CN111808433A - 耐高温改性沥青路面修复材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐高温改性沥青路面修复材料及其制备方法，其由以下质量份数的物质制成：基质沥青76～96份、接枝SBS改性剂15～20份、多聚磷酸1～5份、增粘剂4～9份、稳定剂3～6份、防老剂4～6份，其中接枝SBS改性剂为SBS与偶联剂通过偶联反应制备得到。其制备方法为：先将固态基质沥青烧化成液态，然后按上述质量份数称取液态基质沥青、接枝SBS改性剂、多聚磷酸混合于改性体系中，搅拌速率为800～1000r/min，时间为15min，温度为180℃；再提高改性体系搅拌速率至1500～2000r/min，同时加入增粘剂、稳定剂和防老剂；最后提高改性体系温度至240℃，搅拌发育2h，即制备得到改性沥青路面修复材料，耐高温，使用寿命长。

Description

耐高温改性沥青路面修复材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及沥青材料领域，是一种耐高温改性沥青路面修复材料及其制备方法。

背景技术

沥青道路是目前我国乃至世界各国高等级公路的重要类型之一，因其路面平整、无接缝、振动小、噪音低、行车效率高、维修养护方便等优点而得到广泛发展，但同时沥青道路也存在弊端，沥青道路路面因其材料各项性能不足，在光、热等自然环境条件下，导致经常出现一定程度上的损坏而影响到人们出行过程中车辆通行的速度与质量，甚至严重影响到人们的交通安全。为了尽量地减少交通问题，须及时且有效地对这些破损的沥青路面进行修复。除此以外，这些地区的道路养护工作也十分困难，道路的重修频率及维护成本正逐年攀升，并且在每次进行维修之后都需要一段较长时间的养护，养护过程中需要设置隔离等手段，如此必会造成道路通行受阻，因此给人们的出行造成很大的不便。在众多破损沥青道路的实际案例中，高温地区的沥青道路是最为常见的情况之一，常年承受高温环境的沥青道路路面甚至会在短时间内出现反复破损，这是由于沥青作为黏弹性材料，在高温环境下，其性能由弹性体向塑性体转化，劲度模量大幅度降低，抗变形能力急剧下降，再经过车辆荷载的反复碾压，因此很容易造成路面永久变形。现今高温地区沥青道路路面修复材料存在众多不足，主要有如下：(1)修复材料配方设计不够科学造成修复与养护工作成本较高。(2)修复材料耐高温等各种路用性能不足，无法适用当前环境压力造成二次破损频发，浪费材料与费用。(3)修复材料制备工序复杂，对制备条件与设备要求高。因此，研发出一种具备耐高温性能的改性沥青路面修复材料以适用于常年高温的热带地区沥青路面修复已是迫在眉睫。

在当前的聚合物改性沥青的研究中，SBS改性沥青的应用是最为广泛的一种，其因优良的路用性能，尤其是耐高温性能，因此在我国亦得到很大的推广与发展，但其仍存在一些缺陷：一、对于常年高温地区，改性沥青路面修复材料需要有非凡高温性能，故对沥青材料软化点的要求须更高，如若采用传统的SBS改性剂，一般需要较高的掺量，这一方面会造成黏度过大和存储稳定性问题；另一方面工业成本会迅速上升。二、SBS与基质沥青由于在分子量、密度、溶解度等参数及其他物理化学性质方面均存在较大差异，因此SBS与基质沥青相容性较差，容易导致SBS改性沥青离析分层现象，进而影响到改性沥青路面修复材料的改性效果、施工质量和路用性能。在以往的研究中通常通过添加含芳香分的相容剂，例如芳烃油、糠醛抽出油等，但这种相容剂的效果并没有很显著，且还含有一定毒性。

目前，如中国专利文献刊载的申请公布号CN105647207A，申请公布日2016年6月8日，发明专利申请名称为“一种耐高温的SBS改性沥青及其制备方法”，它将线型SBS作为改性剂，通过糠醛抽出油增加SBS与沥青相容性，以及改性沥青专用稳定剂混合搅拌，所制得的改性沥青软化点大于73℃。其采用线型SBS改性剂改性沥青，改性后沥青软化点得到提升，但仍不能满足高温地区对沥青道路路面高温性能的要求。

