CN117164282B - 一种改性沥青混合料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性沥青混合料及其制备方法，改性沥青混合料以重量份数计，由以下组分制成：细骨料80~120份、粗骨料600~720份、矿粉50~100份、复合改性剂10~20份、基质沥青100~150份、抗车辙剂10~30份；制备方法包括如下步骤：按重量份称取粗骨料、细骨料，搅拌混匀，然后加入抗车辙剂，搅拌得到第一混合物；将基质沥青加热，然后将复合改性剂缓慢加入到基质沥青中，搅拌得到第二混合物；将第二混合物加入到第一混合物中，搅拌后加入矿粉，得到改性沥青混合料。
Description
技术领域
本发明涉及沥青制备领域，具体涉及一种改性沥青混合料及其制备方法。
背景技术
近年来，由于经济快速发展带来的一系列气候问题和我国交通流量的急剧增加，使得道路受损情况日益严重。这就对我国沥青路面提出了更新、更高的要求，需要进一步提升改性沥青的综合性能，进而延长沥青路面的使用年限。
为了满足极端气候环境和重载车辆荷载作用下沥青路面的使用性能和抗疲劳损伤耐久性要求，通过掺加改性剂或外掺剂对基质沥青进行改性是普遍做法。SBS改性剂兼顾橡胶和塑料双重特性，尤其是高温稳定性、抗疲劳耐久性能方面SBS改性沥青混合料数倍于基质沥青混合料，目前SBS改性沥青混合料在全国范围内应用最为广泛，铺筑面积也最大。近年来，随着工程实践和研究的不断深入，SBS改性沥青混合料也表现出了诸多不足，在环境极端温度要求高且受力条件严苛的重载道路，SBS改性沥青路面出现了大量车辙等早发性病害，并且SBS改性沥青热贮存稳定性差、造价高。为了改善SBS沥青混凝土铺筑结构的柔韧性，有学者提出通过复配方案来进一步提升SBS改性沥青混合料的综合路用性能。
纳米材料具有独特的物化性质及功能，并且具有价格低、工艺成熟等优势，纳米材料添加到沥青混合料中因其纳米效应、表面效应等特殊性质能够改善沥青混合料路用性能与力学性能，常用的纳米材料有纳米黏土、纳米SiO2、纳米ZnO、碳纳米管等，但单一的纳米材料改善沥青性能存在一定的局限性。
中国专利文献（CN201910947113.5）公开了一种纳米改性沥青及其制备方法，纳米改性沥青，以质量份数计，包括：基质沥青100份；SBS1~5份；纳米材料0.5~6份；表面活性剂0.5~4份；交联稳定剂0~1份；所述纳米材料包括：纳米TiO2、纳米CaCO3和/或纳米ZnO中的一种或几种的混合物；但是纳米材料只是与基质沥青简单共混。
中国专利文献（CN200310108108.4）公开了一种用于道路铺设高温贮存稳定的聚合物改性沥青材料制备方法。该方法先将热塑性弹性体聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯三嵌段共聚物（SBS）与稳定剂硅酸盐类无机填料通过高分子加工设备预先混合，得到改性沥青用母料，然后再通过高剪切混合器使该改性母料充分分散到基质沥青中；但是制备得到的沥青材料性能上依然有缺憾。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种改性沥青混合料及其制备方法，提供了一种与基质沥青有良好相容性的复合改性剂，最终得到具有抗紫外线功能优良、机械强度高、抗裂能力强的改性沥青混合料。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种改性沥青混合料，以重量份数计，由以下组分制成：细骨料80~120份、粗骨料600~720份、矿粉50~100份、复合改性剂10~20份、基质沥青100~150份、抗车辙剂10~30份。
本发明还要求保护一种所述的改性沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：
按重量份称取粗骨料、细骨料，搅拌混匀，然后加入抗车辙剂，在175~185℃下搅拌30~50s，得到第一混合物；将基质沥青加热到182~188℃，然后将复合改性剂缓慢加入到基质沥青中，在180~190℃下搅拌40~60min，得到第二混合物；将第二混合物加入到第一混合物中，170~190℃下搅拌60~90s，然后加入矿粉，搅拌120~150s，得到改性沥青混合料。
