本專利屬于道路建筑材料領(lǐng)域具體涉及一種可存儲(chǔ)的高模量瀝青混合料專用天瀝青膠結(jié)料的制備及應(yīng)用方法。
背景技術(shù)：
高模量瀝青混合料（簡(jiǎn)稱hmac：highmodulesasphaltconcrete）始于法國(guó)，由于混合料的整體模量高，抗疲勞性能好而被英國(guó)、南非、美國(guó)、芬蘭、中國(guó)等國(guó)家引進(jìn)和吸收，用于解決交通量劇增及重載條件下路面車轍等問題。按照法國(guó)瀝青混合料設(shè)計(jì)規(guī)范（nfp98-140）的定義，當(dāng)瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量(15℃，10hz)大于14000mpa時(shí)，才被稱為“高模量瀝青混合料”。hmac被引入中國(guó)后，主要被應(yīng)用在瀝青路面的中下面層，其優(yōu)點(diǎn)是：混合料的高模量，減少荷載作用下瀝青混合料的應(yīng)變；減少車轍病害，延長(zhǎng)路面使用壽命；提高路面高溫穩(wěn)定性；減薄路面厚度，節(jié)約資源。傳統(tǒng)的hmac膠結(jié)料通常使用高模量添加劑如法國(guó)的prs、prm、中國(guó)的路寶、德國(guó)的duroflex，或使用天然瀝青做為混合料外加劑，或使用硬質(zhì)瀝青作為膠結(jié)料。存在的問題主要是添加劑成本高，并且添加過程存在質(zhì)量控制難，混合料均勻性差，而使用硬質(zhì)瀝青則存在抗疲勞性能及低溫性能差，而難以應(yīng)用在中國(guó)西北及北方地區(qū)。本發(fā)明正是基于以上問題開發(fā)出高模量專用的天然瀝青膠結(jié)料。
天然瀝青是地層內(nèi)部的石油資源，經(jīng)億萬(wàn)年的地殼運(yùn)動(dòng)，在長(zhǎng)年高溫、高壓、氧化、觸媒、細(xì)菌等綜合作用下，經(jīng)充分氧化、沉淀、聚合、硬化而生成的，是天然狀態(tài)下存在的石油瀝青，與石油瀝青同屬于地瀝青類。具有以下優(yōu)點(diǎn)：含礦物質(zhì)成分，高溫性能優(yōu)異，提高路面承載能力，減少車轍病害；平均分子量大于石油瀝青，瀝青粘度大，理清膜厚度更厚，耐久性更好；極性強(qiáng)，含雜原子功能團(tuán)，和石料粘附性佳，提高路面抗水損能力；性能穩(wěn)定，耐候，抗老化，有效延長(zhǎng)路面使用壽命，降低路面長(zhǎng)壽命周期成本。
由于天然瀝青中含有10%-90%不等的礦物質(zhì)成分，礦物質(zhì)相對(duì)密度大于2，而瀝青的相對(duì)密度1.03左右，因此礦物質(zhì)容易從瀝青中離析，這也是導(dǎo)致天然瀝青一直以來在道路建筑材料領(lǐng)域只能被作為外加劑，通過在使用前加入瀝青（濕法工藝）或混合料中（干法工藝）的應(yīng)用方式。濕法或干法工藝不僅增加了施工工序，且產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性差，質(zhì)量控制難。
中國(guó)專利《一種基于天然瀝青改性的高模量瀝青及其制備方法與應(yīng)用》201410536546.9，《一種高模量瀝青及其制備方法》201410063471.7均將天然瀝青作為改性劑，屬于濕法工藝使用天然瀝青，并非生產(chǎn)出成品化的膠結(jié)料，未提到產(chǎn)品是否能長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)應(yīng)用。并且其混合料的疲勞壽命并未采用法國(guó)的高模量瀝青混合料要求的大于100萬(wàn)次的標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)專利《一種節(jié)能環(huán)保型瀝青及其制備工藝》中也提到使用天然瀝青與各種聚合物以及道路石油瀝青配置瀝青的方式，且根據(jù)其實(shí)施案例，高溫車轍指標(biāo)均小于5000次/mm，并不能應(yīng)用于hmac中，且也未提及產(chǎn)品的儲(chǔ)存穩(wěn)定性問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服傳統(tǒng)天然瀝青應(yīng)用過程中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種可存儲(chǔ)的高模量天然瀝青膠結(jié)料制備及應(yīng)用方法。成品化的高模量瀝青混合料專用膠結(jié)料，解決了以往使用外加劑的不便，成品料可長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)運(yùn)輸，有利于hmac技術(shù)在中國(guó)的推廣應(yīng)用。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
