一种高模量橡胶沥青混合料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种高模量橡胶沥青混合料及其制备方法，属于道路工程技术领域。一种高模量橡胶沥青混合料，以重量计，包括集料100份、矿粉0.5‑3份、硬质沥青3‑6份、废轮胎胶粉0.5‑1.5份、催化降解剂0.1‑0.5份；本发明并提供一种高模量橡胶沥青混合料的制备方法。该发明可提高沥青路面的抗永久变形能力，较少车辙病害，延长路面的使用寿命和行车安全舒适性，解决现有橡胶沥青热储存稳定性差和指标衰减快及其混凝土路面耐高温差，重载交通下易变形、易产生车辙、混合料油石比大、施工和易性差、现场有害气体排放量大等问题。

权利要求

1.一种高模量橡胶沥青混合料，其特征在于：包含如下质量份数的各组分：集料100份、矿粉0.5-3份、硬质沥青3-6份、废轮胎胶粉0.5-1.5份、催化降解剂0.1-0.5份；

所述硬质沥青采用直馏工艺生产的道路石油沥青，25℃针入度为10-40，单位0.1mm；

所述废轮胎胶粉粒径介于20-80目、炭黑含量不小于28％、灰分含量不大于8％、橡胶烃含量不小于42％、丙酮抽出油含量小于22％；

所述催化降解剂反应温度为130-230℃、密度为1.030-1.060。

2.根据权利要求1所述的一种高模量橡胶沥青混合料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按比例称重，将硬质沥青加热到180℃后放入反应釜内，然后加入废轮胎胶粉搅拌

30-60min使其升温至210℃，再以1000-2000转/min的速度搅拌0.5-1.5h使其降温至170-

180℃，最后加入催化降解剂以150-300转/min的速度持续搅拌3-8h，制得高模量橡胶沥青；

(2)将加热到180-200℃的集料称重后加入到拌和锅内，强制搅拌5-10s；

(3)将步骤(1)所得高模量橡胶沥青加热至180-185℃，称重后加入到步骤(2)所得产物中，强制搅拌20-30s；

(4)将称重后的矿粉加入到步骤(3)所得产物中，强制搅拌10-15s后在170-185℃出锅，即可得到高模量橡胶沥青混合料。

说明书

一种高模量橡胶沥青混合料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于道路工程技术领域，涉及一种橡胶沥青混合料，尤其涉及一种高模量橡胶沥青混合料及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着我国交通事业的迅速发展，公路交通量越来越大，重型车数量迅速增长，重载、超载、渠化交通越来越严重，持续高温天气的频繁出现，诸多因素导致路面高温稳定性不足而产生的车辙、推移、拥抱等病害，是我国目前各等级公路沥青路面早期病害的主要形式。这些早期永久性变形病害会影响路面的平整度，消减面层及路面结构的整体强度，降低路面的抗滑能力，甚至会由于车辙内积水而影响高速行车时的安全性，还可能影响车辆在超车或变更车道时的操作稳定性。如何加强和改良沥青路面的使用质量、延长路面的使用寿命和提高路面综合服务水平是道路科研工作人员面临的重要任务。

[0003] 为适应道路建设的发展要求，克服沥青路面因混合料高温抗剪切能力不足而产生的车辙病害，近年来也出现了一些新的材料，如高模量沥青混合料这种结构越来越受到业界的关注。高模量沥青混合料的概念起源于法国，采用低标号沥青作为主要粘结料，具有高沥青用量、低空隙率、连续级配的设计特点。高模量沥青混合料具有优异的力学性能和良好的疲劳性能，同时因其模量较高，具有优异的抗车辙性能，因此可用在长寿命沥青路面结构中并减薄路面厚度，降低工程造价。由此可见，提高路面材料的模量，是解决路面车辙问题的有效技术手段。

[0004] 高模量沥青混合料设计时，在级配优化的前提下，沥青胶结料性能是决定高模量沥青混合料综合路用特性的关键。目前常用的方法是使用高掺量SBS或添加各种功能剂以提高改性沥青的软化点，虽然提高了沥青的“显指标”，但由于缺乏原理性指导，偏离了沥青材料所应具备的粘弹特性、粘温特性及与集料的粘附特性，使沥青混合料的生产、摊铺、碾压过程中出现诸多不可控因素，致使采用高档产品未能达到预期的整体效果。

