干法与湿法相结合制备复合改性橡胶沥青混合料的方法.pdf

本发明涉及一种可用于重载交通和高温条件下桥面铺装的复合改性橡胶沥青混合料的制备方法。该方法是将10～23％的轮胎橡胶粉，加入到77～90％道路石油沥青中，配制成橡胶沥青；然后将100份的矿质集料加热到160～200℃，将0.2～0.8份PE加入到矿质集料中，再加入6.5～11质量份所制备的橡胶沥青。该方法有效地避免了湿法复合改性工艺的两大弊病。在充分分散PE的前提下，整个胶结料生产和混合料拌合过程中，无须进行大的设备改造和显著的工艺调整，只需要增加拌合过程中的干法PE改性颗粒添加程序。由于不需要改变橡胶沥青配方，在获得较高高温稳定性的同时，混合料的低温和常温性能没有遭到损害。

1、  一种干法与湿法相结合制备复合改性橡胶沥青混合料的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)以橡胶沥青质量百分比计，将10～23％的轮胎橡胶粉，加入到77～90％道路石油沥青中，在180℃～200℃温度和搅拌条件下，反应45～120分钟，配制成橡胶沥青；所述沥青为普通道路石油沥青；
(2)将94～100质量份的矿质集料中的石料加热到160～200℃，然后将0.2～0.8份熔融指数大于10g/10min，(190℃，2.16kg)的PE加入到石料中，搅拌均匀；所述的石料为符合表1的级配要求的规格石料；
             表1  沥青混合料级配要求(通过率，％)

(3)在步骤(2)所得混合物料中，加入6.5～11质量份步骤(1)所制备的橡胶沥青，搅拌均匀，即制得复合改性橡胶沥青混合料。

2、  根据权利要求1所述干法与湿法相结合制备复合改性橡胶沥青混合料的方法，其特征在于，所述步骤(3)为在步骤(2)所得混合物料中，加入6.5～11质量份步骤(1)所制备的橡胶沥青，搅拌均匀后，再加入0～6质量份矿质集料中的矿质或水泥填料，搅拌均匀，最后制得复合改性橡胶沥青混合料，所述填料符合交通部标准JTG F40-2004(P.21)技术要求。

3、  根据权利要求1所述干法与湿法相结合制备复合改性橡胶沥青混合料的方法，其特征在于，所述步骤(1)的橡胶为回收轮胎破碎并去除钢丝和纤维后的粉末，粉末粒度为10目～80目，橡胶烃含量为42～65％，丙酮抽提物为6～16％，灰分含量不高于8％。

