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面向劣质集料的改性 沥青及其制法和应用

阅读：0发布：2020-06-09

专利汇可以提供面向劣质集料的改性沥青及其制法和应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种面向劣质集料的改性沥青及其制法和应用，属于新型绿色道路建筑材料技术领域。该面向劣质集料的改性沥青，为将硅烷偶联剂和纳米蒙脱土制备的复合改性剂，加入到沥青中改性制得。其制备方法为，将原材料在去离子水中混合，再经过搅拌、离心，最终烘干形成复合改性剂，并在一定剪切速度与温度条件下加入到沥青中。该改性沥青能够实现劣质集料的资源化利用，还能够缓解酸性集料和沥青表面酸酐排斥，容易导致沥青混凝土遭受水损害的问题，该制备方法具有合成过程操作方便，分离程序简单，生产安全环保等优点，将面向劣质集料的改性沥青用于沥青混凝土生产中，可以达到提升道路工程建设可持续发展的效果。，下面是面向劣质集料的改性沥青及其制法和应用专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种面向劣质集料的改性沥青，其特征在于，该面向劣质集料的改性沥青为将硅烷偶联剂和纳米蒙脱土制备的复合改性剂，加入到沥青中改性制得。
2.根据权利要求1所述的面向劣质集料的改性沥青，其特征在于，所述的硅烷偶联剂的分子结构式为：Y-R-Si-X3；式中：Y为有机官能基，R为亚烷基，X为能够水解的基团；
其中，有机官能基Y为能与聚合物分子有亲和力或反应能力的活性官能团；
能够水解的基团X为能够水解的烷氧基。
3.根据权利要求2所述的面向劣质集料的改性沥青，其特征在于，有机官能基Y为氧基、巯基、乙烯基、环氧基、酰胺基、氨丙基中的一种；
能够水解的基团X为卤素、烷氧基、酰氧基中的一种。
4.根据权利要求1所述的面向劣质集料的改性沥青，其特征在于，所述的纳米蒙脱土为钠基蒙脱土、钙基蒙脱土或镁基蒙脱土中的一种；所述的纳米蒙脱土是一种层状结构、片状结晶的铝硅酸盐的天然矿物，其平均晶片厚度≤25nm，具有吸附能力和阳离子交换性能。
5.根据权利要求1所述的面向劣质集料的改性沥青，其特征在于，所述的沥青包括基质沥青或改性沥青；基质沥青选用70#道路石油沥青，90#道路石油沥青，110#道路石油沥青中的一种；改性沥青选用SBS改性沥青、SBR改性沥青中的一种。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的面向劣质集料的改性沥青，其特征在于，所述的面向劣质集料的改性沥青的接触角为135～145°。
7.权利要求1～5任意一项所述的面向劣质集料的改性沥青的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：
将纳米蒙脱土和去离子水混合，搅拌均匀，再加入硅烷偶联剂，在80～100℃搅拌1～
5h，固液分离，去除上层清液，将得到的粉体烘干，得到复合改性剂；其中，按质量比，硅烷偶联剂：纳米蒙脱土＝(2～1)：1；
步骤2：
将沥青加热至剪切温度120～140℃，再将复合改性剂和沥青混合，进行剪切，冷却后，得到面向劣质集料的改性沥青；其中，按质量比，复合改性剂：沥青＝(1～7):100；剪切速度为2000～4000r/min，剪切时间为40～80min。
8.权利要求1～5任意一项面向劣质集料的改性沥青的应用，其特征在于，用于将1～6任意一项所述的面向劣质集料的改性沥青和劣质集料混合，作为沥青混凝土的原料。
9.根据权利要求8所述的面向劣质集料的改性沥青的应用，其特征在于，所述的劣质集料为酸性集料和/或建筑废弃物集料，酸性集料含有的SiO2的质量百分比≥63％，建筑废弃物集料，其吸水率≥3％。
10.根据权利要求9所述的面向劣质集料的改性沥青的应用，其特征在于，所述的酸性集料为花岗岩、片麻岩、鹅卵石中的一种或几种；
所述的建筑废弃物集料为煤矸石、废弃混凝土、废弃红砖、废弃玻璃、废弃陶瓷中的一种或几种。

说明书全文

面向劣质集料的改性沥青及其制法和应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种新型绿色道路建筑材料技术领域，特别是涉及一种面向劣质集料的改性沥青及其制法和应用。

