CN115417624A - 一种透水沥青混合料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及公路建筑材料领域，具体公开了一种透水沥青混合料及其制备方法和应用。一种透水沥青混合料，包括沥青和矿料，所述沥青质量为所述矿料质量的4.5%～5.5%，所述矿料包括集料和填料，所述矿料的16mm筛孔通过率100%，13.2mm筛孔通过率为95.2%‑94.4%，9.5mm筛孔通过率72.8%～72.0%；其制备方法为：所述沥青和所述矿料加热至170～190℃，将所有组分进行拌和，拌和温度为150～180℃，得到透水沥青混合料；其应用为：所述透水沥青混合料经摊铺、压实、成型后得到透水性路面。本申请的透水沥青混合料具有水稳定性优异的优点。
Description
技术领域
本申请涉及公路建筑材料技术领域，更具体地说，它涉及一种透水沥青混合料及其制备方法和应用。
背景技术
透水性路面是一种具有优良排水功能的沥青路面，由开级配透水沥青混合料摊铺而成。这种开级配透水沥青混合料主要通过粗集料嵌挤作用形成，空隙率不小于18％，其中的空隙包括连通空隙、半连通空隙和闭口空隙三种。当路面积水时，水分通过连通或半连通空隙进入透水沥青混合料内部，达到排水目的。
当水分进入半连通空隙时，水分会在透水沥青混合料中滞留一段时间，滞留水分通过沥青自发的乳化作用穿透沥青膜，侵入沥青和矿料的界面，最终取代沥青膜，使透水沥青混合料发生剥落。
透水性路面的排水功能要求透水沥青混合料具有较高的空隙率，而过高的空隙率会降低透水沥青混合料的抗压强度和水稳定性。根据JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求：透水沥青混合料的空隙率为18～25％，马歇尔稳定度不小于3.5kN，浸水马歇尔试验残留稳定度不小于75％，当用于潮湿区和湿润区时，浸水马歇尔试验残留稳定度不小于85％。
公告号为CN107117871B的中国专利公开了一种透水沥青混合料，包括如下以质量百分比计的组分：SBS改性沥青4.4％～4.7％、短切玄武岩纤维0.274％～0.299％、矿料93.1％～95.3％和HVA高粘剂0.296％～0.4％，对所制备的透水沥青混合料进行标准马歇尔试验和浸水马歇尔试验，得出透水沥青混合料的残留马歇尔稳定度最高为79.7％。
上述透水沥青混合料用于潮湿区和湿润区时，不能满足水稳定性的技术要求，因此本申请人提出了一种水稳定性更优异的透水沥青混合料。
发明内容
为了解决透水沥青混合料水稳定性较差的问题，本申请提供一种透水沥青混合料及其制备方法和应用。
第一方面，本申请提供一种透水沥青混合料，采用如下的技术方案：
一种透水沥青混合料，包括沥青和矿料，所述沥青质量为所述矿料质量的4.5％～5.5％，所述矿料包括集料和填料，所述矿料的级配范围为：16mm筛孔通过率100％，13.2mm筛孔通过率95.2％～94.4％，9.5mm筛孔通过率72.8％～72.0％，4.75mm筛孔通过率23.8％～23.0％，2.36mm筛孔通过率15.0％～14.2％，1.18mm筛孔通过率11.6％～11.0％，0.6mm筛孔通过率9.6％～9.0％，0.3mm筛孔通过率8.6％～8.1％，0.15mm筛孔通过率6.9％～6.1％，0.075mm筛孔通过率5.5％～4.9％。
通过采用上述技术方案，透水沥青混合料的骨架结构主要由粒径为9.5～13.2mm的矿料通过嵌挤作用形成，骨架结构之间存在大量空隙，空隙率为19.6％，这些空隙成为排水通道，使透水沥青混合料具有优异的透水性能；同时，沥青吸附在小粒径矿料表面，形成一层沥青油膜，随小粒径矿料分散在骨架结构之间，沥青油膜与大粒径矿料产生黏附作用，使大粒径矿料形成的骨架结构更稳定，经马歇尔标准试验和浸水马歇尔试验测试，得到透水沥青混合料的马歇尔稳定度为8.33kN，浸水马歇尔残留稳定度为86.9％，透水沥青混合料具有较高的抗压强度和水稳定性。
优选的，所述集料为玄武岩。
通过采用上述技术方案，玄武岩组成的骨架结构中含有大量气孔构造，这些气孔构造成为排水通道，使骨架结构具有透水性能，增强了透水沥青混合料的透水性能；同时，玄武岩中的金属离子和沥青中的羧酸反应形成化学键，玄武岩表面的金属离子从空气和水中缔合羟基，这些羟基与沥青中的羧酸形成氢键，玄武岩和沥青之间的化学作用力提高了两者之间的黏附功，从而提高了透水沥青混合料的抗压强度。
