CN101418128B - 一种道路沥青组合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种道路沥青组合物及其制备方法。该道路沥青组合物包括基础沥青和添加剂A，也可以选择性加入添加剂B，其中添加剂A是由强碱化合物和甘油与水混合物组成，添加剂B是由丁苯橡胶和富含芳烃组分组成。本发明利用甘油低毒高沸点和对氢氧化钠的高溶解性的特点，制备成添加剂A，将其加入基础沥青中，可提高沥青的PI值，降低沥青的温度敏感性；提高沥青的软化点和粘度，改善沥青的抗车辙性能；提高沥青的针入度比，改善沥青的抗热老化性能。本发明优选将两种添加剂A和B均加到基础沥青中，可使沥青的PI值、粘度、针入度比、延度及薄膜烘箱实验后的延度等性能得到改善和兼顾。

Description

一种道路沥青组合物及其制备方法

技术领域

本发明公开了一种道路沥青组合物及其制备方法，尤其是一种改性道路沥青组合物及其制备方法。

背景技术

在公路的铺筑、维修及养护过程中，石油沥青是一种常用的粘结材料之一。随着公路里程的不断增加以及公路质量的不断提高，交通部门对作为粘结材料的沥青提出了更高的要求。中国道路部门于2004年制订了新的《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004，并于2005年1月开始实施。与以往的道路沥青产品要求相比，JTG F40-2004主要特点是对沥青材料的分级引入了气候分区的概念，各牌号按照具体的气候分区设定了不同的指标要求，并根据中国目前沥青的使用和生产水平将每个牌号的沥青按主要性能分为A、B、C三个级别，A级要求最为严格，其中提出了10℃延度(70号沥青要求大于25cm，90号沥青要求大于30cm)、薄膜烘箱实验后的10℃延度(70号沥青要求大于6cm，90号沥青要求大于8cm)、针入度指数(PI值)(-1.5～1.0)、60℃粘度(70号沥青要求大于180Pa·s，90号沥青要求大于160Pa·s)等指标。10℃延度能够表征沥青在低温时的延展性能，针入度指数能够表征沥青对温度的敏感性大小，60℃粘度可以表征沥青在高温下的稳定性能。

为改善沥青的高温性能，专利“特开平8-12977”、“CN1289818A”、“CN1212990”采用了半氧化法。即在一定温度条件下，通过往沥青中通入空气，使沥青发生氧化、聚合等反应，使其中的轻组分变重，小分子变为大分子，以改善沥青的高温性能。然而，沥青路面随着使用年限的增加，其中的沥青组分会因紫外光照射而老化变重，性质变差，路况质量变坏。而采用氧化法生产沥青实际上是一种使沥青组分在应用于道路之前预先老化的过程，在改善了沥青使用性能的同时也会缩短沥青路面的使用寿命，而且氧化法生产沥青会耗费较多的能源、产生较多的尾气、造成大气污染。况且氧化法只能改善沥青的高温性能如PI值、60℃粘度等，不但不能改善低温性能如延度等指标，还对低温延度指标有副作用。

现有技术中，也有采用强碱和聚合物改善沥青高、低温性能的方法，如专利“US 5221703”叙述了改性沥青组合物，其中含有沥青、妥尔油、聚合物和强碱如氢氧化钠和氢氧化钾，添加强碱来改善沥青高温性能和抗老化性，同时添加了柔性组分妥尔油，其中强碱是以水溶液形式加入，由于水的沸点为100℃，远低于沥青的操作温度(140℃～180℃)，水量过多容易引起突沸现象。此外，聚合物直接加入，或者是以含水量较多的乳液形式加入到沥青组合物中。其缺点是，当直接加入时，聚合物分散不容易均匀，产品容易分层，需要添加稳定剂以避免分层现象；而以乳液形式加入时，由于含水量很多，容易发生突沸现象，生产时不易控制，而且需要长时间进行脱水处理，影响产量。“US 5749953”叙述了在沥青中直接添加无水强碱如氢氧化钠，而不加树脂酸和脂肪酸等柔性组分，直接利用基础沥青中固有的石油酸与添加的氢氧化钠进行反应，并采用了高剪切设备。其中强碱以无水的固体颗粒方式加入，即使采用高剪切设备，仍然混合不充分、反应缓慢而不完全，从而影响氢氧化钠与沥青组分反应的均匀性。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明提供了一种道路沥青组合物及其制备方法。该方法有利于添加剂更均匀地分散在沥青中，促进沥青与添加剂的充分反应，操作平稳，所得沥青组合物的温度敏感性及高温稳定性均有改善。

