CN113603395A - 阻燃温拌自愈合沥青混凝土及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阻燃温拌自愈合沥青混凝土及其制备方法和应用，按质量份，包括以下组分：改性沥青100份；温拌剂4‑8份；阻燃剂4‑10份；自愈合成分6‑13份；集料1800‑2200份；矿粉170‑230份；其中，所述自愈合成分为自愈合微胶囊和/或钢棉纤维，所述温拌剂为人造沸石。与现有技术相比，本发明的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，通过人造沸石在提高沥青混凝土的温拌性能的同时，与本发明的阻燃剂搭配，可以协同提高沥青混凝土的氧指数，延长沥青混凝土点燃时间，降低沥青混凝土燃烧热释放速率和CO释放率。
Description
技术领域
本发明属于沥青混凝土领域，尤其涉及一种阻燃温拌自愈合沥青混凝土及其制备方法和应用。
背景技术
沥青混凝土路面具有噪音低、抗滑性能好、易于维修、行车舒适性等优点，在我国公路隧道中得到了广泛的应用。然而沥青本身是一种易于燃烧的有机混合物，当隧道发生火灾时，在隧道封闭式的结构和火灾蔓延的趋势下，不仅会造成巨大的经济损失，还会危害乘客的生命安全。
目前道路建设过程采用的是传统的热拌沥青混合料HMA(Hot Mix Asphalt)，HMA对温度要求很高，在生产和施工过程中，沥青和集料会被加热到很高的温度，不仅需要消耗大量的能源，而且在生产和施工的过程中还会排放大量的废气和粉尘，严重影响施工周围的环境和施工人员的身体健康。而且隧道处于相对潮湿的环境中，对路面的抗水损害性能要求更高，加上巨大的交通量，增加了路面后期养护难度。因此，有待研发一种在保证沥青混凝土路用性能的前提下，具有阻燃温拌自愈合性能的沥青混凝土，以满足隧道路面绿色施工、安全运行以及良好的耐久性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种阻燃温拌自愈合沥青混凝土及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种阻燃温拌自愈合沥青混凝土，按质量份，包括以下组分：
其中，所述自愈合成分为自愈合微胶囊和/或钢棉纤维；所述温拌剂为人造沸石。
优选地，所述阻燃剂为质量比为(3-7)：(0.5-2)：(0.5-2)的十溴二苯乙烷、三氧化二锑和氢氧化铝；
优选地，所述人造沸石中含有结晶水，结晶水占人造沸石的质量分数为15-25％。
优选地，按改性沥青质量份，所述阻燃剂的添加量为7-9份。
优选地，所述改性沥青为SBS改性沥青。
优选地，所述集料为玄武岩集料。
优选地，所述的集料级配为AC、SMA、OGFC任意一种。
优选地，所述阻燃剂为质量比为(4-6)：(0.7-1.5)：(0.7-1.5)的十溴二苯乙烷、三氧化二锑和氢氧化铝。
优选地，所述自愈合成分为多腔室自愈合微胶囊；所述自愈合微胶囊包括囊体和位于囊体内部的自愈合剂，其中自愈合剂为葵花籽油、花生油、菜籽油、大豆油中任意一种。
优选地，所述多腔室自愈合微胶囊的制备方法包括以下步骤：
(1)将海藻酸钠溶解于水中，配置浓度2.0-3.0wt％的海藻酸钠溶液；
(2)将海藻酸钠溶液与自愈合剂、表面活性剂吐温80剪切混合，自愈合剂与海藻酸钠溶液的质量比为10：1，表面活性剂吐温80掺量为自愈合剂体积的5％，剪切速率4000-5500r/min，剪切时间10-15min；
(3)在搅拌下，将步骤(2)得到的溶液滴入50-55℃的2-5wt％的氯化钙溶液中，滴入速率为60-100滴/min；滴加完毕后继续反应3-4h后，将湿胶囊倒出用蒸馏水洗涤、干燥得到多腔室自愈合微胶囊。
优选地，所述的阻燃温拌自愈合沥青混凝土的制备方法，将改性沥青加热，与预热后的集料混合，加入温拌剂、阻燃剂、自愈合成分和矿粉，搅拌，得到阻燃温拌自愈合沥青混凝土。
优选地，将改性沥青加热至140-160℃后，与预热至160-170℃的集料混合，加入温拌剂、阻燃剂、自愈合成分，搅拌85-95s，然后加入矿粉再搅拌85-95s，再经成型工序，制得阻燃温拌自愈合沥青混凝土。
优选地，所述的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，或者，上述制备方法在制备沥青混凝土路面中的应用。
