CN106810126A - 一种基于石墨烯抗车辙剂的沥青混合料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯抗车辙剂的沥青混合料，包括矿料、石墨烯抗车辙剂、沥青及矿粉，该石墨烯抗车辙剂占该沥青混合料重量的0.2％～0.5％，该石墨烯抗车辙剂由以下组份制成：聚烯烃10～50份，热塑性弹性体乙烯基芳香烃-共轭二烯嵌段共聚物3～20份，石墨烯10～30份，界面活性剂1～5份，以上份数按重量计。本发明的石墨烯抗车辙剂中掺加石墨烯作为改性剂改性沥青，有利于抗车辙剂快速分散于沥青混合料中，在石墨烯与界面活性剂的双重作用下，加速抗车辙剂在沥青混合料中分散，减少拌合分散所需的时间；同时，由于界面作用，使沥青与矿料之间的界面能降低，更利于路面的压实，降低路面摊铺碾压过程中的推移、开裂等。本发明具有工艺简单、能耗较低、绿色环保及应用前景佳等特点。本发明还提供一种上述基于石墨烯抗车辙剂的沥青混合料的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及道路路面材料领域，特别是涉及一种基于石墨烯抗车辙剂的沥青混合料及其制备方法。
背景技术
高温车辙破坏是今后相当长时间内沥青路面早期破坏的首祸，其主要原因是由于中面层失稳造成的移动、推移所致。在沥青路面的早期损坏中尤其以高温车辙破坏最为突出，这主要归结于四方面的原因：
1)罕见的历史高温。如01年我国北方遇到50年罕见历史高温；02年南方遇到100年罕见历史高温。全球气候变暖的趋势可能导致以后历史罕见的高温接踵而至。
2)超载重载的交通状况愈演愈烈。现在实行的计重收费实际表明了交通部门对超载重载交通状况的无奈和默许。
3)高速公路的渠化交通特点和山区高速公路不可避免的长大纵坡特点加剧了车辙。
4)《沥青路面设计规范JTJ 014-97》强调必须有一层悬浮密实的Ⅰ型结构防水，导致顾此失彼，车辙加剧。
为了解决以上问题，常用的解决车辙的方案有三种：
一是级配改良。级配改良不好的话可能提高了抗车辙性能，而产生了水损坏。
二是沥青改性。沥青改性的效果比较好，但存在沥青与改性剂的相容性问题，为了达到更高的抗车辙性能，需要高剂量的改性剂，而高剂量的改性剂难以在沥青中分散均匀，而且在运输途中和储存过程中会出现改性剂与沥青的分层离析，其性能反而不如基质沥青。另外存在成本较高的问题。
三是纤维增强。纤维增强的效果较好，同样要达到更高的抗车辙性能时，需要高掺量的纤维，而高掺量的纤维难以在沥青混合料中分散均匀，分散不均匀的纤维沥青混合料不仅起不到增强作用，反而使结构疏松强度降低。
目前，改性沥青的研究大多采用聚合物作为车辙改性剂，对沥青性能的改善有限。现阶段的车辙改性剂在实际拌合生产中一般需要延长拌合时间10-15s，较大影响了生产效率，此外，普通车辙改性剂制备的沥青混合料在摊铺碾压过程中容易出现推移、开裂等问题，不利于碾压压实。
石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，通常包括单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、多层或厚层石墨烯及经过处理得到的氧化石墨烯。
单层石墨烯：指由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。
双层石墨烯：指由两层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。
少层石墨烯：指由3-10层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛，ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。
多层或厚层石墨烯：指厚度在10层以上10nm以下苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛，ABA堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。
氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米，因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯的分子式：
