本发明属于建筑材料,具体来说涉沥青组合物、沥青混合物、及其制备方法与应用。
背景技术:
1、30多年来,随着我国经济的快速发展,截至2022年底,全国公路总里程535万公里左右,其中高速公路17.7万公里,城市道路总里程达到36.5万公里。在这些公路网络中存在大量的桥梁及其伸缩缝等附属设施。其中,钢桥面因其自重轻、施工便捷、经济性好等优点在我国桥梁建设中得到广泛应用。与水泥混凝土桥相比,钢结构桥梁对桥面铺装提出了更高要求,究其原因在于钢桥面具有导热性好、变形大、振动大、防腐蚀要求高、受力复杂等特点。因此,要求钢桥面铺装具有优良的高温稳定性、抗疲劳性、低温抗裂性、水稳定性,也要求铺装层与钢桥面板间具有较强的粘结性。同时,我国复杂的自然气候环境也为钢桥面铺装的使用寿命带来了巨大的考验。
2、目前,常用的性能优异材料中无论是国产环氧沥青、美国环氧沥青,还是现场改性的日本环氧树脂改性沥青,均存在养护周期长、无法快速开放交通问题,特别是在复杂交通流环境下对钢桥面进行分车道维修极易造成交通拥堵、存在交通安全隐患等问题。
3、另一方面,桥梁伸缩缝结构是桥梁工程的主要薄弱环节,对行车舒适性、安全性及桥梁耐久性有较大影响。对于桥梁伸缩缝一旦出现病害,通常需要封闭部分车道,这将导致道路的通行能力明显下降。因此,既有伸缩缝结构的快速维修需求一直以来都十分旺盛。同时,对于重载交通条件下的大伸缩量桥梁,以聚氨酯、tst、密封胶等为粘结料的无缝式伸缩缝材料使用寿命明显难以达到预期效果,其主要原因是难以保证无缝式伸缩缝材料同时具有优良弹性变形性及抵抗重荷载的强度。受快速修复材料的影响,针对快速修复需求的伸缩缝结构维修目前并无有效的技术措施。
4、对于应用在嵌入式轨道槽内结构的环氧沥青而言,其不仅需要在较大温度范围内具有较好的拉伸性能,同时也要求材料的抗压强度在合理范围内,这对许多橡胶改性的环氧沥青材料来说极难满足,因为上述环氧沥青中加入少量改性剂较难满足材料对抗压强度特别是低温下抗压强度的要求,而橡胶在常温下具有较高的拉压强度与韧性,且对温度敏感性较低。因此,可以利用大掺量的橡胶来改性其抗压强度,并且在沥青中加入改性剂、引入增容剂改进材料相容性,同时利用柔性固化剂保证材料拉伸性能良好,沥青作用是改善材料阻尼性能。对环氧树脂改性沥青进行进一步的优化,特别是功能型的改性剂,是应用于上述工程环境的重要基础。
5、同时,在机场道面的快速维修方面,常采用快硬水泥作为水泥混凝土道面板的快速修补材料,但是快硬水泥存在5℃以下即无法施工的困境,难以满足运营机场一年四季的实际修补需求。同时,尚无其他有效的快速修复技术措施可用于寒冷天气下水泥混凝土道面板的沥青薄层加铺、局部板角断裂、沥青道面坑洞的修补等领域。
技术实现思路
1、1.要解决的问题
2、基于现有快速修复材料在低温环境(低至0℃)下的快速修复效果不理想的问题,本发明提供了沥青组合物、沥青混合物、及其制备方法与应用。
3、2.技术方案
4、为了解决上述问题,本发明所采用的技术方案如下:
5、本发明第一方面提供了一种沥青组合物,其包括以下原料组分:
6、a组分:沥青改性剂a、沥青3~13质量份;
7、所述沥青改性剂a:环氧树脂30~50质量份,环氧树脂活性稀释剂5~10质量份,马来酸酐接枝sebs改性剂0.1~1.5质量份;
8、b组分:沥青改性剂b、沥青5~25质量份;
9、所述沥青改性剂b:环氧树脂50~90质量份,环氧树脂稀释剂5~20质量份,胺类固化剂2~15质量份,固化促进剂1~3质量份,乙酸醋酸乙酯(简称eva)0.3~4质量份;
10、c组分:沥青改性剂c、沥青5~25质量份;
11、沥青改性剂c:环氧树脂34~62质量份,二聚酸缩水甘油酯5~15质量份,酰胺基固化剂5~10质量份;
12、d组分:沥青改性剂d、沥青5~75质量份;
13、沥青改性剂d:胺类固化剂40~70质量份,固化促进剂1~5质量份,环氧树脂1~5质量份,环氧树脂活性稀释剂2~5质量份,脱硫胶粉1~6质量份。
