一种聚合物乳化重交沥青混合胶体及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种乳化沥青混合胶体,特别是涉及一种聚合物乳化重交沥青混合胶体(以下简称混合胶体)及其制备方法。
背景技术
使用石油沥青进行筑路的历史已经很久,人们通过加热的方法使常温下固态的沥青变为液态,以便与矿料拌合,但热沥青施工有很多弊病,不仅需要大量的热能,而且污染环境,危害人体。随着科学技术的发展,产生了沥青冷态下使用技术——乳化沥青稀浆封层技术。所谓稀浆封层,就是将沥青制备成常温下是液态的物质,经过专门的设备一稀桨封层摊铺机与选择的矿料拌合成稀浆摊铺在路面上。它施工方便、快速、经济,有优良的路用性能,极大地满足了大规模、快速,预防性道路养护工程的需要。界面化学和胶体化学的发展,促进了乳化剂、改性剂品种的增多和性能质量的提高,拓宽了乳化沥青的应用范围,并使其快速发展,在经过慢裂慢凝普通乳化沥青稀浆封层,目前已发展成为快凝型乳化沥青稀浆封层,并在世界道路领域中,被认为是修复道路车辙及其他多种路面病害最有效,最经济的手段之一,发展迅速。
以往的乳化沥青稀浆封层,所使用的沥青为普通道路石油沥青,针入度较大,软化点偏低。所使用的乳化剂一般为慢裂慢凝型乳化剂,如木质胺类,所采用的矿料也为普通矿料,固化成型慢,开放交通时间较长,一般为4-6小时,这只能适应在车流量低、轻载等低等级道路的路面上。
现在一般的乳化沥青稀浆封层,选择的基质沥青为重交道路沥青,针入度偏低,软化点偏高,所采用的乳化剂一般为慢裂快凝型乳化剂,矿料可根据路面设计等级选择,拌合时间大于2分钟,初凝时间可以在20分钟以内,60分钟可以开放交通。但是只能在中等级路面上使用。
随着交通流量的日益增加,交通密度大,车辆大型化,重载超载严重,车速高,荷载作用时间短,密度增加快,这些对路面的要求越来越高。原沥青路面对气温、雨水、日照等自然因素敏感,其承载能力和防止水害、病害能力相对偏低。高温季节,出现痈包推移,雨季时老化及水浸泡剥落,严寒地区昼夜温差大,出现地面低温反射性裂缝及冻融现象,这些导致路用性能下降,加速路面损坏。因此人们在沥青中添加聚合物,对沥青材料进行改进。
聚合物改性乳化沥青的生产工艺流程一般有三种:
第一种:将聚合物改性材料加入沥青中,将沥青改性,然后再将其乳化,此法制备过程需较多设备、时间和人力,改性沥青粘度大,流动困难,消耗热能多,造成环境污染和成本增加。
第二种;先制备乳化沥青然后掺配胶乳的方法。
这种方法有两个工序,即沥青乳化和胶体混合。由于沥青颗粒和胶乳在机械强力搅拌下混合,有密度差,抗降速度不同,对改性乳化沥青的均匀性和稳定性影响很大,贮存时会发生分离、沉淀、结块等现象,效果不理想。
第三种方法是:将改性材料加入乳化剂水溶液中,然后与沥青同时进入乳化机,进行乳化。
这种工艺将乳化剂、改性剂和添加剂配制成水溶液与热融的沥青同时进入乳化机制备乳化沥青。但出于所选择的配方和工艺方法不同,产品性能有所改进,但性能质量很不稳定,成本差别很大,而且需要添加剂酸类来调整PH值在2-2.5之间,对乳化沥青性能影响很大,腐蚀设备,造成环境污染。
发明内容
本发明的目的在于克服以上乳化沥青制备中的种种缺陷,经发明人多年的研究和实践开发提供一种制备简单、可靠、性能优异稳定的聚合物乳化重交沥青混合胶体。
本发明的另一个目的在于提供一种聚合物乳化重交沥青混合胶体的制备方法。
本发明提供的一种聚合物乳化重交沥青混合胶体,包括下列组份及组份重量比经混合、乳化、胶磨而成:
改性剂聚合物 1.5-4.5重量份
分散剂 0.5-1.5重量份
稳定剂 0.5-2.0重量份
重交沥青 55-70重量份
乳化剂 1.0-2.5重量份
水 41.5-19.5重量份
本发明提供的一种聚合物乳化重交沥青混合胶体,优选包括下列组份及组份重量比:
改性剂聚合物 2.0-4.0重量份
分散剂 1.0-1.5重量份
稳定剂 1.0-2.0重量份
重交沥青 55-65重量份