一種可存儲(chǔ)的高模量天然瀝青膠結(jié)料制備及應(yīng)用方法，包括以下步驟：
室溫下將粉碎至300目的天然瀝青與加熱至190-200℃的軟質(zhì)瀝青按照1:3-5:1的比例混合后，進(jìn)入研磨機(jī)研磨1-2h得到天然瀝青中三氯乙烯不溶物平均粒徑小于等于5000-10000目的天然瀝青母液；將上述天然瀝青母液與130-150℃的道路石油瀝青按照30:70-70:30的質(zhì)量比混合，得到混合物a，加入占混合物a質(zhì)量0.1%-2%的偶聯(lián)劑，攪拌均勻后，加入占混合物a質(zhì)量0-10%的聚合物改性劑，經(jīng)充分的剪切分散后，再加入交聯(lián)劑在180-190℃下發(fā)育2-5h，隨后加入降粘劑攪拌半小時(shí)，即得到可存儲(chǔ)的高模量天然瀝青膠結(jié)料。交聯(lián)劑和降粘劑分別占混合物a質(zhì)量0%-0.3%和0.1%-1%。
所述得天然瀝青為巖瀝青、湖瀝青中的一種及其中任意幾種的混合物，并且瀝青含量大于20%，含水率小于2%，經(jīng)機(jī)械破碎后粉碎至300目顆粒狀態(tài)。
所述的軟質(zhì)瀝青采用50#、70#、90#、110#道路石油瀝青、油漿、糠醛抽出油中的一種及其中任意幾種的混合物；將軟質(zhì)瀝青加熱至190-200℃后再與常溫狀態(tài)下的天然瀝青顆粒混勻。
所述的道路石油瀝青為70#、90#、110#a級(jí)道路石油瀝青中的一種及其中任意幾種的混合物。
所述的偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、磷酸酯偶聯(lián)劑中的一種，優(yōu)選硅烷偶聯(lián)劑。
所述的降粘劑為高分子蠟類如sasobit或表面活性劑類如evotherm。
所述的穩(wěn)定劑為硫磺或含硫有機(jī)化合物，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)選用硫磺；
所述的研磨機(jī)優(yōu)選球磨機(jī)，并且研磨后，天然瀝青中三氯乙烯不溶物的平均粒徑小于等于5000-10000目。
所述的聚合物改性劑是分子量10-30萬(wàn)的sbs（線性、星型或混合型）、分子量20-40萬(wàn)的sbr、40-120目的橡膠粉中的一種及其中任意幾種的混合物。
本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明不僅能充分發(fā)揮天然瀝青的高溫穩(wěn)定性和耐久性等特性，并通過物理及化學(xué)穩(wěn)定作用，保證天然瀝青中無(wú)機(jī)物成分均勻穩(wěn)定的分散在膠結(jié)料中，防止出現(xiàn)離析和沉淀。作為成品膠結(jié)料應(yīng)用于高模量瀝青混合料中，經(jīng)檢測(cè)其163℃下72h和7天的離析軟化點(diǎn)差分別為：0.7℃和1.6℃。通過混合料驗(yàn)證，eme20/14的15℃，10hz下的動(dòng)態(tài)模量達(dá)到17079mpa，疲勞壽命182萬(wàn)次（10℃，25hz,130με），完全滿足并大大超出法國(guó)高模量瀝青混合料性能要求。
通過使用高效研磨機(jī)，以軟質(zhì)瀝青作為潤(rùn)滑劑，將天然瀝青中三氯乙烯不溶物，即礦物質(zhì)成分，研磨至粒徑小于等于5000-10000目，隨著粒徑的減小，顆粒的表面效應(yīng)突出，比表面積增大，表面活性增強(qiáng)，通過物理作用分散在瀝青中。并且在偶聯(lián)劑的作用下，礦物質(zhì)成分的表面與瀝青基之間形成搭橋，起到化學(xué)穩(wěn)定作用。同時(shí)由于聚合物改性劑等的加入，一方面提高了產(chǎn)品的低溫性能，此外在工藝的最后加入交聯(lián)劑，促成聚合物形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，“鎖住”礦物質(zhì)成分，有助于防止瀝青中礦物質(zhì)成分的離析。為了檢測(cè)最終成品的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，進(jìn)行儲(chǔ)存穩(wěn)定性檢測(cè)，將天然瀝青灌入鋁管中，在120℃，163℃，180℃下分別存儲(chǔ)72h后，置于-10℃冰箱冷卻4h以上，取鋁管的三分一處上層瀝青和三分之一處下層瀝青，測(cè)試上下層的軟化點(diǎn)差。為了驗(yàn)證其長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)性，還對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了163℃，7天的軟化點(diǎn)差。結(jié)果如下表1所示。