14、作为所述的沥青,采用ah-70石油沥青或ah-90石油沥青的一种或两种的混合物。作为所述的沥青,其种类没有特别的限制,可以是现有市面上能够所得的任何沥青,例如可以举出:70#石油沥青、90#石油沥青、110#石油沥青中的一种或两种以上的混合物。
15、不同于已有的热固化型改性沥青材料,为保证本沥青混合物同时具有高强、高韧、快速修复的特性,需对不同组分的功能进行设计。在此需要说明的是,作为所述的a组分其添加作用/目的是保证其与d组分反应后使所得沥青组合物具有高强度;
16、作为所述的b组分其添加作用/目的是保证所得沥青组合物具有高强度且有较好的抗变形性;
17、作为所述的c组分其添加作用/目的是保证所得沥青组合物具有卓越的柔韧性;
18、作为所述的d组分其添加作用/目的是保证其与a组分、b组分及c组分的混合物反应使所得沥青组合物具有高强、高韧及快速修复的特性。
19、据本发明目的的第一方面的任一实施方案,所述环氧树脂包括双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂、二聚酸改性环氧树脂、高韧性改性环氧树脂中的任意一种或者两种的混合。
20、据本发明目的的第一方面的任一实施方案,a组分中,所述环氧树脂包括双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂中的任意一种或者两种的混合。
21、优选地,所述环氧树脂为双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂中的任意一种或者两种的混合。
22、据本发明目的的第一方面的任一实施方案,b组分中,所述环氧树脂包括双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂中的任意一种或者两种的混合。
23、优选地,所述环氧树脂为双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂中的任意一种或者两种的混合。
24、据本发明目的的第一方面的任一实施方案,b组分中,所述胺类固化剂包括酰胺基固化剂和聚醚胺固化剂。
25、优选地,所述胺类固化剂由酰胺基固化剂和聚醚胺固化剂构成;其中,
26、酰胺基固化剂2~5质量份,聚醚胺固化剂2~7质量份。
27、据本发明目的的第一方面的任一实施方案,c组分中,所述环氧树脂包括聚氨酯改性环氧树脂、为双酚f型环氧树脂、二聚酸改性环氧树脂、高韧性改性环氧树脂中的任意一种或者两种的混合;
28、优选地,所述环氧树脂包括聚氨酯改性环氧树脂、高韧性改性环氧树脂;与此同时,还包括双酚f型环氧树脂、二聚酸改性环氧树脂中的任意一种或者两种的混合;
29、其中,
30、所述聚氨酯改性环氧树脂3~10质量份;
31、高韧性改性环氧树脂1~2质量份;
32、剩余树脂30~50质量份。
33、进一步优选地,所述环氧树脂为聚氨酯改性环氧树脂、高韧性改性环氧树脂以及以下树脂中的任意一种或者两种的混合:双酚f型环氧树脂、二聚酸改性环氧树脂;
34、其中,
35、所述聚氨酯改性环氧树脂3~10质量份;
36、高韧性改性环氧树脂1~2质量份;
37、剩余树脂30~50质量份。
38、作为所述的高韧性改性环氧树脂要求其为经过韧性改性过的特种环氧树脂材料、丁腈橡胶增韧改性的液体环氧树脂或特种聚氨酯改性的液体环氧树脂,这些高韧性改性环氧树脂的主要特征就是具有较好的变形性且强度降低较小、粘度较大;例如美国亨斯迈公司、日本艾迪科等的ctbn改性环氧树脂或聚丁二烯改性环氧树脂等。
39、据本发明目的的第一方面的任一实施方案,d组分中,所述胺类固化剂包括酰胺基固化剂和聚醚胺固化剂中的任意一种或者两种的混合。
40、优选地,所述胺类固化剂由酰胺基固化剂和聚醚胺固化剂中的任意一种或者两种的混合构成。
41、据本发明目的的第一方面的任一实施方案的沥青组合物,其包括以下原料组分:
