CN116947376B - 一种矿物纤维改性沥青混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于沥青混凝土技术领域，涉及一种矿物纤维改性沥青混凝土及其制备方法。所述矿物纤维改性沥青混凝土，包括沥青、集料、矿粉和改性玄武岩纤维。所述改性玄武岩纤维包括50～100份玄武岩纤维、0.8～3重量份硅烷偶联剂以及0.5～5重量份橡胶，硅烷偶联剂位于玄武岩纤维表面，橡胶位于硅烷偶联剂表面。本发明的改性玄武岩纤维作为增强材料加入沥青混凝土中，发挥其高抗拉强度、高弹性模量的优异力学特性，使沥青混凝土的综合路用性能得到改善；对于解决特殊路段的路面病害，延长使用寿命，节约养护与维修资金十分有益。
Description
技术领域
本发明属于沥青混凝土技术领域，涉及一种矿物纤维改性沥青混凝土及其制备方法。
背景技术
随着我国经济和交通运输业的发展，交通量日益增加，对公路的建设要求日益严苛，大多数高等级公路采用沥青路面，在使用几年后就会出现较为严重的病害问题，其中水损害、高温变形及车辙问题最为普遍。路面病害的存在破坏了路面结构的整体强度，严重危害到高速行驶中车辆的安全性和舒适性，同时还大大缩短了沥青道路的使用寿命。
目前解决路面病害最常用的方法有三种：级配改进、沥青改性以及在沥青混凝土中加入纤维。加入纤维能有效提高沥青混凝土的抗车辙、抗水损等能力，且施工方便快捷。目前主要用于改性沥青的纤维包括木质素纤维、聚酯纤维，木质素纤维具有较好的吸油性，在沥青中相容性较其它纤维更好，但是吸水率太高，不耐高温，且纤维几乎没有拉伸强度，加筋加强作用十分薄弱；聚酯纤维的延伸率较高，但是因其表面光滑，与沥青的粘结度不好，又因其熔点较低，拌和时极易熔化或受损。
玄武岩纤维的原料为天然玄武岩矿石，在1500℃左右高温条件下熔融后快速拉制而成。与传统木质素纤维、有机纤维相比，具有更高的抗拉强度和模量，力学性能更为优异，耐高温性能好，可弥补有机纤维耐高温性能差的缺点，其价格低于碳纤维，性价比较高，且抗老化性能好，可再生利用，属于新型环保型纤维。随着生产技术的不断提高，玄武岩纤维质量越来越好，且已实现产业化生产。玄武岩纤维性能优异，具有广阔的应用前景，其在沥青混合料中的应用目前已成为一个研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种矿物纤维改性沥青混凝土及其制备方法。通过改性玄武岩纤维，提高玄武岩纤维与沥青之间的粘结度，发挥玄武岩纤维的增强、增粘及增弹作用。
本发明的一个目的通过以下技术方案来实现：
一种矿物纤维改性沥青混凝土，包括沥青、集料、矿粉和改性玄武岩纤维。
优选地，所述改性玄武岩纤维包括50～100份玄武岩纤维、0.8～3重量份硅烷偶联剂以及0.5～5重量份橡胶，硅烷偶联剂位于玄武岩纤维表面，橡胶位于硅烷偶联剂表面。
优选地，所述硅烷偶联剂选自KH550、KH560、KH570、KH792、DL602、DL171中的一种或几种。
优选地，所述橡胶为丁苯橡胶(SBR)、丁腈橡胶(NBR)、丁基橡胶(IIR)、三元乙丙橡胶(EPDM)中的一种或多种。
优选地，所述改性玄武岩纤维还包括交联剂和硫化助剂。
优选地，所述改性玄武岩纤维的制备方法包括以下步骤：
将硅烷偶联剂溶于水和/或醇中形成硅烷偶联剂溶液，加入玄武岩纤维，搅拌反应10～100min，晾干后，继续60～120℃下干燥得到硅烷偶联剂改性玄武岩纤维；
将橡胶溶解于有机溶剂中得到橡胶溶液，加入交联剂和硫化助剂，然后加入硅烷偶联剂改性玄武岩纤维，搅拌反应10～100min，烘干去除溶剂得改性玄武岩纤维。
在上述改性玄武岩纤维的制备方法中，优选地，硅烷偶联剂溶液的浓度为2～15wt％；硅烷偶联剂溶于水和醇时，水与醇的质量比为1:2～1:5，醇可以为甲醇、乙醇、正丁醇、异丙醇等。
在上述改性玄武岩纤维的制备方法中，优选地，有机溶剂不做特别限制，只有能溶解橡胶的有机溶剂皆可，可以列举为甲苯、环己烷、环戊烷、庚烷等。优选地，橡胶溶液的浓度为1～10wt％。优选地，交联剂的质量为橡胶质量的1～3wt％，硫化助剂的质量为橡胶质量的0.5～2wt％。
