一种高模量沥青混合料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种高模量沥青混合料及其制备方法。所述高模量沥青混合料，原料包括集料，所述原料包括质量分数如下的各组分：75%～90%的集料、1.5%～6%的矿粉、1.5%～5%的基质沥青、0.015%～0.5%的高模量添加剂。本发明的高模量沥青混合料可以使煤直接液化残渣变废为宝，且其路用性能能够达到热拌改性沥青混合料的性能要求，其高温性能优于热拌改性沥青混合料，其回弹模量远高于热拌改性沥青混合料。因此，本发明具有明显的经济和社会效益。
【专利说明】
一种高模量沥青混合料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于道路建筑材料制备技术领域，涉及一种高模量沥青混合料及其制备方 法。
【背景技术】
[0002] 国际上在防治沥青路面的各种损坏时，历来都把防治车辙放在第一位。防治措施 主要包括混合料级配优化、改善沥青及胶浆的流变特性和掺加外掺剂等。高模量沥青混合 料作为一种高温性能优良的混合料，在国外己越来越广泛应用于道路建设中，应用前景十 分广阔。
[0003] 在掺加外掺剂的方法中，通常是指在基质沥青中掺加 SBS、SBR、PR MODULE高模量 添加剂等改性剂加工而成的高模量沥青混合料。高模量混凝土，可通过提高沥青混凝土的 模量，降低车辆荷载作用下沥青混凝土产生的变形，减少沥青混凝土的不可恢复的残余变 形，提高路面抗高温变形能力，延缓车辙的产生，降低车辙深度，改善路面的疲劳性能，延长 路面使用寿命。然而，由于SBS、SBR、PR MODULE高模量添加剂的价格昂贵（SBS售价为12000 元/吨，SBR售价为10000元/吨，PR MODULE高模量添加剂售价为30000元/吨），提高了工程造 价，限制了其广泛使用。因此，寻找并开发一种新的性能优异且价格低廉的沥青改性剂具有 重要的现实意义。
[0004] 煤直接液化残渣(Direct coal liquefaction residue，DCLR)是煤直接液化过程 中广生的占原料煤总量的30%左右的重质副广物，是一种尚灰、尚炭、尚硫物质，其典型组 成为：重质油20%~30%、沥青烯20%~30%、前沥青烯5%~10%和45%左右的四氢呋喃 不溶物。
[0005] 根据DCLR的性质，将其二次开发为高模量沥青混合料添加剂是DCLR利用的可能途 径之一，同时，DCLR的价格低廉(DCLR售价为1000元/吨）。若DCLR能成功应用于沥青的改性， 不但解决了煤直接液化技术中DCLR的去处，而且可以大大降低高模量沥青混凝土的经济成 本。目前对煤液化残渣的研究还停留在改性沥青的研究，很少涉及到混合料高模量添加剂 的研究。因此，有必要开发一种高模量沥青混合料及其制备技术，以提高煤直接液化残渣的 附加值，并将其二次合理开发成沥青改性剂。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高模量沥青混合料及其制备方法。高 模量沥青混合料的路用性能能够达到热拌改性沥青混合料的性能要求，其高温性能优于热 拌改性沥青混合料，其回弹模量远高于热拌改性沥青混合料。
[0007] 本发明提供了如下的技术方案：
[0008] -种高模量沥青混合料，原料包括集料，所述原料包括质量分数如下的各组分： 75%~90%的集料、1.5%~6%的矿粉、1.5%~5%的基质沥青、0.015%~0.5%的高模量 添加剂。
[0009] 在上述方案中优选的是，制备所述高模量添加剂的原料包括煤直接液化残渣、SBS 和橡胶粉，所述高模量添加剂的原料中所述煤直接液化残渣的质量分数为5%~40%，所述 SBS的质量分数为0%~20%，所述橡胶粉的质量分数为0%~50%。
