一种嵌段共聚物-纳米复合改性乳化沥青及其制备方法

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，更具体地说，涉及一种嵌段共聚物-纳米复合改性乳化沥青及其制备方法。

背景技术

目前，精罩面属于路面面层预防性养护技术中较为新颖的技术；该技术既可应用于沥青路面，也可应用于水泥路面，体现了薄层罩面技术的普适性；普通的薄层罩面厚度只有20mm～25mm，具有降噪、防滑、排水迅速、施工方便、造价低、开放交通快等多方面优点；但在运用过程中常出现薄层与原路面粘结不足、甚至出现脱落情况，核心问题是所使用的乳化沥青无法提供足够的粘结强度。

一方面是由于乳化沥青性能较差，改性沥青难以进行分散和乳化，因此改性乳化沥青的生产工艺通常为先乳化后改性，改性效果较差，且改性剂的掺量小；另一方面是由于乳化沥青破乳速度慢，薄层罩面通常采取同步摊铺的方式进行施工，要求乳化沥青快速破乳，未破乳的乳化沥青无法提供足够的粘结力，从而导致沥青路面在车辆荷载的作用下出现脱落情况。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种嵌段共聚物-纳米复合改性乳化沥青及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种嵌段共聚物-纳米复合改性乳化沥青及其制备方法，以解决上述的问题。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种嵌段共聚物-纳米复合改性乳化沥青及其制备方法，包括改性沥青和皂液，所述改性沥青包括如下质量份的物质：基质沥青100-120份、热塑性橡胶类改性剂6-16份、相变材料0.5-2份、石墨烯0.3-1.5份、糠醛抽出油1-4份、石油树脂1-5份；所述皂液包括如下质量份的物质：纯净水100份，乳化剂5-20份，稳定剂0.1-2份和酸0.1-3份；所述改性沥青与皂液的重量比为1：0.2-0.7。

作为本发明的进一步改进，所述基质沥青为70#、90#和110#基质沥青中的任意一种。

作为本发明的进一步改进，所述热塑性橡胶类改性剂为苯乙烯－丁二烯－苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯－异戊二烯－苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯－乙烯－丁烯－苯乙烯嵌段共聚物中的一种或几种的混合物。

作为本发明的进一步改进，所述相变材料为纳米CaCO

作为本发明的进一步改进，所述石油树脂为C

作为本发明的进一步改进，所述乳化剂为快裂型乳化剂，所述快裂型乳化剂为胺的衍生物与铵盐的混合物，所述稳定剂为无水氯盐，且为氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁和氯化铁中的任意一种，所述酸为盐酸、硫酸、硝酸中的任意一种。

作为本发明的进一步改进，所述改性沥青制备、皂液制备以及高速剪切乳化,所述改性沥青制备包括沥青加热搅拌过程、热塑性橡胶类改性剂溶胀过程、高速剪切分散过程和发育过程，详细的制备步骤如下：

S1、相变材料预处理：按质量比例称取变相材料和糠醛抽出油放置搅拌装置中，并用玻璃棒对两者进行手动混合搅拌3-5min，并放于常温下静置3-5min，使变相材料充分吸收糠醛抽出油；

S2、沥青加热搅拌：将基质沥青放置于烘箱中，在135℃的温度下加热30-40min，直至基质沥青具备良好的流动性；按质量比例称取沥青、S1获得的混合物，将其进行混合，并将其混合物在180℃的条件下进行机械搅拌，搅拌时间为10-15min，搅拌速率为600rpm/min；

S3、热塑性橡胶类改性剂溶胀：将S3中的搅拌温度提高至190℃，在快速搅拌的条件下，将称取的SBS、SIS、SEBS热塑性橡胶类改性剂材料缓慢地加入至S2获得的混合物中，保持原转速继续搅拌45-60min，以使热塑性橡胶类改性剂充分吸收沥青中的轻质组分；

S4、高速剪切分散：将S2和S3中的机械搅拌设备更换为高速剪切设备，对S3获得的沥青、热塑性橡胶类改性剂、相变材料和其他的助剂的混合物进行高速剪切、分散，剪切速率设置为5500rpm/min，进行高速剪切30-90min，温度保持不变；

