CN116874229A - 一种沥青混合料及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沥青混合料及其制备方法、应用。该沥青混合料包括基质沥青100份、岩沥青5‑15份、脱硫橡胶15‑40份和矿料1250‑3300份；岩沥青的灰分含量≤20％；矿料包括集料和矿粉；集料包括粒径为0‑3mm、粒径为3‑5mm、粒径为5‑10mm和粒径为10‑15mm；粒径为0‑3mm的集料的质量百分比为14％‑15％；粒径为3‑5mm的集料的质量百分比为5％‑7％；粒径为5‑10mm的集料的质量百分比为37％‑38％；粒径为10‑15mm的集料的质量百分比为33％‑34％；矿料中矿粉的质量百分比为8.5％‑9％。本申请的沥青混合料制备方法简单易操作，且制得的沥青混合料综合性能较佳。
Description
技术领域
本发明属于道路工程沥青混合料设计与生产领域，涉及一种沥青混合料及其制备方法、应用。
背景技术
沥青路面因其行车舒适、施工周期短及易于养护维修等优点，成为我国各等级道路的主要铺面形式，但在服役过程中，沥青路面由于交通渠化、轴载超重以及外界环境等多重作用常常诱发不同形式的路面病害，因此对沥青路面中的主要组分沥青混合料的路用性能及耐久性提出了更高的要求。当前改善沥青混合料路用性能的有效途径除了选择优质的原材料(品质优良的基质沥青及棱角性好、质地坚硬的集料等)以外，还有以下两种主要方式：1)通过辅助添加剂(比如聚合物、岩沥青、橡胶、高模量剂等)对基质沥青或其混合料进行改性；2)优化工艺参数(投料顺序、拌合时间、拌合温度等)。其中，添加辅助剂的方式最为常用。
目前，我国应用最多的基质沥青改性剂是以苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(Styrene-Butadiene-Styrene，SBS)为代表的聚合物改性剂，其改性效果显著、制备方法相对成熟，因而广泛应用于我国高等级沥青路面，但也存在成本高昂、品质参差不齐等缺点，一定程度上限制了SBS改性沥青的普及。
天然岩沥青是石油在压力、温度、微生物、无机接触媒及水分等自然条件的综合作用下，经过漫长的氧化聚合过程而生成的沥青类物质，与基质沥青同属石油的衍生物，二者微观结构十分相似，因而具有良好的配伍性。作为优良的基质沥青改性剂，岩沥青可显著改善沥青混合料高温稳定性、抗水损及耐老化性等路用性能，降低混合料温度敏感性，提升沥青混合料内部微裂缝的自愈合能力，使沥青混合料达到与SBS改性沥青混合料相媲美的路用性能，进而提高路面结构耐久性(参考:Mehmet Yilmaz,Muhammed Effects of SBS and different natural asphalts on the properties of bituminousbinders and mixtures.Construction and Building Materials 2013,44,533-540.)。根据原产地的不同，天然岩沥青可分为布敦岩沥青、伊朗岩沥青、北美岩沥青以及国产的青川岩沥青与新疆岩沥青等。布敦岩沥青属于高灰分天然岩沥青，沥青含量仅为20％左右，灰分含量达到了80％左右，常被称为“沥青岩”，其对基质沥青的改性效果有限，除硬质沥青组分本身对低温抗裂性能的削弱作用以外，大量灰分的存在导致沥青结合料在外力作用下产生应力集中现象也会显著降低其低温延展性(参考:DENG Xiangming,HUANG Hui,WANG Bin,et al.Modification Mechanism of Asphalt Modified with Rock Asphalt andStyrene-Butadiene Rubber(SBR)[J].Advances in Civil Engineering,2021,2021(11):5533441.1-5533441.9.)。伊朗岩沥青、北美岩沥青以及青川岩沥青等均属于低灰分天然岩沥青，沥青含量通常在80％以上，灰分含量仅为20％以下，对基质沥青的改性效果相对显著，且较低含量的灰分缓解了上述应力集中现象对低温延展性的削弱作用，并减少了岩沥青的掺入对原有集料级配的影响。但由于低灰分岩沥青中的沥青组分针入度及延度低、软化点高，是一种硬质沥青，掺入岩沥青会使基质沥青软化点升高、针入度及延度降低，并且由于岩沥青的加入导致基质沥青质含量增加，因而岩沥青改性沥青混合料在抵抗低温开裂、疲劳开裂方面存在一定的劣势。
橡胶作为基质沥青另一种常见的改性剂，对基质沥青低温抗裂提升显著，而对高温性能的改善相对有限，与岩沥青的改性作用形成一种互补关系。传统的橡胶对基质沥青虽有一定的改性作用，但与基质沥青相容性一般。对基质沥青改性后，不但不能充分发挥其固有的优良特性，而且其改性沥青存在储存稳定性差、易离析等不足。橡胶脱硫是指采用特定处理手段催化硫化胶的交联键，是交联键裂解并保持稳定的过程，能促进橡胶与基质沥青相互融合，不但具有更好的改性效果，而且有效解决了普通橡胶与基质沥青相容性差的缺点。因而，相比于普通橡胶改性沥青，脱硫橡胶改性沥青表现出更加优异的路用性能。