[0010] 在上述任一方案中优选的是，所述高模量添加剂的原料中所述煤直接液化残渣为 38%，SBS为12%，橡胶粉为50%。
[0011 ]在上述任一方案中优选的是，所述基质沥青为SK-90沥青。
[0012] 在上述任一方案中优选的是，所述矿粉为石灰岩矿粉。
[0013] 在上述任一方案中优选的是，所述集料可以为石灰岩、玄武岩、辉绿岩、花岗岩中 的一种或几种。
[0014] 在上述任一方案中优选的是，所述橡胶粉为40目、60目、80目。
[0015] 在上述任一方案中优选的是，矿料级配：16-26.5mm粗集料23%，9.5-16mm粗集料 22%，4.75-9.5mm粗集料11 %，2.36-4.75mm粗集料7%，0-2· 36mm细集料27%，矿粉5%，所 述基质沥青含量为4.55%。
[0016] 在上述任一方案中优选的是，所述高模量添加剂为所述基质沥青质量的5-20%。
[0017] 在上述任一方案中优选的是，所述高模量添加剂为所述基质沥青质量的10%。
[0018] 本发明还提供所述高模量沥青混合料的制备方法，包括以下各步骤：
[0019] (1)制备所述高模量添加剂，所述高模量添加剂的原料包括煤直接液化残渣、SBS (苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)和橡胶粉，先将煤直接液化残渣加热到170°C~190 °C，熔融状态，再加入所述SBS和所述橡胶粉混合；；
[0020] (2)分别加热所述基质沥青和所述高模量添加剂，然后在所述基质沥青中加入所 述高模量添加剂，制备改性沥青；
[0021] (3)将步骤（2)得到的所述改性沥青以及所述集料、所述矿粉分别放入烘箱中预 执. ，
[0022] (4)将步骤(3)预热的所述改性沥青和所述集料加入拌和器中拌和；
[0023] (5)加入步骤(3)预热的所述矿粉继续拌和，制备高模量沥青混合料。
[0024] 在上述方案中优选的是，步骤（1)中制备所述高模量添加剂的原料包括煤直接液 化残渣、SBS和橡胶粉，所述高模量添加剂的原料中所述煤直接液化残渣的质量分数为5% ~40%，所述SBS的质量分数为0%~20%，所述橡胶粉的质量分数为0%~50%。
[0025] 在上述任一方案中优选的是，步骤（1)中制备所述高模量添加剂的原料包括煤直 接液化残渣、SBS和橡胶粉，所述高模量添加剂的原料中所述煤直接液化残渣的质量分数为 38%，所述SBS的质量分数为12%，所述橡胶粉的质量分数为50%。
[0026] 在上述任一方案中优选的是，步骤(2)中所述基质沥青的加热温度为110~150°C。
[0027] 在上述任一方案中优选的是，步骤（2)中所述高模量添加剂的加热温度为150~ 180。。。
[0028] 在上述任一方案中优选的是，步骤(2)中所述基质沥青与所述高模量添加剂的混 合温度为150~180°C。
[0029] 在上述任一方案中优选的是，步骤(2)中所述基质沥青与所述高模量添加剂的混 合时间为1~2h。
[0030] 在上述任一方案中优选的是，步骤(3)中所述改性沥青的预热温度为155~185°C。
[0031 ]在上述任一方案中优选的是，步骤(3)中所述改性沥青的预热时间为1~4h。
[0032] 在上述任一方案中优选的是，步骤(3)中所述集料的预热温度为155~185°C。
[0033] 在上述任一方案中优选的是，步骤(3)中所述集料的预热时间为1~4h。
[0034] 在上述任一方案中优选的是，步骤(3)中所述矿粉的预热温度为155~185°C。
[0035] 在上述任一方案中优选的是，步骤(3)中所述矿粉的预热时间为1~4h。
[0036] 在上述任一方案中优选的是，步骤(4)中所述改性沥青与所述集料的拌和温度为 145~170。。。
