使用重油飞灰来改进沥青粘结剂和沥青混凝土性能

摘要

本文中公开了使用重油飞灰来改进沥青粘结剂和沥青混凝土性能，尤其公开了一种沥青混凝土混合物、一种沥青粘结剂组合物和制备相关组合物的方法。所述沥青粘结剂组合物包括含有约90重量％以上碳的重油飞灰。所述组合物能够按性能分级。所述粘结剂可以用于使沥青改性并且还用作沥青混凝土组合物中的填料。

权利要求

1.一种沥青混凝土混合物，其具有与车辙、变形、稳定性和模量有关的改进性质，所述沥青混凝土混合物包含：a.重油飞灰，所述重油飞灰以所述沥青混凝土混合物的3重量％到10重量％的范围存在，其中所述重油飞灰包括大于90重量％的碳；和b.沥青混凝土，其中所述沥青混凝土包括骨料和柏油。

2.根据权利要求1所述的沥青混凝土混合物，其中所述重油飞灰以3重量％到6重量％的量存在，并且所述沥青混凝土混合物的PG分级为70-10。

3.根据权利要求1所述的沥青混凝土混合物，其中所述重油飞灰以10重量％的量存在，并且所述沥青混凝土混合物的PG分级为76-10。

4.根据权利要求1所述的沥青混凝土混合物，其中所述沥青混凝土混合物不含聚合改性剂。

5.根据权利要求1所述的沥青混凝土混合物，其中所述沥青混凝土混合物的马歇尔稳定性介于10.5kN到14.6kN的范围内。

6.根据权利要求1所述的沥青混凝土混合物，其中所述沥青混凝土混合物的回弹模量介于400psi到580psi的范围内。

7.根据权利要求1所述的沥青混凝土混合物，其中所述沥青混凝土混合物在8000次负荷反复下展示小于5mm的车辙。

8.一种制备沥青混凝土组合物的方法，所述沥青混凝土组合物具有与车辙、变形、稳定性和模量有关的改进性质，所述方法包含以下步骤：a.制备包含重油飞灰的粘结剂，其中基于所述沥青混凝土组合物的总重量，所述重油飞灰以3重量％到10重量％的量存在，其中所述重油飞灰包括大于90重量％的碳；

b.将所述粘结剂与柏油组合以制造改性的柏油；和

c.将所述改性的柏油与骨料组合以制造沥青混凝土组合物。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述重油飞灰以3重量％到6重量％的量存在，并且所述组合物的PG分级为70-10。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述重油飞灰以10重量％的量存在，并且所述组合物的PG分级为76-10。

11.根据权利要求8所述的方法，其中所述组合物不含聚合改性剂。

12.根据权利要求8所述的方法，其中所述组合物的马歇尔稳定性介于10.5kN到14.6kN的范围内。

13.根据权利要求8所述的方法，其中所述组合物的回弹模量介于400psi到580psi的范围内。

14.根据权利要求8所述的方法，其中所述组合物在8000次负荷反复下展示小于5mm的车辙。

15.一种制备沥青混凝土组合物的方法，所述沥青混凝土组合物具有与车辙、变形、稳定性和模量有关的改进性质，所述方法包含以下步骤：a.制备包含重油飞灰的粘结剂，基于所述沥青混凝土组合物的总重量，所述重油飞灰以3重量％到10重量％的量存在，其中所述重油飞灰包括大于90重量％的碳；和b.将所述粘结剂与沥青混凝土组合以制造沥青混凝土组合物，其中所述沥青混凝土包含骨料和柏油。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述沥青混凝土包含95重量份的骨料和5重量份的柏油。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述重油飞灰以3重量％到6重量％的量存在，并且所述组合物的PG分级为70-10。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述重油飞灰以10重量％的量存在，并且所述组合物的PG分级为76-10。

19.根据权利要求15所述的方法，其中所述组合物不含聚合改性剂。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述组合物的马歇尔稳定性介于10.5kN到

14.6kN的范围内。

21.根据权利要求15所述的方法，其中所述组合物的回弹模量介于400psi到580psi的范围内。

22.根据权利要求15所述的方法，其中所述组合物在8000次负荷反复下展示小于5mm的车辙。

23.一种沥青混凝土混合物，其具有与车辙、变形、稳定性和模量有关的改进性质，所述沥青混凝土混合物包含：a.改性柏油，所述改性柏油包含经重油飞灰改性的柏油，所述重油飞灰包括大于90重量％的碳，并以所述沥青混凝土混合物的3重量％到10重量％的范围存在；和b.骨料，所述骨料在所述柏油与重油飞灰组合后添加到所述改性柏油中。

