CN117165261A - 粘层油及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种粘层油及其制备方法，所述粘层油包括以所述粘层油总重量计的55～80wt％的天然沥青和20～45wt％的石油沥青，其中所述天然沥青中的灰分含量为45wt％以上，所述粘层油中固体无机物的平均粒径<7μm。所获得的粘层油不粘轮，易施工。

Description

粘层油及其制备方法

技术领域

本发明属于公路工程材料领域，具体涉及一种粘层油及其制备方法。

背景技术

粘层是道路结构中起层间粘合作用的重要结构。粘层油的撒布是通过使用专用粘层撒布车，通过喷头将液态的粘层油，以薄雾状喷洒到路面形成均匀分布的薄沥青层，用于加强路面沥青层与沥青层之间，或沥青层与水泥混凝土面板之间的粘结。粘层对材料的性能要求也主要在粘结强度和抗剪强度方面。沥青路面的层间粘结状态，对于沥青路面耐久性具有至关重要的作用，而层间粘结状态主要和粘层油质量有关。有研究表明粘层失效，可导致路面服役寿命缩短30～50％。

道路用粘层油包括乳化沥青及热沥青两类。乳化沥青可在常温下使用，但需要等待较长时间，经过破乳凝结，水分蒸发后，才能形成强度并进行下一工序的施工，因此乳化沥青粘层通常要求提前一天施工。热沥青虽然需要加热熔融操作，但施工后等待不超过30分钟，就可以进行下一工序的施工，施工更加高效便捷。

但在施工中粘层油存在粘轮失效风险，即，在铺有粘层油的路面上进行下一工序施工时，施工车辆的车轮会粘带路面的粘层油，导致路面粘层油缺失，从而无法发挥粘结上下层的功效，导致路面出现车辙、滑移、拥挤等早期病害。

为此，已进行了一些研究来避免粘层油粘轮失效的问题。例如在相关技术中，使用硬质沥青，比如低标号的#20或#30石油沥青做粘层油，可以实现不粘轮，但此类沥青产能低，价格高，不适合推广使用。再例如，中国专利申请公开CN109096988A提出使用树脂改性的方法，所制备的不粘轮热沥青粘层油包括基质沥青、高分子聚合物和植物基树脂。该方案虽然实现了不粘轮的效果，但本发明人发现其布氏旋转粘度大，在施工中不易喷洒，进而导致粘层油撒布不均或撒布量不足。

因此，仍存在对性能改进的热沥青粘层油的需求。

发明内容

有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种能够解决上述至少部分问题的粘层油及其制备方法。

本公开的第一方面提供了一种粘层油，包括以所述粘层油总重量计的55～80wt％的天然沥青和20～45wt％的石油沥青，其中所述天然沥青中的灰分含量为45wt％以上，所述粘层油中固体无机物的平均粒径<7μm。

根据本公开的一种实施方式，所述天然沥青为岩沥青，优选为布敦岩沥青。

根据本公开的一种实施方式，所述石油沥青选自标号为70#、90#、110#的石油沥青中的至少一种。

根据本公开的一种实施方式，所述粘层油的针入度≤40dmm，优选20～30dmm。

根据本公开的一种实施方式，所述粘层油的软化点不低于55℃，优选≥60℃。

根据本公开的一种实施方式，所述粘层油包括以所述粘层油总重量计的60～70wt％的天然沥青和30～40wt％的石油沥青。

根据本公开的一种实施方式，所述粘层油由以所述粘层油总重量计的55～80wt％的天然沥青和20～45wt％的石油沥青组成。

根据本公开的一种实施方式，所述粘层油由以所述粘层油总重量计的60～70wt％的天然沥青和30～40wt％的石油沥青组成。

本公开的第二方面提供了一种本公开第一方面所述的粘层油的制备方法，包括把天然沥青破碎后与石油沥青混合并且搅拌，然后研磨，得到所述粘层油。

根据本公开的一种实施方式，所述石油沥青在所述混合前被加热到110～140℃，所述研磨之前所述混合物被加热到160～180℃。

在本公开中，发明人意外的发现，可以主要以灰分含量45％以上的天然沥青为粘层油的改性剂，优选地只使用这种高灰分的天然沥青和石油沥青，制备粘层油，通过控制所述粘层油中固体无机物的平均粒径<7μm，并且天然沥青的质量占比达55～80wt％，所获得的粘层油不粘轮，易施工。而且本公开的粘层油对上下层沥青的粘结性能均非常优异。除此之外，高灰分天然沥青的单价低于低灰分天然沥青，更远低于石油沥青，本发明能够大量使用低价的天然沥青，大幅降低了粘层油的成本。并且以天然沥青替代部分石油沥青，从原材开采至生产结束减少了碳排放(天然沥青的开采及运输的单位碳排放仅占石油沥青的18％)，更环保。