针对上述三方面问题：1)高灰分岩沥青改性效果不佳，不仅硬质沥青组分本身对低温抗裂性能的削弱作用，而且大量灰分的存在导致沥青结合料在外力作用下产生应力集中现象显著降低其低温延展性；2)低灰分岩沥青改性沥青混合料抗低温开裂及疲劳开裂性能不足；3)普通橡胶改性效果不佳，其改性沥青储存稳定性差。
中国专利文献CN202111029004.9披露了一种纳米复合天然岩改性沥青混合料添加剂，其主要原料为天然岩沥青，辅以废胎橡胶、聚合物、纳米硅藻土、木质素纤维、纳米氧化锌等原料。该发明涉及一种基质沥青粉末状改性添加剂，最大颗粒粒径小于1mm，存在组分复杂、制备工序繁琐及工艺要求严格等，不利于大面积推广应用。
中国专利文献CN201910852682.1提出一种改性沥青材料及其制备方法，所述的基质沥青添加剂为岩沥青、KH-550改性的石粉、环氧树脂、橡胶，所得改性沥青材料具有优异的高温性能。该发明涉及的改性沥青胶结料通过湿法工艺制得，制备过程需将基质沥青预热至180～200℃，促使其急剧老化，同时增加能耗，需要借助高速剪切机恒温剪切，且石粉改性工艺繁琐。
中国专利文献CN202010552945.X揭示了一种抗高温湿干法改性沥青混合料及其制备方法和应用，涉及的主要添加剂为SBS、橡胶油、稳定剂、岩沥青、硅藻土。该发明提出的改性沥青混合料的制备方法实则为湿法工艺，需要提前制备改性沥青，经历不同组分投料、高速剪切、发育等过程，随后制得改性沥青混合料，且涉及橡胶类材料为橡胶油。
Fan等为提高基质沥青的低温性能，利用苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)与布敦岩沥青(BRA)对其复合改性，发现将SBR掺入BRA改性沥青中，在保证高温性能的基础上，可以显著提高低温性能。(Fan Xiyan Lu Weiwei,Lv Songtao,et al.Improvement of Low-Temperature Performance of Buton Rock Asphalt Composite Modified Asphalt byAdding Styrene-Butadiene Rubber[J].Materials,2019,12(15):2358.)。王其敏等采用废旧轮胎加工制得的废橡胶(CR)、特立尼达湖天然沥青(TLA)、印尼布敦岩天然沥青(BRA)对70#基质沥青复合改性，发现掺量为10％CR+20％BRA复合改性沥青的抗老化性能最优，且两种改性剂的改善效果能起到叠加作用。(王其敏，吴文华，李恒，等.废橡胶/天然沥青复合改性沥青抗老化性能及其机理研究[J].公路，2022，12：322-329.)。上述研究均针对湿法工艺制备的复合改性沥青胶结料的性能展开，并且所涉及的岩沥青均为高灰分的布顿岩沥青，其改性效果存在一定的局限性，橡胶均为普通橡胶，与基质沥青相容性不佳。
侯进军通过干法工艺制备较细粒度橡胶与布顿岩沥青(BRA)复合改性沥青混合料，发现干法复合改性能显著提升沥青混合料劈裂强度而冻融劈裂强度比，而且混合料劈裂持荷变形量增大，改善了BRA单一改性沥青混合料的脆性。(侯进军.橡胶与岩沥青复合干法改性高模量沥青混合料试验研究[J].盐城工学院学报(自然科学版).2020，33(04)：5-13.)；汪尧研究了阿尔巴尼亚岩沥青与橡胶复合改性沥青及其混合料(湿法工艺)路用性能，发现复合改性沥青混合料具有优异的高温稳定性及水稳定性，低温抗裂性与橡胶沥青相差不大。(汪尧.阿尔巴尼亚岩沥青/橡胶复合改性沥青及其混合料性能研究[D].桂林：广西大学，2021)。
综上，即有岩沥青与橡胶复合改性的相关文献与专利中，存在添加剂组分复杂、制备工艺繁琐及工艺要求严格等问题，且所用的橡胶均为废旧轮胎经过简单工序处理后的普通橡胶，存在前文所述的改性效果不佳，改性沥青储存稳定性差等缺陷，所涉及的岩沥青主要以高灰分、低沥青含量(通常20％左右)的布敦岩沥青为主，改性效果受其固有技术参数的限制。该问题亟待解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中单一改性沥青的综合性能较差(比如SBS对基质沥青改性成本高、品质参差不齐，岩沥青对基质沥青改性导致低温性能差，橡胶对基质沥青改性相容性差、改善高温性能的程度有限)，复合改性多为流程繁杂的湿法改性的缺陷，而提供了一种沥青混合料及其制备方法、应用。本申请的沥青混合料制备方法简单易操作，且制得的沥青混合料成本较低，综合性能较佳，即兼具较佳的低温稳定性、高温稳定性、水稳定性和疲劳寿命。
