低碳电气石改性沥青及其制备方法

摘要

一种低碳电气石改性沥青，其质量配比为：基质沥青100份、电气石8～20份，分散剂0～0.6份。制备方法为：将基质沥青加热到150±5℃，将干燥的电气石缓慢、分批加入到基质沥青中，加入分散剂，手动匀速搅拌5分钟，采用高速剪切仪，1000转/分钟搅拌10分钟，4000转/分钟搅拌30分钟，1000转/分钟搅拌10分钟，以排除高速搅拌时产生的气泡，制备成电气石改性沥青。试验结果表明，采用本发明生产的电气石改性沥青不仅具备优良的路用性能，而且具有热拌减排、阻燃抑烟、净化空气、减轻城市“热岛效应”等多种功能，可作为沥青路面的材料。

权利要求

1.一种低碳电气石改性沥青，其特征在于它是由下述质量份配比的原料制成：基质沥青 100份电气石 14～20份分散剂 0.42～0.6份上述的电气石为电气石粉或电气石负离子粉，其中电气石粉细度为100目、200目、

325目、400目、600目、800目、1000目、1250目、3000目中的任意一种，电气石负离子粉细度为325目、负离子释放量为1000ions、5000ions、8000ions、10000ions、12000ions、

20000ions、40000ions中的任意一种，分散剂采用多聚磷酸钠或聚丙烯酸钠或聚丙烯酸钾或六偏磷酸钠或十二烷基苯磺酸钠；

在上述的原料配比中，分散剂的用量为电气石质量的3%；

上述的低碳电气石改性沥青的制备方法为：将基质沥青加热到150±5℃，将干燥的电气石缓慢、分批加入到基质沥青中，加入分散剂，手动匀速搅拌5分钟，采用高速剪切仪，

1000转/分钟搅拌10分钟，4000转/分钟搅拌30分钟，1000转/分钟搅拌10分钟，以排除高速搅拌时产生的气泡，制备成电气石改性沥青，储存待用。

2.按照权利要求1所述的低碳电气石改性沥青，其特征在于它是由下述质量份配比的原料制成：基质沥青 100份电气石 17份分散剂 0.51份

3.按照权利要求1或2所述的低碳电气石改性沥青，其特征在于：所述的电气石为电气石负离子粉。

说明书

低碳电气石改性沥青及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于路面材料技术领域，具体涉及到一种低碳电气石改性沥青的制备。

背景技术

[0002] 当前，在全球气候变暖的背景下，发展低碳经济、建设低碳社会已经成为我国乃至世界的战略重点。在道路工程建设中，我国每年新建的高等级路面90％以上为沥青路面，沥青路面大多采用传统的热拌沥青混合料，而这种拌和工艺不仅消耗大量能源，而且在生产和施工的过程中还会排放出大量的废气和粉尘，严重污染环境。人们在1995年开始研制一种环保型的温拌沥青混合料，通过降低混合料的拌合温度来减少废气的排放和降低能源的消耗，但由于其性能与热拌沥青混合料相比还有一定差距，且生产成本偏高，并未得到大面积推广。所以，十分有必要开发一种高性能“绿色环保型”的新型改性沥青来减少热拌沥青混合料的污染排放。

[0003] 大部分具备环境功效的路面材料是在基本不影响路面材料性能前提下，通过掺加一定量的具有特殊性能的添加剂而形成，其对沥青功能属性的改善主要来源于添加剂。现今，国内外使用较多的改性剂是有机材料改性剂，即各种聚合物改性剂；除了有机改性之外，通过添加无机物对沥青改性也可提高其性能，且具有材料来源广泛、生产设备简单、易加工、成本低廉等特点，已经受到越来越多研究者的关注。常用的无机改性物质有：纳米层状硅酸盐、纳米碳酸钙、炭黑、纤维、硅藻土、粉煤灰、水泥、石灰、矿质填料等。在众多的有机改性剂和无机增强剂中，无一同时具有热拌减排、阻燃抑烟、净化空气、降低城市热岛效应(或降低路面温度)等多种低碳功效的添加增强剂。本项目采用电气石粉对沥青进行无机改性，不仅能改善沥青的道路使用性能，且具备上述多种低碳功效，具有显著的社会效益与经济效益。

