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CN113307546B - 一种耐久超薄磨耗层及其制备方法 - Google Patents

一种耐久超薄磨耗层及其制备方法 Download PDF

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CN113307546B CN202110384445.4A CN202110384445A CN113307546B CN 113307546 B CN113307546 B CN 113307546B CN 202110384445 A CN202110384445 A CN 202110384445A CN 113307546 B CN113307546 B CN 113307546B
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Abstract

本发明公开了一种耐久超薄磨耗层，它包括超薄面层和粘结层，其中超薄面层中各原料及其所占质量百分比包括：粗集料63～72％、细集料20～28％、填料2～4％、复合改性沥青6～8％，其中兼具复合改性沥青60℃动力粘度≥500000Pa·s和135℃旋转粘度≤3Pa·s两种特性；复合改性乳化沥青通过将复合改性沥青进行乳化而成。本发明提供的超薄磨耗层沥青混合料易于拌合，且与下部结构层粘结紧密，具备施工和易性好、路用性能好、耐久性好等优良特性，适合推广应用。

Description

一种耐久超薄磨耗层及其制备方法
技术领域
本发明属于道路建筑材料技术领域，具体涉及一种耐久超薄磨耗层及其制备方法。
背景技术
随着我国经济的持续增长和城镇化建设步伐的加快，中国的民用公路运输取得了迅猛的发展，对国民经济产生了积极的影响。但是，由于长期超负荷使用，在3～5年后，很多道路都会出现诸如开裂、松动、变形等病害，这将极大地削弱路面的使用性能，如抗水破坏性、高温稳定性和防滑性等。这些病害不仅会缩短道路的使用寿命，还会给行车舒适性与安全性带来严重威胁。为减少这些路面病害的发生，预防性路面养护技术越来越受到研究人员的重视。
超薄磨损层沥青混合料具有增强道路的整体平整度和防滑性，降低路面噪声，提高行车舒适性和安全性，延缓路面开裂时间，修复局部坑洞和路面其他病害，以及提升路面使用时间等作用；已被广泛用于路面养护工程中，以延长道路的使用寿命。
作为覆盖层，超薄耐磨层是路面结构的最上层。如果超薄耐磨层与原路面的粘附性不足，则在大量的行车载荷后会发生波浪、位移和车辙等病害，从而影响路面防滑性和行车舒适性，并威胁到行驶安全。现有超薄磨耗层的层间粘结性与耐久性改性有限，进而影响综合路用性能；因此，进一步探索和优化兼具良好高低温性能、路用性能和耐久性的超薄磨耗层沥青混合料，具有重要的研究和应用意义。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种高耐久超薄磨耗层，具有良好的高低温性能、路用性能和耐久性，适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种耐久超薄磨耗层，它包括超薄面层和粘结层，其中超薄面层中各原料及其所占质量百分比包括：粗集料63～72％、细集料20～28％、填料2～4％、复合改性沥青6～8％；粘结层通过先后洒布复合改性乳化沥青和碱液得到；所述复合改性沥青以基质沥青、改性剂、丁二烯-丁二烯酸酐类共聚物和稳定剂为主要原料制备而成；复合改性乳化沥青通过将复合改性沥青进行乳化而成。
上述方案中，所述复合改性乳化沥青通过将复合改性沥青进行乳化而成。
上述方案中，所述聚异戊二烯基改性剂的化学式见式I；
Figure GDA0003547558160000021
式中，其中m取值30～3500，n取值10～3000。