本发明的道路沥青组合物，其组成包括基础沥青和添加剂A，其中：添加剂A的组成为(按重量计)：

强碱化合物          5wt％～90wt％， 最好为10wt％～80wt％，

甘油和水的混合物    95wt％～10wt％，最好为90wt％～20wt％，

所述的甘油和水的混合物中，水含量为0.01wt％～10wt％，

所述的添加剂A占基础沥青重量的0.2wt％～12.0wt％。

所述的道路沥青组合物中还可以有添加剂B，所述添加剂B的组成为(按重量计)：

丁苯橡胶(SBR)   10wt％～22wt％，最好为12wt％～20wt％，

富含芳烃组分    78wt％～90wt％，最好为80wt％～88wt％，

所述的添加剂B占基础沥青重量的1wt％～10wt％。

所述的强碱化合物选自第IA族和第IIA族金属的强碱性化合物中的一种或多种，优选为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化钡等的一种或几种。

所述的丁苯橡胶(SBR)牌号可以是1500、1502、1503、1706、1712、1778型中的一种或几种。

所述的富含芳烃组分为催化裂化油浆、溶剂脱沥青油、润滑油溶剂精制抽出油等的一种或几种，其中芳烃重量含量为高于27％，优选为27％～50％。所述的润滑油溶剂精制抽出油包括糠醛精制抽出油、酚精制抽出油以及N-甲基吡咯烷酮抽出油等。

本发明的基础沥青包括用各种原油及不同工艺生产的沥青，如直馏沥青、氧化沥青、溶剂脱油沥青等，其25℃针入度为40～140(1/10mm)。

本发明沥青的制备方法是：将添加剂A添加到基础沥青中，也可以加入添加剂B，在140℃～160℃，搅拌40分钟～120分钟，得到本发明的道路沥青组合物。在制备过程中，可以采用普通的搅拌设备进行搅拌，可以不需要高剪切设备。

其中添加剂A的制备方法是：按所要求的比例，在搅拌状态下，将强碱类化合物溶于60℃～90℃温度的甘油和水的混合物中，形成一种糊状物。

添加剂B的制备方法是：利用搅拌设备，将丁苯橡胶(SBR)按比例，溶于120℃～170℃温度的富含芳烃组分的溶剂中，然后在120℃～170℃温度下保持3～5小时，形成一种粘稠液体。

本发明方法中，两种添加剂可同时加到基础沥青中，也可以分别加到基础沥青中，最好是同时加到基础沥青中。

本发明所用的添加剂A是将强碱溶于甘油和水的混合物中形成均匀的糊状物，加到沥青组合物中易分散，而且不用高剪切设备的情况下，仍然能使其均匀、稳定地分布在沥青组合物中，使添加剂与沥青能够充分反应，有利于改善沥青性能。添加剂A中，甘油低毒，加热到60℃～90℃即可溶解NaOH形成糊状物，而且甘油沸点较高(290℃)，属于低毒高沸点有机溶剂，不易引起突沸，也不会引起沥青产品“质量变化”指标的不合格；而且甘油分子上有三个羟基，对氢氧化钠的溶解性较高。因此，本发明利用甘油低毒高沸点和对氢氧化钠的高溶解性的特点，制备成添加剂A，将其加入基础沥青中，可提高沥青的PI值，降低沥青的温度敏感性；提高沥青的软化点和粘度，改善沥青的抗车辙性能；提高沥青的针入度比，改善沥青的抗热老化性能。本发明所用的添加剂B是将聚合物SBR溶于富含芳烃组分的溶剂中，使SBR能在沥青中均匀、稳定地分散，有利于提高沥青的低温性能。本发明优选同时采用两种添加剂，通过两种添加剂的相互配合，使沥青的PI值、粘度、针入度比、延度及薄膜烘箱实验后的延度等综合性能得到改善和兼顾。此外，本发明制备沥青过程中所用的混合设备为普通的搅拌器，无需高剪切设备，对设备要求较低。

具体实施方式

本发明中提及的PI值，是根据沥青在15℃、25℃、35℃这三个温度下测得的针入度值进行回归计算得到的。

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。

实施例1

添加剂A-1的制备。

按照氢氧化钠∶甘油∶水＝89.9∶10.0∶0.1的比例，将氢氧化钠加入到85℃温度的甘油和水混合物中，并保持在该温度下不断搅拌，氢氧化钠会逐渐溶解形成一种糊状物，制成本发明添加剂A-1。