S5、发育：将S4中的高速剪切设备更换为机械搅拌设备，并将石油树脂掺入至S5获得的混合物中，在190℃的温度下以600rpm/min的速率进行机械搅拌120-180min，以获得改性沥青。

作为本发明的进一步改进，所述皂液制备过程如下：

S1、向加热容器中加入纯净水，并将温度设置为70℃；

S2、称取乳化剂和稳定剂加入至热水中，并进行机械搅拌，搅拌速率设置为150-450rpm/min，搅拌时间为15-60min；

S3、在搅拌的过程中加入酸性物质来调节皂液的pH值为1.5-2.5，并每间隔5-10min测试一次。

作为本发明的进一步改进，所述高速剪切乳化过程采用DS-ECM型乳化试验机开展改性沥青的乳化过程，具体乳化过程如下：

S1、设置温度参数：将管道内部、胶体磨内部的试验温度设置为60-200℃，改性沥青与皂液的重量比为1：0.2-0.7；

S2、营造乳化环境：先将皂液注入管道中，使管道内部全部含有皂液，一方面以验证管道内部畅通，另一方面为沥青乳化营造乳化的环境，避免沥青在乳化过程中发生破乳行为；

S3、高速剪切乳化：向胶体磨中注射改性沥青，使皂液和改性沥青在胶体磨中混合，并被快速剪切、分散和乳化，其中胶体磨的转速不低于5000rpm/min，最终得到嵌段共聚物-纳米复合改性乳化沥青。

作为本发明的进一步改进，所述搅拌装置包括搅拌筒和收纳筒，所述搅拌筒上端固定连接有封筒盖，所述封筒盖下端中部开设有转槽，所述转槽内转动连接有转板，所述转槽内壁镶嵌有驱动电机，且驱动电机输出端与转板固定连接，所述转板中间开设有一对通孔，所述通孔内滑动连接有搅拌棒，所述搅拌棒包括玻璃棒，所述玻璃棒滑动连接于通孔内，所述玻璃棒上端固定连接有加热棒，所述玻璃棒中间内部固定连接有方形磁板，所述收纳筒固定连接于转板上端，且收纳筒与通孔相连通，所述收纳筒上端固定连接有电磁板，所述通孔内部镶嵌有擦拭圈，所述擦拭圈包括吸热板，所述吸热板镶嵌于通孔内壁，所述吸热板内部固定连接有热胀囊，所述热胀囊内端固定连接有韧性擦布。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本方案通过采用先改性后乳化的制备工艺，增加了改性剂的掺量，提升了乳化沥青残留物的性能，并利用快裂型乳化剂保证乳化沥青在短时间内即可完成破乳，满足同步摊铺施工的技术要求，同时，通过掺入系列纳米材料、石油树脂等提高改性剂在沥青中的分散效果和与沥青的相容性。

附图说明

图1为本发明的改性沥青制备方法步骤图；

图2为本发明的皂液制备方法步骤图；

图3为本发明的高速剪切乳化方法步骤图；

图4为本发明的搅拌装置正面剖视结构示意图；

图5为本发明的部分搅拌棒正面剖视结构示意图；

图6为本发明的擦拭圈正面剖视结构示意图；

图7为本发明的搅拌棒收回状态结构示意图；

图8为本发明的嵌段共聚物-纳米复合改性乳化沥青的主要性能指标表。

图中标号说明：

1、搅拌筒；2、封筒盖；3、转板；4、驱动电机；5、搅拌棒；51、玻璃棒；52、加热棒；53、方形磁板；6、收纳筒；7、电磁板；8、擦拭圈；81、吸热板；82、热胀囊；83、韧性擦布。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1-3，一种嵌段共聚物-纳米复合改性乳化沥青及其制备方法，包括改性沥青和皂液，改性沥青包括如下质量份的物质：基质沥青100份、热塑性橡胶类改性剂6份、相变材料0.5份、石墨烯0.3份、糠醛抽出油1份、石油树脂1份；皂液包括如下质量份的物质：纯净水100份，乳化剂5份，稳定剂0.1份和酸0.1份；改性沥青与皂液的重量比为1：0.2。