[0004] 电气石又名托玛琳(tourmaline)，是以含硼为特征的铝、钠、铁、镁、锂的环状结构硅酸盐矿物，国际公认的电气石晶体化学通式可表示为：XY3Z6[Si6O18][BO3]3(O，OH，F)4，X位+ 2+ + 2+ 2+ +主要为Na 或Ca ，也有K 或空缺占据，该位置还可能被Mn 、Mg 、H3O 占据；Y位置主要为
2+ 2+ 2+ 3+ 2+ 3+ 4+
Fe 、Mg 及(Al+Li)，通常还会有Mg 、Fe ，该位置还会被Ca 、Cr 、Ti 占据；Z位置主要
3+ 2+ 3+ 3+ 4+ 4+ 3+ 3+ 4+
为Al ，还有Fe 、Mn 、Li 、Ti 等；Ti 、Al 、Fe 可能替代Si ，但仅能置换四面体位置上很小的比例，其中X、Y、Z的位置替换是很普遍的。电气石具有压电性、热电性(即当温度变化时或在收到压力、张力作用下能够产生电荷)、永久性自发极化效应、发射远红外线、电解水、缩小水分子束、释放负离子等功能，能够在一定条件下产生电荷，电荷对带电粒子(有害气体、杂质等)有吸附作用。

[0005] 电气石改性沥青，是通过将电气石与少量助剂添加到沥青中进行改性制备而成，改善沥青以及沥青混合料的综合性能，从而提高沥青路面使用品质，相比于其它改性方法，其突出特点是不但可减轻行车荷载对沥青路面的破坏，延长沥青路面的使用寿命，而且经改性后的沥青同时具备热拌减排、阻燃抑烟、净化空气、降低城市“热岛效应”等功效。

[0006] 电气石改性沥青的优良特性主要源自以下几个方面：(1)电气石具有永久极化效应，周围存在静电场，对带电粒子有吸附作用，加入沥青中可以吸附粉尘及有害气体，减少混合料拌合时废气的排放，从而达到热拌减排和对燃烧的沥青混合料阻燃抑烟的双重效应；(2)电气石能够发射红外线，远红外线辐射功能可加剧有机分子运动，提高沥青内部结构稳定性，改善沥青与混合料的路用性能，电气石的热电性和压电性使得沥青在受到外界温度变化或行车荷载作用时，产生电荷，能够进一步提高沥青的性能；(3)电气石具有永久释放负离子功能，空气负离子能还原来自大气的污染物质、氮氧化物等产生的活性氧(氧自由基)，中和带正电的空气飘尘，使空气得到净化，从而有效改善城市环境；(4)电气石的热电性和压电性，使得改性沥青能够将部分热能或机械能转换为电能，不仅可减少行车荷载破坏，延长路面使用寿命，还可有效降低路面温度，对减轻城市热岛效应有显著作用；(5)电气石不仅无污染，具有较高的机械化学稳定性，而且不存在饱和极限，可持续使用，重复利用率较高。

[0007] 我国电气石资源量储存十分丰富，利用潜力非常大，已广泛应用于环保、医疗保健、声电功能材料、研磨材料、水的活化改性、电磁屏蔽等方面，而将电气石应用于道路工程中，对沥青进行无机改性在国内外尚属首次，这不但可以拓宽电气石的应用领域，而且可以为减排功能路面材料及隧道阻燃抑烟环保材料提供新途径，对沿线的环境保护也具有积极的作用，从可持续发展的角度来看，将会收到经济、社会、环保三赢的局面。关于电气石改性沥青的研究，国内外还未见相关报道，因此，当前全面系统地研究其各项性能对电气石改性沥青在道路建设工程中的应用与推广具有现实意义。

发明内容

[0008] 本发明需要解决的一个技术问题是克服现有改性沥青热拌高能耗、高污染和性能不完善的技术问题，提供一种具有热拌减排、阻燃抑烟、净化空气、降低城市热岛效应、使用寿命长、功能多的低碳电气石改性沥青。

