CN116768534B - 一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料及其制备方法，属于沥青材料领域，包括以下质量份数的各原料组分：高粘改性乳化沥青9～11份、玄武岩纤维0.3～0.5份和矿料88.5～90.7份；所述高粘改性乳化沥青的残留分含量范围为55%～65%，软化点≥82℃，60℃动力粘度≥40000Pa·s，以及弹性恢复≥92%。在发明中对限定软化点和60℃动力粘度进行限定可以提供冷拌沥青混合料更强的粘结能力，限定弹性恢复可实现冷拌沥青混合料的韧性以及抗裂性能，以体现本方案只能采用特定的沥青材料制备得到的冷拌沥青混合料才能达到高抗疲劳性能的技术效果。

Description

一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料及其制备方法

技术领域

本发明涉及沥青混合料技术领域，尤其涉及一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料及其制备方法。

背景技术

沥青路面在使用过程中，受到车辆荷载的反复作用和环境温度交替变化所产生的温度应力作用，沥青路面长期处于应力应变反复变化的状态。随着荷载作用次数的增加，材料内部缺陷，微裂纹不断扩展，路面结构强度逐渐衰弱，直到发射疲劳破坏，路面出现裂缝。

近年来，提高沥青路面抗疲劳开裂的主要措施在SBS改性沥青中掺入纤维，制得热拌沥青混合料，以改善沥青混合料的抗裂性能。但是传统热拌沥青的制备过程不仅消耗了大量能源，还会产生了大量的CO₂、烟尘和有害气体，造成了环境污染。并且沥青在高温拌和过程中容易发生老化，对沥青路面的各项路用性能都有不同程度的负面影响。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料，具有高抗疲劳性能，大幅延长了冷拌沥青混合料的工程寿命，提升冷拌沥青混合料路用性能，还能解决传统热拌沥青混合料在加热过程中有毒有害气体的排放，减少对周围环境的污染的问题。

本发明的另一个目的还在于提出一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料的制备方法，可以得到的一种冷拌沥青混合料，该冷拌沥青混合料具有高抗疲劳性能，解决了传统沥青路面容易疲劳开裂的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料，包括以下质量份数的各原料组分：高粘改性乳化沥青9～11份、玄武岩纤维0.3～0.5份和矿料88.5～90.7份；

所述高粘改性乳化沥青的残留分含量范围为55%～65%，软化点≥82℃，60℃动力粘度≥40000Pa·s，以及弹性恢复≥92%。

进一步的，所述玄武岩纤维直径为15um，抗拉强度大于2500MPa，弹性模量大于85GPa，断裂延伸率大于3%。

进一步的，所述玄武岩纤维包括第一玄武岩纤维和第二玄武岩纤维，所述第一玄武岩纤维的长度为6mm，所述第二玄武岩纤维的长度为12mm，第一玄武岩纤维占玄武岩纤维总质量的比为25%～37%，第二玄武岩纤维占玄武岩纤维总质量的比为63%～75%。

进一步的，所述矿料包含第一粗集料、第二粗集料、细集料、石灰岩矿粉和普通硅酸盐水泥，所述第一粗集料占矿料总质量的比为55%～65%，所述第二粗集料占矿料总质量为5%～15%，所述细集料占矿料总质量为25%～35%，所述石灰岩矿粉占矿料总质量为2%～6%，普通硅酸盐水泥占矿料总质量为0.5%～1.5%。

进一步的，所述第一粗集料的直径为5～10mm，所述第二粗集料的直径为3～5mm，所述细集料的直径为0～3mm。

进一步的，所述第一粗集料、第二粗集料和细集料均为玄武岩、辉绿岩、闪长岩和变质砂岩中的一种。

进一步的，所述普通硅酸盐水泥的硬度等级为42.5。

进一步的，所述矿料的级配范围为：13.2mm筛孔通过率为100％，9.5mm筛孔通过率为95～100％，4.75mm筛孔通过率为35～45％，2.36mm筛孔通过率为25～35％，1.18mm筛孔通过率为20～25％，0.6mm筛孔通过率为15～20％，0.3mm筛孔通过率为10～15％，0.15mm筛孔通过率为5～10％和0.075mm筛孔通过率为4～8％。