发明人在研发过程中意外发现，当将低灰分岩沥青和经脱硫处理后的橡胶对基质沥青进行干法复合改性，并配合特定的集料的各个粒径的参配比例时，可在保证低灰分岩沥青对高温性能改性效果的同时，通过脱硫橡胶提升沥青混合料的抗低温开裂及疲劳开裂性能，有效解决岩沥青改性沥青混合料低温性能不足以及普通橡胶与基质沥青融合不充分的问题，充分发挥两种改性剂的优良特性，减少基质沥青优良改性剂对于聚合物SBS的依赖，为高等级道路沥青混合料的制备提供另一有效途径。
本发明提供了一种沥青混合料，其包括如下质量份数的原料：基质沥青100份、岩沥青5-15份、脱硫橡胶15-40份和矿料1250-3300份；
其中，所述岩沥青的灰分含量≤20％；
其中，所述矿料包括集料和矿粉；所述集料包括：粒径为0-3mm的集料、粒径为3-5mm的集料、粒径为5-10mm的集料和粒径为10-15mm的集料；
所述矿料中，所述粒径为0-3mm的集料的质量百分比为14％-15％；所述粒径为3-5mm的集料的质量百分比为5％-7％；所述粒径为5-10mm的集料的质量百分比为37％-38％；所述粒径为10-15mm的集料的质量百分比为33％-34％；
所述矿料中，所述矿粉的质量百分比为8.5％-9％；
上述百分比表示各组分分别占矿料的质量的百分比。
本发明中，所述岩沥青的质量份数较佳地为6-14份，更佳地8-12份，例如9份、10份或11份。
本发明中，所述脱硫橡胶的质量份数较佳地为18-36份，例如20份、24份、27份、30份或33份。
本发明中，所述矿料的质量份数较佳地为1274-2730份，更佳地为1365-2275份，进一步更佳地为1456-1820份，例如1538份、1667份或1818份。
本发明中，所述矿料中，所述集料的质量百分比较佳地为91％-91.2％，例如91％。
本发明中，所述集料的质量份数较佳地为1162-2484份，更佳地为1245-2070份，进一步更佳地为1337-1656份，例如1400份、1517份或1654份。
本发明中，所述矿料中，所述粒径为0-3mm的集料的质量百分比较佳地为14.5％-15％，例如15％。
本发明中，所述矿料中，所述粒径为3-5mm的集料的质量百分比较佳地为5％-6％，例如5％。
本发明中，所述矿料中，所述粒径为5-10mm的集料的质量百分比较佳地为37.5％-38％，例如38％。
本发明中，所述矿料中，所述粒径为10-15mm的集料的质量百分比较佳地为33％-33.5％，例如33％。
本发明中，所述矿料中，所述矿粉的质量百分比较佳地为8.8％-9％，例如9％。
本发明中，所述矿粉的质量份数较佳地为112-246份，更佳地为120-205份，进一步更佳地为128-164份，例如138份、150份或164份。
本发明中，所述矿料中，所述矿粉的粒径规格可包括如下：0.6mm筛孔通过率100％、0.15mm筛孔通过率90～100％和0.075mm筛孔通过率75～100％；较佳地包括：0.6mm筛孔通过率100％、0.15mm筛孔通过率98.2％和0.075mm筛孔通过率88.3％。
一较佳实施例中，所述矿料由集料和矿粉组成，
所述集料包括如下质量百分比的组分：粒径为0-3mm的集料的质量百分比为15％；粒径为3-5mm的集料的质量百分比为5％；粒径为5-10mm的集料的质量百分比为38％；粒径为10-15mm的集料的质量百分比为33％；
所述矿粉的粒径规格包括如下：0.6mm筛孔通过率100％、0.15mm筛孔通过率98.2％和0.075mm筛孔通过率88.3％。
本发明中，所述岩沥青占所述集料的质量比可为0.5％-0.8％，较佳地为0.6％-0.7％。
本发明中，所述脱硫橡胶占所述集料的质量比可为0.5％-2.5％，较佳地为1％-2％，例如1.5％、1.6％或1.8％。
本发明中，所述基质沥青的种类可为本领域常规。
本发明中，所述基质沥青的针入度可为60-80/0.1mm，例如71/0.1mm。所述针入度是指标准圆锥体(载重100克)在5秒钟内沉入保温在25℃时的试样中的深度。
本发明中，所述基质沥青的软化点可为≥46℃，例如46-55℃。所述软化点是指物质软化的温度。
本发明中，所述基质沥青的延度可为≥20cm。所述延度是指是将沥青做成8字型标准试件，在温度为10℃时以5cm每分钟的速度拉伸至断裂时的长度。
本发明中，所述基质沥青的种类较佳地为50号沥青和/或70号沥青。
一较佳实施例中，所述基质沥青为70号沥青，其针入度为60-80/0.1mm，软化点为≥46℃，延度为≥20cm。
本发明中，所述岩沥青的灰分含量较佳地≤15％，例如10％或7.9％。所述灰分含量表示所述灰分的质量占所述岩沥青的质量的百分比。
本发明中，所述岩沥青的沥青含量较佳地为≥80％，较佳地为81％-95％，例如91.8％。所述沥青含量表示所述沥青的质量占所述岩沥青的质量的百分比。
