CN116675501B - 一种早强抗冻融冷补沥青混合料及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种早强抗冻融冷补沥青混合料及其施工方法，所述补沥青混合料由A组分、B组分和C组分组成，其中A组分包括以下原料：沥青、水泥、碳酸氢盐、玄武岩纤维、级配料、固化剂、固化促进剂、聚羧酸减水剂和水；B组分包括以下原料：水性环氧树脂、超支化环氧树脂、环氧稀释剂；C组分为生石灰；所述超支化环氧树脂是三乙二醇二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的混合物和二乙醇胺反应制备得到端羟基超支化聚醚，然后再将端羟基超支化聚醚上的端羟基环氧化得到，所述超支化环氧树脂环氧值为0.31‑0.35。本发明冷补沥青混合料储存稳定、施工过程简单、环保性高，抗冻融且强度性能优良。
Description
技术领域
本发明属于施工和建筑材料领域，具体涉及一种早强抗冻融冷补沥青混合料及其施工方法，用于填补沟槽、坑洞等。
背景技术
对于沟槽、坑洞、裂缝等的修补，沥青是传统的常用材料，但是沥青在使用过程中通常要加热才能流动施工，不仅耗时耗力，而且在一些场合没有施工条件，或者加热造成有害气体的大量挥发不环保。冷补沥青混合料作为一种近年兴起的快速修补材料，在低温条件下全天候施工和储存，不受环境和交通条件的限制，特别是在我国北方冬天，具有重要的意义。
但是目前冷补沥青产品普遍存在早期强度低，成型速度慢，不耐冻融的缺陷。
CN114751677A公开了一种耐低温型冷补沥青混合料及其制备方法，混合料的组成原料组分为冷补沥青、集料和矿粉，其中冷补沥青的原料组分为沥青、稀释剂、添加剂和抗剥落剂；制备方法为：(1)将沥青加热制成沥青液；(2)稀释剂加入到沥青液搅拌制成稀释沥青；(3)在85～95℃将添加剂和抗剥落剂加入到稀释沥青中，搅拌均匀制成沥青胶浆；冷却至室温获得冷补沥青；(4)集料按级配调和，烘干制成级配集料；(5)将冷补沥青与级配集料搅拌混合90～120s，然后加入矿粉，再次搅拌混合90～120s。该冷补材料在-35℃环境下依然能够施工。但是，该专利中使用了单组份湿固化聚氨酯，储存稳定性差；使用了大量的煤油和溶剂油作为稀释剂，施工固化时间过长，而且影响固化后强度。
CN114940598A公开了一种高和易性冷补沥青混合土及其制备方法，由包括以下重量份的原料制成：90-110份填料、5-10份水性胺类固化剂以及100-120份阴离子乳化沥青；所述阴离子乳化沥青由基质沥青、蜡油、阴离子乳化剂、水性环氧树脂以及去离子水组成，所述基质沥青、蜡油、阴离子乳化剂、水性环氧树脂以及去离子水的重量比例为5：（2-4）：2：3：8。但是，该专利技术，成分复杂，必须在施工现场搅拌混合，其中使用的蜡油和乳化剂等成分会长期滞留在混合土中，影响强度性能。
现有技术中在冷补沥青中加入可交联固化的物质，比如环氧树脂，聚氨酯等，但是考虑到冷补沥青在低温下施工和固化，要求固化温度比较低，限制了固化体系的应用，存在施工便利性和固化后强度难以兼顾的难题。为了提高强度，增加固体体系的用量，在沥青中交联固化形成三维网络结构，提高了冷补沥青的力学性能和高温性能，但是低温下显脆性，开裂后无法愈合，影响在寒冷地区的使用。
发明内容
基于现有技术中的上述缺陷，本发明旨在提供一种储存稳定、施工过程简单、环保性高，抗冻融且强度性能优良的冷补沥青混合料。