基质沥青为70#、90#和110#基质沥青中的任意一种。

热塑性橡胶类改性剂为苯乙烯－丁二烯－苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯－异戊二烯－苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯－乙烯－丁烯－苯乙烯嵌段共聚物中的一种或几种的混合物，用于提高乳化沥青的高低温性能、粘韧性能。

相变材料为纳米CaCO

石油树脂为C

乳化剂为快裂型乳化剂，快裂型乳化剂为胺的衍生物与铵盐的混合物，用于乳化改性沥青并将其分散在水溶液中，稳定剂为无水氯盐，且为氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁和氯化铁中的任意一种，酸为盐酸、硫酸、硝酸中的任意一种，避免改性沥青发生大程度的离析、沉淀。

改性沥青制备、皂液制备以及高速剪切乳化,改性沥青制备包括沥青加热搅拌过程、热塑性橡胶类改性剂溶胀过程、高速剪切分散过程和发育过程，详细的制备步骤如下：

S1、相变材料预处理：按质量比例称取变相材料和糠醛抽出油放置搅拌装置中，并用玻璃棒对两者进行手动混合搅拌3min，并放于常温下静置3min，使变相材料充分吸收糠醛抽出油；

S2、沥青加热搅拌：将基质沥青放置于烘箱中，在135℃的温度下加热30min，直至基质沥青具备良好的流动性；按质量比例称取沥青、S1获得的混合物，将其进行混合，并将其混合物在180℃的条件下进行机械搅拌，搅拌时间为10min，搅拌速率为600rpm/min；

S3、热塑性橡胶类改性剂溶胀：将S3中的搅拌温度提高至190℃，在快速搅拌的条件下，将称取的SBS、SIS、SEBS热塑性橡胶类改性剂材料缓慢地加入至S2获得的混合物中，保持原转速继续搅拌45min，以使热塑性橡胶类改性剂充分吸收沥青中的轻质组分；

S4、高速剪切分散：将S2和S3中的机械搅拌设备更换为高速剪切设备，对S3获得的沥青、热塑性橡胶类改性剂、相变材料和其他的助剂的混合物进行高速剪切、分散，剪切速率设置为5500rpm/min，进行高速剪切30min，温度保持不变；

S5、发育：将S4中的高速剪切设备更换为机械搅拌设备，并将石油树脂掺入至S5获得的混合物中，在190℃的温度下以600rpm/min的速率进行机械搅拌120min，以获得改性沥青。

皂液制备过程如下：

S1、向加热容器中加入纯净水，并将温度设置为70℃；

S2、称取乳化剂和稳定剂加入至热水中，并进行机械搅拌，搅拌速率设置为150rpm/min，搅拌时间为15min；

S3、在搅拌的过程中加入酸性物质来调节皂液的PH值为1.5，并每间隔5-10min测试一次。

高速剪切乳化过程采用DS-ECM型乳化试验机开展改性沥青的乳化过程，具体乳化过程如下：

S1、设置温度参数：将管道内部、胶体磨内部的试验温度设置为60℃，改性沥青与皂液的重量比为1：0.2；

S2、营造乳化环境：先将皂液注入管道中，使管道内部全部含有皂液，一方面以验证管道内部畅通，另一方面为沥青乳化营造乳化的环境，避免沥青在乳化过程中发生破乳行为；

S3、高速剪切乳化：向胶体磨中注射改性沥青，使皂液和改性沥青在胶体磨中混合，并被快速剪切、分散和乳化，其中胶体磨的转速不低于5000rpm/min，最终得到嵌段共聚物-纳米复合改性乳化沥青。

