CN103289420A - 一种沥青混合料外掺式改性剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种沥青混合料外掺式改性剂，按质量份数计含有如下组分：重均分子量为8万～15万的高密度聚乙烯(HDPE)60～80％；重均分子量为3万～10万的低密度聚乙烯(LDPE)20～35％；重均分子量为5万～10万的线性低密度聚乙烯(LLDPE)10～20％；软化点为160℃±10℃的岩沥青1～5％；橡胶粉3～10％；纤维稳定剂1～5％；抗剥落剂1～3％；石蜡1～2％。本发明采用上述质量百分比的各组分，能通过“外掺”改性方式直接在沥青混合料生产时添加，并在添加后可大幅度改善混合料高温性能、有效改善混合料低温性能、水稳性能及疲劳性能，可以满足使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及公路沥青路面铺筑用的一种沥青混合料外掺式改性添加剂，特别涉及一种用于改善沥青混合料路用技术性能尤其是高温抗车辙性能、抗水损害性能的外掺式改性剂。
背景技术
沥青在公路建设中占有非常重要的地位，世界各国高等级路面绝大多数采用沥青路面。为了防止沥青路面高温下变形或低温下断裂现象，要求沥青高温下具有足够的强度和热稳定性，低温下有足够的弹性和塑性。因此，使用改性剂改善沥青的路用性能成为解决沥青质量问题的重要方法。目前市场上的同类产品有纤维、橡胶粉、硅藻土、PR PLAST S抗车辙剂(法国)、Duroflex抗车辙剂(德国)、路孚8000(德国)、SEAM添加剂(美国)、车辙王抗车辙剂。这些产品的显著特点在于：能够通过外掺的方式改善沥青混合料的路用技术性能尤其是高温性能。缺点在于：纤维、橡胶粉、硅藻土对沥青混合料的路用技术性能尤其是高温性能改善效果不佳，提高幅度仅有50％～200％，但价格便宜；而PR PLAST S抗车辙剂(法国)、Duroflex抗车辙剂(德国)、路孚8000(德国)、SEAM添加剂(美国)、车辙王抗车辙剂等国内外产品，对沥青混合料的路用技术性能尤其是高温性能改善效果显著，提高幅度有500％～800％之多，但售价普遍较高且还需改变沥青混合料的最佳油石比，对沥青混合料低温性能、水稳性能及疲劳性能的改善效果也有限。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是解决现有国内外沥青混合料外掺式改性产品中存在的对沥青混合料路用技术性能尤其是高温性能改善效果不佳而价格便宜，或改善效果显著但需改变沥青混合料的最佳油石比的问题，而且对混合料低温性能、水稳性能改善效果较弱而产品价格较高，提供一种外掺剂量小、原材料易得且价格低廉、性能稳定、产品综合成本低、无需改变沥青混合料最佳油石比、对环保有益的外掺式改性添加剂，并且具有在沥青混合料中添加后可显著改善沥青混合料的高温性能，有效改善混合料低温性能、水稳性能和疲劳性能等优点。
本发明所采用的技术方案是：
一种沥青混合料外掺式改性剂，按质量份数计含有如下组分：重均分子量为8万～15万的高密度聚乙烯(HDPE)60～80％；重均分子量为3万～10万的低密度聚乙烯(LDPE)20～35％；重均分子量为5万～10万的线性低密度聚乙烯(LLDPE)10～20％；软化点为160℃±10℃的岩沥青1～5％；橡胶粉3～10％；纤维稳定剂1～5％；抗剥落剂1～3％；石蜡1～2％。
所述的沥青混合料外掺式改性剂，按质量份数计组分含量优选为：重均分子量为8万～15万的高密度聚乙烯(HDPE)60～70％；重均分子量为3万～10万的低密度聚乙烯(LDPE)20～25％；重均分子量为5万～10万的线性低密度聚乙烯(LLDPE)10～15％；软化点为160℃±10℃的岩沥青1～3％；橡胶粉3～5％；纤维稳定剂1～3％；抗剥落剂1～2％；石蜡1～2％。
所述的沥青混合料外掺式改性剂，按质量份数计组分含量进一步优选为：重均分子量为8万～15万的高密度聚乙烯(HDPE)60％；重均分子量为3万～10万的低密度聚乙烯(LDPE)20％；重均分子量为5万～10万的线性低密度聚乙烯(LLDPE)10％；软化点为160℃±10℃的岩沥青2％；橡胶粉3％；纤维稳定剂1％；抗剥落剂2％；石蜡2％。