[0009] 本发明需要解决的另一个技术问题是为低碳电气石改性沥青提供一种制备方法。

[0010] 解决上述技术问题所采用的技术方案是由下述质量份配比的原料制成：

[0011] 基质沥青 100份

[0012] 电气石 8～20份

[0013] 分散剂 0～0.6份

[0014] 上述的电气石为电气石粉或电气石负离子粉，其中电气石粉细度为100目、200目、325目、400目、600目、800目、1000目、1250目、3000目中的任意一种，电气石负离子粉细度为325目、负离子释放量为1000ions、5000ions、8000ions、10000ions、12000ions、20000ions、40000ions中的任意一种。分散剂可采用多聚磷酸钠或聚丙烯酸钠或聚丙烯酸钾或六偏磷酸钠或十二烷基苯磺酸钠。

[0015] 上述的电气石粉和电气石负离子粉由河北省石家庄灵寿县汇鑫电气石厂生产。多聚磷酸钠的型号为 聚丙烯酸钠的型号为 聚丙烯酸钾的型号为 由北京东方澳汉有限公司生产提供；六偏磷酸钠(NaPO3)6、十二烷基苯磺酸钠LAS-60由西安顺辉化工有限公司提供。

[0016] 制备本发明的优选质量份配比为：

[0017] 基质沥青 100份

[0018] 电气石 14～20份

[0019] 多聚磷酸钠 0.42～0.6份

[0020] 制备本发明的最佳质量份配比为：

[0021] 基质沥青 100份

[0022] 电气石 17份

[0023] 多聚磷酸钠 0.51份

[0024] 在本发明的原料配比中，分散剂的用量为电气石质量的3％。

[0025] 上述电气石改性沥青的制备方法如下：

[0026] 将基质沥青加热到150±5℃，将干燥的电气石缓慢、分批加入到基质沥青中，加入分散剂，手动匀速搅拌5分钟，采用高速剪切仪，1000转/分钟搅拌10分钟，4000转/分钟搅拌30分钟，1000转/分钟搅拌10分钟，以排除高速搅拌时产生的气泡，制备成电气石改性沥青，储存待用。

[0027] 本发明经过大量的研究和试验，结果表明，采用本发明生产的电气石改性沥青不仅具备优良的路用性能，且具有热拌减排、阻燃抑烟、净化空气、减轻城市“热岛效应”等多种功能，可作为沥青路面的材料。

附图说明

[0028] 图1是电气石负离子粉的扫描电镜图

[0029] 图2是电气石改性沥青的扫描电镜图。

[0030] 图3是基质沥青、电气石粉体及电气石改性沥青的红外光谱图。

[0031] 图4是基质沥青的差示扫描热图谱。

[0032] 图5是电气石改性沥青的差示扫描热图谱

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于这些实施例。

[0034] 实施例1

[0035] 以生产本发明产品用基质沥青100kg为例所用的其它原料及其质量配比为：

[0036] 韩国SK70#沥青 100kg

[0037] 负离子释放量5000ions的电气石负离子粉 17kg

[0038] 多聚磷酸钠 0.51kg

[0039] 上述原料的质量份配比为：

[0040] 韩国SK70#沥青 100份

[0041] 负离子释放量5000ions的电气石负离子粉 17份

[0042] 多聚磷酸钠 0.51份

[0043] 其制备方法如下：

[0044] 将基质沥青加热到150±5℃，将干燥的电气石负离子粉缓慢、分批加入到基质沥青中，加入多聚磷酸钠，手动匀速搅拌5分钟，采用高速剪切仪，1000转/分钟搅拌10分钟，4000转/分钟搅拌30分钟，1000转/分钟搅拌10分钟，以排除高速搅拌时产生的气泡，制备成电气石改性沥青，储存待用。