如中国专利文献刊载的申请公布号CN103232714A，申请公布日2013年8月7日，发明专利申请名称为“一种高软化点SBS改性沥青”，其采用的基质沥青为油砂和中海油原油掺炼所得，选用油砂为原料配制的改性沥青的软化点相对较高，但由于未添加任何增容剂，因此改性剂与基质沥青的相容性并不好，且135℃下粘度过大，高达1900Pa·s，在改性沥青的制备过程中对设备要求较高，能耗较大，成本较高，而且油砂在改性沥青领域应用不广泛，适用性不强。

再如中国专利文献刊载的申请公布号CN102719107A，申请公布日2012年10月10日，发明专利申请名称为“一种高性能SBS改性乳化沥青机器制备方法”，它主要按重量百分比将56～67%的基质沥青，1.2～2.5%的SBS，0.5～1.5%的EVA蜡，0.2～2.5%的阳离子乳化机，0～0.2%的增稠剂，30～42%的水充分混合改性，制得的改性沥青具有较好的高温性能，软化点可达76℃以上，其60℃粘度得到提升，同时135℃粘度得到降低，但其制备过程中成本较高。

还有如中国专利文献刊载的申请公布号CN109054414A，申请公布日2018年12月21日，发明专利申请名称为“一种耐高温路用阻尼改性沥青及其制作方法”，它将一定比例的基质沥青、线型SBS改性剂、EVA改性剂、相容剂、阻尼添加剂和稳定剂混合改性，其所制备的改性沥青具有良好的耐高温和抗震性能，其软化点可达88℃，但由于SBS改性剂添加量过高，致使体系黏度过高，耗能较大，同时对制备设备要求也较高。

因此，当前研究中关于常年高温的热带地区的改性沥青路面修复材料已无法满足诸如当前环境对沥青道路的需求，只有具备更优秀的耐高温性能的改性沥青路面修复材料才是目前市场中最迫切需求的。

发明内容

为克服上述不足，本发明的目的是向本领域提供一种耐高温改性沥青路面修复材料及其制备方法，使其解决现有同类沥青路面修复材料制备较为繁琐，成本较高，耐高温性能欠佳，较难适用于常年高温热带地区的技术问题。其目的是通过如下技术方案实现的。

一种耐高温改性沥青路面修复材料，其特征在于该修复材料由以下质量份数的物质制成：基质沥青76～96份、接枝SBS改性剂15～20份、多聚磷酸1～5份、增粘剂4～9份、稳定剂3～6份、防老剂4～6份，其中所述接枝SBS改性剂为SBS与偶联剂通过偶联反应制备得到。通过预先混合SBS和偶联剂，经偶联反应制备获得接枝SBS改性剂，相比于现有的SBS，其软化点可达95℃，比以往SBS改性剂效果更显著，从而使该沥青道路修复材料的高温性能、机械性能、耐磨性能均得到较大提升。通过添加多聚磷酸（PPA），PPA与基质沥青相容性较佳，可以有效促进SBS与基质沥青的溶胀反应，使SBS分散成细小的颗粒，有利于沥青中的轻质组分在SBS分子结构中渗透，从而高效地促进SBS与基质沥青的相容性。同时PPA也具有较好的耐高温性能，其添加还能更进一步提高改性沥青路面修复材料的耐高温性能。

所述基质沥青为去除水分和杂质的50#～90#道路沥青。

所述接枝SBS改性剂为SBS与偶联剂以50：1混合后经偶联反应制备得到，其中SBS为苯乙烯与丁二烯嵌段共聚物，偶联剂为KH-560。

所述多聚磷酸中，磷酸含量15%，五氧化二磷含量≥84%，氯化物≤0.001%，硫酸盐≤0.05%，重金属≤0.01%，铁≤0.001%。该多聚磷酸（PPA）能很大程度地改善SBS改性剂与基质沥青的相容剂，比传统的相容剂效果更为显著。

