本发明涉及用于路面处理的改性沥青乳剂。
背景
沥青混凝土(也被称为沥青铺装面)是一种复合材料，其包含矿物骨料和沥青(柏油)粘合剂，硬化形成坚固表面。沥青铺装面随着时间的推移由于沥青粘合剂的氧化、重载和变化的气候条件而劣化。恢复或修复劣化沥青铺装面的一种方法是移除现有铺装面并用新制备的或回收的铺装面替换。然而，移除和替换既昂贵又浪费。
技术实现要素：
优选地，利用表面处理来恢复铺装面而不是移除并替换劣化的铺装面。在一个方面，本公开涉及聚合物改性的沥青乳剂，其包含：
包含沥青和聚合物的沥青相；以及
包含水和乳化剂的水相，其中
从所述乳剂中回收的残余物具有根据astmd5为110-160个单位的渗透值，并且展示出抗裂性，如根据覆盖试验的值大于50个失效循环所证明的。在某些实施方式中，来自乳剂的残余物展示出抗裂性，如根据覆盖试验的值大于100个失效循环所证明的。
在另一方面，将聚合物改性的沥青乳剂与骨料组合以形成微表面处理(microsurfacing)铺装组合物。然后通过常规铺装设备施用微表面处理铺装组合物作为对劣化铺装面的保护处理。如通过覆盖试验所证明的，由填充骨料的残余物形成的所得表面相较于常规微表面处理组合物提供增强的耐久性。例如，所得残余物相较于常规微表面处理配制物展示出大幅提高的抗裂性。本公开的组合物能够减少标准微表面处理组合物中普遍存在的反射裂缝。
所公开的聚合物改性的沥青乳剂适用于道路养护，以保护劣化的铺装面，从而延长铺装面的寿命和服务。
附图说明
图1是展示本公开实施方式的覆盖试验结果的图。
图2是描绘覆盖试验结果和乳剂含量的影响的图。
详细说明
术语“约”是指被认为等同于所述值的数值范围(例如，具有相同的功能或结果)。在许多情况下，术语“约”可能包括四舍五入到最接近的有效数字的数值。
术语“劣化”是指破裂的、老化的、氧化的或破旧的沥青铺装面，例如破旧的包括miller,johns.和williamy.bellinger.distressidentificationmanualforthelong-termpavementperformanceprogram.no.fhwa-hrt-13-092.2014所确定的沥青铺装面。
术语“乳化剂”是指表面活性剂(包括可生物降解的表面活性剂)和稳定剂。乳化剂保持沥青材料处于稳定悬浮状态并控制破乳时间，其中破乳时间是乳化沥青材料与水相分离以允许水分蒸发并形成固化涂层或固定涂层(setcoating)所需的时间。
术语“聚合物”独立地包括均聚物、共聚物、三聚物、嵌段共聚物(blockcopolymer)、多嵌段共聚物(segmentedcopolymer)、接枝共聚物及其任何混合物或组合。
术语“反射裂缝”是指次表层中的裂缝或接缝，其导致覆盖层中类似的裂缝。
使用端点表示的数值范围包括包含在该范围内的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。
所有百分比均为重量百分比。
公开了沥青乳剂，其在与骨料组合时变得适合于浆料涂布应用，特别是微表面处理应用，用于保护铺装面。本公开的各种实施方式非常适合用作裂缝填料和用于防止反射裂缝。本公开的实施方式比传统的微表面处理乳剂更耐裂纹，如覆盖试验中的失效循环显著增加所证明的。浆料涂层处理使得能够使用各种沥青来恢复和修护劣化的道路铺装面。