該成品天然瀝青膠結(jié)料應(yīng)滿足表2要求。
本發(fā)明還提供了該高模量瀝青混合料用天然瀝青的使用方法。即如何配置高模量瀝青混合料。
該高模量瀝青混合料所使用的集料，優(yōu)選石灰?guī)r及玄武巖類堿性集料，并且0-3mm或0-5mm檔，以及填料優(yōu)選石灰?guī)r。所有集料的技術(shù)要求應(yīng)滿足jtgf40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。級(jí)配應(yīng)滿足下表3、4、5所示的eme20/20、0/14、0/10的要求。
高模量瀝青混合料的施工溫度如下表6所示：
高模量瀝青混合料的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足表7的要求。
附圖說明
圖1為微粒粒徑分析圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步敘述，但本發(fā)明不局限于以下實(shí)施例。
實(shí)施例一：
將70#a級(jí)道路石油瀝青加熱至180℃度后，緩慢加入破碎至300目天然瀝青顆粒，其中天然瀝青與70#a道路石油瀝青質(zhì)量比為70:30。且該天然瀝青為南美洲特立尼達(dá)湖瀝青，瀝青質(zhì)含量大于30%經(jīng)干燥處理后含水率低于2%，將混合物攪拌并將溫度升至185℃后，進(jìn)入球磨機(jī)研磨2h，使得天然瀝青中三氯乙烯不溶物顆粒平均粒徑5000-10000目及以下，得到天然瀝青母液；將該天然瀝青母液與加熱至160℃的鎮(zhèn)海90a級(jí)道路石油瀝青按照60:40的比例相混，然后加入0.5%的硅烷偶聯(lián)劑攪拌均勻，加入3%的1301sbs改性劑，經(jīng)剪切機(jī)剪切分散后，加入0.7%的硫磺，發(fā)育3小時(shí)后，加入0.1%的sasobit攪拌半小時(shí)，得到成品。其中硅烷偶聯(lián)劑、sbs、硫磺、sasobit添加比例均是以天然瀝青母液和道路石油瀝青的混合物為基準(zhǔn)的外摻比例。
取一部分母液，通過三氯乙烯清洗，抽濾及離心分離后得到的三氯乙烯不溶物，通過激光粒度儀進(jìn)行微粒粒徑分析，結(jié)果如圖1所示：
50%以上的顆粒粒徑小于2.783微米，90%以上粒徑小于11.792微米，平均粒徑4.735微米。
所得天然瀝青膠結(jié)料的指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表8所示。
根據(jù)pg檢測(cè)，其pg分級(jí)達(dá)到pg82-16，表9所示
實(shí)施例二：
將110#a級(jí)道路石油瀝青加熱至180℃后，緩慢加入破碎至300目的天然瀝青顆粒，其中天然瀝青與110#a道路石油瀝青質(zhì)量比為60:40。且該天然瀝青為巖瀝青，瀝青質(zhì)含量大于30%，經(jīng)過干燥處理后含水率低于2%，攪拌并將溫度升溫至180℃后，進(jìn)入球磨機(jī)研磨2h，得到天然瀝青母液；90a級(jí)瀝青加熱至160℃后，與上述天然瀝青母液按照50:50的比例相混，然后加入0.3%的硅烷偶聯(lián)劑攪拌均勻，加入2%的4303sbs改性劑，經(jīng)剪切機(jī)剪切分散后，加入0.5%的硫磺，發(fā)育3小時(shí)后，加入0.2%的evotherm攪拌半小時(shí)即得到成品。其中硅烷偶聯(lián)劑、sbs、硫磺、evotherm添加比例均是以天然瀝青母液和道路石油瀝青的混合物為基準(zhǔn)的外摻比例。所得產(chǎn)品的性能指標(biāo)如表10所示。
實(shí)施例三：
取石灰?guī)r或玄武巖集料按照如下級(jí)配配置混合料。將集料加熱8h以上，使其溫度達(dá)到200℃，拌合溫度設(shè)定為180攝氏度，將實(shí)施例一中的高模量天然瀝青加熱到180℃。將除礦粉以外的集料加入拌鍋，干拌20s后加入瀝青，瀝青用量為5.2%，拌合60秒后，倒入礦粉，拌合30s即可，表11為混合料級(jí)配。
按照法國(guó)的混合料檢測(cè)指標(biāo)，及國(guó)內(nèi)的馬歇爾試驗(yàn)方法分別驗(yàn)證其混合料性能：如表12所示為按照法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)的混合料指標(biāo)結(jié)果。
按照國(guó)內(nèi)的馬歇爾試驗(yàn)方法，對(duì)混合料的各項(xiàng)性能檢測(cè)如下所示：表13為eme20/14混合料的檢測(cè)結(jié)果（馬歇爾試驗(yàn)方法）。