在上述改性玄武岩纤维的制备方法中，优选地，硫化助剂为2-巯基苯并噻唑(M)、二硫化四甲基秋兰姆(TMTD)、一硫化四甲基秋兰姆(TMTM)、三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC)中的一种或多种。交联剂为过氧化二苯甲酰(BPO)、2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷(DBPMH)、1，1-双(叔丁基过氧基)环己烷、过氧化二异丙苯(DCP)、1，4-双叔丁基过氧异丙基苯、2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧基-3-己炔、1，1-二叔丁基过氧基-3，3，5-三甲基环己烷中的一种或多种。
优选地，所述矿物纤维改性沥青混凝土中，沥青的含量为4～6wt％、集料的含量为88～94.8wt％、矿粉的含量为1～5wt％以及改性玄武岩纤维的含量为0.2～0.7wt％。
所述集料可以是石灰石、玄武岩、安山岩、花岗岩集料中的一种或几种。所述矿粉为由矿石研磨而成。
所述集料和矿粉统一称为矿料，矿料进行级配后应用于本发明的沥青混凝土中。
本发明的另一个目的通过以下技术方案来实现：
一种矿物纤维改性沥青混凝土的制备方法，包括以下步骤：
集料和矿粉烘干后，按照级配称量；
将集料加热至170～200℃，然后加入至预热为170～200℃的搅拌机中；
将预热至150～170℃的改性玄武岩纤维加入至搅拌机中；
随后将预热至150～170℃的沥青，按照配比用量加入至搅拌机中，搅拌60～180s；
再将预热至170～200℃的矿粉加入搅拌机中，搅拌60～180s；
将混合料置于160～190℃下养育40～120min，得矿物纤维改性沥青混凝土。
玄武岩纤维与沥青的相容性、粘结度还有待改善。本发明通过在玄武岩纤维表面结合硅烷偶联剂，然后再用橡胶均匀包覆在硅烷偶联剂改性的玄武岩纤维表面，得到改性玄武岩纤维。在矿物纤维改性沥青混凝土的制备过程中，改性玄武岩纤维表面的橡胶在交联剂和硫化助剂的作用以及高温下发生动态硫化，橡胶的分子链一方面与玄武岩纤维表面的硅烷偶联剂相互作用，另一方面与沥青形成互锁结构，从而在玄武岩纤维与沥青之间引入一层与两者均具有牢固结合的高分子化合物，有利于玄武岩纤维与沥青之间形成较强的粘结性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过一种特殊方法制备得到改性玄武岩纤维，以该改性玄武岩纤维应用于沥青混凝土中，在显著提高沥青混凝土的高温抗车辙性能的同时对沥青混合料的低温性能和水稳定性能有较大提高。
2、本发明通过在玄武岩纤维表面结合硅烷偶联剂，然后再用橡胶均匀包覆在硅烷偶联剂改性的玄武岩纤维表面，同时加入交联剂和硫化助剂，得到改性玄武岩纤维，改性玄武岩纤维在高温下动态硫化，有利于玄武岩纤维与沥青之间形成较强的粘结性。
3、本发明的改性玄武岩纤维作为增强材料加入沥青混凝土中，发挥其高抗拉强度、高弹性模量的优异力学特性，使沥青混凝土的综合路用性能得到改善；对于解决特殊路段的路面病害，延长使用寿命，节约养护与维修资金十分有益。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步描述说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于帮助理解本发明，不用于本发明的具体限制。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
以下实施例和对比例中，沥青为中石化70号A级道路石油沥青，玄武岩纤维购自浙江石金玄武岩纤维股份有限公司，平均长度6mm，平均直径为9μm。
实施例1
本实施例的矿物纤维改性沥青混凝土包括5份沥青、90.4份集料、4份矿粉和0.6份改性玄武岩纤维。
所述集料和矿粉的混合物为矿料，矿料的合成级配见表1。
表1
所述改性玄武岩纤维包括100g玄武岩纤维、2g硅烷偶联剂KH550、2g三元乙丙橡胶、0.04g交联剂BPO和0.03g硫化助剂TMTD。
所述改性玄武岩纤维由以下步骤制备而成：将硅烷偶联剂KH550溶于乙醇水溶液(水：乙醇的质量比为1:3)中(偶联剂的浓度为8wt％)，加入玄武岩纤维，搅拌60min，晾干后置于100℃烘箱烘干得硅烷偶联剂改性玄武岩纤维；