本发明中，所述岩沥青的软化点可为180-200℃，较佳地为182-195℃，例如185℃。
本发明中，所述岩沥青的密度可为1-2g/cm3，较佳地为1.05-1.5g/cm3，例如1.06g/cm3。
本发明中，所述岩沥青的含水量可为＜1％，较佳地＜0.8％，例如＜0.5％。所述含水量表示水的质量占所述岩沥青的质量的百分比。
本发明中，所述岩沥青的种类较佳地为北美岩沥青、伊朗岩沥青和青川岩沥青中的一种或多种，例如北美岩沥青。
一较佳实施例中，所述岩沥青为北美岩沥青，其灰分含量为7.9％，沥青含量为91.8％，软化点为185℃，密度为1.06g/cm3，含水量＜0.5％。
本发明中，所述脱硫橡胶可为本领域常规。
本发明中，所述脱硫橡胶的粒径可为30-50目，例如40目。
本发明中，所述脱硫橡胶的溶胶含量可为＞50％，较佳地为58％-65％，例如62.1％。
本发明中，所述脱硫橡胶的门尼黏度可为＜40％，较佳地为25％-35％，例如29.5％。
一较佳实施例中，所述脱硫橡胶的粒径为40目，溶胶含量为62.1％，门尼黏度为29.5％。
本发明中，所述集料和所述矿粉应当符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)的要求。
本发明中，所述集料一般表示用于配制混凝土或砂浆的颗粒状松散材料，例如细集料和/或粗集料。所述细集料较佳地为石灰岩。所述粗集料较佳地为石灰岩和/或玄武岩。在沥青混合料领域，所述细集料一般表示粒径＜2.36mm的集料。所述粗集料一般表示粒径＞2.36mm的集料。
本发明中，所述集料的粒径可由所述沥青混合料使用的场景决定，例如当所述沥青混合料在路面的上层使用，所述集料的粒径一般≤13.2mm。当所述沥青混合料在路面的中层使用，所述集料的最大公称粒径一般≤19mm。当所述沥青混合料在路面的下层使用，所述集料的最大公称粒径一般≤26.5mm。
本发明中，所述矿粉的种类可为本领域常规，较佳地为石灰岩矿粉。
本发明中，所述沥青混合料的级配类型可为本领域常规，较佳地为SMA或AC。当所述沥青混合料的级配类型为SMA时，所述沥青混合料的原料还应包括纤维。
其中，所述纤维的种类可为本领域常规，较佳地为木质素纤维或聚酯纤维。
其中，所述纤维的质量较佳地为所述矿料的质量的0.3％。
本发明中，所述沥青混合料的空隙率可为3％-4％，例如3.5％。
在一较佳实施例中，所述沥青混合料包括如下质量份数的原料：基质沥青100份、岩沥青10份、脱硫橡胶18份和矿料1818份，基质沥青为70#沥青，岩沥青为北美岩沥青，其灰分含量为7.9％，矿料由1654份集料和164份矿粉组成。
在一较佳实施例中，所述沥青混合料包括如下质量份数的原料：基质沥青100份、岩沥青10份、脱硫橡胶27份和矿料1818份，基质沥青为70#沥青，岩沥青为北美岩沥青，其灰分含量为7.9％，矿料由1654份集料和164份矿粉组成。
在一较佳实施例中，所述沥青混合料包括如下质量份数的原料：基质沥青100份、岩沥青10份、脱硫橡胶36份和矿料1818份，基质沥青为70#沥青，岩沥青为北美岩沥青，其灰分含量为7.9％，矿料由1654份集料和164份矿粉组成。
在一较佳实施例中，所述沥青混合料包括如下质量份数的原料：基质沥青100份、岩沥青10份、脱硫橡胶27份和矿料1667份，基质沥青为70#沥青，岩沥青为北美岩沥青，其灰分含量为7.9％，矿料由1517份集料和150份矿粉组成。
在一较佳实施例中，所述沥青混合料包括如下质量份数的原料：基质沥青100份、岩沥青10份、脱硫橡胶27份和矿料1667份，基质沥青为70#沥青，岩沥青为北美岩沥青，其灰分含量为7.9％，矿料由1538份集料和138份矿粉组成。
本发明还提供了一种如前所述的沥青混合料的制备方法，其通过下述方法中的任一种实现：
方式一：将所述基质沥青、所述集料、所述岩沥青、所述脱硫橡胶和所述矿粉混合，发育，即可；
方式二：将所述基质沥青、所述岩沥青、所述脱硫橡胶混合、剪切，得改性沥青；将所述改性沥青与所述集料、所述矿粉混合，发育，即可。
本发明中，所述方式一中，所述混合可为除剪切混合之外的本领域常规的操作。所述混合的过程中一般还进行搅拌。所述搅拌的时间可为20-50s，例如30s或45s。所述搅拌的温度可为150-170℃，例如160℃。
本发明中，所述方式一中，所述发育的条件可为本领域常规，所述发育的温度可为160-170℃，例如170℃。所述发育的时间可为本领域常规，例如0.5-2h，例如1h。
本发明中，所述方式一中，所述沥青混合料的制备方法较佳地包括下述步骤：将预热后的所述基质沥青和所述集料进行第一次混合，再与所述岩沥青进行第二次混合，再与所述脱硫橡胶进行第三次混合，再与所述矿粉进行第四次混合，发育。
当所述沥青混合料的原料还含有纤维时，在所述第四次混合时添加所述纤维。