24.根据权利要求23所述的沥青混凝土混合物，其中所述重油飞灰以3重量％到6重量％的量存在，并且所述沥青混凝土混合物的PG分级为70-10。

25.根据权利要求23所述的沥青混凝土混合物，其中所述重油飞灰以10重量％的量存在，并且所述沥青混凝土混合物的PG分级为76-10。

26.根据权利要求23所述的沥青混凝土混合物，其中所述沥青混凝土混合物不含聚合改性剂。

27.根据权利要求23所述的沥青混凝土混合物，其中所述沥青混凝土混合物的马歇尔稳定性介于10.5kN到14.6kN的范围内。

28.根据权利要求23所述的沥青混凝土混合物，其中所述沥青混凝土混合物的回弹模量介于400psi到580psi的范围内。

29.根据权利要求23所述的沥青混凝土混合物，其中所述沥青混凝土混合物在8000次负荷反复下展示小于5mm的车辙。

30.一种制备沥青混凝土组合物的方法，所述沥青混凝土组合物具有与车辙、变形、稳定性和模量有关的改进性质，所述方法包含以下步骤：a.制备包含柏油和重油飞灰的改性柏油粘结剂组合物，所述重油飞灰包含大于90重量％的碳，并且基于所述沥青混凝土组合物的总重量，所述重油飞灰以3重量％到10重量％的量存在；和b.将所述改性柏油粘结剂组合物与骨料组合。

31.根据权利要求30所述的方法，其中所述沥青混凝土包含95重量份的骨料和5重量份的柏油。

32.根据权利要求30所述的方法，其中所述重油飞灰以3重量％到6重量％的量存在，并且所述组合物的PG分级为70-10。

33.根据权利要求30所述的方法，其中所述重油飞灰以10重量％的量存在，并且所述组合物的PG分级为76-10。

34.根据权利要求30所述的方法，其中所述组合物不含聚合改性剂。

35.根据权利要求30所述的方法，其中所述组合物的马歇尔稳定性介于10.5kN到

14.6kN的范围内。

36.根据权利要求30所述的方法，其中所述组合物的回弹模量介于400psi到580psi的范围内。

37.根据权利要求30所述的方法，其中所述组合物在8000次负荷反复下展示小于5mm的车辙。

说明书

使用重油飞灰来改进沥青粘结剂和沥青混凝土性能

[0001] 相关申请

[0002] 本申请是申请日为2011年11月1日、申请号为201180052810.6、发明名称为“使用重油飞灰来改进沥青粘结剂和沥青混凝土性能”的发明专利申请的分案申请，并主张该发明专利申请的权益，该发明专利申请的完整内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

[0003] 本文中公开了经重油飞灰改性的沥青粘结剂和沥青组合物和其制造方法。

背景技术

[0004] 由于现代商业依赖于从供应商向用户递送产品的可靠并且成本有效的方法，因此耐用并且可靠的公路、道路和用于车辆的其它支撑表面的可用性对于维持现代经济来说至关重要。为了提供更好的支撑表面，通常用沥青混凝土层或垫层来铺设公路、道路和人行道，所述沥青混凝土层或垫层覆盖在底基层的表面上。沥青因为其相对于水泥更便宜并且非常耐用而被优选用于浇注道路。沥青还可以在夜间进行浇注，这使得主要道路可在最不忙碌的时间关闭以便养护。有关道路噪音，沥青还比水泥更安静，使其成为道路的更好选择。

[0005] 沥青主要是柏油(bitumen)(作为粘结剂)与骨料(aggregate)(具体地说填料、沙子和石头)的混合物。有许多不同类型的沥青是可获得的并且其特征可能很不相同。用于柏油铺设应用的沥青的设计是选择材料并且配比材料以在成品建筑中获得所要性质同时将不合需要的特征减到最少的一个复杂过程。

[0006] 在评估和调整混合设计中，最终混合设计中的骨料分级和粘结剂含量在预期用途的稳定性与耐用性需求之间加以平衡。混合设计的最终目标是在所有所要性质之中实现平衡。为了达到类似目标，已调查粘结剂和多种聚合物，并且已研究其它改性。