优选的，所述沥青质量为所述矿料质量的4.9％～5.1％。
通过采用上述技术方案，一方面，大部分沥青被吸收到矿料内部或被吸附在矿料表面，骨架结构之间的游离沥青较少，沥青对空隙的填充作用减小，使透水沥青混合料保持较高的空隙率，从而保持优异的排水性能；另一方面，沥青油膜保持一定厚度，使沥青与矿料之间保持较高的黏附作用力，减少矿料与沥青的剥离，提高透水沥青混合料的抗压强度。
优选的，所述沥青为橡胶粉改性沥青。
通过采用上述技术方案，与未改性沥青相比，橡胶粉改性沥青与矿料的黏附作用力增大，透水沥青混合料的骨架结构更加稳定，提高透水沥青混合料的抗压强度和水稳定性。
优选的，所述透水沥青混合料还包括明胶粉，所述明胶粉质量为所述沥青质量的0.5％～2％。
通过采用上述技术方案，当水分侵入透水沥青混合料后，明胶粉溶解于水形成明胶液，明胶液黏附在矿料表面形成明胶膜；同时，明胶膜的分子结构中含有许多羟基、羧基和氨基，这些基团与沥青中的羧酸产生氢键作用，明胶膜在矿料和沥青之间起到锚固作用，减少矿料与沥青的剥离，提高了透水沥青混合料的水稳定性。
优选的，所述透水沥青混合料还包括纤维，所述纤维质量为所述透水沥青混合料质量的0.25％～0.55％。
通过采用上述技术方案，一方面，纤维在透水沥青混合料中起到桥联作用，当透水沥青混合料受到外力作用时，纤维可以将作用在局部的应力传递至整个透水沥青混合料，避免应力集中；另一方面，纤维均匀分散在透水沥青混合料中，形成纤维网络结构，可以对大粒径矿料形成的骨架结构起到固定作用，减少大粒径矿料之间的相对运动，提高透水沥青混合料的抗压强度。
第二方面，本申请提供一种透水沥青混合料的制备方法，采用如下的技术方案：一种透水沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：所述沥青和所述矿料加热至170～190℃，将所有组分进行拌和，拌和温度为150～180℃，得到透水沥青混合料。
通过采用上述技术方案，矿料混合均匀形成骨架结构，沥青与矿料发生黏附，使透水沥青混合料具有满足技术要求的排水性能、抗压强度和水稳定性。
优选的，所述集料加热前先在硅油中浸渍5min。
通过采用上述技术方案，硅油吸附在集料表面形成一层硅油膜，一方面，硅油膜可以增强集料与沥青的黏附，提高透水沥青混合料的抗压强度；另一方面，当水分侵入透水沥青混合料后，硅油膜可以减缓水分侵入集料的速度，有助于滞留水分的排出，提高透水沥青混合料的水稳定性。
优选的，所述硅油经石油醚稀释，所述硅油和所述石油醚的质量比为1：2。
通过采用上述技术方案，集料表面硅油膜的形成速度适宜，而且，当硅油膜形成后，石油醚从硅油膜中挥发出去，硅油膜的性质保持不变，可以用较少的硅油用量得到性质不变的硅油膜。
第三方面，本申请提供一种透水沥青混合料的应用，采用如下的技术方案：
一种透水沥青混合料的应用，所述透水沥青混合料经摊铺、压实、成型后得到透水性路面。
通过采用上述技术方案，透水沥青混合料摊铺形成的透水性路面既具有优异的透水性能，又具有较高的抗压强度，而且水稳定性满足在潮湿区和湿润区应用的技术要求，无需特别的养护措施。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请采用沥青和矿料制备透水沥青混合料，所制得的透水沥青混合料空隙率为19.6％，马歇尔稳定度为8.33kN，浸水马歇尔残留稳定度为86.9％，透水沥青混合料在保证优异排水功能的同时，具有较高的抗压强度和水稳定性。
2、本申请在透水沥青混合料中掺入明胶粉，明胶粉溶解于水形成的明胶液黏附在矿料表面形成明胶膜，明胶膜分子结构中的羟基、羧基、氨基与沥青中的羧酸产生氢键作用，明胶膜在矿料和沥青之间起到锚固作用，减少矿料与沥青的剥离，提高透水沥青混合料的水稳定性。
3、本申请将集料置于硅油中浸渍后再用于制备透水沥青混合料，集料表面形成一层硅油膜，硅油膜增强了集料与沥青的黏附，减缓了水分侵入集料的速度，提高透水沥青混合料的抗压强度和水稳定性。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
沥青的性能指标
