一种高模量沥青混凝土及沥青混凝土增模剂 |
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申请号 | CN202111438876.0 | 申请日 | 2021-11-27 | 公开(公告)号 | CN114057427B | 公开(公告)日 | 2022-09-16 |
申请人 | 宁夏泰达路业工程有限公司; | 发明人 | 董晓绚; 李春辉; 张维荣; | ||||
摘要 | 本 发明 提供了一种高模量 沥青 混凝土 及 沥青混凝土 增模剂,原料按重量份计,所述增模剂包括:溶胀剂300~600份;聚乙烯30‑60份;聚丙烯20‑50份;聚对苯二 甲酸 二乙脂10~30份;不饱和 羧酸 或不饱和羧酸衍 生物 10~15份;稳定剂0.2~3份;活化剂0.5~1份;抗 氧 剂0.1~0.4份,本 申请 所述的高模量沥青混凝土及沥青混凝土增模剂能够显著提高沥青混凝土材料的回弹模量,减少车辆荷载作用下沥青混凝土产生的应变,减少沥青混凝土的不可恢复残余 变形 ,提高沥青路面高温抗变形能 力 。 | ||||||
权利要求 | 1.一种沥青混凝土增模剂,其特征在于,原料按重量份计,包括: |
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说明书全文 | 一种高模量沥青混凝土及沥青混凝土增模剂技术领域[0001] 本发明涉及沥青路面技术领域,具体来说,涉及一种高模量沥青混凝土及沥青混凝土增模剂。 背景技术[0002] 随着公路运输量日益增长和运输向重型化方向发展,尤其是高等级公路渠化交通的运行,沥青路面永久变形已成为突出的问题。传统沥青路面已很难适用于现代交通事业的发展,许多公路沥青路面建成不久,各种病害就随之而来,严重影响了行车速度和行车安全,缩短了沥青路面的使用寿命。常见沥青路面病害如图1~3所示,其中,图1给出了沥青路面中车辙的常见形态,图2给出了沥青路面中拥包的常见形态,图3给出了沥青路面中推移的常见形态。 [0003] 为提高沥青路面在其服役期内的使用品质,延长使用寿命,适应道路交通的不断发展,有效的方法是改善沥青混合料的路用性能。其中,增模改性剂即可提高沥青混合料的模量,从而减少车辆荷载作用下沥青混合料的变形,提高路面抗高温变形能力,降低沥青面层层底的弯拉应力,延长路面的使用寿命。 [0004] 在实际行车荷载作用下,路面本身各结构层材料的弹性模量的变化会导致沥青面层对荷载响应的变化。对于高模量沥青混凝土,随增模剂掺量的增加其模量不断增大。由于面层所受剪应力最大,所以考虑面层模量的变化对各项指标的影响。由数值模拟结果,得出面层剪应力、剪应变随模量增加变化如图4所示。 [0005] 由图4可知,沥青混凝土面层模量的变化对剪应变的影响较大,随着面层模量的增加,面层内剪应力值变化不大,但剪应变急剧减小。因此,提高面层结构的模量,能够有效的控制沥青面层的剪切变形和压缩变形,从而减少沥青路面病害的发生。 [0006] 此外,对于已经产生的沥青路面病害也需要及时进行修补,以免影响行车速度和行车安全。在沥青路面病害修补过程中的主要问题在于已有路面的密实度和抗变形能力不佳,导致修补后的坑穴和裂缝等容易产生脱落、龟裂等不良现象,需要反复重复修补。 [0007] 为解决上述技术问题,特提出本申请。 发明内容[0008] 本发明设计出一种高模量沥青混凝土及沥青混凝土增模剂,以实现提高沥青混凝土的模量,减少沥青路面病害发生,以及对已经产生的沥青路面病害进行修补的目的。 [0009] 为解决上述问题,本发明公开了一种沥青混凝土增模剂,原料按重量份计,包括: [0010] [0011] 进一步的,所述增模剂还包括:1~3重量份的偶联剂。 [0012] 进一步的,所述增模剂按照下述方法制备: [0013] S1,按重量份分别称取制备所述增模剂的各种原料; [0014] S2,对聚乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸二乙脂进行溶胀处理; [0018] 进一步的,所述步骤S2包括:将所述聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸二乙脂和溶胀剂加至溶胀釜内,以500r/min~700r/min的速度搅拌并升温至60~80℃之后,保温并以500r/min~700r/min的速度搅拌2~3h,之后继续以500r/min~700r/min的速度搅拌并升温到110~120℃,保温并以100r/min~200r/min的速度搅拌2~3h后,即可。 [0019] 一种高模量沥青混凝土,原料按重量份计,所述沥青混凝土包括: [0020] [0021] 其中,所述增模剂为上述的增模剂。 [0022] 进一步的,所述骨料为具有微孔结构的石料。 [0023] 进一步的,所述沥青混凝土按照下述方法制备: [0024] T1,将骨料加热至180℃以上、保温3~5min后加入拌和设备内进行搅拌; [0025] T2,向拌和设备内加入相变材料,拌和1~3min; [0026] T3,向拌和设备内加入增模剂,拌和5~10秒; [0027] T4,向拌和设备内加入矿粉,拌和5~10秒; [0028] T5,向拌和设备内加入基质沥青、稳定剂和固化剂,在160℃以上拌和30秒,即可。 [0029] 进一步的,采用所述高模量沥青混凝土进行路面病害修补过程包括步骤: [0030] P1,沥青路面病害识别和清理、形成待修补坑槽或裂缝; [0031] P2,对待修补坑槽或裂缝进行加热; [0032] P3,制备修补用沥青混凝土; [0033] P4,将修补用沥青混凝土喷射至待修补坑槽或裂缝内; [0034] P5,对修补后的路面进行碾压修整。 [0035] 进一步的,在所述步骤P2中,将待修补坑槽或裂缝的内表面加热至120℃以上,并保温1~3min。 [0036] 进一步的,在所述步骤P4中,采用高压喷射器将修补用沥青混凝土喷射至待修补坑槽或裂缝内时,所述修补用沥青混凝土从所述高压喷射器中喷出的速度应不小于100m/s。 [0037] 本申请所述的高模量沥青混凝土及沥青混凝土增模剂具有以下优点:所述增模剂可以通过界面改性作用、加筋作用、合金晶格歪扭强化基体作用、吸收沥青中的轻质油分作用和嵌挤作用,显著提高沥青混凝土材料的回弹模量,减少车辆荷载作用下沥青混凝土产生的应变,减少沥青混凝土的不可恢复残余变形,提高沥青路面高温抗变形能力。附图说明 [0038] 图1为沥青路面中车辙的常见形态; [0039] 图2为沥青路面中拥包的常见形态; [0040] 图3为沥青路面中推移的常见形态; [0041] 图4为剪应变、剪应力随弹性模量变化图; [0042] 图5为本申请所述增模剂的实物图; [0043] 图6为本申请所述增模剂的作用机理示意图; [0044] 图7为本申请所述路面修补方法的流程图; [0045] 图8为本申请对比例1中试件的实物图。 具体实施方式[0046] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。 [0047] 本申请提供一种沥青混凝土增模剂,原料按重量份计,所述增模剂包括: [0048] [0049] 优选的,原料按重量份计,所述增模剂包括: [0050] [0051] 更加优选的,原料按重量份计,所述增模剂包括: [0052] [0056] 优选的,所述活化剂为苯酚或乙二胺。 [0057] 优选的,所述抗氧剂为芳香胺类抗氧剂。 [0058] 此外,所述增模剂还包括:1~3重量份的偶联剂。 [0060] 进一步的,所述增模剂按照下述方法制备: [0061] S1,按重量份分别称取制备所述增模剂的各种原料; [0062] S2,对聚乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸二乙脂进行溶胀处理; [0063] S3,将不饱和羧酸或不饱和羧酸衍生物、稳定剂、活化剂和抗氧剂加入上述步骤S2得到的混合物体系中; [0064] S4,蒸发去除溶胀剂,完成蒸发处理后得到溶胀聚合物体系; [0065] S5,将所述步骤S4得到的溶胀聚合物体系引入挤出机,通过挤出机挤出后造粒,得到所述增模剂颗粒。 [0066] 具体的,所述步骤S2包括:将所述聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸二乙脂和溶胀剂加至溶胀釜内,以500r/min~700r/min的速度搅拌并升温至60~80℃之后,保温并以500r/min~700r/min的速度搅拌2~3h,之后继续以500r/min~700r/min的速度搅拌并升温到110~120℃,保温并以100r/min~200r/min的速度搅拌2~3h后,即可。 [0067] 本申请在对所述聚乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸二乙脂的溶胀处理过程中,将溶胀处理过程分为两个阶段,在第一阶段,通过低温预溶胀和高速搅拌使得聚合物的分子链得到充分解缠,降低大分子链之间的相互作用力,为第二阶段的溶胀过程中溶胀剂充分向聚合物内部渗透和扩散提供基础;在第二阶段,通过高温溶胀促进溶胀剂快速向聚合物内部渗透和扩散,同时通过低速搅拌避免过多的切断聚合物的大分子链,降低所述增模剂的模量和粘附力。 [0068] 进一步的,所述步骤S3包括:将不饱和羧酸或不饱和羧酸衍生物、稳定剂、活化剂和抗氧剂加入上述步骤S2得到的混合物体系中,在110~120℃保温并以100r/min~200r/min的速度搅拌0.2~0.5h。 [0069] 进一步的,所述步骤S4包括:在60~90℃下加热蒸发去除溶胀剂,完成蒸发处理后得到溶胀聚合物体系。 [0071] 更进一步的,在所述步骤S5中,应控制所述双螺杆挤出机中螺杆之间的间隙宽度,以控制所述增模剂中聚合物的结晶度。 [0072] 优选的,在所述步骤S5中,应控制所述双螺杆挤出机中螺杆之间的间隙宽度为待挤出物厚度的0.75~1倍,如此,能够控制所述增模剂中聚合物的结晶度>20%。本申请通过双螺杆挤出机在将聚合物体系挤出、造粒的过程中,同时利用双螺杆挤出机给予聚合物体系一定的压缩力,通过压缩力促进并控制所述聚合物的结晶过程,以提高所述增模剂的模量。 [0073] 本申请所述增模剂是由多种高分子聚合物复合而成的一种沥青混凝土改性剂,为深黑色固体颗粒,粒径范围为4.80mm‑1.80mm。本申请的附图5给出了所述增模剂的实物图(按照实施例1所述具体工艺制备)。在沥青中掺入所述增模剂可以显著提高沥青混凝土材料的回弹模量,减少车辆荷载作用下沥青混凝土产生的应变,减少沥青混凝土的不可恢复残余变形,提高沥青路面高温抗变形能力,在交通量大、超载、重载比例较高,车速缓慢的路段能够体现出明显的承载性能,延缓车辙、拥包等路面病害的产生,延长路面的维修周期和使用寿命。 [0074] 此外,本申请还提供一种高模量沥青混凝土,原料按重量份计,所述沥青混凝土包括: [0075] [0076] 其中,所述增模剂为上述的增模剂。 [0077] 优选的,原料按重量份计,所述沥青混凝土包括: [0078] [0079] [0080] 优选的,所述骨料为具有微孔结构的石料。 [0083] 优选的,所述固化剂为聚氨酯固化剂,所述聚氨酯固化剂的加入能够使得沥青混合料同时实现干速快、流平性好、以及提高硬度、附着力和热稳定性、还具有消光作用,使得混合料的光反射差、呈现亚光的效果,利于行车安全和修补后路面外观的提高的优点。 [0084] 优选的,所述相变材料为固‑固相变材料,如聚醚、聚酯与环氧聚合物组合物或多元醇等固‑固相变材料等。 [0085] 更加优选的,所述相变材料的粒径应<10nm。 [0086] 进一步的,所述高模量沥青混凝土按照下述方法制备: [0087] T1,将骨料加热至180℃以上、保温3~5min后加入拌和设备内进行搅拌; [0088] T2,向拌和设备内加入相变材料,拌和1~3min; [0089] T3,向拌和设备内加入增模剂,拌和5~10秒; [0090] T4,向拌和设备内加入矿粉,拌和5~10秒; [0091] T5,向拌和设备内加入基质沥青、稳定剂和固化剂,在160℃以上拌和30秒,即可。 [0092] 在所述高模量沥青混凝土的制备过程中,应注意需要首先将骨料加热至180℃以上、保温3~5min充分去除骨料中的水分后,再将其与相变材料混合,避免骨料带入水分影响沥青混合料的性能,其次,应在加热干燥的骨料中首先加入相变材料并进行充分搅拌,使其能够充分与骨料混合,能够进入骨料中的微孔内、负载在骨料内部;之后需要首先加入增模剂,使其在与热骨料干拌过程中,所述增模剂融化变软裹覆在石料表面;随后加入矿粉、热沥青及其它助剂进行搅拌,搅拌过程中沥青膜将直接与骨料表面的增模剂软化膜紧密接触,在骨料与沥青界面之间沥青与软化的增模剂相互渗透,局部强化了沥青膜并形成强大的界面力,阻碍骨料、及包覆在增模剂内部的相变材料在外力作用下在界面之间的移动,从而达到界面改性的目的。 [0093] 更进一步的,当将所述高模量沥青混凝土用于新路铺设时,可在所述步骤T5之后继续执行以下步骤: [0094] T6,运料车运料; [0097] T9,振动压路机复压; [0098] T10,终压,终压过程中沥青混凝土的温度应≥90℃。 [0099] 以下结合本申请的附图6对所述增模剂在沥青混凝土中的改性机理进行详细说明: [0100] 第一,界面改性作用:在与热骨料干拌过程中,所述增模剂融化变软裹覆在骨料表面。随后加入热沥青进行搅拌,搅拌中沥青膜将直接与骨料表面的增模剂软化膜紧密接触,在骨料与沥青界面之间沥青与软化的增模剂相互渗透,局部强化了沥青膜并形成强大的界面力,阻碍骨料在外力作用下在界面之间的移动,从而达到界面改性的目的。 [0101] 第二,加筋作用:在沥青混凝土拌和与运输过程中,部分溶解或溶胀于沥青中的增模剂,得以在有限的时间内与沥青充分“发酵”融合,形成胶结作用,从而达到提高软化点温度、增加粘度、降低热敏性等沥青改性的作用;此外,所述增模剂内聚合物形成的微结晶区具有相当的劲度,在施工过程中部分拉丝成塑料纤维状,在骨料骨架内搭桥交联而形成纤维加筋作用。 [0102] 第三,合金晶格歪扭强化基体作用:通常高分子聚合物在熔融温度以下的游离状态时会呈结晶体状,这种弥散的聚合物晶体,使基体沥青在混合料中得到强化,实现合金晶格歪扭强化基体作用。 [0103] 第四,吸收沥青中的轻质油分作用:本申请所述增模剂属于高分子材料,可吸收沥青中的轻质油分,从而增加沥青的粘度,提高沥青混合料的高温劲度模量,有利于提高所述沥青混凝土抗高温变形的能力。 [0104] 第五,嵌挤作用:本申请所述增模剂在混合料拌和时软化,然后这些颗粒在碾压过程中热成型,相当于具有高粘附性的单一粒径细集料填充了骨料骨架中的空隙,增加了沥青混合料结构的骨架作用,同时降低了成型路面的渗透性。此外,相变材料的加入能够进一步填充骨料骨架中的空隙,提高骨料强度,同时,吸收骨料中的热量,降低骨料的热变形程度。 [0105] 再者,如图7所示,当采用所述高模量沥青混凝土进行路面病害修补时,本申请还提供一种路面修补方法,所述方法包括步骤: [0106] P1,沥青路面病害识别和清理、形成待修补坑槽或裂缝; [0107] P2,对待修补坑槽或裂缝进行加热; [0108] P3,制备修补用沥青混凝土; [0109] P4,将修补用沥青混凝土喷射至待修补坑槽或裂缝内; [0110] P5,对修补后的路面进行碾压修整。 [0111] 进一步的,所述路面修补方法包括步骤: [0112] P1,首先对沥青路面病害进行识别,之后挖去病害部位,形成待修补坑槽或裂缝; [0113] P2,对待修补坑槽或裂缝进行加热,将待修补坑槽或裂缝的内表面加热至120℃以上,保温1~3min; [0114] P3,按照上述高模量沥青混凝土的制备方法制备修补用沥青混凝土; [0115] P4,将所述步骤P3制备好的修补用沥青混凝土装入高压喷射器内,采用高压喷射器将修补用沥青混凝土喷射至待修补坑槽或裂缝内; [0116] P5,对修补后的路面进行碾压修整。 [0118] 进一步的,在所述步骤P4中,采用高压喷射器将修补用沥青混凝土喷射至待修补坑槽或裂缝内时,应通过调整喷射角度将所述修补用沥青混凝土均匀地喷射在创口处。 [0119] 优选的,在所述步骤P4中,所述修补用沥青混凝土从所述高压喷射器中喷出的速度应不小于100m/s。 [0120] 更加优选的,在所述步骤P4实施的过程中,可以在待修补坑槽或裂缝上设置保护盖等措施,防止高速喷射的沥青混凝土颗粒溅射伤人。 [0121] 本申请所述路面修补方法中,通过所述步骤P2对待修补坑槽或裂缝进行加热,能够实现对创口处原始沥青混凝土的预热和软化,提高其与新加入的修补用沥青混凝土的结合能力;此外,还能够为后续的步骤P4提供基础,使得步骤P4的作用效果加强。 [0122] 具体的,在所述步骤P4中,通过高压喷射器将修补用沥青混凝土高速喷射在创口处,一方面,能够利用高速流动的沥青混凝土颗粒冲击和摩擦创口处,清除创口处粘附不稳定的颗粒物和灰尘,使得创面更加稳固,创口处的粘附力更强;另一方面,能够利用高速流动的沥青混凝土颗粒在创口处施加一定的压应力,对创口处实现冲击硬化,使得创面的强度提高、疲劳寿命延长;第三方面,在沥青混凝土颗粒自身速度和高压喷射器喷出的高压空气的共同作用下,能够提高沥青混凝土颗粒的填充能力,使其能够更好地进入至狭长的空间内,使得本申请所述路面修补方法能够同时适用于坑槽状或裂缝状路面创口的修补,适用范围更广;第四方面,在高速流动的沥青混凝土颗粒的冲击下,能够在创面上形成广泛分布的凹坑,进一步提高创面与新加入的修补用沥青混凝土的结合能力。再此基础上,通过步骤P2的高温预热,能够将创口处原始沥青混凝土进行预热和软化,进一步提高沥青混凝土颗粒冲击创面所带来的技术效果。 [0123] 实施例1 [0124] 一种沥青混凝土增模剂的制备方法,具体包括: [0125] S1,按重量份分别称取制备所述增模剂的各种原料,具体包括:溶胀剂400份,聚乙烯45份,聚丙烯38份,聚对苯二甲酸二乙脂16份,不饱和羧酸或不饱和羧酸衍生物12份,稳定剂1份,活化剂0.6份,抗氧剂0.1份,偶联剂1份; [0126] S2,对聚乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸二乙脂进行溶胀处理:将所述聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸二乙脂和溶胀剂加至溶胀釜内,以500r/min的速度搅拌并升温至80℃之后,保温并以500r/mi的速度搅拌2h,之后继续以500r/min的速度搅拌并升温到110℃,保温并以100r/min的速度搅拌2h后,即可; [0127] S3,将不饱和羧酸或不饱和羧酸衍生物、稳定剂、活化剂和抗氧剂加入上述步骤S2得到的混合物体系中,在110℃保温并以100r/min的速度搅拌0.3h; [0128] S4,在70℃下加热蒸发去除溶胀剂,完成蒸发处理后得到溶胀聚合物体系; [0129] S5,将所述步骤S4得到的溶胀聚合物体系引入双螺杆挤出机中,控制所述双螺杆挤出机中螺杆之间的间隙宽度为待挤出物厚度的0.8倍,通过挤出机挤出后造粒,得到附图5所示增模剂颗粒。 [0130] 实施例2 [0131] 一种高模量沥青混凝土制备方法: [0132] T1,将85重量份的骨料加热至180℃以上、保温3min后加入拌和设备内进行搅拌; [0133] T2,向拌和设备内加入4重量份的相变材料,拌和2min; [0134] T3,向拌和设备内加入0.4重量份的增模剂,拌和10秒,所述增模剂为上述实施例1所述的增模剂; [0135] T4,向拌和设备内加入8重量份的矿粉,拌和5秒; [0136] T5,向拌和设备内加入4重量份的基质沥青、1重量份的稳定剂和3重量份的固化剂,在160℃以上拌和30秒,即可。 [0137] 实施例3 [0138] 一种路面修补方法,所述方法包括步骤: [0139] P1,对沥青路面病害进行识别,挖去病害部位,形成待修补坑槽和裂缝; [0140] P2,对待修补坑槽和裂缝进行加热,将待修补坑槽和裂缝的内表面加热至120℃以上,保温1min; [0141] P3,按照上述实施例2所述沥青混凝土的制备方法制备修补用沥青混凝土; [0142] P4,将所述步骤P3制备好的修补用沥青混凝土装入高压喷射器内,采用高压喷射器将修补用沥青混凝土喷射至待修补坑槽和裂缝内,所述修补用沥青混凝土从所述高压喷射器中喷出的速度应不小于100m/s; [0143] P5,对修补后的路面进行碾压修整。 [0144] 试验例1 [0145] 将本申请附图5所展示的增模剂以不同掺杂量加入沥青混凝土中,并制成如图8所示的试件,每种增模剂掺杂量制备3个试件,以3个试件的平均值作为最终检测结果,对所得到的试件的性能进行检测,得到下表1:(其中试件用沥青混凝土包括90重量份的骨料、5重量份的矿粉和5重量份的基质沥青。) [0146] 表1不同增模剂掺杂量的沥青混凝土的性能试验结果对比 [0147] [0148] |