上述的一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料的制备工艺，包括以下步骤：

（1）将第一粗集料、第二粗集料和细集料进行拌合，拌合时间为10~15s；

（2）将高粘改性乳化沥青加入到步骤（1）的混合料中，进行拌合，拌合时间为40~45s；

（3）将玄武岩纤维加入到步骤（2）的混合料中，进行拌合，拌合时间为30~35s；

（4）将石灰岩矿粉加入到步骤（3）的混合料中，进行拌合，拌合时间为30~35s；

（5）将普通硅酸盐水泥加入到步骤（4）的混合料中，进行拌合，拌合时间为30~35s，制得一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料。

与现有技术相比，本发明的实施例具有以下有益效果：

1、通过高粘改性乳化沥青、玄武岩纤维和矿料共同制备，得到的一种具有高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料，大幅延长了冷拌沥青混合料的工程寿命，提升冷拌沥青混合料路用性能，还可以替代传统的热拌沥青混合料，从而解决传统热拌沥青混合料在加热过程中有毒有害气体的排放，减少对周围环境的污染的问题；

2、对限定软化点≥82℃和60℃动力粘度≥40000Pa·s可以提供冷拌沥青混合料更强的粘结能力，限定弹性恢复≥92%可实现冷拌沥青混合料的韧性以及抗裂性能，以体现本方案采用特定的沥青材料制备得到的冷拌沥青混合料可以达到高抗疲劳性能的技术效果。

具体实施方式

下面结合具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。

本发明提供一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料，包括以下质量份数的各原料组分：高粘改性乳化沥青9～11份、玄武岩纤维0.3～0.5份和矿料88.5～90.7份；

所述高粘改性乳化沥青的残留分含量范围为55%～65%，软化点≥82℃，60℃动力粘度≥40000Pa·s，以及弹性恢复≥92%。

本方案通过高粘改性乳化沥青、玄武岩纤维和矿料共同制备，得到的一种具有高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料，大幅延长了冷拌沥青混合料的工程寿命，提升冷拌沥青混合料路用性能，还可以替代传统的热拌沥青混合料，从而解决传统热拌沥青混合料在加热过程中有毒有害气体的排放，减少对周围环境的污染的问题。

本方案对高粘改性乳化沥青的60℃动力粘度、软化点和弹性恢复三项性能指标进行限定，不仅有利于优异的高温稳定性能和粘弹性能的实现，以保证冷拌沥青混合料原料粘结的可靠性。其中，限定软化点≥82℃和60℃动力粘度≥40000Pa·s可以提供冷拌沥青混合料更强的粘结能力，限定弹性恢复≥92%可实现冷拌沥青混合料的韧性以及抗裂性能。

高粘改性乳化沥青是由高粘高弹改性沥青经乳化工艺制得，使得本方案采用特定的沥青材料制备得到的冷拌沥青混合料可以达到高抗疲劳性能的技术效果。

玄武岩纤维可以起到对沥青混合料加筋的效果，因此高粘改性乳化沥青、玄武岩纤维和矿料相互配合，值得的一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料，具有较好的抗疲劳性能，可以提升冷拌沥青混合料路用性能。

所述玄武岩纤维直径为15um，抗拉强度大于2500MPa，弹性模量大于85GPa，断裂延伸率大于3%。

玄武岩纤维主要起到对沥青混合料加筋的效果，对其抗拉强度、弹性模量、断裂延伸率进行要求，是为了充分保障加筋效果。

所述玄武岩纤维包括第一玄武岩纤维和第二玄武岩纤维，所述第一玄武岩纤维的长度为6mm，所述第二玄武岩纤维的长度为12mm，第一玄武岩纤维占玄武岩纤维总质量的比为25%～37%，第二玄武岩纤维占玄武岩纤维总质量的比为63%～75%。