[0007] 如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)嵌段共聚物的不饱和热塑性弹性体是用于沥青改性的聚合物。其提高沥青的弹性恢复能力和因此其对永久变形的抵抗性。然而，不饱和弹性聚合物相当昂贵并且在暴露于大气因素(atmospheric agent)和机械应力时会经历降解。由于其易碎性，其典型地以原始聚合物形式加以使用。这会导致产品的成本显著增加。虽然SBS被公认为具有性能益处，但研究已集中在以牺牲优越性能作为交换的最成本有效的改性剂。

[0008] 已调查烯烃聚合物用作改性剂。其可以不同机械性质并且以低成本大量地获得。聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)是塑性体。其给产品带来高刚性(即缺乏弹性、抗弯曲性)并且显著减少交通负荷下的变形。由于其非极性的性质，PE和PP遭受以下缺点，即其与沥青几乎完全不可混溶，并且因此在使用上受到限制。

[0009] 常规沥青在使用中通常不保持充足弹性，并且还展现出对于在许多现代应用(例如道路建筑)中使用而言太窄的塑性范围。道路沥青的特征可以通过将其并入到弹性体型聚合物中而得到改进。存在多种可以与沥青混合的聚合物。其中，SBS是沥青改性中常用的一种聚合物。因此获得的改性沥青通常被不同地称为柏油/聚合物粘结剂或沥青/聚合物混合物。需要对热混合沥青混凝土混合物进行改性，这将增加对永久变形的抵抗性同时维持或增加混合物在中温下的模量而不显著影响粘结剂性质。

[0010] 目前道路应用中通常采用的柏油粘结剂(即使是柏油/聚合物类型)在足够低的聚合物浓度下不具有始终满足施加于路面结构和其建筑的渐增的结构和可使用性需求的最优特征。为了实现既定水平的改性沥青性能，以某一规定浓度加入多种聚合物。当前实践是加入所要水平的单一聚合物，有时与促进聚合物分子交联的反应剂一起，直到满足所要沥青性质为止。这种反应剂典型地是呈适于反应的形式的硫。

[0011] 当在140℃下加入到柏油中时，硫以均匀小颗粒形式精细地分散于柏油中；在数小时之后硫颗粒的凝结和沉降变得显著。因此，掺和硫的沥青(SEA)混合物可以在临铺设沥青混合物之前直接在混合设备中制造。处理硫-沥青混合物的一个主要问题是担忧在制造和铺设期间硫化氢(H2S)析出。这个问题可以通过向硫中加入碳或灰来进行改善。H2S析出在高于150℃的温度下开始，这样使得在最高150℃的温度下应用避免了污染和安全问题。然而，H2S析出在远低于150℃(即约130℃)下开始，这从环境角度来说是不合需要的。此外，在低于120℃下，沥青与硫的反应和SBS/硫掺合物的交联都不能发生。

[0012] 除与许多类型的沥青改性剂相关的性能和环境问题之外，许多用于使沥青组合物改性的聚合物是昂贵的并且可能难以在世界边远地区获得。

[0013] 对于可以用于多种沥青组合物和应用中的一种类型的粘结剂存在需要。如果所述粘结剂可容易获得，那么将是有利的。此外，如果所述粘结剂是环境友好的并且具有使其能够用于多种应用中的适当性能性质，那么也将是有利的。

发明内容

[0014] 鉴于前文，提供沥青混凝土混合物、沥青粘结剂和制备沥青混凝土混合物的方法作为本发明的实施例。举例来说，作为本发明的一个实施例，提供一种沥青混凝土混合物，其具有与车辙、变形、稳定性和模量有关的改进性质。在这个实施例中，沥青混凝土混合物包括重油飞灰和沥青混凝土。重油飞灰以沥青混凝土混合物的约3重量％到约10重量％的范围存在。沥青混凝土包含骨料和柏油。

[0015] 在本发明的实施例中，重油飞灰含有约90重量％以上碳。重油飞灰通过燃烧燃料油来制造。在一个方面，重油飞灰是通过燃烧燃料油形成的燃烧反应产物。

[0016] 作为本发明的一个实施例，提供另一种沥青混凝土混合物，其具有与车辙、变形、稳定性和模量有关的改进性质。在这个实施例中，沥青混凝土混合物包括重油飞灰和沥青混凝土。重油飞灰以沥青混凝土混合物的约3重量％到约10重量％的范围存在。沥青混凝土包括约95重量份的骨料和约5重量份的柏油。在这个实施例中，沥青混凝土混合物实质上不含聚合改性剂。