优选的，所述复合改性剂的制备方法，包括如下步骤：
（1）将蒙脱土分散到去离子水中，加入乙烯基三甲氧基硅烷，搅拌反应，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到改性蒙脱土，备用；
（2）将纳米ZnO分散到N,N-二甲基甲酰胺中，超声处理后加入十四碳烯琥珀酸酐，搅拌反应，反应结束后，抽滤、洗涤、干燥，得到改性纳米ZnO，备用；
（3）将SBS溶于丁酮中，然后加入改性纳米ZnO、改性蒙脱土，搅拌均匀后加入过氧化二苯甲酰，搅拌反应，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到复合改性剂。
优选的，步骤（1）中，反应条件为60~80℃下恒温搅拌2~4h。
优选的，步骤（1）中，蒙脱土、去离子水、乙烯基三甲氧基硅烷的质量体积比为10g：100mL：0.5~3g。
优选的，步骤（2）中，超声处理10~20min，反应条件为60~80℃下反应4~6h。
优选的，步骤（2）中，纳米ZnO、N,N-二甲基甲酰胺、十四碳烯琥珀酸酐的质量体积比为10g：80~150mL：15~24g。
优选的，步骤（3）中，反应条件为70~90℃下反应8~12h。
优选的，步骤（3）中，SBS、丁酮、改性纳米ZnO、改性蒙脱土、过氧化二苯甲酰的质量体积比为10g：100mL：2.5~4g：7.5~12g：0.3~0.6mL。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1）本发明公开的改性沥青混合料及其制备方法，复合改性剂与基质沥青相容性好，克服了蒙脱土、ZnO在沥青中易团聚、易沉降的缺陷，能够均匀分散在沥青基质中，提高了沥青与骨料、矿粉之间的黏附性和结合力，增强了混合料中骨料、矿粉之间的网状连接的强度和密度，从而有效增加沥青混合料的力学性能、抗裂性能和抗老化性能。
2）本发明公开的改性沥青混合料及其制备方法，复合改性剂中，蒙脱土具有二维片层结构，可阻隔外部环境中热、氧、紫外光等的侵入，乙烯基三甲氧基硅烷改性能赋予蒙脱土表面多功能性，提高蒙脱土与沥青的相容性；纳米ZnO具有紫外线吸收能力，可降低紫外光对沥青材料的影响，协同提高沥青的抗老化能力，利用十四碳烯琥珀酸酐对其进行改性，在ZnO粒子表面引入长链有机基团对其进行包覆，不仅能够改善纳米ZnO易团聚的缺陷，同时提高了沥青的延度和机械强度；最后在引发剂作用下，将改性蒙脱土、改性纳米ZnO接枝到SBS上，改善了SBS的抗老化性能和与基质沥青的相容性，协同提高改性沥青的韧性和机械性能，防止早期病害的发生。
3）本发明公开的改性离开混合料及其制备方法，复合改性剂中，蒙脱土表面粗糙，存在较多孔隙，使得沥青中的部分油分能够浸入颗粒孔隙内，产生锚固作用；纳米ZnO表面较光滑，孔隙结构不发达但表面积大，主要与沥青质发生物理吸附；蒙脱土微粒、纳米ZnO、SBS分子之间能产生丰富的间隙孔，胶质吸附在这些间隙孔之间，复合改性剂与沥青协同建立起稳定的互穿网络结构，有效增强了沥青混合料的机械强度和韧性，最终得到具有抗紫外线功能优良、机械强度高、抗裂能力强的沥青混合料。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合实施例，对本发明作进一步的详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如无特殊说明外，本发明中的化学试剂和材料均通过市场途径购买或通过市场途径购买的原料合成。
纳米ZnO：外观为白色粉末，球形颗粒比表面积>55m2/g，平均粒径30~35nm，纯度>98%，烧失量<1.0%；
蒙脱土购自浙江丰虹新材料股份有限公司，蒙脱土质量分数≥95%，粒度为74μm，pH值为8，密度为1.9g/cm3；
粗骨料为玄武岩碎石，粒径10~20mm；
细骨料为玄武岩碎石，粒径1~10mm；
矿粉为石灰石矿粉，购自湖北众为钙业有限公司；
抗车辙剂购自厦门市思弘科技开发有限公司；
基质沥青型号为韩国SK-70；
SBS购自巴陵石油化工有限公司，型号YH-791。
下面通过具体实施例，来对本发明作进一步的说明。
实施例1
