CN115558307A - 一种高弹性改性沥青、改性沥青混合料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高弹性改性沥青、改性沥青混合料及其制备方法和应用 Download PDF

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CN115558307A CN202210503598.0A CN202210503598A CN115558307A CN 115558307 A CN115558307 A CN 115558307A CN 202210503598 A CN202210503598 A CN 202210503598A CN 115558307 A CN115558307 A CN 115558307A
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Abstract

本发明公开了一种高弹性改性沥青、改性沥青混合料及其制备方法和应用。该高弹性改性沥青，其原料包括以下重量份的组分：基质沥青70～88份、SBS 10～16份、丁腈橡胶2～4份、环烷油8～16份、RET改性剂1～3份和抗剥落剂0.3～0.6份。用本发明的高弹性改性沥青制备的改性沥青混合料具有良好的抗疲劳性和变形追随能力，适合用于钢桥面铺装。

Description

一种高弹性改性沥青、改性沥青混合料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种高弹性改性沥青、改性沥青混合料及其制备方法和应用。
背景技术
随着近几年的快速发展，大跨径桥梁越来越多，这些大跨径桥梁为了减轻桥梁自身的重量，大多数采用钢桥面。钢桥面铺装是钢桥建设的关键之一。与一般公路沥青混凝土路面相比，钢桥面铺装具有以下特点：(1)沥青混合料直接铺筑在钢桥面板上，钢桥面板本身的变形、位移、振动等都直接影响铺装层的工作状态，钢桥面板上的沥青混合料铺装层最大拉应力或拉应变均出现在铺装层表面，疲劳裂缝从铺装层表面向底面扩展，与一般的沥青混凝土路面相反；(2)钢桥面板的导热系数比其他土工材料大得多，沥青混合料铺装更易受大气温度的影响，其表面高温值和低温值要比一般沥青混凝土路面大得多；(3)钢桥会受到强风及其他各种因素对其产生的振动作用；(4)桥面铺装一旦发生破坏，对交通的影响要远大于公路路面损坏所产生的影响和危害，而且维修更加困难；(5)钢遇水生锈，要求铺装致密性好。因此，钢桥面沥青混合料铺装除了满足路用性能的一般要求外，还必须具有更好的高低温性能和耐老化性、与钢桥面板良好的黏结性、对钢桥面板的防水腐蚀作用以及适应加劲梁桥面板局部弯曲变形的抗疲劳特性等。
目前世界上钢桥面铺装材料主要有三种：环氧沥青混合料、浇筑式沥青混凝土和沥青马蹄脂碎石混合料(SMA)。环氧沥青混合料具有高强度、优良的抗疲劳性能、良好的耐久性和抗老化性能，但是环氧沥青成本高，对施工要求高，且一旦损害难以修复，限制了其大面积推广应用。浇筑式沥青混凝土具有良好的密水性和较高的钢板变形追随能力，但是高温稳定性差，抗车辙能力不足。现有的SMA混合料作为钢桥面铺装材料具有良好的高温稳定性、耐久性和防水性，但主要不足是抗疲劳性和变形追随能力较差。为满足钢桥面铺装的使用要求，国内外学者针对改性沥青开展配方研究，但是目前仍没有得到有效的解决措施。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的钢桥面铺装材料抗疲劳性和变形追随能力较差的缺陷，而提供了一种高弹性改性沥青、改性沥青混合料及其制备方法和应用。用本发明的高弹性改性沥青制备的改性沥青混合料具有良好的抗疲劳性和变形追随能力，适合用于钢桥面铺装。