[0017] 作为本发明的另一个实施例，提供一种粘结剂组合物，其包含与沥青混凝土一起使用以改进与车辙、变形、稳定性和模量有关的性质的重油飞灰组合物。重油飞灰包括通过燃烧燃料油形成的燃烧反应产物。如在本发明的其它实施例的情况下，重油飞灰组合物包括约90重量％以上碳。

[0018] 除组合物实施例之外，还提供制备组合物的方法作为本发明的实施例。举例来说，提供一种制备沥青混凝土组合物的方法，所述沥青混凝土组合物具有与车辙、变形、稳定性和模量有关的改进性质。在这个实施例中，所述方法包括制备包含重油飞灰的粘结剂的步骤。重油飞灰通常以有效地为组合物提供充足变形抵抗性的量存在。将粘结剂与柏油组合以制造改性的柏油。然后将改性的柏油与骨料组合以制造沥青混凝土组合物。

[0019] 作为另一个实例，作为一个实施例，提作一种制备沥青混凝土组合物的方法，所述沥青混凝土组合物具有与车辙、变形、稳定性和模量有关的改进性质。在这个实施例中，所述方法包括制备包含重油飞灰的粘结剂和将所述粘结剂与沥青混凝土组合以制造沥青混凝土组合物。重油飞灰以有效地为组合物提供充足变形抵抗性的量存在。沥青混凝土包含骨料和柏油。

附图说明

[0020] 参考形成本说明书的一部分的图式中所说明的本发明实施例可以得到以上简单概述的本发明的更具体描述，以便获得并且可以详细地理解本发明的以上所述特征、方面和优势以及其它各者将变得显而易见的方式。然而，应注意，随附图式说明本发明的一些实施例，并且因此不应被视为对本发明范围的限制，以便本发明可以承认其它同样有效的实施例。

[0021] 图1是展示比较现有技术沥青混合物与根据本发明的实施例制得的沥青混合物的变形对比混合物类型的图表。

具体实施方式

[0022] 需要包括沥青和骨料的沥青混凝土、用于为沥青混凝土重修表面的沥青组合物和类似沥青组合物展现若干特定机械性质以使其能够用于多种应用领域中，尤其在沥青用作表层(路面)的粘结剂、用作沥青乳液或用于工业应用中时。(术语“沥青(asphalt)”在本文中与“柏油(bitumen)”可互换地使用。沥青混凝土是加入有适当骨料的用作粘结剂的沥青，其典型地用于路面。)如果沥青或沥青乳液粘结剂具有必要性质(例如合乎需要的弹性和塑性水平)，那么增加这些粘结剂在养护面层中作为表面层或作为极薄柏油混合物或者在沥青混凝土中作为较厚柏油混合物结构层的使用。

[0023] 沥青铺设产品的等级和特征由多种专业组织(例如沥青学会(Asphalt Institute))定义。举例来说，旋转薄膜烘箱(Rolling Thin Film Oven，RTFO)和压力老化容器(Pressure Aging Vessel，PAV)研究用来模拟粘结剂老化(硬化)特征。动态剪切流变仪(Dynamic Shear Rheometer，DSR)用来测量在高温和中温下的粘结剂性质。这用来预测永久变形或车辙和疲劳开裂。行业惯例使用简称RTFO DSR来指示样品在旋转薄膜烘箱(RTFO)老化之后将展示充足车辙抵抗性的温度(最小车辙抵抗性定义为超过2.20kPA的“G*/sin ”并且通过动态剪切流变仪(DSR)测量)。疲劳开裂是由沥青混凝土表面在反复交通负荷下损坏所造成的一系列小的锯齿状互连裂纹。弯曲梁流变仪(Bending Beam Rheometer，BBR)用来测量在低温下的粘结剂性质。这些值预测热或低温开裂。存在多种行业标准(例如高性能沥青路面标准(Superpave standard))用于定义用于这些实验和测量的所述程序。

[0024] 沥青分级是根据行业中的公认标准(例如PG 64-22)来给出的。PAV-DSR温度和BBR-M温度是沥青铺设产品的两个另外的有用参数。

[0025] 沥青混凝土包含以多种配给比(ration)与骨料组合的沥青，一个例示性配给比是约95重量份的骨料对约5重量份的液体沥青。沥青水泥用来将骨料材料粘结在一起并且限制其在施加负荷时的移动性。骨料通常是沙子、砾石和石头的混合物；最大块的骨料直径等于沥青垫层厚度的约2/3。骨料具有碎颗粒以在砾石和石头中提供锐利边缘，其在与液体沥青组合时产生改进垫层强度的骨料互锁。将骨料和液体沥青加热并且混合以形成称为热混合沥青(HMA)的沥青铺设组合物。沥青的热应力是由不均匀的温度分布或有差异的热膨胀所产生的应力。

