一种新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂及制备方法 |
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| 申请号 | CN201610462508.2 | 申请日 | 2016-06-23 | 公开(公告)号 | CN105885391A | 公开(公告)日 | 2016-08-24 |
| 申请人 | 扬州大学; | 发明人 | 肖鹏; 酒雪洋; 薛晓薇; 王亚昀; 吕阳; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种新型 玄武岩 纤维 沥青 混合料改性剂及其制备方法，该改性剂由玄武岩纤维和高粘附性浸润剂制成，改性剂各组分 质量 为：玄武岩纤维85?98份，成膜剂A0?10份，成膜剂B0?10份，抗静电剂0.1?0.6份， 偶联剂 0.2?3.5份， 润滑剂 0.1?2份，改性纳米SiO20.1?1.3份。制备方法包括如下内容：将成膜剂A、成膜剂B、抗静电剂、偶联剂、润滑剂、改性纳米SiO2进行混合搅拌，然后对玄武岩纤维进行浸润裹附、短切，得到本发明改性剂。本发明改性剂在制备过程中刺激性气味小，将本发明改性剂加入到沥青混合料中，能有效改善沥青混合料的各项路用性能，提高路面抗车辙性能与抗疲劳开裂性能，大幅延长道路使用寿命。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂，其特征在于，包括下述各成分质量：玄武岩纤维85～98份、成膜剂A0～10份、成膜剂B0～10份、抗静电剂0.1～0.6份、偶联剂0.2～3.5份、润滑剂0.1～2份、改性纳米SiO20.1～1.3份。 |
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| 说明书全文 | 一种新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂及制备方法技术领域[0001] 本发明涉及一种路面铺面材料，尤其涉及一种采用直投式高粘附性改性剂的新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂及制备方法，属于交通路面加铺材料技术领域。 背景技术[0002] 随着我国公路运输行业的迅速发展，汽车数量日益增加，车辆大型化，重载、超载现象也越来越严重。许多路面在竣工不久后就出现了车辙、拥包等早期病害甚至是结构性破坏，这将直接影响沥青路面的使用寿命，同时也表明了普通沥青混凝土路面已无法满足现代公路运输行业对其高温抗车辙稳定性、低温抗裂性能、抗水害能力的要求。因此，对沥青混合料进行改性，增强沥青混凝土路面的各项性能尤为重要。 [0003] 目前主要从两个方面来提高沥青混合料的性能：一是通过改善沥青混合料的级配来提高路用性能，在某些方面取得了良好的使用效果；另一方面是通过改善沥青混合料各组成材料的性能来提高混合料的路用性能，目前采用的主要手段是在沥青材料中添加各种添加剂，如通过添加SBS、PE、废旧胶粉等而形成各种改性沥青。在沥青混合料中添加纤维，被认为是一种提高沥青混合料路用性能的新手段。 [0004] 玄武岩纤维与其他纤维相比，具有工作温度范围大、力学性能优异、化学稳定性好、抗老化性能好、水稳定性好和电热绝缘性能好等突出优势。将玄武岩纤维添加到沥青混合料中，可以有效增强沥青混合料的高温抗车辙、低温抗裂以及抗疲劳性能。玄武岩纤维在整个生产过程中，没有工业废水、废气及其他工业垃圾的产生，被誉为“21世纪的新材料”。 [0005] 玄武岩纤维表面光滑且纤维表面呈现化学惰性，作为树脂基复合材料的增强体时与树脂间的结合不好，制备出的复合材料很难充分发挥出玄武岩纤维优异的力学性能。因此玄武岩纤维生产时表面都需涂有浸润剂，常用的玄武岩纤维浸润剂有环氧乳液、聚氨酯乳液和聚酯乳液三种。