沥青冷补料及其制备方法与流程

1.本发明涉及道路工程领域，具体提供一种沥青冷补料及其制备方法。


背景技术：

2.在道路沥青路面或水泥混凝土路面养护工程中，相对于传统的热拌热铺沥青混合料修补而言，采用常温拌和修补材料进行路面养护维修作业，即为冷补(cold patch)。
3.沥青再常温状态下非常粘稠，无法与石子集料拌和成混凝土，因此需要一定的工艺使之能够常温作业，于是形成了冷补料技术。冷补沥青混合料必须具备常温施工和易性，主要指常温或低温状态下的流动性、可拌和性，在自然环境中的强度形成等。因此，冷补沥青混合料在现场施工作业时无须加热，只要摊铺和碾压即可，极大地方便了施工，尤其在养护工程的坑洞修补、局部挖补作业中得到了广泛应用，并受到欢迎。
4.现有技术中，冷补沥青混合料主要有两个基本类型，一种是以乳化沥青结合料的现场冷拌冷铺，另一种是工厂拌和成品与现场冷铺相结合。两种冷补料所使用的原材料、成型机理、强度形成集料也不相同，分述如下：
5.①
乳化沥青类冷补料
6.乳化沥青即沥青水乳液，通过高速剪切分散设备，在乳化剂、稳定剂等助剂条件下，将沥青均匀分散成水乳液(悬浊液)，其中沥青的质量百分比约为40～60％，沥青液滴直径约几微米到几十微米。通过这种形式，乳化沥青获得了很好的常温流动性和存储稳定性，使其能够在现场与石子集料现场拌和。
7.乳化沥青冷补料主要使用乳化沥青、石子集料、水泥三种主要材料现场拌和、摊铺、碾压成型。一般情况下，石子集料并不要求严格的级配，水泥与集料的质量百分比为1～2％，乳化沥青用量则根据其固含量(沥青质量百分比)换算，通常沥青纯含量应达到集料质量的5～10％。
8.将上述几种主材现场人工或机械拌和均匀，路面摊铺或填补坑洞，经碾压密实后，进入强度增长养生阶段。在此阶段，乳化沥青中的水分一部分蒸发，另一部分被水泥水化消耗，随着水分的减少和沥青液滴的破乳，石子集料被相互粘结，逐渐形成强度，这个强度逐渐增长的过程通常7～28天的时间。
9.乳化沥青冷补料的优点是经济廉价，缺点是使用不便，必须现拌现用、不能存储、强度形成慢等。
10.②
稀释沥青冷补料
11.将柴油、汽油等挥发性有机溶剂与沥青共混，可得到常温条件下流动性更好的稀释沥青。稀释沥青既可现场拌合施工，又能工厂预拌后现场直接摊铺使用，具有更大的使用灵活性。
12.稀释沥青冷补料的主要成分是稀释沥青和石子集料，作业完毕后，在行车和空气的作用下溶剂逐渐挥发，沥青逐步粘稠，冷补混合料颗粒之间粘聚力增加，混合料强度也随之增长，这一过程通常需要7～10天时间。此后强度还会逐步增加，经过三个月左右的时间，
其变形和强度会逐步稳定。
13.稀释沥青冷补料的主要优点是可以密封存储，转运现场直接使用，缺点是汽柴油溶剂有挥发性，挥发气体易燃，不环保、不安全。


技术实现要素：

14.本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种使用性能好、安全环保、可长期储存的沥青冷补料。
15.本发明进一步的技术任务是提供上述沥青冷补料的制备方法。
16.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：沥青冷补料，由集料颗粒、沥青层和聚氨酯层构成，沥青层包覆在集料颗粒表面，聚氨酯层包覆在沥青层外侧。
17.作为优选，本发明沥青冷补料的制备方法包括以下步骤：
18.s1.将聚氨酯主剂与沥青在高温条件下混合均匀，得到聚氨酯主剂与沥青的共混物；