所公开的乳剂是彼此相互作用的各种组分的混合物。因此，一种组分的浓度可以在一定限度内增加，条件是另一种组分的浓度相应地降低，这不会显著改变所得组合物的性质。所公开的乳剂在与骨料组合时可以施加到铺装面的现有基础或基底上。在某些实施方式中，所公开的乳剂包括包含沥青和聚合物的沥青相以及包含在水中的乳化剂的水相。期望地，所公开的乳剂包含非常高的沥青含量。例如，沥青相的沥青浓度可以是沥青相的约90重量％至约97重量％，在一些实施方式中可以是沥青相的约92重量％至约96重量％或者占乳剂总重量的15重量％至75重量％，或者甚至50重量％到70％。
在一个替代性实施方式中，聚合物可作为分散体施加并与水相组合，而不是施加到沥青相的固体聚合物。或者，可以使用各相中聚合物的组合。了解本公开内容的普通技术人员能够选择特定的一种或多种聚合物和合适的递送相，以获得期望的耐久性结果，从而满足预期铺装面的保护要求。使用聚合物的方法中沥青含量是相似的。
根据astmd5的渗透试验提供了一种测量破乳后沥青残余物或沥青的稠度和硬度的机制。所测量的针状物渗透的距离(单位为mm/10)为渗透值。软沥青具有高渗透值，而硬沥青则相反。为了本公开的目的，用于渗透试验的残余物可以通过astmd6997，通过aashtopp-72(方法a或b)或适于从沥青乳剂中回收残余物的任何其他方法来获得。
覆盖试验是确定沥青对疲劳或反射裂缝的敏感性的试验方法。该试验是由德克萨斯州运输部指定的标准试验，参考代码为tex-248-f。为了本公开的目的，术语“覆盖试验”是指tex-248-f及其关于柔性微表面处理的附录(日期为2012年11月16日)。试验方法tex-248-f及其2012年11月16日的附录通过引用整体并入本文中。试验样品通常是由乳剂与骨料的组合形成的残余物样本。试验结果报告失效循环，其中失效被定义为初始负载值减少90％或更多。
取决于预期的铺装面温度，可以在所公开的沥青乳剂组合物中使用各种沥青等级。乳剂中使用的沥青组合物等级可以由战略公路研究计划(strategichighwayresearchprogram；shrp)或美国州立公路和运输官员协会(americanassociationofstatehighwayandtransportationofficials；aashto)m320标准的性能等级(pg)值来限定。本公开范围内包含的实施方式通常依赖于根据astmd5的渗透值，其导致从乳剂中回收的残余物的渗透值为约110个单位至约160个单位。用于形成乳剂的沥青组合物等级可以例如包括约100个单位至约250个单位的渗透值以获得相应残余物的期望渗透值。本领域普通技术人员通常将示例性的渗透值范围认定为“较软的”沥青等级。较软的沥青等级的初始使用导致具有期望的耐久性和覆盖试验结果的残余物。沥青组合物等级的合适例子包括pg-52、pg58-28、pg52-28、pg52-34、ac5、ac10、ac15、ac0、150pen、120pen、120-150pen或150-200pen。了解本公开内容的本领域普通技术人员能够选择特定性能等级的沥青以获得用于浆料涂布应用的残余物的期望渗透值。
所使用的沥青可以是例如氧化沥青或空气吹制沥青、非氧化沥青及其共混物。在其他方面，沥青包括但不限于由常压蒸馏、真空蒸馏、溶剂提取、空气或这些方法的组合产生的沥青。其他沥青可以包括天然存在的沥青例如硬沥青、沥青岩等。
沥青吹制(也称为氧化或空气精馏)可用于从比通过吹制工艺产生的最终沥青产品软的沥青生产具有期望稠度的氧化沥青或空气吹制沥青。吹制工艺的期望结果是相对于起始基础沥青渗透值降低且软化点提高。通常，吹制工艺包括加热基础沥青，通常至232.2℃(450°f)到260℃(500°f)的温度，并将空气吹入热沥青中持续产生期望性质所需的时间段。吹制工艺是温度和时间成反比关系的温度-时间依赖性工艺。因此，在较高温度下，吹制时间通常少于在较低温度下获得相同性能所需的时间。热沥青和被迫进入其中的空气之间的交换表面或接触表面通常也是决定吹制工艺长度和所需空气量的因素。
