一种钢桥面铺装用改性沥青及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种沥青改性技术领域，具体涉及一种钢桥面铺装用改性沥青及其制备方法。

背景技术

钢桥面板是焊接固定在正交异性结构梁和纵肋上，并且钢桥面体系柔性大、易挠曲，在车辆荷载、温度荷载作用下的变形和受力特点与水泥混凝土桥梁有非常明显的区别，在同一桥梁的不同部位，变形和受力也有非常明显的区别。因此，由于钢桥面铺装使用条件更为严酷，钢桥面铺装性能要求的程度与普通路面铺装及水泥混凝土桥面铺装是完全不同的。主要为：钢桥面铺装受力状况更为复杂，铺装中产生的应力也更大；由于钢板变形量大，铺装层对桥面板应具有相适应的变形的特性。钢桥面铺装维修养护更加困难，要求桥面铺装的耐久性应更高。钢桥面铺装在产生纵横向开裂以后，采用路面上的封缝方式很难完全封闭，原因是裂缝产生后，裂缝处正好是铺装释放应力集中变形的部位，反复变形下，裂缝会再次产生。

国内钢桥面铺装结构中，改性沥青SMA是最早应用的材料之一，因其具有良好的高温性能和抗滑性能，常被用于钢桥面铺装磨耗层。SMA主要包括高粘改性沥青和高弹改性沥青。在使用过程中发现高粘改性沥青SMA抗裂性不足，桥面铺装出现了一定的开裂病害；高弹改性沥青SMA，取得了更好的抗裂效果，但依然存在开裂病害。

中国专利文献CN102408734A公开了一种高弹改性沥青及其制备方法，以基质沥青、高聚物、抗老化剂、合成酯类增塑剂和稳定剂为原料制得；所述合成酯类增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二己酯、邻苯二甲酸二辛酯、磷酸二苯辛酯、磷酸三辛酯或磷酸三丁氧基乙酯中的一种或多种任意组合，该发明适用于钢桥面铺装，延长了钢桥面沥青混合料铺装开裂发生的时间。

该现有技术具有以下不足：该现有技术虽然延长了钢桥面沥青混合料铺装开裂发生的时间，但是钢桥面铺装材料在出现裂缝时，很难靠自身完成愈合，而封缝方式很难完全封闭这些裂缝。

发明内容

一方面，本发明提供了一种在钢桥面铺装材料出现裂缝时靠自身的自愈合能力自我修复，同时可以延缓钢桥面铺装材料开裂的钢桥面铺装用改性沥青，由如下重量份数的原料制备而成：以100份基质沥青计，包括3-7份热塑性弹性体、1-5份热塑性树脂、2-4份增塑剂、1-3份芳烃油、2-6份自修复微胶囊、5-15份硅藻土和0.1-0.3份稳定剂。

进一步地，所述自修复微胶囊由自修复剂、囊壁材料和乳化剂溶液制备而成；其中自修复剂、囊壁材料和乳化剂溶液的重量份配比为：9-15:8-12:60-110。

进一步地，所述自修复剂为抗剥落剂、芳烃油和植物油的复配物；其中抗剥落剂、芳烃油和植物油的重量份配比为：1-3:47-65:45-62。

进一步地，所述囊壁材料选自甲醚化三聚氰胺树脂、甲醚化三聚氰胺-脲醛树脂和甲醚化脲醛树脂中的一种或多种。

进一步地，所述自修复微胶囊还包括助剂，其包括消泡剂、pH调节剂、扩链剂、盐析剂和甲醛吸收剂，份数以重量份计。

进一步地，所述热塑性树脂选自古马隆树脂、聚酰胺树脂和无规聚丙烯中的一种或多种。

进一步地，所述改性沥青所用芳烃油和自修复剂所用芳烃油为同种芳烃油，其芳香烃含量≥70％，饱和烃含量≥20％。

进一步地，热塑性弹性体为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物和氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物复配而成的苯乙烯-丁二烯系嵌段共聚物；其质量比为10-15：3-5。

第二方面，本发明提供了制备本发明所述钢桥面铺装用改性沥青的制备方法。

A.自修复微胶囊制备：

在60-110份乳化剂溶液中加入0.15-0.4份扩链剂、0.7-2份盐析剂，缓滴入9-15份的自修复剂，以2000-3000r/min的速率剪切乳化30-50min，滴入1-2滴消泡剂；滴入8-12份的囊壁材料，并以300-500r/min的速度搅拌，同时从室温以1-2℃/min的速率升至50-70℃，采用pH调节剂调节pH值至2-4，再恒温反应2-3h，加入0.2-0.5份的甲醛吸收剂，待反应体系降温后加入pH调节剂调节pH至6-8，最后清洗、抽滤并烘干。

B.改性沥青制备：

将基质沥青加热至170-180℃，以100份基质沥青计，加入3-7份热塑性弹性体，剪切60-100min，然后依次加入1-5份热塑性树脂、2-4份增塑剂、1-3份芳烃油、2-6份步骤A所制备的自修复微胶囊及5-15份硅藻土并搅拌均匀，继续剪切30-60min，最后加入0.1-0.3份稳定剂，搅拌20-40min，即可得到改性沥青。