42、a组分:沥青改性剂a、沥青3~13质量份;
43、所述沥青改性剂a:环氧树脂30~50质量份,环氧树脂活性稀释剂5~10质量份,马来酸酐型sebs改性剂0.1~1.5质量份;
44、所述环氧树脂由双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂中的一种或两种混合;
45、b组分:沥青改性剂b、沥青5~25质量份;
46、所述沥青改性剂b:环氧树脂50~90质量份,环氧树脂稀释剂5~20质量份,酰胺基固化剂2~5质量份,聚醚胺固化剂2~7质量份,固化促进剂1~3质量份,乙酸醋酸乙酯(eva)0.3~4质量份;
47、所述环氧树脂由双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂中的一种或两种混合;
48、c组分:沥青改性剂c、沥青5~25质量份;
49、沥青改性剂c:聚氨酯改性环氧树脂3~10质量份,环氧树脂a 30~50质量份,二聚酸缩水甘油酯5~15质量份,高韧性改性环氧树脂1~2质量份,酰胺基固化剂5~10质量份;
50、所述环氧树脂a由双酚f型环氧树脂、二聚酸改性环氧树脂中的一种或两种混合;
51、d组分:沥青改性剂d、沥青5~75质量份;
52、沥青改性剂d:胺类固化剂40~70质量份,固化促进剂1~5质量份,脱硫胶粉1~6质量份,环氧树脂活性稀释剂2~5质量份。
53、据本发明目的的第一方面的任一实施方案,所述的环氧树脂活性稀释剂包括单环氧基缩水甘油醚、双环氧基缩水甘油醚、三环氧基缩水甘油醚中的一种或两种以上的混合物。
54、作为所述的单环氧基缩水甘油醚可以举出例如:c12-14脂肪缩水甘油醚、新癸酸缩水甘油醚、腰果油改性单缩水甘油醚等中的一种或两种以上的混合物;
55、作为所述的双环氧基缩水甘油醚可以举出例如:乙二醇二缩水甘油醚、1,6-己二醇二缩水甘油醚、聚乙二醇缩水甘油醚、聚丙二醇缩水甘油醚、新戊二醇缩水甘油醚、1,4-丁二醇缩水甘油醚等中的一种或两种以上的混合物;
56、作为所述的三环氧基缩水甘油醚可以举出例如:三羟甲基丙烷缩水甘油醚、蓖麻油聚缩水甘油醚等中的一种或两种以上的混合物。
57、据本发明目的的第一方面的任一实施方案,所述的固化促进剂包括胺类促进剂、咪唑及其盐促进剂中的一种或一种以上的混合物。
58、据本发明目的的第一方面的任一实施方案,所述a组分、b组分与c组分按照(20-30):(33-45):(25-40)的质量比进行添加,形成所述e组分的原料组分。
59、关于a组分、b组分与c组分的添加质量比:
60、优选为,所述a组分、b组分与c组分按照(23-30):(38-45):(26-34)的质量比进行添加,形成所述e组分的原料组分;
61、进一步优选,所述a组分、b组分与c组分按照(25-30):(39-44):(28-33)的质量比进行添加,形成所述e组分的原料组分;
62、最佳优选,所述a组分、b组分与c组分按照(26-30):(40-44):(29-33)的质量比进行添加,形成所述e组分的原料组分。
63、据本发明目的的第一方面的任一实施方案,所述e组分与d组分按照(0.7-1):(0.7-4.2)的质量比进行添加。
64、关于e组分与f组分的添加质量比:
65、优选为,所述e组分与f组分按照(0.7-1):(1-4.2)的质量比进行添加;
66、进一步优选,所述e组分与f组分按照(0.8-1):(1.2-3.5)的质量比进行添加;
67、更佳优选,所述e组分与f组分按照(0.9-1):(1.2-3.4)的质量比进行添加
68、最佳优选,所述e组分与f组分按照1:(1.2-3.4)的质量比进行添加。
69、本发明第二方面提供了一种沥青组合物的制备方法,所述沥青组合物如本发明目的的第一方面的任一实施方案所述;所述制备方法包括步骤1)~6):