具体实施方式

下面将结合本公开实施方式，对本公开实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本公开的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本公开中的实施方式，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方式，都属于本申请保护的范围。

如上所述，本公开意在提供一种对性能改进的热沥青粘层油及其制备方法。具体地，所述粘层油，是利用灰分含量45wt％以上的高灰分天然沥青作对石油沥青进行改性而获得的，控制其中固体无机物的平均粒径<7μm。该粘层油中天然沥青的用量相对于粘层油的总重量出乎意料地可达55～80wt％，并由此实现了不粘轮的效果，并且该粘层油易于施工，能够均匀喷洒，并不会发生堵塞喷头或固体无机物沉降的情况。

粘层油

道路沥青面层包含多层结构，其中，不同结构层之间需要使用粘层油，以确保多层结构形成整体，共同承受车轮荷载作用。本发明人分析发现，要得到高效的粘层油，需要解决以下问题。

首先，粘层应呈均匀薄雾状喷洒，保证得到均匀且厚度一致的粘层，如果撒布量不足则粘结力差，撒布量过大，会导致路面泛油及层间滑移问题。因此为了保证喷洒均匀且呈薄雾状，粘层油的粘度不宜过大；而当采用聚合物改性沥青时，粘度大，会导致喷洒不均的问题。

第二，应解决粘层油的粘轮失效问题，即粘层油极易被下一工序的施工车辆的车轮带走。这种情况是较普遍存在的，改进方法是降低粘层油的针入度，并提高软化点。但是，如背景技术所述，目前的改进方法均会导致其他问题。

第三，应保证粘层油和下面层有足够的粘结强度。该粘结强度可以通过粘层油和基底的拉拔强度进行表征。而相关技术中通过加入诸如SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)、SBR(丁苯橡胶)、乙烯-醋酸乙烯共聚物等聚合物改性剂，虽然可实现粘结强度的改善，但同时造成施工难度增加，并存在粘轮的问题，而且由于加入改性剂导致粘层油的成本增加。

第四，还应保证粘层油和上面层有足够的粘结强度。由于为了避免产生上述粘轮的问题，有人采用加入诸如植物基树脂、C9树脂等树脂改性剂的方式，虽然起到避免粘轮的作用，但加入树脂改性剂后，粘层油难以与上面层形成有效粘结。粘层和上面层的粘结强度可通过测定层间剪切力来评估。

根据本公开的实施方式提供的粘层油，令人吃惊地能够同时克服上述导致粘层油失效或减效的各种原因，获得均衡的效果且成本更低。根据以下详述的具体实施例，所述粘层油的各项性能均显著改善，其中135℃布氏旋转粘度<2.5Pa·s、25℃针入度<40dmm、25℃拉拔强度>2.0MPa、25℃抗剪强度>1.0MPa。

石油沥青

根据本公开的实施方式，对所述石油沥青的标号没有特别限制。因此，选择常用标号的石油沥青用于本公开的粘层油。具体地，可选择标号为70～110#的石油沥青中的至少一种。但是高标号沥青产量低，价格高，优选标号为70#或90#的石油沥青，更优选标号为70#的石油沥青。

天然沥青

天然沥青是自然界的石油在长期受地壳挤压，并在高温、高压、空气、水、触媒等综合作用下，逐渐变化而形成的、以天然形态存在的沥青类物质。由于其特有的形成过程，天然沥青中除了沥青组分以外，还含有一部分固体无机物成分。根据何林等人的研究(Guoqiang Ma et al.the nature of the Indonesian carbonate asphalt rocks andits insights into the separation processes,Journal of petroleum Science andEngineering,Volume 195,2020,107752)，天然沥青中沥青质和胶质的含量远高于石油沥青，天然沥青中的无机物颗粒主要是40～800μm的有孔虫化石，沥青质包裹在有孔虫化石表面，并浸润其内部空间。无机物能提高结合料的高温稳定性和抗水损性，同时天然沥青和石油沥青同属于地沥青的一种，其有机成分主要为碳氢化合物及其衍生物，因此天然沥青和石油沥青相容性好，可用来改善其他改性剂与石油沥青的相容性差的问题。