因为可用作沥青改性剂的物质种类繁多，其中很多用于沥青中要么对抗疲劳性和变形追随能力的提高不明显，要么在提高抗疲劳性和变形追随能力的同时高温稳定性、耐久性和防水性等其他性能却降低了。为了实现上述目的，发明人在各组分种类和用量的选择过程中进行了大量的实验研究，经过不断分析总结，最终得到了如下技术方案：
一种高弹性改性沥青，其原料包括以下重量份的组分：基质沥青70～88份、SBS 10～16份、丁腈橡胶2～4份、环烷油8～16份、RET改性剂1～3份和抗剥落剂0.3～0.6份。
本发明中，所述基质沥青可为本领域常规的各型号基质沥青，较佳地为70#基质沥青。
本发明中，所述SBS表示苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物。所述SBS可为本领域常规的SBS，较佳地为线型SBS。所述线型SBS的分子量可为8～12万，较佳地为10～12万，例如11.2万。所述线型SBS的类型可为日本旭化成生产的NR2型SBS和美国科腾公司生产的1101型SBS中的一种或两种。
本发明中，所述丁腈橡胶可为本领域常规的丁腈橡胶，较佳地为丙烯腈含量为31％～35％的丁腈橡胶，所述百分比为质量百分比。
本发明中，所述环烷油可为本领域常规的环烷油，较佳地为4010型环烷油。
本发明中，RET表示反应性弹性体三元共聚物，所述RET改性剂较佳地为乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯的共聚物；其中，所述丙烯酸丁酯的质量分数较佳地为28wt％，甲基丙烯酸缩水甘油酯的质量分数较佳地为5.3wt％；所述RET改性剂例如为DuPontTM
Figure BDA0003635181440000031
RET。
本发明中，所述抗剥落剂可为本领域常规的胺类或非胺类抗剥落剂，较佳地为日本花王生产的KG80型抗剥落剂，该抗剥落剂是一种非胺类抗剥落剂。
本发明一较佳的高弹性改性沥青，其原料包括以下重量份的组分：基质沥青70～78份、SBS 11～13份、丁腈橡胶3～4份、环烷油9～12份、RET改性剂1～2份和抗剥落剂0.3～0.4份。本发明一更佳的高弹性改性沥青，其原料由以下重量份的组分组成：70#基质沥青70～78份、线型SBS 11～13份、丙烯腈含量31％～35％的丁腈橡胶3～4份、环烷油9～12份、RET改性剂1～2份和非胺类抗剥落剂0.3～0.4份。
本发明一较佳的高弹性改性沥青，其原料包括以下重量份的组分：基质沥青77.7份、SBS 11份、丁腈橡胶4份、环烷油9份、RET改性剂2份和抗剥落剂0.3份。本发明一更佳的高弹性改性沥青，其原料由以下重量份的组分组成：70#基质沥青77.7份、分子量为10～12万的线型SBS 11份、丙烯腈含量31％～35％的丁腈橡胶4份、4010型环烷油9份、RET改性剂2份和日本花王生产的KG80型抗剥落剂0.3份。
本发明一较佳的高弹性改性沥青，其原料包括以下重量份的组分：基质沥青70.6份、SBS 13份、丁腈橡胶3份、环烷油12份、RET改性剂1份和抗剥落剂0.4份。本发明一更佳的高弹性改性沥青，其原料由以下重量份的组分组成：70#基质沥青70.6份、分子量为10～12万的线型SBS 13份、丙烯腈含量31％～35％的丁腈橡胶3份、4010型环烷油12份、RET改性剂1份和日本花王生产的KG80型抗剥落剂0.4份。
本发明还提供了一种所述高弹性改性沥青的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将基质沥青加热至170～180℃，边剪切边加入SBS、丁腈橡胶、环烷油、RET改性剂和抗剥落剂；(2)继续加热至190～210℃，剪切2～4h；(3)在温度为190～210℃的条件下发育4～6h。
本发明中，所述剪切可采用本领域常规的方法进行，较佳地采用胶体磨进行。所述胶体磨可为本领域常规的胶体磨。所述剪切的剪切速率较佳地为6000-10000r/min。