人造沸石，也叫合成沸石，其主要成分为硅铝酸钠，结构中含有结晶水，不考虑摩尔比，其化学式可简单表示为：Na2O·Al2O3·SiO2·H2O。
本发明使用的合成沸石为粉状，优选80-200目，易于分散在改性沥青中。本发明在实验过程中发现，在某些条件下，合成沸石粉在提高沥青的高温流动性的同时，还能够和阻燃剂一起提高沥青的氧指数，延长沥青点燃时间，降低沥青燃烧热释放速率和CO释放率。
自愈合成分可以选择钢棉纤维或者自愈合微胶囊，钢棉纤维作为常见的自愈合成分来修复沥青混凝土。其主要原理是通过外界的电磁感应加热，使得钢棉纤维作为电磁感应受热体，钢棉纤维的温度升高后，再通过热传导给沥青，间接加热沥青使其温度升高，增大沥青的流动性，从而实现沥青混凝土的自修复的作用。
自愈合微胶囊是在利用微胶囊在外力作用下破裂，使得胶囊内的自愈合剂流出，对沥青混凝土实现修复，即实现自我修复的作用。
本发明使用的多腔室自愈合微胶囊应用在混合料中胶囊的强度大于10N，即该胶囊可经受住沥青混凝土的拌合和压实过程中的应力压迫；多腔室自愈合微胶囊平均粒径在1-2.5mm之间，便于在沥青混凝土的拌合过程中分散均匀。
与现有技术相比，本发明的优势主要在于：
(1)本发明的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，通过人造沸石在提高沥青混凝土的温拌性能的同时，与本发明的阻燃剂搭配，可以协同提高沥青混凝土的氧指数，延长沥青混凝土点燃时间，降低沥青混凝土燃烧热释放速率和CO释放率。
(2)本发明的阻燃温拌改性沥青应用到沥青混凝土中，在对沥青路面特别是隧道内沥青路面的阻燃有非常好的应用前景。
(3)本发明的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，在测试阻燃温拌自愈合混凝土的自愈合性能时，发现添加了微胶囊的沥青混凝土的强度恢复率和断裂能恢复率大大提升。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。其中，人工沸石粉的含水量均为20wt％(质量分数)；玄武岩集料中粗集料采用蔚县新源玄武岩矿业有限公司的玄武岩碎石，细集料采用赤城县惠康砂石料加工有限公司的机制砂；矿粉来自阳原龙阳钙业有限责任公司石灰岩磨制的矿粉。
以下实施例和对比例中，除非另有说明，配方中每份均代表质量份，每份为10g。在数据分析中，掺量的百分数是以改性沥青为基准计算的，比如实施例1的温拌剂掺量为6％，阻燃剂的掺量为7％。
下面通过实验和对比来说明人工沸石粉作为温拌剂时，与阻燃剂在阻燃温拌自愈合沥青混凝土中的协同阻燃效果，以及混凝土的自愈合能力。
实施例1：
一种本发明的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，配方为玄武岩集料1923份，SBS(I-C)改性沥青100份、温拌剂人造沸石粉6份，阻燃剂7份(为质量比为5：1：1的十溴二苯乙烷、三氧化二锑和氢氧化铝)，自愈合微胶囊10份，其中沥青混凝土采用的级配为SMA-13。
其中，自愈合微胶囊选择多腔室自愈合微胶囊，所述多腔室自愈合微胶囊的制备方法如下：
(1)将海藻酸钠溶解于水中，配置浓度2.5wt％的海藻酸钠溶液；
(2)将海藻酸钠溶液与自愈合剂葵花籽油、表面活性剂吐温80剪切混合，其中自愈合剂与海藻酸钠溶液的质量比为10：1，表面活性剂吐温80掺量为自愈合剂体积的5％，剪切速率5000r/min，剪切时间12min；
(3)在搅拌作用下，将步骤(2)得到的溶液滴入52±2℃的3wt％的氯化钙溶液中；滴入速率为80滴/min；滴加完毕后继续反应3.5h后，将湿胶囊倒出用蒸馏水洗涤、干燥得到多腔室自愈合微胶囊。
本实施例的阻燃温拌自愈合沥青混凝土的制备方法，步骤如下：
按配方量，将沥青加热至150±5℃后，加入到165±5℃的集料中，同时按照比例一次性加入阻燃剂、温拌剂和自愈合微胶囊，与沥青集料一起拌和90s，然后加入矿粉再拌和90s，再经成型工序，制得阻燃温拌自愈合沥青混凝土。
实施例2：
一种本发明的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，配方为玄武岩集料1923份，SBS(I-C)改性沥青100份、温拌剂人造沸石粉4份，阻燃剂7份(为质量比为5：1：1的十溴二苯乙烷、三氧化二锑和氢氧化铝)，自愈合微胶囊10份，其中沥青混凝土采用的级配为SMA-13。