[0005] 同时，随着汽车工业和交通运输业近年来的迅速发展，产生了大量废旧轮胎，形成了巨大的“黑色污染”，严重污染生态环境并占用大量的土地资源。轮胎中的橡胶材料内部的复杂的立体网状结构，并且添加了大量的填料和软化油等物质，这些都极大限制了其回收利用，而使用废轮胎来生产胶粉是人们公认的十分合理有效的途径之一，用其制备的橡胶沥青混合料与普通沥青混合料相比，具有较好的高温抗永久变形能力、降噪、环保、防滑等作用。但由于废轮胎胶粉具有交联刚性特征，传统工艺很难使废轮胎胶粉在沥青中充分的降解，无法发挥改性剂作用，仅作为一种填充物。使得传统废胶粉改性沥青仍具有较强的温度敏感性，夏季气温较高、重载交通或坡度较大综合作用下容易产生车辙、推移等早期病害，在冬季又有冻裂的可能，严重影响道路使用性能及年限；同时，施工过程中存在热储存稳定性差、指标衰减快、混合料油石比含量大、施工和易性差、现场有害气体排放量大等诸多缺陷，制约了废橡胶粉改性沥青的进一步推广。

[0006] 因此，如何减少重载沥青路面的车辙病害、提高橡胶沥青的使用性能、降低路面建养成本，是废轮胎胶粉改性沥青混合料应用过程中急需解决的问题。

发明内容

[0007] 发明目的：为解决上述问题，本发明提供了一种高模量橡胶沥青混合料及其制备方法，可提高沥青路面的抗永久变形能力，较少车辙病害，延长路面的使用寿命和行车安全舒适性，解决现有橡胶沥青热储存稳定性差和指标衰减快及其混凝土路面耐高温差，重载交通下易变形、易产生车辙、混合料油石比大、施工和易性差、现场有害气体排放量大等问题。

[0008] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0009] 一种高模量橡胶沥青混合料，以重量计，包括集料100份、矿粉0.5-3份、硬质沥青3-6份、废轮胎胶粉0.5-1.5份、催化降解剂0.1-0.5份。该集料为路用碎石，质量指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求。该矿粉采用石灰岩矿粉，质量指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求。该硬质沥青采用道路石油沥青，25℃针入度(0.1mm)为10-40。该废轮胎胶粉粒径介于20-80目、炭黑含量不小于28％、灰分含量不大于8％、橡胶烃含量不下小42％、丙酮抽出油含量小于22％。该催化降解剂反应温度为130-230℃、密度为1.030-1.060。

[0010] 本发明还提供了一种高模量橡胶沥青混合料的制备方法，该方法包括以下步骤：

[0011] (1)按比例称重，将硬质沥青加热到180℃后放入反应釜内，然后加入废轮胎胶粉搅拌30-60min使其升温至210℃，再以1000-2000转/min的速度搅拌0.5-1.5h使其降温至170-180℃，最后加入催化降解剂以150-300转/min的速度持续搅拌3-8h，制得高模量橡胶沥青；

[0012] (2)将加热到180-200℃的集料称重后加入到拌和锅内，强制搅拌5-10s；

[0013] (3)将步骤1所得高模量橡胶沥青加热至180-185℃，称重后加入到步骤2所得产物中，强制搅拌20-30s；

[0014] (4)将称重后的矿粉加入到步骤3所得产物中，强制搅拌10-15s后在170-185℃出锅，即可得到高模量橡胶沥青混合料。

[0015] 其中，按照步骤1所述制备的高模量橡胶沥青，其性能指标可以达到：针入度(25℃、5s、100g)为25-35(0.1mm)、软化点≥70℃、60℃粘度≥20000Pa.s、150℃粘度1.5-4Pa.s、弹性恢复(25℃)≥75％、溶解度≥95％。

[0016] 其中，按上述步骤制备的高模量橡胶沥青混合料，其性能指标可以达到：马歇尔稳定度≥10KN、马歇尔残留稳定度≥85％、冻融劈裂强度比≥80％、车辙试验动稳定度(60℃)≥6000次/mm、最大弯拉应变(-10℃)≥2000με、复数模量(15℃)≥14000Mpa。