[0026] 弹性模量有时称为杨氏模量(Young's modulus)。弹性模量(E)可以针对固体材料进行测定并且表示应力与应变的定比(刚硬性)：E＝应力/应变。如果一种材料在被拉伸或挤压之后能够立刻回到其原来的形状或尺寸，那么其是有弹性的。几乎所有的材料在某种程度上都是有弹性的，只要所施加的负荷不导致其永久变形。因此，任何物体或结构的“柔性”取决于其弹性模量和几何形状。在弹性范围内材料的弹性模量基本上是其应力应变图的斜率。

[0027] 沥青已成为详尽研究的主题以改进在铺设路面中使用的特征。控制沥青的多种性质以制造具有适当耐磨性、车辙抵抗性、疲劳和低温开裂抵抗性、粘合强度、黏度和倾点的产品。车辙抵抗性是对行车轨迹中纵向表面凹陷的抵抗性。粘合强度是接缝密封剂与接缝槽(包括(但不限于)骨料与粘结剂之间)的最大粘合强度。抗推性是对由针对铺设路面的交通推力所造成的铺设路面表面的局部区域永久纵向位移的抵抗性。重烃可以衍生自(但不限于)天然沥青(例如 )、页岩沥青、来自溶剂脱沥青工艺的底部物、硬沥青、吹制沥青、刚硬精制沥青、软化油(flux)。沥青通常是底涂剂和粘结剂的基本成分。底涂剂可以是沥青、纤维(包括(但不限于)矿物或纤维素)、加工剂(包括(但不限于)寡聚蜡、寡聚蜡的羧化衍生物或低分子量聚烯烃)、聚合或弹性体添加剂或沥青衍生物。底涂剂熔融成骨料。不具有聚合物的沥青粘结剂称为“纯净的”。

[0028] 鉴于前文，提供沥青混凝土混合物、沥青粘结剂和制备沥青混凝土混合物的方法作为本发明的实施例。举例来说，作为本发明的一个实施例，提供一种沥青混凝土混合物，其具有与车辙、变形、稳定性和模量有关的改进性质。在这个实施例中，沥青混凝土混合物包括重油飞灰和沥青混凝土。重油飞灰以沥青混凝土混合物的约3重量％到约10重量％的范围存在。沥青混凝土包含骨料和柏油。

[0029] 在本发明的实施例中，重油飞灰含有约90重量％以上碳。重油飞灰通过燃烧燃料油来制造。在一个方面，重油飞灰是通过燃烧燃料油形成的燃烧反应产物。

[0030] 作为本发明的一个实施例，提供另一种沥青混凝土混合物，其具有与车辙、变形、稳定性和模量有关的改进性质。在这个实施例中，沥青混凝土混合物包括重油飞灰和沥青混凝土。重油飞灰以沥青混凝土混合物的约3重量％到约10重量％的范围存在。沥青混凝土包括约95重量份的骨料和约5重量份的柏油。在这个实施例中，沥青混凝土混合物实质上不含聚合改性剂。

[0031] 在本发明的实施例中，沥青混凝土混合物包括骨料和柏油。每一种组分的量可以取决于沥青混凝土混合物的来源而不同。在一个方面，沥青混凝土可以包括约95重量份的骨料和约5重量份的柏油。每一种组分的其它合适量对于本领域技术人员将是显而易见并的且被视为属于本发明的范围内。

[0032] 在其中沥青混凝土混合物包括重油飞灰的本发明的实施例中，重油飞灰可以按约3重量％到约6重量％的量存在。当重油飞灰以这个范围存在时，沥青混凝土混合物组合物可以PG分级为70-10。当重油飞灰以约10重量％的量存在时，组合物可以PG分级为76-10。重油飞灰的其它合适量和其相应PG分级对于本领域技术人员将是显而易见的并且被视为属于本发明的范围内。

[0033] 沥青性能等级用昂贵并且在许多国家不可获得的市售改性剂(例如聚合物)进行改进。改性沥青还将改进公路的车辙抵抗性。性能等级和车辙抵抗性都可以通过用重油飞灰(HOFA)使沥青改性来获得。用至多6重量％HOFA使沥青改性将提高其性能等级(Performance Grade，PG)并且减少其在交通负荷下的变形而不影响其疲劳寿命。使用HOFA解决了沥青改性剂的不可用性的问题。使用HOFA(其可以是当地副产物材料)将帮助降低与处置HOFA相关的成本。

