所述胶粉粒径＜0.5毫米。
所述纳米硅藻土，粒径为15-100nm，纳米二氧化硅含量>90％。
所述纳米氧化锌的平均粒径为25-30nm。
所述木质素纤维中，木质素纯度＞80％。
上述实施例的纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂的制备方法，包括以下步骤：
S1.按重量份称取岩沥青、聚合物、废胎胶粉、木质素纤维，破碎、加热到30-35℃干燥后过筛，控制破碎后的颗粒最大粒径小于1.0mm；
S2.将步骤S1处理后获得的颗粒与纳米硅藻土和纳米氧化锌搅拌，混合均匀，造粒，即得到所述纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂。
将上述实施例1-3和对比例1-3的纳米复合天然岩改性沥青混合料用于改性沥青，具体包括以下步骤：
将集料加热至185℃，泵入所述纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂干拌12s，后喷入加热至155℃的基质沥青湿拌50s，出料，得到所述沥青混合料。
其中，油石比控制在5％；所述纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂的掺量为所述沥青混合料重量的3％，所述出料温度控制在175℃。
其中，所述集料为天然集料，包括碎石、河沙；所述基质沥青为70号石油沥青。
将上述拌和好的沥青混合料按照压实温度进行试件成型。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTGE20-2011中T0702-2011、T0709-2011的试验方法，采用最佳油石比成型马歇尔试件，进行浸水马歇尔试验。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTGE20-2011中T0702-2011的试验方法，采用最佳油石比双面各击实50次成型马歇尔试件，按照T0729-2000方法进行冻融劈裂试验。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTGE20-2011中T0719-2011的试验方法，在试验温度60℃±1℃、荷载轮压0.7MPa±0.05MPa条件下进行车辙试验，检验混合料高温稳定性性能。检测结果如表1所示。
表1
60℃动稳定性(次/mm) 冻融劈裂强度(％) 残留稳定度(％)
实施例1 14593 96 90
实施例2 13985 97 92
实施例3 12986 93 95
对比例1 10355 91 84
对比例2 11365 89 86
对比例3 9852 86 82
从对比例1-3与实施例1的对比可以看出，本发明的组分设置合理，复配后协同作用明显。
本发明的纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂应用于沥青改性中，在我国实体沥青道路铺设中都取得了显著的成效，各项指标均优于交通部的标准，其中纳米复合天然岩改性沥青混合料的高温抗车辙性能比交通部标准(JT/T860.5-2014)提高约4倍，动稳定度平均可达12000次/mm以上，纳米复合天然岩改性沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度、冻融劈裂强度均比交通部标准(JT/T860.5-2014)提高，比同类产品性能更优秀。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，其特征在于，由以下重量份的原料配制而成：岩沥青30-40份、废胎胶粉20-30份、聚合物1-20份、纳米硅藻土1-10份、木质素纤维10-20份、纳米氧化锌5-10份。
2.根据权利要求1所述的纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，其特征在于，所述聚合物选自低密度聚乙烯LDPE、高密度聚乙烯HDPE、聚丙烯PP中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，其特征在于，所述岩沥青中，天然沥青含量＞30％，软化点＞80℃，碳酸钙＞30wt％，闪点温度＞250℃，加热损失＜2.0％，含水量＜2％，颗粒最大粒径＜1.5毫米。
所述废胎胶粉中，橡胶烃含量＞50％，所述金属含量＜0.5％，所述胶粉粒径＜0.5毫米。
4.根据权利要求1所述的纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，其特征在于，所述纳米硅藻土，粒径为15-100nm，纳米二氧化硅含量>90％。
5.根据权利要求1所述的纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，其特征在于，所述纳米氧化锌的平均粒径为25-30nm。
6.根据权利要求1所述的纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，其特征在于，所述木质素纤维中，木质素纯度＞80％。
7.根据权利要求1-6任一所述的纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.按重量份称取岩沥青、聚合物、废胎胶粉、木质素纤维，破碎、加热到30-35℃干燥后过筛，控制破碎后的颗粒最大粒径小于1.0mm；
S2.将步骤S1处理后获得的颗粒与纳米硅藻土和纳米氧化锌搅拌，混合均匀，造粒，即得到所述纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂。
8.权利要求1-6任一所述的纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂在制备沥青混合料的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述沥青混合料的制备方法包括以下步骤：
将集料加热至185-195℃，泵入所述纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂干拌10s-15s，后喷入加热至150-160℃的基质沥青湿拌30-50s，出料，得到所述沥青混合料。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述油石比控制在3.5-5％；所述纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂的掺量为所述沥青混合料重量的2-3％，所述出料温度控制在170-180℃。
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