[0017] 本发明开发的高模量橡胶沥青混合料，具有以下有益效果：

[0018] 1、催化降解剂的加入使得废轮胎胶粉在沥青中得到了充分的解聚，橡胶粉中大量的聚合物以分子形式均匀的分散在沥青中，提高了橡胶沥青的热储存稳定性、施工和易性和混合料的综合路用性能。

[0019] 2、橡胶粉在解聚过程中以硫化物为主要成分的交联剂得到了充分的释放，经过工厂的集中回收处理，较少了施工过程中有毒、有害气体的无组织排放，真正实现了橡胶沥青混合料的绿色施工。

[0020] 3、高模量橡胶沥青混合料采用廉价的废轮胎胶粉作为改性剂，一方面在提高混合料路用性能的同时，大幅度降低了高模量沥青混合料的生产成本(与传统高模沥青混合料相比降低25％以上)；另一方面消耗了大量的废旧轮胎，减少了环境污染。

[0021] 4、高模量橡胶沥青混合料具有动态模量高、抗车辙性能、抗水损害性、疲劳性能良好的特点，主要用于沥青路面的中、下面层，可提高路面整体结构抗车辙能力。同时超长的使用寿命，大幅减少了路面运行期间的维修养护费用。

附图说明

[0022] 图1本发明实施例1高模量橡胶沥青混合料的矿料级配曲线图；

[0023] 图2本发明实施例2高模量橡胶沥青混合料的矿料级配曲线图。

具体实施方式

[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0025] 实施例1：

[0026] 本实施例的工程概况是：高模量橡胶沥青混合料HMAC-20试验段选在安徽省宣城市郎溪县社平线矿区专用道路下面层，工程采用三级公路标准，双向两车道，设计车速60Km/h，交通荷载主要为总重量120t以上的石料运输车，日平均交通总荷载4万吨，路面结构形式采用：4cm工厂化稳定型橡胶沥青SUP-13+6cm高模量橡胶沥青混合料HMAC-20+1cm橡胶沥青应力吸收层。下面层采用本发明的高模量橡胶沥青混合料HMAC-20。

[0027] 试验路所用硬质沥青采用江苏天诺道路材料科技有限公司生产的TNH-25直溜道路石油沥青，性能指标见表1。

[0028] 表1 TNH-25硬质沥青性能指标

[0029]

[0030] 废轮胎胶粉采用市购40目胶粉，其炭黑含量30.6％、灰分含量6.1％、橡胶烃含量46.9％、丙酮抽出油含量19.5％。

[0031] 催化降解剂采用江苏天诺道路材料科技有限公司开发的RCH-180型催化降解剂，反应温度130-230℃，密度1.056。

[0032] 集料采用溧阳上沛石料厂生产的石灰岩碎石，其压碎值、磨耗值、针片状颗粒含量、含泥量、密度、吸水率等关键指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求。

[0033] 矿粉采用溧阳上沛石料厂生产的石灰岩矿粉，其细度、含水量、塑性指数、亲水系数等关键指标《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求。

[0034] 对集料及矿粉进行级配合成，合成级配满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)中级配范围要求，合成级配见表2。

[0035] 表2高模量橡胶沥青混合料HMAC-20合成级配

[0036]

[0037] 按照体积法进行高模量橡胶沥青混合料HMAC-20配合比设计，得到高模量橡胶沥青混合料HMAC-20中各材料组成比例见表3。

[0038] 表3高模量橡胶沥青混合料HMAC-20中各材料组成比例

[0039] 组成材料 比例集料 100份
矿粉 2份
硬质沥青 3.7份
废轮胎胶粉 0.8份
催化降解剂 0.13份

[0040] 结合附图1所示，制备表3所示的高模量橡胶沥青混合料，按如下步骤：

[0041] (1)按比例称重，将硬质沥青加热到180℃后放入反应釜内，然后加入废轮胎胶粉搅拌30min使其升温至210℃，再以1200转/min的速度搅拌1.5h使其降温至180℃，最后加入催化降解剂以200转/min的速度持续搅拌4.5h，制得高模量橡胶沥青；