上述方案中，所述聚异戊二烯基改性剂首先利用聚异戊二烯与马来酸酐进行接枝反应制备聚异戊二烯接枝马来酸酐，再与甲醇进行开环酯化反应而成。
上述方案中，所述接枝反应温度为60～70℃，搅拌反应温度为10～12h。
上述方案中，所述开环酯化反应温度为90～100℃，时间为2～2.5h。
上述方案中，所述聚异戊二烯与马来酸酐的质量比为1:(1～1.5)；马来酸酐与甲醇的摩尔比为1:(1～1.1)。
上述方案中，所述粗集料为粒径5～10mm的玄武岩或辉绿岩；细集料为机制砂或石屑，其2.36mm筛孔通过率大于90％，0.075筛孔通过率小于10％。
上述方案中，所述填料由硅藻土和蒙脱土按(1～3):1的质量比复配而成。
上述方案中，所述复合改性沥青中各组分及其所占质量百分比包括：基质沥青85～95份，改性剂5～8份，相容剂2～4份，稳定剂1～2份；其制备方法包括如下步骤：将基质沥青加热至130～145℃，加入改性剂和相容剂，在140～160℃温度下搅拌20～30min，然后升温至180～190℃，在6000～8000r/min的剪切速率下剪切60～90min，再加入稳定剂，180～190℃温度下以2000～3000r/min的转速剪切30～45min；最后在160～170℃温度下搅拌2～3h(300～400r/min)，即得复合改性沥青。
上述方案中，所述相容剂为裂解馏分油、油浆、重芳烃中的一种或几种。
上述方案中，所述稳定剂由硫磺与双叔丁基过氧异丙基苯复合而成，其中硫磺与双叔丁基过氧异丙基苯的质量比为1:(1～3)。
上述方案中，所述粘结层中的高粘乳化沥青通过将复合改性沥青采用阳离子乳化剂在酸性条件下乳化而成；所述阳离子乳化剂可选用美德维实伟克MQ65型阳离子乳化剂等；酸性条件的pH值为2～3。
上述方案中，所述碱液采用高价阳离子碱性溶液或高价阳离子的强碱弱酸盐溶液，高价阳离子的浓度为0.1～0.15wt％；可选用氢氧化钙溶液或氢氧化钡溶液等。
上述一种耐久超薄磨耗层的制备方法，包括如下步骤：
1)在0℃以上的温度条件下，向路面洒布复合改性乳化沥青，15～25min后再喷洒碱液，形成粘结层；
2)按配比称取制备超薄面层的原料，拌合均匀得沥青混合料，然后将其摊铺在粘结层上，进行压实，即得所述耐久超薄磨耗层。
上述方案中，所述路面预先进行清扫和病害预处理。
上述方案中，步骤1)中所述复合改性乳化沥青的用量为0.3～1.0L/m2；碱液的用量为0.2～0.8L/m2。
上述方案中，所述沥青混合料的拌合温度为165～175℃。
上述方案中，所述摊铺和碾压温度为140～150℃，冷却至常温即可开放交通。
上述方案中，所述耐久超薄磨耗层的厚度为15～25mm。
本发明的原理为：
1)本发明采用复合改性沥青，兼顾良好的低温高粘和高温低粘特性，其60℃动力粘度≥50万Pa·s，135℃旋转粘度≤3Pa·s；其低温高粘特性有助于提高沥青与集之间的粘附力，提升所得超薄磨耗层混合料的路用性能，高温低粘有助于降低混合料的拌合难度与施工难度；
2)复合改性沥青中引入的新型反应型树脂材料丁二烯与丁二烯酸酐共聚物，能在碱性环境下与高价(二价及以上)碱金属离子发生交联聚合反应；在洒布的乳化沥青破乳之后，向其表层喷洒氢氧化钙溶液，再立即铺设沥青混合料，在此过程中，金属钙、钡离子能桥接乳化沥青破乳后沥青中的反应型树脂和裹附在集料表面的沥青油膜中的反应型树脂，形成稳定的金属离子聚合物网络结构，极大提升层间的粘结强度和抗滑移能力；此外由于集料也呈碱性，上述反应也能在集料和改性沥青胶结料之间发生，使得集料与沥青之间的粘附性增强，再配合具有抗老化作用的填料，使超薄磨耗层表现出优异的耐久性等路用性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)采用的复合改性沥青兼顾良好的低温高粘和高温低粘特性，其60℃动力粘度≥50万Pa·s，135℃旋转粘度≤3Pa·s；其低温高粘特性有助于提高沥青与集料之年的粘附力，提升所得超薄磨耗层混合料的路用性能，高温低粘有助于降低混合料的拌合难度与施工难度；