乳化剂 1.5-2.0重量份
水 25.5-39.5重量份
本发明提供的一种聚合物乳化重交沥青混合胶体中,所述乳化剂为阳离子乳化剂如酰胺类、咪唑啉类和烷基酰胺基多胺类,例如RH-C05(酰胺类,山西化工研究院生产销售),MK系列(江阴市七星助剂公司生产销售),KX-1型阳离子沥青乳化剂,浙江金华市公路处研制生产销售),MJ型(河南省公路局与山西省化工研究所联合研制),QS-2(安徽芜湖中联公司生产销售)等;阴离子乳化剂为脂肪醇聚氧乙烯醚与烷基酚聚氧乙烯醚的混合物如OP(上海经纬有限公司);XLY2000(河南省郾城龙逸化工公司生产销售,上述乳化剂均为慢裂快凝型乳化剂,这些慢裂快凝型沥青乳化能力强,改性沥青乳液不结块,不沉淀,乳液光滑,性能稳定。这些乳化剂可单独使用,亦可混配使用,混配没有严格要求,但在聚合物乳化重交沥青混合胶体中含量为1.0-2.5(重量份),优选为1.5-2.0重量份。
所述稳定剂为:聚烯烃类化合物如沙索必德(SaSobit,无锡万邦化工有限公司销售)、聚有机硅氧烷与多元醇的接枝聚合物、烷基酚聚氧乙烯醚类如聚乙二醇脂肪酸酯、澎润土、凹凸棒土等;优选为SaSobit、聚有机硅氧烷与多元醇的接枝聚合物、聚乙二醇脂肪酸酯,这些稳定剂主要起到增稠和缓破作用。以上稳定剂市场均可购得。其用量0.5-2.0重量份,优选为1.0-2.0重量份。
所述分散剂为;萘磺酸甲醛缩合物,如:PD(上海助剂厂);萘磺酸甲醛缩合钠盐(C12H14O6S2Na2)n;亚甲基双萘磺酸钠NNO;亚甲基双甲基萘磺酸钠MF(C23H20O6Na2)等,优选为NNO、MF、(C12H14O6S2Na2)n,这些分散剂都有良好的扩散和分散作用,市场均可购得。其用量0.5-1.5重量份,优选为1.0-1.5重量份。
所述改性剂聚合物为丙烯腈一丁二烯一苯乙烯树脂(ABS),乙烯一醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚乙烯(PE)、无规(立构)聚丙烯(APP)、顺丁橡胶(BR)、氯丁橡胶(CR)、丁苯橡胶(SBR)、苯乙烯一丁二烯一苯乙烯三元嵌段共聚物(SBS)及其它们的胶乳等,如果使用聚合物可用已知方法制成胶乳再使用或市售胶乳产品。优选苯乙烯一丁二烯一苯乙烯三元嵌段共聚物(SBS)乳胶和SBR胶乳。所述改性剂用量通常1.5-4.5重量份,优选为2.0-4.0重量份。
所述重交沥青以优质低凝环烷基原油为主要原料生产加工的高级重交道路沥青,具有优良特性,蜡含量低于2.0%,密度大于1,TFOT(163℃,5小时)15℃延度大于140厘米。重交沥青对稀浆封层整体质量影响至关重要,本发明采用优质重交道路沥青,例如由江阴市中油兴能沥青厂生产销售的重交兴能AH-70#、AH-90#,AH-100#;其质量指标如表1所示,由此可见该重交沥青具有优质的道路性能。
表1
重交沥青 |
A |
B |
C |
|
AH-70# |
AH-90# |
AH-100# |
针入度 |
15℃ |
32 |
34 |
36 |
25℃ |
78 |
85 |
98 |
30℃ |
147 |
151 |
166 |
PI值 |
-0.531 |
-0.428 |
-0.646 |
软化点(环球法)℃ |
47℃ |
46℃ |
45℃ |
延伸度(15℃,5cm/min)cm |
152 |
155 |
168 |
含蜡量度%不大于 |
1.5 |
1.8 |
1.6 |
闪点(开口)℃小低于 |
238 |
265 |
276 |
密度(25℃)g/cm |
1.038 |
1.041 |
1.046 |
TFOT | | | |
质量损失 |
0.2 |
0.1 |
0.08 |
针入度比%不小于 |
78 |
74 |
72 |
延伸度(15℃,5cm/min)cm |
>140 |
>140 |
>140 |
饱和烃%(重量) |
10.35 |
10.58 |