70、1)将含有所述a组分的环氧树脂、环氧树脂活性稀释剂进行热混匀处理一;然后与经过预热处理的沥青、马来酸酐接枝sebs改性剂进行热混匀处理二;所述预热处理的温度大于所述热混匀处理一的温度;
71、2)将含有所述b组分的环氧树脂、环氧树脂稀释剂、固化剂进行热混匀处理一;然后与经过预热处理的所述沥青、乙酸醋酸乙酯进行热混匀处理二;所述预热处理的温度大于所述热混匀处理一的温度;
72、3)将含有所述c组分的沥青改性剂c原料进行热混匀处理一;然后与经过预热处理的沥青进行热混匀处理二;所述预热处理的温度大于所述热混匀处理一的温度;
73、4)将含有所述d组分的沥青改性剂d原料进行热混匀处理一;然后与经过预热处理的沥青进行热混匀处理二;所述预热处理的温度大于所述热混匀处理一的温度;
74、5)将含有所述步骤1)~3)中的产物进行热混匀处理;
75、6)将含有所述步骤4)、步骤5)中的产物进行混匀处理,得到所述沥青组合物;
76、其中,所述步骤6)中的混匀处理温度小于所述步骤1)~5)中任一所述的热混匀处理的温度。
77、在此需要说明的是,所述步骤1)~4)没有强制性的先后顺序。
78、作为所述的步骤1)~3)分别针对a组分、b组分、c组分进行预处理后,再进行步骤5)混合的作用/目的是保证实现本发明的沥青组合物同时具有高强、高韧、快速修复的材料特性;即通过各组分功能的设计,由各组分(b组分、c组分)自行发生化学反应后达到环氧树脂和沥青组合物改性,进一步的上述组分反应后的产物及a组分与d组分预处理后的产物反应后实现高强、高韧、快速固化的功能,从而达到保证本沥青组合物同时具有高强、高韧、快速修复特性的目标;
79、作为所述的步骤4)先针对d组分进行预处理后,再进行步骤6)混合的作用/目的是通过各组分功能的设计,使得d组分预处理后的产物具有较好的低温柔韧性,b组分、c组分自行发生化学反应后获得的改性环氧树脂和沥青的混合物,由上述组分反应后的产物及a组分与d组分预处理后的产物反应实现本发明的沥青组合物的低温柔韧性功能;需指出的是,直接将a组分、b组分、c组分、e组分混合,进行热搅拌处理得到沥青组合物,无法保证本发明的沥青组合物同时具有高强、高韧、快速修复特性,也难以控制本发明沥青组合物的反应速度(施工可操作性)。
80、据本发明目的的第二方面的任一实施方案,步骤1)中,所述的热混匀处理一包括条件如下:温度50~90℃,转速搅拌70-150rpm,处理时间5~30分钟(简写为min);
81、关于所述的热混匀处理一包括的条件:
82、优选为,所述温度为52-85℃,转速搅拌为70-130rpm,处理时间为7-27min;
83、进一步优选,所述温度为52-75℃,转速搅拌为70-120rpm,处理时间为10-25min;
84、最佳优选,所述温度为55-70℃,转速搅拌为70-105rpm,处理时间为10-20min。
85、据本发明目的的第二方面的任一实施方案,步骤1)中,所述的预热处理,其温度为120-140℃,优选温度为125-135℃。
86、据本发明目的的第二方面的任一实施方案,步骤1)中,所述的热混匀处理二包括条件如下:提供50~90℃的温度氛围,以70-150rpm的转速搅拌,处理时间1.5~5小时(简写为h);
87、关于所述的热混匀处理二包括的条件:
88、优选为,所述氛围的温度为52-85℃,转速搅拌为70-130rpm,处理时间为1.5-4.5h;
89、进一步优选,所述氛围的温度为52-75℃,转速搅拌为70-120rpm,处理时间为1.5-3.5h;
90、最佳优选,所述氛围的温度为55-70℃,转速搅拌为70-105rpm,处理时间为2.0-3.5h。
91、据本发明目的的第二方面的任一实施方案,步骤2)中,所述的热混匀处理一包括条件如下:温度60~90℃,转速搅拌50-100rpm,处理时间1h~2.5h。
92、关于所述的热混匀处理一包括的条件:
93、优选为,所述温度为60-88℃,转速搅拌为60-100rpm,处理时间为1.0-2.3h;