[0034] 作为使用本发明的组合物的一个益处，不需要典型的聚合改性剂。在一个方面，沥青混凝土混合物不含聚合改性剂。通过使用HOFA所开发的改性沥青将性能等级(PG)从64-10提高到70-10并且消除了市售改性剂的使用并且改进混合物的车辙抵抗性。

[0035] 沥青混凝土混合物的物理性质可以取决于用来制造混合物的每一种组分的量而不同。举例来说，沥青混凝土混合物的马歇尔稳定性(Marshall stability)可以介于约10.5kN到约14.6kN的范围内。作为另一个实例，沥青混凝土混合物的回弹模量可以介于约
400psi到约580psi的范围内。作为另一个实例，沥青混凝土混合物在8000次负荷反复下可以展示小于约5mm的车辙。物理性质的其它合适范围和类型对于本领域技术人员将是显而易见的并且被视为属于本发明的范围内。

[0036] 作为本发明的另一个实施例，提供一种粘结剂组合物，其包含与沥青混凝土一起用于改进与车辙、变形、稳定性和模量有关的性质的重油飞灰组合物。重油飞灰包括通过燃烧燃料油形成的燃烧反应产物。如在本发明的其它实施例的情况下，重油飞灰组合物包括约90重量％以上碳。

[0037] 除组合物实施例之外，还提供制备组合物的方法作为本发明的实施例。举例来说，提供一种制备沥青混凝土组合物的方法，所述沥青混凝土组合物具有与车辙、变形、稳定性和模量有关的改进性质。在这个实施例中，所述方法包括制备包含重油飞灰的粘结剂的步骤。重油飞灰通常以有效地为组合物提供充足变形抵抗性的量存在。将粘结剂与柏油组合以制造改性的柏油。然后将改性的柏油与骨料组合以制造沥青混凝土组合物。

[0038] 作为另一个实例，作为一个实施例，提作一种制备沥青混凝土组合物的方法，所述沥青混凝土组合物具有与车辙、变形、稳定性和模量有关的改进性质。在这个实施例中，所述方法包括制备包含重油飞灰的粘结剂和将所述粘结剂与沥青混凝土组合以制造沥青混凝土组合物。重油飞灰以有效地为组合物提供充足变形抵抗性的量存在。沥青混凝土包含骨料和柏油。

[0039] 重油飞灰

[0040] 在发电设施处燃烧重或裂化燃料油的情况下产生大量重油飞灰(OFA)。预期这个量随重或裂化油的使用或低效发电设施的使用的进一步增加而增加。因此，非常希望在建筑行业中利用这一副产物。HOFA在建筑材料中的利用为这一副产物材料提供了一个出路，保护了环境，并且消除了建造专用区域来处置HOFA的需要。

[0041] HOFA在沥青组合物中的使用提供了与聚合粘结剂相当的性质而无这些聚合物的相关成本。举例来说，用至多6重量％HOFA使沥青改性将使其变形抵抗性降低30％以上并且增加易因车辙而受损的道路和公路的寿命。

[0042] 本发明的实施例中使用的重油飞灰是燃料燃烧过程(包括煤和燃料油的燃烧)的副产物。重油飞灰(OFA)典型地是一种黑色粉末类型的废料，其由使用原油和残油进行发电而产生。所收集量的重油飞灰必须适当地进行处置。代替处置HOFA，可以将HOFA用于本发明的实施例中作为用于常规沥青粘结剂的改性剂或引入到沥青混凝土混合物中作为填料。

[0043] 经HOFA改性的粘结剂的物理性质(包括性能等级)与常规沥青和经聚合物改性的沥青相当。另外，经HOFA改性的沥青混凝土混合物与用常规沥青和经聚合物改性的沥青制得的混合物相当。作为使用本发明的组合物和方法的结果，普通沥青(plain asphalt)的性能等级(PG)通过加入HOFA在约3重量％到约6重量％HOFA下从64-10增加到70-10，并且在约10重量％HOFA下增加到76-10。向沥青水泥粘结剂中加入至多6重量％HOFA通过增加其马歇尔稳定性、拉伸强度回弹模量并且减少其车辙高达31％来改进沥青混凝土混合物的性能而不影响混合物的抗疲劳性。

[0044] 重油飞灰可以含有多种元素。举例来说，表1呈现了HOFA的典型化学分析。每一种元素的量可以取决于重油飞灰的来源而不同。

[0045]