19.s2.将预热后的集料加入拌和装置，拌和的同时喷淋聚氨酯主剂与沥青的共混物，使集料颗粒表面裹覆厚度不小于80微米的共混物；
20.s3.向拌和装置中加入聚氨酯固化材料水溶液，使表面裹覆有共混物的集料颗粒在水溶液中分散成单独颗粒状态，在颗粒最外层表面形成固化的tpu聚氨酯层；
21.s4.除去水分，得到沥青冷补料。
22.上述制备方法中，步骤s2采用高温拌和工艺，一是高温使沥青和聚氨酯主剂共混物降粘，二是通过大功率机械搅拌使石子表面形成裹覆；步骤s3中，一定温度下的水浴固化，可以使沥青膜最外层表面的聚氨酯主剂接触固化剂材料而固化成壳，壳体又阻止了包膜内部聚氨酯主剂的进一步固化，使集料颗粒与壳体之间持高粘沥青状态。
23.所述沥青可以是现有技术中任意一种道路工程沥青，如70号道路石油沥青、90号道路石油沥青、sbs改性沥青、橡胶改性沥青等。
24.作为优选，聚氨酯主剂与沥青在120～130℃条件下混合均匀，可以是在具有搅拌设备的沥青罐中搅拌4小时以上(如4-6小时)，也可以在普通沥青罐中循环共混8小时以上(如8-12小时)。
25.作为优选，集料颗粒表面裹覆的共混物厚度为80～150微米，特别优选为80～100微米。
26.作为优选，聚氨酯主剂与沥青的质量比为(10-30):100，特别优选为(15-25):100。
27.作为优选，所述聚氨酯主剂为共聚酯型聚氨酯多元醇、己二酸类聚酯聚氨酯多元醇或芳香族聚酯多元醇。
28.对集料进行预热时，优选将集料加热至160～180℃，并保证充分加热条件下水分完全蒸干。
29.作为优选，所述集料采用单一粒径的碱性和/或中性石料颗粒(如石灰岩颗粒、玄武岩颗粒等)，颗粒粒径采用4.75档、9.5mm档或13.2mm档，至少有两个新鲜的轧制破裂面，粉尘和杂质含量小于0.5％，比重不小于2.5，压碎值不大于28％。
30.4.75档颗粒粒径为4.75～9.5mm；9.5mm档颗粒粒径为9.5～13.2mm；13.2mm档颗粒粒径为13.2～16mm之间。
31.作为优选，集料颗粒的外形越接近正六面体，碾压成型后混合料的密实度、力学性能越好。
32.作为优选，聚氨酯主剂与沥青共混物的喷淋添加量为集料质量的2～6％，特别优选为3～5％。
33.作为优选，拌和时间为30-120秒，特别优选为45-90秒。
34.作为优选，所述聚氨酯固化材料水溶液由固化剂、小分子扩链剂、交联剂、催化剂和水配置，各原料的浓度分别为：
[0035][0036]
所述固化剂优选为多异氰酸酯，如papi、mdi、tdi、hdi缩二脲、是tmp-tdi加成物等；
[0037]
所述小分子扩链剂优选为乙二醇、二乙二醇或1，4丁二醇；
[0038]
所述交联剂优选为三羟甲基丙烷、甘油或三乙醇胺；
[0039]
所述催化剂优选为三乙烯胺、二月硅酸二丁基锡或辛酸亚锡。
[0040]
作为优选，步骤s3通过控制固化材料水溶液的补充速度，将固化材料水溶液的温度始持在80
±
10℃范围内。
[0041]
作为优选，将最外层表面形成固化的tpu聚氨酯层后的颗粒在阴凉通风的环境中沥干水分，即可得到本发明沥青冷补料。
[0042]
和现有技术相比，本发明的沥青冷补料及其制备方法具有以下突出的有益效果：
[0043]
(一)摒弃了冷补料汽柴油或其他挥发性溶剂，所用材料无毒无害，因此本发明沥青冷补料在储存和使用过程中没有任何挥发物质，真正实现了环保可靠、安全无害；
[0044]