10.20 |
胶质%(重量) |
26.8 |
27.53 |
27.66 |
芳烃%(重量) |
51.47 |
50.86 |
50.87 |
沥青质(重量) |
11.20 |
11.03 |
11.27 |
本发明提供的聚合物乳化重交沥青混合胶体的制备方法包括下列步骤:
1、将水、乳化剂、改性剂聚合物、分散剂、稳定剂按所述重量比于带有搅拌容器中混合搅拌均匀,后升温至50-70℃,优选55-60℃继续搅拌均匀。
2、将重交沥青按所述重量比加热至140-150℃,优选145℃与步骤1均匀热液体一起加入胶体磨中研磨,转速为2900-5500转/分,优选为3500转/分研磨加工数分钟,优选小于2分钟得聚合物乳化重交沥青混合胶体。
本发明混合胶体具有优良的抗老化性能和高温性能。蒸发后混合胶体15℃延度大于130厘米,软化点大于65℃,老化后,15℃延度大于130厘米,软化点略有升高,蒸发损失变化幅度小,一般聚合物改性稀浆封层软化点要求不小于60℃,由本发明制备的混合胶体软化点在62-66℃之间,所以能完全满足高温季节的使用要求。
本发明混合胶体低温性能优良,15℃延度一般大于30厘米,而基质沥青5℃延度一般在8-10厘米之间,混合胶体的脆点在-18℃以下,而基质沥青一般在-5-10℃之间,说明混合胶体低温抗缩裂能力较好。
本发明提供的制备方法中,由于采用了改性剂直接添加在乳化剂的水溶液中,生产操作简单方便,性能可靠,而且无污染,生产成本低。克服了制备改性沥青时高温,高能耗,多设备,高成本的复杂工艺过程。
本发明提供的制备方法中不加酸,克服通常在生产乳化沥青中加酸调PH值(2-3)的危害。确保乳化沥青的延度,粘附性能不降低,其它性能也变化不大,设备不腐蚀,环境不污染。
由于本发明提供的方法中,添加烷基酚聚氧乙烯醚类和聚烯烃类添加剂,不仅有良好的稳定乳化效果,而且有缓破功能,能将延长乳化沥青的破乳时间,同时能够满足地表在70℃以下的施工要求。
本发明使用萘磺酸甲醛混合物类分散剂,不但有良好的胶体分散性,使胶乳不沉淀,不聚集结块,而且作为填充料,有良好的促凝效果,以改善快开放交通的作用。
该混合胶体能够提高路面的高温稳定性和低温抗缩裂能力,增强抗剥落性和粘附强度,使路面早期强度提高,延长使用寿命。
本发明提供的混合胶体可用作城乡大交通、重载高等级的路面上筑路和道路养护中的稀桨封层,也可作新路的封层罩面,以及桥面伸缩缝填充料、粘结层、隧道及层面防水等能迅速修复和改善原有沥青(水泥)路面的磨损、老化、裂逢、光滑、松散等多种病害。显著地提高路面的防水、抗滑、平整、耐磨性能。该产品有较宽的粘弹区,理想的感温性能。感温性能是反应沥青改性效果的重要指标,它利用不同的温度的针入度进行线性回归求出蒸发残留物针入度指数PI值。随着聚合物使用量的增加,针入度温度曲线的斜率即沥青的温度感温指数变小,PI值增大,当聚合物添加量≥3%时,PI>0.4542,从而证明混合胶体的感温效果显著,使得混合胶体在低温时针入度变大,胶体变软,而温度升高时,针入度变小,胶体变硬。这样,混合料的低温柔性和高温劲度都得到了提高,从而改善了路面的低温抗裂性能和高温抗车辙能力。
具体实施方案
下面结合实用例对本发明进一步说明,但本发明的保护范围并不限于
实施例。
实施例1
取180克洁净的水,在水中加入慢裂快凝型(JWRH-MK型上海经纬有限公司)的乳化剂10克,加入聚合物SBR胶乳15克,分散剂萘磺酸甲醛混合钠盐5克、聚乙二醇脂肪酸酯7.5克搅拌均匀后,于温度至55℃,继续搅拌均匀并保持温度。取282.5AH-704#重交沥青A,加热至145℃,一起加入胶体磨中研磨,转速为3500转/分,加工两分钟后就得到要配制的聚合物乳化重交沥青混合胶体。化验结果表明(见表2),各项指标较理想,筛上剩余量小,贮存稳定性好,软化点高,粘韧性好,老化性能好。
对比例1:
对比例1与实施例1步骤相同,不同是不加分散剂萘磺酸甲醛混合钠盐和稳定剂聚乙二醇脂肪酸酯。