本发明所述的早强抗冻融冷补沥青混合料由A组分、B组分和C组分组成，其中A组分包括以下原料：沥青、水泥、碳酸氢盐、玄武岩纤维、级配料、固化剂、固化促进剂、聚羧酸减水剂和水；B组分包括以下原料：水性环氧树脂、超支化环氧树脂和环氧稀释剂；C组分为生石灰；所述超支化环氧树脂是三乙二醇二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的混合物与二乙醇胺反应制备得到端羟基超支化聚醚，然后再将超支化聚醚上的端羟基环氧化得到，所述超支化环氧树脂环氧值为0.31-0.35。
所述碳酸氢盐为碳酸氢钠或碳酸氢钾。
本发明创造性地将生石灰作为冷补沥青混合料的组成部分，生石灰见水发生反应，产生热量，为环氧树脂的充分固化提供条件。同时生石灰和碳酸氢盐一起作用，产生的碳酸钙作为体系的一部分，共同增强了冷补料固化后的强度。
进一步，所述A组分包括以下质量份的原料：30-50份沥青、10-14份水泥、2-3份碳酸氢盐、8-14份玄武岩纤维、12-20份级配料、3.5-4.2份固化剂、1-3份固化促进剂、0.2-0.4份聚羧酸减水剂和30-40份水；所述B组分包括以下质量份的原料：7-10份水性环氧树脂、3-5份超支化环氧树脂和10-15份环氧稀释剂；
A组分、B组分和C组分的质量比为 100：20-30：3-5。
进一步地，所述沥青选自石油沥青、SBS改性沥青、SBR改性沥青、橡胶沥青、复合改性沥青中的至少一种；优选为石油沥青和复合改性沥青按照质量比1-2:1-2的混合沥青。复合改性沥青是沥青与SBS、凹凸棒粉通过熔融法改性得到。
更进一步地，所述复合改性沥青通过包括以下步骤的制备方法制得：将沥青加热熔融，加入SBS和凹凸棒粉，在180-220℃条件下强制搅拌，得到复合改性沥青；SBS加入量是沥青的4-7 wt%，凹凸棒粉加入量是沥青的1-2 wt%。发明人预料不到地发现，以SBS和凹凸棒两种改性剂得到的复合改性沥青，能够同时提高冷沥青补料的低温性能和动稳定度。而采用其他聚合物(PE、SBR、EVA等)或者其他无机填料(蒙脱土)不能达到这样的目的。本发明制备复合改性沥青，不需要再加入稳定剂，可能是凹凸棒本身能起到一定稳定剂的作用。
优选地，SBS为线型，重均分子量为10-15万，SBS中S单元和B单元的质量比为30/70至40/60；凹凸棒粉粒径为200-325目。
所述水泥为强度在42.5MPa以上的硅酸盐水泥；所述级配料为石英砂和玄武岩石料的混合料，其中石英砂与玄武岩石料的重量比为1-3：1，石英砂的粒径为10-20mm，玄武岩石料的粒径为2-5 mm。所述玄武岩纤维长度在10-30mm，直径13-17μm，抗压强度在1000-1200MPa；所述水性环氧树脂为双酚型环氧树脂，比如双酚A型，双酚F型，环氧值为0.4-0.5，比如E44，E51；所述环氧稀释剂选自1,4-丁二醇二缩水甘油醚、丙三醇三缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚中的至少一种。
玄武岩纤维属于硅酸盐纤维，一方面作为润滑剂使得各组分，尤其是水泥组分分散更加均匀，另一方面，玄武岩纤维本身的韧性和强度性能都比较好，有利于提高冷补沥青混合料固化后的性能。
所述超支化环氧树脂是通过包括以下步骤的制备方法制得：
(S1)保护性气氛下，二乙醇胺溶解在有机溶剂中，缓慢加入三乙二醇二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的混合物，二乙醇胺、三乙二醇二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的摩尔比为3-4：1：1.7-2.3，40-50℃保温反应4-8h，抽真空旋转蒸发；加入催化剂，升温至90-100℃反应0.5-1h，抽真空旋转蒸发，得到端羟基超支化聚醚；