(二)集料石子表面是粘度很高的沥青层，且具有一定厚度，因此对石子表面不规则微纹理和尖角进行了覆膜，使整体表面更加圆润平整，有利于最外层聚氨酯壳体的均匀厚度控制，形成的复合包膜层的质量和稳定性更加可靠；
[0045]
(三)采用“包衣”技术制成胶囊结构沥青冷补料颗粒，一方面使冷补料在一般条件下保持松散状态，颗粒之间不会相互粘连而聚集成团，具有很好的颗粒流动性，另一方面，胶囊外壳隔绝了内层沥青与空气接触，极大地减缓了沥青的老化进程，使冷补料能够长期保存5年以上；
[0046]
(四)采用高温拌和与水浴固化工艺，在大密度、形状不规则(尖角多)的集料颗粒表面形成均匀的沥青层、聚氨酯层双层抱覆，确保沥青冷补材料具有更加稳定的使用性能；
[0047]
(五)在施工碾压和服役状态下，碾压设备和交通荷载作用产生的机械力促使tpu聚氨酯层破壁，由内层沥青与相邻颗粒形成粘结，迅速形成混凝土材料结构，强度增长迅速、无需养生，且具有极好的耐久性和粘结性能，25℃环境条件劈裂试验间接抗拉强度达到1mpa以上，修补后的路面不易产生脱落，龟裂等不良现象，不需重复修补；无论是材料性能，还是施工便捷性都明显优于传统冷补料；
[0048]
(六)适用于任何天气和环境，本发明适用的环境温度范围宽，可在-20℃至50℃之间使用，低温下仍具有良好的耐久性和粘结性能，其5℃环境条件劈裂试验间接抗拉强度达到1.2mpa以上；
[0049]
(七)用沥青冷补料修补的区域无需封闭交通，可立即通车，能大大缓解因道路修补施工而造成的交通压力，经济和社会效益非常显著；
[0050]
(八)生产工艺简单可靠，可直接利用传统的热沥青搅拌设备生产；
[0051]
(九)用途广泛，本发明沥青冷补料与沥青和水泥混凝土路面材料均有良好的粘结力，可广泛用于各种路面的修补与养护。
附图说明
[0052]
附图1是实施例中路面坑洞修补测试图；
[0053]
附图2是实施例中路面沟槽修补测试图；
[0054]
附图3是实施例中补丁耐久性野外测试图。
具体实施方式
[0055]
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
[0056]
实施例一：
[0057]
【原材料】
[0058]
石灰岩集料：颗粒粒径采用4.75mm档(4.75～9.5mm)集料，至少有两个新鲜的轧制破裂面，粉尘和杂质含量为0.2％，比重为2.72，压碎值为19.5％，其他指标满足我国相关规范要求；
[0059]
沥青材料：70号道路石油沥青，其各项指标满足我国《重交通道路石油沥青》gbt15180规范要求；
[0060]
聚氨酯主剂：共聚酯型聚氨酯多元醇；
[0061]
固化剂：tmp-tdi加成物；
[0062]
小分子扩链剂：乙二醇；
[0063]
交联剂：甘油；
[0064]
催化剂：三乙烯胺。
[0065]
【制备方法】
[0066]
(1)将聚氨酯主剂按20％的质量比加入70号重交通沥青中，在120℃条件下，在具有搅拌设备的沥青罐中搅拌5小时，直至使二者混合均匀，得到聚氨酯主剂与沥青的共混物；
[0067]
(2)采用沥青拌和楼设备，将集料颗粒在加热器中滚动加热至160℃，保证充分加热条件下水分完全蒸干；
[0068]
(3)待充分加热后的集料进入沥青拌和楼搅拌缸后，喷淋聚氨酯主剂与沥青的共混物，喷淋添加量为集料质量的3.8％，此时石料颗粒表面裹覆厚度实测平均值为83微米，经45秒的充分拌和后，制成拌和均匀、无花白料的沥青混合料；
[0069]