两种长度玄武岩纤维都能对混合料本身起到加筋效果，但是分散于沥青混合料当中起到加筋效果的作用方式存在差异。

6mm玄武岩纤维长度覆盖1～2颗粗集料，主要起到对沥青胶浆加筋的效果；12mm玄武岩纤维长度可以覆盖3～4颗粗集料，起到混合料骨架整体加筋效果。

此外，若仅采用长度为6mm的第一玄武岩纤维，则对混合料骨架整体加筋效果不强，使得最终制得的高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料的抗疲劳性能不佳；若仅采用长度为12mm的第二玄武岩纤维时，则在实验过程中发现在混合料搅拌过程中各原料难以均匀分散的情况，也严重影响高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料的抗疲劳性能。

所述矿料包含第一粗集料、第二粗集料、细集料、石灰岩矿粉和普通硅酸盐水泥，所述第一粗集料占矿料总质量的比为55%～65%，所述第二粗集料占矿料总质量为5%～15%，所述细集料占矿料总质量为25%～35%，所述石灰岩矿粉占矿料总质量为2%～6%，普通硅酸盐水泥占矿料总质量为0.5%～1.5%。

第一粗集料和第二粗集料共同构建了沥青混合料的骨架结构，细集料、石灰岩矿粉和普通硅酸盐水泥用以填充沥青混合料骨架的空隙。本方案还对矿料中各原料的配比进行限定，从而有利于确保冷拌沥青混合料具有骨架密实结构。

所述第一粗集料的直径为5～10mm，所述第二粗集料的直径为3～5mm，所述细集料的直径为0～3mm。

本方案对第一粗集料、第二粗集料和细集料的直径进行限定，结合上述的第一粗集料、第二粗集料和细集料之间的占比，可以达到低含粉量高粗集料量的级配设计，该级配设计可以降低矿料比表面积，有利于确保冷拌沥青混合料具有较高的抗疲劳性能。

所述第一粗集料、第二粗集料和细集料均为玄武岩、辉绿岩、闪长岩和变质砂岩中的一种。

优选的，经实验验证，第一粗集料、第二粗集料和细集料仅采用闪长岩时，在特定比例下的第一粗集料、第二粗集料和细集料可以提高本方案制得的高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料的力学性能，一方面其能够大幅度提升本方案制得的高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料的强度和韧性，有效抑制裂缝的产生和延展，提高路面结构的使用寿命及服役情况，另一方面其能够促进水泥水化反应，消耗掉多余水分进一步提高其强度。

所述矿料的级配范围为：13.2mm筛孔通过率为100％，9.5mm筛孔通过率为95～100％，4.75mm筛孔通过率为35～45％，2.36mm筛孔通过率为25～35％，1.18mm筛孔通过率为20～25％，0.6mm筛孔通过率为15～20％，0.3mm筛孔通过率为10～15％，0.15mm筛孔通过率为5～10％和0.075mm筛孔通过率为4～8％。

上述的级配范围可以达到低含粉量高粗集料量的效果，高粘改性乳化沥青和玄武岩纤维可以增大集料油膜厚度，低含粉量高粗集料量的级配设计可以降低矿料比表面积，基于以上两点才能在加大乳化沥青用量的基础上，尽可能提高集料表面油膜厚度且不至于混合料泛油。

一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将第一粗集料、第二粗集料和细集料进行拌合，拌合时间为10~15s；

（2）将高粘改性乳化沥青加入到步骤（1）的混合料中，进行拌合，拌合时间为40~45s；

（3）将玄武岩纤维加入到步骤（2）的混合料中，进行拌合，拌合时间为30~35s；

（4）将石灰岩矿粉加入到步骤（3）的混合料中，进行拌合，拌合时间为30~35s；

（5）将普通硅酸盐水泥加入到步骤（4）的混合料中，进行拌合，拌合时间为30~35s，制得一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料。

