CN1856546A - 制造适合用于道路铺设的沥青－集料混合物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适合于道路、停车场、人行道等的冷铺设的含水快速凝固沥青－集料混合物。该沥青－集料混合物通过混合如下物质而制备：矿物集料、水、包含水硬水泥的去乳化剂以及含有叔二胺和磷酸的盐作为乳化剂的阳离子水包油型沥青乳液。二胺具有式(I)，其中基团R1、R2、R4和R5之中的一个或两个为具有6－22个碳原子，优选8－20个碳原子的烃基，R1、R2、R4和R5中余下的是具有1－4个碳原子的烷基基团和/或式(A) SH的基团，其中A为具有2－3个碳原子的亚烷氧基，s为1－4的数，R3为具有2－4个碳原子的亚烷基，且n为0－2的数。

Description

制造适合用于道路铺设的沥青-集料混合物的方法
本发明涉及一种适合于道路、停车场、人行道等的冷铺设的含水快速凝固沥青-集料混合物。该沥青-集料混合物通过混合如下物质而制备：矿物集料、水、包含水硬水泥的去乳化剂和含有叔二胺和磷酸的盐作为乳化剂的阳离子水包油型沥青乳液。
制备阳离子水包油型沥青乳液以及将这些乳液与无机矿物集料混合乃是本领域中熟知的技术。当矿物集料与阳离子乳液混合时，由于带正电荷的沥青液滴和带负电荷的集料表面之间的吸引，乳液将发生“破乳”。阳离子沥青液滴沉积于集料表面，并通过沥青液滴和集料之间界面处的静电作用而结合于集料上。作为乳化剂，已经建议了几种酸和胺化合物的盐。通常使用酸化酰胺基胺、咪唑啉、脂肪四胺和季铵化合物及其混合物。所用的酸通常为盐酸，但也可以采用磷酸以及其它包含一个或多个酸性氢原子的酸。
铺设时，现在通常采用的方法是使用移动式搅拌机，其在施工的现场，连续地混合集料、水和乳液以获得含水沥青-集料混合物，并连续地将含水沥青-集料混合物在待铺设的表面上展开。混合物具有适合于铺设的稠度，而且在一侧的沥青与另一侧的集料和被覆盖的表面之间迅速形成粘附是至关重要的。
因此，专利US 3 518 101描述了一种含水地沥青乳液，其包含选自草酸、酒石酸和柠檬酸的多元酸和含有含约12到约22个碳原子的烷基的二胺的盐作为乳化剂。胺基团可以是伯、仲和/或叔胺。然而，在该专利中描述的乳液-集料混合物的凝固和粘附力的形成是缓慢的，并还随着集料的类型和集料的粒度而变化。专利US 5 073 297公开了一种通过用特定的阳离子乳化剂使沥青在水中乳化而得到的含水沥青乳液-集料，所述乳化剂是改性多胺与某些多羧酸和酸酐之间的反应产物。在制备沥青乳液中，使用乳化剂的酸溶液。例如，可以加入盐酸、硫酸和磷酸等，直到pH值低于7并得到澄清的乳化剂溶液。浆液的凝固时间长，为了缩短凝固时间，公开了加入水泥的方案。
由以上的参考文献显而易见的是，取决于温度，以及在较小程度上取决于混合物中存在的集料的类型和粒度，乳液的破乳以及沥青和集料之间强粘附力的产生在速率上显著变化。此外，由具有低酸含量的沥青制备的乳液相对来说是缓凝的，在沥青和集料之间以及在沥青和被覆盖的表面之间只是缓慢的产生粘附力。快凝以及粘附力的迅速形成是相当有利的，因为这样铺设的区域可以在施工以后不久即可投入公共使用。
已经发现，通过使用特定的乳化剂和去乳化剂体系，能够基本上减少上述缺点。该体系可以生产优异的含水沥青乳液，并得到适合于冷铺设的含水沥青-集料混合物。该混合物是快凝的，铺设后大约15分钟后就能在沥青和集料之间形成强粘附力。
根据本发明，适于冷铺设的含水沥青-集料混合物通过在0-40℃的温度下混合含有乳化剂的水包油型酸性沥青乳液、矿物集料、额外的水和去乳化剂而制备，其特征在于沥青乳液的pH值为1-5，优选1-4；乳化剂包含多价磷酸和下式二胺的盐：
Figure A20048002743400051
其中R1、R2、R4和R5之中的一个或两个基团为具有6-22个，优选8-20个碳原子的烃基，R1、R2、R4和R5中余下的是具有1-4个，优选1-2个碳原子的烷基基团和/或式(A)sH的基团，其中A为具有2-3个碳原子的亚烷氧基，优选为亚乙氧基，s数值为1-4，优选为1，R3为具有2-4个碳原子，优选3个碳原子的亚烷基；并且去乳化剂包含水硬水泥。