上述各组分中，所述橡胶粉为目数为100目的废旧轮胎磨细橡胶粉；所述纤维稳定剂为木质素纤维或聚酯纤维；所述抗剥落剂为卡洛胺或AR-78或PA-1；所述石蜡为聚乙烯蜡或PP蜡。其中，卡洛胺、AR-78和PA-1为国内市场上常见的抗剥落剂，而聚乙烯蜡或PP蜡也是市面上常用的石蜡。
本发明采用上述质量百分比的各组分，能通过“外掺”改性方式直接在沥青混合料生产时添加，并在添加后可大幅度改善混合料高温性能、有效改善混合料低温性能、水稳性能及疲劳性能，可以满足使用要求。本发明的主要组分均来源于城市固体废弃物(如废弃塑料、废弃橡胶、废弃纤维等)，具有原材料易得、产品成本低、对环保有益等优点，而且在使用时少量添加即可达到要求，可作为沥青混合料的专用外掺添加剂。
本发明的另一目的是提供一种本发明所述的沥青混合料外掺式改性剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将软化点为160℃±10℃的岩沥青加热至170℃，然后加入液体抗剥落剂卡洛胺，搅拌均匀待其冷却后，用碾磨机或粉碎机将冷却材料变为20目的颗粒体备用；
(2)将木质素纤维和目数为100目的橡胶粉，通过团粒机混合后挤出造粒；
(3)将重均分子量为8万～15万的高密度聚乙烯、重均分子量为3万～10万的低密度聚乙烯、重均分子量为5万～10万的线性低密度聚乙烯，PP蜡及步骤步骤(1)、(2)所制备的材料，通过高速混合机混合均匀后加入到SHJ-150单螺杆挤出机内，设定挤出机4个加热区段的温度分别为180℃、190℃、150℃和100℃，调整螺杆转速至130转/分钟，待混合物从机头挤出后拉条过水冷却切粒，烘干颗粒水分即得到本发明产品。
本发明带来的有益效果是：
1)显著提高沥青混合料的马歇尔稳定性和高温抗车辙能力；
2)有效提高沥青混合料的水稳定性；
3)有效改善沥青混合料的低温抗裂性；
4)价格优势明显，组成产品的原材料大多数来源于城市固体废弃物，具有原材料易得、产品成本低、对环保有益等优点；
5)不改变沥青混合料的生产及施工工艺，配合比设计没有改变混合料的最佳油石比且对施工也没有提出特殊要求。
具体实施方式：
下面通过实施例进一步描述本发明，但本发明并不限于此。
实施例1
为了验证本发明产品的有益效果，将本实施例制备的沥青混合料外掺式改性剂进行路用性能的试验检测。试验方法为：首先将沥青混合料外掺式改性剂与温度为175℃的集料预先干拌10秒，然后再加入由粘温曲线确定的温度为150℃的沥青，拌和120秒后加入冷矿粉，最后再拌和60秒。具体试验材料及试验方法如下：
试验所采用的沥青为广东茂名东海牌70#基质沥青，集料为石灰岩，最佳油石比为4.4％；沥青混合料外掺式改性剂(Extemal Modifying，英文简称：ExM)的掺量为沥青混合料质量的0.4％。按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ F40-2004)的要求，检验沥青与集料的各项性能，结果均满足规范技术要求，可以使用。室内试验确定的矿料级配比如表1所示：
表1室内试验确定的矿料级配结果
1、对沥青混合料马歇尔试件体积指标(稳定度、流值、空隙率、沥青饱和度及矿料间隙率)的影响情况
(1)试验方法
按照交通部部颁标准JTJ 052-2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0702、T0706和T0709规定的方法成型试件并进行试验。
(2)试验结果
试验结果见表2。
表2在沥青混合料中添加本发明产品后混合料马歇尔试验结果
表2的试验结果表明，在沥青混合料中添加本发明产品沥青混合料改性剂ExM后，沥青混合料的马歇尔稳定度值较未添加本发明产品的沥青混合料有提高，其它体积指标则相差不大，但均满足规范要求。
2、对沥青混合料高温性能的影响情况
(1)试验方法
按照交通部部颁标准JTJ 052-2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0703、T0719规定的方法成型试件并进行试验。