所用沥青为SK-70石油沥青。根据JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的相应方法检测所用沥青的性能指标，检测结果符合JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中的技术要求。
具体来说，采用T0604-2011沥青针入度试验测定沥青的针入度，标准试验条件为温度25℃，荷重100g，贯入时间5s；采用T0605-2011沥青延度试验测定沥青的延度，试验温度为5℃，拉伸速度为5cm/min；采用T0606-2011环球法测定沥青的软化点。
检测结果如表1所示。
表1.沥青的性能指标
| 沥青 | 针入度/0.1mm | 延度/cm | 软化点/℃ |
| SK-70石油沥青 | 63 | 35 | 92.5 |
集料的性能指标
所用集料为产自内蒙古赤峰的玄武岩，根据级配范围不同将集料分为1#料、2#料、3#料、4#料，四种集料的级配范围如表2所示。
表2.四种集料的级配范围
根据JTGE42-2005《公路工程集料试验规程》和JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的相应方法检测所用集料的性能指标，检测结果符合JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中对粗集料用于高速公路及一级公路表面层的技术要求。
具体来说，采用T0304-2005网篮法测定集料的密度和吸水率，采用T0312-2005游标卡尺法测定集料的针片状颗粒含量，采用T0316-2005粗集料压碎值试验测定集料的压碎值，采用T0616-1993沥青与粗集料的黏附性试验评定集料与沥青的黏附性等级。
检测结果如表3所示。
表3.四种集料的性能指标
注释：对于2.36～4.75mm级集料，由于卡尺量取有困难，一般不作测定，所以3#料、4#料的“针片状颗粒含量”一栏标记为“-”。
填料的性能指标
所用填料为产自安徽广德的石灰石矿粉，根据JTGE42-2005《公路工程集料试验规程》中的相应方法检测所用填料的性能指标，检测结果符合JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中对填料用于高速公路及一级公路的技术要求。
具体来说，采用T0352-2000矿粉密度试验测定填料的相对密度，采用T0353-2000矿粉亲水系数试验测定填料的亲水系数。
检测结果如表4所示。
表4.填料的性能指标
明胶粉的粒径所用明胶粉为工业明胶粉，将工业明胶粉过筛，选取粒径范围为20～200目的颗粒备用。
纤维的尺寸
所用纤维为玄武岩纤维，所用玄武岩纤维的直径为15μm，长度为6mm。
硅油和石油醚
所用硅油为XFL-201甲基硅油，所用石油醚为30-60石油醚。
制备例
橡胶粉改性沥青的制备例
一种橡胶粉改性沥青，按照如下步骤进行制备：
称取一定质量的SK-70石油沥青和粒径范围为20～200目的橡胶粉，橡胶粉质量为SK-70石油沥青质量的10％，将SK-70石油沥青加热至185℃，加入橡胶粉搅拌1.5min，得到橡胶粉改性沥青。
实施例
实施例1
一种透水沥青混合料，包括SK-70石油沥青和矿料，SK-70石油沥青质量为矿料质量的4.5％,矿料包括1#料、2#料、3#料、4#料和填料，矿料目标配合比为：1#料:2#料:3#料:4#料:填料＝33:45:7:10:5，矿料的整体级配范围为：
| 筛孔(mm) | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 通过率(％) | 100 | 95.2 | 72.8 | 23.8 | 15.0 | 11.6 | 9.6 | 8.6 | 6.9 | 5.5 |
一种透水沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：称取原料，将1#料、2#料、3#料、4#料混合均匀得到集料，将集料置于由XFL-201甲基硅油和30-60石油醚组成的浸渍液中浸渍5min，其中XFL-201甲基硅油和30-60石油醚的质量比为1:2；将集料和填料混合均匀得到矿料，矿料加热至170℃，拌和锅加热至150℃，沥青加热至185℃，将所有组分加入拌和锅内拌和5min，得到透水沥青混合料。
实施例2
一种透水沥青混合料，与实施例1的不同之处在于，矿料目标配合比为：1#料:2#料:3#料:4#料:填料＝35:47:5:8:5，矿料的整体级配范围为：