一种改性沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将10g蒙脱土分散到100mL去离子水中，加入3g乙烯基三甲氧基硅烷，在80℃下搅拌反应4h，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到改性蒙脱土，备用；
（2）将10g纳米ZnO分散到150mL N,N-二甲基甲酰胺中，超声处理20min后加入24g十四碳烯琥珀酸酐，80℃下搅拌反应6h，反应结束后，抽滤、洗涤、干燥，得到改性纳米ZnO，备用；
（3）将10g SBS溶于100mL丁酮中，然后加入4g改性纳米ZnO、12g改性蒙脱土，搅拌均匀后缓慢滴入0.6mL过氧化二苯甲酰，90℃下搅拌反应12h，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到复合改性剂。
（4）称取720g粗骨料、120g细骨料，搅拌混匀，然后加入30g抗车辙剂，在185℃下搅拌50s，得到第一混合物；将150g基质沥青加热到188℃，然后将20g复合改性剂缓慢加入到基质沥青中，在190℃下搅拌60min，得到第二混合物；将第二混合物加入到第一混合物中，190℃下搅拌90s，然后加入100g矿粉，搅拌150s，得到改性沥青混合料。
实施例2
一种改性沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将10g蒙脱土分散到100mL去离子水中，加入0.5g乙烯基三甲氧基硅烷，在60℃下搅拌反应2h，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到改性蒙脱土，备用；
（2）将10g纳米ZnO分散到80mL N,N-二甲基甲酰胺中，超声处理10min后加入15g十四碳烯琥珀酸酐，60℃下搅拌反应4h，反应结束后，抽滤、洗涤、干燥，得到改性纳米ZnO，备用；
（3）将10g SBS溶于100mL丁酮中，然后加入2.5g改性纳米ZnO、7.5g改性蒙脱土，搅拌均匀后缓慢滴入0.3mL过氧化二苯甲酰，70℃下搅拌反应8h，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到复合改性剂。
（4）称取600g粗骨料、80g细骨料，搅拌混匀，然后加入10g抗车辙剂，在175℃下搅拌30s，得到第一混合物；将100g基质沥青加热到182℃，然后将10g复合改性剂缓慢加入到基质沥青中，在180℃下搅拌40min，得到第二混合物；将第二混合物加入到第一混合物中，170℃下搅拌60s，然后加入50g矿粉，搅拌120s，得到改性沥青混合料。
实施例3
一种改性沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将10g蒙脱土分散到100mL去离子水中，加入1g乙烯基三甲氧基硅烷，在70℃下搅拌反应3h，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到改性蒙脱土，备用；
（2）将10g纳米ZnO分散到120mL N,N-二甲基甲酰胺中，超声处理15min后加入20g十四碳烯琥珀酸酐，70℃下搅拌反应5h，反应结束后，抽滤、洗涤、干燥，得到改性纳米ZnO，备用；
（3）将10g SBS溶于100mL丁酮中，然后加入3g改性纳米ZnO、10g改性蒙脱土，搅拌均匀后缓慢滴入0.5mL过氧化二苯甲酰，80℃下搅拌反应10h，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到复合改性剂。
（4）称取650g粗骨料、100g细骨料，搅拌混匀，然后加入20g抗车辙剂，在180℃下搅拌40s，得到第一混合物；将120g基质沥青加热到185℃，然后将15g复合改性剂缓慢加入到基质沥青中，在185℃下搅拌50min，得到第二混合物；将第二混合物加入到第一混合物中，180℃下搅拌80s，然后加入80g矿粉，搅拌140s，得到改性沥青混合料。
实施例4