(4)以固化剂、小分子扩链剂、交联剂、催化剂和水共混配置成固化材料水溶液，其配置浓度范围为：固化剂8％，小分子扩链剂2％，交联剂1％，催化剂0.5％，水88.5％；
[0070]
(5)将步骤(3)拌和好的沥青混合料和步骤(4)所述固化材料水溶液加入滚桶中，使两者充分接触，并通过滚筒的不停转动使沥青混合料颗粒在固化材料水溶液中充分分散成单独颗粒状态，保证沥青混合料中的聚氨酯主剂与水溶液中的固化剂等充分接触，在颗粒最外层表面形成固化的tpu聚氨酯层，从而形成胶囊式结构的沥青混合料颗粒，
[0071]
在固化过程中，高温的沥青混合料会导致固化材料水溶液温度不断上升，因此需要控制固化材料水溶液的补充速度，将固化水溶液的温度始终保持在80
±
5℃范围内；
[0072]
(6)将步骤(5)所得胶囊式结构的沥青混合料颗粒在阴凉通风的环境中沥干水分，得到沥青冷补料产品。
[0073]
实施例二：
[0074]
石灰岩集料：颗粒粒径采用4.75mm档(4.75～9.5mm)集料，至少有两个新鲜的轧制破裂面，粉尘和杂质含量实测值为0.15％，比重实测值为2.72，压碎值实测为18％，其颗粒外形相对实例一更接近立方体，其他指标满足我国相关规范要求。
[0075]
沥青材料：sbs改性沥青i-d型，其各项指标满足我国公路沥青路面施工技术规范》(jtg_f40)规范要求。
[0076]
聚氨酯主剂：共聚酯型聚氨酯多元醇
[0077]
固化剂：tmp-tdi加成物
[0078]
小分子扩链剂：乙二醇
[0079]
交联剂：甘油
[0080]
催化剂：三乙烯胺
[0081]
【制备方法】
[0082]
(1)将聚氨酯主剂按20％的质量比加入i-d型sbs改性沥青中，在130℃条件下，在具有搅拌设备的沥青罐中搅拌6小时，直至使二者混合均匀，得到聚氨酯主剂与沥青的共混物；
[0083]
(2)采用沥青拌和楼设备，将集料颗粒在加热器中滚动加热至180℃，保证充分加热条件下水分完全蒸干；
[0084]
(3)待充分加热后的集料进入沥青拌和楼搅拌缸后，喷淋聚氨酯主剂与沥青的共混物，喷淋添加量为集料质量的4.0％，此时石料颗粒表面裹覆厚度实测平均值为90微米，经60秒的充分拌和后，制成拌和均匀、无花白料的沥青混合料；
[0085]
(4)以固化剂、小分子扩链剂、交联剂、催化剂和水共混配置成固化材料水溶液，其配置浓度范围为：固化剂8％，小分子扩链剂2％，交联剂1％，催化剂0.5％，水88.5％；
[0086]
(5)将步骤(3)拌和好的沥青混合料和步骤(4)所述固化材料水溶液加入滚桶中，使两者充分接触，并通过滚筒的不停转动使沥青混合料颗粒在固化材料水溶液中充分分散成单独颗粒状态，保证沥青混合料中的聚氨酯主剂与水溶液中的固化剂等充分接触，在颗粒最外层表面形成固化的tpu聚氨酯层，从而形成胶囊式结构的沥青混合料颗粒，
[0087]
在固化过程中，高温的沥青混合料会导致固化材料水溶液温度不断上升，因此需要控制固化材料水溶液的补充速度，将固化水溶液的温度始终保持在80
±
5℃范围内；
[0088]
(6)将步骤(5)所得胶囊式结构的沥青混合料颗粒在阴凉通风的环境中沥干水分，得到沥青冷补料产品。
[0089]
实施例三：
[0090]
石灰岩集料：颗粒粒径采用9.5mm档(9.5～13.2mm)集料，至少有两个新鲜的轧制破裂面，粉尘和杂质含量实测值为0.22％，比重实测值为2.73，压碎值实测为20％，其他指标满足我国相关规范要求。
[0091]
