CN114133154A - 一种酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂及其使用方法 - Google Patents

一种酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于沥青混凝土的技术领域，具体的涉及一种酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂及其使用方法。所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂，包括用以分散于沥青混合料用矿粉中的微米级无机粉体和用以分散于沥青混合料用沥青中的有机偶联剂。该抗剥落剂不仅可有效提高破碎卵石等酸性集料与沥青的粘附性，而且可以利用沥青混合料原有成分作为分散剂，实现抗剥落剂的均匀分散，减少抗剥落剂用量。

Description

一种酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂及其使用方法
技术领域
本发明属于沥青混凝土的技术领域，具体的涉及一种酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂及其使用方法。
背景技术
目前在公路建设中，一般采用石灰岩等碱性集料作为筑路材料，但碱性材料在地球表面分布较少，加上国家多生态环境保护力度的加强，造成优质碱性筑路材料紧缺。结构紧密、耐磨、抗滑的酸性集料，即SiO2质量分数大于66％的集料，如花岗岩、石英岩、砂岩等在地表有大量分布，若其作为路面面层沥青混凝土用集料，可大大缓解目前集料短缺的困境。由于酸性集料的表面有较强的亲水性，与油性的沥青粘附不牢，在雨水、地下水及雪水的作用下，沥青极易从集料表面剥落，从而导致公路沥青路面的破坏，即为水损害、松散、剥落等病害，严重影响沥青路面的质量。目前解决这一问题的主要办法是在沥青混合料中加入抗剥落剂以提高沥青与酸性集料之间的粘结力。抗剥离剂与集料表面形成物理吸附或依靠其特殊的化学结构使其与集料进行化合反应，进而形成强而有力的化学纽带，从而提高了沥青与集料之间的粘附性，使沥青路面具有良好的抗热老化性及抗水损害性。
目前抗剥落剂的种类繁多，大致分为无机类抗剥落剂、有机抗剥落剂。对于无机类抗剥落剂以石灰为代表，虽然其成本低、性能较好，但使用工艺复杂且难以在沥青混合料中均匀混合。对于有机抗剥落剂主要分为胺类和非胺类，如胺类物质遇热易分解，且其在酸性集料表面仅发生物理吸附，所以长期效果较差。可见现有有机抗剥落剂的质量参差不齐，稳定性差，价格昂贵且添加量大，道路铺筑造价高。
发明内容
本发明的目的在于针对目前抗剥落剂分散性差，粘附性结构不稳定、成本高的缺陷而提供一种酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂及其使用方法，将该微米级抗剥落剂掺入酸性集料沥青混合料中，可以有效提高破碎卵石等酸性集料与沥青的粘附性，大大提升酸性集料沥青混合料的路用性能，有效减少抗剥落剂掺量，在保证沥青路面服役性能的同时降低工程造价。
本发明的技术方案为：一种酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂，包括用以分散于沥青混合料用矿粉中的微米级无机粉体和用以分散于沥青混合料用沥青中的有机偶联剂；微米级无机粉体原料组成为水泥、石灰石微粉和城市垃圾焚烧底灰；有机偶联剂为钛酸脂偶联剂、铝酸酯偶联剂和硅烷偶联剂中的至少一种。
所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂中按照重量份比所述微米级无机粉体：矿粉为10～25：75～90，所述有机偶联剂：沥青为1～10：90～99；所述微米级无机粉体原料按重量份组成为水泥5～10份，石灰石微粉70～85份，城市垃圾焚烧底灰10～20份。无机粉体的掺量与矿粉亲水系数之间具有协同配伍性，矿粉亲水系数越大，则无机粉体用量越多。有机偶联剂与沥青之间的粘度具有协同性。一般选用70号～110号的沥青或以此为基质沥青的改性沥青，标号越小在相同温度下粘度越大，抗剥落剂越难以分散，则有机偶联剂的用量也相对较多。
