CN108559291A - 一种阻热型改性乳化沥青及其配制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻热型改性乳化沥青及其配制方法，该阻热型改性乳化沥青包括基质沥青100份、二氧化硅气凝胶改性有机硅树脂胶乳10～14份、改性胶乳1～4份、乳化剂1～3份、助剂1～3份、水30～40份；该方法首先将基质沥青加热到130～140℃，然后配制由SiO₂气凝胶改性有机硅树脂胶乳、乳化剂、改性胶乳与加热到60～70℃左右的水配制的乳化“皂液”，并与热沥青经过胶体磨高速剪切，形成均质、稳定的阻热型改性乳化沥青。本发明采用了SBR改性胶乳与阻热剂对基质沥青进行综合改性，不但保证了乳化沥青的物理、化学、力学性能，同时大大提高了乳化沥青粘结材料的抗车辙性能和耐热性，可以广泛应用于城市道路、桥面铺装、隧道道面及机场道面等道路罩面层铺装中。

Description

一种阻热型改性乳化沥青及其配制方法

技术领域

本发明属于路面、隧道道面等采用常温拌合沥青技术领域，具体涉及一种阻热型改性乳化沥青及其配制方法。

背景技术

在我国，沥青混凝土路面以其较好的路面使用性能、足够的力学强度和简便的维修养护工作，被广泛应用于公路和城市道路，是高速公路的主要路面形式。

但是，沥青混凝土路面常出现开裂、泛油、坑槽、车辙等病害，其中，以夏季高温出现的车辙尤为突出，不仅影响了道路的使用性能，增加了后期养护的成本，特别是在雨季时期，排水不及时，会造成轮胎打滑，甚至危及生命。

因此，提高路面的高温稳定性，减少车辙的产生，意义重大。在道路设计中，提高路面的抗车辙性能，一直是道路材料设计的主要考虑内容，国内外的专家学者们尝试不同的方法，如控制沥青用量、改变集料配合比、提高集料的强度等，效果却未能尽如人意。

例如，车辙的出现和温度环境有很大关系，沥青路面通常为黑色，空隙率小而封闭，吸热迅速，放热缓慢，高温条件下沥青混合料劲度模量大幅下降，抗变形能力急剧降低，容易出现车辙病害。因此，沥青路面降温对预防车辙尤为重要。传统的热阻路面一般在沥青混合料中掺加陶瓷等热阻集料，适宜采用中空的闭孔式可以防止空气对流换热。但陶瓷一类的集料本身强度就低，采用中空结构更加不利，导致降低了热阻路面的承载能力和水稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有的沥青混凝土路面在高温下容易出现开裂、泛油、坑槽、车辙等病害，不仅影响了道路的使用性能，增加了后期养护的成本，特别是在雨季时期，排水不及时，会造成轮胎打滑，甚至危及生命。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种阻热型改性乳化沥青，包括重量配比如下的：

SiO₂气凝胶具有较高的孔隙率，且比较酥散，预示着表面积会非常大，将其分散在沥青粘结料中将会很好的降低粘结料的导热系数，对降低路面温度有着重大作用。所以本发明将SiO₂气凝胶改性有机硅树脂胶乳与沥青材料结合，使二者充分结合后成为一种新型沥青混合料粘结料，实现降低路面温度，增强材料高温稳定性，减少车辙损害，改善路用性能的目的；隔热和保温的效果佳；本发明在配制好SiO₂气凝胶改性有机硅树脂的基础上，在常规乳化沥青生产工艺及设备上进行阻热型改性乳化沥青的配制和生产，不需要对生产设备进行改装，便于生产；实际使用中，高速公路、一级公路上的基质沥青采用A级、B级沥青，其他等级公路基质沥青采用C级。

具体的，所述SiO₂气凝胶改性有机硅树脂胶乳采用SiO₂气凝胶粉末与有机硅树脂按照1:3～1:5的重量比复合而成，由有机硅树脂作为改性剂载体再与沥青改性剂对基质沥青进行复合改性，其中SiO₂气凝胶粉末满足如下技术要求：

当SiO₂气凝胶粉末粒径在20～30纳米时，实验表明此时不但比表面积较大，同时其导热系数处于较低的范围，因此，更有利于减少传递到面层以下的热量，隔热和保温的效果更佳。