[0045] 实施例2

[0046] 以生产本发明产品用基质沥青100kg为例所用的其它原料及其质量配比为：

[0047] 韩国SK70#沥青 100kg

[0048] 负离子释放量5000ions的电气石负离子粉 20kg

[0049] 多聚磷酸钠 0.6kg

[0050] 上述原料的重量份配比为：

[0051] 韩国SK70#沥青 100份

[0052] 负离子释放量5000ions的电气石负离子粉 20份

[0053] 多聚磷酸钠 0.6份

[0054] 其制备方法与实施例1相同。

[0055] 实施例3

[0056] 以生产本发明产品用基质沥青100kg为例所用的其它原料及其质量配比为：

[0057] 韩国SK70#沥青 100kg

[0058] 负离子释放量5000ions的电气石负离子粉 14kg

[0059] 分散剂 0.42kg

[0060] 上述原料的重量份配比为：

[0061] 韩国SK70#沥青 100份

[0062] 负离子释放量5000ions的电气石负离子粉 14份

[0063] 多聚磷酸钠 0.42份

[0064] 其制备方法与实施例1相同。

[0065] 实施例4

[0066] 以生产本发明产品用基质沥青100kg为例所用的其它原料及其质量配比为：

[0067] 韩国SK70#沥青 100kg

[0068] 负离子释放量5000ions的电气石负离子粉 11kg

[0069] 多聚磷酸钠 0.33kg

[0070] 上述原料的重量份配比为：

[0071] 韩国SK70#沥青 100份

[0072] 负离子释放量5000ions的电气石负离子粉 11份

[0073] 分散剂 0.33份

[0074] 其制备方法与实施例1相同。

[0075] 实施例5

[0076] 以生产本发明产品用基质沥青100kg为例所用的其它原料及其质量配比为：

[0077] 韩国SK70#沥青 100kg

[0078] 负离子释放量5000ions的电气石负离子粉 8kg

[0079] 多聚磷酸钠 0.24k

[0080] g上述原料的重量份配比为：

[0081] 韩国SK70#沥青 100份

[0082] 负离子释放量5000ions的电气石负离子粉 8份

[0083] 多聚磷酸钠 0.24份

[0084] 其制备方法与实施例1相同。

[0085] 实施例6

[0086] 以生产本发明产品用基质沥青100kg为例所用的其它原料及其质量配比为：

[0087] 韩国SK70#沥青 100kg

[0088] 负离子释放量5000ions的电气石负离子粉 14kg

[0089] 多聚磷酸钠 0kg

[0090] 上述原料的重量份配比为：

[0091] 韩国SK70#沥青 100份

[0092] 负离子释放量5000ions的电气石负离子粉 14份

[0093] 多聚磷酸钠 0份

[0094] 其制备方法与实施例1相同。

[0095] 实施例7

[0096] 以生产本发明产品用基质沥青100kg为例所用的其它原料及其质量配比为：

[0097] 在以上实施例1～6的配比中，负离子释放量5000ions的电气石负离子粉可用粒径为325目的电气石负离子粉替换，也可用负离子释放量为1000ions或8000ions或10000ions或12000ions或20000ions或40000ions的电气石负离子粉替代，还可用粒径为100目或200目或325目或400目或600目或800目或1000目或1250目或3000目的电气石粉替代，用量与负离子释放量5000ions的电气石负离子粉用量相同，多聚磷酸钠可用聚丙烯酸钠或聚丙烯酸钾或六偏磷酸钠或十二烷基苯磺酸钠替代。

[0098] 其制备方法与实施例1相同。

[0099] 为了确定本发明的最佳质量配比发明人进行了大量的研究试验，各种试验情况如下：

[0100] 1.确定改性沥青制备的搅拌温度与搅拌时间

[0101] 电气石烘干温度为105±5℃，采用改性沥青剪切仪，开动搅拌机搅拌时，速度由慢到快，先以1000rpm转速搅拌10分钟，再以4000rpm的转速在规定温度下搅拌一定时间。

[0102] 沥青针入度试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)中第T0604-2000条规定进行，延度试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)第T0605-2000条规定进行，软化点试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)中第T0606-2000条规定进行。

[0103] (1)确定搅拌温度

[0104] 选取120℃、150℃、180℃三个搅拌温度进行研究。该研究中电气石掺量为14％(电气石质量与基质沥青质量比)，试验结果见表1。

[0105] 表1搅拌温度对电气石改性沥青基本件能影响

[0106]温度 120℃ 150℃ 180℃
25℃针入度(0.1mm) 53.5 53.0 53.1
软化点(℃) 50.3 51.8 51.3
10℃延度(cm) 11.2 12.9 12.0

[0107] 由表1可得，搅拌温度对25℃针入度影响很小，而随着搅拌温度的升高，软化点和10℃延度都呈现出先增大后减小的规律。可以看出搅拌温度在150℃左右时电气石改性沥青的性能最优。