沥青材料：sbs改性沥青i-d型，其各项指标满足我国公路沥青路面施工技术规范》(jtg_f40)规范要求。
[0092]
聚氨酯主剂：共聚酯型聚氨酯多元醇
[0093]
固化剂：tmp-tdi加成物
[0094]
小分子扩链剂：乙二醇
[0095]
交联剂：甘油
[0096]
催化剂：三乙烯胺
[0097]
【制备方法】
[0098]
(1)将聚氨酯主剂按20％的质量比加入i-d型sbs改性沥青中，在130℃条件下，在具有搅拌设备的沥青罐中搅拌6小时，同时开启泵送循环装置，直至使二者混合均匀，得到聚氨酯主剂与沥青的共混物；
[0099]
(2)采用沥青拌和楼设备，将集料颗粒在加热器中滚动加热至180℃，保证充分加热条件下水分完全蒸干；
[0100]
(3)待充分加热后的集料进入沥青拌和楼搅拌缸后，喷淋聚氨酯主剂与沥青的共混物，喷淋添加量为集料质量的3.6％，此时石料颗粒表面裹覆厚度实测平均值为85微米，经60秒的充分拌和后，制成拌和均匀、无花白料的沥青混合料；
[0101]
(4)以固化剂、小分子扩链剂、交联剂、催化剂和水共混配置成固化材料水溶液，其配置浓度范围为：固化剂8％，小分子扩链剂2％，交联剂1％，催化剂0.5％，水88.5％；
[0102]
(5)将步骤(3)拌和好的沥青混合料和步骤(4)所述固化材料水溶液加入滚桶中，使两者充分接触，并通过滚筒的不停转动使沥青混合料颗粒在固化材料水溶液中充分分散成单独颗粒状态，保证沥青混合料中的聚氨酯主剂与水溶液中的固化剂等充分接触，在颗粒最外层表面形成固化的tpu聚氨酯层，从而形成胶囊式结构的沥青混合料颗粒，
[0103]
在固化过程中，高温的沥青混合料会导致固化材料水溶液温度不断上升，因此需要控制固化材料水溶液的补充速度，将固化水溶液的温度始终保持在80
±
5℃范围内；
[0104]
(6)将步骤(5)所得胶囊式结构的沥青混合料颗粒在阴凉通风的环境中沥干水分，得到沥青冷补料产品。
[0105]
试验例一：
[0106]
采用实施例一所得沥青冷补料进行路面修补坑洞测试，如图1所示。相对现有技术其他沥青冷补料而言，该沥青冷补料储存稳定性好，在机械压实前没有粘结成团现象，保持了优异的施工流动性，方便了施工过程中摊铺作业。
[0107]
将沥青冷补料倒入路面坑洞中，摊铺平整后，用击实锤初压后，用汽车轮胎反复行驶碾压，直至胶囊式颗粒聚氨酯外层破裂，颗粒通过内层的沥青相互粘结，从而形成混凝土结构。施工完毕后，冷补料形成稳定可靠的强度，符合道路工程相关标准，可立即开放交通。
[0108]
根据我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtg e20)，使用该种冷补料，以击实法成型马歇尔试件，以轮碾法成型车辙试验板试件，并进行各项物理、力学、性能实验室测试，其各项指标如下表所示。
[0109]
表1.实施例一沥青冷补料基本性能表
[0110]
项目单位实测值备注马歇尔稳定度kn9.5成型后立即测试流值0.1mm36成型后立即测试空隙率％7.8％成型后立即测试饱和度％60％成型后立即测试密度g/cm32.42成型后立即测试动稳定度次/mm》3000 劈裂强度mpa1.21成型后立即测试冻融劈裂强度比％75 残留稳定度％85 [0111]
从上表中数据不难看出，实施例一沥青冷补料的各项指标远高出沥青冷补料标准，均已经达到热拌沥青混合料的水平，克服了传统技术路线中稀释剂和软化剂严重降低沥青粘性的缺陷，同时也消除了这些挥发性气体造成的刺激性气味、有害气体和易燃易爆的安全隐患，实现了环保高效。