石墨烯具有高强度、高导热、高导电和耐热性，而且石墨烯具有强度极高的纳米二维结构，其各向异性结构在液状体系中能形成交叉网状结构，使得体系整体稳定性显著增强。
现阶段的车辙改性剂在实际拌合生产中一般需要延长拌合时间10-15s，较大影响了生产效率，此外，车辙改性剂制备的沥青混合料在摊铺碾压过程中容易出现推移、开裂等问题，不利于碾压压实。
发明内容
本发明的目的是为了克服上面所述的缺陷，提供一种基于石墨烯抗车辙剂的沥青混合料。
为了解决上面所述的技术问题，本发明采取以下技术方案：
本发明采用的技术方案为：一种基于石墨烯抗车辙剂的沥青混合料，包括矿料、石墨烯抗车辙剂、沥青及矿粉，所述石墨烯抗车辙剂占所述沥青混合料重量的0.2％～0.5％，所述石墨烯抗车辙剂由以下组份制成：聚烯烃10～50份，热塑性弹性体乙烯基芳香烃-共轭二烯嵌段共聚物3～20份，石墨烯10～30份，界面活性剂1～5份，以上份数按重量计。
优选地，所述聚烯烃为PE、PP、EVA、APP、APAO、POE、HDPE、LDPE及LLDPE中的一种或几种。
优选地，所述热塑性弹性体乙烯基芳香烃-共轭二烯嵌段共聚物为SBS、SIS、SEBS及SEPS中的一种或多种。
优选地，所述石墨烯为单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯及氧化石墨烯中的一种或几种。
优选地，所述界面活性剂为两性离子型表面活性剂，所述两性离子型表面活性剂为烷基咪唑啉型卤化物酸盐或烷基甜菜碱卤化物酸盐中的一种或几种。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：一种基于石墨烯抗车辙剂的沥青混合料的制备方法，其步骤如下：
1)将矿料加热至170-180℃，并放入拌合器中；
2)将相当于沥青混合料重量0.2％-0.5％的抗车辙剂加入拌合器中，干拌80s；
3)加入165-175℃的沥青，继续拌合80s；
4)加入矿粉继续拌合90s。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的交通用石墨烯抗车辙剂掺加石墨烯作为改性剂改性沥青，由于石墨烯具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布，如同界面活性剂一般存在界面，能降低界面间的能量，并配合界面活性剂复配，有利于抗车辙剂快速分散于沥青混合料中，在石墨烯与界面活性剂的双重作用下，加速抗车辙剂在沥青混合料中分散，减少拌合分散所需的时间，提高拌合站的生产效率，降低生产成本；同时，由于界面作用，使沥青与矿料之间的界面能降低，更利于路面的压实，降低路面摊铺碾压过程中的推移、开裂等。本发明具有工艺简单、能耗较低、绿色环保及应用前景佳等特点。
具体实施方式
本发明提供一种基于石墨烯抗车辙剂的沥青混合料，包括矿料、石墨烯抗车辙剂、沥青及矿粉，石墨烯抗车辙剂占所述沥青混合料重量的0.2％～0.5％，石墨烯抗车辙剂由以下组份制成：聚烯烃10～50份，热塑性弹性体乙烯基芳香烃-共轭二烯嵌段共聚物3～20份，石墨烯10～30份，界面活性剂1～5份，以上份数按重量计。
聚烯烃为PE、PP、EVA、APP、APAO、POE、HDPE、LDPE及LLDPE中的一种或几种。
热塑性弹性体乙烯基芳香烃-共轭二烯嵌段共聚物为SBS、SIS、SEBS及SEPS中的一种或多种。
石墨烯为单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯及氧化石墨烯中的一种或几种。
界面活性剂为两性离子型表面活性剂，两性离子型表面活性剂为烷基咪唑啉型卤化物酸盐或烷基甜菜碱卤化物酸盐中的一种或几种。
另外，本发明还提供一种上述的基于石墨烯抗车辙剂的沥青混合料的制备方法，其步骤如下：
1)将矿料加热至170-180℃，并放入拌合器中；
2)将相当于矿料重量0.2％-0.5％的抗车辙剂加入拌合器中，干拌80s；
3)加入165-175℃的沥青，继续拌合80s；
4)加入矿粉继续拌合90s。
下列通过给出的本发明的具体实施例及对比例将进一步清楚地了解本发明，但它们不是对本发明的限定。
实施例1：
