一种阻尼减振降噪沥青混合料及其制备方法

技术领域

本发明涉及道路沥青混合料技术领域，具体涉及到一种阻尼减振降噪沥青混合料及其制备方法。

背景技术

随着工业化进程的发展，城市噪声污染已经成为世界性问题。道路交通噪声作为城市噪声的主要来源，不仅对道路使用者还对道路周边的人和动物产生严重的负面影响。道路交通噪声随着道路交通量的增加而日趋严重，治理交通噪声正在成为全世界的重要环境问题。

国内外针对道路交通噪声的治理，采用了诸如静音涂层、安装声屏障、控制交通流速、改变道路几何结构等方法。普遍采用的声屏障由于其安装成本高、影响视线、影响司机的听觉判断等缺点并不能作为道路噪声的最佳治理方法。欧洲和美国研究人员通过改变路面结构和纹理构筑低噪声路面，从源头上解决了道路交通噪声问题，并且低噪声路面成本低、可以连续应用于道路结构中。目前，国内外对于路面降噪的研究主要集中在：①道路噪声的测量方法；②路面设计参数；③道路噪声量化；④道路噪声预测模型；⑤低噪声路面类型。其中，对于阻尼降噪路面的研究还不够深入，低噪声路面主要包括：大孔隙的多孔沥青路面(OGFC)、薄层沥青路面、SMA路面。传统的低噪声路面多为SMA、OGFC等路面结构，与密级配沥青混凝土相比，其力学性能较差，使用寿命较短。并且密级配沥青混凝土由于其造价低、路用性能好成为国内外沥青路面主要的结构形式。因此，如何降低密级配沥青混凝土的路面噪声对未来低噪声路面的研究应用有着重要的战略意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种阻尼减震降噪沥青混合料，可以提高沥青混合料的阻尼性能，达到减震降噪的效果，并且运用于冻土或者高温环境下，可以保持良好的适应能力。

为达上述目的，本发明提供了一种阻尼减震降噪沥青混合料，包括以下组分：云母粉SBS改性沥青、阻尼降噪复合材料和集料，其中，云母粉SBS改性沥青质量占阻尼降噪复合材料和集料质量和的4.5-6％，阻尼降噪复合材料占集料质量的3-5％，阻尼降噪复合材料包括以下组分：乙丙橡胶母炼胶、环氧化天然橡胶母炼胶以及氯丁橡胶母炼胶，阻尼降噪复合材料中三种母炼胶的质量之比按制备母炼胶时所用生胶计为7-9:2-4:2-4。

采用上述方案的有益效果是：云母粉SBS改性沥青可以提高沥青胶的可塑性，降低最大应变和最终塑性变形，进一步提高沥青混合料的整个结构的强度和韧性；将阻尼降噪复合材料替换一部分的集料，掺杂进沥青混合料中，可以提高沥青混合料的抗车辙能力、降低噪音的产生，提高振动衰减系数，进一步达到降噪的目的，与云母粉SBS改性沥青配合，可以改变沥青混合料的组成结构和力学性能。其中，三元乙丙橡胶(EPDM)混合物与环氧化天然橡胶(ENR-50)混合物的配合，极性EPDM阻尼内耗峰和玻璃化温度(Tg)向高温方向外扩，非极性ENR-50阻尼内耗峰和Tg向低温方向外扩，共同拓宽了阻尼温域，同时氯丁橡胶(CR)的添加使得两相的相容性变好，界面结合力增强，力学性能提高；EPDM相含有特殊的包藏结构，使ENR-50、CR相能更均匀地分散在EPDM相中，提高了各相之间的相容性，使得相与相间的界面结合力更强，各相间的界面处分子发生缠结，阻碍了分子链段的运动，提高了材料的阻尼性能。同时CR的加入使得ENR-50的Tg从两组分时的33.2℃移动到了43.5℃，进一步拓宽了阻尼材料的高温阻尼性能，阻尼温域超过120℃(tanδ＞0.3)，符合宽温域高阻尼材料的要求。

