CN113845780B - 一种低耗散能温拌高粘改性沥青及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低耗散能温拌高粘改性沥青及其制备方法和应用，改性沥青的组成：石油沥青、氢化丁苯橡胶HSBR和热塑性弹性体SBS共混物、WLST改性剂、有机高分子内部润滑剂、LTSP温拌剂和稳定剂。制备方法为将氢化丁苯橡胶破碎成颗粒，与SBS混合，后经粉碎机制成更细小的弹性体颗粒A；将弹性体颗粒A、WLST改性剂，有机高分子内部润滑剂混合，制得低耗散能沥青改性剂；在反应釜中将石油沥青加热，然后加入低耗散能沥青改性剂，经胶体磨研磨，随即加入稳定剂，搅拌发育，最后加入LTSP温拌剂，继续等速搅拌发育，制得低耗散能温拌高粘改性沥青。本发明可有效降低路面的滚动阻力，达到车辆在行驶过程中节能减排的目的。

Description

一种低耗散能温拌高粘改性沥青及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及建筑节能材料(交通运输工程)领域，具体涉及一种低耗散能温拌高粘改性沥青及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着我国道路工程建设的迅速发展，交通量和交通荷载逐年增加，对公路路面材料的性能要求越来越高。高粘改性沥青以其粘度大、对集料粘附性强的特点，被广泛应用于高速公路、桥面铺装及一些特殊工程中。热拌高粘沥青混合料中沥青与矿料的拌合温度在180℃-185℃，其高温拌合、运输及摊铺所造成的沥青老化、废气和粉尘排放、能源消耗加大及生产成本增加等问题困扰着道路工作者。而冷拌沥青混合料虽然具有环保、节能的优势，但其路用性能不足以应用在桥面铺装、透水路面等对胶结料要求苛刻的领域，只能用于沥青路面的养护、低交通量的路面和中重交通量路面的下面层。基于此，施工拌合温度介于热拌和冷拌之间，且路用性能优异的温拌沥青混合料技术应运而生，其目的在于实现沥青混合料的清洁生产，探寻低碳、环保的发展之路。

另一方面，车辆在行驶过程中，滚动阻力主要来自克服轮胎变形和路面变形所消耗的功。其中轮胎变形主要与载重和胎压有关，路面变形主要与沥青材料与路面结构形变有关。沥青材料在正弦交变拉伸应力荷载下的应变延迟和能量损耗是产生阻尼的最主要因素，这也是耗散能产生的根本原因。相关研究表明，乘用车大约20％的燃油消耗直接用于克服实际行驶过程中的滚动阻力，对于轻型商用车，这一比例约为40％，而滚动阻力每降低10％，综合油耗减少约0.8％。同时，沥青在加载卸载过程中存在弹性滞回现象，弹性滞回现象与体系的耗散能相关，其中不可逆形变产生的滞后损失转化为热能，使沥青内部温度上升，这种现象称之为生热。在重复荷载作用下，沥青材料内部动态生热，温度升高，体系耗散能增加，导致沥青弹性模量降低，损失模量增加，沥青由弹性向粘性转变，易产生流动变形，集料颗粒产生位移，形成永久变形，沥青路面产生车辙病害。

基于以上问题，在制备温拌高粘改性沥青的同时，对沥青材料进一步改性，获得低耗散能的温拌高粘改性沥青材料，可以达到降低沥青路面滚动阻力和内生热的效果，进而铺筑节能低碳、抗车辙的长寿命沥青路面。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种低耗散能温拌高粘改性沥青及其制备方法，本发明通过加入LTSP温拌剂和WLST改性剂制备低耗散能温拌高粘改性沥青，在60℃、10Hz条件下，进行DSR试验，检测改性沥青复数模量G^*大于10KPa，相位角δ介于50～60°之间，在135℃温度下进行旋转粘度试验，改性沥青135℃粘度为2.86Pa·s。该低耗散能温拌高粘改性沥青相比现有的高粘改性沥青，拌合温度降低20～30℃，相位角降低15～25％，减少了内生热，车辆的油耗下降，在减少能源消耗的同时，提升路面的抗车辙性能。

改性沥青质量指标满足现行规范技术要求。

具体的，本发明涉及以下技术方案：

一种低耗散能温拌高粘改性沥青，其由以下组分组成：80～90％石油沥青、5～8％氢化丁苯橡胶HSBR和热塑性弹性体SBS共混物、0.5～2.5％WLST改性剂、3～8％有机高分子内部润滑剂、1～3％LTSP温拌剂和0.1～0.2％稳定剂。