石墨烯抗车辙剂的制备过程如下：
(a)按重量份分别称取10份PE及20份SBS；在转速为15r/min条件下，将PE和SBS混合均匀；
(b)将步骤(a)得到的混合物在8min内升温至80℃，加入5份C18烷基咪唑啉卤化物磷酸钾；接着升温至150℃，加入30份单层石墨烯，最后在5min内升温至200℃；
(c)将步骤(b)所得的混合物通过双螺杆挤出机挤塑成型，制得成品，同时装桶以备用。
沥青混合料的制备工艺如下：
1)将矿料加热至170-180℃，并放入拌合器中；
2)将相当于矿料重量0.5％的石墨烯抗车辙剂加入拌合器中，干拌80s；
3)加入165℃的沥青，继续拌合80s；
4)加入矿粉继续拌合90s。
将所得沥青混合料分别进行沥青混合料的马歇尔残留稳定度试验、冻融裂强比试验、车辙动稳定度试验及低温弯曲试验，试验结果见表2。
实施例2：
石墨烯抗车辙剂的制备过程如下：
(a)按重量份分别称取30份PE、10份APP、5份LDPE、5份EVA及3份SEBS；在转速为15r/min条件下，将上述物料混合均匀；
(b)将步骤(a)得到的混合物在12min内升温至80℃，加入3份烷基酰胺丙基甜菜碱卤化物磷酸钾；接着升温至150℃，加入10份氧化石墨烯，最后在3min内升温至200℃；
(c)将步骤(b)所得的混合物通过双螺杆挤出机挤塑成型，制得成品，同时装桶以备用。
沥青混合料的制备工艺如下：
1)将矿料加热至170-180℃，并放入拌合器中；
2)将相当于矿料重量0.2％的石墨烯抗车辙剂加入拌合器中，干拌80s；
3)加入175℃的沥青，继续拌合80s；
4)加入矿粉继续拌合90s。
将所得沥青混合料分别进行沥青混合料的马歇尔残留稳定度试验、冻融裂强比试验、车辙动稳定度试验及低温弯曲试验，试验结果见表2。
实施例3：
石墨烯抗车辙剂的制备过程如下：
(a)按重量份分别称取20份PE，10份LDPE、5份EVA及15份SBS；在转速为25r/min条件下，将上述物料混合均匀；
(b)将步骤(a)得到的混合物在10min内升温至80℃，加入1份烷基咪唑啉卤化物磷酸钾；接着升温至150℃，加入15份氧化石墨烯和5份多层石墨烯，最后在4min内升温至200℃；
(c)将步骤(b)所得的混合物冷却后通过双螺杆挤出机挤塑成型，制得成品，同时装桶以备用。
沥青混合料的制备工艺如下：
1)将矿料加热至170-180℃，并放入拌合器中；
2)将相当于矿料重量0.5％的石墨烯抗车辙剂加入拌合器中，干拌80s；
3)加入170℃的沥青，继续拌合80s；
4)加入矿粉继续拌合90s。
将所得沥青混合料分别进行沥青混合料的马歇尔残留稳定度试验、冻融裂强比试验、车辙动稳定度试验及低温弯曲试验，试验结果见表2。
实施例4：
石墨烯抗车辙剂的制备过程如下：
(a)按重量份分别称取20份HDPE，10份APP、5份EVA及18份SBS；在转速为25r/min条件下，将上述物料混合均匀；
(b)将步骤(a)得到的混合物在12min内升温至80℃，加入1份烷基咪唑啉卤化物磷酸钾；接着升温至150℃，加入20份氧化石墨烯和5份双层石墨烯，最后在4min内升温至200℃；
(c)将步骤(b)所得的混合物冷却后通过双螺杆挤出机挤塑成型，制得成品，同时装桶以备用。
沥青混合料的制备工艺如下：
1)将矿料加热至170-180℃，并放入拌合器中；
2)将相当于矿料重量0.5％的石墨烯抗车辙剂加入拌合器中，干拌80s；
3)加入165℃的沥青，继续拌合80s；
4)加入矿粉继续拌合90s。
将所得沥青混合料分别进行沥青混合料的马歇尔残留稳定度试验、冻融裂强比试验、车辙动稳定度试验及低温弯曲试验，试验结果见表2。
对比例1：
在本对比例中，沥青混合料采用70#石油沥青与骨料拌合，沥青混合料生产拌合时先加热矿料，再按沥青混合料重量0.5％将普通抗车辙剂加入矿料中干拌90s，然后加入沥青湿拌90s，再加矿粉拌合90s。分别进行沥青混合料的马歇尔残留稳定度试验、冻融裂强比试验、车辙动稳定度试验及低温弯曲试验见表2。
AC-13沥青混合料配合比采用70号重交沥青，经检测符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)对70号道路石油沥青A级标准的要求。