制备方法同实施例1。
实施例3：
一种本发明的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，配方为玄武岩集料1923份，SBS(I-C)改性沥青100份、温拌剂人造沸石粉8份，阻燃剂7份(为质量比为5：1：1的十溴二苯乙烷、三氧化二锑和氢氧化铝)，自愈合微胶囊10份，其中沥青混凝土采用的级配为SMA-13。
制备方法同实施例1。
实施例4：
一种本发明的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，配方为玄武岩集料1923份，SBS(I-C)改性沥青100份、温拌剂人造沸石粉6份，阻燃剂7份(为质量比为5：1：1的十溴二苯乙烷、三氧化二锑和氢氧化铝)，自愈合微胶囊7份，其中沥青混凝土采用的级配为SMA-13。
制备方法同实施例1。
实施例5：
一种本发明的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，配方为玄武岩集料1923份，SBS(I-C)改性沥青100份、温拌剂人造沸石粉6份，阻燃剂7份(为质量比为5：1：1的十溴二苯乙烷、三氧化二锑和氢氧化铝)，自愈合微胶囊13份，其中沥青混凝土采用的级配为SMA-13。
制备方法同实施例1。
实施例6：
一种本发明的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，配方为玄武岩集料1923份，SBS(I-C)改性沥青100份、温拌剂人造沸石粉6份，阻燃剂7份(为质量比为5：1：1的十溴二苯乙烷、三氧化二锑和氢氧化铝)，钢棉纤维7份，其中沥青混凝土采用的级配为SMA-13。
制备方法基本同实施例1，区别仅在于将钢棉纤维替换自愈合微胶囊。
实施例7
一种本发明的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，其配方和制备方法与实施例1相同，区别仅在于，自愈合剂由葵花籽油变为花生油。
实施例8
一种本发明的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，其配方和制备方法与实施例1相同，区别仅在于，自愈合剂由葵花籽油变为菜籽油。
实施例9
一种本发明的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，其配方和制备方法与实施例1相同，区别仅在于，自愈合剂由葵花籽油变为大豆油。
对比例1：
本对比例的沥青混凝土，配方为玄武岩集料1923份，SBS(I-C)改性沥青100份和温拌剂人造沸石粉4份，自愈合微胶囊10份，其中沥青混凝土采用的级配为SMA-13。
制备方法基本同实施例1，区别仅在于：未添加阻燃剂。
对比例2：
本对比例的沥青混凝土，配方为玄武岩集料1923份，SBS(I-C)改性沥青100份和温拌剂人造沸石粉6份，自愈合微胶囊10份，其中沥青混凝土采用的级配为SMA-13。
制备方法基本同实施例1，区别仅在于：未添加阻燃剂。
对比例3：
本对比例的沥青混凝土，配方为玄武岩集料1923份，SBS(I-C)改性沥青100份和温拌剂人造沸石粉8份，自愈合微胶囊10份，其中沥青混凝土采用的级配为SMA-13。
制备方法基本同实施例1，区别仅在于：未添加阻燃剂。
对比例4：
本对比例的沥青混凝土，配方为玄武岩集料1923份，SBS(I-C)改性沥青100份和阻燃剂7份(阻燃剂由5份十溴二苯乙烷、1份三氧化二锑和1份氢氧化铝组成)，自愈合微胶囊10份，其中沥青混凝土采用的级配为SMA-13。
制备方法基本同实施例1，区别仅在于未添加温拌剂。
对比例5
本对比例的沥青混凝土，配方为玄武岩集料1923份，SBS(I-C)改性沥青100份、温拌剂人造沸石粉6份，阻燃剂7份(阻燃剂由5份十溴二苯乙烷、1份三氧化二锑和1份氢氧化铝组成)，其中沥青混凝土采用的级配为SMA-13。
制备方法基本同实施例1，区别仅在于未添加自愈合胶囊。
以上实施例和对比例的沥青混凝土的油石比均为5.2％(1923份集料，100份改性沥青)，是经过优化后的最佳油石比，其中沥青混凝土采用的级配为SMA-13。