[0108] (2)确定搅拌时间

[0109] 在已确定的最佳搅拌温度150±5℃条件下，选取20分钟、40分钟和60分钟三个搅拌时间进行研究。试验结果见表2。

[0110] 表2搅拌时间对电气石改性沥青基本性能影响

[0111]时间 20分钟 40分钟 60分钟
25℃针入度(0.1mm) 55.1 53.6 53.5
软化点(℃) 50.3 51.9 52.1
10℃延度(cm) 11.9 13.2 13.6

[0112] 由表2可得：随搅拌时间的增加，电气石改性沥青的25℃针入度呈减小趋势；软化点和10℃延度都表现出变大趋势，但在搅拌时间达到40分钟之后，变化已经不明显。说明随搅拌时间的增加，电气石改性沥青的基本性能在提高，但搅拌时间超过40分钟后，性能提高趋势已很平缓。因此，电气石改性沥青的合理搅拌时间为40分钟。

[0113] 2.确定分散剂在本发明中的用量

[0114] 电气石在沥青中的分散性直接影响电气石的表面活性，表面活性的增大有利于电气石特性(如红外辐射、释放负离子、吸附效应等)的提高。所以需要对超细粉体电气石分散体系中加入分散剂对其进行表面改性，提高电气石在沥青中的分散性。通过对电气石进行表面改性研究，确定采用多聚磷酸钠、聚丙烯酸钠或聚丙烯酸钾或六偏磷酸钠或十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，用量为电气石质量的3％。

[0115] 为验证分散剂对制备电气石改性沥青的作用效果，选择电气石掺量14％(电气石质量与基质沥青质量比)，一组试验采用多聚磷酸钠用量为3％(与电气石质量比)，另一组对比试验不添加多聚磷酸钠，制备电气石改性沥青，其他用量与前者相同，测两组改性沥青的常规三大物理指标的，试验结果如表3所示。

[0116] 表3添加分散剂后的电气石改性沥青常规物理性能

[0117]

[0118] 从表3中可以看出，添加分散剂后的电气石改性沥青性能优于不添加分散剂的改性沥青，这是由于分散剂提高了电气石的表面活性，从而提高了电气石改性沥青的性能。

[0119] 3.确定电气石在本发明中的用量

[0120] 采用外掺法(即电气石质量与基质沥青质量之比)将掺量8％、11％、14％、17％和20％的负离子释放量5000ions的电气石负离子粉和加入到SK-70基质沥青中，然后在沥青中加入分散剂多聚磷酸钠(用量为电气石质量的3％)，制备电气石改性沥青。将基质沥青与电气石改性沥青进行针入度试验、软化点试验和延度试验，试验方法与上述确定改性沥青制备的搅拌温度与搅拌时间的试验方法相同。试验结果见表4。

[0121] 表4不同掺量电气石改性沥青常规物理性能

[0122]

[0123] 由表4可得，电气石加入到沥青中后，沥青的针入度明显下降，电气石掺加剂量为8％～20％，针入度随掺量增加不断降低，软化点随掺量增加不断升高，但电气石掺量对沥青软化点的影响程度不大，10℃延度随掺量增加先减小后增大。电气石改性沥青的感温性能较基质沥青有了很大改善，PI值随掺量增加先减小后增大，当量软化点随掺量增加不断增大，当量脆点则随掺量增加先增大后减小。

[0124] 由于针入度和软化点都是条件粘度，电气石改性沥青针入度降低，软化点和当量软化点升高，表明沥青的高温性能由于电气石的加入得到了明显的提高，感温性能也有显著改善。低温下电气石改性沥青的延度较基质沥青降低，但由于电气石改性沥青拉伸过程中，电气石受力不明显，不能体现出其压电性能，从而对沥青的低温性能改善不明显，而在实际道路使用中，在行车荷载的作用下，电气石能充分发挥其压电性能，更好的改善沥青的低温性能，因此，对于电气石改性沥青，不适合采用低温延度试验进行沥青的低温性能评价，综合考虑，电气石的优选用量为14％～20％，其中最佳用量为17％。