经过多次试验后，本方案对各步骤的拌合时间进行限定，使得以上拌合时间已可以满足使得各组分均匀存在于沥青混合料的要求，还可以避免不必要的搅拌时间。

首先，将第一粗集料、第二粗集料和细集料搅拌均匀，再加高粘改性乳化沥青是为了在集料表面充分裹附高粘改性乳化沥青，再加两种长度的第一玄武岩纤维和第二玄武岩纤维进行拌合，可以使得第一玄武岩纤维和第二玄武岩纤维充分分散。

最后再依次加入石灰岩矿粉和普通硅酸盐水泥，可以稳定多余高粘改性乳化沥青分子，加速高粘改性乳化沥青破乳，从而制得一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料。

如果改变了各原料的加入顺序，先加石灰岩矿粉再加高粘改性乳化沥青，则容易导致大量高粘改性乳化沥青瞬间破乳产生大量沥青团子和水，不利于混合料分散，难以制得一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料。

下面结合实施例和对比例进一步阐述本发明。

实施例1-4

（1）将第一粗集料、第二粗集料和细集料进行拌合；

（2）将高粘改性乳化沥青加入到步骤（1）制得的混合料中，进行拌合；

（3）将玄武岩纤维加入到步骤（2）制得的混合料中，进行拌合；

（4）将石灰岩矿粉加入到步骤（3）制得的混合料中，进行拌合；

（5）将普通硅酸盐水泥加入到步骤（4）制得的混合料中，进行拌合，制得一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料。

其中，高粘改性乳化沥青残留分含量范围为55%～65%，软化点≥82℃，60℃动力粘度≥40000Pa·s，弹性恢复≥92%；

且采用公开号为CN106905268B的中国专利：《一种樟树籽阳离子乳化剂及其制备方法和应用》中的樟树籽阳离子乳化剂；

将樟树籽阳离子乳化剂溶于水中，所配制樟树籽阳离子乳化剂水溶液的体积浓度是16-20%，调节pH值为2，加热至63-83℃，与高粘高弹改性沥青混合后加热至133-173℃，通过胶体磨制备出高粘改性乳化沥青。其中，阳离子乳化剂的水溶液与高粘高弹改性沥青的质量比是（40-45）:（55-60）。所述高粘高弹改性沥青为市场销售产品，其60℃动力粘度大于450000Pa·s，60℃复合剪切模量G^*大于11kPa。

玄武岩纤维直径为15um，抗拉强度大于2500MPa，弹性模量大于85GPa，断裂延伸率大于3%；

玄武岩纤维包括第一玄武岩纤维和第二玄武岩纤维，第一玄武岩纤维的长度为6mm，所述第二玄武岩纤维的长度为12mm；

第一粗集料的直径为5～10mm，第二粗集料的直径为3～5mm，细集料的直径为0～3mm；

第一粗集料、第二粗集料和细集料均为闪长岩。

实施例1-4的具体成分含量和工艺参数，如表1所示。

表1 实施例1-4的原料含量、工艺参数

对比例1

本对比例与实施例2的原料成分及其含量基本相同，不同之处在于：采用5份的SBS改性沥青替代10份的高粘改性乳化沥青；其中，SBS改性沥青软化点75℃，60℃动力粘度5790 Pa·s，弹性恢复为88%；沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：

（1）先将SBS改性沥青在160℃烘箱中加热至熔融状态，保温备用；

（2）在173℃条件下预先加热第一粗集料、第二粗集料、细集料和石灰岩矿粉5h以上；

（3）将沥青混合料拌合锅加热至170℃，先将预先加热的粗细集料在加热拌合锅内拌合90s，再将步骤(1)保温备用的SBS改性沥青拌合90s，最后掺入预加热的石灰岩矿粉拌合90s，制备成热拌沥青混合料。