本发明还提供了一种改性沥青混合料，其包含所述高弹性改性沥青和集料。所述高弹性改性沥青在所述改性沥青混合料中的质量百分比较佳地为4～6％，更佳地为5.8％。
本发明中，所述集料可为符合《公路沥青路面施工技术规范》中级配标准的石料。所述集料较佳地包括粒径为0～3mm的1#料、粒径为3～5mm的2#料、粒径为5～10mm的3#料、粒径为10～15mm的4#料以及矿粉。所述集料更佳地包括13.0％的粒径为0～3mm的1#料、4.0％的粒径为3～5mm的2#料、38.0％的粒径为5～10mm的3#料、35.0％的粒径为10～15mm的4#料以及10.0％的矿粉，所述百分比为质量百分比。
本发明中，按照结构形式，所述改性沥青混合料较佳地为改性沥青玛蹄脂碎石混合料，简称SMA，例如SMA-13。
本发明中，所述改性沥青混合料可由本领域常规方法制备。
本发明还提供了所述高弹性改性沥青或所述改性沥青混合料在钢桥面铺装中的应用。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
本发明的高弹性改性沥青的针入度、延度和软化点等都满足钢桥面用改性沥青的要求，弹性回复率高达97％以上。用本发明的高弹性改性沥青制备成的改性沥青混合料在保证高温稳定性的同时提高了抗疲劳性和变形追随能力，且防水性和耐久性良好，综合性能优异，非常适合钢桥面铺装。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
以下实施例中采用的原料中各组分的型号如下：
基质沥青：70#基质沥青；
SBS：日本旭化成生产的NR2型SBS；
LG501型SBS：韩国LG公司；
丁腈橡胶：丙烯腈含量为31～35％的丁腈橡胶；
环烷油：4010型环烷油；
RET改性剂：DuPontTM
Figure BDA0003635181440000052
RET；
抗剥落剂：日本花王生产的KG80型抗剥落剂。
实施例1
将77.7份基质沥青加热至170℃，开启胶体磨，设置剪切速率为6000r/min，边剪切边加入分子量为11.2万的SBS 11份、丁腈橡胶4份、环烷油9份、RET改性剂2份和抗剥落剂0.3份。添加完毕后，将混合物加热至190℃，胶体磨继续剪切2h。然后将混合物打入发育罐，发育4h，再转入成品罐。
将得到的高弹性改性沥青采用本领域常规方法制备成改性沥青混合料SMA-13。SMA-13中高弹性改性沥青的质量百分比为5.8％，所述集料的配合比如表1所示。
表1
Figure BDA0003635181440000051
实施例2
将70.6份基质沥青加热至170℃，开启胶体磨，设置剪切速率为10000r/min，边剪切边加入分子量为11.2万的SBS 13份、丁腈橡胶3份、环烷油12份、RET改性剂1份和抗剥落剂0.4份。添加完毕后，将混合物加热至190℃，胶体磨继续剪切2h。然后将混合物打入发育罐，发育4h，再转入成品罐。
按照实施例1的方法将得到的高弹性改性沥青制备成SMA-13混合料。
对比例1
将82份基质沥青加热至170℃，开启胶体磨，设置剪切速率为6000r/min，边剪切边加入分子量为15.3万的LG501型SBS10份和芳烃油9份。添加完毕后，将混合物加热至190℃，胶体磨继续剪切2h，然后将混合物打入发育罐，发育4h，再转入成品罐。按照实施例1的方法将得到的改性沥青制备成SMA-13混合料。
对比例2
将70.6份基质沥青加热至170℃，开启胶体磨，设置剪切速率为10000r/min，边剪切边加入分子量为15.3万的LG501型SBS10份、丁腈橡胶3份、环烷油12份、RET改性剂1份和抗剥落剂0.4份。添加完毕后，将混合物加热至190℃，胶体磨继续剪切2h，然后将混合物打入发育罐，发育4h，再转入成品罐。按照实施例1的方法将得到的改性沥青制备成SMA-13混合料。
对比例3