背景技术

[0002] 沥青混凝土是人工选配具有一定级配组成的集料、矿粉与沥青材料，在严格控制条件下拌制而成的混合料，也是道路工程中应用最广泛的面层铺筑材料。通常，用于制备沥青混合料的集料均是玄武岩、石灰岩、安山岩等天然砂石资源经过破碎加工得到的不同粒径的集料。这些集料的特点是碱性岩石或基性岩石。这是因为沥青表面的沥青酸酐能与这类矿石形成有效的粘附性。截止2018年底，我国公路总里程484.65万公里，高速公路里程14.26万公里，沥青路面早已突破了100万公里。据估算，我国年均用于公路建设的沥青混凝土达5.7亿吨，消耗了天然碎石骨料近5.1亿吨。对于不可再生的天然砂石资源来说，如此大的消耗量几乎意味着，天然砂石资源可能消耗殆尽的问题。未来，天然砂石资源的匮乏将成为很多地区公路建设面临的主要问题。利用劣质集料资源替代优质集料资源已经成为道路工程领域中重要的研究内容。

[0003] 劣质集料通常包含两个类型，包括：(1)酸性集料，即二氧化硅含量≥63％的集料；(2)建筑废弃物集料，吸水率≥3.0％的集料。这些劣质集料中，酸性集料与沥青的表面酸酐排斥，容易导致沥青混凝土遭受水损害；建筑废弃物集料如废弃混凝土、废弃陶瓷、废弃玻璃，他们要么孔隙率大，吸水率高，容易造成沥青混凝土稳定度低；要么本身属于酸性集料。
与此同时，为应对这种局面，抗剥落剂应运而生，但是该材料价格昂贵，施工需改造拌和设备，并伴有刺鼻的气味，并不适宜在沥青混凝土中使用。因此，面向劣质集料的改性沥青的提出，为劣质集料的资源化利用提供了一条有效的技术途径，在我国大力提倡可持续发展的今天更显示出巨大的应用前景。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种面向劣质集料的改性沥青及其制法和应用。该方法适用于新型绿色道路建筑材料的制备。面向劣质集料的改性沥青是在常温常压将硅烷偶联剂与纳米蒙脱土复合制备改性剂，并加入到沥青中搅拌所得。其制备方法为，将原材料在去离子水中混合，再经过搅拌、离心，最终烘干形成复合改性剂，并在一定剪切速度与温度条件下加入到沥青中。该改性沥青能够实现劣质集料的资源化利用，还能够缓解酸性集料和沥青表面酸酐排斥，容易导致沥青混凝土遭受水损害的问题，该制备方法具有合成过程操作方便，分离程序简单，生产安全环保等优点，将面向劣质集料的改性沥青用于沥青混凝土生产中，可以达到提升道路工程建设可持续发展的效果。

[0005] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

[0006] 本发明的一种面向劣质集料的改性沥青，为将硅烷偶联剂和纳米蒙脱土制备的复合改性剂，加入到沥青中改性制得。

[0007] 所述的硅烷偶联剂的分子结构式为：Y-R-Si-X3；式中：Y为有机官能基，R为亚烷基，X为能够水解的基团；

[0008] 其中，有机官能基Y为能与聚合物分子有亲和力或反应能力的活性官能团，优选为氧基、巯基、乙烯基、环氧基、酰胺基、氨丙基中的一种；优选为酰胺基；

[0009] 能够水解的基团X为能够水解的烷氧基，优选为卤素、烷氧基、酰氧基中的一种。

[0010] 所述的硅烷偶联剂优选为KH-550。

[0011] 所述的纳米蒙脱土为钠基蒙脱土、钙基蒙脱土或镁基蒙脱土中的一种；

[0012] 所述的纳米蒙脱土是一种层状结构、片状结晶的铝硅酸盐的天然矿物，其平均晶片厚度≤25nm，具有吸附能力和阳离子交换性能。

[0013] 所述的沥青包括基质沥青或改性沥青；基质沥青选用70#道路石油沥青，90#道路石油沥青，110#道路石油沥青中的一种；改性沥青选用SBS改性沥青、SBR改性沥青中的一种。

[0014] 所述的面向劣质集料的改性沥青的接触角为135～145°。

[0015] 本发明的一种面向劣质集料的改性沥青的制备方法，包括以下步骤：

[0016] 步骤1：

[0017] 将纳米蒙脱土和去离子水混合，搅拌均匀，再加入硅烷偶联剂，在80～100℃搅拌1～5h，优选为90℃搅拌2h，固液分离，去除上层清液，将得到的粉体烘干，得到复合改性剂；其中，按质量比，硅烷偶联剂：纳米蒙脱土＝(2～1)：1；