对比例2

本对比例与实施例2基本相同，不同之处在于：采用普通乳化沥青替代高粘改性乳化沥青，普通乳化沥青的残留分含量范围为51%，软化点为55℃，60℃动力粘度为514 Pa·s，以及弹性恢复为60.4%。

对比例3

本对比例与实施例2基本相同，不同之处在于：采用5份的SBS改性沥青替代高粘改性乳化沥青，其中，SBS改性沥青软化点73℃，60℃动力粘度9250 Pa·s，弹性恢复为88%。

对比例4

本对比例与实施例2基本相同，不同之处在于：普通玄武岩纤维替代本方案的玄武岩纤维，玄武岩纤维的直径为20um，抗拉强度为2000MPa，弹性模量为60GPa，断裂延伸率为2.41%。

对比例5

本对比例与实施例2基本相同，不同之处在于：第一玄武岩纤维的长度为3mm，第二玄武岩纤维的长度为10mm。

对比例6

本对比例与实施例2基本相同，不同之处在于：第一玄武岩纤维占玄武岩纤维总质量的比为100%。

对比例7

本对比例与实施例2基本相同，不同之处在于：所述第一粗集料、第二粗集料和细集料均为石灰岩。

对比例8

本对比例与实施例2基本相同，不同之处在于：矿料的级配范围为13.2mm筛孔通过率为100％，9.5mm筛孔通过率为93.6％，4.75mm筛孔通过率为30.6％，2.36mm筛孔通过率为24.3％，1.18mm筛孔通过率为18.0％，0.6mm筛孔通过率为13.5％，0.3mm筛孔通过率为9.6％，0.15mm筛孔通过率为6.8％和0.075mm筛孔通过率为5.1％。

对比例9

本对比例与实施例2基本相同，不同之处在于：普通硅酸盐水泥的硬度等级52.5。

检测方法：采用沥青混合料四点弯曲疲劳试验仪对实施例1-4和对比例1-9制备的沥青混合料进行检测，并将检测结果记录在表2中。

表2 实施例1-4和对比例1-9的检测结果

根据以上各实施例和对比例的有关数据分析说明如下：

实施例1-4采用特定的原料，在限定的范围内制得的冷拌沥青混合料，具有较高的抗疲劳性能，经检测，实施例2和实施例4制得的冷拌沥青混合料的疲劳寿命次数在30万次以上，且实施例1和实施例3制得的冷拌沥青混合料的疲劳寿命次数也20万次以上。

对比例1与实施例2的不同之处在于：采用SBS改性沥青替代高粘改性乳化沥青，由于传统的沥青混合料均为热拌沥青混合料，因此制备步骤也做出相应的改动。从表2的检测结果可以得出，当采用SBS改性沥青制备的热拌沥青混合料的疲劳寿命远不如实施例2所制备的高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料。

对比例2与实施例2的不同之处在于：采用普通乳化沥青替代高粘改性乳化沥青，由于普通乳化沥青的软化点、60℃动力粘度和弹性恢复均不如高粘改性乳化沥青，因此对比例2制得的冷拌沥青混合料的疲劳寿命不如实施例2所制备的高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料。

对比例3与实施例2的不同之处在于：采用SBS改性沥青替代高粘改性乳化沥青，由于对比例3并未采用特定参数的高粘改性乳化沥青，使得对比例3制得的冷拌沥青混合料的疲劳寿命不如实施例2所制备的高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料。

对比例4与实施例2的不同之处在于：采用普通玄武岩纤维替代本方案的玄武岩纤维，由于普通玄武岩纤维的直径、抗拉强度、弹性模量和断裂延伸率均不在本方案限定的范围中，使得对比例4制得的冷拌沥青混合料的疲劳寿命不如实施例2所制备的高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料。

