CN114716185A - 一种高性能沥青混合料及其制备工艺 - Google Patents

一种高性能沥青混合料及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本申请涉及沥青材料技术领域，具体公开了一种高性能沥青混合料及其制备工艺。沥青混合料包括如下重量份的组分：石油沥青30‑50份，环氧树脂10‑20份，固化剂4‑8份，稀释剂30‑50份，沥青路面废弃料300‑350份，细集料60‑80份，矿渣粉30‑50份，氧化还原引发剂8‑12份，稀释剂的组分包括三氯乙烯和环氧氯丙烷。本申请减少了沥青混合料固化物的弯曲劲度模量发生损失的可能，改善了沥青混合料固化物在夏季高温环境下的工作性能，增加了路面强度，延长了路面使用寿命，提高了路面的安全性能。稀释剂中的环氧氯丙烷能够抑制三氯乙烯的挥发，减少了三氯乙烯对环境造成的污染。

Description

一种高性能沥青混合料及其制备工艺
技术领域
本申请涉及沥青材料技术领域，更具体地说，它涉及一种高性能沥青混合料及其制备工艺。
背景技术
沥青混合料是一种复合材料，主要由沥青、粗骨料、细骨料、矿粉组成。沥青混合料的硬化产物具有优良的力学性能，是铺设公路路面的理想材料，在全世界的路面施工中有极其广泛的应用。
相关技术中有一种沥青混合料，包括如下重量份的组分：石油沥青90份，环氧树脂15份，固化剂6份，稀释剂40份，粗集料320份，细集料70份，矿渣粉40份；其中，粗集料为碎石，细集料为石英砂。沥青混合料按照如下方法制备：(1)将粗集料、细集料、矿渣粉预热至160℃，然后混合均匀，得到混合集料；(2)将石油沥青、环氧树脂、固化剂和混合集料混合并加热至210℃，得到沥青混合料。
针对上述中的相关技术，发明人认为，相关技术中虽然通过环氧树脂对沥青混合料进行了优化改性，但是石油沥青自身的耐热性能不佳，沥青混合料的硬化产物在夏季的高温环境下，弯曲劲度模量会发生明显的下降，限制了沥青混合料的实际应用。
发明内容
相关技术中，沥青混合料的硬化产物在夏季的高温环境下，弯曲劲度模量会明显下降，限制了沥青混合料的实际应用。为了改善这一缺陷，本申请提供一种高性能沥青混合料及其制备工艺。
第一方面，本申请提供一种高性能沥青混合料，采用如下的技术方案：
一种高性能沥青混合料，所述沥青混合料包括如下重量份的组分：石油沥青30-50份，环氧树脂10-20份，固化剂4-8份，稀释剂30-50份，沥青路面废弃料300-350份，细集料60-80份，矿渣粉30-50份，氧化还原引发剂8-12份，所述稀释剂的组分包括三氯乙烯和环氧氯丙烷。
通过采用上述技术方案，本申请与相关技术相比，使用沥青路面废弃料代替了相关技术中的碎石，同时利用稀释剂中的三氯乙烯对沥青路面废弃料表面的沥青固化物进行溶解，在沥青路面废弃料的表面产生了沥青溶解层。在氧化还原引发剂的作用下，沥青溶解层中的三氯乙烯发生自由基聚合，形成聚三氯乙烯。聚三氯乙烯与石油沥青以及沥青路面废弃料的相容性均较佳，且聚三氯乙烯的耐高温性能好。当本申请的沥青混合料形成固化产物后，沥青路面废弃料通过聚三氯乙烯间接与石油沥青的固化物结合，聚三氯乙烯对沥青混合料中的沥青组分进行了固定，从而减少了沥青混合料固化物的弯曲劲度模量发生损失的可能，改善了沥青混合料固化物在夏季高温环境下的工作性能。
本申请稀释剂中的环氧氯丙烷能够对环氧树脂进行溶解，并且能够参与环氧树脂的固化，增大了环氧树脂固化产物的交联密度，限制了沥青混合料的软化。同时，环氧氯丙烷还是三氯乙烯的稳定剂，能够抑制三氯乙烯的挥发，减小了挥发的三氯乙烯对环境造成污染的可能。
作为优选，所述沥青混合料包括如下重量份的组分：石油沥青35-45份，环氧树脂12-18份，固化剂5-7份，稀释剂35-45份，沥青路面废弃料310-340份，细集料65-75份，矿渣粉35-45份，氧化还原引发剂9-11份。