(S2)保护性气氛下，100质量份端羟基超支化聚醚加入到甲苯中，升温至110-130℃，加入0.5-1质量份三氟化硼乙醚络合物和240-300质量份环氧氯丙烷，保温反应1-2h，再加入40-60质量份30-40wt% NaOH水溶液，反应6-10h，反应结束后冷却，加入饱和NaCl溶液洗涤，分层，有机相真空干燥，所得粘稠状液体为超支化环氧树脂。
进一步地，所述有机溶剂为四氢呋喃、乙酸乙酯中的至少一种；催化剂为对甲苯磺酸，加入量是二乙醇胺物质的量的3-5 mol%。
上述制备方法所制备的超支化环氧树脂对实现沥青混合料的优异综合性能具有至关重要的影响，混入到本发明的冷补沥青混合料中，为固化后的沥青混合料贡献了很好的韧性和耐低温性，以及早期强度。
所述固化剂为胺类固化剂，具体选自DMP-30、二乙胺、三乙胺、三亚乙基二胺、二乙烯三胺、异氟尔酮二胺、间苯二胺中的至少一种；所述固化促进剂为咪唑类固化促进剂，具体选自2-乙基-4-甲基咪唑、2-甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑中的至少一种；所述聚羧酸减水剂为粉末状，减水率30-40%。
本发明另外还提供上述冷补沥青混合料的施工方法，包括如下步骤：
1）A组分的制备：将沥青熔融，加入水泥和碳酸氢盐拌合均匀，得到初级混料I；将玄武岩纤维、级配料、固化剂、固化促进剂和水混合均匀，得到初级混料II；将初级混料I和初级混料II拌合均匀，密封保存得到A组分；将水性环氧树脂，超支化环氧树脂、环氧稀释剂混合均匀得到B组分；A组分，B组分搅拌机中混合均匀，得到浆料；
2）在待施工的孔隙、坑洞或裂缝中关注步骤1)所得浆料，一边灌注一边均匀洒入剩余的组分C生石灰，灌注后使得孔隙、坑洞或裂缝高出路面0.5-2cm；
3）被填平的孔隙、坑洞或裂缝处凝固，且无气体溢出的情况下，进行压实处理，养护，完成施工。
施工过程中，一边灌注组分A和组分B的混合浆料，一边向其中洒入生石灰，生石灰遇到浆料中的水，反应得到氢氧化钙，氢氧化钙与碳酸氢盐反应生成碳酸钙，一方面提高混合料的凝固强度，另一方面反应放出的热量为环氧树脂的固化提供温度条件。
优选地，上述施工方法中，步骤2）替换为：
在待施工的孔隙、坑洞或裂缝中加入20-30 wt%的组分C生石灰，之后灌注步骤1)所得浆料，一边灌注一边均匀洒入剩余的组分C生石灰，灌注后使得孔隙、坑洞或裂缝高出路面0.5-2cm。
相对于现有技术，本发明取得了以下技术优势：
一、本发明冷补料中生石灰和环氧树脂联用，生石灰与水产生的热量加速环氧树脂固化；生石灰和碳酸氢盐一起使用，反应过程中会继续产生水，使得内层生石灰的反应更加完全，促进生石灰反应，同时也有利于固化。
二、本发明创新了冷补沥青的施工方法：在待修补路面的裂缝、沟槽、坑洞内先撒入C组分生石灰，C组分生石灰与浆料中的水反应，产生热量，同时一边灌注浆料一边撒入C组分生石灰，生石灰还与碳酸氢盐反应进一步产生水蒸气，水蒸气又促进生石灰的反应，使得反应协同联动。
具体实施方式
本发明通过以下具体实施例进行详细说明。
本发明试剂，材料均可采购自常规商业渠道。
沥青为90#石油沥青。
SBS采购自中国石化，线型，重均分子量为约10万，S/B为30/70。
聚羧酸减水剂采购自山东瑞鸿德化工科技优有限公司，为白色粉体，减水率34%。
玄武岩纤维采购自武汉七星新技术材料有限公司，长度在10-30mm，直径13-17μm，抗压强度≥1050MPa。
凹凸棒粉、石英砂、玄武岩石料均采购自灵寿百益矿产品加工厂。其中凹凸棒粉粒度325目；石英砂粒度10-20mm，玄武岩石料粒度2-5 mm。
水泥为PO 42.5，采购自海螺水泥。
制备例1