对比例5与实施例2的不同之处在于：采用长度为3mm和10mm的玄武岩纤维，容易导致混合料搅拌过程中各原料难以均匀分散的情况出现，从而使得对比例5制得的冷拌沥青混合料的疲劳寿命不如实施例2所制备的高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料。

对比例6与实施例2的不同之处在于：仅采用长度为6mm的第一玄武岩纤维，使得第一玄武岩纤维对混合料骨架整体加筋效果不强，使得对比例6制备的沥青混合料的疲劳寿命远不如实施例2所制备的高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料。

对比例7与实施例2的不同之处在于：经实验验证，第一粗集料、第二粗集料和细集料仅采用石灰岩时，最终制得的一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料的抗疲劳性能一般，远不如实施例2所制备的高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料。

对比例8与实施例2的不同之处在于：矿料的级配范围与实施例2的矿料的级配范围并不相同，使得对比例8制备的沥青混合料的疲劳寿命远不如实施例2所制备的高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料。

对比例9与实施例2的不同之处在于：普通硅酸盐水泥的硬度等级并非是本方案限定的42.5，使得对比例9制备的沥青混合料的疲劳寿命远不如实施例2所制备的高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料，其特征在于，包括以下质量份数的各原料组分：高粘改性乳化沥青9～11份、玄武岩纤维0.3～0.5份和矿料88.5～90.7份；

所述高粘改性乳化沥青的残留分含量范围为55%～65%，软化点≥82℃，60℃动力粘度≥40000Pa·s，以及弹性恢复≥92%；

所述玄武岩纤维直径为15um，抗拉强度大于2500MPa，弹性模量大于85GPa，断裂延伸率大于3%；

所述玄武岩纤维包括第一玄武岩纤维和第二玄武岩纤维，所述第一玄武岩纤维的长度为6mm，所述第二玄武岩纤维的长度为12mm，第一玄武岩纤维占玄武岩纤维总质量的比为25%～37%，第二玄武岩纤维占玄武岩纤维总质量的比为63%～75%；

所述矿料包含第一粗集料、第二粗集料、细集料、石灰岩矿粉和普通硅酸盐水泥，所述第一粗集料、第二粗集料和细集料均为玄武岩、辉绿岩、闪长岩和变质砂岩中的一种；所述普通硅酸盐水泥的硬度等级为42.5；

所述矿料的级配范围为：13.2mm筛孔通过率为100％，9.5mm筛孔通过率为95～100％，4.75mm筛孔通过率为35～45％，2.36mm筛孔通过率为25～35％，1.18mm筛孔通过率为20～25％，0.6mm筛孔通过率为15～20％，0.3mm筛孔通过率为10～15％，0.15mm筛孔通过率为5～10％和0.075mm筛孔通过率为4～8％。

2.根据权利要求1所述的一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料，其特征在于，所述第一粗集料占矿料总质量的比为55%～65%，所述第二粗集料占矿料总质量为5%～15%，所述细集料占矿料总质量为25%～35%，所述石灰岩矿粉占矿料总质量为2%～6%，普通硅酸盐水泥占矿料总质量为0.5%～1.5%。

3.根据权利要求1所述的一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料，其特征在于，所述第一粗集料的直径为5～10mm，所述第二粗集料的直径为3～5mm，所述细集料的直径为0～3mm。

4.一种根据权利要求1-3中的任意一项所述的一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将第一粗集料、第二粗集料和细集料进行拌合，拌合时间为10~15s；

（2）将高粘改性乳化沥青加入到步骤（1）的混合料中，进行拌合，拌合时间为40~45s；

（3）将玄武岩纤维加入到步骤（2）的混合料中，进行拌合，拌合时间为30~35s；

（4）将石灰岩矿粉加入到步骤（3）的混合料中，进行拌合，拌合时间为30~35s；

（5）将普通硅酸盐水泥加入到步骤（4）的混合料中，进行拌合，拌合时间为30~35s，制得一种高抗疲劳性能的冷拌沥青混合料。