一种改性沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将10g蒙脱土分散到100mL去离子水中，加入2g乙烯基三甲氧基硅烷，在75℃下搅拌反应2.5h，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到改性蒙脱土，备用；
（2）将10g纳米ZnO分散到130mL N,N-二甲基甲酰胺中，超声处理18min后加入22g十四碳烯琥珀酸酐，75℃下搅拌反应5.5h，反应结束后，抽滤、洗涤、干燥，得到改性纳米ZnO，备用；
（3）将10g SBS溶于100mL丁酮中，然后加入3.5g改性纳米ZnO、8g改性蒙脱土，搅拌均匀后缓慢滴入0.45mL过氧化二苯甲酰，75℃下搅拌反应9h，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到复合改性剂。
（4）按重量份称取700g粗骨料、110g细骨料，搅拌混匀，然后加入15g抗车辙剂，在180℃下搅拌45s，得到第一混合物；将140g基质沥青加热到186℃，然后将18g复合改性剂缓慢加入到基质沥青中，在186℃下搅拌50min，得到第二混合物；将第二混合物加入到第一混合物中，185℃下搅拌85s，然后加入80g矿粉，搅拌140s，得到改性沥青混合料。
对比例1
一种改性沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将10g纳米ZnO分散到150mL N,N-二甲基甲酰胺中，超声处理20min后加入24g十四碳烯琥珀酸酐，80℃下搅拌反应6h，反应结束后，抽滤、洗涤、干燥，得到改性纳米ZnO，备用；
（3）将10g SBS溶于100mL丁酮中，然后加入16g改性纳米ZnO，搅拌均匀后缓慢滴入0.6mL过氧化二苯甲酰，90℃下搅拌反应12h，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到复合改性剂。
（4）称取720g粗骨料、120g细骨料，搅拌混匀，然后加入30g抗车辙剂，在185℃下搅拌50s，得到第一混合物；将150g基质沥青加热到188℃，然后将20g复合改性剂缓慢加入到基质沥青中，在190℃下搅拌60min，得到第二混合物；将第二混合物加入到第一混合物中，190℃下搅拌90s，然后加入100g矿粉，搅拌150s，得到改性沥青混合料。
对比例2
一种改性沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将10g蒙脱土分散到100mL去离子水中，加入3g乙烯基三甲氧基硅烷，在80℃下搅拌反应4h，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到改性蒙脱土，备用；
（2）将10g SBS溶于100mL丁酮中，然后加入16g改性蒙脱土，搅拌均匀后缓慢滴入0.6mL过氧化二苯甲酰，90℃下搅拌反应12h，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到复合改性剂。
（3）称取720g粗骨料、120g细骨料，搅拌混匀，然后加入30g抗车辙剂，在185℃下搅拌50s，得到第一混合物；将150g基质沥青加热到188℃，然后将20g复合改性剂缓慢加入到基质沥青中，在190℃下搅拌60min，得到第二混合物；将第二混合物加入到第一混合物中，190℃下搅拌90s，然后加入100g矿粉，搅拌150s，得到改性沥青混合料。
对比例3
一种改性沥青混合料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将10g蒙脱土分散到100mL去离子水中，加入3g乙烯基三甲氧基硅烷，在80℃下搅拌反应4h，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到改性蒙脱土，备用；
（2）将10g纳米ZnO分散到150mL N,N-二甲基甲酰胺中，超声处理20min后加入24g十四碳烯琥珀酸酐，80℃下搅拌反应6h，反应结束后，抽滤、洗涤、干燥，得到改性纳米ZnO，备用；
（3）将10g SBS溶于100mL丁酮中，然后加入4g改性纳米ZnO、12g改性蒙脱土， 90℃下搅拌12h，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到复合改性剂。