所述增粘剂为甲基纤维素。

所述稳定剂为聚乙烯醇。

所述防老剂为UV-531。

该耐高温改性沥青路面修复材料的制备方法包括如下制备步骤：

(1)熔融：将固态基质沥青烧化成液态；

(2)预混：按上述质量份数称取液态基质沥青、接枝SBS改性剂、多聚磷酸，将其混合于改性体系中，搅拌预混得到预混物料，其中搅拌速率设置为800～1000r/min，搅拌时间为15min，改性体系温度为180℃；

(3)剪切：提高改性体系搅拌速率至1500～2000r/min，同时加入增粘剂、稳定剂和防老剂，得到混合物；

(4)发育：提高改性体系的温度至240℃，搅拌发育2h，即制得该耐高温改性沥青路面修复材料。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供一种耐高温改性沥青路面修复材料及其制备方法，采用经偶联剂进行偶联反应所制备得到的SBS改性剂进行改性基质沥青，相比于传统改性剂SBS而言，其在掺量更少的情况下软化点会更高，其软化点可达95℃，特别适用于常年高温的热带地区。

2、本发明添加多聚磷酸（PPA）能有效地增强SBS与基质沥青的接枝共聚反应，从而提高SBS与基质沥青的相容性，其增容效果比传统相容剂更好，可完全替代传统相容剂。

3、本发明添加UV-531作为防老剂，有效地提高常年高温的热带地区的沥青道路路面抗强紫外线能力，延长沥青道路使用寿命。

4、本发明的制作方法工艺简单、成本低、能耗小，对制作设备要求不高，能较大程度地降低能耗，适合一定规模的现场实际应用。

5、本发明实验研究结果表明，该产品完全符合常年高温的热带地区聚合物改性沥青三大性能指标的最低技术要求，包括：针入度（25℃，60 g，5 s）在2.0～3.0 mm、软化点（℃）≥ 85，延度（5℃，5 cm/min）/cm≥20，因此该产品适用于常年高温的热带地区沥青路面修复。

附图说明

图1为本发明实施例1制备样品的扫描电镜图。

图2为本发明实施例2制备样品的扫描电镜图。

图3为本发明实施例3制备样品的扫描电镜图。

图4为本发明实施例4制备样品的扫描电镜图。

图5为本发明实施例5制备样品的扫描电镜图。

图6为本发明对比实施例1制备样品的扫描电镜图。

图7为本发明对比实施例1制备样品的热重-差示扫描量热分析图。

图8为本发明对比实施例1制备样品的红外分析图。

图9为本发明实施例1制备样品的热重-差示扫描量热分析图。

图10为本发明实施例1制备样品的红外分析图。

具体实施方式

现结合附图1～10，以具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：

一种耐高温改性沥青路面修复材料，包括如下质量份数的物质：基质沥青85份、接枝SBS改性剂19份、多聚磷酸（PPA）3份、增粘剂（甲基纤维素）6份、稳定剂（聚乙烯醇）4份、防老剂（UV-531）5份。其中接枝SBS改性剂是通过型号为YH-801型SBS（即苯乙烯与丁二烯嵌段共聚物）预先与偶联剂按比例混合，经偶联反应制备获得，其中偶联剂为KH-560，混合比例采用SBS:KH-560=50:1，以下实施例中的接枝SBS改性剂均是如此。

上述耐高温改性沥青路面修复材料的制备方法，包括以下步骤：其制备过程包括熔融、预混、剪切和发育；在熔融过程中将固态基质沥青通过液化石油气烧化成液态以便于称取。在预混过程中称取上述质量份数的液态基质沥青、接枝SBS改性剂、多聚磷酸混合搅拌，其中搅拌速率为800～1000r/min，搅拌时间为15min，改性体系温度为180℃。在剪切过程中加入甲基纤维素、聚乙烯醇和UV-531得到混合物后需要提高改性体系搅拌速率至1500～2000r/min使混合物充分混合均匀。最后的发育过程须进一步提高改性体系的温度至240℃，在恒定温度、恒定搅拌速率下发育2h，即得到一种耐高温改性沥青路面修复材料。

实施例二：

一种耐高温改性沥青路面修复材料，包括如下质量份数的物质：基质沥青81份、接枝SBS改性剂19份、多聚磷酸（PPA）2份、增粘剂（甲基纤维素）8份、稳定剂（聚乙烯醇）5份、防老剂（UV-531）6份。