将71.6份基质沥青加热至170℃，开启胶体磨，设置剪切速率为10000r/min，边剪切边加入分子量为11.2万的SBS 13份、丁腈橡胶3份、环烷油12份和抗剥落剂0.4份。添加完毕后，将混合物加热至190℃，胶体磨继续剪切2h。然后将混合物打入发育罐，发育4h，再转入成品罐。
对比例4
将76.6份基质沥青加热至170℃，开启胶体磨，设置剪切速率为10000r/min，边剪切边加入分子量为11.2万的SBS 13份、丁腈橡胶3份、环烷油6份、RET改性剂1份和抗剥落剂0.4份。添加完毕后，将混合物加热至190℃，胶体磨继续剪切2h。然后将混合物打入发育罐，发育4h，再转入成品罐。
对比例5
将73.6份基质沥青加热至170℃，开启胶体磨，设置剪切速率为10000r/min，边剪切边加入分子量为11.2万的SBS 13份、环烷油12份、RET改性剂1份和抗剥落剂0.4份。添加完毕后，将混合物加热至190℃，胶体磨继续剪切2h。然后将混合物打入发育罐，发育4h，再转入成品罐。
效果实施例
(1)按照本领域常规方法对实施例1、2和对比例1～5制得的各改性沥青、改性沥青混合料SMA-13进行性能测试。测试项目、指标要求和试验方法见表2，其中，指标要求出自《道路、排水管道成品与半成品施工及验收规程》(DG/TJ 08-87-2016)。实施例1、2和对比例1～5制得的各改性沥青和改性沥青混合料SMA-13的实测值见表3。
(2)胶结料低温弯曲(-20℃)的测试方法
将实施例1、2和对比例1～5制得的各改性沥青倒入20mm×20mm×120mm模具中成型的小梁试件，使其略高于模具，由于改性沥青聚合物含量高、模具温度低于沥青，样品中间比两边收缩速度快，会导致样品中间低于模具，为保证试件几何尺寸，可能需要二次补料。低温冷却以防止刮平时试件变形，用热刮刀刮除高出试模的样品后脱模，放在试验温度中保温3～3.5h。将试件放置在试验机支座上，测定支点间距为80mm，以100mm/min的速度在跨径中央加载，记录变形和荷载。将荷载-变形曲线的直线段延长至横坐标，交点作为原点。与混合料弯曲试验的计算方法类似，抗弯拉强度、弯曲极限应变、弯拉应变能和弯曲劲度模量的计算方法如下：
抗弯拉强度
Figure BDA0003635181440000071
弯曲极限应变
Figure BDA0003635181440000072
弯拉应变能＝σ×ε
Figure BDA0003635181440000081
式中：b——试件的宽度(mm)，为规定值，20mm；
h——试件的高度(mm)，为规定值，20mm；
l——支点间距(mm)，为规定值，80mm；
P——最大荷载(N)，为测定值；
d——最大荷载时的应变量(mm)，为测定值。测试结果如表3所述。
表2
Figure BDA0003635181440000082
Figure BDA0003635181440000091
表3
Figure BDA0003635181440000092
Figure BDA0003635181440000101
由表2和表3可见，实施例1和2所制备的高弹性改性沥青以及由其制备的改性沥青混合料SMA-13的各个性能均符合指标要求。实施例1和2的高弹性改性沥青的弹性恢复率均在97％以上，PG分级的低温分级优于对比例1～2和4～5。用实施例1和2的高弹性改性沥青制成的SMA-13的冻融劈裂强度比达到90％以上，低温弯曲试验破坏应变达到8800以上。
对比例1与实施例相比，原料组分差别较大，虽然其弹性回复率和相应的SMA-13的冻融劈裂强度比较好，但是其低温弯曲试验破坏应变仅为3500εμ，其低温抗疲劳性远远低于实施例1～2。
对比例2与实施例相比，其采用了分子量为15.3万的LG501型SBS，其弹性回复率和相应的SMA-13的冻融劈裂强度与低温弯曲试验破坏应变均较差，这可能是由于分子量高于12万，引起的熔融黏度过大，离析软化点差过大导致的。