（4）称取720g粗骨料、120g细骨料，搅拌混匀，然后加入30g抗车辙剂，在185℃下搅拌50s，得到第一混合物；将150g基质沥青加热到188℃，然后将20g复合改性剂缓慢加入到基质沥青中，在190℃下搅拌60min，得到第二混合物；将第二混合物加入到第一混合物中，190℃下搅拌90s，然后加入100g矿粉，搅拌150s，得到改性沥青混合料。
将实施例1~5、对比例1~3制备所得改性沥青混合料作为测试对象，制成101.6（±0.2mm）×63.5（±1.3mm）标准马歇尔试件，依据T0709-2011《沥青混合料马歇尔稳定度试验》测试其马歇尔稳定度；依据T0716-2011《沥青混合料劈裂试验》测试其干劈裂强度；将沥青混合料制成300mm×300mm×100mm的试件，在60℃、轮压0.7MPa下依据T0719-2011《沥青混合料车辙试验》测试其动稳定度，具体数据见表1。
表1 沥青混合料性能测试结果
将实施例1~5、对比例1~3制备所得第二混合物（基质沥青经复合改性剂改性后所得）作为测试对象进行薄膜烘箱老化（TFOT）实验，紫外线强度为1200uw/cm2，老化温度为60℃，老化时间为6天，参考JTGF40-2017《公路沥青路面施工技术规范》分别测试老化前后第二混合物的针入度（0.1mm）、延度（5℃）、软化点，具体测试结果见表2。
表2 第二混合物老化前后性能
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种改性沥青混合料，其特征在于，以重量份数计，由以下组分制成：细骨料80~120份、粗骨料600~720份、矿粉50~100份、复合改性剂10~20份、基质沥青100~150份、抗车辙剂10~30份；
所述复合改性剂的制备方法，包括如下步骤：
（1）将蒙脱土分散到去离子水中，加入乙烯基三甲氧基硅烷，搅拌反应，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到改性蒙脱土，备用；
（2）将纳米ZnO分散到N,N-二甲基甲酰胺中，超声处理后加入十四碳烯琥珀酸酐，搅拌反应，反应结束后，抽滤、洗涤、干燥，得到改性纳米ZnO，备用；
（3）将SBS溶于丁酮中，然后加入改性纳米ZnO、改性蒙脱土，搅拌均匀后加入过氧化二苯甲酰，搅拌反应，反应结束后，过滤、洗涤、干燥，得到复合改性剂。
2.根据权利要求1所述的改性沥青混合料，其特征在于，步骤（1）中，反应条件为60~80℃下恒温搅拌2~4h。
3.根据权利要求1所述的改性沥青混合料，其特征在于，步骤（1）中，蒙脱土、去离子水、乙烯基三甲氧基硅烷的质量体积比为10g：100mL：0.5~3g。
4.根据权利要求1所述的改性沥青混合料，其特征在于，步骤（2）中，超声处理10~20min，反应条件为60~80℃下反应4~6h。
5.根据权利要求1所述的改性沥青混合料，其特征在于，步骤（2）中，纳米ZnO、N,N-二甲基甲酰胺、十四碳烯琥珀酸酐的质量体积比为10g：80~150mL：15~24g。
6.根据权利要求1所述的改性沥青混合料，其特征在于，步骤（3）中，反应条件为70~90℃下反应8~12h。
7.根据权利要求1所述的改性沥青混合料，其特征在于，步骤（3）中，SBS、丁酮、改性纳米ZnO、改性蒙脱土、过氧化二苯甲酰的质量体积比为10g：100mL：2.5~4g：7.5~12g：0.3~0.6mL。
8.一种如权利要求1~7任一项所述的改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
按重量份称取粗骨料、细骨料，搅拌混匀，然后加入抗车辙剂，在175~185℃下搅拌30~50s，得到第一混合物；将基质沥青加热到182~188℃，然后将复合改性剂缓慢加入到基质沥青中，在180~190℃下搅拌40~60min，得到第二混合物；将第二混合物加入到第一混合物中，170~190℃下搅拌60~90s，然后加入矿粉，搅拌120~150s，得到改性沥青混合料。
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