其中，所述预热后的温度可为150-170℃，例如160℃。所述预热的时间可为1-3h，例如2h。
其中，所述第一次混合的温度可为150-170℃，例如160℃。所述第一次混合的时间可为20-40s，例如30s。
其中，所述第二次混合的温度可为150-170℃，例如160℃。所述第二次混合的时间可为20-40s，例如30s。
其中，所述第三次混合的温度可为150-170℃，例如160℃。所述第三次混合的时间可为20-40s，例如30s。
其中，所述第四次混合的温度可为150-170℃，例如160℃。所述第四次混合的时间可为20-50s，例如45s。
本发明中，所述方式二中，所述混合可为剪切混合。所述剪切的转速可为10000-140000ppm，例如12000ppm。
本发明中，所述方式二中，所述发育的条件可为本领域常规，所述发育的温度可为160-170℃，例如170℃。所述发育的时间可为本领域常规，例如0.5-2h，例如1h。
本发明中，所述方式二中，所述沥青混合料的制备方法较佳地包括下述步骤：将预热后的所述基质沥青和所述岩沥青进行第一次混合、升温、第一次剪切，再与所述脱硫橡胶进行第二次混合、第二次剪切；得所述改性沥青；将预热后的所述改性沥青与所述集料进行第三次混合，再与所述矿粉进行第四次混合，发育。
当所述沥青混合料的原料还含有纤维时，在所述第四次混合时添加所述纤维。
其中，所述基质沥青预热后的温度可为150-170℃，例如160℃。所述预热的时间可为1-3h，例如2h。
其中，所述第一次混合的温度可为150-170℃，例如160℃。所述第一次混合的时间可为20-40s，例如30s。
其中，所述升温后的温度可为160-180℃，例如175℃。
其中，所述第一次剪切的转速可为10000-14000ppm，例如12000ppm。所述第一次剪切的时间可为20-40min，例如30min。
其中，所述第二次混合的温度可为150-170℃，例如175℃。
其中，所述第二次剪切的转速可为10000-14000ppm，例如12000ppm。所述第二次剪切的时间可为20-50min，例如45min。
其中，所述改性沥青预热后的温度可为150-180℃，例如175℃。
其中，所述第三次混合的温度可为150-180℃，例如175℃。所述第三次混合的时间可为20-40s，例如30s。
其中，所述第四次混合的温度可为150-170℃，例如175℃。所述第四次混合的时间可为20-50s，例如45s。
本发明还提供了一种如前所述的沥青混合料在道路工程领域中的应用。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
本发明将基质沥青、灰分含量≤20％的岩沥青、脱硫橡胶和满足特定粒径的集料和矿粉以特定质量份数混合可得沥青混合料。本发明的沥青混合料充分发挥低灰分岩沥青与脱硫橡胶的改性效果，形成优势互补关系。本申请的沥青混合料成本较低。该沥青混合料可由干法改性制得，制备方法简单易操作。
该沥青混合料综合性能较佳，即兼具较佳的低温稳定性、高温稳定性、水稳定性和疲劳寿命，全面提升了沥青混合料路用性能，为高性能沥青混合料的制备提供另一有效途径，同时消耗一定量的废旧轮胎，减少优质基质沥青改性剂对聚合物SBS的依赖，具有显著的经济效益与环境效益。
附图说明
图1为实施例1-9及对比例1-5所用的矿料的级配曲线。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
本发明实施例和对比例中所有的原料均可通过市售获得。
其中，基质沥青购自上海城建日沥特种沥青有限公司，其型号为70#沥青，针入度为60-80/0.1mm，软化点为≥46℃，延度为≥20cm。
其中，实施例1-9及对比例1-4所用的岩沥青为北美岩沥青，购自青岛美联能源有限公司；对比例5所用的岩沥青为布敦岩沥青，购自安徽中印天然岩沥青科技有限公司，两者主要参数如下表1所示：
表1
| 技术参数 | 北美岩沥青 | 布敦岩沥青 |
| 产地 | 美国北部犹太州东部Uintah盆地 | 印度尼西亚布敦岛 |
| 颜色 | 黑色粉末 | 黑褐色粉末 |
| 岩沥青类别 | Ⅰ类 | Ⅱ类 |
| 沥青含量 | 91.8％ | 18.1％ |
| 密度 | 1.06g/cm3 | 1.80g/cm3 |
| 含水量 | <0.5％ | <0.2％ |
| 软化点 | 185℃ | — |
| 灰分 | 7.9％ | 81.8％ |
其中，脱硫橡胶购自溧阳市瑞普新材料有限公司，其粒径为40目，溶胶含量为62.1％，门尼黏度为29.5％。
其中，SBS购自上海城建日沥特种沥青有限公司。
其中，集料为石灰岩细集料(粒径规格为0-3mm)和玄武岩粗集料(粒径规格为3-5mm、5-10mm及10-15mm)，石灰岩细集料购自无锡美之最建材有限公司，玄武岩粗集料购自灵寿县岩顶矿产品加工厂。
