CN116874224A - 一种超高性能沥青混凝土改性剂及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新材料技术领域，提供一种超高性能沥青混凝土改性剂及其制备和应用，该沥青混凝土改性剂包括：TPE、UHMWPE、物质A、增容剂和分散助剂，所述物质A为石墨烯、石墨纳米片和氧化石墨烯中的一种以上，所述TPE为SBS、SIS、SEBS、TPO、TPV、TPU中的一种以上。该沥青混凝土改性剂是先将物质A加入分散助剂中混匀，再将该产物与热塑性弹性体、UHMWPE和增容剂混合后在180～230℃下挤出造粒，即得，该沥青混凝土改性剂与沥青的相容性佳，粘附性好，能够整体提升混合料的综合性能，并实现材料高温不软，低温不开裂，抗疲劳性能大幅提升，提升混合料的易压实程度，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，尤其涉及一种超高性能沥青混凝土改性剂及其制备和应用。
背景技术
沥青混凝土路面作为我国高等级路面的主要结构形式，持续增加的交通流量和日益恶劣的环境条件对道路材料提出了更高的要求。传统的沥青材料在高温下容易软化，导致车辙深度加大；而在低温下易发生开裂问题，严重影响路面的使用寿命；此外，长期承受车辆交通负荷后，路面往往会出现疲劳破坏现象。因此，寻求一种具备耐高温车辙性能、低温抗开裂性能以及抗疲劳性能的沥青混凝土改性剂成为当前研究的关键问题。
在上述问题的启发下，聚乙烯聚合物基体的沥青混凝土改性剂与其他改性材料的复合应用逐渐兴起。例如，与橡胶、聚丙烯等材料的复合改性能够进一步提高沥青的性能和适应性，满足更高要求的路面工程需求。在有关聚乙烯基体的沥青混凝土改性剂的研究中发现，聚乙烯的分子量大小对沥青混凝土改性剂的功能产生显著影响，如较低分子量的聚乙烯可以增加沥青的柔性和韧性，使其在低温条件下具有较好的弹性和抗开裂性能，在沥青中形成较好的粘结力，增强沥青与骨料之间的粘结，在沥青中具有较好的分散稳定性，不易发生沉淀或析出。而较高分子量的聚乙烯则在沥青中分散性较差而对沥青混凝土路面材料性能提升程度不够。
为了改善聚乙烯聚合物基体的沥青混凝土改性剂的性能，使其更好地提高沥青混凝土路面材料的性能，使路面具备耐高温车辙性能、低温抗开裂性能以及抗疲劳性能的综合优势，提出本发明。
发明内容
本发明提供一种超高性能沥青混凝土改性剂及其制备和应用，用以解决现有技术中聚乙烯聚合物基体的沥青混凝土改性剂对沥青路面材料性能提升程度不够的缺陷，通过重新设计聚合物基体体系，并与石墨烯及其衍生物配合使用，意外地发现，制得的沥青混凝土改性剂能够兼顾沥青混合料的耐高温车辙性能、低温开裂性能以及抗疲劳性能的提升。
具体地，本发明提供一种沥青混凝土改性剂，包括：TPE、UHMWPE、物质A、增容剂和分散助剂；
所述物质A为石墨烯、石墨纳米片和氧化石墨烯中的一种以上；
所述TPE为SBS、SIS、SEBS、TPO、TPV和TPU中的一种以上。
一般而言，用于沥青混凝土改性剂的聚乙烯主要为低密度聚乙烯，有时会采用高密度聚乙烯，不同分子量的聚乙烯在沥青混凝土改性剂中的作用不同，本发明在试验中发现，即便采用高密度聚乙烯，制得的沥青混凝土改性剂对耐高温性能的提升程度仍然有限，而且还需依赖其他手段兼顾低温抗裂性，为了进一步提高沥青混凝土改性剂对于混合料的性能改善程度，本发明尝试采用UHMWPE作为沥青混凝土改性剂中的聚合物基体，由于UHMWPE的分子量太大，而一般很少使用，即便使用，其添加量也十分有限，试验中当将其与多种聚合物基体和改性原料混合，也的确发现，UHMWPE难与其他大部分原料的混合均匀，而且出现与混合料中其他材料粘结力不佳的问题。
随着含有纳米材料的沥青混凝土改性剂不断涌现，本发明试图在含有UHMWPE的沥青混凝土改性剂体系中加入纳米材料，发现，纳米材料的性能和形态对其在该体系中的分散产生较大影响，经过大量试验，本发明采用上述TPE与UHMWPE和石墨烯及其衍生物组合使用时，石墨烯及其衍生物的分散较佳，其与UHMWPE的联合使用还使得本发明制得的沥青混凝土改性剂能够兼顾沥青混合料的耐高温车辙性能、低温开裂性能以及抗疲劳性能，优选所述石墨烯及其衍生物为石墨纳米片和/或氧化石墨烯。