通过采用上述技术方案，优化了沥青混合料的原料配比，有助于改善石油沥青与集料之间的粘结效果，减少了沥青混合料固化物的弯曲劲度模量发生损失的可能，改善了沥青混合料固化物在夏季高温环境下的工作性能。
作为优选，所述细集料为改性石英砂，所述改性石英砂为表面接枝有异氰酸酯基团的石英砂。
通过采用上述技术方案，改性石英砂表面的异氰酸酯基团能够与环氧树脂中的环氧基团反应，从而利用改性石英砂对环氧树脂的固化产物进行了固定。本申请通过对环氧树脂的固化物进行固定，提高了对沥青组分受热变形的阻碍效果，减少了沥青混合料固化物的弯曲劲度模量发生损失的可能，改善了沥青混合料固化物在夏季高温环境下的工作性能。
作为优选，所述改性石英砂按照如下方法制备：
(1)将石英砂粗品和洗涤液混合均匀，静置一段时间后过滤除去混合物中的液相，然后对所得固体进行水洗和干燥，得到精制石英砂；
(2)将精制石英砂、有机溶剂和二异氰酸酯混合均匀，在惰性气体保护下持续搅拌一段时间，然后经过抽滤和干燥，得到改性石英砂。
通过采用上述技术方案，本申请通过洗涤液对石英砂粗品中的杂质进行清理，然后经过水洗除去洗涤液，使得石英砂表面的游离羟基充分暴露，通过游离羟基与二异氰酸酯的反应，在石英砂表面接枝了异氰酸酯基团，得到了改性石英砂。
作为优选，所述洗涤液的组分包括过氧化氢和水。
通过采用上述技术方案，在石英砂表面，与不同硅原子相连的羟基容易以氢键相互缔合，称为连生羟基。过氧化氢和水能够破坏连生羟基的氢键，并与连生羟基形成新的氢键。经过洗涤液处理之后，石英砂表面的游离羟基总量增加，有利异氰酸酯基团在石英砂表面的接枝。通过提高石英砂表面接枝的异氰酸酯基团数量，本申请减少了沥青混合料固化物的弯曲劲度模量发生损失的可能，改善了沥青混合料固化物在夏季高温环境下的工作性能。
作为优选，所述洗涤液的组分还包括过硫酸盐。
通过采用上述技术方案，当洗涤液中同时含有过硫酸盐和过氧化氢时，过硫酸盐能够促进过氧化氢分解产生羟基自由基，羟基自由基能够破坏石英砂表面的一部分硅-氧-硅键，并产生新的游离羟基，从而增加了异氰酸酯基团在石英砂表面的接枝量，减少了沥青混合料固化物的弯曲劲度模量发生损失的可能，改善了沥青混合料固化物在夏季高温环境下的工作性能。
作为优选，所述稀释剂的组分还包括不饱和脂肪酸。
通过采用上述技术方案，不饱和脂肪酸能够作为表面活性剂提高矿渣粉与石油沥青之间的相容性，同时不饱和脂肪酸中的碳碳双键还具有抗氧化功能，有助于减缓沥青组分的老化。另外，在氧化还原引发剂的作用下，不饱和脂肪酸通过碳碳双键还能够与三氯乙烯的聚合物共聚，从而提高了聚三氯乙烯与矿渣粉的相容性，有助于减少沥青混合料固化物中的缺陷，减少了沥青混合料固化物的弯曲劲度模量发生损失的可能，改善了沥青混合料固化物在夏季高温环境下的工作性能。
作为优选，所述不饱和脂肪酸选用油酸或亚麻酸。
通过采用上述技术方案，亚麻酸的不饱和度高于油酸，因此亚麻酸更容易与三氯乙烯的聚合物发生共聚，并且沥青混合料的抗氧化性能也更好，减少了沥青混合料固化物的弯曲劲度模量发生损失的可能，改善了沥青混合料固化物在夏季高温环境下的工作性能。
作为优选，所述稀释剂中，三氯乙烯和亚麻酸的重量比为(4.8-5.2)：1。
通过采用上述技术方案，当稀释剂由三氯乙烯和亚麻酸按照(4.8-5.2)：1的重量比混合而成时，沥青混合料固化物在高温下弯曲劲度模量发生损失的可能相对较小，有助于改善沥青混合料固化物在夏季高温环境下的工作性能。
第二方面，本申请提供一种高性能沥青混合料的制备工艺，采用如下的技术方案。
一种高性能沥青混合料的制备工艺，包括以下步骤：
(1)将沥青路面废弃料、细集料、矿渣粉预热至150-170℃，然后混合均匀，得到混合集料；(2)将石油沥青、环氧树脂、固化剂、稀释剂、氧化还原引发剂和混合集料混合并加热至200-220℃，得到高性能沥青混合料。