式I乳化剂具有良好的乳化能力，当用含有水硬水泥的去乳化剂使含水沥青乳液破乳时，在集料与沥青之间能迅速产生强粘附力。乳液破乳和形成粘附力的速率可以通过水硬水泥的加入量而容易地调整和控制。不仅在沥青的酸含量为中等或高酸含量时，而且当酸含量低，例如为0.05-1mgKOH/g沥青时，都可以获得快速凝固和强粘附力。乳化剂-去乳化剂体系非常适用于移动式搅拌机，所述搅拌机在施工现场连续地混合集料、额外的水、去乳化剂和沥青乳液，形成含水沥青-集料混合物，并连续地将含水沥青-集料混合物在待铺设的表面上展开。此外，可以根据现有条件，例如温度很容易地调节乳化剂-去乳化剂体系以使混合时间和速率以及含水沥青-集料混合物的粘附力的强度最优化。
合适的式I二胺是其中至少一个基团为甲基基团，并且至少一个基团为羟乙基，即其中A为亚乙氧基且s为1的式(A)SH)基团的那些。甲基基团的平均数目与亚乙氧基基团的平均数目的比值优选是1∶6-3∶1。其它合适的二胺为其中余下的基团全部为甲基基团的式I化合物和其中余下的基团全部为式(A)SH基团的化合物，其中A为具有2-3个碳原子的亚烷氧基，且s的值为1-4。优选的是，A为亚乙氧基，并且s为1。还可以有利地使用其中余下的基团仅仅为甲基基团的化合物和其中余下的基团仅仅为式(A)SH基团(其中A和s具有上面所述的含义)的化合物的混合物。在该类混合物中，仅仅含有甲基基团的化合物与仅仅含有(A)SH基团的化合物的重量比通常为1∶10-10∶1。通过改变甲基基团的数目与亚乙氧基基团的数目的比值，惊奇地表明，进一步控制粘附力和混合时间是可能的。大量的甲基基团能缩短混合时间和加速高粘附力的形成，而亚乙氧基基团的存在改进了沥青和沥青-集料混合物的可施工性能。可以有利地利用不同的式I二胺的这些性能，以在铺设时使乳化剂适应沥青的酸含量和温度。
根据本发明，水硬水泥可以是普通卜特兰水泥、低热卜特兰水泥、白卜特兰水泥、快硬卜特兰水泥或其混合物。合适的水硬水泥包含75-100重量％的普通卜特兰水泥或白卜特兰水泥。水硬水泥还可以与0-25重量％的硫酸铝、明矾化合物、石灰或石膏或其混合物组合。这些添加物延长混合时间，这在高温下进行铺设时是有利的。
集料是一种无机材料，通常包含密集分级的无机物质，如高炉矿渣和矿物，如花岗岩、石灰石和白云石。适宜的粒度分布既包括细颗粒也包括较粗颗粒。典型的集料具有如ASTM C 136中所述的粒度分布，其中全部量的集料通过从4号网筛到10号网筛间隔的筛子，而比例为15-20重量％的集料通过从40号网筛到200号网筛间隔的筛子。
在本发明中使用的合适种类的沥青是在道路铺设以及在冷乳液混合、灰浆密封、微表面处理等技术中通常使用的那些，包括但不限于AC品级为AC-15至AC-35的那些以及用诸如SBS和EVA的聚合物改性的那些。
根据本发明的含水沥青-集料混合物通常包含100重量份集料；6-20重量份，优选8-15重量份沥青；0.1-3重量份，优选0.2-2.5重量份多价磷酸和式I二胺的盐和0.1-2重量份，优选0.2-1.5重量份水硬水泥。
含水沥青-集料混合物可以通过使包含矿物集料、按集料重量计为5-35％的水和按集料重量计为0.1-2.0重量％，优选0.2-1.5重量％的水硬水泥的共混物与按集料重量计为10-40％的阳离子酸性水包油型沥青乳液混合而制备。所述沥青乳液通常包含50-70重量％的沥青，0.4-20重量％，优选2-14重量％的多价磷酸和式I二胺的盐和21-43重量％，优选25-40重量％的水。沥青-集料混合物中的总水量通常为集料重量的12-25％。
在沥青-集料混合物和沥青乳液中还可以存在其它组分。因此，沥青乳液可以包含含有至少一个具有6-22个碳原子，优选8-22个碳原子的烃基的其它乳化剂，其为非离子或阳离子型表面活性剂，例如酰胺化合物、含亚乙氧基的酰胺化合物、酸化酰胺基胺、含亚乙氧基的酰胺基胺、咪唑啉、四胺和季铵化合物及其混合物。其它乳化剂的具体实例是酸与下式的咪唑啉化合物的盐，合适的是多价酸如多价磷酸与下式的咪唑啉化合物的盐：
Figure A20048002743400071