分别将上述实施例1-3和对比例1-4的沥青混凝土切割成70mm*70mm*10mm的混凝土块，将混凝土块分别放入锥形量热仪试验，测试时的热辐射强度为50kW/m2，测试结果见表1。按照JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，分别对上述实施例和对比例的沥青混合料进行浸水马歇尔、冻融劈裂强度、动稳定度、低温弯曲等试验，测试结果见表2。表1和表2中，SBS(I-C)改性沥青混凝土表示空白对照，即没有添加任何添加剂(即与实施例1相比，不添加温拌剂、自愈合成分、阻燃剂)。
表1沥青混凝土的锥形量热仪试验
由表1可知，上述对比例(1-3)的温拌自愈合沥青混凝土的点燃时间与热拌SBS(I-C)改性沥青混凝土的点燃时间165s相当，可见添加温拌剂的温拌自愈合沥青混凝土(对比例1-3)的阻燃性能基本没变化，相比较添加阻燃剂的阻燃温拌自愈合沥青混凝土(实施例1-3)和阻燃自愈合沥青混凝土(对比例4)，其点燃时间大大提升了，可见阻燃剂起到了阻燃的作用。相比较实施例1-3和对比例1-3，其区别在于有无添加阻燃剂；而对比例4和实施例3的区别在于有无添加温拌剂，相比较沥青混凝土的锥形量热仪试验数据可知，加入了温拌剂合成沸石会大大提升阻燃沥青混凝土的阻燃性能。
表2沥青混凝土的路用性能测试
由表2可以看出，相比较空白对照组(SBS改性沥青混凝土)，添加温拌剂的沥青混凝土的对比例(1-3)的水稳定性能有所降低，而添加阻燃剂的沥青混凝土的实施例(1-3)和对比例4的水稳定性得到了提升；比较沥青混凝土的高、低温性能发现，同时添加了阻燃剂和温拌剂的实施例(1-3)得到了大幅度的提升，主要是添加剂作为填料来填充混凝土的空隙的缘故。
添加多腔室自愈合微胶囊的阻燃温拌沥青混凝土具有较强的自愈合能力，在实施例1(温拌剂6份、阻燃剂7份、自愈合剂10份)的基础上，去除多腔室胶囊自愈合剂，其制备方法同实施例1，所得到的温拌阻燃沥青混凝土作为对比例5，以此来表征添加自愈合剂能够提高沥青混凝土的自愈合能力，具体的试验数据见表3。
表3沥青混凝土的自愈合性能表
通过表3沥青混凝土的自愈合性能数据可知，相比不添加自愈合剂的阻燃温拌沥青混凝土(对比例5)，阻燃温拌胶囊自愈合沥青混凝土具有较强的压力自愈合能力，在疲劳次数为10000次时，自愈合沥青混凝土的断裂能恢复率超过了76％，强度恢复率达68％，而不加自愈合剂的沥青混凝土的断裂能恢复率只有44.7％，强度恢复率只有53.6％；随着疲劳次数的增加，沥青混凝土的强度恢复率较最初的强度恢复能力大有增长；多腔室自愈合微胶囊的强度大于10N，在沥青混凝土成型后胶囊的存活率达到了95％，在疲劳荷载60000次后，胶囊的破裂率达到了96.6％，强度恢复率高达82.8％，而不添加自愈合剂的沥青混凝土只有47.6％，强度恢复率只有56.1％。总体来讲，多腔室胶囊自愈合技术不仅对路面后期养护提供了新的技术手段，还大大降低了维护成本和养护难度。
通过对实施例1、4、5及对比例5制备出来的阻燃温拌自愈合沥青混凝土(自愈合胶囊的掺量不同)的路用性能测试，来说明胶囊自愈合剂在沥青混凝土中的适宜掺量，具体的试验数据见表4。
表4沥青混凝土的路用性能表
由于球状胶囊能够在集料之间起一定的润滑作用，使沥青混凝土更易压实，并且可以填充相对较大的孔隙。当胶囊含量增大时，胶囊破坏了原有的嵌挤结构，增加了原有集料的数量和沥青所需包覆集料的表面积，致使沥青饱和度下降，实施例5的饱和度接近规范要求下限，故实施例5的自愈合胶囊掺量13份为胶囊掺量上限；实施例1的高、低温及水温性能的数值和对比例5相当，基本没有对沥青混凝土的水稳性能没有太大损害；实施例4的疲劳常量相对对比例5大大降低，但是也在相关规范要求内，即可说明实施例4的自愈合胶囊掺量7份是胶囊掺量的下限，故自愈合胶囊的掺量定为7-13份。
关于自愈合剂的成分对自愈合性能的影响，本发明针对自愈合剂为葵花籽油、花生油、菜籽油、大豆油四种不同的自愈合剂制备了相应的胶囊自愈合沥青混凝土(试验配比及方法均相同，除自愈合剂成分不同)，其分别为实施例1、7、8、9，具体试验数据见表5。
表5不同自愈合剂的沥青混凝土的自愈合性能表
通过对比四种不同自愈合胶囊的成分，对自愈合胶囊沥青混凝土的断裂能恢复率和强度恢复率数值来判断，自愈合效果的顺序为：葵花籽油＞菜籽油＞花生油＞大豆油。因此针对胶囊自愈合剂的最佳选择为葵花籽油。