(2)试验结果
试验结果见表3。
表3在沥青混合料中添加本发明产品后混合料高温性能试验结果
表3的试验结果表明，在沥青混合料中添加本发明产品沥青混合料改性剂ExM后，沥青混合料的动稳定度值较未添加本发明产品的沥青混合料有显著提高，提高幅度近11倍，远远超出规范要求。
3、对沥青混合料低温性能的影响情况
(1)试验方法
按照交通部部颁标准JTJ 052-2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0703、T0715规定的方法成型试件并进行试验。
(2)试验结果
试验结果见表4。
表4在沥青混合料中添加本发明产品后混合料低温性能试验结果
表4的试验结果表明，在沥青混合料中添加本发明产品沥青混合料改性剂ExM后，沥青混合料的低温破坏应变值较未添加本发明产品的沥青混合料有明显改善，满足规范要求。
4、对沥青混合料水稳定性能的影响情况
4.1浸水马歇尔试验
(1)试验方法
按照交通部部颁标准JTJ 052-2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0702、T0709规定的方法成型试件并进行试验。
(2)试验结果
试验结果见表5。
表5在沥青混合料中添加本发明产品后混合料浸水马歇尔试验结果
表5的试验结果表明，在沥青混合料中添加本发明产品沥青混合料改性剂ExM后，沥青混合料的残留稳定度值比较未添加本发明产品的沥青混合料有明显改善，满足规范要求。
4.2冻融劈裂试验
(1)试验方法
按照交通部部颁标准JTJ052-2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0702、T0709和T0729规定的方法成型试件并进行试验。
(2)试验结果
试验结果见表6。
表6在沥青混合料中添加本发明产品后混合料冻融劈裂试验结果
表6显示，在沥青混合料中添加本发明产品沥青混合料改性剂ExM后，沥青混合料的冻融劈裂强度比值比未添加本发明产品的沥青混合料有改善且满足规范要求。
为了进一步验证本发明产品的有益效果，将本发明产品沥青混合料改性剂ExM与沥青内掺式改性剂SBS(实体工程应用最多最普遍)和国外沥青混合料专用外掺式改性剂PRI抗车辙剂(法国产品、实体工程应用最多最普遍)两种添加剂对沥青混合料路用性能的改善效果，进行了室内比对试验。同时还对沥青混合料改性剂ExM不同掺加剂量下沥青混合料路用性能的改善进行了试验。
1、对沥青混合料马歇尔稳定度、流值、空隙率、沥青饱和度、残留稳定度比、劈裂强度比、动稳定度及破坏应变的影响情况
(1)试验方法
试验所采用的沥青为广东茂名东海牌70#基质沥青和5％SBS成品改性沥青(基质沥青为壳牌AH-90)，集料为石灰岩；沥青混合料改性剂ExM的掺量为沥青混合料质量的0.1、0.2、0.3、0.4、0.5％，PRI抗车辙剂依照产品供应商的推荐剂量为沥青混合料质量的0.4％。按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ F40-2004)的要求，检验沥青与集料的各项性能，结果均满足规范技术要求，可以使用。室内试验确定的矿料级配如表7所示。
表7室内试验确定的矿料级配结果
基质沥青混合料和SBS改性沥青混合料的最佳油石比均为4.5％；ExM沥青混合料不需改变基质沥青混合料的最佳油石比，因此也为4.5％；PRI沥青混合料需改变基质沥青混合料的最佳油石比，通常是在基质沥青混合料最佳油石比的基础上增加0.1～0.2％，为了能够充分发挥PRI抗车辙剂的改性效果，其混合料的最佳油石比确定为4.7％。
试验方法：按照交通部部颁标准JTJ 052-2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定的方法成型试件并进行试验。
(2)试验结果
试验结果见表8、表9。
表8在沥青混合料中添加不同剂量ExM后混合料的路用性能试验结果