第三方面，本发明提供了本发明所述钢桥面铺装用改性沥青用于钢桥面铺装的用途。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明制备的钢桥面铺装改性沥青，当混合料出现开裂后，能够进行自修复行为，阻止了裂缝扩展，降低了二次裂缝发生的可能性，进一步提升铺装层的服役寿命，节省了后期养护次数和成本。

2)本发明制备的钢桥面铺装改性沥青，同时可有效延缓铺装层混合料的温度开裂和疲劳开裂，提升铺装层的服役寿命。

3)本发明制备的钢桥面铺装改性沥青，具有优异的高温性能、黏韧性、低温延性及抗老化性能。

具体实施方式

所举实施例是为了更好地对本发明的内容进行说明，但并不是本发明的内容仅限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

1、公知技术及其出处

1)愈合指数HI：反映沥青或沥青混合料的自愈合能力。《沥青混合料疲劳自愈合特性研究》(现代交通技术第11卷第4期，2014年8月，王昊鹏、杨军等)、中国专利申请CN107617398A、《石墨烯微胶囊沥青双机制愈合机理研究》(中国公路学报第35卷第7期，2022年，张恩浩等)、《Review on the self-healing of asphalt materials:Mechanism,affecting factors,assessments and improvements》(Construction and BuildingMaterials第226篇，2021年1月，Liang B等)中都提到了愈合指数HI反映沥青或沥青混合料的自愈合能力。

2)延度愈合率：反映沥青的自愈合能力。《Investigating the self healingcapability of bituminous binders》(Road Materials and Pavement Design第10卷第1期，2009年10月，Qiu J等)中提到了延度愈合率反映沥青的自愈合能力。

2、本发明还包括以下各种优选方案

优选地，所述抗剥落剂选自脂肪族为主的胺类抗剥落剂或者以磷羟基或氨基酸及其衍生物为主要成分的非胺类抗剥落剂。

优选地，所述植物油选自大豆油、菜籽油和葵花籽油中的一种或多种。

优选地，所述pH调节剂为酸类pH调节剂和碱类pH调节剂。

优选地，所述酸类pH调节剂选自磷酸溶液、醋酸溶液、柠檬酸溶液、苹果酸溶液中的一种或多种。所述碱类pH调节剂选自碳酸氢钠溶液、氢氧化钠溶液、有机胺溶液、磷酸氢二钠溶液中的一种或多种。

优选地，所述硅藻土为500-1000目，硅藻质量分数≥98％。

优选地，所述增塑剂为己二酸二辛酯、癸二酸二辛酯、壬二酸二辛酯中的一种或多种；

优选地，所述基质沥青选自爱思开70#基质沥青、壳牌70#基质沥青、埃索70#基质沥青、泰普克70#基质沥青、双龙70#基质沥青中的一种或多种。

优选地，所述乳化剂溶液选自聚山梨酯80溶液、司盘80溶液、阿拉伯胶溶液、聚氧乙烯辛基苯酚醚-10溶液和十二烷基苯磺酸钠溶液的一种或多种。

优选地，所述乳化剂溶液中乳化剂的质量分数为0.2-1.5％。

优选地，所述消泡剂为正辛醇。

优选地，所述扩链剂为间苯二酚，所述盐析剂为氯化钠，所述甲醛吸收剂为氯化铵。

优选地，所述稳定剂为硫磺。

3、检测标准

延度及老化后延度保持率：JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0605

弹性恢复率：JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0662

黏韧性：JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0624

延度愈合率：JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0605

沥青混合料愈合指数HI：JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0739

沥青愈合指数HI：JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0628

动稳定度：JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0719

低温弯曲应变及老化后低温弯曲应变保持率：JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0715

四点弯曲疲劳次数：JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0739

实施例1

A：自修复微胶囊所用原料：自修复剂(10g，包括0.1g抗剥落剂、5g芳烃油和4.9g植物油)、囊壁材料(8g)、乳化剂溶液(60g)、消泡剂(1滴正辛醇)、酸类pH调节剂(柠檬酸溶液)、碱类pH调节剂(氢氧化钠溶液)、扩链剂(0.15g间苯二酚)、盐析剂(1g氯化钠)和甲醛吸收剂(0.2g氯化铵)。

B：改性沥青所用原料：基质沥青(1000g)、热塑性弹性体(30gSBS和10gSEBS复配物)、热塑性树脂(20g古马隆树脂)、增塑剂(20g己二酸二辛酯)、芳烃油(10g)、步骤A制备的自修复微胶囊(30g)、硅藻土(60g)和硫磺(1g)。

(1)自修复微胶囊制备：

60g乳化剂溶液，加0.15g扩链剂、1g盐析剂，缓慢将10g的自修复剂滴入乳化剂溶液中，高速剪切中乳化30min，滴入1滴消泡剂，剪切速率2000r/min；缓慢将8g囊壁材料滴入乳化剂溶液中并以300r/min的速度搅拌，同时从室温以1℃/min的速率缓慢上升至55℃，采用柠檬酸溶液缓慢调节上述反应pH值至2.5，再恒温反应2h，加入0.2g的甲醛吸收剂吸收多余甲醛，待反应结束后加入氢氧化钠溶液调节体系pH为7，最后清洗、抽滤并烘干得到自修复微胶囊粉末。