取180克洁净水在水中加入JWRH-MK型乳化剂10克,SBR胶乳15克、混合均匀后加热55℃,然后加入295克的重交沥青A,加热至145℃同时与配制好的溶液一起进胶体磨,转速3500转/分,两分钟后即得产品,化验结果表明(见表2),该产品的稳定性很差,其贮存稳定性24小时,下降了三个百分点,低温贮存稳定度有大量的粗颗粒。因为稳定性变差,其各项指标都很差。
对比例2:
对比例2同实施例1步骤相同,不同是不加稳定剂聚乙二醇脂肪酸酯。
取180克洁净水,在水中加入JWRH-MK型(上海经纬有限公司)乳化剂(JWRH-MK型)10克,荼磺酸甲醛混合钠盐5克,搅拌均匀后加热55℃,然后再加入SBR胶乳15克,混合均匀并保持此温度,取290克重交沥青A并加热至145℃,同时与已配制好的溶液一起加入胶体磨研磨,胶体磨转速为3500转/分,2分钟后制成成品。化验结果表明(见表2),同对比例1相比,胶体的性质有了明显改善,稳定性有所提高。低温贮存稳定度仍有部分颗粒,蒸发残留物的性质有提高,但仍达不到指标的要求。
综述以上三种情况可以看出:当原料中加入稳定剂和分散剂后产品各项指标都很理想。筛上剩余量小,贮存稳定性好,软化点高,延伸度大,混合胶体的韧性强,抗老化性能好,根据实施例1的配制的这种方法聚合物乳化重交沥青混合胶体在无锡黄土至石庄线上进行稀浆封层,经过一年多的重载和大交通量的考验,封层后的整体情况很好,外观呈黑褐色,无松散无沟痕,骨料无脱落情况,平整度与磨擦系数好于热沥青摊铺。
实施例2
取150克洁净的水,在水中加入7.5克聚氧乙烯烷基季胺盐酸盐乳化剂,1.5克亚甲基双萘磺酸钠(NNO),10克聚有机硅氧烷与多元醇的接枝共聚合物稳定剂,搅拌均匀后加热至65℃,再加入15克(丙烯腈一丁二烯一苯乙烯树脂ABS)共聚合物胶乳,混合均匀,保温待用,并取310克重交沥青C,加热至130℃,受热均匀后,同时与已配制好的溶液一起进入胶体磨研磨,转速为2980转/分。研磨两分钟之后,即得到合格的聚合物乳化重交沥青混台胶体。分析结果表明(见表3),胶体的粘度、筛上剩余量、蒸发残留物含量达到规定标准,贮存稳定性24小时仅为0.06,低温存贮稳定度无颗粒、无结块,残留物延伸度大,软化点高,韧性强,是一种理想的公路用稀浆封层混合材料。
钱胡线是无锡地区主要干线,平均车流量在15000辆/日以上,而且大部分是重载货运车、路宽15米,全长2千米,88年通车,路基尚好,路面出现磨损,裂缝,坑槽、剥落,光滑等病害,我们采用上述配方制备的混合胶体进行改性稀浆封层罩面养护,经过一年多的重载和大交通量的考验,封层后的整体情况一直很好。无松散,无沟痕,骨料无脱落现象。
实施例3:
取157.5克洁净水,依次加入RH-C05乳化剂9克,亚甲基双萘磺酸钠MF分散剂6克,沙索必德(SaSobit)稳定剂10克,搅拌均匀后,升温至55℃,再加入2.5克SBS胶乳聚合物,继续搅拌混合物均匀保持温度待用,并取重交AH-100#沥青305克加热到130℃。均匀受热后缓缓加入调配好的溶液中搅拌均匀,再在胶体磨中研磨2分钟,转速为2980转/分即得合格的混合胶体(其性质见表三)。胶体粘度大,稳定性好,低温贮存无粗颗粒和结块,软化点高,粘韧性强,利于稀浆封层罩面养护,无锡市区钱荣线,原路基尚好,但路面出现破损,裂缝,有坑槽,使用本配方制备的混合胶体进行稀浆封层养护,使用两年来,尽管车流量大,路面负荷重,但路面仍然无松散,无沟痕,无骨料脱落现象。
实施例4
实施例4的步骤相同于实施例1,不同是用SBS胶乳替代SBR胶乳。
实施例5
实施例5的步骤相同于实施例1,不同是用顺丁胶乳替代SBR胶乳。
实施例6
实施例6的步骤相同于实施例2,不同是用无规聚丙烯胶乳替代ABS胶乳。
实施例7
实施例7的步骤相同于实施例3,不同是用(C12H14O6S2Na2)n替代MF分散剂。
实施例8
实施例8的步骤相同于实施例1,不同是用EVA胶乳替代SBR胶乳。
实施例4至实施例8的聚合物乳化重度沥青混合体的性能及路面性能与实施例1至3的各项性能在同一水平上。