进一步地，云母粉SBS改性沥青由云母粉改性SBS沥青制得，其中云母粉与SBS沥青的质量比为1-2:10。

采用上述方案的有益效果是：通过云母粉改性SBS沥青，可以提高沥青胶的阻尼性能，并且也会提高阻尼降噪复合材料的减振效果，云母粉本身具有优异的力学性能，其弹性模量高达1505-2134MPa，加入到SBS网络中将进一步增强云母粉/SBS复合网络结构的强度与韧性。

进一步地，云母粉的粒径为50-70目。

进一步地，SBS沥青的针入度为52-54mm，延度为25-30cm，软化点为75-77℃，闪点为260-264℃。

进一步地，改性方法包括以下步骤：

(1)将SBS沥青加热至150-200℃，于5-10min内和保温条件下加入云母粉，搅拌均匀；

(2)将步骤(1)所得物进行剪切，其中剪切转速为3500-4500r/min，剪切温度150-200℃，剪切时间为60-120min；

(3)剪切完成后进行发育和养护，制得云母粉SBS改性沥青；其中养护温度为160-170℃，发育时间为20-40min。

采用上述方案的有益效果是：使用高速剪切法制备改性沥青，通过大的剪切力使云母粉均匀的分散到沥青中，在剪切应力场作用下，聚合物液滴被拉伸成长而细的类纤维状态，截面半径越来越小，截面处出现雷诺扰动现象，纤维聚合物破碎断裂成小的液滴，这种制备方法可以使云母粉团聚体均匀分布。

进一步地，乙丙橡胶母炼胶的制备原料包括：乙丙橡胶生胶、氧化锌、硬脂酸、硫磺、四硫化双五亚甲基秋兰姆、N-环己基-2-苯骈噻唑次磺酰胺和二硫化二苯并噻唑；

各原料的含量为：氧化锌4-6phr、硬脂酸1-3phr、硫磺1-2phr、四硫化双五亚甲基秋兰姆0.4-0.6phr、N-环己基-2-苯骈噻唑次磺酰胺0.4-0.6phr和二硫化二苯并噻唑0.8-1.2phr。

进一步地，环氧化天然橡胶母炼胶的制备原料包括：环氧化天然橡胶生胶、氧化锌、硬脂酸、硫磺、四硫化双五亚甲基秋兰姆、N-环己基-2-苯骈噻唑次磺酰胺和二硫化二苯并噻唑；

各原料的含量为：氧化锌4-6phr、硬脂酸1-3phr、硫磺1-2phr、四硫化双五亚甲基秋兰姆0.4-0.6phr、N-环己基-2-苯骈噻唑次磺酰胺0.4-0.6phr和二硫化二苯并噻唑0.8-1.2phr。

进一步地，氯丁橡胶母炼胶的制备原料包括：氯丁橡胶生胶、氧化锌、硬脂酸、硫磺、四硫化双五亚甲基秋兰姆、二硫化二苯并噻唑和二硫化四甲基秋兰姆；

各原料的含量为：氧化锌4-6phr、硬脂酸1-3phr、硫磺1-2phr、四硫化双五亚甲基秋兰姆1-2phr、二硫化二苯并噻唑0.8-1.2phr和二硫化四甲基秋兰姆0.8-1.2phr。

一种阻尼减振降噪沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备云母粉SBS改性沥青

(2)制备阻尼降噪复合材料

将乙丙橡胶混合物、环氧化天然橡胶混合物以及氯丁橡胶混合物按生胶质量比进行共混，混合均匀后，停放11-13h并翻炼一次，硫化后制得；

(3)集中拌料

将云母粉SBS改性沥青、阻尼降噪复合材料与集料按照质量比混合，搅拌制得。

采用上述方案的有益效果是：通过云母粉改性SBS沥青，提高沥青的阻尼减振效果；将乙丙橡胶混合物、环氧化天然橡胶混合物以及氯丁橡胶混合物进行共混，共混的过程中饱和的非极性的乙丙橡胶和不饱和的强极性环氧天然橡胶作为基体，制备本体系中的三元共混胶，共混后乙丙橡胶的Tg向低温移动，极性橡胶的Tg显著移向高温，大大拓宽了阻尼温域；再进行硫化，使饱和非极性的乙丙橡胶相中的硫化机向极性不饱和环氧化天然橡胶相迁移，导致共混物中环氧化天然橡胶交联密度比起单独硫化时高，阻尼内耗峰向高温方向外扩，而乙丙橡胶相的交联密度比单独硫化时低，阻尼内耗峰向低温外扩，从而极大拓宽了阻尼温域范围。