(S1)氮气气氛下，3摩尔份二乙醇胺溶解在四氢呋喃中，缓慢加入1摩尔份三乙二醇二丙烯酸酯和1.7摩尔份三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的混合物，40℃保温反应4h，抽真空旋转蒸发除去溶剂和未反应的二乙醇胺；体系加入0.05摩尔份对甲苯磺酸的四氢呋喃溶液，升温至100℃反应1h，抽真空旋转蒸发，得到端羟基超支化聚醚；
(S2)氮气氛下，将100质量份步骤(S1)所得端羟基超支化聚醚加入到溶剂甲苯中，升温至130℃，加入0.5质量份三氟化硼乙醚络合物和240质量份环氧氯丙烷，保温反应2h，再加入50质量份30wt% NaOH水溶液，反应8h，反应结束后冷却，加入饱和NaCl溶液洗涤，分层，甲苯相真空干燥，所得粘稠状液体为超支化环氧树脂。
经过测试，制备例1所得超支化环氧树脂环氧值为0.31，粘度43000mPa·s。
制备例2
其他条件和操作与制备例1相同，区别在于步骤(S1)中，二乙醇胺用量为4摩尔份，三羟甲基丙烷三丙烯酸酯用量为2.3摩尔份。
制备例2所得超支化环氧树脂环氧值为0.33，粘度46000mPa·s。
对比制备例1
其他条件和操作与制备例1相同，区别在于步骤(S1)中，三乙二醇二丙烯酸酯用量为2.7摩尔份，不加入三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。
对比制备例1所制得超支化环氧树脂环氧值为0.30，粘度41000mPa·s。
对比制备例2
其他条件和操作与制备例1相同，区别在于步骤(S1)中，三羟甲基丙烷三丙烯酸酯用量为2.7摩尔份，不加入三乙二醇二丙烯酸酯。
对比制备例2所制得超支化环氧树脂环氧值为0.31，粘度50000mPa·s。
制备例3
100质量份90#石油沥青加热至熔融，加入4质量份SBS，2质量份凹凸棒粉，强制搅拌混合均匀，得到复合改性沥青。
制备例4
100质量份90#石油沥青加热至熔融，加入6质量份凹凸棒粉，强制搅拌混合均匀，得到凹凸棒改性沥青。
实施例1
(1)A组分的配制，按照质量份称取以下原料：40份沥青(90#石油沥青和制备例3制得的复合改性沥青按照质量比1:1混合)，14份硅酸盐水泥，3份碳酸氢钠，14份玄武岩纤维，20份级配料(10-20mm的石英砂和2-5mm的玄武岩石料按照质量比3:1的复配)，4.2份固化剂DMP-30，2份固化促进剂2-乙基-4-甲基咪唑，0.3份聚羧酸减水剂，40份水；搅拌混合均匀得到A组分；
(2)B组分的配制，按照质量份称取以下原料：7份双酚A环氧树脂E51，3份制备例1制得的超支化环氧树脂，10份1,4-丁二醇二缩水甘油醚；搅拌混合均匀得到B组分；
(3)将100质量份A组分，20质量份B组分投料强制搅拌机，得到浆料备用；在马歇尔试件模具(直径101.6±0.2mm，十字对称4个方向量取高度63.5±1.3mm，两侧高度差≤2mm)底部均匀铺设0.6质量份生石灰，向模具中灌注浆料，一边灌注，一边同时撒入剩余2.4质量份生石灰，0.5h灌注完毕。
实施例2
其他条件和操作与实施例1相同，区别在于步骤(2)为：称取10份双酚A环氧树脂E44，5份制备例1制得超支化环氧树脂，15份1,4-丁二醇二缩水甘油醚；搅拌混合均匀得到B组分；步骤(3)中B组分投料量为30质量份。
实施例3
其他条件和操作与实施例1相同，区别在于步骤(2)中，制备例1制得的超支化环氧树脂替换为制备例2制得。
实施例4
其他条件和操作与实施例1相同，区别在于步骤(1)中，制备例3制得的复合改性沥青替换为制备例4制得的凹凸棒改性沥青。
实施例5
其他条件和操作与实施例1相同，区别在于步骤(1)中，制备例3制得的复合改性沥青替换为商购SBS石油沥青。
实施例6