对比例3与实施例相比，区别在于未添加RET改性剂，虽然其各方面性能相对较好，但是仍与实施例的效果有一定差距，可能是由于RET改性剂可与其他组分共同作用，从而进一步提高高弹性改性沥青的性能。
对比例4与实施例相比，区别在于环烷油的重量分数较低，其弹性回复率和相应的SMA-13的冻融劈裂强度较好，但是其SMA-13的低温弯曲试验破坏应变很差。
对比例5与实施例相比，区别在于未添加丁腈橡胶，其弹性回复率和相应的SMA-13的冻融劈裂强度较好，但是其SMA-13的低温弯曲试验破坏应变很差。
综上所述，本发明的改性沥青混合料具有良好的低温抗疲劳性和变形追随能力。

Claims (10)

1.一种高弹性改性沥青，其特征在于，其原料包括以下重量份的组分：基质沥青70～88份、SBS 10～16份、丁腈橡胶2～4份、环烷油8～16份、RET改性剂1～3份和抗剥落剂0.3～0.6份。
2.如权利要求1所述的高弹性改性沥青，其特征在于，所述高弹性改性沥青的原料包括以下重量份的组分：基质沥青70～78份、SBS 11～13份、丁腈橡胶3～4份、环烷油9～12份、RET改性剂1～2份和抗剥落剂0.3～0.4份。
3.如权利要求1所述的高弹性改性沥青，其特征在于，所述高弹性改性沥青的原料包括以下重量份的组分：基质沥青77.7份、SBS 11份、丁腈橡胶4份、环烷油9份、RET改性剂2份和抗剥落剂0.3份。
4.如权利要求1所述的高弹性改性沥青，其特征在于，所述高弹性改性沥青的原料包括以下重量份的组分：基质沥青70.6份、SBS 13份、丁腈橡胶3份、环烷油12份、RET改性剂1份和抗剥落剂0.4份。
5.如权利要求1所述的高弹性改性沥青，其特征在于，所述基质沥青为70#基质沥青；
和/或，所述环烷油为4010型环烷油；
和/或，所述RET改性剂为乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯的共聚物；其中，所述丙烯酸丁酯的质量分数较佳地为28wt％，甲基丙烯酸缩水甘油酯的质量分数较佳地为5.3wt％；所述RET改性剂例如为DuPontTM
Figure FDA0003635181430000011
RET；
和/或，所述丁腈橡胶为丙烯腈含量为31％～35％的丁腈橡胶，百分比为质量百分比；
和/或，所述SBS为线型SBS。
6.如权利要求5所述的高弹性改性沥青，其特征在于，所述线型SBS的分子量为10～15万，较佳地为10～12万，例如11.2万；
和/或，所述线型SBS的型号为日本旭化成生产的NR2型SBS和美国科腾公司生产的1101型SBS中的一种或两种。
7.如权利要求1所述的高弹性改性沥青，其特征在于，所述抗剥落剂为胺类或非胺类抗剥落剂，较佳地为日本花王生产的KG80型抗剥落剂。
8.如权利要求1～7任一项中所述的高弹性改性沥青的制备方法，其包括以下步骤：(1)将所述基质沥青加热至170～180℃，边剪切边加入所述SBS、丁腈橡胶、环烷油、RET改性剂和抗剥落剂；(2)继续加热至190～210℃，剪切2～4h；(3)在温度为190～210℃的条件下发育4～6h；
其中，所述剪切较佳地采用胶体磨进行；所述剪切的剪切速率较佳地为6000-10000r/min。
9.一种改性沥青混合料，其包含权利要求1～7任一项中所述的高弹性改性沥青和集料；所述高弹性改性沥青在所述改性沥青混合料中的质量百分比较佳地为4～6％，更佳地为5.8％。
10.如权利要求1～7任一项中所述的高弹性改性沥青或权利要求9所述的改性沥青混合料在钢桥面铺装中的应用。
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申爱琴等: ""抗剥落剂对沥青老化性能影响研究"" *

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