所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂中的微米级无机粉体细度为1～50μm。无机粉体越细，比表面积越大，越容易分散，有利于减少掺量。
所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂中的微米级无机粉体由以下步骤制备所得：首先分别将水泥、石灰石微粉和城市垃圾焚烧底灰烘干粉碎，然后进行机械粉磨混合，得到粉体混合物即为微米级无机粉体。
所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂的使用方法，包括以下步骤：首先将微米级无机粉体按比例分散于沥青混合料用矿粉中，分散均匀制得改性矿粉；然后将有机偶联剂按比例分散于沥青混合料用沥青中，分散均匀制得改性沥青；最后在制备沥青混合料时按照沥青混合料制备比例和添加顺序将所得改性矿粉和改性沥青分别添加并与酸性集料混合搅拌。
本发明的有益效果为：本发明所述微米级抗剥落剂创新性地提出由微米级无机粉体和有机偶联剂共同形成，并且设计微米级无机粉体分散作用于沥青混合料用矿粉中，有机偶联剂分散作用于沥青混合料用沥青中。
具有以下优势：
(1)所述抗剥落剂充分依据酸性集料的特性和与沥青的粘附特点，利用相似相容原理分别改性无机材料集料表面和有机沥青胶结料表面，形成结构稳定的粘附性结构。该抗剥落剂中的微米级无机粉体为无机组分，含有水泥、石灰石微粉及城市垃圾焚烧底灰，均呈碱性，使用后可以与集料表面的酸性电荷发生酸碱作用，裹附在酸性集料表面，使集料表面带有碱性电荷，利于与弱酸性沥青的结合。
(2)所述抗剥落剂中的有机偶联剂是一种能够增强材料界面结合力的物质，具备亲有机物的基团，能与沥青生成氢键溶于其中；同时也含有亲无机物的基团，使经其改性过的沥青易与集料表面发生化学反应，促进或建立较强结合物质。
(3)加入本发明的抗剥落剂后，通过对酸性集料表面电荷及沥青亲无机物的双重改善，使沥青混合料中的集料与沥青发生化学键与物理吸附的双重连接作用，从而增强沥青与集料之间的粘附性和提高沥青的抗水损害、抗剥落的能力。
(4)本发明所述抗剥落剂中微米级无机粉体主要成分为难以处理的城市垃圾焚烧底灰，将其作为抗剥落剂原料实现了废物再利用，利用其强碱性的特点，改善酸性集料表面电荷。应用于路面工程建设中，不仅可以保护环境，而且可以减少抗剥落剂中有机组分等其他成分的应用，降低成本。
(5)本发明所述抗剥落剂创新性地采用无机组分、有机组分分别添加的方法，以沥青混合料固有组成材料作为分散剂，利用相似相容原理，实现了抗剥落剂在沥青混合料中的均匀分布，解决了传统抗剥落剂添加方法中抗剥落剂难以分散均匀，掺量大的难题。
(6)本发明可以显著促进常见酸性集料的应用，提高酸性集料沥青混合料的性能，降低坑槽、开裂、松散、剥落等早期路面病害的发生，减少了砂石开采，降低了工程造价，保护了生态环境，延长了路面使用寿命。
综上所述，本发明所述抗剥落剂具有良好的分散均匀性和结构稳定性，不仅可有效提高破碎卵石等酸性集料与沥青的粘附性，而且大大提升酸性集料沥青混合料的路用性能，有效防止酸性集料沥青混合料出现水损坏、剥落松散等病害。抗剥落剂的无机组分主要材料含有城市垃圾焚烧底灰，充分利用其强碱特性，实现废物资源化利用，具有良好的环境效益，同时降低原材料成本。与此同时，有效减少抗剥落剂的掺量，在保证沥青路面服役性能的同时降低工程造价。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂，包括用以分散于沥青混合料用矿粉中的微米级无机粉体和用以分散于沥青混合料用沥青中的有机偶联剂；微米级无机粉体原料按重量份组成为10份水泥、70份石灰石微粉和20份城市垃圾焚烧底灰；有机偶联剂为硅烷偶联剂。
按照重量份比微米级无机粉体：矿粉为10：90，有机偶联剂：沥青为9：91，矿粉为石灰岩矿粉，沥青为70号基质沥青。