[0037] 在上述任一方案中优选的是，步骤(4)中所述改性沥青与所述集料的拌和时间为 60~90s〇
[0038] 在上述任一方案中优选的是，步骤(5)中加入所述矿粉后的拌和温度为145~180 Γ。
[0039] 在上述任一方案中优选的是，步骤(5)中加入所述矿粉后的拌和时间为60~90s。
[0040] 在上述任一方案中优选的是，所述基质沥青为SK-90沥青。
[0041] 在上述任一方案中优选的是，所述矿粉为石灰岩矿粉。
[0042]在上述任一方案中优选的是，所述集料可以为石灰岩、玄武岩、辉绿岩、花岗岩中 的一种或几种。
[0043]在上述任一方案中优选的是，所述橡胶粉为40目、60目、80目。
[0044] 在上述任一方案中优选的是，矿料级配：16-26.5mm粗集料23%，9.5-16mm粗集料 22%，4.75-9.5mm粗集料11 %，2.36-4.75mm粗集料7%，0-2· 36mm细集料27%，矿粉5%，所 述基质沥青含量为4.55%。
[0045] 在上述任一方案中优选的是，所述高模量添加剂为所述基质沥青质量的5-20%。
[0046] 在上述任一方案中优选的是，所述高模量添加剂为所述基质沥青质量的10%。
[0047] 在上述任一方案中优选的是，步骤(2)中制备所述改性沥青时，所述高模量添加剂 的用量确定方法包括以下各步骤：
[0048] (a)测试所述高模量添加剂、所述基质沥青、所述集料、所述矿粉的各项性能指标；
[0049] (b)在所述基质沥青中加入不同添加量的所述高模量添加剂，制备所述改性沥青；
[0050] (c)采用针入度分级性能评价体系和PG分级性能评价体系共同测试所述改性沥青 的各项性能指标，确定所述高模量添加剂的用量范围以及最佳添加量。
[0051] 本发明的高模量沥青混合料可以使煤直接液化残渣变废为宝，且其路用性能能够 达到热拌改性沥青混合料的性能要求，其高温性能优于热拌改性沥青混合料，其回弹模量 远高于热拌改性沥青混合料。因此，本发明具有明显的经济和社会效益。
【附图说明】
[0052]图1是本发明一种高模量沥青混合料及其制备方法的以优选实施例中AC-20马歇 尔击实试验结果中沥青用量与毛体积密度的关系曲线图；
[0053]图2是本发明一种高模量沥青混合料及其制备方法的以优选实施例中AC-20马歇 尔击实试验结果中稳定度与沥青用量的关系曲线图；
[0054]图3是本发明一种高模量沥青混合料及其制备方法的以优选实施例中AC-20马歇 尔击实试验结果中空隙率与沥青用量的关系曲线图；
[0055] 图4是本发明一种高模量沥青混合料及其制备方法的以优选实施例中AC-20马歇 尔击实试验结果中流值与沥青用量的关系曲线图；
[0056] 图5是本发明一种高模量沥青混合料及其制备方法的以优选实施例中AC-20马歇 尔击实试验结果中矿料间隙率与沥青用量的关系曲线图；
[0057]图6是本发明一种高模量沥青混合料及其制备方法的以优选实施例中AC-20马歇 尔击实试验结果中沥青饱和度与沥青用量的关系曲线图。
【具体实施方式】
[0058]为了进一步了解本发明的技术特征，下面结合具体实施例对本发明进行详细地阐 述。实施例只对本发明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本领域的技术人员 在本发明的基础上做出的任何非实质性的修改，都应属于本发明的保护范围。
[0059] 实施例1
[0060]基质沥青(SK-90道路石油沥青）、煤直接液化残渣、SBS、橡胶粉、集料、矿粉的性能 指标分别见表1.1~表1.10。
[0061 ] 表1.1 SK-90沥青的性能
[0064]表1.2 DCLR性能
[0066] 表1.3 SBS性能