具体的，所述的SiO₂气凝胶粉末制备各成分摩尔比如下：

硅酸四乙酯 20～30份

异丙醇 100份

去离子水 100份。

利用硅酸四乙酯的水解缩聚反应作为硅源，并通过后来的溶胶凝胶，老化陈化，洗涤等多种工序，得到较为纯净、干燥符合要求的SiO₂气凝胶粉末。

具体的，所述的改性胶乳采用SBR改性胶乳或者SBS改性胶乳，且改性胶乳的固含量≧45％。

依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)对改性胶乳固含量的规定：不宜小于45％。同时，相对于其他改性胶乳，SBR改性胶乳或者SBS改性胶乳使用更为广泛，且SBS兼具橡胶与塑料的特性，在拌和温度下粘滞度较低，SBS在沥青中可形成网状结构，从而改变沥青的力学性能，因此SBS作为沥青的改性材料是相当适合的。

具体的，所述的乳化剂为阳离子乳化剂。乳化剂可采用阳离子中裂型乳化剂、阳离子慢裂型乳化剂。一般情况下，宜采用慢裂型阳离子乳化剂，当需要再生结构层较快成型时，可采用中裂型阳离子乳化剂。

具体的，所述的助剂为无机二氧化硅气凝胶专用表面活性剂。

具体的，所述的水为满足人类饮用要求的饮用水。

一种阻热型改性乳化沥青的配制方法，包括下述步骤：

(1)准备材料：准备摩尔比为20～30份的硅酸四乙酯、100份的异丙醇和100 份的去离子水，制备获得SiO₂气凝胶粉末；且SiO₂气凝胶粉末满足如下技术要求：

再次称取重量比为100份的基质沥青、1～5份的SiO2气凝胶粉末、5～15份的有机硅树脂、1～3份的乳化剂、1～4份的改性胶乳、1～3份的助剂和30～40份的水；

(2)提前3－4小时将基质沥青加热到130－140℃；

(3)将步骤1称取的SiO₂气凝胶粉末与有机硅树脂进行复配，所述复配即直接拌合，得到10～20份的SiO₂气凝胶改性有机硅树脂胶乳；

(4)将水加热至60～70℃，然后将乳化剂注入到水中，搅拌1～2分钟后形成乳液；

(5)将步骤3得到的SiO₂气凝胶改性有机硅树脂胶乳注入步骤4得到的乳液中，且继续搅拌1～2min后，得到复合乳液；

(6)将步骤5得到的复合乳液注入胶体磨后，再将助剂、步骤1得到的130～140℃的基质沥青注入胶体磨与复合乳液共同剪切、乳化，经过2～4min的乳化，得到具有阻热性能的改性乳化沥青；

(7)将步骤5得到的具有阻热性能的改性乳化沥青降温到60℃以下后，泵入储存罐，再将改性胶乳注入储存罐，以1500r/min的搅拌速度，拌合3～5min，得到成品。

本发明将基质沥青加热到130－140℃备用，使沥青处于黏塑性状态，便于接下来与改性剂等其他成分拌合，采用SiO₂气凝胶粉末与有机硅树脂进行拌合复配，合成 SiO₂气凝胶改性有机硅树脂胶乳；保证制作乳液的水的温度在60～70℃，是为了提高其与基质沥青的结合效果；采用机械搅拌和化学稳定的乳化工艺将沥青、改性剂、乳化剂加工成一种水包油或油包水的乳剂型液态沥青，即改性乳化沥青，是一种常温下粘度较低、流动性很好道路建筑材料，具有使用便捷、冷拌冷铺、施工季节更为宽泛、与集料裹覆性较好等特点，将温度降低到60℃以下后，才注入改性胶乳是为了防止乳化沥青破乳离析造成喷洒困难和温度过高造成水分挥发。

本发明的优点是：

SiO₂气凝胶改性有机硅树脂胶乳与沥青依靠化学键的作用发生更加强烈的联系在一起，不易产生离析，更好的发挥阻热性能。

本发明产品应用范围广泛，在道面、路面、桥面铺装层中，不但对稀浆封层、微表处、碎石封层车等原有施工设备及施工工艺不产生影响，同时更能够加快这些养护工艺或薄层罩面工艺的推广和应用。

该发明采用了改性胶乳与阻热剂对基质沥青进行综合改性，不但保证了乳化沥青的物理、化学、力学性能，同时大大提高了乳化沥青粘结材料的抗车辙性能，可以广泛应用于城市道路、桥面铺装、隧道道面及机场道面等道路罩面层铺装中。

具体实施方案

本发明一种阻热型改性乳化沥青，包括重量配比如下的：

其中，所述SiO₂气凝胶改性有机硅树脂胶乳采用SiO₂气凝胶粉末与有机硅树脂按照1:5～1:3的重量比复合而成，由有机硅树脂作为改性剂载体再与沥青改性剂对基质沥青进行复合改性，其中SiO₂气凝胶粉末满足如下技术要求：