橡胶溶解于甲苯中，配置成浓度为5wt％的橡胶溶液，加入交联剂BPO和硫化助剂TMTD，然后加入硅烷偶联剂改性玄武岩纤维，搅拌50min，烘干去除溶剂，得改性玄武岩纤维。
本实施的矿物纤维改性沥青混凝土的制备方法包括以下步骤：
将集料和矿粉在90℃的烘箱中烘干后，按照级配称量；
将集料加热至190℃，然后加入至预热为190℃的搅拌机中；
将预热至160℃的改性玄武岩纤维加入至搅拌机中；
将预热至160℃的沥青，按照配比用量加入至搅拌机中，搅拌90s；
再将预热至190℃的矿粉加入搅拌机中，搅拌90s；
将混合料置于180℃下保温养育80min，得矿物纤维改性沥青混凝土。
实施例2
本实施例的矿物纤维改性沥青混凝土包括4.9份沥青、91.5份集料、3.2份矿粉和0.4份改性玄武岩纤维。
所述集料和矿粉的混合物为矿料，矿料的合成级配见表1。
表2
所述改性玄武岩纤维包括100g玄武岩纤维、1.5g硅烷偶联剂KH570、2.5g丁苯橡胶、0.05g交联剂DCP和0.04g硫化助剂TMTM。
所述改性玄武岩纤维由以下步骤制备而成：将硅烷偶联剂KH570溶于乙醇水溶液(水：乙醇的质量比为1:2)中(偶联剂的浓度为10wt％)，加入玄武岩纤维，搅拌70min，晾干后置于100℃烘箱烘干得硅烷偶联剂改性玄武岩纤维；
橡胶溶解于甲苯中，配置成浓度为7wt％的橡胶溶液，加入交联剂和硫化助剂，然后加入硅烷偶联剂改性玄武岩纤维，搅拌60min，烘干去除溶剂，得改性玄武岩纤维。
本实施的矿物纤维改性沥青混凝土的制备方法包括以下步骤：
将集料和矿粉在100℃的烘箱中烘干后，按照级配称量；
将集料加热至180℃，然后加入至预热为180℃的搅拌机中；
将预热至160℃的改性玄武岩纤维加入至搅拌机中；
将预热至160℃的沥青，按照配比用量加入至搅拌机中，搅拌110s；
再将预热至180℃的矿粉加入搅拌机中，搅拌110s；
将混合料置于175℃下保温养育90min，得矿物纤维改性沥青混凝土。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1的沥青混凝土中不包括改性玄武岩纤维。具体为：
对比例1的沥青混凝土包括5份沥青、90.4份集料和4份矿粉。
所述矿物纤维改性沥青混凝土的制备方法包括以下步骤：
将集料和矿粉在90℃的烘箱中烘干后，按照级配称量；
将集料加热至190℃，然后加入至预热为190℃的搅拌机中；
将预热至160℃的沥青，按照配比用量加入至搅拌机中，搅拌90s；
再将预热至190℃的矿粉加入搅拌机中，搅拌90s；
将混合料置于180℃下保温养育80min，得沥青混凝土。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于，对比例2的矿物纤维改性沥青混凝土包括5份沥青、90.4份集料、4份矿粉和0.6份玄武岩纤维。
对比例2的矿物纤维改性沥青混凝土的制备方法包括以下步骤：
将集料和矿粉在90℃的烘箱中烘干后，按照级配称量；
将集料加热至190℃，然后加入至预热为190℃的搅拌机中，将预热至160℃的玄武岩纤维加入至搅拌机中，搅拌90s；
将预热至160℃的沥青，按照配比用量加入至搅拌机中，搅拌90s；
再将预热至190℃的矿粉加入搅拌机中，搅拌90s；
将混合料置于180℃下保温养育80min，得矿物纤维改性沥青混凝土。
其它与实施例1相同。
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于，对比例3的矿物纤维改性沥青混凝土包括5份沥青、90.4份集料、4份矿粉和0.6份硅烷偶联剂改性玄武岩纤维。
所述硅烷偶联剂改性玄武岩纤维包括100g玄武岩纤维、2g硅烷偶联剂KH550。
所述硅烷偶联剂改性玄武岩纤维由以下步骤制备而成：将硅烷偶联剂KH550溶于乙醇水溶液(水：乙醇的质量比为1:3)中(偶联剂的浓度为8wt％)，加入玄武岩纤维，搅拌60min，晾干后置于100℃烘箱烘干得硅烷偶联剂改性玄武岩纤维。
对比例3的矿物纤维改性沥青混凝土的制备方法包括以下步骤：
将集料和矿粉在90℃的烘箱中烘干后，按照级配称量；
将集料加热至190℃，然后加入至预热为190℃的搅拌机中；
将预热至160℃的硅烷偶联剂改性玄武岩纤维加入至搅拌机中；
将预热至160℃的沥青，按照配比用量加入至搅拌机中，搅拌90s；