进一步地，硫化过程的温度为150-170℃，硫化的压力为10-15MPa。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、降噪效果好，且路用性能有保障，传统的低噪声路面多为SMA、OGFC等路面结构，与密级配沥青混凝土相比，其力学性能较差，使用寿命较短，并且密级配沥青混凝土造价低、路用性能好；

2、降低施工成本，绿色环保，沥青价格低廉，与工业废弃物如：废旧橡胶粉等复合，制得较好的降噪复合材料，不但具有很好的经济价值，而且为环保事业尽一份力量，废物利用的同时，节约能源，绿色环保，控制了施工成本；

3、适用温度范围广，EPDM/ENR-50/CR阻尼材料最小损耗因子tanδmin＝0.308，tanδmin＞0.3的温度范围为－68.2℃到59.1℃，广泛适用于我国的温度条件，保证在极端温度条件下，仍能保持良好的功能；

4、材料还具有良好的综合力学性能，通过云母粉SBS改性沥青与阻尼降噪复合材料配合对集料进行反应，其拉伸强度最大可超过20MPa，实现了阻尼性能与力学性能的均衡，该性质保证阻尼减振降噪沥青混合料能适应昼夜较高的温差，在冬季的低温和夏季的高温都保持高阻尼的性能。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

本实施例提供了一种云母粉SBS改性沥青的制备方法，包括以下步骤：

(1)将将10kgSBS沥青加热至170℃，保持此加热温度，并在10min内将1kg的云母粉加入热熔的SBS沥青中，防止加热时间过长使沥青发生老化；

(2)将步骤(1)所得物放置在剪切机上进行剪切，其中剪切转速为1000r/min，剪切温度为180℃，剪切时间为90min；

(3)剪切完成后放入烘箱养护，其中烘箱时间设定为165℃，发育时间为30min，即可制得云母粉SBS改性沥青。

其中，云母粉为河北灵寿市售产品，SBS沥青为邢台瀚盛沥青销售有限公司市售产品。

试验例1

将实施例1制备得到的云母粉SBS改性沥青与SBS沥青进行性能测试。

(1)依据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》测试云母粉SBS改性沥青布氏黏度、软化点、针入度和延度性能；

(2)根据SHRP计划，对云母粉SBS改性沥青用动态剪切流变仪(DSR)进行动态流变行为测试，测试中使用的仪器是高精度TA DHR-3，借助DSR平台执行温度扫描程序测试，试验温度为46～70℃，间隔6℃；测试模具尺寸为25mm圆形平板；采用控制应变加载模式，应变水平为1％；加载频率为10rad/s；

(3)多重应力蠕变恢复测试

使用DSR在64℃进行多重应力蠕变恢复测试，研究SBS改性沥青在0.1kPa应力水平下高温稳定性的影响，每种应力均重复测量10次，每次循环10s(蠕变1s，恢复9s)，总耗时200s，测试样品直径25mm，平行板间隔1mm；

(4)低温弯曲流变测试

将云母粉SBS改性沥青加热至流体状态，倒入梁模中，并冷却至室温，然后将云母粉SBS改性沥青置于-5℃的无水乙醇中冷却15min并脱模；紧接着将样品浸泡在指定温度的无水乙醇浴中60min，记录60s时沥青样品的蠕变刚度S和蠕变速率m。