所述的SiO₂气凝胶粉末制备各成分摩尔比如下：

硅酸四乙酯 20～30份

异丙醇 100份

去离子水 100份。

所述的改性胶乳采用SBR改性胶乳或者SBS改性胶乳，且改性胶乳的固含量≧40％。

所述的乳化剂为阳离子乳化剂。乳化剂可采用阳离子中裂型乳化剂、阳离子慢裂型乳化剂，一般情况下，宜采用慢裂型阳离子乳化剂，当需要再生结构层较快成型时，可采用中裂型阳离子乳化剂。

所述的助剂为无机二氧化硅气凝胶专用表面活性剂。

所述的水为满足人类饮用要求的饮用水。

实际使用中，高速公路、一级公路上的基质沥青采用A级、B级沥青，其他等级公路基质沥青采用C级。

车辙的出现和温度环境有很大关系，沥青路面通常为黑色，空隙率小而封闭，吸热迅速，放热缓慢，高温条件下沥青混合料劲度模量大幅下降，抗变形能力急剧降低，容易出现车辙病害。因此，沥青路面降温对预防车辙尤为重要。传统的热阻路面一般在沥青混合料中掺加陶瓷等热阻集料，适宜采用中空的闭孔式可以防止空气对流换热。但陶瓷一类的集料本身强度就低，采用中空结构更加不利，导致降低了热阻路面的承载能力和水稳定性。

SiO₂气凝胶的导热系数低，空隙率大，是一种隔热性能十分好的材料。

热量的传递一般分为3种途径：热传导、热对流、热辐射，其中固体传热的主要方式为热传导。而这3种热量传递形式同样适用于SiO₂气凝胶。首先，热传导方面，由于气凝胶结构中存在着无穷多的纳米孔隙，热量只能沿着Si0₂气凝胶在气凝胶的三维网络骨架传递，这样的话就在很大程度上增加了热量传递的通道，热量在沿着近乎无限通道传递的过程中，能量被不断消耗，热传导率就会很低；其次，在热对流方面，热对流是指物体之间或流体内部，通过流体的相对流动，把能量从高温区带到低温区，虽然SiO₂气凝胶结构内存在大量空气，但是因为其孔径只有几十纳米，比气体分子运动的平均自由程70nm要小，这样的话热对流传导率就很小；最后，对于热辐射方面SiO₂气凝胶结构内存在大量孔隙，这些孔隙壁相当于“无数遮阳板”的作用，在很大程度上降低了辐射传热。

所以，添加SiO₂气凝胶阻热型改性沥青能够实现降低路面温度，增强材料高温稳定性，减少车辙损害，改善路用性能。

实施例1

(1)准备材料：称取20份的硅酸四乙酯、100份的异丙醇和100份的去离子水，用于制备SiO₂气凝胶粉末。前述份数为摩尔比，制作得到2公斤的SiO₂气凝胶粉末。该制备方法为现有成熟技术，此处不再赘述。

制备得到的SiO₂气凝胶粉末符合下列参数：

再称取70号A级基质沥青100公斤、有机硅树脂8公斤、阳离子中裂型乳化剂1公斤、固含量≧45％的SBR改性胶乳1公斤、无机二氧化硅气凝胶专用表面活性剂1公斤和可以直接为人饮用的水30公斤。

(2)提前3小时将基质沥青加热到130℃；

(3)将步骤1称取的SiO₂气凝胶粉末与有机硅树脂进行复配，得到10公斤的SiO₂气凝胶改性有机硅树脂胶乳；

(4)将水加热至60℃，然后将乳化剂注入到水中，搅拌1分钟后形成乳液；

(5)将步骤3得到的SiO₂气凝胶改性有机硅树脂胶乳注入步骤4得到的乳液中，且继续搅拌1min后，得到复合乳液；

(6)将步骤5得到的复合乳液注入胶体磨后，再将助剂、步骤1得到的130℃的基质沥青注入胶体磨与复合乳液共同剪切、乳化，经过2min的乳化，得到具有阻热性能的改性乳化沥青；

(7)将步骤5得到的具有阻热性能的改性乳化沥青降温到60℃以下后，泵入储存罐，再将改性胶乳注入储存罐，以1500r/min的搅拌速度，拌合5min，得到成品。

试验检测方法：

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)、《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)进行试验，结果如下：

表1基质沥青性能检测结果

试验项目	技术要求	检测结果	试验方法
				针入度(25℃，100g,5s)(0.1mm)	60-80	76	T0604
延度(10℃)不小于(cm)	15	＞90	T0605
				软化点(环球法)不小于(℃)	46	50	T0606