所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂中的微米级无机粉体细度为40μm。
所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂中的微米级无机粉体由以下步骤制备所得：首先分别将水泥、石灰石微粉和城市垃圾焚烧底灰烘干粉碎，然后进行机械粉磨混合，得到粉体混合物即为微米级无机粉体。
所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂的使用方法，包括以下步骤：首先将微米级无机粉体按比例分散于石灰岩矿粉中，分散均匀制得改性矿粉；然后将硅烷偶联剂按比例分散于70号基质沥青中，分散均匀制得改性沥青；最后在制备沥青混合料时按照沥青混合料制备比例和添加顺序将所得改性矿粉和改性沥青分别添加并与酸性集料混合搅拌。
实施例2
所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂，包括用以分散于沥青混合料用矿粉中的微米级无机粉体和用以分散于沥青混合料用沥青中的有机偶联剂；微米级无机粉体原料按重量份组成为10份水泥、70份石灰石微粉和20份城市垃圾焚烧底灰；有机偶联剂为钛酸脂偶联剂。
按照重量份比微米级无机粉体：矿粉为25：75，有机偶联剂：沥青为9：91，矿粉为花岗岩矿粉，沥青为70号基质沥青。
所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂中的微米级无机粉体细度为40μm。
实施例3
所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂，包括用以分散于沥青混合料用矿粉中的微米级无机粉体和用以分散于沥青混合料用沥青中的有机偶联剂；微米级无机粉体原料按重量分组成为10份水泥、70份石灰石微粉和20份城市垃圾焚烧底灰；有机偶联剂为铝酸酯偶联剂。
按照重量份比微米级无机粉体：矿粉为25：75，有机偶联剂：沥青为6：94，矿粉为石灰岩矿粉，沥青为110号基质沥青。
所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂中的微米级无机粉体细度为40μm。
对比例1
该对比例用于酸性集料沥青混合料的抗剥落剂，仅含用以分散于沥青混合料用沥青中的有机偶联剂，所述有机偶联剂选用硅烷偶联剂。按重量份比有机偶联剂：沥青为9：91的比例将硅烷偶联剂加入到70号基质沥青中。该沥青混合料中矿粉为花岗岩矿粉。
对比例2
该对比例用于酸性集料沥青混合料的抗剥落剂，仅含用以分散于沥青混合料用矿粉中的微米级无机粉体；微米级无机粉体原料按重量分组成为10份水泥、70份石灰石微粉和20份城市垃圾焚烧底灰。
按照重量份比微米级无机粉体：矿粉为25：75。矿粉为花岗岩矿粉，沥青为70号基质沥青。
所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂中的微米级无机粉体细度为40μm。
对比例3
未加入任何抗剥落剂，酸性集料沥青混合料中矿粉为花岗岩矿粉，沥青为70号基质沥青。
下面对实施例1-3和对比例1-2所述抗剥落剂的使用性能进行测试。
一、测试材料
(1)实施例1-3抗剥落剂的性能测试：采用实施例1-3各自所述抗剥落剂分别得到改性矿粉处理的酸性集料和改性沥青，测试处理后的集料与改性沥青的结合性能；
(2)对比例1-2抗剥落剂的性能测试：采用对比例1所述抗剥落剂得到改性沥青，测试改性沥青与酸性集料的结合性能；采用对比例2所述抗剥落剂得到改性矿粉处理的酸性集料，测试处理后的集料与沥青的结合性能。
二、测试数据及分析
测试数据详见表2。
其中表2中各个参数的解释具体如下：
1.粘附等级：水煮法是目前应用最为广泛的方法之一，其可以很容易的测定粗集料表面沥青膜在水侵蚀下的剥落程度，在我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)中对水煮法的实施细节做了详细规定，且沥青与集料粘附性的等级请见表1所示。