在一些实施方式中，沥青相包含聚合物作为改性剂以增强所得残余物的特定物理特征。示例性的聚合物包括有助于为沥青乳剂残余物提供期望性质的那些聚合物，例如通过提供强有力粘附到下面的铺装面上的应力吸收层，通过提供非粘性表面，或通过提供具有非溶胀属性的聚合物。聚合物可以例如占沥青相的约4重量％至8重量％或乳剂总重量的约1重量％至约15重量％。
合适的聚合物包括适用于沥青应用的任何弹性体或塑性体。此类聚合物的非限制性实例包括苯乙烯-丁二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯橡胶、聚氯丁二烯、苯乙烯丁二烯塑性体、聚氨酯、热塑性烯烃或热塑性聚酰胺。
在一个替代性实施方式中，可以将聚合物掺入乳剂的水相中。在此类应用中，聚合物以分散体形式提供。非限制性实例包括衍生自聚烯烃的聚合物，所述聚烯烃例如乙酸乙烯酯、氯乙烯、偏二氯乙烯、苯乙烯、经取代的苯乙烯、丁二烯、不饱和聚酯、乙烯等。在一些实施方式中，聚合物衍生自丙烯酸酯单体及其混合物并且与苯乙烯或乙烯聚合。在其他实施方式中，聚合物衍生自丙烯酸丁酯并与苯乙烯或乙烯共聚。在其他实施发生中，聚合物是丙烯腈丁二烯。
本公开考虑的乳化剂保持沥青材料处于稳定悬浮状态并控制破乳时间。通常有四类乳化剂，即阳离子乳化剂、阴离子乳化剂、两性乳化剂和非离子型乳化剂。取决于所用乳化剂的类型，可能需要酸或碱来活化乳化剂。
当使用阳离子乳化剂时，可以加入酸以将乳剂的ph调节至1.0和7.0之间。合适的酸包括无机酸，例如盐酸和磷酸。酸促进乳化剂上的正电荷。被称为季铵盐的阳离子乳化剂的一个亚类不需要酸活化，因为电荷是乳化剂的组成部分。示例性的阳离子乳化剂包括聚胺、脂肪胺、脂肪酰胺-胺、乙氧基化胺、丙氧基化胺、二胺、咪唑啉、季铵盐及其混合物。
当使用阴离子乳化剂时，可加入碱以将乳剂的ph调节至7.0至12.0之间。合适的碱包括无机碱，例如氢氧化钠和氢氧化钾。碱促进乳化剂上的负电荷。示例性的阴离子乳化剂包括脂肪酸的碱金属盐或铵盐，碱金属聚烷氧基羧酸盐，碱金属n-酰基肌氨酸盐，碱金属烃基磺酸盐，例如烷基磺酸钠，芳基磺酸钠，烷基芳基磺酸钠，烷基芳烃磺酸钠(sodiumalkylarenesulphonate)，木素磺酸钠，二烷基磺基琥珀酸钠和烷基硫酸钠，长链羧酸和磺酸，其盐及其混合物。
当使用两性乳化剂时，阳离子化学官能团和阴离子化学官能团二者是同一分子的组成部分。因此，可以活化任一官能团；可以用酸活化阳离子部分或者可以用碱活化阴离子部分。示例性的两性乳化剂包括甜菜碱和两性咪唑啉衍生物。
当使用非离子型乳化剂时，可能不需要用酸或碱活化乳化剂。示例性的非离子型乳化剂包括乙氧基化化合物和酯，例如乙氧基化脂肪醇、乙氧基化脂肪酸、脱水山梨糖醇酯、乙氧基化脱水山梨糖醇酯、乙氧基化烷基酚、乙氧基化脂肪酰胺、甘油脂肪酸酯、醇、烷基酚及其混合物。
乳化剂的量优选应该足以维持稳定的乳剂。浓度可因所用乳化剂的类型和乳剂的其它组分而异，但通常为乳剂重量的大于0％至约5％。
乳剂可以含有其它添加剂以关于计划用途、应用方法和储存条件来调节乳剂性质。添加剂的非限制性实例包括稳定剂、助粘剂、杀生物剂、防冻剂、破乳控制添加剂、胶溶剂、沥青添加剂、固化促进剂、ph调节剂、粘度改进剂、粘着性控制添加剂、颜料、抗紫外线添加剂、表面活性剂或其组合。