针对自愈合剂的另外一种选择-钢棉纤维自愈合剂，钢棉纤维作为常见的自愈合剂来修复沥青混凝土。其主要原理是通过外界的电磁感应加热，使得钢棉纤维作为电磁感应受热体，钢棉纤维的温度升高后，再通过热传导给沥青，间接加热沥青使其温度升高，增大沥青的流动性，从而实现沥青混凝土的自修复的作用。将实施例6和对比例5的沥青混凝土的自愈合性能对比，来说明钢棉纤维作为自愈合剂的有效性，具体试验数据见表6。
表6阻燃温拌自愈合沥青混凝土与阻燃温拌沥青混凝土的自愈合性能表
通过表6的对比可知，在相应的愈合条件下，添加了钢棉纤维作为自愈合剂的沥青混凝土(实施例6)的强度恢复率提高了60.4％，相对不添加钢棉纤维的阻燃温拌沥青混凝土(对比例5)的强度恢复率38.3％，大大提高了愈合后的混凝土的强度；裂缝愈合率作为沥青混凝土的自愈合能力的重要指标，在相应的愈合条件下，实施例6的裂缝愈合率高达71.1％，相比对比例5的34.5％的裂缝愈合率，大大提升了沥青混凝土的完好性。
Claims (10)
1.一种阻燃温拌自愈合沥青混凝土，其特征在于，按质量份，包括以下组分：
其中，所述自愈合成分为自愈合微胶囊和/或钢棉纤维，所述温拌剂为人造沸石。
2.如权利要求1所述的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，其特征在于，所述阻燃剂为质量比为(3-7)：(0.5-2)：(0.5-2)的十溴二苯乙烷、三氧化二锑和氢氧化铝。
3.如权利要求1所述的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，其特征在于，所述人造沸石中含有结晶水，结晶水占人造沸石的质量分数为15-25％；按改性沥青质量份，所述阻燃剂的添加量为7-9份。
4.如权利要求1-3中任一项所述的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，其特征在于，所述改性沥青为SBS改性沥青，所述集料为玄武岩集料。
5.如权利要求1-3中任一项所述的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，其特征在于，所述阻燃剂为质量比为(4-6)：(0.7-1.5)：(0.7-1.5)的十溴二苯乙烷、三氧化二锑和氢氧化铝。
6.如权利要求1-3中任一项所述的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，其特征在于，所述自愈合成分为多腔室自愈合微胶囊；所述自愈合微胶囊包括囊体和位于囊体内部的自愈合剂，其中自愈合剂为葵花籽油、花生油、菜籽油、大豆油中的任意一种。
7.如权利要求6所述的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，其特征在于，所述多腔室自愈合微胶囊的制备方法包括以下步骤：
(1)将海藻酸钠溶解于水中，配置成浓度2.0-3.0wt％的海藻酸钠溶液；
(2)将海藻酸钠溶液与自愈合剂、表面活性剂吐温80剪切混合，自愈合剂与海藻酸钠溶液的质量比为10：1，表面活性剂吐温80掺量为自愈合剂体积的4-6％，剪切速率4000-5500r/min，剪切时间10-15min；
(3)在搅拌下，将步骤(2)得到的溶液滴入50-55℃的2-5wt％的氯化钙溶液中，滴入速率为60-100滴/min；滴加完毕后继续反应3-4h后，将湿胶囊倒出用蒸馏水洗涤、干燥得到多腔室自愈合微胶囊。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述的阻燃温拌自愈合沥青混凝土的制备方法，其特征在于，将改性沥青加热，与预热后的集料混合，加入温拌剂、阻燃剂、自愈合成分和矿粉，搅拌，得到阻燃温拌自愈合沥青混凝土。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，将改性沥青加热至140-160℃后，与预热至160-170℃的集料混合，加入温拌剂、阻燃剂、自愈合成分，搅拌85-95s，然后加入矿粉再搅拌85-95s，再经成型工序，制得阻燃温拌自愈合沥青混凝土。
10.权利要求1-7所述的阻燃温拌自愈合沥青混凝土，或者，权利要求8或9所述的制备方法在制备沥青混凝土路面中的应用。
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