[0046]

[0047] 如表1中可以看出，本发明的实施例中所用的HOFA的元素组成实质上不同于已用于建筑行业中的传统飞灰。传统飞灰通常通过手动地燃烧煤来制造。主要化学组分是约70重量％以上二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化铁(Fe2O3)并且与ASTM C 618一致。本发明的实施例中所用的HOFA含有约90重量％以上碳，这是因为其通过由机器燃烧燃料油而形成的。

[0048] 预想本发明的实施例可以由世界范围的建筑公司使用。重油飞灰改性的沥青可以用于制备沥青混凝土混合物并且改进这些组合物的物理性质。

[0049] 实例

[0050] 出于比较目的制备数种掺合物。1号和2号掺合物根据本发明的实施例来制备。3号掺合物根据现有技术实施例来制备。

[0051]

[0052] 其中

[0053] (AC)＝沥青/柏油

[0054] (AC+OFA)意指沥青/柏油首先与重油飞灰混合，然后与骨料混合

[0055] 性能等级(PG)

[0056] 测定表2中所述的掺合物的黏度和性能等级。黏度和性能等级测定的结果展示于表3中。

[0057]

[0058]

[0059] *4％和5％HOFA也将产生PG 70-10，这是因为3％和6％都产生具有PG 70-10的粘结剂

[0060] 稳定性和稳定性损失

[0061] 从表2中所述的掺合物获得稳定性数据。稳定性数据展示于表4中。

[0062]

[0063] 具有掺合物代码1(0)、1(3)、1(6)和1(10)的掺合物(其中向普通沥青中加入HOFA)引起马歇尔稳定性从0重量％HOFA下的9.9kN到10重量％HOFA下的14.5kN的稳定增加。稳定性损失从0重量％HOFA下的19.3％增加到10重量％HOFA下的28.5％。

[0064] 具有掺合物代码2(1)、2(2)和2(3)的掺合物(其中向普通沥青混合物中加入HOFA作为填料替换物)对稳定性不产生显著改进。稳定性损失从0重量％HOFA下的19.3％增加到3重量％HOFA下的50.3％。

[0065] 具有掺合物代码PB的现有技术掺合物(其包括经polybilt改性的混合物)具有10.7kN的马歇尔稳定性和24％的稳定性损失。

[0066] 间接拉伸强度

[0067] 还进行了间接拉伸强度(Indirect Tensile Strength，ITS)测试(AASHTO T-245)以便探究混合物对形成裂纹的抵抗性。对21/2英寸高度×4英寸直径(63.5mm高度×101.6mm直径)的圆柱形样本进行ITS。按照马歇尔压实方法(Marshall Compaction method)制备样本。测定样本在损坏之前将负载的最大负荷(称为ITS)。在25℃下进行测试。所测试的样本的结果呈现于表5中。

[0068]

[0069] 如表5中可以看出，掺合物-1混合物的ITS相对相似，有微小变化。掺合物-2混合物的ITS从0重量％HOFA下的98.1N/cm2稳定地下降到3重量％HOFA下的45.4N/cm2。经polybilt改性的混合物(PB)的ITS是102.4N/cm2。

[0070] 回弹模量测试，MR(ASTM D 4123)

[0071] 回弹模量是铺设路面结构的机械设计方法中所用的变量。它是铺设路面反应在动态应力和相应所得应变方面的量度。通过施加径向脉冲负荷来进行热熔沥青(HMA)的回弹模量测试。在21/2英寸高度×4英寸直径(63.5mm高度×101.6mm直径)的圆柱形样本的垂直径向平面上施加负荷。根据马歇尔压实方法制备样品。测量样本的所得水平变形并且将其用以计算回弹模量。在25℃下对表2中所列的掺合物进行测试并且结果展示于表6中。

[0072]

[0073] 如表6中所示，掺合物-1的回弹模量随着HOFA百分比增加而增加。回弹模量从0重量％HOFA下的349.4ksi增加到10重量％HOFA下的575.8ksi。掺合物-2的回弹模量从0重量％HOFA下的349.4ksi增加到2重量％HOFA下的477.3ksi，然后下降到3重量％HOFA下的211.9ksi。经polybilt改性的混合物(PB)具有400ksi的回弹模量。