添加剂A-2的制备。

按照氢氧化钾∶甘油∶水＝10.00∶89.98∶0.02的比例，将氢氧化钾加入到60℃温度的甘油和水混合物中，并保持在该温度下不断搅拌，氢氧化钠会逐渐溶解形成一种糊状物，制成本发明添加剂A-2。

添加剂A-3的制备。

按照氢氧化钙∶甘油∶水＝46∶50∶4的比例，将氢氧化钙加入到70℃温度的甘油和水混合物中，并保持在该温度下不断搅拌，氢氧化钙会逐渐溶解形成一种糊状物，制成本发明添加剂A-3。

添加剂A-4的制备。

按照氢氧化镁∶甘油∶水＝78.0∶21.1∶0.9的比例，将氢氧化镁加入到80℃温度的甘油和水混合物中，并保持在该温度下不断搅拌，氢氧化镁会逐渐溶解形成一种糊状物，制成本发明添加剂A-4。

实施例2

添加剂B-1的制备。

预先把1500型丁苯橡胶粉碎成颗粒(粒度小于15mm)，加入到温度为160℃的糠醛精制抽出油(芳烃重量含量为38wt％)中，其中1500型丁苯橡胶含量为18wt％，糠醛精制抽出油含量为82wt％。用搅拌设备不断搅拌，直至肉眼观测无颗粒时为止，然后在160℃温度下保持4小时，制成本发明添加剂B-1。

添加剂B-2的制备。

预先把1503型和1712型丁苯橡胶粉碎成颗粒(粒度小于15mm)，并按照1503型∶1712型＝6∶4的重量比例加入到温度为150℃的催化裂化油浆(芳烃重量含量为41wt％)中，使丁苯橡胶总含量为12wt％，催化裂化油浆含量为88wt％。用搅拌设备不断搅拌，直至肉眼观测无颗粒时为止，然后在160℃温度下保持4小时，制成本发明添加剂B-2。

添加剂B-3的制备。

预先把1706型丁苯橡胶粉碎成颗粒(粒度小于15mm)，加入到温度为130℃的溶剂脱沥青油(芳烃重量含量为30wt％)中，其中1706型丁苯橡胶含量为16wt％，溶剂脱沥青油含量为84wt％。用搅拌设备不断搅拌，直至肉眼观测无颗粒时为止，然后在160℃温度下保持4小时，制成本发明添加剂B-3。

实施例3

取针入度为66(1/10mm)的茂名石化公司的沙中原油直馏沥青1000g作为基础沥青，加热至156℃。在该基础沥青中同时加60g的添加剂A-1和50g的添加剂B-1。保持在156℃温度下搅拌60分钟，得到本发明沥青产品，具体性质见表1。

由表1可见，本发明沥青产品性质明显好于基础沥青，尤其是PI值、针入度比和10℃延度改善较为明显。

表1

项  目	茂名沙中原油直馏沥青	本发明沥青	JTG F40-2004对70号A级沥青技术要求	分析方法
					基础沥青用量/g		1000
添加剂A加入量/g		60
					添加剂B加入量/g		50
25℃针入度，1/10mm	66	66	60～80	GB/T4509
					PI值	-1.46	-1.15	-1.5～+1.0
软化点/℃	49.0	49.6	≥46	GB/T4507
					10℃延度/cm	138	＞150	≥25	GB/T4508
60℃粘度/Pa.s	259	286	≥180	SH/T0557
					闪点/℃	340	342	≥260	GB/T267
溶解度，％	99.9	99.9	≥99.5	GB/T11148

蜡含量，％	2.0	1.9	≤2.2	SH/T0425
					薄膜烘箱实验				GB/T5304
针入度比，％	69.4	79.2	≥61	GB/T4509
					10℃延度/cm	7	29	≥6	GB/T4508
15℃延度/cm	99	＞150	≥15	GB/T4508
					质量变化，％	0.015	-0.003	-0.8～+0.8	GB/T5304

实施例4

取针入度为94(1/10mm)的辽河原油氧化沥青1000g作为基础沥青，加热至145℃。针对该基础沥青特点，将100g的添加剂A-2添加到上述沥青之中，保持在145℃温度下搅拌40分钟。得到沥青产品，具体见表2。由表2可见，通过在辽河沥青中添加A可使沥青的PI值、软化点、60℃粘度、针入度比得到提高，制备得到的沥青产品符合中国交通部颁布的《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004对70号“A级”沥青的技术要求。

实施例5

在实施例4中添加50克的添加剂B-2，在提高了沥青的PI值、软化点、粘度、针入度比的同时，也能够使薄膜烘箱实验后的延度得到增大，改善了沥青的综合性能。具体见表3。