其他条件和操作与实施例1相同，区别在于步骤(3)为：将100质量份A组分，20质量份B组分投料强制搅拌机，搅拌条件下缓慢投入3质量份的C组分生石灰，0.5h内组分C生石灰投料完毕，得到冷补沥青混合料的浆料，所得浆料灌注于马歇尔试件模具。
对比例1
其他条件和操作与实施例1相同，区别在于制备例1制得超支化环氧树脂替换为对比制备例1制得。
对比例2
其他条件和操作与实施例1相同，区别在于制备例1制得超支化环氧树脂替换为对比制备例2制得。
对比例3
其他条件和操作与实施例1相同，区别在于步骤(2)的B组分配制中，不加入超支化环氧树脂，双酚A环氧树脂E51投加量为10质量份。
对比例4
其他条件和操作与实施例1相同，区别在于步骤(3)中不加入组分C生石灰。
对比例5
其他条件和操作与实施例1相同，区别在于步骤(1)中不加入碳酸氢钠。
效果例
将上述实施例和对比例所得浆料灌注到模具中，压实成型得到试件。按照以下测试方法对上述实施例和对比例的冷补沥青所得试件进行性能测试，结果如下表1所示。
初始强度和最终强度：按照JTG E20-2011方法测试马歇尔稳定度。试件在-5℃下正反面各击实75次制成马歇尔试件，测试马歇尔稳定度为初始强度；之后试件继续在常温下养护2d，在60℃烘箱中养护1d，之后常温养护7d，测试马歇尔稳定度，为最终强度。
抗冻融试验：试件测试劈裂抗拉强度，计算冻融前后劈裂抗拉强度的比值。
动稳定度：测试温度40℃。
表1 冷补沥青混合料性能测试
。
Claims (9)
1.一种早强抗冻融冷补沥青混合料，其特征在于，由A组分、B组分和C组分组成，其中A组分包括以下质量份原料：30-50份沥青、10-14份水泥、2-3份碳酸氢盐、8-14份玄武岩纤维、12-20份级配料、3.5-4.2份固化剂、1-3份固化促进剂、0.2-0.4份聚羧酸减水剂和30-40份水；B组分包括以下质量份的原料：7-10份水性环氧树脂、3-5份超支化环氧树脂和10-15份环氧稀释剂；C组分为生石灰；所述超支化环氧树脂是三乙二醇二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的混合物与二乙醇胺反应制备得到端羟基超支化聚醚，然后再将端羟基超支化聚醚上的端羟基环氧化得到，所述超支化环氧树脂环氧值为0.31-0.35；A组分、B组分和C组分的质量比为100：20-30：3-5。
2.根据权利要求1所述的早强抗冻融冷补沥青混合料，其特征在于，所述沥青选自石油沥青、SBS改性沥青、SBR改性沥青、橡胶沥青、复合改性沥青中的至少一种，所述复合改性沥青是沥青与SBS和凹凸棒粉通过熔融法改性得到；和/或
所述水泥为强度在42.5MPa以上的硅酸盐水泥；和/或
所述级配料为石英砂和玄武岩石料的混合料，其中石英砂与玄武岩石料的重量比为1-3：1，石英砂的粒径为10-20mm，玄武岩石料的粒径为2-5 mm；和/或
所述玄武岩纤维长度在10-30mm，直径13-17μm；和/或
所述水性环氧树脂选自双酚A型、双酚F型，环氧值为0.4-0.5；和/或
所述环氧稀释剂选自1,4-丁二醇二缩水甘油醚、丙三醇三缩水甘油醚，聚乙二醇二缩水甘油醚中的至少一种；和/或
所述固化剂选自DMP-30、二乙胺、三乙胺、三亚乙基二胺、二乙烯三胺、异氟尔酮二胺，间苯二胺中的至少一种；和/或
所述固化促进剂为咪唑类固化促进剂；和/或
所述聚羧酸减水剂为粉末状，减水率30-40%。
3.根据权利要求2所述的早强抗冻融冷补沥青混合料，其特征在于，所述沥青为石油沥青与复合改性沥青按照质量比1-2:1-2的混合沥青。