[0067]
[0068]表1.4橡胶粉性能
[0069]
[0070] 表1.5 16-26.5mm粗集料试验结果
[0071]
[0072] 表1.6 9.5-16mm粗集料试验结果
[0075] 表1.7 4.75-9.5mm粗集料试验结果
[0076]
[0077] 表1.8 2.36-4.75mm细集料试验结果
[0079] 表1.9 0-2.36mm细集料试验结果
[0081 ] 表1.10矿粉试验结果
[0083] SK-90道路石油沥青的技术指标满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40- 2004)中有关90号沥青的技术规定。粗集料、细集料、矿粉的性能指标均满足《公路工程集料 试验规程》(JTG E42-2005)中有关规定。
[0084] 选取添加量为5%、10%、15%、20 % (高模量添加剂占基质沥青的质量分数）的高 模量添加剂分别加入到基质沥青中，混合均匀，制备四种高模量改性沥青，测试上述高模量 四种改性沥青的技术指标，保证其技术指标满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中有关沥青的技术规定，综合各项指标，确定高模量添加剂的最佳添加量为10%。其 中，煤直接液化残渣为38 %，SBS为12 %，橡胶粉为50 %。
[0085] 在基质沥青中添加 10 %的高模量添加剂，制备高模量改性沥青。
[0086] 根据几种矿质材料的筛分结果，结合现行沥青路面施工技术规范以及本项目AC-20 沥青混合料工程级配范围的 要求， 按试配法对其进行了 矿料组成设计 。通过调整， 最后确 定矿料的合成级配组成，见表1.11。
[0087] 表1.11 AC-20矿质混合料组成配合计算表
[0088]
[0089] 根据确定的矿料级配组成，采用五种不同的沥青用量，制备马歇尔击实试件，室内 试验时拌和温度为155°C，成型温度为150°C，正反两面各击实75次。沥青混合料马歇尔击实 试验结果如表1.12所不，见图1-6。
[0090] 表1.12 AC-20马歇尔击实试验结果
[0092]注：空隙率为3、4、5时，所对应的VMA最小值分别为12、13、14，当空隙率不是整数 时，由内插确定要求的VMA最小值。
[0093]从上述图表可以看出，密度最大值ai = 5.0%、稳定度最大值a2 = 4.55%、目标空隙 率4%，a3 = 4.6%，沥青饱和度中值a4 = 4.6%，即0ACi = (ai+a2+a3+a4)/4 = 4 · 71 %。当沥青 用量在4 · 2 %~4 · 6 %时，各项指标均符合标准（不含VMA)，OAUin = 4 · 4 %，0ACmax = 4 · 6 %， 0AC2 = (0ACmin+0ACmax) /2 = 4.4 %。取0ACdP0AC2的中值作为计算的最佳沥青用量OAC = (0ACi+0AC2)/2~4.55%。
[0094] 按计算的最佳沥青用量4.55%，从上述各图中查得马歇尔稳定度、流值、空隙率、 矿料间隙率与沥青饱和度均满足马歇尔试验技术标准，最终推导出最佳沥青用量为 4.55%〇
[0095] 根据马歇尔方法确定的最佳沥青用量进行马歇尔试验，确定混合料的马歇尔试验 指标如表1.13.。
[0096]表1.13沥青混合料马歇尔试验结果 [0097]
[0098]据此对混合料的路用性能进行检测，试验结果见表1.14~1.18。
[0099] (1)沥青混合料浸水马歇尔试验结果 [0100]击实次数:正反两面各击实75次 [0101] 拌和温度：155°C击实温度：150°C
[0102] 表1.14沥青混合料浸水马歇尔试验结果
[0103]