| 筛孔(mm) | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 通过率(％) | 100 | 94.4 | 72.0 | 23.0 | 14.2 | 11.0 | 9.0 | 8.1 | 6.1 | 4.9 |
实施例3
一种透水沥青混合料，与实施例1的不同之处在于，矿料目标配合比为：1#料:2#料:3#料:4#料:填料＝34:46:6:9:5，矿料的整体级配范围为：
| 筛孔(mm) | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 通过率(％) | 100 | 94.8 | 72.1 | 23.2 | 14.4 | 11.1 | 9.4 | 8.3 | 6.5 | 5.1 |
实施例4
一种透水沥青混合料，与实施例3的不同之处在于，SK-70石油沥青质量为矿料质量的5.5％。
实施例5
一种透水沥青混合料，与实施例3的不同之处在于，SK-70石油沥青质量为矿料质量的5.0％。
实施例6
一种透水沥青混合料，与实施例5的不同之处在于，采用由制备例制得的橡胶粉改性沥青替代SK-70石油沥青。
实施例7
一种透水沥青混合料，与实施例6的不同之处在于，透水沥青混合料还包括工业明胶粉，工业明胶粉质量为橡胶粉改性沥青质量的0.5％。
实施例8
一种透水沥青混合料，与实施例7的不同之处在于，工业明胶粉质量为橡胶粉改性沥青质量的2％。
实施例9
一种透水沥青混合料，与实施例7的不同之处在于，工业明胶粉质量为橡胶粉改性沥青质量的1％。
实施例10
一种透水沥青混合料，与实施例9的不同之处在于，透水沥青混合料还包括玄武岩纤维，玄武岩纤维质量为透水沥青混合料质量的0.25％。
实施例11
一种透水沥青混合料，与实施例10的不同之处在于，玄武岩纤维质量为透水沥青混合料质量的0.55％。
实施例12
一种透水沥青混合料，与实施例10的不同之处在于，玄武岩纤维质量为透水沥青混合料质量的0.42％。
实施例13
一种透水沥青混合料的制备方法，与实施例12的不同之处在于，矿料加热至190℃，拌和锅加热至180℃。
对比例
对比例1
一种透水沥青混合料，与实施例5的不同之处在于，矿料目标配合比为：1#料:2#料:3#料:4#料:填料＝30:42:8:15:5，矿料的整体级配范围为：
对比例2
一种透水沥青混合料，与实施例5的不同之处在于，矿料目标配合比为：1#料:2#料:3#料:4#料:填料＝39:49:3:4:5，矿料的整体级配范围为：
对比例3
一种透水沥青混合料，与实施例5的不同之处在于，SK-70石油沥青质量为矿料质量的4.3％。
对比例4
一种透水沥青混合料，与实施例5的不同之处在于，SK-70石油沥青质量为矿料质量的5.8％。
应用例
应用例1
一种透水沥青混合料的应用，将实施例1的透水沥青混合料用摊铺机进行机械摊铺，用钢轮压路机和轮胎压路机组合碾压的方式进行压实，碾压温度为120～130℃，钢轮压路机的碾压压力为15～20T，轮胎压路机的碾压压力为30T，降温至50℃以下得到透水性路面。
应用例2-13
一种透水沥青混合料的应用，与应用例1的不同之处在于，透水沥青混合料的种类不同，具体如表5所示：
表5.应用例2-13透水沥青混合料的种类
| 应用例 | 透水沥青混合料 | 应用例 | 透水沥青混合料 | 应用例 | 透水沥青混合料 |
| 2 | 实施例2 | 6 | 实施例6 | 10 | 实施例10 |
| 3 | 实施例3 | 7 | 实施例7 | 11 | 实施例11 |
| 4 | 实施例4 | 8 | 实施例8 | 12 | 实施例12 |
| 5 | 实施例5 | 9 | 实施例9 | 13 | 实施例13 |
性能检测试验参照JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的相应方法检测透水沥青混合料的性能指标。
具体来说，根据T0702-2011击实法制作标准试件，拌和温度为180℃，击实温度为165℃，击实次数为50次。
根据T0705-2011表干法测定标准试件的毛体积相对密度γf，通过计算得到标准试件的空隙率，空隙率的计算公式为：
其中γt为透水沥青混合料对应油石比的理论最大相对密度。空隙率用来评价透水沥青混合料的透水性能。