表2
|
实施例1 |
对比例1 |
对比例2 |
重交沥青A%(重量) |
56.5 |
59 |
58 |
SBR胶乳%(重量) |
3.0 |
3.0 |
3.0 |
乳化剂JWRH-MK%(重量) |
2.0 |
2.0 |
2.0 |
水%(重量) |
36 |
36 |
36 |
分散剂(C12H14O6S2Na2)n |
1.0 | |
1.0 |
稳定剂:聚乙二醇脂肪酸酯 |
1.5 | | |
乳化剂水溶液温度(℃) |
55 |
55 |
55 |
热沥青温度(℃) |
145 |
145 |
145 |
混合胶体的性质 | | | |
筛上剩余量(0.8mm)% |
0.02 |
1.2 |
0.85 |
蒸发残留物含量% |
63.5 |
62 |
62.5 |
贮存稳定性(24h)% |
0.1 |
3.1 |
2.9 |
低温贮存稳定度(-5℃) |
无粗颗粒或结块 |
有大量粗颗粒结块 |
有粗颗粒结块 |
蒸发后胶体 |
针入度(25℃、1/10mm) |
92 |
116 |
107 |
延伸度(15℃、cm) |
136 |
116 |
123 |
软化点℃ |
64 |
45 |
42 |
脆点℃ |
6-19 |
-15 |
-16 |
粘韧性(25℃)N.m |
8 |
1.2 |
2.38 |
韧性(25℃)N.m |
6.8 |
1.15 |
2.15 |
薄膜烘箱(163℃、5h) | | | |
针入度比% |
74.2 |
70 |
70.1 |
延度(15℃)Cm |
130 |
49 |
58 |
软化点 |
66 |
45 |
42 |
蒸发损失 |
0.02 |
0.21 |
0.47 |
表3
|
实施例2 |
实施例3 |
重交沥青B(AH-90#)%(重量) |
62 | |
重交沥青C(AH-100#)%(重量) | |
61 |
乳化剂:XLY2000(聚氧乙烯烷基季铵盐酸盐)%(重量) |
1.5 | |
RH-C05(酰胺类)%(重量) | |
1.8 |
改性剂聚合物:ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂)%(重量) |
3 | |
SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三元嵌段共聚物)%(重量) | |
2.5 |
水%(重量) |
30 |
31.5 |
分散剂亚甲基双萘磺酸钠(NNO)%(重量) |
1.5 | |
亚甲基双甲基萘磺酸钠MF(C22H20O6S2Na2) | |
1.2 |
稳定剂:聚有机硅氧烷与多元醇的接枝共聚合物%(重量) |
2 | |
沙素必德(SaSobit)(重量) | |
2 |
热沥青温度℃ |
130 |
130 |
乳化剂水溶液温度℃ |
65 |
65 |
混合胶体的性质 | | |
沥青标准粘度度(25℃)3(S) |
19 |
20 |
筛上剩余量(0.8mm)% |
0.01 |
0.015 |
蒸发残留物含量% |
68 |
66.5 |
贮存稳定性(24h)% |
0.06 |
0.09 |
低温贮存稳定性(-5℃) |
无粗颗粒或结块 |
无粗颗粒或结块 |
破乳速度 |
慢裂快凝 |
慢裂快凝 |
蒸发后胶体 |
针入度(25℃、1/10mm) |
88 |
91 |
延伸度(15℃、cm) |
138 |
137 |
软化点℃ |
62 |
65 |
脆点℃ |
-18 |
-19 |
粘韧性(25℃)N.m |
8.7 |
9.2 |
韧性(25℃)N.m |
7.5 |
8.2 |
薄膜烘箱(163℃、5h) | | |
针入度比% |
70 |
70.1 |
延度(15℃)cm |
132 |
130 |
软化点 |
64 |
66 |
蒸发损失 |
0.05 |
0.047 |