表2

项目	辽河原油氧化沥青	本发明沥青	JTG F40-2004对70号A级沥青技术要求	分析方法
					沥青用量/g		1000
添加剂A加入量/g		100
					25℃针入度，1/10mm	94	75	60～80	GB/T4509
PI值	-2.13	-1.20	-1.5～+1.0
					软化点/℃	44.2	47.1	≥46	GB/T4507

10℃延度/cm	＞150	＞150	≥25	GB/T4508
					60℃粘度/Pa.s	118.8	191.2	≥180	SH/T0557
闪点/℃	302	304	≥260	GB/T267
					溶解度，％	99.9	99.9	≥99.5	GB/T11148
蜡含量，％	1.2	1.1	≤2.2	SH/T0425
					薄膜烘箱实验				GB/T5304
针入度比，％	66.1	75.3	≥61	GB/T4509
					10℃延度/cm	51	21	≥6	GB/T4508
15℃延度/cm	＞150	＞150	≥15	GB/T4508
					质量变化，％	-0.079	-0.035	-0.8～+0.8	GB/T5304
备注	PI、软化点、粘度不合格	符合70号A级

表3

项  目	辽河原油氧化沥青	本发明沥青	JTG F40-2004对90号A级沥青技术要求	分析方法
					沥青用量/g		1000
添加剂A加入量/g		100
					添加剂B加入量/g		50

25℃针入度，1/10mm	94	87	80～100	GB/T4509
					PI值	-2.13	-1.30	-1.5～+1.0
软化点/℃	44.2	46.6	≥45	GB/T4507
					10℃延度/cm	＞150	＞150	≥30	GB/T4508
60℃粘度/Pa.s	118.8	170.2	≥160	SH/T0557
					闪点/℃	302	304	≥245	GB/T267
溶解度，％	99.9	99.9	≥99.5	GB/T11148
					蜡含量，％	1.2	1.1	≤2.2	SH/T0425
薄膜烘箱实验				GB/T5304
					针入度比，％	66.1	72.1	≥57	GB/T4509
10℃延度/cm	51	＞150	≥8	GB/T4508
					15℃延度/cm	＞150	＞150	≥20	GB/T4508
质量变化，％	-0.079	-0.041	-0.8～+0.8	GB/T5304
					备注	PI、软化点、粘度不合格	符合90号A级

实施例6

取针入度为86(1/10mm)的阿曼原油丙烷脱油沥青1000g作为基础沥青，加热至150℃。针对该基础沥青特点，加3g的添加剂A-3和10g的添加剂B-3。保持在150℃温度下搅拌80分钟，得到沥青产品，具体见表4。由表4可见，阿曼丙烷脱油沥青的PI值偏小，粘度也不高，通过在阿曼丙烷脱油沥青中加添加剂A和B可使沥青的PI值、60℃粘度、针入度比及薄膜烘箱实验后的10℃延度等整体性能得到改善，产品符合中国交通部颁布的《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004对90号“A级”沥青的要求。

实施例7

取针入度为58(1/10mm)的塔河原油直馏沥青1000g作为基础沥青，加热至145℃，加2.5g的添加剂A-4和100g的添加剂B-1。保持在160℃温度下搅拌90分钟，得到沥青产品，具体见表5。由表5可见，通过在塔河原油沥青中加添加剂A和B可使沥青的针入度比，尤其是延度得到明显改善，制备得到的沥青产品符合中国交通部颁布的《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004对70号“A级”沥青的要求。

表4

项  目	阿曼原油丙烷脱油基础沥青	本发明沥青	JTG F40-2004对90号A级沥青技术要求	分析方法
					沥青用量/g		1000
添加剂A加入量/g		3
					添加剂B加入量/g		10
25℃针入度，1/10mm	86	85	80～100	GB/T4509
					PI值	-1.59	-0.98	-1.5～+1.0
软化点/℃	46.0	47.3	≥45	GB/T4507
					10℃延度/cm	＞150	＞150	≥30	GB/T4508
60℃粘度/Pa.s	168	200	≥160	SH/T0557
					闪点/℃	324	325	≥245	GB/T267
溶解度，％	99.9	99.9	≥99.5	GB/T11148
					蜡含量，％	2.0	1.9	≤2.2	SH/T0425
薄膜烘箱实验				GB/T5304
					针入度比，％	71.0	76.5	≥57	GB/T4509
10℃延度/cm	36	＞150	≥8	GB/T4508

15℃延度/cm	＞150	＞150	≥20	GB/T4508
					质量变化，％	0.025	0.011	-0.8～+0.8	GB/T5304
备注	PI、粘度偏小	符合90号A级