2)本发明利用所得复合改性沥青形成一种离聚物结构的反应型粘结层，可促使超薄面层、粘结层和下层形成一个紧密连接的整体结构，显著提升所得超薄磨耗层的路用耐久性能；
3)在增加集料与改性沥青之间粘附力的基础上，将硅藻土和蒙脱土进行复配作为填料，可进一步提升超薄磨耗层沥青混合料的抗老化作用，进而改善所得混合料的高温性能、低温性能和水稳定性，可有效延长超薄磨耗层的使用寿命。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中，采用的复合改性沥青的制备方法包括如下步骤：
1)取90份基质沥青(B级道路石油沥青)加热到140℃至熔融流动态，将6份聚异戊二烯基改性剂和2份相容剂裂解馏分油加入基质沥青中在150℃温度条件下手动搅拌30min，然后加入4份SBS并置于恒温180℃的保温装置中进行高速剪切，剪切机转速为7000r/min，剪切时间为80min，得到混合物A；
2)将1份稳定剂(硫磺和双叔丁基过氧异丙基苯按2:3的质量比混合)加入混合物A，并置于恒温180℃进行剪切，剪切机转速为3000r/min，剪切时间为30min，得到混合物B；
3)将所得混合物B置于的恒温160℃的搅拌桩之中进行搅拌，控制搅拌器转速为400r/min，搅拌时间为3h，即得所述复合改性沥青。
其中采用的羧基改性聚异戊二烯树脂改性剂其分子量为(20000～70000)；其制备方法包括如下步骤：首先在1.1～1.2个大气压和紫外光照射条件下，在催化剂(氧化二异丙苯DCP和过氧化二苯甲酰BPO，二者掺量分别为1wt％)的作用下，进行聚异戊二烯与马来酸酐(每100g聚异戊二烯掺入140g马来酸酐)的接枝反应，反应过程中控制温度为65℃，反应时间为11h，制备得到聚异戊二烯接枝马来酸酐；然后向所得聚异戊二烯接枝马来酸酐中加入51g甲醇在95℃温度条件下搅拌反应2～2.5h，即得所述聚异戊二烯基共聚物改性剂。
所得复合改性沥青的性能测试结果见表1。
表1复合改性沥青性能测试结果
Figure GDA0003547558160000041
以下实施例中，粘结层的施工温度温度高于0℃时，向原路面洒布0.3-1.0L/m2的复合改性乳化沥青，15～25min破乳后再喷洒0.2-0.8L/m2的氢氧化钙溶液(钙离子的质量浓度为0.15％)；其中复合改性乳化沥青的技术指标为：固含量＞60％；蒸发残留物软化点＞85℃，高温性能优异；蒸发残留物60℃动力粘度＞50000Pa·s，破乳后的高粘沥青粘附性较强，粘结力较大。
超薄面层沥青混合料在140～160℃温度下铺设，经压路机压实后的厚度为1.5cm～2.5cm；表干法测试：空隙率为3.2～4.3％，矿料间隙率大于等于15.7％，沥青饱和度为72～81％；真空密封法测试：空隙率为6～7％，矿料间隙率大于等于17.5％，沥青饱和度为65～75％。
采用的粗集料采用5～10mm的玄武岩，其压碎值为12％。
采用的细集料为辉绿岩石屑2.36mm筛孔通过率大于90％，0.075筛孔通过率小于10％，含泥量为1.3％。
根据粗集料、细集料、填料的筛分结果，采用的级配要求见表2。
表2实施例1～3采用的矿料级配要求
筛孔尺寸/mm 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
通过率/％ 100 36.1 25.2 20.9 18.8 16.5 14.2 7.5