请参阅图4-7，搅拌装置包括搅拌筒1和收纳筒6，搅拌筒1上端固定连接有封筒盖2，封筒盖2下端中部开设有转槽，转槽内转动连接有转板3，转槽内壁镶嵌有驱动电机4，且驱动电机4输出端与转板3固定连接，转板3中间开设有一对通孔，通孔内滑动连接有搅拌棒5，通过驱动电机4带动转板3整体转动，从而使一对搅拌棒5自动搅拌取代手动搅拌变相材料和糠醛抽出油，搅拌棒5包括玻璃棒51，玻璃棒51滑动连接于通孔内，玻璃棒51上端固定连接有加热棒52，玻璃棒51中间内部固定连接有方形磁板53，通过方形磁板53对沥青加热搅拌，收纳筒6固定连接于转板3上端，且收纳筒6与通孔相连通，收纳筒6上端固定连接有电磁板7，通过电磁板7通电后对加热棒52进行吸引，从而使搅拌棒5整体收纳至收纳筒6内部，通孔内部镶嵌有擦拭圈8，擦拭圈8包括吸热板81，吸热板81镶嵌于通孔内壁，吸热板81内部固定连接有热胀囊82，热胀囊82内端固定连接有韧性擦布83，通过搅拌棒5在对沥青加热搅拌前，启动方形磁板53进行预热，同时吸热板81吸收热量传导至热胀囊82，使其膨胀对韧性擦布83进行挤压，使韧性擦布83紧贴搅拌棒5外端面，在由电磁板7反向磁力对加热棒52进行排斥，使搅拌棒5向下移动，并利用韧性擦布83对搅拌棒5外表面残留物进行擦拭，也能使韧性擦布83与玻璃棒51相互摩擦，使搅拌棒5热量充足，从而使沥青加热搅拌效果更好更充分。

实施例2：

请参阅图1-3，一种嵌段共聚物-纳米复合改性乳化沥青及其制备方法，包括改性沥青和皂液，改性沥青包括如下质量份的物质：基质沥青110份、热塑性橡胶类改性剂10份、相变材料1份、石墨烯1份、糠醛抽出油2.5份、石油树脂3份；皂液包括如下质量份的物质：纯净水100份，乳化剂12份，稳定剂1份和酸1.5份；改性沥青与皂液的重量比为1：0.5。

改性沥青制备、皂液制备以及高速剪切乳化,改性沥青制备包括沥青加热搅拌过程、热塑性橡胶类改性剂溶胀过程、高速剪切分散过程和发育过程，详细的制备步骤如下：

S1、相变材料预处理：按质量比例称取变相材料和糠醛抽出油放置搅拌装置中，并用玻璃棒对两者进行手动混合搅拌4min，并放于常温下静置4min，使变相材料充分吸收糠醛抽出油；

S2、沥青加热搅拌：将基质沥青放置于烘箱中，在135℃的温度下加热35min，直至基质沥青具备良好的流动性；按质量比例称取沥青、S1获得的混合物，将其进行混合，并将其混合物在180℃的条件下进行机械搅拌，搅拌时间为12min，搅拌速率为600rpm/min；

S3、热塑性橡胶类改性剂溶胀：将S3中的搅拌温度提高至190℃，在快速搅拌的条件下，将称取的SBS、SIS、SEBS热塑性橡胶类改性剂材料缓慢地加入至S2获得的混合物中，保持原转速继续搅拌55min，以使热塑性橡胶类改性剂充分吸收沥青中的轻质组分；

S4、高速剪切分散：将S2和S3中的机械搅拌设备更换为高速剪切设备，对S3获得的沥青、热塑性橡胶类改性剂、相变材料和其他的助剂的混合物进行高速剪切、分散，剪切速率设置为5500rpm/min，进行高速剪切60min，温度保持不变；

S5、发育：将S4中的高速剪切设备更换为机械搅拌设备，并将石油树脂掺入至S5获得的混合物中，在190℃的温度下以600rpm/min的速率进行机械搅拌150min，以获得改性沥青。

皂液制备过程如下：

S1、向加热容器中加入纯净水，并将温度设置为70℃；

S2、称取乳化剂和稳定剂加入至热水中，并进行机械搅拌，搅拌速率设置为300rpm/min，搅拌时间为40min；

S3、在搅拌的过程中加入酸性物质来调节皂液的pH值为2，并每间隔8min测试一次。

高速剪切乳化过程采用DS-ECM型乳化试验机开展改性沥青的乳化过程，具体乳化过程如下：

S1、设置温度参数：将管道内部、胶体磨内部的试验温度设置为120℃，改性沥青与皂液的重量比为1：0.5；

S2、营造乳化环境：先将皂液注入管道中，使管道内部全部含有皂液，一方面以验证管道内部畅通，另一方面为沥青乳化营造乳化的环境，避免沥青在乳化过程中发生破乳行为；

S3、高速剪切乳化：向胶体磨中注射改性沥青，使皂液和改性沥青在胶体磨中混合，并被快速剪切、分散和乳化，其中胶体磨的转速不低于5000rpm/min，最终得到嵌段共聚物-纳米复合改性乳化沥青。