再将预热至190℃的矿粉加入搅拌机中，搅拌90s；
将混合料置于180℃下保温养育80min，得矿物纤维改性沥青混凝土。
其它与实施例1相同。
对比例4
对比例4与实施例1的区别在于，对比例4的矿物纤维改性沥青混凝土包括5份沥青、90.4份集料、4份矿粉和0.6份橡胶改性玄武岩纤维。
所述橡胶改性玄武岩纤维包括100g玄武岩纤维、2g三元乙丙橡胶、0.04g交联剂BPO和0.03g硫化助剂TMTD。
所述橡胶改性玄武岩纤维由以下步骤制备而成：橡胶溶解于甲苯中，配置成浓度为5wt％的橡胶溶液，加入交联剂BPO和硫化助剂TMTD，然后加入玄武岩纤维，搅拌50min，烘干去除溶剂，得橡胶改性玄武岩纤维。
对比例4的矿物纤维改性沥青混凝土的制备方法包括以下步骤：
将集料和矿粉在90℃的烘箱中烘干后，按照级配称量；
将集料加热至190℃，然后加入至预热为190℃的搅拌机中；
将预热至160℃的橡胶改性玄武岩纤维加入至搅拌机中；
将预热至160℃的沥青，按照配比用量加入至搅拌机中，搅拌90s；
再将预热至190℃的矿粉加入搅拌机中，搅拌90s；
将混合料置于180℃下保温养育80min，得矿物纤维改性沥青混凝土。
其它与实施例1相同。
对比例5
对比例5与实施例1的区别在于，对比例5的矿物纤维改性沥青混凝土包括5份沥青、90.4份集料、4份矿粉和0.6份改性玄武岩纤维。
所述改性玄武岩纤维包括100g玄武岩纤维、2g硅烷偶联剂KH550、2g三元乙丙橡胶。
所述改性玄武岩纤维由以下步骤制备而成：将硅烷偶联剂KH550溶于乙醇水溶液(水：乙醇的质量比为1:3)中(偶联剂的浓度为8wt％)，加入玄武岩纤维，搅拌60min，晾干后置于100℃烘箱烘干得硅烷偶联剂改性玄武岩纤维；
橡胶溶解于甲苯中，配置成浓度为5wt％的橡胶溶液，然后加入硅烷偶联剂改性玄武岩纤维，搅拌50min，烘干去除溶剂，得改性玄武岩纤维。
其它与实施例1相同。
对比例6
对比例6与实施例1的区别在于，对比例6的矿物纤维改性沥青混凝土包括5份沥青、90.4份集料、4份矿粉和0.6份玄武岩纤维混合物。
所述玄武岩纤维混合物包括100g玄武岩纤维、2g硅烷偶联剂KH550、2g三元乙丙橡胶、0.04g交联剂BPO和0.03g硫化助剂TMTD。
所述玄武岩纤维混合物由以下步骤制备而成：将玄武岩纤维、硅烷偶联剂KH550、三元乙丙橡胶、交联剂BPO和硫化助剂TMTD搅拌混合均匀后，得玄武岩纤维混合物。
对比例6的矿物纤维改性沥青混凝土的制备方法包括以下步骤：
将集料和矿粉在90℃的烘箱中烘干后，按照级配称量；
将集料加热至190℃，然后加入至预热为190℃的搅拌机中；
将预热至160℃的玄武岩纤维混合物加入至搅拌机中；
将预热至160℃的沥青，按照配比用量加入至搅拌机中，搅拌90s；
再将预热至190℃的矿粉加入搅拌机中，搅拌90s；
将混合料置于180℃下保温养育80min，得矿物纤维改性沥青混凝土。
其它与实施例1相同。
对比例7
对比例7与实施例1的区别在于，对比例7的矿物纤维改性沥青混凝土包括5份沥青、89份集料、4份矿粉和2份改性玄武岩纤维。其它与实施例1相同。
将实施例1-2以及对比例1-7的矿物纤维改性沥青混凝土按照标准分别成型为的圆柱体标准马歇尔试件、250mm×30mm×35mm的小梁试件和300mm×300mm×50mm的车辙板，进行水稳定性能研究、低温性能研究和抗车辙性能研究。
水稳定性能研究：一组马歇尔试件在60℃水浴保温0.5h，另一组在60℃恒温水浴中保温48h，根据两组的稳定度计算得出残留稳定度，结果如表3所示。
低温性能研究：试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》相关要求进行，试件破坏时应控制箱内温度为-10℃，试验以试件破坏时的最大弯拉应变με作为评价指标，结果如表3所示。
抗车辙性能研究：对车辙板进行60℃下的沥青混合料车辙实验，结果如表3所示。
表3实施例1-2以及对比例1-6的沥青混合料的性能数据
从表3可以看出，当沥青中加入玄武岩纤维，有利于沥青混凝土性能改善，对比例3-对比例6的改性玄武岩纤维应用于沥青混凝土中，性能改善有限；当加入本发明的改性玄武岩纤维时，沥青混凝土性能达到最佳，可以明显提高沥青混凝土的高温抗车辙性能，同时对沥青混凝土的低温性能和水稳定性能也有较大的改善作用。