[0104]
[0105] (2)沥青混合料冻融劈裂试验结果 [0106]击实次数:正反两面各击实50次
[0107] 拌和温度：155°C击实温度：150°C
[0108] 表1.15沥青混合料冻融劈裂试验结果
[0109]
[0110] (3)沥青混合料车辙试验结果 沥青混合料类型；AC-20 成型方法：轮碾法
[0111] 、一 车辙板R寸：3.0〇mmx300mmx5〇_mm 碾压速度：42次/min 拌和温度：155? 成型温度：150°C
[0112] 行走距离：23±lcm 试验温度：60°C 轮压：0.7MPa
[0113] 表1.16沥青混合料AC-20车辙试验结果
[0115] (4)沥青混合料低温弯曲试验结果
[0116] 表1.17沥青混合料低温弯曲试验结果
[0117]
[0118] (5)沥青混合料渗水试验结果
[0119] 表1.18沥青混合料渗水试验结果
[0120]
[0121] (6)配合比设计结果汇总
[0122] AC-20型沥青混合料用于沥青路面面层，据此进行沥青混合料路用性能检验，配合 比设计结果汇总，见表1.19。
[0123] 表1.19配合比设计结果
[0124]
[0125] (7)制备所述高模量沥青混合料，包括以下各步骤：
[0126] 1)制备所述高模量添加剂，所述高模量添加剂的原料包括煤直接液化残渣、SBS和 橡胶粉，先将煤直接液化残渣加热到170°C~190°C，熔融状态，再加入所述SBS和所述橡胶 粉混合，所述高模量添加剂的原料中所述煤直接液化残渣的质量分数为38%，所述SBS的质 量分数为12%，所述橡胶粉的质量分数为50% ;
[0127] 2) 110~150°C加热所述基质沥青，150~180°C加热所述高模量添加剂，然后在所 述基质沥青中加入所述高模量添加剂150~180°C拌合1~2h，制备改性沥青；
[0128] 3)将步骤(2)得到的所述改性沥青以及所述集料、所述矿粉分别放入155~185°C 烘箱中预热1~4h;
[0129] 4)将步骤(3)预热的所述改性沥青和所述集料加入拌和器中145~170°C拌和60~ 90s ；
[0130] 5)加入步骤(3)预热的所述矿粉145~180°C继续拌和，制备高模量沥青混合料60 ~90s〇
[0131 ] (8)基质沥青混合料与高模量沥青混合料路用性能对比
[0132] 为更好评价高模量添加剂对沥青混合料路用性能的影响，采用表1.11中所列级 配，16-26 · 5mm粗集料23 %，9 · 5-16mm粗集料22 %，4 · 75-9 · 5mm粗集料11 %，2 · 36-4 · 75mm粗 集料7%，0-2.36mm细集料27%，矿粉5%，最佳沥青含量为4.7%进行配合比设计。基质沥青 混合料的拌合温度为135°C，试件成型温度为130°C，进行沥青混合料的路用性能(浸水马歇 尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验、低温弯曲试验、渗水试验等)测试，并与高模量沥青混合 料路用性能进行对比，对比结果见表1.20。
[0133] 表1.20基质沥青混合料与高模量沥青混合料路用性能对比结果
[0135] 由表1.20可知，在沥青混合料中添加高模量添加剂，沥青混合料的水稳定性(残留 稳定度、冻融劈裂残留强度比）、高温稳定性(动稳定度)均有明显改善，其中动稳定度提升 近3倍。与基质沥青混合料相比，高模量沥青混合料的低温性能略有下降，两者相差不大，两 种沥青混合料基本不透水。
[0136] (8)基质沥青混合料与高模量沥青混合料回弹模量对比
[0137] 为了评价高模量添加剂的效果，对基质沥青和高模量添加剂进行单轴压缩试验， 测试其回弹模量，测试结果见表1.21