干法与湿法相结合制备复合改性橡胶沥青混合料的方法
                               技术领域
本发明专利涉及公路铺面材料技术，具体是一种可用于重载交通和高温条件下桥面铺装的复合改性橡胶沥青混合料的制备方法。
                               背景技术
按照美国材料与测试协会标准(ASTM D 6114-97)的定义，橡胶沥青是指含量15％以上的轮胎橡胶粉在高温和充分拌合的条件下(180℃以上)与沥青熔胀反应得到的改性沥青胶结材料。由于熔胀后的橡胶颗粒体积比例可以达到40％，橡胶沥青及其混合料都能够显现硫化橡胶的特性，低温变形能力、路面在常温以下温度的柔韧性得到显著提高，加上轮胎抗老化能力的传递，是非常理想的长寿命路面、抗反射裂缝路面、薄层罩面和大变形路面的理想材料。而且由于采用回收轮胎作为改性主材，相比于苯乙烯—丁二烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青具有成本优势。但是，纯轮胎橡胶配方的橡胶沥青，在高温稳定性上，如动稳定度，还存在不足。在道路交通超载超限还难以避免的情况下，这将严重影响了橡胶沥青在重载交通主干线、高温环境下，如桥面铺装的应用。
聚乙烯(PE)作为低成本道路沥青改性剂，原料来源充分，价格相对SBS要低廉很多。如果采用回收PE，与橡胶沥青一样，是符合道路材料低值大量特征和节约型社会建设目标的应用方向。PE改性沥青在提高路面高温稳定性方面的效力是公认的，但是，低温性能和存储稳定性方面一直没有得到铺面工业界和技术界的认可，因而没有得到规模化的应用。
同时提升胶结料在高温和低温端的性能，一直是公路铺面材料技术领域追求的目标，橡胶沥青和聚乙烯复合改性是理想途径。但如果单纯采用湿法工艺，即在橡胶沥青加工过程中直接加入PE，来进行复合改性，这将带来两大问题：一是PE分散需要剪切机作用，而橡胶沥青加工只需要搅拌混合，不希望颗粒破碎，两种改性剂改性工艺发生矛盾；二是橡胶沥青本身的粘度已经接近管路输送能力的极限，如果湿法工艺同时掺加PE，势必因粘度过大导致胶结料生产、输送管路和拌合装备的较大规模改造，或者，为了避免粘度过大，必须降低橡胶粉的含量(约需降低30～50％)。正因为存在这些技术问题，尚未有有效的解决方法报道。
                               发明内容
本发明专利的目的在于结合在低温下橡胶沥青和PE改性道路沥青在高温性能的优势，而克服其不足，提供一种复合改性橡胶沥青混合料铺装材料，在不增加施工工作难度的前提下，该混合料能够同时达到橡胶沥青混合料在常温、低温端的性能表现和PE改性沥青混合料在高温端的性能表现。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种干法与湿法相结合制备复合改性橡胶沥青混合料的方法，包括如下步骤：
(1)以橡胶沥青质量百分比计，将10～23％的轮胎橡胶粉，加入到77～90％道路石油沥青中，在180℃～200℃温度和搅拌条件下，反应45～120分钟，配制成橡胶沥青；所述沥青为普通道路石油沥青；
(1)以橡胶沥青质量百分比计，将10～23％的轮胎橡胶粉，加入到77～90％道路石油沥青中，在180℃～200℃温度和搅拌条件下，反应45～120分钟，配制成橡胶沥青；所述的橡胶优选回收轮胎破碎并去除钢丝和纤维后的粉末，粉末粒度为10目～80目，橡胶烃含量为42～65％，丙酮抽提物为6～16％，灰分含量不高于8％；所述沥青为普通道路石油沥青；
(2)将94～100质量份的矿质集料中的石料加热到160～200℃，然后将0.2～0.8份熔融指数大于10g/10min，(190℃，2.16kg)的PE加入到石料中，搅拌均匀；所述的石料为符合表1的级配要求的规格石料；
                                     表1  沥青混合料级配要求(通过率，％)