优选的，所述石油沥青为70#或90#A级道路石油沥青。石油沥青在低耗散能温拌高粘改性沥青制备过程中作为基体，为改性剂和添加剂等提供液相介质环境。

优选的，HSBR和SBS的重量比为35～55：45～65％。热塑性弹性体是改善改性沥青路用性能的主要成分，可提高改性沥青混合料的高温性能、抗水损害性能和低温性能。其用量不易过多，过多虽然可以小幅度降低损耗因子tanδ，但是导致改性沥青的粘度增加施工和易性差，且成本升高，太少时改性沥青的模量不足，抗车辙性能下降，影响改性沥青的路用性能。

优选的，WLST改性剂为羧基多壁碳纳米管、抗剥落剂和增塑剂的混合物。多壁碳纳米管在经过化学接枝后形成羧基多壁碳纳米管，不仅可以提升聚合物改性沥青的韧性、热稳定性、耐寒性和耐磨性。同时，羧基多壁碳纳米管附着在热塑性橡胶分子链上，可以限制分子链的摆动，减少改性沥青的内生热，从而降低改性沥青材料的耗散能。更优选的，所述的羧基多壁碳纳米管的长度不超过1000nm，长径比大于100；所述的抗剥落剂为乙酰胺四乙酸二钠盐或四钠盐；所述的增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、对苯二甲酸二辛酯中的至少一种。

优选的，有机高分子内部润滑剂为脂肪酸酰胺类产品，优选为乙撑双脂肪酸酰胺、硬脂酸酰胺、乙撑双硬脂酰胺中的至少一种。有机高分子内部润滑剂主要作用是分散和润滑。一是使羧基多壁碳纳米管能够尽可能地均匀分散附着在高分子橡胶的分子链上，防止羧基多壁碳纳米管团聚，影响分散效率；二是可以润滑热塑性橡胶的分子滑动，减少分子滑动摩擦阻力，从而减少橡胶分子内生热。其还可增加沥青的低温粘度，提高沥青混合料的模量，提升抗车辙能力。

优选的，LTSP温拌剂为非离子表面活性剂或阳离子表面活性剂，更优选为司盘S-60，司盘S-80，吐温，或司盘和吐温的混合物。

优选的，稳定剂为油酸、亚油酸及棕榈酸按30％：20％：50％的质量比例组成的共混物。

本发明所述的低耗散能温拌高粘改性沥青，具有良好的流变性能，其相位角由最初的60～80°下降到50～60°，即相位角下降接近20％，改性沥青满足现行规范I-D的技术要求。

上述低耗散能温拌高粘改性沥青的制备方法，包括如下步骤：

1)首先将氢化丁苯橡胶破碎成颗粒，与SBS按比例混合，后经粉碎机制成更细小的弹性体颗粒A。

2)将步骤1)中弹性体颗粒A、WLST改性剂，有机高分子内部润滑剂按比例混合，搅拌均匀制得低耗散能沥青改性剂；

3)低耗散能温拌高粘改性沥青制备：在反应釜中将石油沥青加热到具有良好的流动状态，然后加入步骤2)获得的低耗散能沥青改性剂，经胶体磨研磨至无明显颗粒，随即加入稳定剂，搅拌发育，最后加入LTSP温拌剂，继续等速搅拌发育，制得低耗散能温拌高粘改性沥青。

进一步的，步骤1)中，弹性体颗粒A大小为30～50目；

进一步的，步骤2)中，弹性体颗粒A、WLST改性剂、有机高分子内部润滑剂混合比例为50％：16％：34％(质量分数)；优选的，WLST改性剂由以下三种材料组成：羧基多壁碳纳米管45～65％、抗剥落剂15～25％、增塑剂10～30％，所述搅拌时间为5～10分钟，搅拌速度为：400～800r/min；

进一步的，步骤3)中，加热温度为：175～180℃；

优选的，步骤3)中，所述低耗散能沥青改性剂掺量为10％；

优选的，步骤3)中，所述胶体磨研磨40min～60min；更优选的，胶体磨研磨时间为45min；

优选的，步骤3)中，加入稳定剂后，搅拌发育40min～60min；更优选的，搅拌时间为45min；

优选的，步骤3)中，加入LTSP温拌剂后，搅拌发育10min～30min；更优选的，搅拌时间为15min。

本发明还包括，上述低耗散能温拌高粘改性沥青在透水路面建设、桥面铺装建设、机场跑道建设等中的应用。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明通过化学接枝的方法，制得WLST改性剂，进而获得低耗散能温拌高粘改性沥青，该产品在保证降低一定拌合温度的同时，弥补了温拌剂的添加增大内生热的部分，同时使相位角下降15～25％，至50～60°，减少改性沥青的耗散能。

本发明对沥青材料适当改性，制备低耗散能温拌高粘改性沥青，该沥青可有效降低路面的滚动阻力，达到车辆在行驶过程中节能减排的目的。

本发明制备的低耗散能温拌高粘改性沥青可用于桥面铺装、透水路面等工程，相比传统添加高掺量聚合物制备高粘改性沥青的方式，本发明可在降低生产成本的基础上，提升改性沥青的性能。该产品具有降低施工拌合温度，减少能源消耗的优点。同时，在相同动荷载的重复作用下，可降低改性沥青内生热，提升沥青路面的高温性能，进而延长道路的使用寿命。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