[0018] 步骤2：

[0019] 将沥青加热至剪切温度120～140℃，优选130℃，再将复合改性剂和沥青混合，进行剪切，冷却后，得到面向劣质集料的改性沥青；其中，按质量比，复合改性剂：沥青＝(1～7):100；剪切速度为2000～4000r/min，剪切时间为40～80min。

[0020] 所述的步骤1中，所述的固液分离优选为离心分离。

[0021] 所述的步骤1中，作为优选，按质量比，纳米蒙脱土：去离子水＝1：(40～60)。

[0022] 所述的步骤1中，所述的烘干，烘干温度为55～65℃，烘干时间为4～5h。

[0023] 所述的步骤1中，所述的纳米蒙脱土的平均晶片厚度≤25nm。

[0024] 一种面向劣质集料的改性沥青的应用，用于将面向劣质集料的改性沥青和劣质集料混合，作为沥青混凝土的原料。

[0025] 所述的劣质集料为酸性集料和/或建筑废弃物集料，酸性集料含有的SiO2的质量百分比≥63％，建筑废弃物集料，其吸水率≥3％。

[0026] 所述的酸性集料为花岗岩、片麻岩、鹅卵石中的一种或几种。

[0027] 所述的建筑废弃物集料为固体或半固体废弃物，优选为煤矸石、废弃混凝土、废弃红砖、废弃玻璃、废弃陶瓷中的一种或几种。

[0028] 本发明的一种面向劣质集料的改性沥青及其制备方法和应用，其原理为：

[0029] 本发明采用硅酸盐的天然矿物纳米蒙脱土作为载体，有很强的吸附能力和阳离子交换性能，有利于硅烷偶联剂在纳米蒙脱土中的插层复合。改善劣质集料的粘附过程是一种选择性吸附，即复合改性剂能使沥青的表面张力增加而降低接触角，从而提高粘附性，能够使得改性的沥青在集料表面能够更快的铺展。此外，针对酸性集料，复合改性剂属于极性基团，主要是带正电荷的氨基和酰胺基组成，而酸性集料在湿润状态下是带负电荷的，因此，复合改性剂的加入，能使吸附在酸性集料表面的沥青层带正电荷，从而增强沥青的抗剥落性能。最后，沥青是弱极性有机物，酸性集料具有极性表面，复合改性剂由极性基团和非极性基团组成的不对称结构，极性基团与酸性集料表面有很强的吸附力，非极性基团与沥青具有很强的亲和力，从而使酸性集料表面形成更致密的表面沥青吸附层，实现粘附性的提高；针对建筑废弃物集料，复合改性剂在较低掺量下就可以显著改变建筑废弃物集料的界面性质，并使表面张力显著下降，渗透过程中形成三维网络，减少或减慢甚至隔绝建筑废弃物集料与水的反应，提升沥青与集料的粘附性。复合改性剂打破了原有劣质集料和沥青之间相互排斥机制，建立了相互吸引机制。

[0030] 本发明提供了一种面向劣质集料的改性沥青及其制备方法和应用，其涉及到我国环境保护与新材料产业的可持续发展问题。因此，具有以下主要优点：

[0031] 1.本发明提供了一种固体废弃物的利用方法，可以利用煤矸石、废弃混凝土、废弃红砖、废弃玻璃、废弃陶瓷为集料，将巨量固体废弃物转化为支撑城镇化建设所需的资源。

[0032] 2.本发明提供了一种酸性集料在沥青混凝土中应用的途径，并且可在工程附近就地取材，可有效替代传统集料，节省我国的优质天然石材资源。

具体实施方式

[0033] 为了更好地理解本发明，下面结合实施例介绍关于一种用于劣质集料的改性沥青及其制备方法和应用的实施例，进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

[0034] 实施例1：

[0035] ①载体材料：纳米蒙脱土，纳米蒙脱土的平均晶片厚度≤25nm；

[0036] ②偶联剂：KH550硅烷偶联剂；

[0037] ③沥青：70#，90#，110#道路石油沥青，SBS改性沥青，SBR改性沥青。

[0038] ④劣质集料：花岗岩、片麻岩、鹅卵石、煤矸石、废弃混凝土、废弃红砖、废弃玻璃、废弃陶瓷。

[0039] 将10g纳米蒙脱土与500mL去离子水混合，搅拌5分钟后，按照质量比，硅烷偶联剂：纳米蒙脱土＝1:0.5，加入硅烷偶联剂20g，在90℃下搅拌2小时；离心，倒掉上层清液，取下层粉体置于60℃的烘箱内烘干4小时，干燥后所得即为复合改性剂。