(3)在步骤(2)所得混合物料中，加入6.5～11质量份步骤(1)所制备的橡胶沥青，搅拌均匀，即制得复合改性橡胶沥青混合料。
所述步骤(3)为在步骤(2)所得混合物料中，加入6.5～11质量份步骤(1)所制备的橡胶沥青，搅拌均匀后，优选再加入0～6质量份矿质集料中的矿质或水泥填料，搅拌均匀，最后制得复合改性橡胶沥青混合料，所述填料符合交通部标准JTG F40-2004(P.21)技术要求。填料的主要作用为胶结料稳定剂或者是提高混合料水稳定性。
上述制备方法中，沥青是本发明复合改性橡胶沥青混合料的主要胶结料，为普通道路石油沥青，符合交通部标准JTG F40-2004要求。橡胶在混合料中的主要作用是夺取沥青中的低软化点成分，提高胶结料高温稳定性，同时，显著降低混合料低温模量，提高低温变形能力和抗疲劳能力。PE为熔体流动性好的PE或回收PE颗粒，PE分散在沥青胶结料中，能够显著提高沥青的软化点，从而显著提高混合料的抗高温变形能力(动稳定度)。
矿质集料一般包括石料和矿质或水泥填料，也可以不含矿质或水泥填料，其石料是混合料的骨架成分，提供路面承受荷载的骨架支撑。矿质集料为符合JTG F40-2004规格要求并配制成的符合表1间断级配范围要求的级配矿料。该两个级配是在美国亚利桑那州标准(StandardSpecifications for Road and Bridge Construction，ADOT)两种橡胶沥青专用级配基础上，参考我国交通部标准，且局部范围有所扩大而成。表1中，间断级配是类似于SMA(沥青玛蹄脂碎石)的骨架密实结构，表面构造基本相同，但由于粉料含量相对少，胶结料用量和VMA(矿料间隙率)高于SMA。开级配混合料可以形成连通空隙，具有很好的排水和降噪功能，同时，由于橡胶沥青混合料胶结料用量显著提高，使用寿命较普通开级配显著延长。表1中级配要求控制的筛孔尺寸为16.0、13.2、9.5、4.75、2.36和0.075mm六档，其中0.075mm通过率要求实际对填料掺量构成控制，一般情况下，0.075mm通过率要控制在0-6％范围内，填料添加量在0～4％之间。
本发明是一种干法与湿法结合制备复合改性橡胶沥青混合料的方法。其“湿法”工艺是指用改性剂(橡胶粉、PE等)首先与沥青复合获得新的胶结料，复合橡胶沥青再与集料拌合获得混合料的工艺。本发明中“干法”工艺指混合料拌制过程中，PE改性剂先于胶结料与集料预拌完成分散，在随后的拌合过程中，橡胶沥青夺取依附在集料表面并已经充分分散的PE，从而实现PE对橡胶沥青中自由沥青组分的改性作用。所制得的复合改性橡胶沥青混合料试件的目标空隙率为4.5~6.5％，胶结料用量范围为6.5~11质量份。
PE干法改性颗粒常温为固态，颗粒不发生互相粘连。在与热集料拌合过程中，改性颗粒溶化并在集料表面形成薄膜，在拌合过程集料间的摩擦作用下，很好地完成PE的均匀分散。在高温状态下，橡胶沥青是由熔胀后的橡胶颗粒(体积比例约40％)和沥青含量高的自由沥青(体积比例约占60％)的混合物。橡胶沥青与集料的拌合过程中，由于橡胶沥青与PE地亲和力超过PE与集料的亲和力，橡胶沥青的自由沥青部分从集料表面夺取PE，胶结料实际成为了熔胀后的橡胶颗粒与高沥青质含量PE改性沥青的复合胶结料。熔胀后的橡胶颗粒，粒径接近1mm，同时仍然保持弹性，不易流动和产生永久形变；同时，自由沥青部分由于进行了干法PE改性，高温稳定性显著提高；加上橡胶沥青专用级配的集料骨架结构，该混合料的60℃动稳定度可以达到6000次/mm以上。仅PE改性的作用，就可以达到动稳定度增加3000次/mm左右的效果，而永久变形，也从单纯橡胶沥青混合料的2～3mm降低到1～2mm。该复合改性橡胶沥青混合料，可以满足重载交通和高温环境条件对路面材料的要求。
相对于现有技术，本发明具有如下特点：
本专利的复合改性工艺，有效地避免了湿法复合改性工艺的两大弊病。在充分分散PE的前提下，整个胶结料生产和混合料拌合过程中，无须进行大的设备改造和显著的工艺调整，只需要增加拌合过程中的干法PE改性颗粒添加程序。由于不需要改变橡胶沥青配方，在获得较高高温稳定性的同时，混合料的低温和常温性能没有遭到损害。
                             具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
实施例1：
干法与湿法相结合制备复合改性橡胶沥青混合料的方法，包括如下步骤：
(1)以橡胶沥青质量百分比计，将10％的轮胎橡胶粉，加入到90％道路石油沥青中，在180℃温度和搅拌的条件下，反应45分钟，配制成橡胶沥青；橡胶为回收货车轮胎破碎并去除钢丝和纤维后的粉末，粉末粒度为10目～40目，平均为粒径为20目，橡胶烃含量为60％，丙酮抽提物为7％，灰分含量为8％；沥青为50号道路石油沥青；
(2)以质量份数计，将96份的石料加热到160℃，然后将0.8份PE加入到矿质集料中，搅拌均匀；所述的石料符合表1间断级配要求，矿料筛分结果如表2；所述的PE为熔体流动性好的回收PE颗粒，其熔融指数为11g/10min(190℃，2.16kg)；
                                   表2  实施例1、2矿料级配(通过率，％)