其中，实施例1-9及对比例1-5中的矿粉为石灰岩矿粉，粒径规格：(0.6mm筛孔通过率100％、0.15mm筛孔通过率98.2％、0.075mm筛孔通过率88.3％)，购自衢州上方建材有限责任公司。
其中，纤维为木质素纤维，购自泰安市安丰新材料科技有限公司。
本发明实施例和对比例采用SMA-13型沥青混合料。
本申请实施例及对比例中的集料的各个粒径由下述步骤确定：
依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)、《公路工程集料试验规程》(JTG E41-2005)及《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，基于马歇尔设计方法，按照如下步骤进行SMA-13沥青混合料配合比设计，确定矿料级配与最佳油石比，目标空隙率按3％-4％控制。
1.筛分及密度试验
参考《公路工程集料试验规程》(JTG E41-2005)，对各档集料及矿粉进行筛分及密度试验，如表2和表3所示。
表2集料及矿粉筛分试验结果
表3集料及矿粉密度试验结果
2.选定初试级配及油石比
根据各档集料及矿粉筛分结果，通过本领域常规方法确定初试级配(分别按级配下限、上限及中值调试)。
3.马歇尔试验
参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行马歇尔试验，并测得不同级配各个油石比下的体积参数(矿料间隙率VMA、粗集料骨架间隙率VCAmix、沥青饱和度VFA及最大理论密度γt、毛体积密度γf、孔隙率vv等)。
如目标孔隙率vv对应的各体积参数满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求，初步确定该油石比为最佳油石比，进行步骤4。否则，重复步骤2。
4.性能验证
参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，对步骤2中初步确定的最佳油石比及矿料级配进行性能验证，主要包括：稳定度MS及流值LS(T 0709—2011)、谢伦堡沥青析漏试验(T 0732—2011)、肯塔堡飞散试验(T 0733—2011)、车辙试验(T0719—2011)、低温小梁试验(T0715—2011)及冻融劈裂试验(T 0729—2000)等。
5.确定矿料级配及最佳油石比
步骤4中的性能试验结果应满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)，选取性能最优的矿料级配及其对应的油石比为最终确定的矿料级配及最佳油石比。
6.掺入岩沥青及脱硫胶粉
在步骤5确定的配合比的基础上，按比例掺入岩沥青及脱硫胶粉，并验证相关体积参数及性能指标，视情况对油石比进行微调(如需)，以使体积参数满足要求。
由上述步骤确定的级配曲线如图1所示。确定的油石比为5.5±0.5％，油石比＝基质沥青的质量/(集料+矿粉)的总质量×100％。
实施例1-5及对比例1-5
实施例1-5及对比例1-5所用的矿料及质量百分比如下表4所示：
表4
实施例1-5及对比例1-5中的沥青混合料的组分组成如下表5所示。
表5
实施例1-3、实施例6-9、对比例1-5中的沥青混合料的制备方法包括下述步骤：
将基质沥青预热2h至160℃，在160℃下与集料进行第一次搅拌混合，搅拌混合的时间为30s，加入岩沥青(或SBS)在160℃下第二次搅拌混合30s，加入脱硫橡胶后在160℃下第三次搅拌混合30s，加入矿粉和纤维后在160℃下第四次搅拌混合45s，最后在170℃下恒温发育1h。
实施例4中沥青混合料的制备方法包括下述步骤：
将基质沥青预热2h至160℃，在160℃下与岩沥青第一次搅拌混合，搅拌混合的时间为30s，并升温至175℃，12000ppm恒温高速剪切30min，加入脱硫橡胶，在175℃下以12000ppm的转速恒温高速剪切45min即可得到改性沥青。
将改性沥青预热至175℃，与集料搅拌30s，加入矿粉与纤维搅拌45s，最后170℃恒温发育1h。
实施例5中沥青混合料的制备方法包括下述步骤：
将基质沥青预热2h至160℃，在160℃下与集料进行第一次搅拌混合，搅拌混合的时间为30s，加入脱硫橡胶在160℃下第二次搅拌混合30s，加入岩沥青后在160℃下第三次搅拌混合30s，加入矿粉和纤维后在160℃下第四次搅拌混合45s，最后在170℃下恒温发育1h。
对比例6-7
对比例6-7所采用的矿料的组分及质量百分比如下表6：
表6
对比例6-7所采用的矿料的级配值如下表7：
表7
因对比例6和对比例7所用的集料和矿粉的体积参数不符合规范的要求，因此无法继续后续的沥青混合料的实验。
效果实施例1