表8的试验结果表明，在沥青混合料中添加本发明产品外掺式改性剂ExM后，沥青混合料的各项路用性能指标均优于未添加本发明产品的沥青混合料，且随着外掺式改性剂ExM掺加剂量的增加，改性效果越好，特别是混合料的高温性能，改善效果非常显著。
表9SBS改性沥青及同剂量ExM、PRI改性沥青混合料的路用性能试验结果
表9的试验结果表明，在沥青及沥青混合料中添加SBS、外掺式ExM改性剂和PRI抗车辙剂后，沥青混合料的路用性能均有明显改善。其中沥青内掺改性剂对混合料水稳定性和低温性能的改善效果最好，而ExM、PRI沥青混合料外掺式改性剂对混合料的高温性能改善效果最显著。从动稳定度的改性效果来看，外掺式改性剂ExM和PRI应属同一等级，且远优于内掺式改性剂SBS的改性效果，并且在改性工艺上，ExM、PRI外掺改性也要优于SBS内掺改性。对比同掺量下的ExM、PRI改性沥青混合料，可以发现，ExM对混合料整体路用性能指标的提高要略优于PRI，考虑到ExM的组成主材均来源于城市固体废弃物(废弃塑料、废弃橡胶、废弃纤维等)，原材料成本低促使产品成本大幅下降，因此其总体性价比优于PRI抗车辙剂。
鉴于本发明沥青混合料外掺式改性剂对沥青混合料高温性能有大幅度提高的特点，对0.4％ExM沥青混合料进行变温车辙试验，试验温度分为60℃、65℃和70℃。试验结果汇总见表10。
表100.4％ExM沥青混合料变温车辙试验结果表
表10的试验结果表明，在沥青混合料中添加本发明产品0.4％沥青混合料外掺式改性剂后，随着试验温度的升高，ExM沥青混合料的动稳定度值不断减小，且减小的速率由强变弱。在温度段60℃～65℃减小的幅度为50.8％，而在温度段65℃～70℃则为37.6％。但无论如何，在70℃时ExM沥青混合料的动稳定度值依然高于未添加ExM的沥青混合料，达到了4000次/mm以上，再次表明ExM改性沥青混合料所具有的十分优异的高温性能，充分证明了本发明沥青混合料外掺式改性剂在沥青路面抗车辙性能方面的卓越品质。
实施例2：
沥青混合料外掺式改性剂的各组分及其质量百分比为：
其制备方法与实施例1相同。
实施例3：
沥青混合料外掺式改性剂的各组分及其质量百分比为：
其制备方法与实施例1相同。
实施例4：
沥青混合料外掺式改性剂的各组分及其质量百分比为：
其制备方法与实施例1相同。
实施例5：
沥青混合料外掺式改性剂的各组分及其质量百分比为：
其制备方法与实施例1相同。
实施例6：
沥青混合料外掺式改性剂的各组分及其质量百分比为：
其制备方法与实施例1相同。
实施例7：
在以上实施例1～6中的纤维用聚酯纤维替换，其用量与木质素纤维相同。其它组分及其用量与实施例1相同。
其制备方法与实施例1相同。
实施例8：
在以上实施例1～6中的PP蜡用聚乙烯蜡替换，其用量与PP蜡相同。其它组分及其用量与实施例1相同。
实施例9：
在以上实施例1～8中的抗剥落剂卡洛胺用抗剥落剂PA-1替换，其用量与抗剥落剂卡洛胺相同。其它组分及其用量与实施例1相同。
其制备方法与实施例1相同。
实施例10：
在以上实施例1～8中的抗剥落剂卡洛胺用抗剥落剂AR-78替换，其用量与抗剥落剂卡洛胺相同。其它组分及其用量与实施例1相同。
其制备方法与实施例1相同。
实施例11
用实施例1的外掺式改性剂对陕西榆林至靖边高速公路车辙病患处置路段新铺沥青混合料进行外掺式改性。本发明外掺式改性剂的最佳使用条件：沥青混合料生产时集料的加热温度为175℃～185℃，基质沥青的加热温度根据粘温曲线确定；
本发明外掺式改性剂的添加剂量为沥青混合料总质量0.3％～0.5％；热集料进入拌和楼拌缸中后立即投入ExM外掺式改性剂，保证干拌时间有5秒，然后加入沥青，本发明改性沥青混合料的拌和温度应确保有175℃；改性沥青混合料的摊铺碾压温度应确保有150℃。该路段使用的沥青为SBS改性沥青(基质沥青为韩国SK90#沥青)，集料为石灰岩，级配为AC-16，配合比设计确定的最佳油石比为4.9％，ExM外掺改性剂的添加剂量为0.3％，级配各筛孔通过率见表11所示。