[0125] 为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的电气石改性沥青用扫描电镜进行观测、用红外光谱仪、差示扫描热等微观试验，还进行了四组分试验、旋转粘度试验、动态剪切流变试验、低温弯曲流变试验、电性能试验，以及分析了电气石改性沥青的热拌减排、阻燃抑烟、净化空气和降低城市热岛效应(或降低路面温度)等多种生态功效，从不同方面对电气石改性沥青的性能进行了全面系统研究。

[0126] 各种试验情况如下：

[0127] 1.电气石改性沥青微观试验

[0128] (1)电气石改性沥青扫描电镜试验

[0129] 采用扫描电镜试验观察电气石及其改性沥青的微观表面形状和结构，以分析电气石在沥青中的分散性。电气石负离子粉和电气石改性沥青的扫描电镜图片分别参见图1和图2。

[0130] 由图1、图2可见，电气石的外层壳壁上有呈不同形式排列的层状结构，并且这些层状结构根据电气石壳面的形状以某种较规律的方式排列。电气石颗粒能均匀地分散在沥青中，与沥青形成稳定的整体。

[0131] (2)电气石改性沥青红外光谱试验

[0132] 利用红外光谱来研究电气石与沥青的相互作用，以判断改性后电气石与沥青是否发生了化学变化。基质沥青、电气石粉体及不同掺量的电气石改性沥青的红外光谱图谱参见图3。

[0133] 图3中a曲线为电气石粉体的图谱，b曲线为电气石掺量20％的改性沥青的图谱，c曲线为电气石掺量14％的改性沥青的图谱，d曲线为电气石掺量8％的图谱，e为基质沥青的图谱。通过对比分析基质沥青、电气石粉体及其电气石改性沥青的红外光谱图谱，可以判断出电气石改性沥青红外光谱中没有新的吸热峰产生，其特征峰基本没有出现大的位移，吸热强度没有大的差别。可以认为，电气石加入到沥青中没有出现复杂的化学反应，没有产生新的官能团，仅仅是物理共混过程。

[0134] (3)电气石改性沥青差示扫描热试验

[0135] 通过差示扫描热法试验，研究电气石改性沥青的聚集态随温度的变化规律，以深入研究改性沥青的感温性。基质沥青的和电气石改性沥青的差示扫描热图谱分别参见图4和图5。

[0136] 通过对比分析电气石改性沥青与基质沥青差示扫描热图谱发现，在从玻璃态到粘弹态转变和粘弹态到粘流态转变的温度范围内，改性沥青的吸热峰均变小，表明电气石改性沥青在聚集态转变过程中，性质较为稳定。

[0137] 2.电气石改性沥青四组分试验

[0138] 为分析改性沥青中不同组分的分布情况，以便了解掺入电气石后沥青性能变化的原因，对基质沥青和电气石改性沥青进行四组分试验。试验结果见表5。

[0139] 表5电气石改件沥青四组分试验结果

[0140]沥青类型 沥青质(％) 饱和分(％) 芳香分(％) 胶质(％)
基质沥青 9.42 18.27 37.85 34.46
电气石改性沥青 12.98 14.45 32.51 40.06

[0141] 由表5可得，在基质沥青中添加电气石后，沥青的组分比例关系发生明显变化，电气石吸收了饱和分、芳香分，使饱和分和芳香分含量相对减少，与基质沥青相比，上述饱和分和芳香分含量减少约7％～11％，电气石使得高蜡含量的沥青胶体结构向溶凝胶型结构发育，感温性显著下降，其它性能也得到改善。

[0142] 3.电气石改性沥青流变性能试验

[0143] 沥青的常规三大指标难以全面评价沥青的各项性能。故采用美国公路战略研究计划(SHRP)中的布氏旋转粘度试验、动态剪切流变试验和弯曲梁流变试验来测试电气石改性沥青的流变性能，来进一步验证本发明的有益效果。

[0144] (1)电气石改性沥青粘度试验

[0145] 采用美国Brookfield DV-II+型旋转粘度计，测试电气石改性沥青分别在110℃、135℃和165℃等三个温度下的旋转粘度值。试验具体的操作按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)中第T0625-2000条规定进行。试验结果见表6。

[0146] 表6电气石改性沥青粘度试验结果

[0147]

[0148] 根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ 032-1994)规定，以沥青结合料的粘度达到(0.17±0.02)Pa·s时的温度作为拌和温度，以(0.28±0.03)Pa·s的温度作为压实温度范围，按表5中回归方程进行计算，试验和计算结果见表7.。