将性能测试(1)-(4)所得数据记录于表1中。

表1云母粉SBS改性沥青及SBS沥青各项性能数据

由表1可知，云母粉SBS改性沥青比SBS沥青黏度更大，软化点更高，针入度更低，延度更大，证明云母粉的加入可以一定程度的改善云母粉SBS改性沥青的可塑性、高温、低温和黏度等特性。

复数模量G*能够表征沥青胶结料在线黏弹性范围内抵抗重复剪切变形的能力。一般而言，复数剪切模量G*越大，沥青的弹性组分占比越多，抵御变形能力就越强。车辙因子G*/sinσ常用于评估沥青结合料抵御高温塑性变形的能力。G*/sinσ越大，沥青在高温条件下产生的永久变形越小、抗高温车辙效果越好。加入了云母粉的云母粉SBS改性沥青的复数模量、车辙因子均大于SBS沥青，证明SBS改性沥青具有更好的性能。

云母粉的加入能够降低云母粉SBS改性沥青的最大应变和最终塑性变形，说明加入云母粉能够抑制云母粉SBS改性沥青不可恢复变形的产生。这与DSR测试中的G*/sinσ结果具有很好的一致性。即云母粉/SBS改性沥青中弹性比例增多，黏性成分减少，进而提高了沥青的高温抗变形能力。云母粉能够增强云母粉SBS改性沥青的变形恢复率可能有以下几个原因：云母粉本身具有优异的力学性能，其弹性模量高达1505-2134MPa，加入到SBS网络中将进一步增强云母粉/SBS复合网络结构的强度与韧性。

蠕变刚度S表示沥青抵抗低温变形的能力，S值越小说明沥青结合料在低温条件下开裂的风险越低；蠕变速率m表征沥青的劲度模量随蠕变时间的变化快慢程度，即反映沥青结合料的应力松弛能力，m值越大，沥青的应力松弛能力越强，沥青产生开裂破坏的概率就越小。

实施例2

本实施例提供了一种阻尼降噪复合材料及其制备方法，其中包括以下成分和处理方法：

(1)EPDM母炼胶及其配方

EPDM生胶，ZnO为5phr，硬脂酸为2phr，S8为1phr，TRA为0.5phr，CZ为0.5phr，DM为1phr；

(2)ENR-50母炼胶及其配方

ENR-50生胶，ZnO为5phr，硬脂酸为2phr，S8为1.5phr，TRA为0.5phr，CZ为0.5phr，DM为1phr；

(3)CR母炼胶及其配方

CR生胶，ZnO为5phr，硬脂酸为2phr，S8为1.5phr，TRA为1.5phr，DM为1phr，TMTD为1phr。

(4)各母炼胶的单独制备

按混合料的配方各自称取原料，使用开炼机将生胶塑炼8遍，然后包辊，依次加入加工助剂、促进剂和硫化剂等，使用斜刀法使物料混合均匀，待物料完全混入橡胶后，打三角包，搓卷各5次，出片，制得EPDM、ENR-50和CR的母炼胶；

(5)制备阻尼降噪复合材料

将EPDM、ENR-50和CR母炼胶按照其生胶质量比8:2:2的比例称取后进行共混，混至宏观不分相即可；胶料停放12h，翻炼1次，于160℃和10MPa的压力作用下使用平板硫化机进行硫化，从而制得阻尼降噪复合材料。

实施例3

本实施例提供了一种阻尼减振降噪沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用常温粉碎法将实施例2制备得到的三元共混阻尼减振降噪复合材料粉碎成颗粒形式，粒径小于9.5mm；

(2)将粉碎后的三元共混阻尼减振降噪复合材料与云母粉SBS改性沥青、集料混合，搅拌即可制得；其中云母粉SBS改性沥青的添加质量为三元共混阻尼减振降噪复合材料和集料总添加质量的5.8％，阻尼降噪复合材料占集料质量的5％。

对比例1

以AC沥青混合料作为对比例，采用常规方法进行制备，其中AC沥青混合料中，基质沥青的质量为集料的5.8％。

将实施例3制备得到的阻尼减振降噪沥青混合料与对比例制得的AC沥青混合料进行性能测试，具体测试项目和方法如下：

(1)车辙试验

采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0719-1993沥青混合料车辙试验进行橡胶颗粒沥青混合料的高温稳定性能检验；