本发明中的UHMWPE为分子量150万以上的无支链的线性聚乙烯，熔点130～136℃，密度0.92-0.96g/cm3。
根据本发明提供的沥青混凝土改性剂，TPE和UHMWPE的质量比为30～50:20～50，物质A与TPE的质量比为0.1～5:30～50。
在试验中发现，TPE、UHMWPE和石墨烯及其衍生物的质量比对石墨烯及其衍生物的分散均匀程度产生显著影响。
根据本发明提供的所述沥青混凝土改性剂，所述增容剂是SBS接枝马来酸酐(SBS-g-MA)、SEBS接枝马来酸酐(SEBS-g-MA)、PE接枝马来酸酐(PE-g-MA)和环氧树脂中的一种以上；优选为环氧树脂。
本发明中的环氧树脂相较于其他增容剂而言，不仅能显著促进石墨烯及其衍生物在聚合物中的分散，还能作为粘结剂，并且环氧基团可以与沥青混凝土体系中的羧基、羟基等官能团发生反应，增加其与沥青及石料的粘附性。因此，作为优选的增容剂。
根据本发明提供的所述沥青混凝土改性剂，所述分散助剂包括偶联剂，偶联剂是硅烷偶联剂KH550、KH560、KH570、KH580和钛酸酯偶联剂中的一种以上。
根据本发明提供的所述沥青混凝土改性剂，所述分散助剂包括表面活性剂，表面活性剂是硬脂酸、二辛基琥珀酸磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、卵磷脂、氨基酸和聚乙烯醚中的一种以上。
根据本发明提供的所述沥青混凝土改性剂，所述分散助剂包括助剂B，所述助剂B为糠醛抽出油、环烷油、橡胶油和白油矿物油中的一种以上。
根据本发明提供的所述沥青混凝土改性剂，按重量份数计，包括：物质A0.1～5份、TPE 30～50份、UHMWPE 20～50份、增容剂5～20份、偶联剂1～5份、表面活性剂1～5份和助剂B 5～10份。
本发明还提供如上所述沥青混凝土改性剂的制备方法，先将物质A加入分散助剂中混匀得第一混合物，再将所述第一混合物与TPE、UHMWPE和增容剂混合后在180～230℃下挤出造粒，得所述沥青混凝土改性剂。
如果直接将石墨烯及其衍生物用于改性沥青或者改性剂的制备，易发生团聚，不易分散，采用分散助剂预分散石墨烯及其衍生物，并进一步利用热塑性弹性体、UHMWPE和增容剂的作用，可以保证石墨烯及其衍生物的分散均匀，更好的发挥其纳米材料的特性。
本发明还提供如上所述沥青混凝土改性剂的应用，将所述沥青混凝土改性剂、沥青和矿料混合，得沥青混合料。
石墨烯一种二维碳纳米材料，其体积小、表面效应好，仅由一层碳原子组成，但强度甚至高于钢，并且坚韧轻柔，同时其拥有传统材料所不具备的独特的摩擦磨损性能，它这些独特的优越性能在路面领域具有极大的应用潜力，尤其是超高的力学性能，能够赋予改性沥青及混合料超高的强度及优异抗疲劳性能及施工性能。但生产成本高，且在沥青及混合料中的分散较为困难。石墨纳米片及石墨烯的氧化物作为其衍生物，保持了石墨烯原有的平面型碳六元环共扼晶体结构，具有同石墨烯相似的机械强度，以及良好的耐高温和抗腐蚀特性。同时其堆积结构赋予了它超大的形状比与比表面积，且因为对生产工艺的要求大大降低，成本也大为缩小，为其在路桥领域大面积使用推广奠定了基础。
本发明中的沥青混凝土改性剂中含有TPE、UHMWPE和石墨烯及其衍生物，在实际使用中，其与沥青可以均匀混合，而且石墨烯及其衍生物具有的堆积结构使其具有超大的形状比与比表面积，沥青还可以插入石墨烯及其衍生物的层间，增加沥青混合料内部结构的黏聚力，增强沥青混合料的抗断裂性能，赋予混合料超高的强度及优异抗疲劳性能，且石墨烯具有优异的润滑作用，使沥青混合料获得更好的压实性能及和易性，减少沥青混合料的老化，延长路面的使用寿命。本发明中的沥青混凝土改性剂在制成混合料后，可适用于重载交通路面、钢桥面、水泥混凝土桥面铺装铺筑与修补，同时可用于长大纵坡、交叉口、停车站等特殊路段。