以下实施例中，所述复合改性乳化沥青利用复合改性沥青采用阳离子乳化剂在酸性条件下乳化而成，其中采用的阳离子乳化剂为维时伟克MQ65型阳离子乳化剂：乳化剂掺量1.8～2.0％，酸性条件采用盐酸调节而成，乳化温度为180℃，具体乳化步骤包括：先将乳化剂与100℃水按2～3:33～48的质量比配置成皂液，再用盐酸将皂液的的pH值调节为2～3，再将配置好的皂液放在保温套中保温90℃，再将400g改性沥青置于剪切机中进行剪切，剪切温度控制在170～180℃，边剪切边倒入140g所得皂液，最后剪切至流动度良好的乳化沥青成品即可。
实施例1
一种耐久超薄磨耗层，包括粘结层和超薄面层，其制备方法包括如下步骤：
1)对需铺设薄磨耗层的原路面进行清扫和病害预处理；
2)在常温，满足施工条件，非雨天的条件下，向原路面洒布0.8L/m2的复合改性乳化沥青，破乳后(25min)再喷洒0.7L/m2的氢氧化钙溶液(钙离子的质量浓度为0.15％)，形成粘结层；
3)配制超薄面层沥青混合料，各组分及其用量包括：复合改性沥青7％，粗集料(玄武岩)66.5％，细集料(辉绿岩石屑)23.5％，填料3％(蒙脱土1％、硅藻土2％)；将称取的各原料在170℃拌合，即得超薄面层沥青混合料；
4)将超薄面层沥青混合料摊铺在粘结层上，然后进行压实，即得所述耐久超薄磨耗层。
实施例2
一种耐久超薄磨耗层，包括粘结层和超薄面层，其制备方法包括如下步骤：
1)对需铺设薄磨耗层的原路面进行清扫和病害预处理；
2)在常温，满足施工条件，非雨天的条件下，向原路面洒布0.6L/m2的复合改性乳化沥青，破乳后20min再喷洒0.5L/m2的氢氧化钡溶液(钡离子的质量浓度为0.15％)，形成粘结层；
3)配制超薄面层沥青混合料，各组分及其用量包括：复合改性沥青7％，粗集料(玄武岩)66.5％，细集料(辉绿岩石屑)23.5％，填料3％(蒙脱土1％、硅藻土2％)；将称取的各原料在170℃拌合，即得超薄面层沥青混合料；
4)将超薄面层沥青混合料摊铺在粘结层上，然后进行压实，即得所述耐久超薄磨耗层。
对比例1
一种耐久超薄磨耗层，包括粘结层和超薄面层，其制备方法包括如下步骤：
1)对需铺设薄磨耗层的原路面进行清扫和病害预处理；
2)在常温，满足施工条件，非雨天的条件下，向原路面洒布0.8L/m2的复合改性乳化沥青，破乳后25min再喷洒0.7L/m2的氢氧化钙溶液(钙离子的质量浓度为0.15％)，形成粘结层；
3)配制超薄面层沥青混合料，各组分及其用量包括：普通SBS改性沥青7％，粗集料(玄武岩)66.5％，细集料(辉绿岩石屑)23.5％，填料3％(蒙脱土1％、硅藻土2％)；将称取的各原料在170℃拌合，即得超薄面层沥青混合料；
4)将超薄面层沥青混合料摊铺在粘结层上，然后进行压实，即得所述耐久超薄磨耗层。
对比例2
一种耐久超薄磨耗层，包括粘结层和超薄面层，其制备方法包括如下步骤：
1)对需铺设薄磨耗层的原路面进行清扫和病害预处理；
2)在常温，满足施工条件，非雨天的条件下，向原路面洒布0.8L/m2的普通乳化沥青粘层油，作为粘结层；
3)配制超薄面层沥青混合料，各组分及其用量包括：复合改性沥青7％，粗集料(玄武岩)66.5％，细集料(辉绿岩石屑)23.5％，填料3％(蒙脱土1％、硅藻土2％)；将称取的各原料在170℃拌合，即得超薄面层沥青混合料；
4)将超薄面层沥青混合料摊铺在粘结层上，然后进行压实，即得所述耐久超薄磨耗层。
将实施例1～2和对比例1～2所得超薄面层沥青混合料按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规》(JTGE20-2011)进行制样，对得到的试件进行各项性能测试，测试结果见表3；将实施例1～2和对比例1～2对应的超薄面层沥青混合料和粘结层按照《公路路基路面现场测试规程》(JTGE60-2008)进行制样，对得到的试件进行路面层间粘结强度试验检测，测试结果见表4。
表3实施例1～2和对比例1所得超薄面层沥青混合料的性能检测结果
试验项目 技术要求 实施例1 实施例2 对比例1 测试方法
动稳定度/次/mm ≥5000 8662 8918 5100 T0719