根据T0709-2011进行标准马歇尔稳定度试验和浸水马歇尔稳定度试验，通过试验得到标准试件的马歇尔稳定度、流值和浸水马歇尔稳定度，通过计算得出浸水残留稳定度，浸水残稳定度等于浸水马歇尔稳定度与标准马歇尔稳定度的比值。马歇尔稳定度和流值用来评价透水沥青混合料的力学性能，残留马歇尔稳定度用来评价透水沥青混合料的水稳定性。
其中，浸水马歇尔试验与标准马歇尔试验的不同之处在于，标准马歇尔试验中，标准试件在60℃恒温水槽中的保温时间为40min，浸水马歇尔试验中，标准试件在60℃恒温水槽中的保温时间为48h，其余步骤均相同。
实施例1-13和对比例1-4的检测结果如表6所示。
表6.实施例1-13和对比例1-4的检测结果
结合实施例1-3可以得出，矿料级配范围会影响透水沥青混合料的性能，粗矿料和细矿料保持一定比例可以在满足透水沥青混合料空隙率要求的基础上提高抗压强度和水稳定性。
结合实施例5和对比例1可以得出，矿料过细，则透水沥青混合料的透水性变差，抗压强度降低，原因在于：粗矿料减少，骨架结构强度减小，且细矿料增多，所吸附沥青量增多，使得与粗矿料发生黏附的沥青量减小。
结合实施例5和对比例2可以得出，矿料过粗，则空隙率过大，透水沥青混合料的结构松散，抗压强度降低。
结合实施例3-5、对比例3和对比例4可以得出，沥青用量过多，则骨架结构间的游离沥青量增多，空隙率降低；沥青用量过少，则沥青与矿料间的黏附作用差，抗压强度降低。
结合实施例5和实施例6可以得出，橡胶粉改性沥青可以提高透水沥青混合料的抗压强度和水稳定性，原因在于橡胶粉改性沥青与矿料的黏附作用更强。
结合实施例6和实施例7-9可以得出，工业明胶粉的掺入使透水沥青混合料的水稳定性增强，原因在于明胶粉遇水形成的明胶膜在沥青和矿料间起到锚固作用，减少矿料和沥青的剥离。
结合实施例9和实施例10-12可以得出，玄武岩纤维的掺入使透水沥青混合料的抗压强度增强，原因在于玄武岩纤维可以分散应力，固定骨架结构。
结合实施例12和实施例13可以得出，在一定范围内，矿料加热温度和拌和温度对透水沥青混合料整体性能的影响较小。
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)
1.一种透水沥青混合料，其特征在于，包括沥青和矿料，所述沥青质量为所述矿料质量的4.5%～5.5%，所述矿料包括集料和填料，所述矿料的级配范围为：16mm筛孔通过率100%，13.2mm筛孔通过率95.2%～94.4%，9.5mm筛孔通过率72.8%～72.0%，4.75mm筛孔通过率23.8%～23.0%，2.36mm筛孔通过率15.0%～14.2%，1.18mm筛孔通过率11.6%～11.0%，0.6mm筛孔通过率9.6%～9.0%，0.3mm筛孔通过率8.6%～8.1%，0.15mm筛孔通过率6.9%～6.1%，0.075mm筛孔通过率5.5%～4.9%。
2.根据权利要求1所述的一种透水沥青混合料，其特征在于：所述集料为玄武岩。
3.根据权利要求1所述的一种透水沥青混合料，其特征在于：所述沥青质量为所述矿料质量的4.9%～5.1%。
4.根据权利要求1所述的一种透水沥青混合料，其特征在于：所述沥青为橡胶粉改性沥青。
5.根据权利要求1所述的一种透水沥青混合料，其特征在于：所述透水沥青混合料还包括明胶粉，所述明胶粉质量为所述沥青质量的0.5%～2%。
6.根据权利要求1所述的一种透水沥青混合料，其特征在于：所述透水沥青混合料还包括纤维，所述纤维质量为所述透水沥青混合料质量的0.25%～0.55%。
7.权利要求1-6中任意一项所述的一种透水沥青混合料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：所述沥青和所述矿料加热至170～190℃，将所有组分进行拌和，拌和温度为150～180℃，得到透水沥青混合料。
8.根据权利要求7所述的一种透水沥青混合料的制备方法，其特征在于：所述集料加热前先在硅油中浸渍5min。
9.根据权利要求8所述的一种透水沥青混合料的制备方法，其特征在于：所述硅油经石油醚稀释，所述硅油和所述石油醚的质量比为1：2。
10.权利要求1-6中任意一项所述的一种透水沥青混合料的应用，其特征在于：所述透水沥青混合料经摊铺、压实、成型后得到透水性路面。
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