本发明的各方面、实施例、特征应视为在所有方面为说明性的且不限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
在本发明的制备方法中，各步骤的次序并不限于所列举的次序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
最后应说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明，而并非对本发明的实施方式进行限定。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，这里无需也无法对所有的实施方式予以全例。而这些属于本发明的实质精神所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (8)
1.一种矿物纤维改性沥青混凝土，其特征在于，所述矿物纤维改性沥青混凝土包括沥青、集料、矿粉和改性玄武岩纤维；
所述改性玄武岩纤维的制备方法包括以下步骤：
将硅烷偶联剂溶于水和/或醇中形成硅烷偶联剂溶液，加入玄武岩纤维，搅拌反应10~100min，晾干后，继续60~120℃下干燥得到硅烷偶联剂改性玄武岩纤维；
将橡胶溶解于有机溶剂中得到橡胶溶液，加入交联剂和硫化助剂，然后加入硅烷偶联剂改性玄武岩纤维，搅拌反应10~100min，烘干去除溶剂得改性玄武岩纤维。
2.根据权利要求1所述的一种矿物纤维改性沥青混凝土，其特征在于，所述改性玄武岩纤维包括50~100份玄武岩纤维、0.8~3重量份硅烷偶联剂以及0.5~5重量份橡胶，硅烷偶联剂位于玄武岩纤维表面，橡胶位于硅烷偶联剂表面。
3.根据权利要求2所述的一种矿物纤维改性沥青混凝土，其特征在于，所述硅烷偶联剂选自KH550、KH560、KH570、KH792、DL602、DL171中的一种或几种；
和/或，所述橡胶为丁苯橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶、三元乙丙橡胶中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种矿物纤维改性沥青混凝土，其特征在于，硫化助剂为2-巯基苯并噻唑、二硫化四甲基秋兰姆、一硫化四甲基秋兰姆、三烯丙基异氰脲酸酯中的一种或多种；
和/或，交联剂为过氧化二苯甲酰、2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷、1，1-双(叔丁基过氧基)环己烷、过氧化二异丙苯、1，4-双叔丁基过氧异丙基苯、2，5-二甲基-2，5-二叔丁基过氧基-3-己炔、1，1-二叔丁基过氧基-3，3，5-三甲基环己烷中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种矿物纤维改性沥青混凝土，其特征在于，硅烷偶联剂溶液的浓度为2~15wt%；
和/或，橡胶溶液的浓度为1~10wt%。
6.根据权利要求1所述的一种矿物纤维改性沥青混凝土，其特征在于，交联剂的质量为橡胶质量的1~3wt%，硫化助剂的质量为橡胶质量的0.5~2wt%。
7.根据权利要求1所述的一种矿物纤维改性沥青混凝土，其特征在于，所述矿物纤维改性沥青混凝土中，沥青的含量为4~6wt%、集料的含量为88~94.8wt%、矿粉的含量为1~5wt%以及改性玄武岩纤维的含量为0.2~0.7wt%。
8.如权利要求1所述的一种矿物纤维改性沥青混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
集料和矿粉烘干后，按照级配称量；
将集料加热至170~200℃，然后加入至预热为170~200℃的搅拌机中；
将预热至150~170℃的改性玄武岩纤维加入至搅拌机中；
随后将预热至150~170℃的沥青，按照配比用量加入至搅拌机中，搅拌60~180s；
再将预热至170~200℃的矿粉加入搅拌机中，搅拌60~180s；
将混合料置于160~190℃下养育40~120min，得矿物纤维改性沥青混凝土。
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