乳剂的沥青相的重量百分比可以例如占总乳剂重量的约15％至约75％。乳剂的相应水相可以例如占总乳剂重量的约70％至约30％。乳化剂或其它添加剂可以占总乳剂重量的约0.0001％至约20.0％，优选占总乳剂重量的约0.01％至约3.0％。
可以通过下述方法制备所公开的沥青乳剂：没有特定的顺序，将乳化剂、水和(在一些实施方式中)聚合物混合，并根据乳化剂类型调节所得到的乳化剂溶液的ph。可以将乳化剂溶液例如从略高于室温加热至约70℃。单独地，根据所用沥青和聚合物的粘度，可以将沥青和聚合物共混物例如加热至130℃到160℃。乳剂可以在环境压力下或在压力下形成，随后冷却至低于100℃(212℉)，然后暴露于大气。可以将沥青和聚合物共混物以及乳化剂溶液混合到或注入高速高剪切机械混合器(如胶体磨或能够乳化成分的其他设备)中以产生沥青乳剂。期望地，保持成品乳剂的温度例如低于约15℃至约75℃，在一些实施方式中约25℃至约60℃，或者甚至约35℃至约50℃。所述温度的使用允许混合器在环境压力下运行，并避免水相沸腾以及随之发生的干扰乳化过程。调节沥青与乳化剂溶液的比例以产生含有期望量的沥青材料的沥青乳剂，所述量可以例如为30％至70％。
在上述方法中，可以将聚合物加入水相或沥青相中。在具有多种聚合物的某些应用中，水相和沥青相都可以含有聚合物。或者，可以通过直接注入来生产沥青乳剂，其中将沥青和乳化剂(没有聚合物)通过各自的供应线注入胶体磨中，将聚合物直接注入刚好在胶体磨之前的沥青供应线中。聚合物改性的沥青也可以通过后添加来生产，其中将期望量的聚合物加入预先制备的含沥青但不含聚合物的乳剂中。
乳剂在储存期间应保持稳定，通常可以储存约14天，这取决于各成分。可能会发生一定程度的沉降，但轻轻(简单)搅拌乳剂通常会使沥青重新分散到乳剂中。
最终乳剂也可以由浓缩乳剂制备，包括用充足的额外的水稀释浓缩乳剂以提供最终乳剂中期望的沥青或添加剂含量。
最终乳剂中沥青相和水相的具体重量百分比可以根据以下因素进行选择，例如先前存在的铺装组合物或基层材料和条件、期望的固化时间和用户机构规定或规格。类似地，可以针对具体的应用条件、沥青材料和基材调节乳化剂和其他添加剂。
最终乳剂可以在其施用之前制备或者在工作场所于即将施用时制备。如果期望，可以在施用期间，使用本领域技术人员已知的计量和混合设备，以足以在连续基础上产生期望的最终乳剂的比率将浓缩物与水混合。
聚合物改性的沥青乳剂可以与骨料组合以形成非常适合于铺装面保护应用(如微表面处理)的涂料组合物。根据本公开内容产生的微表面处理铺装组合物在应用于铺装面并固化时展示出目前使用常规微表面处理乳剂不能达到的耐久性水平。为了本公开的目的，耐久性表示所应用的微表面处理组合物的寿命及其抗裂性。
大多数已知的或用于铺装面的表面重修骨料适合与本发明的聚合物改性的沥青乳剂一起使用。国际浆料表面处理协会(internationalslurrysurfacingassociation；issa)将通常用于微表面处理组合物的骨料分类为ii型或iii型(由issaa143标准骨料分级量表限定)。任一种形式都可适合与本公开的聚合物改性乳剂一起使用。符合issaa143标准的骨料的非限制性实例。
微表面处理铺装组合物的一些实施方式可以包含其他任选的添加剂。例如，矿物填料可被用作微表面处理铺装组合物中的添加剂。合适的矿物填料可以包括根据astmd242分类的那些。具体材料的非限制性实例包括波特兰水泥(i型、ii型、i/ii型、iii型、iv型或v型)、水硬性水泥、熟石灰、农用石灰、粉煤灰、草木灰(potash)、岩粉和炉渣粉。