但这几种浸润剂都不适合在高温的沥青混合料中使用。 [0006] 所以，路用的玄武岩纤维需要在表面涂覆新型浸润剂来进行改性，改善复合材料的界面相容性，从而使其更好的发挥其优势，提高沥青路面性能。 [0007] 将经过改性的玄武岩纤维添加到沥青混合料中，可以发现其路用性能有明显的提高，除高温性能外，改善最明显的是抗疲劳性能，疲劳作用次数在基质沥青AC-13C混合料中提高约80％。因此，开发一种能有效提高沥青路面抗车辙能力、抗裂能力以及抗疲劳能力的玄武岩纤维基改性剂对我国道路的发展具有十分重要的意义。 发明内容[0008] 本发明的目的是针对我国沥青路面出现早期病害的现象以及现有技术的不足，提供了一种新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂及制备方法。该改性剂能有效提高沥青路面的抗车辙和抗疲劳性能，并且具有良好的低温性能，制备过程温度低、刺激性气味小。 [0009] 本发明的目的是这样实现的，一种新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂，其各成分质量组成为：玄武岩纤维85～98份，成膜剂A0～10份，成膜剂B0～10份，抗静电剂0.1～0.6份，偶联剂0.2～3.5份，润滑剂0.1～2份，改性纳米SiO20.1～1.3份。 [0010] 所述玄武岩纤维是以由火山喷发形成的天然玄武岩作为原料，将其破碎后加入到熔窑中，在1450℃～1500℃下熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板快速拉制形成的连续纤维，规格为一根玄武岩纤维有200～300束玄武岩纤维，一根玄武岩纤维有的断裂强度≥2000MPa，断裂伸长率≤3.0％，吸油率≥50％；所述成膜剂A为聚酯型聚氨酯乳液，由聚酯二元醇、二甘醇、己二酸、二羟甲基丙酸、酒石酸、三乙胺、三乙醇胺、丙酮中的五种或五种以上试剂搅拌、去离子、脱丙酮得到聚酯型聚氨酯乳液，浓度控制在45～53％，pH值为7.0～7.5，粘度为280～320mPa；所述成膜剂B为聚醚型聚氨酯乳液，由异佛尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯聚醚二元醇、乙二胺、三乙胺、二甲基甲酰胺和二羟甲基丙酸、丙酮中的四种或四种以上为主要原料，制备得出聚醚型聚氨酯乳液，浓度控制在45～53％，pH值为7.0～7.5，粘度为560～700mPa；所述抗静电剂为阳离子抗静电剂NH4CL溶液；所述偶联剂为市售氨基官能团硅烷与去离子水、醋酸混合搅拌的pH值为4～6的水解溶液；所述润滑剂为市售硬脂酸聚氧乙烯脂、脂肪酸酰胺、聚酯中的一种或两种以上混合物，浓度为48％～55％；所述改性纳米SiO2，粒径200～350nm，用去离子水作为分散介质，通过超声分散和机械搅拌的办法进行分散，得到改性纳米SiO2悬浊液，pH值控制在5～6。 [0011] 优选的，所述改性剂各成分质量组成为：玄武岩纤维92份，成膜剂A3.2份，成膜剂B3.2份，抗静电剂0.3份，偶联剂0.6份，润滑剂0.4份，改性纳米SiO20.3份。 [0012] 优选的，所述改性剂各成分质量组成为：玄武岩纤维92份，成膜剂A6.4份，成膜剂B0份，抗静电剂0.3份，偶联剂0.6份，润滑剂0.4份，改性纳米SiO20.3份。 [0013] 优选的，所述改性剂各成分质量组成为：玄武岩纤维92份，成膜剂A0份，成膜剂B6.4份，抗静电剂0.3份，偶联剂0.6份，润滑剂0.4份，改性纳米SiO20.3份。 [0014] 优选的，所述改性剂各成分质量组成为：玄武岩纤维95份，成膜剂A2份，成膜剂B2份，抗静电剂0.2份，偶联剂0.4份，润滑剂0.25份，改性纳米SiO20.15份。 [0015] 本发明一种新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂的制备方法，包括如下内容： [0016] 将0.1～1.3份改性纳米SiO2悬浊液在搅拌条件下滴入0～10份成膜剂A和0～10份成膜剂B的混合乳液中，继续高速搅拌1.5～2h。依次按比例加入0.1～2份润滑剂、0.1～0.6份抗静电剂、0.2～3.5份偶联剂，持续搅拌2～2.5h，得到白色均一的液体； [0017] 将配制好的白色均一的液体在一长2米、宽0.5米、深0.2米的浸润池中加温，将85～98玄武岩纤维在白色均一的液体中进行涂覆，然后通过机械螺杆带动将其引出拉条，将涂覆后的玄武岩纤维通过吹风机吹干，切割机剪切，得到新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂成品，白色均一的液体温度保持在70～80℃，螺杆转速5～20r/min。 [0018] 制备方法中，浸润池上、下部及四周安装振动装置，振动频率50～80Hz。 [0019] 本制备方法中，吹风机安装在距离浸润池出料口1～2m。 [0020] 一种所述改性剂的应用，AC-13C级配，100份；70#基质沥青4.5～6.2份；改性剂：0～0.7份，矿粉：2～3份。 [0021] 所述沥青为金陵70#道路石油沥青，其性能指标均满足A级70#道路石油沥青各项技术标准；所述AC-13C级配集料选用镇江茅迪石灰岩；所述矿粉选用镇江高姿石灰石矿粉； [0022] 试件制备及性能测试所需试验：(1)集料和矿粉按180～190℃，烘料4～6h；(2)70#基质沥青按130～140℃烘1～2h；(3)将改性剂与集料干拌90s；(4)倒入70#基质沥青，拌合90s；(5)加入矿粉混拌90s；(6)制备马歇尔试件、车辙板及小梁弯曲样件；(7)试验测试和数据整理分析。 [0023] 本发明的有益技术效果： [0024] 1、本发明改性剂是针对沥青路面而研制的玄武岩纤维材料，该材料的掺加可以很大提高沥青混合料的抗车辙能力、抗裂性能、抗疲劳性能等。 [0025] 2、本发明改性剂的浸润液主要成分为聚氨酯，能够很好地提高玄武岩纤维的断裂强度、剪切强度等力学性能；同时聚氨酯与沥青也有很好的相容性和粘附性，有利于改性剂在沥青混合料中的均匀分散。 [0026] 3、本发明改性剂的浸润液中的改性纳米SiO2能够使沥青混合料受拉力时，对沥青与玄武岩纤维界面提供更大的摩擦力，增强沥青混合料的抗拉能力。 [0028] 5、本发明改性剂在生产过程、沥青混合料拌合成型过程中刺激性气味小，无有害气体产生。 [0029] 6、本发明改性剂制备方案成本低廉，操作简单，实际使用效果明显，适合大批量生产。 [0030] 综上，本发明公开了一种新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂及其制备方法。该改性剂由玄武岩纤维和高粘附性浸润剂制成，改性剂各组分质量比为：玄武岩纤维85～98份，成膜剂A0～10份，成膜剂B0～10份，抗静电剂0.1～0.6份，偶联剂0.2～3.5份，润滑剂0.1～2份，改性纳米SiO20.1～1.3份。制备方法包括如下内容：将成膜剂A、成膜剂B、抗静电剂、偶联剂、润滑剂、改性纳米SiO2进行混合搅拌，然后对玄武岩纤维进行浸润裹附、短切，得到本发明改性剂。本发明改性剂在制备过程中刺激性气味小，将本发明改性剂加入到沥青混合料中，能有效改善沥青混合料的各项路用性能，提高路面抗车辙性能与抗疲劳开裂性能，大幅延长道路使用寿命。 具体实施方式[0031] 下面结合实施例详细说明本发明的技术方案，但本发明不限于以下实施例。 [0032] 实施例1： [0033] 将成膜剂A、成膜剂B、抗静电剂、偶联剂、润滑剂、改性纳米SiO2按照质量比32：32：3：6：4：3混合搅拌并在浸润池中加温至70～80℃。