[0138] 表1.21回弹模量测试结果
[0140]测试结果表明，沥青混合料中添加高模量添加剂，可以显著提高沥青混合料的回 弹模量，15°C回弹模量提高了 1倍。高模量沥青混合料的回弹模量元高于基质沥青混合料。 [0141 ]本申请的高模量沥青混合料动稳定度高、抗车辙能力强、回弹模量高、高温性能出 众。其性能指标满足我国的高模量沥青混凝土技术标准和法国高模量混凝土技术标准。本 申请的高模量沥青混合料各项技术指标均可以达到较高水平。最主要的是本申请中的高模 量添加剂的正本远远低于现有技术，现有技术中采用聚合物改性剂是HDPE和LDPE，而本申 请得高模量添加剂中使用煤直接液化残渣和橡胶粉，价格相差十余倍。事实上，目前对于煤 直接液化残渣，基本上都当做废弃物处理，而本申请使用煤直接液化残渣制成高模量添加 剂属于废物利用。同时橡胶粉也是有废旧轮胎磨细制成，本申请研制的高模量添加剂改性 效果出色，而且造价极低，可以节省大量的工程预算，具有很重要的经济意义。本申请的高 模量沥青混合料既可以节约工程造价，又实现了废物再利用，具有十分重要的科学意义、环 境意义和社会意义。
【主权项】
1. 一种高模量沥青混合料，原料包括集料，其特征在于:所述原料包括质量分数如下的 各组分:75%~90%的集料、1.5%~6%的矿粉、1.5%~5%的基质沥青、0.015%~0.5%的高模量 添加剂。2. 根据权利要求1所述的高模量沥青混合料，其特征在于:制备所述高模量添加剂的原 料包括煤直接液化残渣、SBS和橡胶粉，所述高模量添加剂的原料中所述煤直接液化残渣的 质量分数为5%~40%，所述SBS的质量分数为0%~20%，所述橡胶粉的质量分数为0%~50%。3. 根据权利要求2所述的高模量沥青混合料，其特征在于:所述高模量添加剂的原料中 所述煤直接液化残渣为38%，SBS为12%，橡胶粉为50%。4. 根据权利要求1所述的高模量沥青混合料，其特征在于:所述基质沥青为SK-90沥青。5. 根据权利要求1所述的高模量沥青混合料，其特征在于:所述矿粉为石灰岩矿粉。6. 根据权利要求1所述的高模量沥青混合料，其特征在于:所述集料可以为石灰岩、玄 武岩、辉绿岩、花岗岩中的一种或几种。7. 根据权利要求1所述的高模量沥青混合料，其特征在于:所述橡胶粉为40目、60目、80 目。8. 根据权利要求1至7中任一项所述的高模量沥青混合料，其特征在于:矿料级配：16-26 · 5mm粗集料23%，9 · 5-16mm粗集料22%，4 · 75-9 · 5 mm粗集料 11%，2 · 36-4 · 75mm粗集料7%，0-2.36mm细集料27%，矿粉5%，所述基质沥青含量为4.55%。9. 根据权利要求1至7中任一项所述的高模量沥青混合料，其特征在于:所述高模量添 加剂为所述基质沥青质量的5-20%。10. 根据权利要求1所述高模量沥青混合料的制备方法，包括以下各步骤： (1) 制备所述高模量添加剂，所述高模量添加剂的原料包括煤直接液化残渣、SBS和橡 胶粉，先将煤直接液化残渣加热到170°〇190°C，熔融状态，再加入所述SBS和所述橡胶粉混 合； (2) 分别加热所述基质沥青和所述高模量添加剂，然后在所述基质沥青中加入所述高 模量添加剂，制备改性沥青； (3) 将步骤(2)得到的所述改性沥青以及所述集料、所述矿粉分别放入烘箱中预热； (4) 将步骤(3)预热的所述改性沥青和所述集料加入拌和器中拌和； (5 )加入步骤(3 )预热的所述矿粉继续拌和，制备高模量沥青混合料。
【文档编号】C04B26/26GK105884264SQ201610230754
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】季节, 索智, 王迪, 石越峰
【申请人】北京建筑大学