微表面处理铺装组合物和不同组分的设计可通过使用issa公布的标准方法来解决。用于帮助配制微表面处理铺装组合物的标准方法的非限制性实例包括：issa技术公告no.100，“用于浆料表面的湿轨迹磨损的试验方法(testmethodforwettrackabrasionofslurrysurfaces)”；issa技术公告no.109，“使用负荷轮试验仪和粘砂测量沥青混合物中过量沥青的试验方法(testmethodformeasurementofexcessasphaltinbituminousmixturesbyuseofaloadedwheeltesterandsandadhesion)”；issa技术公告no.139，“通过用改良的凝聚力试验仪测量固定和固化特征从而对乳化的沥青/骨料混合物体系进行分类的试验方法(testmethodtoclassifyemulsifiedasphalt/aggregatemixturesystemsbymodifiedcohesiontestermeasurementofsetandcurecharacteristics)”；issaa-143“微表面处理的推荐性能指南(recommendedperformanceguidelinesformicro-surfacing)”；issa技术公告no.144，“通过schulze-breuer和ruck程序对骨料填料-沥青相容性进行分类的试验方法(testmethodforclassificationofaggregatefiller-bitumencompatibilitybyschulze-breuerandruckprocedures)”和issa技术公告no.147，“用于测量多层细骨料冷混合物的稳定性和抗压缩性、垂直位移和横向位移的试验方法(testmethodsformeasurementofstabilityandresistancetocompaction,verticalandlateraldisplacementofmultilayeredfineaggregatecoldmixes)”。所述试验方法的结果使得本领域普通技术人员能够调整微表面处理铺装组合物以获得用于应用的期望特征。
在一个实施方式中，可以利用issaa-143“微表面处理的推荐性能指南”或类似实践来优化微表面处理铺装组合物。完成了根据a-143的优化之后，可以通过使用本公开中所述的覆盖试验来进行进一步优化。然后可以利用覆盖试验来确定最佳乳剂含量或最佳乳剂含量范围，以提供用于特定骨料、分级和乳剂组合的最佳结果。
可以使用铺装行业中使用的常规混合设备来产生微表面处理铺装组合物。例如，可以在搅拌机中将聚合物改性的沥青乳剂与骨料和任选的添加剂组合以形成微表面处理铺装组合物。骨料可以占微表面处理铺装组合物的约70重量％至约95重量％。聚合物改性的沥青乳剂可以例如占微表面处理铺装组合物的大于10重量％，大于12重量％，大于14重量％，或甚至大于16重量％。其他任选的添加剂可以占微表面处理铺装组合物的至多约5重量％。
可以使用常规铺展技术(例如铺展盒、表面处理盒或两者)将最终的微表面处理铺装组合物施用于铺装面。推荐的施用率可以是例如约5kg/平方米至约20kg/平方米或范围为约0.6cm至约2.5cm的厚度。施用率也可以根据指定的施用条件、微表面处理铺装组合物、施用其的表面以及永久材料或基础的属性(即，铺装面结构)以及其他类似因素而变化。