(2)浸水马歇尔试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T0709-2000)进行试验；

(3)冻融劈裂试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T0729-2000)的试验方法对马歇尔击实法成型的圆柱体试件进行试验，试验仪器为YAXING沥青混合料材料性能试验系统，试验温度为25℃，加载速率是50mm/min；

(4)低温弯曲试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)T0703-1993轮碾成型的板块切割成尺寸为250mm×30mm×35mm的小梁试件，跨径为200mm，试验温度为-10℃，加载速率定为50mm/min，在YAXING沥青混合料材料性能试验系统上按照T0715-1993的试验方法和步骤进行3次平行试验；

(5)动态模量试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)T0738-2011，使用UTM测试混合料的动态模量，相位角，采用旋转压实成型或路面取芯试件，高度150mm，直径100±1mm位移传感器3个，针式温度传感器1个，将传感器定位钉连接到试件表面(定位钉粘接试件中间部位，2个钉一组，上下间距100mm)；

(6)轮胎振动衰减试验

试验前采沥青作为粘结材料将试件粘结加固在水泥地面上，并且将加速度传感器固定在轮轴中心，尽量减小由于实验条件的限制所引起的误差，试验步骤如下，首先将轮胎在试件上方约3cm处以自由落体形式撞击试件，然后使用数据采集分析仪进行记录与采集处理；对各种试件的振动加速度衰减曲线内部一段进行处理，得到振幅包络线及其拟合方程，通过拟合方程求得其振动衰减指数；

(7)轮胎下落试验

测试时让轮胎从具有一定坡度的轨道上端自由滚下，俯冲到路面板试件上，测试轮胎与路面板试件接触作用瞬间发出的轮胎/路面噪声。沿着轨道下滚的过程中，轮胎的一部分重力势能转换为动能，使得轮胎接触路面的瞬间，具有一定的水平速度、竖直速度及转动速度。这一过程可以很好地模拟实际轮胎与路面间相互作用产生噪声的过程。

通过上述试验过程测试得到的数据如表2所示。

表2 AC沥青混合料与阻尼减振降噪沥青混合料的性能表征

由试验数据分析可知，实施例3制备得到的阻尼减振降噪沥青混合料的动稳定度明显大于普通沥青混合料的，说明阻尼材料颗粒的掺入不是降低而是提高了沥青混合料的抗车辙能力。

通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果对比分析可知：将阻尼材料颗粒掺入到沥青混合料中，会削弱沥青混合料的抗水损坏能力。阻尼材料颗粒混合料成型后的一段时间内，在阻尼材料颗粒本身的弹性作用下，要产生回弹，促使混合料内部的空隙率增大，混合料内部的微观结构发生变化，沥青、集料、阻尼材料颗粒的接触状态在微观上进行重组，从而破坏了初始成型的最佳状态，使沥青胶浆的粘聚力下降和沥青混合料的内摩擦角减小，自由沥青相对增加，结构沥青相对减少，从而使混合料的抗剪强度降低、水稳定性下降。

加入阻尼材料颗粒后，混合料的破坏劲度模量较普通沥青混合料都有所下降，但其破坏时跨中挠度普遍得到提高，这主要是因为阻尼材料颗粒的弹性变形降低了混合料内部的粘结力、内摩擦力及分子引力等各种结合力。但同时阻尼材料颗粒也增加了混合料的低温柔韧度，致使其破坏劲度模量下降和破坏时跨中挠度上升。这说明阻尼材料颗粒沥青混合料具有优于普通沥青混合料的低温路用性能。

由以上检测结果可见，实施例3制备的阻尼减振降噪沥青混合料产生的噪音更小，振动衰减系数更大，证明阻尼减振降噪沥青混合料增大了混合料的阻尼，有效的降低了沥青混合料的动态模量，有助于减小振动，达到降噪的目的。与此同时，路用性能也得到保障，具有高度产业利用价值。

虽然对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。