[0112]
上表中马歇尔试验指标(马歇尔稳定度、流值、空隙率、饱和度、密度)都是在成型试件后立即测试的，而且都达到并优于正常路面热拌沥青混合料的标准，符合立即开放交通的条件。而传统的沥青冷补料必须养生几天到几周的时间，才能挥发掉部分稀释剂或软化剂，使沥青粘度增大，将集料颗粒粘结在一起形成较低的强度，因此对道路交通的干扰大，性能也相对较差。
[0113]
车辙试验的动稳定度指标反映了沥青混合料的高温稳定性，从测试结果来看，其动稳定度》3000次/mm，完全达到了正常沥青路面热拌沥青混凝土的水平，其高温抗变形能力和耐久性优异。
[0114]
从劈裂强度(间接抗拉强度)达到1.21mpa来看，该沥青冷补料的内聚力超强，明显达到了热拌沥青混合料水平，也反映出与其他材料界面良好的粘结力，保证了修补粘结的可靠性。
[0115]
从冻融劈裂强度比和残留稳定度来看，两项指标均表现优异，达到了热拌沥青混合料的水平，反映出其优异的抗水损坏能力，这项性能对于容易积水的修补作业是非常重要的，也是保证修补质量和耐久性的关键。
[0116]
试验例二：
[0117]
采用实施例二所得沥青冷补料进行路面沟槽修补现场测试，如图2所示。该沥青冷补料同样具备优异的储存稳定性，且采用了sbs改性沥青，进一步提高了材料性能和修补作业质量。
[0118]
将沥青冷补料倒入待修补沟槽中，摊铺平整后，用击实锤初压，然后用汽车轮胎反复行驶碾压，直至胶囊式颗粒聚氨酯外层破裂，颗粒通过内层的改性沥青相互粘结形成混凝土结构，施工完毕后可立即开放交通。
[0119]
根据我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtg e20)，使用该种冷补料，以击实法成型马歇尔试件，以轮碾法成型车辙试验板试件，并进行各项物理、力学、性能测试，其各项指标如下表所示。
[0120]
表2.实施例二沥青冷补料基本性能表
[0121]
项目单位实测值备注马歇尔稳定度kn11.5成型后立即测试流值0.1mm41成型后立即测试空隙率％6.9％成型后立即测试饱和度％71％成型后立即测试密度g/cm32.41成型后立即测试动稳定度次/mm》5000 劈裂强度mpa1.30成型后立即测试冻融劈裂强度比％78 残留稳定度％88 [0122]
从上表中数据不难看出，实施例二沥青冷补料的各项指标进一步提高，高出一般热拌沥青混合料的水平，且环保高效。
[0123]
上表中马歇尔试验指标(马歇尔稳定度、流值、空隙率、饱和度、密度)都是在成型试件后立即测试的，而且都达到并优于正常路面热拌沥青混合料的标准，符合立即开放交通的条件。车辙试验的动稳定度指标》5000次/mm，其高温抗变形能力和耐久性十分优异。
[0124]
从劈裂强度(间接抗拉强度)达到1.30mpa来看，该沥青冷补料的内聚力超强，反映出与其他材料界面良好的粘结力，保证了修补可靠性。从冻融劈裂强度比和残留稳定度来看，两项指标均表现优异，进一步保证了修补质量和耐久性。
[0125]
试验例三：
[0126]
采用实施例二所得沥青冷补料进行路面修补耐久性测试，将该种冷补料直接铺在残破路面表面，补丁四周不做保护，以增强自然环境和车辆荷载的破坏效果，考验沥青冷补料的耐久性。历经1年的使用后，补丁保持了原来形态，表现出优异的耐久性，如图3所示。
[0127]
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。