表1沥青与集料粘附性等级
Figure BDA0003389487980000051
Figure BDA0003389487980000061
2.剥落率：表征集料表面沥青的剥落程度。
3.接触角：对于沥青在集料表面的铺展与粘附而言，在同一温度下沥青的铺展程度越大，则接触角越小，沥青在集料表面具有更好的粘附性。
4.SHRP净吸附法：试验时，将矿料放入沥青-甲苯溶液中一段时间，矿料表面上会吸附一部分沥青，之后向沥青-甲苯溶液中加入一定量的水，水便会对吸附在矿料表面上的沥青进行置换，这个过程会使沥青-甲苯溶液中沥青的浓度发生改变，用分光光度计测出浓度，即可算出矿料对沥青的吸附量及加水后沥青的剥落量，从而可以计算出矿料表面上沥青的剥落率或吸附率，以表征沥青与矿料的粘附性。
5.拉拔界面强度：采用拉拔试验仪对不同集料与沥青的界面粘附性能进行评价，通过测定沥青-集料界面发生破坏断裂时拉应力的大小，测定沥青与集料的界面相强度，进而通过界面相强度的大小，可以定量的表示相同条件下沥青与集料间粘附性的强弱。
表2实施例1-3和对比例1-2所述抗剥落剂的使用效果数据
Figure BDA0003389487980000062
Figure BDA0003389487980000071
对表2性能检测数据分析可以看出：对酸性集料与沥青粘附性改善效果：实施例1＞实施例2＞实施例3＞对比例1＞对比例1＞对比例3。
基于对比例1～3的分析可知，单独加入微米级无机粉体(如对比例2)或单独加入有机偶联剂(如对比例1)，均可以有效改善酸性集料与沥青的粘附性，提升酸性集料的粘附等级，粘附等级由2级提升到3级，剥落率减小约10％，接触角减小约40％，SHRP净吸附法粘附率值增大约30.5％，界面拉拔强度提升约25％。
通过对实施例2与对比例1以及实施例3与对比例2的分析可知，当微米级无机粉体和有机偶联剂共同加入时，酸性集料与沥青的粘附性改善效果进一步得到提升。

Claims (5)

1.一种酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂，其特征在于，包括用以分散于沥青混合料用矿粉中的微米级无机粉体和用以分散于沥青混合料用沥青中的有机偶联剂；微米级无机粉体原料组成为水泥、石灰石微粉和城市垃圾焚烧底灰；有机偶联剂为钛酸脂偶联剂、铝酸酯偶联剂和硅烷偶联剂中的至少一种。
2.根据权利要求1所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂，其特征在于，按照重量份比所述微米级无机粉体：矿粉为10～25：75～90，所述有机偶联剂：沥青为1～10：90～99；所述微米级无机粉体原料按重量份组成为水泥5～10份，石灰石微粉70～85份，城市垃圾焚烧底灰10～20份。
3.根据权利要求1或2所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂，其特征在于，所述微米级无机粉体细度为1～50μm。
4.根据权利要求1或2所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂，其特征在于，所述微米级无机粉体由以下步骤制备所得：首先分别将水泥、石灰石微粉和城市垃圾焚烧底灰烘干粉碎，然后进行机械粉磨混合，得到粉体混合物即为微米级无机粉体。
5.一种权利要求1或2所述酸性集料沥青混合料用微米级抗剥落剂的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：首先将微米级无机粉体按比例分散于沥青混合料用矿粉中，分散均匀制得改性矿粉；然后将有机偶联剂按比例分散于沥青混合料用沥青中，分散均匀制得改性沥青；最后在制备沥青混合料时按照沥青混合料制备比例和添加顺序将所得改性矿粉和改性沥青分别添加并与酸性集料混合搅拌即可。
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