其中R是具有5-21，优选7-19个碳原子的烷基基团，n为0-3的数；或下式的酰胺基胺化合物：
其中，R1、R2、R3和R4之中的一个或两个基团为具有6-22个碳原子，优选具有8-20个碳原子的酰基，R1、R2、R3和R4中余下的是具有1-4个碳原子的低级烷基基团，优选甲基、羟乙基、羟丙基或氢，n为1-4的数，条件是至少一个氮原子是胺基团的一部分。沥青集料混合物还可以包含额外的有机粘结剂，例如，选自SBR、聚氯丁二烯和天然胶乳及其混合物的胶乳。胶乳可以掺入沥青乳液或直接掺入混合物中。如在乳液配制领域中熟知的那样，使用与乳液相容的阳离子或非离子级的胶乳是必要的。胶乳粘结剂可以赋予凝固混合物以所希望的性能，包括改进的耐久性。沥青集料混合物还可以包含其他组分，如纤维和颜料。
实施例
通过混合下述物质而制备几种含水沥青-集料混合物：a)15重量份含水水包油型沥青乳液，其包含9.75重量份沥青，若含有的话0.53重量份胶乳和按照表1的乳化剂；b)100重量份花岗岩集料，比例对应于ASTM C136；c)9重量份的水；和d)按照表1的普通卜特兰水泥。制备中使用如下乳化剂：
乳化剂A  牛脂基三甲基丙二胺和正磷酸的盐，
乳化剂B  三(羟乙基)油基丙二胺和正磷酸的盐，
乳化剂C  50重量％的妥尔油脂肪酸与50重量％的四亚乙基五胺之间的反应产物与盐酸的盐，
乳化剂D  50重量％的等量的妥尔油脂肪酸与四亚乙基五胺的反应产物与正磷酸的盐和50重量％的等量的妥尔油脂肪酸与3-(二甲基氨基)丙胺的反应产物与正磷酸的盐。
用正磷酸将包含乳化剂A、B和D的乳液的pH值调节至表1中所示的pH值，用盐酸调节仅包含乳化剂C的乳液的pH值。
在制备过程中，根据国际灰浆表面处理协会(International SlurrySurfacing Association)；设计技术通报(Design Technical Bulletins)，用于灰浆密封体系的TB-113试拌程序(TB-113Trial Mix Procedure for SlurrySeal Systems)记录混合时间。混合后立即用实验室沥青浇灌机在不同的温度下用含水沥青-集料混合物覆盖表面。根据设计技术通报，TB-139，通过改进的粘附力测试仪测量凝固和固化特征将乳化沥青集料混合物体系分类的测试方法(Test Method for Classify Emulsified Asphalt aggregateMixture System by modified cohesion Tester Measurement of Set and CureCharacteristics)确定各覆盖层的粘附力值，即kg-c。得到的结果列于表2。
表1.含水沥青集料混合物的组成
  混合物编号        乳化剂   胶乳   沥青类型   pH   水泥重量份
  类型   重量份
  I   C   1.5   是   LA   2.0   0.5
  II   D   1.0   是   LA   3.0   0.5
  1   A/C   0.6/0.4   是   LA   3.0   0.5
  2   A/B   0.6/0.6   -   HA   3.0   1.0
  3   A/B   0.5/0.5   -   HA   2.5   1.0
  4   A/B   1.0/1.0   -   HA   2.5   1.0
  5   A   1.2   -   LA   1.5   1.0
  6   A   1.2   -   LA   3.5   1.0
  7   B   0.88   -   LA   2.5   1.0
  8   B   1.25   -   LA   2.5   1.0
LA＝酸含量低(酸值为0.4mg KOH/g沥青)
HA＝酸含量高(酸值为4.0mg KOH/g沥青)
表2在不同温度下的混合时间和粘附力值
  混合物编号   温度，℃   混合时间，秒             粘附力值，kg-c
  15分钟   30分钟   60分钟   90分钟