将实施例1-9及对比例1-5所用矿料、对比例6-7所用矿料进行体积参数(矿料间隙率VMA、粗集料骨架间隙率VCAmix、沥青饱和度VFA及最大理论密度γt、毛体积密度γf、孔隙率vv等)测试，测试结果如表8所示。
表8
效果实施例2
将实施例1-9及对比例1-5所用矿料进行性能验证，主要包括：稳定度MS及流值LS(T 0709—2011)、谢伦堡沥青析漏试验(T 0732—2011)、肯塔堡飞散试验(T 0733—2011)、车辙试验(T 0719—2011)、低温小梁试验(T 0715—2011)及冻融劈裂试验(T 0729—2000)等，结果如表9所示。
表9
| 规范规定 | 实施例1-9及对比例1-5的矿料实测值 | |
| 稳定度MS | ≥5.5Kn | 8.2Kn |
| 流值LS | 2-5mm | 3.5mm |
| 谢伦堡沥青析漏试验 | ≤0.2％ | 0.09％ |
| 肯塔堡飞散试验 | ≤20％ | 10.8％ |
| 车辙试验 | ≥3000次·mm-1 | 4851次·mm-1 |
| 低温小梁试验 | ≥2800με | 3015.2με |
| 冻融劈裂试验 | ≥80％ | 91.2％ |
效果实施例3
将实施例1-9及对比例1-5的沥青混合料进行高温稳定性、低温稳定性、水稳定性和疲劳寿命的测试，测试标准、结果如下表10所示。
表10
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由表10可知，实施例1-9中通过低灰分岩沥青与脱硫橡胶对基质沥青复合改性可显著提升沥青混合料个性路用性能。
与湿法改性的实施例4相比，实施例1中采用了干法复合改性，更加简便易行，就高、低温稳定性而言，采用湿法改性的实施例4略优于干法改性的实施例1，而干法改性的实施例1的水稳定性及疲劳寿命明显优于湿法改性的实施例4。
对比实施例1、实施例2和实施例3可得，高温稳定性随着脱硫橡胶用量的增加呈现降低的趋势，而水稳定性反之，抗低温开裂及抗疲劳开裂性能随着脱硫橡胶用量的增加均呈现先上升后下降的趋势。
与实施例1和3相比，当实施例2中脱硫橡胶的用量得当，所得沥青混合料高、低温稳定性基本可与对比例1(SBS改性沥青混合料)相媲美，水稳定性及疲劳寿命可超越对比例1(SBS改性沥青混合料)。
实施例1和实施例5相比，岩沥青与脱硫胶粉的投料先后顺序对改性沥青混合料路用性能影响不十分显著，整体而言，岩沥青先于脱硫胶粉的投料顺序更优。
与实施例2相比，当实施例6和实施例7采用较高比例的油石比，即在同等用量的基质沥青的情况下，集料和矿粉的用量减少时，其各个性能均稍有下降。
与实施例2相比，当实施例8中的岩沥青的份数较少时，所得沥青混合料的高温、水稳定性和抗疲劳性能均稍有下降，而低温性能有微小升高。
与实施例2相比，当实施例9中的岩沥青的份数较多时，所得沥青混合料的低温稳定性和抗疲劳性能均稍有下降，而高温和水稳定性有微小升高。
与实施例1相比，当对比例3不添加脱硫橡胶时，其高温、低温性能均较差。
与实施例6相比，当对比例4不添加岩沥青时，其各个性能均较差。
与实施例1相比，当对比例5采用灰分含量较高的布敦岩沥青时，其各个性能均较差。
综上，当低灰分岩沥青掺量为基质沥青质量的10％，脱硫橡胶掺量为基质沥青质量的27％，通过干法工艺制备的低灰分沥青与脱硫橡胶制备复合改性沥青混合料综合性能较优，且工艺简单、可操作性强，具有广阔的应用前景。
Claims (10)
1.一种沥青混合料，其特征在于，其包括如下质量份数的原料：基质沥青100份、岩沥青5-15份、脱硫橡胶15-40份和矿料1250-3300份；
其中，所述岩沥青的灰分含量≤20％；
其中，所述矿料包括集料和矿粉；所述集料包括：粒径为0-3mm的集料、粒径为3-5mm的集料、粒径为5-10mm的集料和粒径为10-15mm的集料；
所述矿料中，所述粒径为0-3mm的集料的质量百分比为14％-15％；所述粒径为3-5mm的集料的质量百分比为5％-7％；所述粒径为5-10mm的集料的质量百分比为37％-38％；所述粒径为10-15mm的集料的质量百分比为33％-34％；
所述矿料中，所述矿粉的质量百分比为8.5％-9％。
2.如权利要求1所述的沥青混合料，其特征在于，所述沥青混合料的原料满足下述条件中的一种或多种：
(1)所述岩沥青的质量份数为6-14份，较佳地8-12份，例如9份、10份或11份；
(2)所述脱硫橡胶的质量份数为18-36份，例如20份、24份、27份、30份或33份；
(3)所述矿料的质量份数为1274-2730份，较佳地为1365-2275份，更佳地为1456-1820份，例如1538份、1667份或1818份；
(4)所述矿料中，所述矿粉的质量百分比为8.8％-9％，例如9％；
(5)所述岩沥青占所述集料的质量比为0.5％-0.8％，较佳地为0.6％-0.7％；和