94、进一步优选,所述温度为60-86℃,转速搅拌为62-100rpm,处理时间为1.0-2.2h;
95、最佳优选,所述温度为60-85℃,转速搅拌为70-100rpm,处理时间为1.0-2.1h。
96、据本发明目的的第二方面的任一实施方案,步骤2)中,所述的预热处理,其温度为120-140℃,优选温度为125-135℃。
97、据本发明目的的第二方面的任一实施方案,步骤2)中,所述的热混匀处理二包括条件如下:提供60~90℃的温度氛围,以50-100rpm的转速搅拌,处理时间2h~4h。
98、关于所述的热混匀处理二包括的条件:
99、优选为,所述氛围的温度为60-88℃,转速搅拌为55-100rpm,处理时间为2.5-4.0h;
100、进一步优选,所述氛围的温度为60-86℃,转速搅拌为60-100rpm,处理时间为2.5-3.5h;
101、最佳优选,所述氛围的温度为60-85℃,转速搅拌为65-100rpm,处理时间为2.5-3.5h。
102、据本发明目的的第二方面的任一实施方案,步骤3)中,所述的热混匀处理一包括条件如下:温度60~90℃,转速搅拌50-100rpm,处理时间1.5h~3.5h。
103、关于所述的热混匀处理一包括的条件:
104、优选为,所述温度为62-90℃,转速搅拌为55-100rpm,处理时间为1.8-3.5h;
105、进一步优选,所述温度为62-85℃,转速搅拌为60-100rpm,处理时间为1.8-3.2h;
106、最佳优选,所述温度为65-85℃,转速搅拌为70-100rpm,处理时间为2.0-3.0h。
107、据本发明目的的第二方面的任一实施方案,步骤3)中,所述的预热处理,其温度为120-140℃,优选温度为125-135℃。
108、据本发明目的的第二方面的任一实施方案,步骤3)中,所述的热混匀处理二包括条件如下:提供60~90℃的温度氛围,以50-100rpm的转速搅拌,处理时间2.5h~4h。
109、关于所述的热混匀处理二包括的条件:
110、优选为,所述氛围的温度为62-90℃,转速搅拌为58-100rpm,处理时间为2.8-4.0h;
111、进一步优选,所述氛围的温度为62-85℃,转速搅拌为60-95rpm,处理时间为3.0-4.0h;
112、最佳优选,所述氛围的温度为65-85℃,转速搅拌为65-90rpm,处理时间为3.0-4.0h。
113、据本发明目的的第二方面的任一实施方案,步骤4)中,所述的热混匀处理一包括条件如下:温度60~90℃,转速搅拌60-100rpm,处理时间2h~4h。
114、关于所述的热混匀处理一包括的条件:
115、优选为,所述温度为60-88℃,转速搅拌为60-95rpm,处理时间为2.1-3.8h;
116、进一步优选,所述温度为60-85℃,转速搅拌为60-90rpm,处理时间为2.1-3.5h;
117、最佳优选,所述温度为60-80℃,转速搅拌为65-90rpm,处理时间为2.5-3.5h。
118、据本发明目的的第二方面的任一实施方案,步骤4)中,所述的预热处理,其温度为120-140℃,优选温度为125-135℃。
119、据本发明目的的第二方面的任一实施方案,步骤4)中,所述的热混匀处理二包括条件如下:提供60~90℃的温度氛围,以60-100rpm的转速搅拌,处理时间2h~5h。
120、关于所述的热混匀处理二包括的条件:
121、优选为,所述氛围的温度为60-88℃,转速搅拌为55-100rpm,处理时间为2.5-4.5h;
122、进一步优选,所述氛围的温度为60-85℃,转速搅拌为60-95rpm,处理时间为2.5-4.0h;
123、最佳优选,所述氛围的温度为60-80℃,转速搅拌为65-95rpm,处理时间为2.5-3.5h。
124、如在此所述的“提供一定℃的温度氛围”,是指在满足“一定℃的温度”的空间内进行所述的“热混匀处理二”操作,而并非的针对所述的“热混匀处理二”的操作对象本身的温度要求。