表5

项  目	塔河原油直馏沥青	本发明沥青	JTG F40-2004对70号A级沥青技术要求	分析方法
					沥青用量/g		1000
添加剂A加入量/g		2.5
					添加剂B加入量/g		100
25℃针入度，1/10mm	58	71	60～80	GB/T4509
					PI值	0.35	0.42	-1.5～+1.0
软化点/℃	56.7	53.1	≥46	GB/T4507
					10℃延度/cm	7	＞150	≥25	GB/T4508
60℃粘度/Pa.s	460	395	≥180	SH/T0557
					闪点/℃	275	272	≥260	GB/T267
溶解度，％	99.8	99.9	≥99.5	GB/T11148
					蜡含量，％	1.8	1.9	≤2.2	SH/T0425
薄膜烘箱实验				GB/T5304
					针入度比，％	62.8	67.2	≥61	GB/T4509

10℃延度/cm	0	＞150	≥6	GB/T4508
					15℃延度/cm	5	＞150	≥15	GB/T4508
质量变化，％	0.23	0.34	-0.8～+0.8	GB/T5304
					备注	延度很小不合格	符合70号A级

Claims (13)

1.一种道路沥青组合物，其组成包括基础沥青和添加剂A，所述的添加剂A的组成为，按重量计：

强碱化合物                          5wt％～90wt％，

甘油和水的混合物                    95wt％～10wt％，

所述的甘油和水的混合物中水含量为0.01wt％～10wt％；

所述的添加剂A占基础沥青重量的0.2wt％～12.0wt％。

2.按照权利要求1所述的沥青组合物，其特征在于所述的添加剂A的组成为，按重量计：

强碱化合物            10wt％～80wt％，

甘油和水的混合物      90wt％～20wt％。

3.按照权利要求1所述的沥青组合物，其特征在于所述的沥青组合物中含有添加剂B，其组成为，按重量计：

丁苯橡胶                 10wt％～22wt％，

富含芳烃组分             78wt％～90wt％；

所述的添加剂B占基础沥青重量的1wt％～10wt％；

所述的富含芳烃组分为催化裂化油浆、溶剂脱沥青油、润滑油溶剂精制抽出油的一种或几种，其中芳烃重量含量为高于27％。

4.按照权利要求3所述的沥青组合物，其特征在于所述的添加剂B，其组成为，按重量计：

丁苯橡胶                            12wt％～20wt％， 

富含芳烃组分                          80wt％～88wt％。

5.按照权利要求1或3所述的沥青组合物，其特征在于所述的强碱化合物选自第IA族和第IIA族金属的强碱性化合物中的一种或多种。

6.按照权利要求5所述的沥青组合物，其特征在于所述的强碱化合物为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化镁和氢氧化钡中的一种或几种。

7.按照权利要求3所述的沥青组合物，其特征在于所述的润滑油溶剂精制抽出油包括糠醛精制抽出油、酚精制抽出油以及N-甲基吡咯烷酮抽出油中的一种或多种。

8.按照权利要求1或3所述的沥青组合物，其特征在于所述的基础沥青为直馏沥青、氧化沥青、溶剂脱油沥青中的一种或多种，其25℃针入度为40～140 1/10mm。

9.权利要求1所述的沥青组合物的制备方法，包括如下步骤：将添加剂A添加到基础沥青中，在140℃～160℃，搅拌40分钟～120分钟，得到沥青组合物。

10.按照权利要求9所述的制备方法，其特征在于所述搅拌采用普通的搅拌设备进行搅拌，无需高剪切设备。

11.按照权利要求9所述的制备方法，其特征在于所述的添加剂A的制备方法是：在搅拌状态下，将强碱化合物溶于60℃～90℃温度的甘油和水的混合物中，形成一种糊状物。

12.按照权利要求9所述的制备方法，其特征在于，将添加剂A添加到基础沥青中，加入添加剂B，在140℃～160℃，搅拌40分钟～120分钟，得到 沥青组合物；添加剂B的组成为，按重量计：

丁苯橡胶           10wt％～22wt％，

富含芳烃组分       78wt％～90wt％；

所述的添加剂B占基础沥青重量的1wt％～10wt％；

所述的富含芳烃组分为催化裂化油浆、溶剂脱沥青油、润滑油溶剂精制抽出油的一种或几种，其中芳烃重量含量为高于27％。

13.按照权利要求12所述的制备方法，其特征在于所述的添加剂B的制备方法是：利用搅拌设备，将丁苯橡胶溶于120℃～170℃温度的富含芳烃组分的溶剂中，然后在120℃～170℃温度下保持3～5小时，形成一种粘稠液体。