构造深度/mm ≥1.0 1.2 1.3 0.8 T0961
飞散损失/％ ≤8 4 5 9 T0733
冻融劈裂残留强度比/％ ≥90 96 93 87 T0729
残留稳定度/％ ≥85 92.5 90.7 83.4 T0709
摩擦系数 ≥60 76.8 78.2 65.3 T0964
析漏损失/％ ≤0.05 0.01 0.02 0.04 T0732
上述结果表明，采用复合改性沥青的超薄磨耗层沥青混合料的各项试验数据都要更优；与传统的超薄磨耗层混合料相比，本发明提供的超薄面层沥青混合料具有良好的高温抗车辙性和防滑性，良好的低温抗裂性和水稳定性，以及优异的路用性能和耐久性能。
表4实施例1和对比例1和2所得超薄面层沥青混合料的层间粘结强度性能
试验项目 技术要求 实施例1 对比例1 对比例2 测试方法
拉拔强度；20℃/MPa ≥2.0 2.9 1.5 1.2 T0985
扭剪强度；20℃/MPa ≥0.03 0.07 0.02 0.01 T0985
上述结果表明，本发明所述粘结层能促使上下结构层之间的粘结更加紧密，金属离子与反应性树脂材料形成的离子聚合物可提升所得超薄磨耗层的整体性，层间粘结强度和耐久性更加优异，使超薄磨耗层的抗车辙能力、抗滑移能力、抗松散能力显著提高。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种耐久超薄磨耗层，其特征在于，它包括超薄面层和粘结层，其中超薄面层中各原料及其所占质量百分比包括：粗集料63～72％、细集料20～28％、填料2～4％、复合改性沥青6～8％；粘结层通过先后洒布复合改性乳化沥青和碱液得到；所述复合改性沥青以基质沥青、聚异戊二烯基改性剂、相容剂和稳定剂为主要原料制备而成；复合改性乳化沥青通过将复合改性沥青进行乳化而成；
所述聚异戊二烯基改性剂的化学式见式I；
Figure FDA0003547558150000011
式中，其中m取值30～3500，n取值10～3000；
碱液采用高价阳离子氢氧化物溶液或高价阳离子的强碱弱酸盐溶液。
2.根据权利要求1所述耐久超薄磨耗层，其特征在于，所述粗集料为粒径5～10mm的玄武岩或辉绿岩；细集料为机制砂或石屑，其2.36mm筛孔通过率大于90％，0.075筛孔通过率小于10％。
3.根据权利要求1所述耐久超薄磨耗层，其特征在于，所述填料由硅藻土和蒙脱土按(1～3):1的质量比复配而成。
4.根据权利要求1所述耐久超薄磨耗层，其特征在于，所述复合改性沥青中各组分及其所占质量百分比包括：基质沥青85～95份，改性剂5～8份，相容剂2～4份，稳定剂1～2份。
5.根据权利要求1所述耐久超薄磨耗层，其特征在于，所述粘结层中的高粘乳化沥青通过将复合改性沥青采用阳离子乳化剂在酸性条件下乳化而成；碱液中高价阳离子的浓度为0.1～0.15wt％。
6.根据权利要求1所述耐久超薄磨耗层，其特征在于，所述耐久超薄磨耗层的厚度为15～25mm。
7.权利要求1～6任一项所述耐久超薄磨耗层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)在0℃以上的温度条件下，向路面洒布复合改性乳化沥青，15～25min后再喷洒碱液，形成粘结层；
2)按配比称取制备超薄面层的原料，拌合均匀得沥青混合料，然后将其摊铺在粘结层上，进行压实，即得所述耐久超薄磨耗层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述复合改性乳化沥青的用量为0.3～1.0L/m2；碱液的用量为0.2～0.8L/m2。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述摊铺和碾压温度为140～150℃，冷却至常温即可开放交通。
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