125、据本发明目的的第二方面的任一实施方案,步骤5)中,所述的热混匀处理包括条件如下:温度60~90℃,转速搅拌40-100rpm,处理时间1h~3.5h。
126、关于所述的热混匀处理包括的条件:
127、优选为,所述温度为60-85℃,转速搅拌为50-95rpm,处理时间为1.5-3.5h;
128、进一步优选,所述温度为60-85℃,转速搅拌为60-95rpm,处理时间为2.0-3.5h;
129、最佳优选,所述温度为60-80℃,转速搅拌为65-90rpm,处理时间为2.5-3.5h。
130、据本发明目的的第二方面的任一实施方案,步骤6)中,所述的混匀处理包括条件如下:温度5~50℃,转速搅拌为5-60rpm,处理时间为30~60秒(简写为s);
131、关于所述的热混匀处理包括的条件:
132、优选为,所述温度为0-50℃,转速搅拌为5-55rpm,处理时间为3--60s;
133、进一步优选,所述温度为5-45℃,转速搅拌为10-55rpm,处理时间为5-60s;
134、最佳优选,所述温度为10-45℃,转速搅拌为15-50rpm,处理时间为10-60s。
135、本发明第三方面提供了一种含有沥青的混合料(也称沥青混合物),所述沥青混合料包括原料组分:沥青组合物、集料;
136、所述沥青组合物为本发明第一方面的任一实施方案所提供的沥青组合物,或者本发明第二方面的任一实施方案所述方法制备得到的沥青组合物。
137、作为所述的集料,其添加目的主要是增加沥青混合料抵抗荷载的能力、减少沥青用量、降低造价,基于此,要求其满足《公路沥青路面施工技术规范》(jtg f40 2017)中关于沥青混合料合成级配的相关要求。通常,沥青上面层使用玄武岩、辉绿岩等耐磨、抗压强度高的集料,沥青中下面层主要采用石灰岩等集料。
138、据本发明目的的第三方面的任一实施方案,所述集料与所述沥青组合物的添加质量比为10~30。
139、关于所述集料与所述沥青组合物的添加质量比:
140、优选为,所述集料与沥青组合物添加质量比为12-28;
141、进一步优选,所述集料与沥青组合物添加质量比为15-25;
142、最佳优选,所述集料与沥青组合物添加质量比为17-23。
143、据本发明目的的第三方面的任一实施方案,按照质量份计算,所述集料的添加份数为92.5~96.5份;所述沥青混合物的添加份数为3.5~7.5份;
144、优选为,所述集料与沥青组合物添加质量比为(91-96.5):(3.5-9);
145、进一步优选,所述集料与沥青组合物添加质量比为(92.5-95.5):(4.5-7.5);
146、最佳优选,所述集料与沥青组合物添加质量比为(93-95.5):(4.5-7.0)。
147、据本发明目的的第三方面的任一实施方案,所述集料包括粗集料、细集料、矿粉;所述粗细集料、矿粉的添加质量比的确定,采用马歇尔设计法进行设计得到相应的粗细集料、矿粉的添加质量比;
148、本发明第四方面提供了一种沥青混合物的制备方法,包括步骤:
149、s1.提供含有本发明第一方面的任一实施方案所提供的沥青组合物,或者本发明第二方面的任一实施方案所述方法制备得到的沥青组合物
150、提供集料;
151、s2.使所述含有沥青组合物、集料的原料组分进行混合。
152、据本发明目的的第四方面的任一实施方案,所述s2.中进行混合处理的条件包括:温度0~50℃,转速10-40rpm,时间60s-90s。
153、本发明第五方面提供了一种利用沥青混合物进行的冷铺施工工艺,包括步骤:
154、提供所述沥青混合料;
155、对所述沥青混合料进行摊铺、成型;
156、成型后进行养护处理;其中,所述气候温度为0~50℃,时间为1~6h;
157、其中,所述沥青混合物为本发明第三方面的任一实施方案所提供的沥青混合物,或者本发明第四方面的任一实施方案所述方法制备得到的沥青混合物。