通过采用上述技术方案，本申请通过预热对沥青路面废弃料、细集料、矿渣粉进行活化，然后将全部原料混合均匀，通过继续加热得到了高性能沥青混合料。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请通过三氯乙烯溶解沥青路面废弃料表面的沥青固化物，并通过氧化还原引发剂促进三氯乙烯的聚合，得到聚三氯乙烯，从而对沥青混合料中的沥青组分进行了固定，减少了沥青混合料固化物的弯曲劲度模量发生损失的可能，改善了沥青混合料固化物在夏季高温环境下的工作性能。而稀释剂中的环氧氯丙烷在稀释环氧树脂、促进环氧树脂分散的同时还能够抑制三氯乙烯的挥发，减少了三氯乙烯对环境造成污染的可能。
2、本申请中优选洗涤液的组分包括过氧化氢和水，通过过氧化氢和水对石英砂表面的连生羟基中的氢键进行了破坏，增加了石英砂表面的游离羟基数量，有利异氰酸酯基团在石英砂表面的接枝。通过提高石英砂表面接枝的异氰酸酯基团数量，本申请减少了沥青混合料固化物的弯曲劲度模量发生损失的可能，改善了沥青混合料固化物在夏季高温环境下的工作性能。
3、本申请的方法，通过预热对沥青路面废弃料、细集料、矿渣粉进行活化，然后将全部原料混合均匀，通过继续加热得到了高性能沥青混合料。
具体实施方式
以下结合实施例、制备例和对比例对本申请作进一步详细说明，本申请涉及的原料均可通过市售获得。
改性石英砂的制备例
以下以制备例1为例说明。
制备例1
本制备例中，改性石英砂按照以下方法制备：
(1)将100kg石英砂粗品和80kg洗涤液混合均匀，静置2h后过滤除去混合物中的液相，然后对所得固体进行水洗和干燥，得到精制石英砂；本步骤中，洗涤液为水。
(2)将50kg精制石英砂、70kg丙酮和10kg甲苯二异氰酸酯混合均匀，在氮气保护下持续搅拌3h，然后进行抽滤，抽滤得到的固体剩余物经过干燥后即为改性石英砂。
如表1，制备例1-5的不同之处在于精制石英砂、丙酮和甲苯二异氰酸酯的具体用量不同。
表1
样本 精制石英砂/kg 丙酮/kg 甲苯二异氰酸酯/kg
制备例1 50 70 10
制备例2 55 75 11
制备例3 60 80 12
制备例4 65 85 13
制备例5 70 90 14
制备例6
本制备例与制备例3的不同之处在于，洗涤液为80kg水和20kg过氧化氢的混合物。
制备例7
本制备例与制备例6的不同之处在于，洗涤液中还包括10kg过硫酸钠。
实施例
实施例1-5
以下以实施例1为例进行说明。
实施例1
本实施例中，高性能沥青混合料包括如下组分：石油沥青30kg，环氧树脂10kg，固化剂4kg份，稀释剂30kg，沥青路面废弃料300kg，细集料60kg，矿渣粉30kg，氧化还原引发剂8kg。石油沥青的标号为100#，环氧树脂为双酚A型环氧树脂(型号为YPE128)，固化剂为异佛尔酮二胺，稀释剂为三氯乙烯和环氧氯丙烷按照4:1的重量比混合后得到的混合物，细集料为石英砂，氧化还原引发剂为过氧化环己酮。
本实施例中，高性能沥青混合料按照以下步骤制备：
(1)将沥青路面废弃料、细集料、矿渣粉预热至160℃，然后混合均匀，得到混合集料；
(2)将石油沥青、环氧树脂、固化剂、稀释剂、氧化还原引发剂和混合集料混合并加热至210℃，得到高性能沥青混合料。
如表2,实施例1-5的不同之处主要在于高性能沥青混合料原料配比不同。
表2
Figure BDA0003629975730000051
Figure BDA0003629975730000061
实施例6
本实施例与实施例3的不同之处在于，细集料选用制备例1的改性石英砂。
如表3，实施例6-12的不同之处在于改性石英砂的制备例不同。
表3
样本 改性石英砂的制备例 样本 改性石英砂的制备例