  I   20   150   NT   NT   NT   7
II   102035   24018040   NTNT18   121420   151722   182022
1   102035   16012090   161820   182024   2423NT   NTNTNT
2   102129   31510590   212221   232423   NTNTNT   NTNTNT
3   1021   24090   2122   2424   NTNT   NTNT
  4   21   210   22   24   NT   NT
5   1322   300175   2222   2424   NTNT   NTNT
  6   22   110   22   23   NT   NT
  7   22   110   NT   22   24   NT
  8   22   180   NT   22   24   NT
NT＝未测试
含水沥青-集料混合物应当具有超过60秒，合适的是超过90秒的混合时间，并应快速产生高粘附力值，合适的是23kg-c或更高。由测试显而易见的是，根据本发明的混合物1-8满足这些设计。与混合物1-8相比，对比混合物I和II通常需要长得多的时间以产生高的粘附力。

Claims (13)

1.一种通过在0-40℃的温度下混合包含乳化剂的水包油型沥青乳液、矿物集料、额外的水和去乳化剂而制造含水沥青-集料混合物的方法，其特征在于，沥青乳液的pH值在1-5之间，且乳化剂包含多价磷酸与下式二胺的盐：
其中，基团R1、R2、R4和R5之中的一个或两个为具有6-22个碳原子，优选具有8-20个碳原子的烃基，R1、R2、R4和R5中余下的是具有1-4个碳原子的烷基基团和/或式(A)SH的基团，其中A为具有2-3个碳原子的亚烷氧基，s为1-4的数，R3为具有2-4个碳原子的亚烷基，n为0-2的数；其特征还在于去乳化剂包含水硬水泥。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，式I二胺含有至少一个甲基基团和至少一个式(A)SH的基团，其中A为亚乙氧基且s为1。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，式I二胺中的甲基基团的平均数与亚乙氧基基团的平均数之比是1∶6-3∶1。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，式I二胺包括其中余下的基团全部为甲基基团的化合物、其中余下的基团全部为其中A和s具有上述含义的式(A)SH基团的化合物或这些化合物的混合物。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，式I二胺包括重量比为1∶10-10∶1的两种类型化合物的混合物。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于，乳化剂的二胺盐与水泥的重量比为0.15-1.5。
7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其特征在于，磷酸为正磷酸。
8.根据权利要求1-7中任一项的方法，其特征在于，水硬水泥为卜特兰水泥。
9.根据权利要求1-7中任一项的方法，其特征在于，沥青的酸含量为0.05-1mg KOH/g沥青。
10.一种含水沥青-集料混合物，其特征在于，其包含100重量份集料、6-20重量份沥青、0.1-3重量份权利要求1-7中任一项所定义的盐和0.1-2重量份水硬水泥。
11.一种二胺盐，其特征在于，其为权利要求1-7中任一项所定义的盐。
12.一种酸性水包油型沥青乳液，其特征在于，其具有1-5的pH值且包含0.4-20重量％的权利要求1-7中任一项所定义的盐。
13.权利要求1-7中任一项所定义的盐作为水包油型沥青乳化剂的用途。
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