上述耐高温改性沥青路面修复材料的制备方法，包括以下步骤：同实施例一相同，改性沥青路面修复材料须经4个过程才能制备获得；固态基质沥青在熔融过程中通过液化石油气烧化为液态，合理存放以备称取。为了使PPA更好地促进SBS与基质沥青的相容性，须进行预混阶段，按上述质量份数称取液态基质沥青、接枝SBS改性剂、多聚磷酸混合搅拌，在搅拌速率800～1000r/min，搅拌时间为15min，温度为180℃的改性体系下混合物得以初步混合均匀。接下来，将甲基纤维素、聚乙烯醇和UV-531加入上述改性体系中，提高搅拌速率至1500～2000r/min达到剪切阶段。最后，提高改性体系的温度至220℃，培育2h为发育阶段工艺，即得一种耐高温改性沥青路面修复材料。

实施例三：

一种耐高温改性沥青路面修复材料，包括如下质量份数的物质：基质沥青79份、接枝SBS改性剂16份、多聚磷酸2份、增粘剂（甲基纤维素）7份、稳定剂（聚乙烯醇）4份、防老剂（UV-531）4份。

上述耐高温改性沥青路面修复材料的制备方法，包括以下步骤：将已烧化为液态的基质沥青按要求份数称取添加于改性体系中；将基质沥青、接枝SBS改性剂、多聚磷酸进行初步混合，在机械搅拌下，搅拌速率为800～1000r/min，搅拌时间为15min，温度为180℃，以保证SBS与基质沥青的相容性较好；然后再将甲基纤维素、聚乙烯醇和UV-531加入改性体系中，此时须提高提高搅拌速率至1500～2000r/min使各种物质得以均匀分散；最终在1.5h的发育阶段中需将改性体系升温至240℃，即得到一种耐高温改性沥青路面修复材料。

实施例四：

一种耐高温改性沥青路面修复材料，包括如下质量份数的物质：基质沥青91份、接枝SBS改性剂15份、多聚磷酸4份、增粘剂（甲基纤维素）9份、稳定剂（聚乙烯醇）6份、防老剂（UV-531）6份。

上述耐高温改性沥青路面修复材料的制备方法，包括以下步骤：1、熔融：将固态基质沥青通过液化石油气烧化成液态；2、预混：按上述质量份数称取液态基质沥青、接枝SBS改性剂、多聚磷酸，将其混合于改性体系中，搅拌预混得到预混物料，其中搅拌速率设置为800～1000r/min，搅拌时间为15min，改性体系温度为180℃；3、剪切：提高改性体系搅拌速率至1500～2000r/min，同时加入甲基纤维素、聚乙烯醇和UV-531得到混合物；4、发育：提高改性体系的温度至200℃，搅拌发育2h。即得到一种耐高温改性沥青路面修复材料。

实施例五：

一种耐高温改性沥青路面修复材料，包括如下质量份数的物质：基质沥青86份、接枝SBS改性剂14份、多聚磷酸5份、增粘剂（甲基纤维素）8份、稳定剂（聚乙烯醇）4份、防老剂（UV-531）6份。

上述耐高温改性沥青路面修复材料的制备方法，包括以下步骤：将已使用液化石油气烧化成液态的基质沥青，按要求称取并置于改性体系中；先加入接枝SBS改性剂和多聚磷酸，在搅拌速率为800～1000r/min，搅拌时间为15min，温度为180℃下进行充分溶胀反应；然后加入甲基纤维素、聚乙烯醇和UV-531，同时提高改性体系的搅拌速率至1500～2000r/min；最后再提高改性体系的搅拌温度至220℃，保持以上搅拌速率与搅拌温度发育2h，即得到一种耐高温改性沥青路面修复材料。

实施例一至五所得样品采用STLL-7型软化点测定仪测其软化点，采用STLZ-5型针入度仪测其25℃时针入度、STYD-7型延度仪测其5℃时延度，其检测结果如下表所示：

样品编号	实施例一	实施例二	实施例三	实施例四	实施例五
						软化点（℃）	95.3	93.2	94.3	91.8	94.0
25℃针入度（mm）	2.1	2.7	2.4	2.6	2.5
						5℃延度（cm）	25.3	20.7	21.3	22.5	23.4