根据本发明提供的所述沥青混凝土改性剂的应用，按重量份数计，包括：沥青混凝土改性剂0.1～3份，沥青2～6份和矿料92～98份；优选地，所述的沥青为基质沥青或者SBS改性沥青，所述矿料由集料和矿粉组成。该沥青混合料形成的层结构的60℃马歇尔稳定度可以达到26～33KN，60℃马歇尔流值可以达到1.2～3mm，60℃动稳定度(0.7MPa)可以达到22000～26000次/mm，70℃动稳定度(1.0MPa)可以达到13000～16000次/mm，低温弯曲破坏应变(με，-10℃)可以达到3200～3700，疲劳寿命(1000微应变)可以达到135～165万次。
本发明提供的一种超高性能沥青混凝土改性剂及其制备和应用，通过所采用的石墨烯及其衍生物在分散助剂作用下，与聚合物进行熔融插层和剥离后，形成较为稳定的层状结构，UHMWPE和TPE在增容剂的作用下可以有效的进入层状结构，进行大分子链的缠绕，最终形成复合网络结构的沥青混凝土改性剂，该沥青混凝土改性剂与沥青的相容性佳，粘附性好，能够整体提升混合料的综合性能，并实现材料高温不软，低温不开裂，抗疲劳性能大幅提升，提升混合料的易压实程度，适用于重载交通路面、钢桥面、水泥混凝土桥面铺装铺筑与修补，同时可用于长大纵坡、交叉口、停车站等特殊路段。本发明的超高性能沥青混凝土改性剂可延长道桥铺装的使用寿命，减少维护次数，降低对人们出行的影响，具有显著的社会及经济效益。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。其中，石墨烯可以使用单层石墨烯，其弹性模量1000GPa，拉伸强度130GPa，密度2200kg/m3，直径0.08nm，比表面积2600m2/g；石墨纳米片的性能一般为：拉伸强度5GPa，密度1000kg/m3，直径10nm，比表面积20m2/g。氧化石墨烯的性能一般为：弹性模量21GPa，拉伸强度130MPa，密度1800kg/m3，直径0.7nm，比表面积700m2/g。
在制备沥青混凝土改性剂之前，将TPE、UHMWPE、石墨烯、石墨纳米片和氧化石墨烯进行干燥，在110～130℃下真空脱水烘干2h。
实施例1沥青混凝土改性剂
一种沥青混凝土改性剂的制备方法，其步骤如下：
原料准备：石墨纳米片5份、SBS 35份、UHMWPE 30份、SBS-g-MA10份、KH580 5份、十二烷基苯磺酸钠5份、环烷油10份。
(1)将石墨纳米片加入环烷油中，然后超声震荡混合均匀，再加入偶联剂KH580、表面活性剂十二烷基苯磺酸钠，继续超声震荡混合均匀。
(2)混匀后与SBS、UHMWPE、增容剂SBS-g-PE混合，加入挤出机在200℃下挤出，造粒，得到超高性能沥青混凝土改性剂。
实施例2沥青混凝土改性剂
一种沥青混凝土改性剂的制备方法，其步骤如下：
原料准备：氧化石墨烯3份、SIS 30份、UHMWPE 35份、环氧树脂10份、钛酸酯5份、聚乙烯醚2份、白油10份。
(1)将氧化石墨烯加入白油中，然后超声震荡混合均匀，再加入钛酸酯、聚乙烯醚，继续超声震荡混合均匀。
(2)混匀后与SIS、UHMWPE、环氧树脂混合，加入挤出机在230℃下挤出，造粒，得到超高性能沥青混凝土改性剂。
实施例3沥青混凝土改性剂
一种沥青混凝土改性剂的制备方法，其步骤如下：
原料准备：石墨烯0.1份、SEBS 40份、UHMWPE 40份、SEBS-g-MA10份、KH550 1份、卵磷脂5份、糠醛抽出油8份。
(1)将石墨烯加入糠醛抽出油中，然后超声震荡混合均匀，再加入KH550、卵磷脂，继续超声震荡混合均匀。
(3)混匀后与SEBS、UHMWPE、SEBS-g-MA混合，加入挤出机在190℃下挤出，造粒，得到超高性能沥青混凝土改性剂。
实施例4沥青混凝土改性剂
一种沥青混凝土改性剂的制备方法，其步骤如下：
原料准备：石墨纳米片1份、TPO 50份、UHMWPE 24份、PE-g-MA10份、KH570 2份、氨基酸3份、橡胶油10份。
(1)将石墨纳米片加入橡胶油中，然后超声震荡混合均匀，再加入KH570、氨基酸，继续超声震荡混合均匀。
(3)混匀后与TPO、UHMWPE、PE-g-MA混合，加入挤出机在220℃下挤出，造粒，得到超高性能沥青混凝土改性剂。