天然沥青在高温燃烧后，残余的固体为灰分，和燃烧前天然沥青中的固体无机物相对应。通常用灰分来表示天然沥青中无机物的量。沥青在高温下呈液态时使用，天然沥青中的固体无机物会发生沉淀离析，并有堵塞喷口的风险。根据形成的环境不同，天然沥青的灰分也有很大的差别。对于灰分含量大于45％的高灰分天然沥青，价格仅为低灰分天然沥青的10～20％，但是由于无机物含量高，极易沉降离析，而且和低灰分的天然沥青相比，需要更大掺量才能实现同等改性效果，限制了高灰分及高掺量的天然沥青在粘层油中的使用。因此，在实际工程中，高灰分天然沥青基本都是作为混合料添加剂使用，很少直接添加到沥青中对沥青进行改性。本发明人发现，通过研磨，将高灰分天然沥青中的无机成分的粒径控制在平均粒径小于7μm时，不但解决了无机物堵塞喷口问题，而且可以将天然沥青中的沥青成分充分释放。当天然沥青含量占比为55～80wt％时，可以大大提高改性沥青的软化点，同时不增加沥青的高温粘度。此外，高灰分天然沥青的高掺量的应用，大幅降低了成本。

不受理论的束缚，本发明人进一步发现，在天然沥青改性的粘层油上加铺上面层的热沥青混合料时，已经凝固的粘层油会由于上面层混合料的温度而重新软化并至少部分融化。由于天然沥青和石油沥青相容性好，因此，与同时加聚合物和树脂改性的粘层油相比，本公开的粘层油中的天然沥青和石油沥青均能够与上面层/下面层的沥青之间更好的粘结，从而形成了更牢固的整体。

根据本公开的实施方式，粘层油包括所述粘层油总重量计的55～80wt％的天然沥青和20～45wt％的石油沥青，其中所述天然沥青中的灰分含量为45wt％以上，所述粘层油中固体无机物的平均粒径<7μm。其中，所述天然沥青为岩沥青，优选的为布敦岩沥青。特别的，本公开的粘层油可以只由所述粘层油总重量计的55～80wt％的天然沥青和25～45wt％的石油沥青组成。

粘层油的制备

本公开的粘层油的制备方法，包括把天然沥青破碎后与石油沥青混合并且搅拌，然后研磨，得到所述粘层油。其中，所述石油沥青在所述混合前被加热熔融，加入破碎的天然沥青，升温至全部熔融后进行研磨。优选地，在混合前石油沥青被加热到110～140℃，在研磨之前混合物被加热到160～180℃。

下面结合具体实施例对本公开做进一步说明。

实施例1：

把灰分含量54％的布敦岩沥青破碎后，加入升温到140℃的70#石油沥青，搅拌并升温到180℃，其中按照总重量的百分比计，布敦岩沥青为56wt％，70#石油沥青为44wt％。用研磨机研磨至无机物的平均粒径5～6μm，得到粘层油样品。

实施例2：

制备方法与实施例1相同，区别在于使用灰分含量为52％的布敦岩沥青，按照总重量的百分比计，布敦岩沥青为64wt％，70#石油沥青为46wt％。

实施例3：

制备方法与实施例2相同，区别在于使用90#石油沥青，按照总重量的百分比计，布敦岩沥青为70wt％，90#石油沥青为30wt％。

实施例4：

制备方法与实施例2相同，区别在于使用110#石油沥青，按照总重量的百分比计，布敦岩沥青为78wt％，110#石油沥青为22wt％。

对比例1：

外购30#石油沥青。

对比例2：

把SBS(戴纳索，501)加入升温到180℃的70#石油沥青剪切分散，然后加入C9树脂(济南鑫乐)，搅拌均匀，缓慢加入硫磺稳定剂，搅拌发育一小时得到粘层油样品。其中按照总重量的百分比计，SBS为4wt％，70#沥青为80.85wt％，C9树脂为15wt％，稳定剂为0.15wt％。

对比例3：

制备方法与实施例2相同，区别在于按照总重量的百分比计，布敦岩沥青为50wt％，70#石油沥青为50wt％。

对比例4：

制备方式与实施例2相同，区别在于将天然沥青破碎至300目左右，按照总重量的百分比计，布敦岩沥青为40wt％与70#石油沥青为60wt％，将天然沥青加入加热的石油沥青中，升温至180℃，并搅拌均匀，得到所需样品。。

实施例1～4和对比例1～4的粘层油的组成及无机物的平均粒径总结如表1所示。其中无机物的平均粒径测试是通过将样品，溶解在柴油中，得到质量分数5％的悬浊液，将其搅匀后，用吸管吸取1～2滴液体，置于激光粒度仪中，检测其平均粒径值。