实施例6 制备例1 实施例10 制备例5
实施例7 制备例2 实施例11 制备例6
实施例8 制备例3 实施例12 制备例7
实施例9 制备例4 / /
实施例13
本实施例与实施例12的不同之处在于，稀释剂的组分还包括不饱和脂肪酸，不饱和脂肪酸选用油酸，稀释剂中三氯乙烯与油酸的重量比为4.6:1。
实施例14
本实施例与实施例13的不同之处在于，不饱和脂肪酸选用亚麻酸。
如表4，实施例14-18的不同之处在于三氯乙烯与亚麻酸的重量比不同。
表4
样本 实施例14 实施例15 实施例16 实施例17 实施例18
三氯乙烯：亚麻酸 4.6:1 4.8:1 5.0:1 5.2:1 5.4:1
对比例
对比例1
一种沥青混合料，包括如下组分：石油沥青90kg，环氧树脂15kg，固化剂6kg，稀释剂40kg，粗集料320kg，细集料70kg，矿渣粉40kg，其中石油沥青的标号为100#，环氧树脂为双酚A型环氧树脂(型号为YPE128)，固化剂为异佛尔酮二胺。
沥青混合料按照如下方法制备：
(1)将粗集料、细集料、矿渣粉预热至160℃，然后混合均匀，得到混合集料；
(2)将石油沥青、环氧树脂、固化剂和混合集料混合并加热至210℃，得到沥青混合料
对比例2
本对比例与实施例3的不同之处在于，不包括氧化还原引发剂。
对比例3
本对比例与实施例3的不同之处在于，将沥青路面废弃料替换为碎石。
对比例4
本对比例与实施例3的不同之处在于，稀释剂只包括二甲苯。
性能检测试验方法
参照《JTJ052-2000-公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对本申请各实施例以及对比例的沥青混合料进行试验，分别在20℃和35℃测量沥青混合料的弯曲劲度模量，然后计算弯曲劲度模量的衰减率，计算结果见表5。
弯曲劲度模量的衰减率按照如下公式进行计算：
Figure BDA0003629975730000071
表5
样本 衰减率/％ 样本 衰减率/％
实施例1 11.4 实施例12 8.2
实施例2 11.3 实施例13 7.9
实施例3 11.1 实施例14 7.6
实施例4 11.2 实施例15 7.5
实施例5 11.3 实施例16 7.3
实施例6 10.4 实施例17 7.4
实施例7 10.3 实施例18 7.4
实施例8 10.1 对比例1 26.8
实施例9 11.2 对比例2 25.4
实施例10 10.3 对比例3 18.7
实施例11 9.6 对比例4 26.1
结合实施例1-5和对比例1并结合表5可以看出，实施例1-5测得的衰减率均低于对比例1，说明本申请通过三氯乙烯的自由基聚合得到的聚三氯乙烯固定了沥青混合料中的沥青组分，减少了沥青混合料固化物的弯曲劲度模量发生损失的可能，改善了沥青混合料固化物在夏季高温环境下的工作性能。
结合实施例3和对比例2并结合表5可以看出，当缺少氧化还原引发剂时，由于聚三氯乙烯无法顺利聚合，因此对沥青组分起不到固定效果，弯曲劲度模量的损失较严重。
结合实施例3和对比例3并结合表5可以看出，当使用碎石代替沥青路面废弃料后，由于稀释剂对碎石无法生效，因此测得的弯曲劲度模量衰减率主要来自于石油沥青。此时，沥青混合料内，与聚三氯乙烯结合的沥青成分不容易与碎石结合，因此测得的弯曲劲度模量衰减率仍然相对较高。
结合实施例3和对比例4并结合表5可以看出，对比例4测得的衰减率高于实施例3，说明当稀释剂只包括二甲苯时，由于二甲苯无法实现聚合，因此沥青组分受到的固定效果较差，因此测得的弯曲劲度模量衰减率仍然相对较高。
结合实施例3和实施例6-10并结合表5可以看出，实施例6-10测得的衰减率均低于实施例3，说明改性石英砂表面的异氰酸酯基团能够与环氧树脂中的环氧基团反应，从而利用改性石英砂对环氧树脂的固化产物进行了固定，提高了沥青混合料的耐热性能，减少了沥青混合料固化物的弯曲劲度模量发生损失的可能。