表2阻热性型改性乳化沥青性能检测结果

表3不同时刻温度值对比/℃

可知，两种沥青路面路表的温度均呈现先升高后减小的趋势，随着温度的升高两种路面的温差越来越大。在14:00点左右，温差达到最大值，此时普通沥青路面的路表温度为60.5℃，隔热型沥青路面的路表温度为49.3℃，差值为11.2℃。由此可以说明，喷洒阻热沥青铺装层可以有效降低夏季高温天气下沥青路面的温度，从而延缓了路面的高温破坏，延长路面使用寿命。

实施例2

(1)准备材料：称取25份的硅酸四乙酯、100份的异丙醇和100份的去离子水，用于制备SiO₂气凝胶粉末。前述份数为摩尔比，制备得到3公斤的SiO₂气凝胶粉末。该制备方法为现有成熟技术，此处不再赘述。

制备获得的SiO₂气凝胶粉末满足如下技术要求：

再次称取90号A级基质沥青100公斤、有机硅树脂12公斤、阳离子中裂型乳化剂2公斤、固含量≧45％的SBR改性胶乳2公斤、无机二氧化硅气凝胶专用表面活性剂2公斤和可以直接为人饮用的水35公斤；

(2)提前3小时将基质沥青加热到135℃；

(3)将步骤1称取的SiO₂气凝胶粉末与有机硅树脂进行复配，得到15公斤的SiO₂

气凝胶改性有机硅树脂胶乳；

(4)将水加热至60℃，然后将乳化剂注入到水中，搅拌1.5分钟后形成乳液；

(5)将步骤3得到的SiO₂气凝胶改性有机硅树脂胶乳注入步骤4得到的乳液中，且继续搅拌1.5min后，得到复合乳液；

(6)将步骤5得到的复合乳液注入胶体磨后，再将助剂、步骤1得到的135℃的基质沥青注入胶体磨与复合乳液共同剪切、乳化，经过2min的乳化，得到具有阻热性能的改性乳化沥青；

(7)将步骤5得到的具有阻热性能的改性乳化沥青降温到60℃以下后，泵入储存罐，再将改性胶乳注入储存罐，以1500r/min的搅拌速度，拌合3min，得到成品。

试验检测方法：

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)、《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)进行试验，结果如下：

表4基质沥青性能检测结果

试验项目	技术要求	检测结果	试验方法
				针入度(25℃，100g,5s)(0.1mm)	80-100	95	T0604
延度(10℃)不小于(cm)	15	＞100	T0605
				软化点(环球法)不小于(℃)	46	47.0	T0606

表5阻热性型改性乳化沥青性能检测结果

表6不同时刻温度值对比/℃

可知，两种沥青路面路表的温度均呈现先升高后减小的趋势，随着温度的升高两种路面的温差越来越大。在14:00点左右，温差达到最大值，此时普通沥青路面的路表温度为59.8℃，隔热型沥青路面的路表温度为47.5℃，差值为12.3℃。由此可以说明，喷洒阻热沥青铺装层可以有效降低夏季高温天气下沥青路面的温度，从而延缓了路面的高温破坏，延长路面使用寿命。

实施例3

(1)准备材料：称取30份的硅酸四乙酯、100份的异丙醇和100份的去离子水，用于制备SiO₂气凝胶粉末。前述份数为摩尔比，制备得到5公斤的SiO₂气凝胶粉末。该制备方法为现有成熟技术，此处不再赘述。

所获得的SiO₂气凝胶粉末满足如下技术要求：

再次称取70号B级基质沥青100公斤、有机硅树脂15公斤、阳离子慢裂型乳化剂3公斤、固含量≧45％的SBS改性胶乳4公斤、无机二氧化硅气凝胶专用表面活性剂3公斤和可以直接为人饮用的水40公斤；

(2)提前3小时将基质沥青加热到140℃；

(3)将步骤1称取的SiO₂气凝胶粉末与有机硅树脂进行复配，得到20公斤的SiO₂气凝胶改性有机硅树脂胶乳；

(4)将水加热至60℃，然后将乳化剂注入到水中，搅拌2分钟后形成乳液；

(5)将步骤3得到的SiO₂气凝胶改性有机硅树脂胶乳注入步骤4得到的乳液中，且继续搅拌2min后，得到复合乳液；

(6)将步骤5得到的复合乳液注入胶体磨后，再将助剂、步骤1得到的140℃的基质沥青注入胶体磨与复合乳液共同剪切、乳化，经过2min的乳化，得到具有阻热性能的改性乳化沥青；