实施例5～8沥青混合料
一种超高性能沥青混合料的制备方法，其步骤如下：
按重量份数计，将89份集料加热到180℃，加入1份超高性能沥青混凝土改性剂拌合20s，然后将加热的3份SBS改性沥青加入，沥青加热温度155℃，搅拌90s，再加入5份矿粉继续搅拌，搅拌90s，即得到超高性能沥青混合料。其中，实施例5～8中的沥青混凝土改性剂分别为实施例1～4制得，且采用AC-20级配。
对比例1
一种超高性能沥青混合料的制备方法，其步骤与实施例5基本相同，不同之处仅在于：不加入沥青混凝土改性剂，且沥青的重量份数为5份，集料的重量份数为90份，矿粉的重量份数为5份。
对比例2
一种超高性能沥青混合料的制备方法，其步骤与实施例5基本相同，不同之处仅在于：将实施例1的超高性能沥青混凝土改性剂替换为中路交建(北京)工程材料技术有限公司RA型号的抗车辙改性剂。
对比例3
一种超高性能沥青混合料的制备方法，其步骤与实施例5基本相同，不同之处仅在于：将实施例1超高性能沥青混凝土改性剂中的UHMWPE全部替换为SBS。
对比例4
一种超高性能沥青混合料的制备方法，其步骤与实施例5基本相同，不同之处仅在于：将实施例1超高性能沥青混凝土改性剂中的UHMWPE全部替换为北京燕山石化公司L501型号的高密度聚乙烯。
将实施例5～8及对比例1～4制备的沥青混合料按照规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20-2011)》成型试件、养护和进行马歇尔性能测试。测试结果如表1所示。
表1
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种沥青混凝土改性剂，其特征在于，包括：TPE、UHMWPE、物质A、增容剂和分散助剂；
所述物质A为石墨烯、石墨纳米片和氧化石墨烯中的一种以上；
所述TPE为SBS、SIS、SEBS、TPO、TPV和TPU中的一种以上。
2.根据权利要求1所述沥青混凝土改性剂，其特征在于，TPE和UHMWPE的质量比为30～50:20～50，物质A与TPE的质量比为0.1～5:30～50。
3.根据权利要求1或2所述沥青混凝土改性剂，其特征在于，所述增容剂是SBS接枝马来酸酐、SEBS接枝马来酸酐、PE接枝马来酸酐和环氧树脂中的一种以上；优选为环氧树脂。
4.根据权利要求1～3中任一项所述沥青混凝土改性剂，其特征在于，所述分散助剂包括偶联剂，偶联剂是硅烷偶联剂KH550、KH560、KH570、KH580和钛酸酯偶联剂中的一种以上。
5.根据权利要求1～4中任一项所述沥青混凝土改性剂，其特征在于，所述分散助剂包括表面活性剂，表面活性剂是硬脂酸、二辛基琥珀酸磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、卵磷脂、氨基酸和聚乙烯醚中的一种以上。
6.根据权利要求1～5中任一项所述沥青混凝土改性剂，其特征在于，所述分散助剂包括助剂B，所述助剂B为糠醛抽出油、环烷油、橡胶油和白油矿物油中的一种以上。
7.根据权利要求1～6中任一项所述沥青混凝土改性剂，其特征在于，按重量份数计，包括：物质A0.1～5份、TPE 30～50份、UHMWPE 20～50份、增容剂5～20份、偶联剂1～5份、表面活性剂1～5份和助剂B 5～10份。
8.权利要求1～7中任一项所述沥青混凝土改性剂的制备方法，其特征在于，先将物质A加入分散助剂中混匀得第一混合物，再将所述第一混合物与TPE、UHMWPE和增容剂混合后在180～230℃下挤出造粒，得所述沥青混凝土改性剂。
9.权利要求1～8中任一项所述沥青混凝土改性剂的应用，其特征在于，将所述沥青混凝土改性剂、沥青和矿料混合，得沥青混合料。
10.根据权利要求9所述沥青混凝土改性剂的应用，其特征在于，按重量份数计，包括：沥青混凝土改性剂0.1～3份，沥青2～6份和矿料92～98份；优选地，所述的沥青为基质沥青或者SBS改性沥青，所述矿料由集料和矿粉组成。
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