结合实施例8、实施例11并结合表5可以看出，实施例11测得的衰减率低于实施例8，说明当洗涤液中同时包括过氧化氢和水时，石英砂表面的游离羟基总量增加，有利异氰酸酯基团在石英砂表面的接枝，从而减少了沥青混合料固化物的弯曲劲度模量发生损失的可能，改善了沥青混合料固化物在夏季高温环境下的工作性能。
结合实施例11、实施例12并结合表5可以看出,实施例12测得的衰减率低于实施例11，说明过硫酸盐通过破坏石英砂表面的一部分硅-氧-硅键，产生了新的游离羟基，增加了异氰酸酯基团在石英砂表面的接枝量，从而减少了沥青混合料固化物的弯曲劲度模量发生损失的可能，改善了沥青混合料固化物在夏季高温环境下的工作性能。
结合实施例12、实施例13并结合表5可以看出，实施例13测得的衰减率低于实施例12，说明实施例13中添加的油酸通过碳碳双键还能够与三氯乙烯的聚合物共聚，从而提高了聚三氯乙烯与矿渣粉的相容性，有助于减少沥青混合料固化物中的缺陷，减少了沥青混合料固化物的弯曲劲度模量发生损失的可能，改善了沥青混合料固化物在夏季高温环境下的工作性能。
结合实施例13、实施例14-18并结合表5可以看出，实施例14-18测得的衰减率均低于实施例13，说明亚麻酸更容易与三氯乙烯的聚合物发生共聚，亚麻酸与油酸相比更有助于降低弯曲劲度模量的损失。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种高性能沥青混合料，其特征在于，所述沥青混合料包括如下重量份的组分：石油沥青30-50份，环氧树脂10-20份，固化剂4-8份，稀释剂30-50份，沥青路面废弃料300-350份，细集料60-80份，矿渣粉30-50份，氧化还原引发剂8-12份，所述稀释剂的组分包括三氯乙烯和环氧氯丙烷。
2.根据权利要求1所述的高性能沥青混合料，其特征在于，所述沥青混合料包括如下重量份的组分：石油沥青35-45份，环氧树脂12-18份，固化剂5-7份，稀释剂35-45份，沥青路面废弃料310-340份，细集料65-75份，矿渣粉35-45份，氧化还原引发剂9-11份。
3.根据权利要求1所述的高性能沥青混合料，其特征在于，所述细集料为改性石英砂，所述改性石英砂为表面接枝有异氰酸酯基团的石英砂。
4.根据权利要求3所述的高性能沥青混合料，其特征在于，所述改性石英砂按照如下方法制备：
（1）将石英砂粗品和洗涤液混合均匀，静置一段时间后过滤除去混合物中的液相，然后对所得固体进行水洗和干燥，得到精制石英砂；
（2）将精制石英砂、有机溶剂和二异氰酸酯混合均匀，在惰性气体保护下持续搅拌一段时间，然后经过抽滤和干燥，得到改性石英砂。
5.根据权利要求4所述的高性能沥青混合料，其特征在于，所述洗涤液的组分包括过氧化氢和水。
6.根据权利要求5所述的高性能沥青混合料，其特征在于，所述洗涤液的组分还包括过硫酸盐。
7.根据权利要求1所述的高性能沥青混合料，其特征在于，所述稀释剂的组分还包括不饱和脂肪酸。
8.根据权利要求7所述的高性能沥青混合料，其特征在于，所述不饱和脂肪酸选用油酸或亚麻酸。
9.根据权利要求8所述的高性能沥青混合料，其特征在于，所述稀释剂中，三氯乙烯和亚麻酸的重量比为（4.8-5.2）：1。
10.根据权利要求1-9任一所述的高性能沥青混合料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将沥青路面废弃料、细集料、矿渣粉预热至150-170℃，然后混合均匀，得到混合集料；
（2）将石油沥青、环氧树脂、固化剂、稀释剂、氧化还原引发剂和混合集料混合并加热至200-220℃，得到高性能沥青混合料。
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