具体是3.2份成膜剂A、3.2份成膜剂B、0.3份抗静电剂、0.6份偶联剂、0.4润滑剂、0.3改性纳米SiO2，在浸润池中，将0.3份改性纳米SiO2悬浊液在搅拌条件下滴入3.2份成膜剂A和3.2份成膜剂B的混合乳液中，继续高速搅拌 1.5～2小时，然后依次加入0.4份润滑剂、0.3份抗静电剂、0.6份偶联剂，再持续搅拌2～2.5小时，得到白色均一的液体；在浸润池内，将配制好的白色均一的液体加温，温度保持在70～80℃；其中，浸润池长2米、宽0.5米、深0.2米。 [0034] 在40～50℃的温度下先对92份玄武岩纤维进行预处理，处理时间为1.5～2s，然后将92份玄武岩纤维在70～80℃白色均一的液体中进行涂覆，之后在旋转螺杆的带动下将玄武岩纤维通过2米长的浸润池，即通过机械螺杆带动将其引出拉条，经过浸润池出口处的吹风机对涂覆后的玄武岩纤维通过吹风机吹干，再经过剪切机对其进行剪切，得到新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂成品(我们可以称为改性剂1)，剪切长度为6mm。螺杆转速控制在5～10r/min；吹风机功率为2000W，浸润池上、下部及四周安装有振动装置，振动频率50～80Hz。 [0035] 一种新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂的应用，应用实例1： [0036] 先将集料和矿粉按180～190℃，烘料4～6h，70#基质沥青按130～140℃烘1～2h，将沥青混合料拌合机提前预热至拌合温度以上10℃左右，将0.3％实施例1得到的新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂与集料干拌90s，然后倒入5.1％～5.3％的70#基质沥青，拌合90s，暂停搅拌，加入矿粉继续混拌90s。采用击实法制备马歇尔试件，用轮碾成型机碾压成型，尺寸为长300mm、宽300mm、高50mm车辙板，切割尺寸为长250mm、宽30mm、高35mm小梁弯曲样件；分别对这些试件进行水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性试验，并对试验结果数据整理分析。沥青混合料原材料性质及组成见表1～3，试验结果见表4。 [0037] 实施例2： [0038] 将成膜剂A、成膜剂B、抗静电剂、偶联剂、润滑剂、改性纳米SiO2按照质量比64：0：3：6：4：3混合搅拌并在浸润池中加温至70～80℃。具体是6.4份成膜剂A、0份成膜剂B、0.3份抗静电剂、0.6份偶联剂、0.4润滑剂、0.3改性纳米SiO2，在浸润池中，将0.3份改性纳米SiO2悬浊液在搅拌条件下滴入6.4份成膜剂A乳液中，继续高速搅拌1.5～2小时，然后依次加入 0.4份润滑剂、0.3份抗静电剂、0.6份偶联剂，再持续搅拌2～2.5小时，得到白色均一的液体；在浸润池内，将配制好的白色均一的液体加温，温度保持在70～80℃；其中，浸润池长2米、宽0.5米、深0.2米。 [0039] 在40～50℃的温度下先对92份玄武岩纤维进行预处理，处理时间为1.5～2s，然后将92份玄武岩纤维在70～80℃白色均一的液体中进行涂覆，之后在旋转螺杆的带动下将玄武岩纤维通过2米长的浸润池，即通过机械螺杆带动将其引出拉条，经过浸润池出口处的吹风机对涂覆后的玄武岩纤维通过吹风机吹干，再经过剪切机对其进行剪切，得到新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂(我们可以称为改性剂2)成品，剪切长度为6mm。螺杆转速控制在5～10r/min；吹风机功率为2000W，浸润池上、下部及四周安装有振动装置，振动频率50～80Hz。 [0040] 一种所述改性剂的应用，应用实例2： [0041] 先将集料和矿粉按180～190℃，烘料4～6h，70#基质沥青按130～140℃烘1～2h，将沥青混合料拌合机提前预热至拌合温度以上10℃左右，将0.3％实施例2得到的新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂与集料干拌90s，然后倒入5.1％～5.3％的70#基质沥青，拌合90s，暂停搅拌，加入矿粉继续混拌90s。