(7)将步骤5得到的具有阻热性能的改性乳化沥青降温到60℃以下后，泵入储存罐，再将改性胶乳注入储存罐，以1500r/min的搅拌速度，拌合4min，得到成品。

试验检测方法：

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)、《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)进行试验，结果如下：

表7基质沥青性能检测结果

试验项目	技术要求	检测结果	试验方法
				针入度(25℃，100g,5s)(0.1mm)	60-80	70	T0604
延度(10℃)不小于(cm)	10	＞70	T0605
				软化点(环球法)不小于(℃)	44	47.0	T0606

表8阻热性型改性乳化沥青性能检测结果

表9不同时刻温度值对比/℃

可知，两种沥青路面路表的温度均呈现先升高后减小的趋势，随着温度的升高两种路面的温差越来越大。在14:00点左右，温差达到最大值，此时普通沥青路面的路表温度为61.8℃，隔热型沥青路面的路表温度为50.5℃，差值为11.3℃。由此可以说明，喷洒阻热沥青铺装层可以有效降低夏季高温天气下沥青路面的温度，从而延缓了路面的高温破坏，延长路面使用寿命。

综上所述，本发明能够降低路面温度，提高普通改性乳化沥青的高温稳定性能力，减少车辙病害的产生，使微表处、稀浆封层、碎石封层等冷拌冷铺混合料广泛应用于桥面铺装层、隧道道面、城市道路、各等级路面上，既确保沥青材料的路用性能不受影响，又要对沥青混合料的抗车辙性能有着显著的改善；其次，该发明在配制阻热型改性乳化沥青时不能对改性胶乳、乳化剂的技术性能产生不良影响；第三，本发明是确保在改性乳化沥青生产过程中不出现悬浮、漂浮等不混溶现象。

Claims (8)

1.一种阻热型改性乳化沥青，其特征在于，包括重量配比如下的：

2.根据权利要求1所述的阻热型改性乳化沥青，其特征在于：所述SiO₂气凝胶改性有机硅树脂胶乳采用SiO₂气凝胶粉末与有机硅树脂按照1:3～1:5的重量比复合而成，由有机硅树脂作为改性剂载体再与沥青改性剂对基质沥青进行复合改性，其中SiO₂气凝胶粉末满足如下技术要求：

3.根据权利要求2所述的阻热型改性乳化沥青，其特征在于：所述的SiO₂气凝胶粉末制备各成分摩尔比如下：

硅酸四乙酯 20～30份

异丙醇 100份

去离子水 100份。

4.根据权利要求1所述的阻热型改性乳化沥青，其特征在于：所述的改性胶乳采用SBR改性胶乳或者SBS改性胶乳，且改性胶乳的固含量≧45％。

5.根据权利要求1所述的阻热型改性乳化沥青，其特征在于：所述的乳化剂为阳离子乳化剂。

6.根据权利要求1所述的阻热型改性乳化沥青，其特征在于：所述的助剂为无机二氧化硅气凝胶专用表面活性剂。

7.根据权利要求1所述的阻热型改性乳化沥青，其特征在于：所述的水为满足人类饮用要求的饮用水。

8.一种制备权利要求1-7任意一项所述的阻热型改性乳化沥青的配制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)准备材料：准备摩尔比为20～30份的硅酸四乙酯、100份的异丙醇和100份的去离子水，制备获得SiO2气凝胶粉末；且SiO2气凝胶粉末满足如下技术要求：

再次称取重量比为100份的基质沥青、1～5份的SiO2气凝胶粉末、5～15份的有机硅树脂、1～3份的乳化剂、1～4份的改性胶乳、1～3份的助剂和30～40份的水；

(2)提前3－4小时将基质沥青加热到130－140℃；

(3)将步骤1称取的SiO2气凝胶粉末与有机硅树脂进行复配，所述复配即直接拌合，得到10～20份的SiO2气凝胶改性有机硅树脂胶乳；

(4)将水加热至60～70℃，然后将乳化剂注入到水中，搅拌1～2分钟后形成乳液；

(5)将步骤3得到的SiO2气凝胶改性有机硅树脂胶乳注入步骤4得到的乳液中，且继续搅拌1～2min后，得到复合乳液；

(6)将步骤5得到的复合乳液注入胶体磨后，再将助剂、步骤1得到的130～140℃的基质沥青注入胶体磨与复合乳液共同剪切、乳化，经过2～4min的乳化，得到具有阻热性能的改性乳化沥青；

(7)将步骤5得到的具有阻热性能的改性乳化沥青降温到60℃以下后，泵入储存罐，再将改性胶乳注入储存罐，以1500r/min的搅拌速度，拌合3～5min，得到成品。