本发明中的“％”均是指质量百分数或者重量百分数。

实施例1一种低耗散能温拌高粘改性沥青及其制备方法

(1)首先将氢化丁苯橡胶HSBR和SBS按35％：65％的比例混合，用高压粉碎机将混合物粉碎到30～50目，得到弹性体颗粒A。

(2)将羧基多壁碳纳米管、抗剥落剂和增塑剂按45％：25％：30％的比例在小型搅拌机种混合5分钟，转速为400r/min，得到WLST改性剂；

所述的羧基多壁碳纳米管的长度不超过1000nm，长径比大于100；所述的抗剥落剂为乙酰胺四乙酸二钠盐；所述的增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯。

(3)将司盘S-80、司盘S-60与吐温的共混物按25％：30％：45％的比例在烧杯中混合搅拌，水浴温度为75℃，得到LTSP温拌剂。

(4)将弹性体颗粒A与WLST改性剂和有机高分子内部润滑剂按50％：10％：40％的比例在高速剪切搅拌设备中混合8分钟，获得低耗散能沥青改性剂I-B；

所述有机高分子内部润滑剂为乙撑双脂肪酸酰胺。

(5)低耗散能温拌高粘改性沥青制备：在反应釜中将88％的70#道路石油沥青加热到175～180℃，步骤(4)制得的低耗散能温拌沥青改性剂I-B按10％均匀加入，胶体磨研磨45min，外掺0.16％的稳定剂(油酸、亚油酸及棕榈酸按30％：20％：50％的质量比例组成的共混物)，搅拌45分钟后加入2％LTSP温拌剂，继续搅拌15分钟得到低耗散能温拌高粘改性沥青。

表1低耗散能温拌高粘改性沥青技术指标

由表1可见，低耗散能温拌高粘改性沥青的所有指标均满足现行规范技术要求，复数模量G^*增加效果较为明显，相位角δ与添加WLST前相比降低了24％，也同样达到了设计目标，说明以此配方制得的温拌高粘改性沥青具有较低的耗散能。

实施例2一种低耗散能温拌高粘改性沥青及其制备方法

(1)首先将氢化丁苯橡胶HSBR和SBS按45％：55％的比例混合，用高压粉碎机将混合物粉碎到30～50目，得到弹性体颗粒A。

(2)将羧基多壁碳纳米管、抗剥落剂和增塑剂按55％：20％：25％的比例在小型搅拌机种混合8分钟，转速为600r/min，得到WLST改性剂；

所述的羧基多壁碳纳米管的长度不超过1000nm，长径比大于100；所述的抗剥落剂为乙酰胺四乙酸二钠盐；所述的增塑剂为对苯二甲酸二辛酯。

(3)将司盘S-80、司盘S-60与吐温的共混物按20％：25％：55％的比例在烧杯中混合搅拌，水浴温度为80℃，得到LTSP温拌剂。

(4)将弹性体颗粒A与WLST改性剂和有机高分子内部润滑剂按48％：16％：36％的比例在高速剪切搅拌设备中混合10分钟，获得低耗散能沥青改性剂II-B；

所述有机高分子内部润滑剂为乙撑双硬脂酰胺和硬脂酸酰胺按质量比为1:2比例混合的混合物。

(5)低耗散能温拌高粘改性沥青制备：在反应釜中将86％的70#道路石油沥青加热到175～180℃，上述制得的低耗散能沥青改性剂II-B按12％均匀加入，胶体磨研磨45min，外掺0.14％的稳定剂，搅拌45分钟后加入2％LTSP温拌剂，继续搅拌15分钟得到低耗散能温拌高粘改性沥青。

表2低耗散能温拌高粘改性沥青技术指标

由表2可见，低耗散能温拌高粘改性沥青的所有指标均满足现行规范技术要求，复数模量G^*增加效果较为明显，相位角δ与添加WLST前相比降低了24％，也同样达到了设计目标，说明以此配方制得的温拌高粘改性沥青具有较低的耗散能。