对实施例一至五以及对比实施例一制备的样品进行扫描电镜测试，该测试采用德国蔡司生产的型号为ZEISSSUPRA40扫描电子显微镜，观察基质沥青路面修复材料与改性沥青路面修复材料微观结构。沥青样品导电性差，在观察前需要对其进行喷金，粘导电胶上观察。对实施例一以及对比实施例一制备的样品进行热重-差示扫描量热分析与红外分析，分析其热稳定性与官能团变化情况来分析是否发生化学变化。

图6为未添加改性剂改性的基质沥青SEM图，因此表面很平整；图1～图5为经改性剂改性的样品SEM图，其表面改性剂分散较为均匀，说明相容性较好；图7为未添加改性剂改性的基质沥青热重-差示扫描量热分析图，图8为未添加改性剂改性的基质沥青红外分析图；图9为添加改性剂改性的样品热重-差示扫描量热分析图，对比图7与图9，可以发现DSC图像中吸收峰在550℃～700℃之间的热吸收峰面积显然比基质沥青样品的小得多，整条曲线也较前者平缓得多，这也说明添加改性剂改性的路面修复材料使其热稳定性能得到了较大的提升；图10为添加改性剂改性的样品的红外分析图，对比图8与图10，图10在961cm^-1与697cm^-1两处也有较强的新的吸收峰，961cm^-1是RCH＝CH₂中C－H键的弯曲振动峰，697cm^-1是YH-801型SBS中PS段苯环单取代C－H键弯曲振动峰，这两个都是YH-801型SBS的特征吸收峰，对比基质沥青红外谱图，可判断出本发明在改性过程中无化学变化，其基本上以物理混合为主。

以上所述仅为本发明的实施手段，并非限制本发明的技术范围，凡是利用本发明说明书内容所作的显而易见的改进或替换，或直接、间接运用于其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的权利保护范围内。

Claims (8)

1.一种耐高温改性沥青路面修复材料，其特征在于该修复材料由以下质量份数的物质制成：基质沥青76～96份、接枝SBS改性剂15～20份、多聚磷酸1～5份、增粘剂4～9份、稳定剂3～6份、防老剂4～6份，其中所述接枝SBS改性剂为SBS与偶联剂通过偶联反应制备得到。

2.根据权利要求1所述的耐高温改性沥青路面修复材料，其特征在于所述基质沥青为去除水分和杂质的50#～90#道路沥青。

3.根据权利要求1所述的耐高温改性沥青路面修复材料，其特征在于所述接枝SBS改性剂为SBS与偶联剂以50：1混合后经偶联反应制备得到，其中SBS为苯乙烯与丁二烯嵌段共聚物，偶联剂为KH-560。

4.根据权利要求1所述的耐高温改性沥青路面修复材料，其特征在于所述多聚磷酸中，磷酸含量15%，五氧化二磷含量≥84%，氯化物≤0.001%，硫酸盐≤0.05%，重金属≤0.01%，铁≤0.001%。

5.根据权利要求1所述的耐高温改性沥青路面修复材料，其特征在于所述增粘剂为甲基纤维素。

6.根据权利要求1所述的耐高温改性沥青路面修复材料，其特征在于所述稳定剂为聚乙烯醇。

7.根据权利要求1所述的耐高温改性沥青路面修复材料，其特征在于所述防老剂为UV-531。

8.一种如权利要求1所述耐高温改性沥青路面修复材料的制备方法，其特征在于该制备方法包括如下制备步骤：

(1)熔融：将固态基质沥青烧化成液态；

(2)预混：按上述质量份数称取液态基质沥青、接枝SBS改性剂、多聚磷酸，将其混合于改性体系中，搅拌预混得到预混物料，其中搅拌速率设置为800～1000r/min，搅拌时间为15min，改性体系温度为180℃；

(3)剪切：提高改性体系搅拌速率至1500～2000r/min，同时加入增粘剂、稳定剂和防老剂，得到混合物；

(4)发育：提高改性体系的温度至240℃，搅拌发育2h，即制得该耐高温改性沥青路面修复材料。

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