[0074] 除普通沥青和经polybilt改性的(PB)沥青混合物之外，基于马歇尔稳定性、稳定性损失、ITS和回弹模量测试，对于每一种掺合物选择一种组合以便进一步评估。所选择的组合是具有6重量％HOFA的掺合物-1，回弹模量是461.9ksi，ITS是91.9N/cm2，马歇尔稳定性是11.4kN，并且稳定性损失百分比是23.4；和具有2重量％HOFA的掺合物-2，回弹模量是477.3ksi，ITS是79.9N/cm2，马歇尔稳定性是8.9kN，并且稳定性损失百分比是21.3。使掺合物进一步经历性能测试以探究其疲劳和永久变形行为。

[0075] 车辙测试(永久变形)

[0076] 在64℃下使用沥青铺设路面分析仪(APA)评估普通和改性的沥青混合物的车辙抵抗性。轮负荷设定为100lb，并且轮压设定为100psi。使用回转式压实机将六英寸的测试样品压实到马歇尔样品的相同密度。使测试样品在测试温度下适应4小时。

[0077] 如图1中的测试结果中所示，普通沥青混凝土混合物在8000次负荷反复下给出6.5mm的最高车辙。第二高的车辙由经聚合物(Polybilt)改性的沥青(PB)改性的沥青混合物给出，在8000次负荷反复下是5.5mm。具有6重量％HOFA的掺合物-1和具有2重量％HOFA的掺合物-2排第三，在8000次负荷反复下是4.5mm。

[0078] 疲劳测试

[0079] 使用挠曲疲劳测试AASHTO T-321(TP8-94)来测试所制备的沥青混凝土梁样品的疲劳性质。以应力控制模式测试样品以模拟局部使用的沥青铺设路面厚层建筑。在不同的弯曲峰到峰应力(kPa)下测试至少六个样品。通过软件计算相应的峰到峰应变×10-6。

[0080] 使用平板压实机将沥青混凝土平板(38cm×30cm×6.6cm)压实到最优沥青混合物的密度。使用石工用锯将平板切成梁样品(38cm×6.6cm×5.0cm)。使梁样品在测试温度下适应，并且按照AASHTO T-321测试挠曲疲劳测试(梁测试)。在25℃下实现最优化混合物的疲劳测试。

[0081] 随着沥青混凝土梁样品经历负荷反复，刚硬性开始时迅速降低，然后达到恒定斜率直到梁损坏为止(其定义为初始刚硬性的40％)。分析所收集的数据以确定到损坏的负荷反复(N)与所施加的峰到峰应力(σ)或初始峰到峰应变(ε)之间的关系。表7展示了所测试的混合物的负荷反复(N)与初始应变(ε)之间的关系。类似地，表8展示了负荷反复(N)与所施加的应力(σ)之间的关系。

[0082]

[0083]

[0084] 如表7和8中所示，在既定应变或应力水平下，经Polybilt改性的掺合物(PB)具有最高疲劳寿命。在既定应变或应力水平下，普通沥青和具有6重量％HOFA的掺合物-1在抗疲劳性方面排第二。在既定应变水平下，具有2重量％HOFA的掺合物-2表现最好并且给出最小抗疲劳性。

[0085] 作为本发明的一个优势，本文中所述的组合物和方法比常规沥青组合物更便宜并且更环境友好。改进粘结剂的性能等级(PG)并且减少沥青混凝土混合物在交通负荷下的车辙的沥青改性剂(例如聚合物)比本发明的实施例中所用的重油飞灰更昂贵。此外，传统的聚合粘结剂在许多国家不可获得。在这些情况下，利用重油飞灰作为沥青改性剂产生可观的成本节约。又，使用作为工业废产物的重油飞灰降低了与安全地处置其相关的成本，这使得本发明的组合物和方法比传统粘结剂环境友好得多。

[0086] 尽管已详细地描述了本发明，但应理解，可以在不背离本发明的原则和范围的情况下作出多种改变、代替和变更。因此，本发明的范围应由以下权利要求书和其适当法律等效物来确定。

[0087] 除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”包括复数个指示物。

[0088] 任选的或任选地意指随后描述的事件或情况可能出现或可能不出现。所述描述包括所述事件或情况出现的情形和所述事件或情况不出现的情形。

[0089] 在本文中可以将范围表达为从约一个具体值和/或到约另一个具体值。当表达这一范围时，应理解，另一个实施例是从一个具体值和/或到另一个具体值以及所述范围内的所有组合。

[0090] 在参考专利或公开案的本申请案各处，预期这些参考文献的公开内容以全文引用的方式并入本申请案中，以便更充分地描述本发明所属领域的现有技术水平，当这些参考文献与本文中作出的陈述矛盾时除外。