(3)在步骤(2)所得混合物料中，加入8质量份步骤(1)所制备的橡胶沥青搅拌均匀，并加入4质量份矿质填料，搅拌均匀，最后制得复合改性橡胶沥青混合料，所述矿质填料符合交通部标准JTG F40-2004(P.21)技术要求。
所制备的复合改性橡胶沥青混合料性能测试结果如表7所示。
实施例2
干法与湿法相结合制备复合改性橡胶沥青混合料的方法，包括如下步骤：
(1)以橡胶沥青质量百分比计，将14％的轮胎橡胶粉，加入到86％道路石油沥青中，在180℃温度和搅拌的条件下，反应100分钟，配制成橡胶沥青；橡胶粉为轿车轮胎橡胶粉，丙酮抽提物含量13％，橡胶烃含量51％，灰分含量7％，平均粒度为20目(10目～40目之间)；沥青为70号道路石油沥青；制备的橡胶沥青177℃粘度为0.94Pa.s；
(2)以质量份数计，将96份的石料(符合表1间断级配要求，矿料筛分结果如表2)加热到170℃，然后将0.8份PE加入到石料中，搅拌均匀；所述的石料为符合交通部标准JTG F40-2004要求(P.17～22)的规格石料；所述的PE为熔体流动性好的回收PE颗粒，其熔融指数为11g/10min(190℃，2.16kg)；
(3)在步骤(2)所得混合物料中，加入6.5质量份步骤(1)所制备的橡胶沥青搅拌均匀后，再加入4质量份矿质填料，搅拌均匀，最后制得复合改性橡胶沥青混合料，所述矿质填料符合交通部标准JTG F40-2004(P.21)技术要求。
所制备的复合改性橡胶沥青混合料性能测试结果如表7所示。
实施例3
干法与湿法相结合制备复合改性橡胶沥青混合料的方法，包括如下步骤：
(1)以橡胶沥青质量百分比计，将18％的轮胎橡胶粉，加入到82％道路石油沥青中，在190℃温度和搅拌的条件下，反应90分钟，配制成橡胶沥青；橡胶粉为轿车轮胎橡胶粉，丙酮抽提物含量13％，橡胶烃含量51％，灰分含量7％，粒度为20目(10目～40目)；沥青为70号道路石油沥青；制备的橡胶沥青，177℃粘度为2.54Pa.s；
(2)以质量份数计，将99份的石料(符合表1间断级配要求，矿料筛分结果如表3)加热到170℃，然后将0.5份PE加入到矿质集料中，搅拌均匀；所述的矿质集料为符合交通部标准JTGF40-2004要求(P.17～22)的规格石料；所述的PE为熔体流动性好的回收PE颗粒，其熔融指数为15g/10min(190℃，2.16kg)；
                                表3  实施例3、对比例矿料级配(通过率，％)

(3)在步骤(2)所得混合物料中，加入8质量份步骤(1)所制备的橡胶沥青搅拌均匀后，再加入1质量份水泥填料，搅拌均匀，最后制得复合改性橡胶沥青混合料，所述水泥填料符合交通部标准JTG F40-2004(P.21)技术要求。
所制备的复合改性橡胶沥青混合料性能测试结果如表7所示。
实施例4
干法与湿法相结合制备复合改性橡胶沥青混合料的方法，包括如下步骤：
(1)以橡胶沥青质量百分比计，将20％的轮胎橡胶粉，加入到80％道路石油沥青中，在190℃温度和搅拌的条件下，反应120分钟，配制成橡胶沥青；橡胶粉为货车轮胎橡胶粉，丙酮抽提物含量7％，橡胶烃含量60％，灰分含量8％，粒度为20目(10目～40目)；沥青为90号道路石油沥青；制备的橡胶沥青，177℃粘度为4.1Pa.s；
(2)以质量份数计，将100份的石料(符合表1间断级配要求，矿料筛分结果如表4)加热到190℃，然后将0.5份PE加入到石料(石灰岩质)中，搅拌均匀；所述的矿质集料为符合交通部标准JTG F40-2004要求(P.17～22)的规格石料；所述的PE为熔体流动性好的回收PE颗粒，其熔融指数为15g/10min(190℃，2.16kg)；
                          表4  实施例4矿料级配(通过率，％)