[0042] (2)将加热到190℃的集料称重后加入到拌和锅内，强制搅拌10s；

[0043] (3)将步骤1所得高模量橡胶沥青加热至185℃，称重后加入到步骤2所得产物中，强制搅拌20s；

[0044] (4)将称重后的矿粉加入到步骤3所得产物中，强制搅拌15s后在185℃出锅，即可得到高模量橡胶沥青混合料。

[0045] 上述步骤1制备的高模量橡胶沥青，其性能指标见表4。

[0046] 表4高模量橡胶沥青性能指标

[0047]

[0048]

[0049] 上述高模量橡胶沥青混合料HMAC-20制备完成后，其混合料技术性能见表5。

[0050] 表5高模量橡胶沥青混合料HMAC-20技术性能

[0051]试验项目 检测结果 技术要求
马歇尔稳定度，KN 16.30 ≥10KN
残留稳定度，％ 93.9 ≥85％
冻融劈裂强度比，％ 86.1 ≥80％
车辙试验动稳定度(60℃)，次/mm 13108 ≥6000
车辙试验动稳定度(70℃)，次/mm 9210 ≥6000
最大弯拉应变(-10℃)，με 2099 ≥2000
复数模量(15℃，10Hz)，MPa 15424 ≥14000

[0052] 实施例2：

[0053] 本实施例的工程概况是：高模量橡胶沥青混合料HMAC-20试验段选在徐州至明光高速公路江苏段中面层，全长800米，工程采用高速公路标准，双向四车道，设计车速120Km/h，路面结构形式采用：4cm沥青混合料(SMA-13)+6cm沥青混合料(HMAC-20)+8cm沥青混合料(SUP-25)。中面层采用本发明的高模量橡胶沥青混合料HMAC-20。

[0054] 试验路所用硬质沥青采用江苏天诺道路材料科技有限公司生产的TNH-35直溜道路石油沥青，性能指标见表6。

[0055] 表6TNH-35硬质沥青性能指标

[0056]

[0057]

[0058] 废轮胎胶粉采用市购60目的胶粉，其炭黑含量30.1％、灰分含量6.4％、橡胶烃含量44.1％、丙酮抽出油含量17.4％。

[0059] 催化降解剂采用江苏天诺道路材料科技有限公司开发的RCH-180型催化降解剂，反应温度130-230℃，密度1.056。

[0060] 集料采用徐州贾旺石料厂生产的石灰岩碎石，其压碎值、磨耗值、针片状颗粒含量、含泥量、密度、吸水率等关键指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求。

[0061] 矿粉采用徐州茅村石料厂生产的石灰岩矿粉，其细度、含水量、塑性指数、亲水系数等关键指标《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求。

[0062] 对集料及矿粉进行级配合成，合成级配满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)中级配范围要求，合成级配见表7。

[0063] 表7高模量橡胶沥青混合料HMAC-20合成级配

[0064]

[0065] 按照体积法进行高模量橡胶沥青混合料HMAC-20配合比设计，得到高模量橡胶沥青混合料HMAC-20中各材料组成比例见表8。

[0066] 表8高模量橡胶沥青混合料HMAC-20中各材料组成比例

[0067]

[0068]

[0069] 结合附图2所示，制备表8所示的高模量橡胶沥青混合料，按如下步骤：

[0070] (1)按比例称重，将硬质沥青加热到180℃后放入反应釜内，然后加入废轮胎胶粉搅拌45min使其升温至210℃，再以1500转/min的速度搅拌1h使其降温至175℃，最后加入催化降解剂以300转/min的速度持续搅拌7h，制得高模量橡胶沥青；

[0071] (2)将加热到195℃的集料称重后加入到拌和锅内，强制搅拌10s；

[0072] (3)将步骤1所得高模量橡胶沥青加热至180℃，称重后加入到步骤2所得产物中，强制搅拌25s；

[0073] (4)将称重后的矿粉加入到步骤3所得产物中，强制搅拌10s后在180℃出锅，即可得到高模量橡胶沥青混合料。

[0074] 上述步骤1制备的高模量橡胶沥青，其性能指标见表9。

[0075] 表9高模量橡胶沥青性能指标

[0076]

[0077] 上述高模量橡胶沥青混合料HMAC-20制备完成后，其混合料技术性能见表10。

[0078] 表10高模量橡胶沥青混合料HMAC-20技术性能

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[0080]