所产生的微表面处理铺装组合物在破乳后具有根据astmd5为110-160个单位的渗透值，并且展示出抗裂性，如根据覆盖试验的值大于50个失效循环所证明的。在某些实施方式中，残余物可具有根据astmd5为130-150个单位的渗透值。另外，某些实施方式展示出抗裂性，如根据覆盖试验的值大于100个失效循环、大于125个失效循环或大于150个失效循环所证明的。覆盖试验所示的值代表比常规微表面处理乳剂提高至少5倍，并且一些展示出比常规微表面处理乳剂高10倍，或者甚至20倍。
在下面的非限制性实施例中进一步阐释了所公开的组合物。在不脱离本公开的范围的情况下，所公开组合物的各种修改和改变对于本领域技术人员而言是明显的。
实施例
用于进行微表面处理覆盖样品的程序：tex-248-f及其关于柔性微表面处理的附录(日期为2012年11月16日)。根据248f和关于微表面处理覆盖试验的相应附录中所述的程序铸造和制备用于试验的实施例。利用来自ipcglobal的沥青材料性能试验仪(ampt)来检测这些实施例。在ampt上选择uts-36覆盖试验软件，并接通空气。将样本信息插入设备中，并设置以下参数。
目标温度–5℃
预试验放松期–10
目标位移–1.27
负载脉冲宽度-60000
终止负载–90
最大循环数–500
然后将实施例放入ampt上的夹具中，并拧紧夹具上的螺栓。所有八个螺栓处于适当位置之后，将a1d外部lvdt调整至读数-0.700。降低腔室并等待腔室达到试验温度。一旦在试验温度下，便按下启动和ampt。ampt会指示何时试验完成并提供结果。
实施例1和2：产生聚合物改性的沥青乳剂以证明本公开组合物的耐久性提高。通过将表1中所示的材料以表2中所示的重量百分比混合来制备每个实施例。根据常规微表面处理乳剂产生了实施例1。根据本公开的实施方式产生了实施例2。对于这两个实施例，将乳化剂与水混合以形成水相并将其ph调节至低于2.5。将所得乳化剂溶液从略高于室温加热至约60℃。单独地，将沥青和聚合物加热至130℃到175℃。将乳化剂溶液和加热的沥青注入胶体磨中以产生沥青乳剂。保持成品乳剂的温度低于约100℃(212°f)。通过人工混合将乳剂与来自capitalaggregate,marblefalls,tx的二级骨料、矿物填料和水组合。利用每个实施例制备多个试验样品以形成干骨料占12.5重量％、13.5重量％、14.5重量％和15.5重量％的微表面处理铺装组合物。为了保持期望的稠度，根据需要向每种样品中添加额外的水。
然后对实施例进行覆盖试验。覆盖试验的结果报告在表3中。图1指示了沥青乳剂含量为骨料的12.5重量％的实施例1和实施例2的覆盖试验结果。实施例1的覆盖试验导致少于20个失效循环，而实施例2远远超过了这个结果，达到了约170个失效循环的水平。图2显示了：使用实施例1和实施例2的乳剂时，变化的沥青乳剂含量水平的影响。使用实施例1时，变化的沥青乳剂含量对覆盖试验结果的影响相对较小。实施例2显示了与实施例1相比改进的覆盖试验结果。另外，图2指示：存在最佳沥青乳剂含量水平，该水平达到了接近13.5％至约14％。
表1：材料
表2：实施例
表3：具有不同乳剂含量的实施例1和实施例2
尽管出于描述优选的实施方式的目的而在本文中阐释和描述了具体的实施方式，但本领域普通技术人员会理解，为了实现相同的目的而预测的各种各样的替代实现方式或等同实现方式可以是替代所示出和描述的具体实施方式而不偏离本发明的范围。本申请旨在覆盖本文讨论的优选实施方式的任何修改或变化。因此，明确意图是本发明仅由权利要求及其等同物限制。