(6)所述脱硫橡胶占所述集料的质量比为0.5％-2.5％，较佳地为1％-2％，例如1.5％、1.6％或1.8％。
3.如权利要求1所述的沥青混合料，其特征在于，所述沥青混合料的原料的质量份数满足下述条件(1)和/或(2)：
(1)所述集料的质量份数为1162-2484份，较佳地为1245-2070份，更佳地为1337-1656份，例如1400份、1517份或1654份；
(2)所述矿粉的质量份数为112-246份，较佳地为120-205份，更佳地为128-164份，例如138份、150份或164份。
4.如权利要求1所述的沥青混合料，其特征在于，所述沥青混合料的原料满足下述条件中的一种或多种：
(1)所述矿料中，所述粒径为0-3mm的集料的质量百分比为14.5％-15％，例如15％；
(2)所述矿料中，所述粒径为3-5mm的集料的质量百分比为5％-6％，例如5％；
(3)所述矿料中，所述粒径为5-10mm的集料的质量百分比为37.5％-38％，例如38％；
(4)所述矿料中，所述粒径为10-15mm的集料的质量百分比为33％-33.5％，例如33％；和
(5)所述矿料中，所述矿粉的粒径规格包括如下：0.6mm筛孔通过率100％、0.15mm筛孔通过率90～100％和0.075mm筛孔通过率75～100％；较佳地包括：0.6mm筛孔通过率100％、0.15mm筛孔通过率98.2％和0.075mm筛孔通过率88.3％。
5.如权利要求1所述的沥青混合料，其特征在于，所述沥青混合料的原料满足下述条件中的一种或多种：
(1)所述基质沥青的针入度为60-80/0.1mm，例如71/0.1mm；
(2)所述基质沥青的软化点为≥46℃，例如46-55℃；
(3)所述基质沥青的延度为≥20cm；
(4)所述岩沥青的灰分含量≤15％，例如10％或7.9％；
(5)所述岩沥青的沥青含量为≥80％，较佳地为81％-95％，例如91.8％；
(6)所述岩沥青的软化点为180-200℃，较佳地为182-195℃，例如185℃；
(7)所述岩沥青的密度为1-2g/cm3，较佳地为1.05-1.5g/cm3，例如1.06g/cm3；
(8)所述岩沥青的含水量为＜1％，较佳地＜0.8％，例如＜0.5％；
(9)所述脱硫橡胶的粒径为30-50目，例如40目；
(10)所述脱硫橡胶的溶胶含量为＞50％，较佳地为58％-65％，例如62.1％；
(11)所述脱硫橡胶的门尼黏度为＜40％，较佳地为25％-35％，例如29.5％；
(12)所述集料为细集料和/或粗集料；所述细集料较佳地为石灰岩；所述粗集料较佳地为石灰岩和/或玄武岩；所述细集料表示粒径＜2.36mm的集料；所述粗集料表示粒径＞2.36mm的集料；和
(13)所述矿粉为石灰岩矿粉。
6.如权利要求1所述的沥青混合料，其特征在于，所述沥青混合料满足下述条件(1)和/或(2)：
(1)所述沥青混合料的级配类型为SMA或AC；
其中，当所述沥青混合料的级配类型为SMA时，所述沥青混合料的原料还应包括纤维；
所述纤维的种类较佳地为木质素纤维或聚酯纤维；
所述纤维的质量较佳地为所述矿料的质量的0.3％；
(2)所述沥青混合料的空隙率为3％-4％，例如3.5％。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的沥青混合料的制备方法，其特征在于，其通过下述方法中的任一种实现：
方式一：将所述基质沥青、所述集料、所述岩沥青、所述脱硫橡胶和所述矿粉混合，发育，即可；
方式二：将所述基质沥青、所述岩沥青、所述脱硫橡胶混合、剪切，得改性沥青；将所述改性沥青与所述集料、所述矿粉混合，发育，即可。
8.如权利要求7所述的沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述方式一中，所述沥青混合料的制备方法包括下述步骤：将预热后的所述基质沥青和所述集料进行第一次混合，再与所述岩沥青进行第二次混合，再与所述脱硫橡胶进行第三次混合，再与所述矿粉进行第四次混合，发育；
当所述沥青混合料的原料还含有纤维时，在所述第四次混合时添加所述纤维。
9.如权利要求7所述的沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述方式二中，所述沥青混合料的制备方法包括下述步骤：将预热后的所述基质沥青和所述岩沥青进行第一次混合、升温、第一次剪切，再与所述脱硫橡胶进行第二次混合、第二次剪切；得所述改性沥青；将预热后的所述改性沥青与所述集料进行第三次混合，再与所述矿粉进行第四次混合，发育；
当所述沥青混合料的原料还含有纤维时，在所述第四次混合时添加所述纤维。
10.一种如权利要求1-6中任一项所述的沥青混合料在道路工程领域中的应用。
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