[0149] 表7电气石改性沥青的施工温度

[0150]沥青类型 拌和温度(℃) 压实温度(℃)
+11％电气石负离子粉325目 156～161 144～149
+17％电气石负离子粉325目 164～169 152～157
+17％电气石粉325目 162～167 150～155
+17％电气石负离子粉10000ions 161～166 149～154

[0151] 由表7可以看出电气石类型和掺量对电气石改性沥青的施工温度影响不大，电气石改性沥青采用拌和温度为160～170℃，压实温度不低于150℃。

[0152] (2)电气石改性沥青动态剪切流变试验

[0153] 采用奥地利AntonPaar公司生产的PhysicalMCR101型动态剪切流变仪，对基质沥青和电气石改性沥青进行动态剪切流变试验，包括温度扫描以及频率扫描试验。试验方法按照AASHTO TP5-93规定进行。

[0154] 当摆动角速度为10rad/s，测得基质沥青和电气石改性沥青在64℃、70℃、76℃和82℃四个温度下的车辙因子G*/sinδ，试验结果见表8。

[0155] 表8不同温度下电气石改性沥青的车辙因子

[0156]

[0157] 由表8可得，电气石改性沥青的车辙因子G*/sinδ在不同温度下均明显高于基质沥青，表明电气石对沥青的高温抗车辙性能有显著的改善作用。

[0158] (3)电气石改性沥青低温弯曲流变试验

[0159] 采用美国生产的TE-BBR-F型弯曲梁流变仪进行低温弯曲流变试验，按照ASTM D6648-01试验方法，选择试验温度-12℃，测试电气石改性沥青在60秒时的蠕变劲度(S)和蠕变速率(m)。

[0160] 为验证在受到外力作用时，电气石所具有的压电性能对沥青低温性能的改善作用，在对电气石改性沥青进行低温弯曲流变试验前，对试样分别施加100g砝码和200g砝码的荷载作用，持续10秒钟，然后进行低温弯曲流变试验。

[0161] 由于在低温弯曲流变试验仪器水浴中对低温弯曲流变试件放置砝码施加应力时，砝码会受到浮力作用，对试件实际所施加荷载压力需去掉砝码承受的浮力。经计算得出当添加100g砝码时，对试件实际施加荷载为0.923N，添加200g砝码时，试件承受荷载为1.846N。低温弯曲流变试验结果见表9。

[0162] 表9电气石改性沥青施加荷载后低温弯曲流变试验结果

[0163]施加荷载(N) S(MPa) m
0 164 0.433
0.923 152 0.437
1.846 189 0.394

[0164] 由表9可得，随外部施加荷载的增大，蠕变劲度S值先减小后增大，蠕变速率m值先增大后减小，表明对电气石改性沥青施加适当荷载时，低温性能变好，这是因为对电气石改性沥青施加适当荷载，电气石由于压电性能释放电荷，电荷之间的吸引作用增强了沥青内部结构的稳定性，使沥青低温性能提高。但当施加荷载过大时，会对沥青结构造成破坏，反而导致沥青低温性能下降。

[0165] 4.电气石改性沥青电性能试验

[0166] (1)电气石改性沥青压电性能

[0167] 采用中国科学院声学研究所生产的ZJ-3A型准静态d33测量仪，对电气石及其改性沥青进行压电性能测试。压电常数d33是表征压电材料压电性能的主要参数之一，压电常数的大小在一定程度上体现了其压电效应的强弱，压电常数越大，其压电效应越强。试验结果见表10。