采用击实法制备马歇尔试件，用轮碾成型机碾压成型，尺寸为长300mm、宽300mm、高50mm车辙板，切割尺寸为长250mm宽、30mm高、35mm小梁弯曲样件；分别对这些试件进行水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性试验，并对试验结果数据整理分析。沥青混合料原材料性质及组成见表1～3，试验结果见表4。 [0042] 实施例3： [0043] 将成膜剂A、成膜剂B、抗静电剂、偶联剂、润滑剂、改性纳米SiO2按照质量比0：64：3：6：4：3混合搅拌并在浸润池中加温至70～80℃。具体是0份成膜剂A、6.4份成膜剂B、0.3份抗静电剂、0.6份偶联剂、0.4润滑剂、0.3改性纳米SiO2，在浸润池中，将0.3份改性纳米SiO2悬浊液在搅拌条件下滴入6.4份成膜剂B乳液中，继续高速搅拌1.5～2小时，然后依次加入 0.4份润滑剂、0.3份抗静电剂、0.6份偶联剂，再持续搅拌2～2.5小时，得到白色均一的液体；在浸润池内，将配制好的白色均一的液体加温，温度保持在70～80℃；其中，浸润池长2米、宽0.5米、深0.2米。 [0044] 在40～50℃的温度下先对92份玄武岩纤维进行预处理，处理时间为1.5～2s，然后将92份玄武岩纤维在70～80℃白色均一的液体中进行涂覆，之后在旋转螺杆的带动下将玄武岩纤维通过2米长的浸润池，即通过机械螺杆带动将其引出拉条，经过浸润池出口处的吹风机对涂覆后的玄武岩纤维通过吹风机吹干，再经过剪切机对其进行剪切，得到新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂(我们可以称为改性剂3)成品，剪切长度为6mm。螺杆转速控制在5～10r/min；吹风机功率为2000W，浸润池上、下部及四周安装有振动装置，振动频率50～80Hz。 [0045] 一种所述改性剂的应用，应用实例3： [0046] 先将集料和矿粉按180～190℃，烘料4～6h，70#基质沥青按130～140℃烘1～2h，将沥青混合料拌合机提前预热至拌合温度以上10℃左右，将0.3％实施例3得到的新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂与集料干拌90s，然后倒入5.1％～5.3％的70#基质沥青，拌合90s，暂停搅拌，加入矿粉继续混拌90s。采用击实法制备马歇尔试件，用轮碾成型机碾压成型，尺寸为长300mm、宽300mm、高50mm车辙板，切割尺寸为长250mm、宽30mm、高35mm小梁弯曲样件；分别对这些试件进行水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性试验，并对试验结果数据整理分析。沥青混合料原材料性质及组成见表1～3，试验结果见表4。 [0047] 实施例4： [0048] 将成膜剂A、成膜剂B、抗静电剂、偶联剂、润滑剂、改性纳米SiO2按照质量比40：40：4：8：5：3混合搅拌并在浸润池中加温至75～80℃。具体是2份成膜剂A、2份成膜剂B、0.2份抗静电剂、0.4份偶联剂、0.25润滑剂、0.15改性纳米SiO2，在浸润池中，将0.15份改性纳米SiO2悬浊液在搅拌条件下滴入2份成膜剂A和2份成膜剂B的混合乳液中，继续高速搅拌1.5～2小时，然后依次加入0.25份润滑剂、0.2份抗静电剂、0.4份偶联剂，再持续搅拌2～2.5小时，得到白色均一的液体；在浸润池内，将配制好的白色均一的液体加温，温度保持在75～80℃； 其中，浸润池长2米、宽0.5米、深0.2米。 [0049] 在40～50℃的温度下先对95份玄武岩纤维进行预处理，处理时间为1.5～2s，然后将95份玄武岩纤维在70～80℃白色均一的液体中进行涂覆，之后在旋转螺杆的带动下将玄武岩纤维通过2米长的浸润池，即通过机械螺杆带动将其引出拉条，经过浸润池出口处的吹风机对涂覆后的玄武岩纤维通过吹风机吹干，再经过剪切机对其进行剪切，得到新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂(我们可以称为改性剂4)成品，剪切长度为6mm。螺杆转速控制在8～10r/min；吹风机功率为2000W，浸润池上、下部及四周安装有振动装置，振动频率50～80Hz。其中 [0050] 一种所述改性剂的应用，应用实例4： [0051] 先将集料和矿粉按180～190℃，烘料4～6h，70#基质沥青按130～140℃烘1～2h，将沥青混合料拌合机提前预热至拌合温度以上10℃左右，将0.3％实施例4得到的新型玄武岩纤维沥青混合料改性剂与集料干拌90s，然后倒入5.1％～5.3％的70#基质沥青，拌合90s，暂停搅拌，加入矿粉继续混拌90s。采用击实法制备马歇尔试件，用轮碾成型机碾压成型，尺寸为长300mm、宽300mm、高50mm车辙板，切割尺寸为长250mm、宽30mm、高35mm小梁弯曲样件；分别对这些试件进行水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性试验，并对试验结果数据整理分析。沥青混合料原材料性质及组成见表1～3，试验结果见表4。 [0052] 以上实施例1-4中任意一个实施例，所述玄武岩纤维是以由火山喷发形成的天然玄武岩作为原料，将天然玄武岩破碎后加入到熔窑中，在1450℃～1500℃下熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板快速拉制形成的连续纤维，规格为，一根所述玄武岩纤维具有200～300束玄武岩纤维，一根所述玄武岩纤维的断裂强度≥2000MPa，断裂伸长率≤3.0％，吸油率≥50％；所述成膜剂A为聚酯型聚氨酯乳液，由聚酯二元醇、二甘醇、己二酸、二羟甲基丙酸、酒石酸、三乙胺、三乙醇胺、丙酮中的五种或五种以上试剂搅拌、去离子、脱丙酮得到聚酯型聚氨酯乳液，浓度控制在45～53％，pH值为7.0～7.5，粘度为280～320mPa；所述所述成膜剂B为聚醚型聚氨酯乳液，由异佛尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯聚醚二元醇、乙二胺、三乙胺、二甲基甲酰胺和二羟甲基丙酸、丙酮中的四种或四种以上为主要原料，制备得出聚醚型聚氨酯乳液，浓度控制在45～53％，pH值为7.0～7.5，粘度为560～700mPa；所述抗静电剂为阳离子抗静电剂NH4CL；所述偶联剂为氨基官能团硅烷与去离子水、醋酸混合搅拌的pH值为 4～6的水解溶液；所述润滑剂为硬脂酸聚氧乙烯脂、脂肪酸酰胺、聚酯中的一种或两种以上混合物，浓度为48％～55％；所述改性纳米SiO2粒径200～350nm，用去离子水作为分散介质，通过超声分散和机械搅拌的办法进行分散，得到改性纳米SiO2悬浊液，pH值控制在5～ 6； [0053] 表1改性剂配方设计 [0054] [0055] 表2改性剂性能指标 [0056] [0057] 表3沥青混合料配合比(按重量比) [0058]序号 70#基质石油沥青 改性剂 集料 应用实例1 5.3 0.3 100 应用实例2 5.4 0.3 100 应用实例3 5.3 0.3 100 应用实例4 5.5 0.3 100 对比实例 5.1 0 100 [0059] 表4沥青混合料性能数据 [0060] [0061] [0062] 由表4可知，在沥青混合料中加入本发明直投式玄武岩纤维基沥青混合料改性剂后，其路用性能均有不同程度的提高。尤其是低温抗裂性和抗疲劳性能改善明显，在AC-13C级配中，掺加改性剂的沥青混合料疲劳次数提高近2倍。同时，该改性剂的生产过程和使用 |
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