实施例3：

请参阅图1-3，一种嵌段共聚物-纳米复合改性乳化沥青及其制备方法，包括改性沥青和皂液，改性沥青包括如下质量份的物质：基质沥青120份、热塑性橡胶类改性剂16份、相变材料2份、石墨烯1.5份、糠醛抽出油4份、石油树脂5份；皂液包括如下质量份的物质：纯净水100份，乳化剂20份，稳定剂2份和酸3份；改性沥青与皂液的重量比为1：0.7。

改性沥青制备、皂液制备以及高速剪切乳化,改性沥青制备包括沥青加热搅拌过程、热塑性橡胶类改性剂溶胀过程、高速剪切分散过程和发育过程，详细的制备步骤如下：

S1、相变材料预处理：按质量比例称取变相材料和糠醛抽出油放置搅拌装置中，并用玻璃棒对两者进行手动混合搅拌5min，并放于常温下静置5min，使变相材料充分吸收糠醛抽出油；

S2、沥青加热搅拌：将基质沥青放置于烘箱中，在135℃的温度下加热40min，直至基质沥青具备良好的流动性；按质量比例称取沥青、S1获得的混合物，将其进行混合，并将其混合物在180℃的条件下进行机械搅拌，搅拌时间为15min，搅拌速率为600rpm/min；

S3、热塑性橡胶类改性剂溶胀：将S3中的搅拌温度提高至190℃，在快速搅拌的条件下，将称取的SBS、SIS、SEBS热塑性橡胶类改性剂材料缓慢地加入至S2获得的混合物中，保持原转速继续搅拌60min，以使热塑性橡胶类改性剂充分吸收沥青中的轻质组分；

S4、高速剪切分散：将S2和S3中的机械搅拌设备更换为高速剪切设备，对S3获得的沥青、热塑性橡胶类改性剂、相变材料和其他的助剂的混合物进行高速剪切、分散，剪切速率设置为5500rpm/min，进行高速剪切90min，温度保持不变；

S5、发育：将S4中的高速剪切设备更换为机械搅拌设备，并将石油树脂掺入至S5获得的混合物中，在190℃的温度下以600rpm/min的速率进行机械搅拌180min，以获得改性沥青。

皂液制备过程如下：

S1、向加热容器中加入纯净水，并将温度设置为70℃；

S2、称取乳化剂和稳定剂加入至热水中，并进行机械搅拌，搅拌速率设置为450rpm/min，搅拌时间为60min；

S3、在搅拌的过程中加入酸性物质来调节皂液的pH值为2.5，并每间隔10min测试一次。

高速剪切乳化过程采用DS-ECM型乳化试验机开展改性沥青的乳化过程，具体乳化过程如下：

S1、设置温度参数：将管道内部、胶体磨内部的试验温度设置为200℃，改性沥青与皂液的重量比为1：0.7；

S2、营造乳化环境：先将皂液注入管道中，使管道内部全部含有皂液，一方面以验证管道内部畅通，另一方面为沥青乳化营造乳化的环境，避免沥青在乳化过程中发生破乳行为；

S3、高速剪切乳化：向胶体磨中注射改性沥青，使皂液和改性沥青在胶体磨中混合，并被快速剪切、分散和乳化，其中胶体磨的转速不低于5000rpm/min，最终得到嵌段共聚物-纳米复合改性乳化沥青。

请参阅图8，为实施例1中嵌段共聚物-纳米复合改性乳化沥青的主要性能指标测试结果。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本方案采取先改性后乳化的制备工艺，以提高热塑性橡胶类改性材料的掺量，有利于提高乳化沥青蒸发残留物的高低温性能、粘韧性能等；另外，创新性地掺入系列相变材料和石油树脂，提高改性剂与沥青的相容性，同时乳化沥青可完美契合采用同步摊铺施工方式的技术方案，如超粘精罩面、薄或超薄层罩面新型养护技术，为薄层提高足够的粘附性，避免出现脱落病害，具备极高的经济价值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。