(3)在步骤(2)所得混合物料中，加入10质量份步骤(1)所制备的橡胶沥青搅拌均匀后，制得复合改性橡胶沥青混合料，最后制得复合改性橡胶沥青混合料。
所制备的复合改性橡胶沥青混合料性能测试结果如表7所示。
实施例5
干法与湿法相结合制备复合改性橡胶沥青混合料的方法，包括如下步骤：
(1)以橡胶沥青质量百分比计，将23％的轮胎橡胶粉，加入到77％道路石油沥青中，在200℃温度和搅拌的条件下，反应90分钟，配制成橡胶沥青；橡胶粉为货车轮胎橡胶粉，丙酮抽提物含量7％，橡胶烃含量60％，灰分含量8％，粒度为40目(30目～80目之间)；沥青为110号道路石油沥青；制备的橡胶沥青，177℃粘度为4.98Pa.s；
(2)以质量份数计，将100份的石料加热到200℃，然后将0.2份PE加入到石料中，搅拌均匀；所述的石料为符合交通部标准JTG F40-2004要求(P.17～22)的规格石料；所述的PE为熔体流动性好的回收PE颗粒，其熔融指数为15g/10min(190℃，2.16kg)；石料符合表1“开级配”要求，矿料筛分结果如表5。
                          表5  实施例5矿料级配(通过率，％)

(3)在步骤(2)所得混合物料中，加入11质量份步骤(1)所制备的橡胶沥青搅拌均匀后，最后制得复合改性橡胶沥青混合料。
所制备的复合改性橡胶沥青混合料性能测试结果如表7所示。
实施例6
石料符合表1开级配”要求，矿料筛分结果如表6。橡胶沥青配方同实施例3，橡胶沥青掺加量为9质量份。矿质填料填加量为4％。其它同实施例5。所制备的复合改性橡胶沥青混合料性能见表7。
                        表6  实施例5矿料级配(通过率，％)

对比实施例
(1)以橡胶沥青质量百分比计，将18％的轮胎橡胶粉，加入到82％道路石油沥青中，在190℃温度和搅拌的条件下，反应90分钟，配制成橡胶沥青；橡胶粉为轿车轮胎橡胶粉，丙酮抽提物含量13％，橡胶烃含量51％，灰分含量7％，平均粒度为20目(10目～40目)；沥青为70号道路石油沥青；制备的橡胶沥青，177℃粘度为2.54Pa.s；
(2)以质量份数计，将100份的石料(符合表1间断级配要求，矿料筛分结果如表3)加热到170℃，加入8质量份步骤(1)所制备的橡胶沥青，搅拌均匀后，再加入水泥填料(3份，包含在100份矿料中)，搅拌均匀，最后制得复合改性橡胶沥青混合料，所述水泥填料须符合交通部标准JTG F40-2004(P.21)技术要求。
所制备的复合改性橡胶沥青混合料性能测试结果如表7所示。
表7表明，实施例1～6与现有技术相比，动稳定度有显著的增加，现有技术动稳定度为3120次/mm；而实施例1达到同时7530次/mm，最低的实施例5也达到5530次/mm，说明高温稳定性显著提高。同时，永久变形显著减少，由现有技术的2～3mm减少到1～2mm。因此，该复合改性橡胶沥青混合料，可以满足重载交通和高温环境条件对路面材料的要求。另一方面，在胶结料用量接近的前提下，与纯橡胶沥青混合料相比，VMA和饱和度水平接近，空隙率甚至有更低的趋势，表明PE干法添加工艺，没有给压实成型带来额外的负担，甚至还会稍微降低施工难度。
                                                      表7