[0168] 表10电气石改性沥青与基质沥青的压电常数

[0169]沥青类型 压电常数d33(pC/N)
基质沥青 0.63
电气石改性沥青 3.06

[0170] 由表10可得，添加电气石后，沥青的压电常数显著提高，表明经电气石改性的沥青材料可以表现出很好的压电性能。

[0171] (2)电气石改性沥青介电性能

[0172] 采用Angilent公司生产的HP4294A精密阻抗分析仪，测量样品在1kHz条件下的介电电容和介质损耗，试验结果见表11。

[0173] 表11电气石改性沥青与基质沥青的平均介电常数

[0174]-12
沥青类型 平均介电常数ε0(×10 pf/cm) 介电损耗tgδ
基质沥青 2.312 0.025
电气石改性沥青 2.743 0.049

[0175] 由表11可得，电气石改性沥青的介电常数明显高于基质沥青，表明电气石改性沥青具有很好的电荷存储能力，在常温下，晶体的热释电性与其介电性成正相关关系，所以电气石改性沥青具有更好的热释电性。电气石改性沥青的介电损耗tgδ大于基质沥青，表明电气石改性沥青所释放的热量较基质沥青大，但电气石优良的热释电性能可将其热量很好的转换为电能，这将进一步提高电气石改性沥青所产生的电场作用。

[0176] 5.热拌下电气石改性沥青的减排功效试验

[0177] 将电气石添加于沥青中，基于电荷吸附作用，必将抑制或减少沥青烟等有害气体的排放。为验证电气石改性沥青减排的可行性，对电气石改性沥青与基质沥青在160～170℃的温度下进行了对比试验，通过测试刚改好后沥青释放的气体，发现电气石改性沥青释放的有毒气体含量少，且能明显观察到电气石改性沥青表面释放的烟雾较基质沥青少，表明掺加电气石粉的改性沥青对有害气体的吸附效果非常明显。

[0178] 6.电气石改性沥青阻燃抑烟试验

[0179] 为验证电气石粉改性沥青具有阻燃功能，分别采用电气石改性沥青和基质沥青制作了两个马歇尔试件。通过对马歇尔试件浇洒10ml的汽油进行助燃，模拟沥青路面在汽车汽油泄漏引起路面燃烧的过程，通过两组试件的燃烧现象观察发现电气石改性沥青试件燃烧火焰小，且燃烧时间短，可见电气石改性沥青具有阻燃抑烟功效。

[0180] 7.电气石改性沥青净化空气效应

[0181] 电气石具有永久释放负离子功能，这主要归因于电气石的电解作用。电气石具有永久性自发电极，这种电极能使其周围空气中水分子发生微弱的电解，即将H2O电解成- + +OH 和H。氢离子由电气石电极之间的微弱电流中得到电子：2H+2e→H2↑，氢氧根离子与- -
水分子结合形成空气负离子：OH+(H2O)n→OH(H2O)n。

[0182] 空气负离子能还原来自大气的污染物质、氮氧化物等产生的活性氧(氧自由基)，中和带正电的空气飘尘，使空气得到净化。将电气石加入到沥青中，则使得沥青具备净化城市环境的功能。

[0183] 8.电气石改性沥青降低城市热岛效应(路面温度)

[0184] 分别采用基质沥青和电气石改性沥青制备三块车辙板，将车辙板在室外放置三天后，同时对车辙板表面温度与大气温度进行测试，试验结果见表12。

[0185] 表12车辙板表面温度与大气温度

[0186]类型 大气温度 基质沥青车辙板 电气石改性沥青车辙板
平均温度(℃) 35.2 56.8 46.5

[0187] 由表12得，电气石改性沥青车辙板表面温度明显低于基质沥青车辙板的表面温度，两者相差10.3℃，表明电气石改性沥青可有效降低沥青路面表面温度，吸收大气中的热量，从而可减轻城市的热岛效应。

[0188] 9.试验结论

[0189] 通过对电气石进行表面改性研究，确定本发明中分散剂的用量。将电气石加入到基质沥青中，测试不同掺量电气石改性沥青的常规物理性能，确定本发明电气石的用量。借助扫描电镜、红外光谱分析、差示扫描热等微观试验，得出电气石加入到沥青中，能均匀地分散在沥青中，与沥青仅仅是物理共混过程，能与沥青形成稳定的整体。依据电气石改性沥青旋转粘度试验，提出电气石改性沥青的推荐拌和温度为160～170℃，压实温度不低于150℃。采用DSR试验证明了电气石能显著提高沥青的高温性能，通过低温弯曲流变试验验证了电气石所具有的压电性能对沥青低温性能具有改善作用。借助电性能试验证明电气石改性沥青具有很好的压电性能和热释电性能。并通过相关试验证明了电气石改性沥青具有热拌减排、阻燃抑烟、净化空气和降低城市“热岛效应”等多种生态功效。