4.根据权利要求3所述的早强抗冻融冷补沥青混合料，其特征在于，所述复合改性沥青通过包括以下步骤的制备方法制得：将沥青加热熔融，加入SBS和凹凸棒粉，在180-220℃条件下强制搅拌，得到复合改性沥青；SBS加入量是沥青的4-7 wt%，凹凸棒粉加入量是沥青的1-2 wt%。
5.根据权利要求4所述的早强抗冻融冷补沥青混合料，其特征在于，SBS为线型，重均分子量为10-15万，SBS中S单元和B单元的质量比为30/70至40/60；凹凸棒粉粒径为200-325目。
6.根据权利要求1所述的早强抗冻融冷补沥青混合料，其特征在于，所述超支化环氧树脂是通过包括以下步骤的制备方法制得：
(S1)保护性气氛下，二乙醇胺溶解在有机溶剂中，缓慢加入三乙二醇二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的混合物，二乙醇胺、三乙二醇二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的摩尔比为3-4：1：1.7-2.3，40-50℃保温反应4-8h，抽真空旋转蒸发；加入催化剂，升温至90-100℃反应0.5-1h，抽真空旋转蒸发，得到端羟基超支化聚醚；
(S2)保护性气氛下，100质量份端羟基超支化聚醚加入到甲苯中，升温至110-130℃，加入0.5-1质量份三氟化硼乙醚络合物和240-300质量份环氧氯丙烷，保温反应1-2h，再加入40-60质量份30-40wt% NaOH水溶液，反应6-10h，反应结束后冷却，加入饱和NaCl溶液洗涤，分层，有机相真空干燥，所得粘稠状液体为超支化环氧树脂。
7.根据权利要求6所述的早强抗冻融冷补沥青混合料，其特征在于，所述有机溶剂为四氢呋喃、乙酸乙酯中的至少一种；催化剂为对甲苯磺酸，加入量是二乙醇胺物质的量的3-5mol%。
8.权利要求1-7任一项所述早强抗冻融冷补沥青混合料的施工方法，包括如下步骤：
1）A组分的制备：将沥青熔融，加入水泥和碳酸氢盐，拌合均匀，得到初级混料I；将玄武岩纤维、级配料、固化剂、固化促进剂和水混合均匀，得到初级混料II；将初级混料I和初级混料II拌合均匀，密封保存得到A组分；将水性环氧树脂，超支化环氧树脂、环氧稀释剂混合均匀得到B组分；A组分，B组分搅拌机中混合均匀，得到浆料；
2）在待施工的孔隙、坑洞或裂缝中灌注步骤1)所得浆料，一边灌注一边均匀洒入组分C生石灰，灌注后使得孔隙、坑洞或裂缝高出路面0.5-2cm；
3）被填平的孔隙、坑洞或裂缝处凝固，且无气体溢出的情况下，进行压实处理，养护，完成施工。
9.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于，步骤2）替换为：
在待施工的孔隙、坑洞或裂缝中加入首批组分C生石灰，首批组分C生石灰的加入量为生石灰总量的20-30 wt%，之后灌注步骤1)所得浆料，一边灌注一边均匀洒入剩余的组分C生石灰，灌注后使得孔隙、坑洞或裂缝高出路面0.5-2cm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A type of early strength anti freeze thaw cold patching asphalt mixture and its construction method Granted publication date: 20230929 Pledgee: China Construction Bank Corporation Beijing Fengtai Branch Pledgor: BEIJING ORANGESTONE HARDSCAPE CO.,LTD. Registration number: Y2024110000167 |