实施例3

1、低耗散能温拌高粘改性沥青制备流程：

(1)首先将氢化丁苯橡胶HSBR和SBS按55：45的比例混合，用高压粉碎机将混合物粉碎到30～50目，得到弹性体颗粒A。

(2)将羧基多壁碳纳米管、抗剥落剂和增塑剂按65％：15％：20％的比例在小型搅拌机种混合10分钟，转速为600r/min，得到WLST改性剂；

所述的抗剥落剂为乙酰胺四乙酸四钠盐；所述的增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯。

(3)将司盘S-80、司盘S-60与吐温的共混物按30％：35％：35％的比例在烧杯中混合搅拌，水浴温度为85℃，得到LTSP温拌剂。

(4)将弹性体颗粒A与WLST改性剂和有机高分子内部润滑剂按52％：14％：34％的比例在高速剪切搅拌设备中混合12分钟，获得低耗散能沥青改性剂III-B；

所述有机高分子内部润滑剂为硬脂酸酰胺。

(5)低耗散能温拌高粘改性沥青制备：在反应釜中将82％的70#石油沥青加热到175～180℃，上述制得的低耗散能沥青改性剂III-B按16％均匀加入，胶体磨研磨45min，外掺0.18％的稳定剂，搅拌45分钟后加入2％LTSP温拌剂，继续搅拌15分钟得到低耗散能温拌高粘改性沥青。

表3低耗散能温拌高粘改性沥青技术指标

由表3可见，低耗散能温拌高粘改性沥青的所有指标均满足现行规范技术要求，复数模量G^*增加效果较为明显，相位角δ与添加WLST前相比降低了22％，也同样达到了设计目标，说明以此配方制得的温拌高粘改性沥青具有较低的耗散能。

本发明所述低耗散能温拌高粘改性沥青，温拌高粘改性沥青质量指标满足现行规范技术要求，具有良好的流变性能，温拌高粘改性沥青的相位角由现有的60～85°下降到50～60°，即相位角下降20％以上。

低耗散能温拌高粘改性沥青可以铺筑低耗散能沥青混合料路面，节省汽车燃油油耗和施工过程中的能源消耗，在重复荷载作用下，可以降低改性沥青的内生热，减少沥青路面的车辙病害，延长路面的使用寿命。

Claims (15)

1. 一种低耗散能温拌高粘改性沥青，其特征在于，改性沥青由以下组分组成：80~90%石油沥青、 5~8%氢化丁苯橡胶HSBR和热塑性弹性体SBS共混物、0.5~2.5%WLST改性剂、3~8%有机高分子内部润滑剂、1~3%LTSP温拌剂和0.1~0.2%稳定剂；

WLST改性剂由以下三种材料组成：羧基多壁碳纳米管45~65%、抗剥落剂15~25%、增塑剂10~30%；

所述的羧基多壁碳纳米管的长度不超过1000nm，长径比大于100；所述的抗剥落剂为乙酰胺四乙酸二钠盐或四钠盐；所述的增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、对苯二甲酸二辛酯中的至少一种；

所述有机高分子内部润滑剂选自乙撑双脂肪酸酰胺、硬脂酸酰胺、乙撑双硬脂酰胺中的至少一种；

所述LTSP温拌剂为司盘S-60、司盘S-80和吐温的共混物。

2.根据权利要求1所述的低耗散能温拌高粘改性沥青，其特征在于，所述石油沥青为70#或90#A级道路石油沥青。

3.根据权利要求1所述的低耗散能温拌高粘改性沥青，其特征在于，HSBR和SBS的重量比为35~55%：45~65%。

4.根据权利要求1所述的低耗散能温拌高粘改性沥青，其特征在于，所述稳定剂为油酸、亚油酸及棕榈酸按30%：20%：50%的质量比例组成的共混物。

5.如权利要求1-4任一项所述低耗散能温拌高粘改性沥青的制备方法，步骤如下：

1）首先将氢化丁苯橡胶破碎成颗粒，与SBS按比例混合，后经粉碎机制成更细小的弹性体颗粒A；

2）将步骤1）中弹性体颗粒A与WLST改性剂，有机高分子内部润滑剂按比例混合，搅拌均匀制得低耗散能沥青改性剂；

3）低耗散能温拌高粘改性沥青制备：在反应釜中将石油沥青加热到具有良好的流动状态，然后加入步骤2）获得的低耗散能沥青改性剂，经胶体磨研磨至无明显颗粒，随即加入稳定剂，搅拌发育，最后加入LTSP温拌剂，继续等速搅拌发育，制得低耗散能温拌高粘改性沥青。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中，弹性体颗粒A大小为30~50目。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中，加热温度为：175~180℃；所述低耗散能沥青改性剂掺量为10%。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中，所述胶体磨研磨40min~60min。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中，胶体磨研磨时间为45min。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中，加入稳定剂后，搅拌发育40min~60min。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中，加入稳定剂后，搅拌时间为45min。

12.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中，加入LTSP温拌剂后，搅拌发育10min~30min。

13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中，加入LTSP温拌剂后，搅拌时间为15min。

14.如权利要求1-4任一项所述低耗散能温拌高粘改性沥青在透水路面建设、桥面铺装建设、机场跑道建设中的应用。

15.如权利要求5-13任一项制备方法获得的低耗散能温拌高粘改性沥青在透水路面建设、桥面铺装建设、机场跑道建设中的应用。