表1.实施例1～4和对比例1～4的粘层油的组成

性能测试：

对实施例1～4和对比例1～4的性能进行测试。

稳定性

关于稳定性测试，因为沥青为黑色粘稠物，难以用肉眼判断其中无机物的离析和沉淀的程度，通常的判断的方法是用玻璃棒搅拌，观察搅拌过程中，容器底部有无明显阻力，或者需将上层沥青缓慢倒出，观察底部有无沉淀。将各实施例和对比例3-4的样品180℃静置24h后用玻璃棒搅拌。实施例1～4和对比例3获得的粘层油样品180℃静置24h后，搅拌轻松，体系均匀，无明显沉淀；对比例4的样品由于粒径过大，180℃静置24h后，底部有较大阻力，搅拌困难，将静置后沥青缓慢倒出，底部有明显的沉淀。

针入度、软化点、粘度

25℃针入度测试，软化点测试，及粘度(即，布氏旋转粘度)测试按照JTG E 20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规范实施。

拉拔强度

拉拔强度测试使用拉开法附着力测试仪(BJZJ-FZL-W/天津天辰伟业科技)，方法是将样品加热后，搅拌均匀，取少量置于经过切割表面的车辙板试件平面上，将加热的拉拔头压上，用刮刀刮去多余沥青，样品撒布量控制在0.5±0.05千克每平米，待放置至室温后，25℃下测定拉拔强度。

抗剪强度

抗剪强度测试是将成型5cm的AC16的车辙板试件，放至室温后，在其表面刷上述样品，撒布量控制在0.5±0.05千克每平米，待温度降至室温后，将其放入深度10cm的车辙板试模中，随后将AC13的热拌沥青混合料填入，并碾压至密实状态，得到5cm AC13+粘层油+5cm AC16的车辙板试件。通过钻芯取样，再利用万能材料试验机进行25℃下的直剪试验。

粘轮测试

粘轮测试是将上述样品，在同一条道路上，分别按照0.5±0.05千克每平米撒布到路面后，让货车从上面匀速通过，观察是否有粘轮现象。其中，对比例4的样品产生了明显的沉淀，所以没有进行粘轮测试、布氏旋转粘度、拉拔强度和抗剪强度的测试。上述测试结果如表2所示。

表2.实施例1～4和对比例1～4的粘层油的性能测试结果

对比例2中，由于大量聚合物改性剂和树脂的存在，导致样品135℃粘度很高，因此现场要求的喷洒温度也极高(180～200℃)，否则难以均匀喷洒形成薄层。聚合物改性剂和树脂虽然提高了样品的粘度和软化点，但是对层间抗剪强度的作用有限，粘层油和上面层的粘结效果差。实施例1～4的粘层油，现场喷洒温度160～180℃即可，且层间抗剪强度大。

以上所述仅为本公开的一些具体实施例，意在说明本发明，并不用来限制本申请的要求保护的范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的修改、替代，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种粘层油，包括以所述粘层油总重量计的55～80wt％的天然沥青和20～45wt％的石油沥青，其中所述天然沥青中的灰分含量为45wt％以上，所述粘层油中固体无机物的平均粒径<7μm。

2.根据权利要求1所述的粘层油，其中，所述天然沥青为岩沥青，优选为布敦岩沥青。

3.根据权利要求1所述的粘层油，其中，所述石油沥青选自标号为70#、90#、110#的石油沥青中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的粘层油，其中，所述粘层油的针入度≤40dmm，优选20～30dmm。

5.根据权利要求1所述的粘层油，其中，所述粘层油的软化点不低于55℃，优选≥60℃。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的粘层油，其中，所述粘层油包括以所述粘层油总重量计的60～70wt％的天然沥青和30～40wt％的石油沥青。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的粘层油，其中，所述粘层油由以所述粘层油总重量计的55～80wt％的天然沥青和20～45wt％的石油沥青组成。

8.根据权利要求7所述的粘层油，其中，所述粘层油由以所述粘层油总重量计的60～70wt％的天然沥青和30～40wt％的石油沥青组成。

9.一种根据权利要求1～8中任一项所述的粘层油的制备方法，包括把天然沥青破碎后与石油沥青混合并且搅拌，然后研磨，得到所述粘层油。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其中，所述石油沥青在所述混合前被加热到110～140℃，所述研磨之前所述混合物被加热到160～180℃。