AC-13沥青混合料配合比采用石灰岩：10-20mm碎石、10-15mm碎石、5-10mm碎石、0-5石屑。经检测符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)对沥青面层用集料质量要求。
AC-13沥青混合料填料采用石灰石矿粉，经检测符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)对沥青面层用填料质量要求。
表1 AC-13混合料级配类型表
实施例1-4及对比例1所得成品性能测试：按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)热拌沥青混合料配合比设计方法，进行马歇尔最佳沥青用量设计试验。
表2 沥青混合料性能指标
通过上表2可以看出，掺加本发明的沥青改性剂后，实施例中各试件的空隙率较对比例都有所降低，说明添加本车辙剂后更利于混合料的压实；表中实施例的动稳定度较对比例1明显提高，故沥青混合料的抗车辙性能显著提高；实施例中的残留稳定度与冻融劈裂强度都较对比例1有所提高，说明抗车辙剂的加入有利于改善混合料的水稳定性能；同时对比发现低温破坏应变与对比例略有提升，说明本发明的沥青改性剂后对沥青混合料的低温性能有所改善；综上所述，添加本发明抗车辙剂各项性能指标都有所改善，且各项性能指标满足按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)相关技术要求。
本发明的交通用石墨烯抗车辙剂掺加石墨烯作为改性剂改性沥青，由于石墨烯具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布，如同界面活性剂一般存在界面，能降低界面间的能量，并配合界面活性剂复配，有利于抗车辙剂快速分散于沥青混合料中，在石墨烯与界面活性剂的双重作用下，加速抗车辙剂在沥青混合料中分散，减少拌合分散所需的时间，提高拌合站的生产效率，降低生产成本；同时，由于界面作用，使沥青与矿料之间的界面能降低，更利于路面的压实，降低路面摊铺碾压过程中的推移、开裂等。本发明具有工艺简单、能耗较低、绿色环保及应用前景佳等特点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于石墨烯抗车辙剂的沥青混合料，其特征在于，包括矿料、石墨烯抗车辙剂、沥青及矿粉，所述石墨烯抗车辙剂占所述沥青混合料重量的0.2％～0.5％，所述石墨烯抗车辙剂由以下组份制成：聚烯烃10～50份，热塑性弹性体乙烯基芳香烃-共轭二烯嵌段共聚物3～20份，石墨烯10～30份，界面活性剂1～5份，以上份数按重量计。
2.根据权利要求1所述的沥青混合料，其特征在于，所述聚烯烃为PE、PP、EVA、APP、APAO、POE、HDPE、LDPE及LLDPE中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的沥青混合料，其特征在于，所述热塑性弹性体乙烯基芳香烃-共轭二烯嵌段共聚物为SBS、SIS、SEBS及SEPS中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的沥青混合料，其特征在于，所述石墨烯为单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯及氧化石墨烯中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的沥青混合料，其特征在于，所述界面活性剂为两性离子型表面活性剂，所述两性离子型表面活性剂为烷基咪唑啉型卤化物酸盐或烷基甜菜碱卤化物酸盐中的一种或几种。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的基于石墨烯抗车辙剂的沥青混合料的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
1)将矿料加热至170-180℃，并放入拌合器中；
2)将相当于沥青混合料重量0.2％-0.5％的抗车辙剂加入拌合器中，干拌80s；
3)加入165-175℃的沥青，继续拌合80s；
4)加入矿粉继续拌合90s。
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