[0040] 将1000g沥青加热到120℃，再加入10g复合改性剂(沥青质量1％)；剪切速度为2000转/分钟，剪切时间为60分钟，冷却后所得即为面向劣质集料的改性沥青1。

[0041] 表1改性沥青1与劣质集料的粘附性(《沥青与粗集料的粘附试验》T0616-1993)[0042] 花岗岩片麻岩鹅卵石煤矸石废弃混凝土废弃红砖废弃玻璃废弃陶瓷
70# 4级 4级 3级 4级 5级 4级 3级 3级
70#改 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级
90# 4级 4级 3级 4级 5级 4级 3级 3级
90#改 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级
110# 4级 4级 3级 4级 5级 4级 3级 3级
110#改 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级
SBS 4级 4级 4级 4级 5级 4级 4级 4级
SBS改 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级
SBR 4级 4级 4级 4级 5级 4级 4级 4级
SBR改 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级

[0043] 实施例2：

[0044] ①载体材料：纳米蒙脱土，纳米蒙脱土的平均晶片厚度≤25nm；

[0045] ②偶联剂：KH560硅烷偶联剂；

[0046] ③沥青：70#，90#，110#道路石油沥青，SBS改性沥青，SBR改性沥青。

[0047] ④劣质集料：花岗岩、片麻岩、鹅卵石、煤矸石、废弃混凝土、废弃红砖、废弃玻璃、废弃陶瓷。

[0048] 将30g纳米蒙脱土与1500mL去离子水混合，搅拌5分钟后，按照质量比硅烷偶联剂：纳米蒙脱土＝1:1加入硅烷偶联剂30g，在90℃下搅拌2小时；离心，倒掉上层清液，取下层粉体置于60℃的烘箱内烘干4小时，干燥后所得即为复合改性剂。

[0049] 将500g沥青加热到140℃，再加入35g复合改性剂(沥青质量7％)；剪切速度为4000转/分钟，剪切时间为60分钟，冷却后所得即为面向劣质集料的改性沥青2。

[0050] 表2改性沥青2与劣质集料的粘附性(T0616-1993)

[0051] 花岗岩片麻岩鹅卵石煤矸石废弃混凝土废弃红砖废弃玻璃废弃陶瓷
70# 4级 4级 3级 4级 5级 4级 3级 3级
70#改 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级
90# 4级 4级 3级 4级 5级 4级 3级 3级
90#改 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级
110# 4级 4级 3级 4级 5级 4级 3级 3级
110#改 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级
SBS 4级 4级 4级 4级 5级 4级 4级 4级
SBS改 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级
SBR 4级 4级 4级 4级 5级 4级 4级 4级
SBR改 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级 5级

[0052] 实施例3：

[0053] ①载体材料：纳米蒙脱土，纳米蒙脱土的平均晶片厚度≤25nm；

[0054] ②偶联剂：KH570硅烷偶联剂；

[0055] ③沥青：70#，90#，110#道路石油沥青，SBS改性沥青，SBR改性沥青。

[0056] ④劣质集料：花岗岩、片麻岩、鹅卵石、煤矸石、废弃混凝土、废弃红砖、废弃玻璃、废弃陶瓷。

[0057] 将20g纳米蒙脱土与1000mL去离子水混合，搅拌5分钟后，按照质量比硅烷偶联剂：纳米蒙脱土＝1:0.7加入硅烷偶联剂28.57g，在90℃下搅拌2小时；离心，倒掉上层清液，取下层粉体置于60℃的烘箱内烘干4小时，干燥后所得即为复合改性剂。

[0058] 将500g沥青加热到130℃，再加入20g复合改性剂(沥青质量4％)；剪切速度为3000转/分钟，剪切时间为60分钟，冷却后所得即为面向劣质集料的改性沥青3。

[0059] 表1改性沥青3与劣质集料的粘附性(T0616-1993)

[0060]

[0061]

[0062] 通过以上对比，其中，本发明制备的面向劣质集料的改性沥青比未改性沥青，其粘附性至少提高一级。

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