按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ F40-2004)的要求，检验沥青与集料的各项性能，结果均满足规范技术要求。本发明外掺式改性剂在最佳使用条件下生产的ExM改性沥青混合料，从拌和楼现场取样并按照交通部部颁标准JTJ 052-2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定的方法成型试件并进行路用技术性能试验，试验结果见表12所示。实体工程路段采用的矿料级配如表11所示。
表11矿料级配表
表12在沥青混合料中添加本发明产品后混合料路用性能试验结果
表12的试验结果表明，本发明产品能够提高原SBS改性AC-16沥青混合料的马歇尔稳定度，提高幅度为3.6％，而对空隙率、流值及沥青饱和度值则基本没有影响，特别是沥青饱和度值，可间接证明PS不影响沥青混合料最佳油石比的特点；ExM对沥青混合料水稳定性的影响采用残留稳定度比和冻融劈裂强度比两个指标评价。在残留稳定度比方面，ExM提高的幅度为7.5％，而在冻融劈裂强度比方面，ExM提高的幅度则为4.0％，并且均满足设计要求；在高温抗车辙能力方面，ExM对沥青混合料提高的幅度为40.7％，动稳定度值达到6000次/mm以上，效果非常显著，并且远远高于设计不小于3000次的要求；ExM对沥青混合料高温性能改善显著，是否意味着对混合料低温性能将产生消极影响。试验检测结果表明，ExM不仅没有降低原沥青混合料的低温性能，而且还有明显提高，提高幅度达到了10.3％，低温弯曲应变值超过了3000，高于设计不低于2800次的要求，说明PS路面强力剂不等同于单纯的抗车辙剂产品。
Claims (5)
1.一种沥青混合料外掺式改性剂，其特征在于按质量份数计含有如下组分：重均分子量为8万～15万的高密度聚乙烯(HDPE)60～80％；重均分子量为3万～10万的低密度聚乙烯(LDPE)20～35％；重均分子量为5万～10万的线性低密度聚乙烯(LLDPE)10～20％；软化点为160℃±10℃的岩沥青1～5％；橡胶粉3～10％；纤维稳定剂1～5％；抗剥落剂1～3％；石蜡1～2％。
2.根据权利要求1所述的沥青混合料外掺式改性剂，其特征在于按质量份数计含有：重均分子量为8万～15万的高密度聚乙烯(HDPE)60～70％；重均分子量为3万～10万的低密度聚乙烯(LDPE)20～25％；重均分子量为5万～10万的线性低密度聚乙烯(LLDPE)10～15％；软化点为160℃±10℃的岩沥青1～3％；橡胶粉3～5％；纤维稳定剂1～3％；抗剥落剂1～2％；石蜡1～2％。
3.根据权利要求2所述的沥青混合料外掺式改性剂，其特征在于按质量份数计含有：重均分子量为8万～15万的高密度聚乙烯(HDPE)60％；重均分子量为3万～10万的低密度聚乙烯(LDPE)20％；重均分子量为5万～10万的线性低密度聚乙烯(LLDPE)10％；软化点为160℃±10℃的岩沥青2％；橡胶粉3％；纤维稳定剂1％；抗剥落剂2％；石蜡2％。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的沥青混合料外掺式改性剂，其特征在于：所述橡胶粉为100目的废旧轮胎磨细橡胶粉；所述纤维稳定剂为木质素纤维或聚酯纤维；所述抗剥落剂为卡洛胺或AR-78或PA-1；所述石蜡为聚乙烯蜡或PP蜡。
5.一种沥青混合料外掺式改性剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将软化点为160℃±10℃的岩沥青加热至170℃，然后加入液体抗剥落剂卡洛胺，搅拌均匀待其冷却后，用碾磨机或粉碎机将冷却材料变为20目的颗粒体备用；
(2)将木质素纤维和目数为100目的橡胶粉，通过团粒机混合后挤出造粒；
(3)将重均分子量为8万～15万的高密度聚乙烯、重均分子量为3万～10万的低密度聚乙烯、重均分子量为5万～10万的线性低密度聚乙烯，PP蜡及步骤(1)、(2)所制备的材料，通过高速混合机混合均匀后加入单螺杆挤出机内，设定挤出机4个加热区段的温度分别为180℃、190℃、150℃和100℃，调整螺杆转速至130转/分钟，待混合物从机头挤出后拉条过水冷却切粒，烘干颗粒水分即得。
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