(2)改性沥青

将1000g基质沥青加热至170℃，加入40g热塑性弹性体，高速剪切60min，然后依次加入20g热塑性树脂、20g增塑剂、10g芳烃油、30g自修复微胶囊及60g硅藻土并搅拌均匀，继续高速剪切35min，最后加入1g份稳定剂，搅拌20min，即可得到改性沥青。

实施例2

A：自修复微胶囊所用原料：自修复剂(12g，包括0.24g抗剥落剂、5.64g芳烃油和6.12g植物油)、囊壁材料(10g)、乳化剂溶液(80g)、消泡剂(1滴正辛醇)、酸类pH调节剂(醋酸溶液)、碱类pH调节剂(碳酸氢钠溶液)、扩链剂(0.25g间苯二酚)、盐析剂(1.4g氯化钠)和甲醛吸收剂(0.3g氯化铵)。

B：改性沥青所用原料：基质沥青(1000g)、热塑性弹性体(40gSBS和15gSEBS复配物)、热塑性树脂(30g古马隆树脂)、增塑剂(25g己二酸二辛酯)、芳烃油(18g)、步骤A制备的自修复微胶囊(40g)、硅藻土(90g)和硫磺(1.5g)。

(1)自修复微胶囊制备：

80g乳化剂溶液，加0.25g扩链剂、1.4g盐析剂，缓慢将12g的自修复剂滴入乳化剂溶液中，高速剪切中乳化40min，滴入1滴消泡剂，剪切速率2500r/min；缓慢将10g囊壁材料滴入乳化剂溶液中并以400r/min的速度搅拌，同时从室温以1.5℃/min的速率缓慢上升至60℃，采用醋酸溶液缓慢调节上述反应pH值至3，再恒温反应2.5h，加入0.3g的甲醛吸收剂吸收多余甲醛，待反应结束后加入碳酸氢钠溶液调节体系pH为6.6，最后清洗、抽滤并烘干得到自修复微胶囊粉末。

(2)改性沥青

将1000g基质沥青加热至175℃，加入55g热塑性弹性体，高速剪切80min，然后依次加入30g热塑性树脂、25g增塑剂、18g芳烃油、40g自修复微胶囊及90g硅藻土并搅拌均匀，继续高速剪切45min，最后加入1.5g稳定剂，搅拌30min，即可得到改性沥青。

实施例3

A：自修复微胶囊所用原料：自修复剂(14g，0.35g抗剥落剂、6.77g芳烃油和6.88g植物油)、囊壁材料(12g)、乳化剂溶液(100g)、消泡剂(2滴正辛醇)、酸类pH调节剂(磷酸溶液)、碱类pH调节剂(磷酸氢二钠溶液)、扩链剂(0.35g间苯二酚)、盐析剂(1.9g氯化钠)和甲醛吸收剂(0.4g氯化铵)。

B：改性沥青所用原料：基质沥青(1000g)、热塑性弹性体(50gSBS和17gSEBS复配物)、热塑性树脂(40g古马隆树脂)、增塑剂(36g己二酸二辛酯)、芳烃油(23g)、步骤A制备的自修复微胶囊(60g)、硅藻土(130g)和硫磺(2.3g)。

(1)自修复微胶囊制备：

100g乳化剂溶液，加0.35g扩链剂、1.9g盐析剂，缓慢将14g的自修复剂滴入乳化剂溶液中，高速剪切中乳化50min，滴入2滴消泡剂，剪切速率3000r/min；缓慢将12g囊壁材料滴入乳化剂溶液中并以500r/min的速度搅拌，同时从室温以2℃/min的速率缓慢上升至70℃，采用磷酸溶液缓慢调节上述反应pH值至3.5，再恒温反应3h，加入0.4g的甲醛吸收剂吸收多余甲醛，待反应结束后加入磷酸氢二钠溶液调节体系pH为7.3，最后清洗、抽滤并烘干得到自修复微胶囊粉末。

(2)改性沥青

将1000g基质沥青加热至180℃，加入67g热塑性弹性体，高速剪切90min，然后依次加入40g热塑性树脂、36g增塑剂、23g芳烃油、60g自修复微胶囊及130g硅藻土并搅拌均匀，继续高速剪切55min，最后加入2.3g稳定剂，搅拌35min，即可得到改性沥青。

对比例1

改性沥青所用原料：基质沥青(1000g)、热塑性弹性体(50gSBS和17gSEBS复配物)、热塑性树脂(40g古马隆树脂)、增塑剂(36g己二酸二辛酯)、芳烃油(23g)、硅藻土(130g)和硫磺(2.3g)。

将1000g基质沥青加热至180℃，加入67g热塑性弹性体，高速剪切90min，然后依次加入40g热塑性树脂、36g增塑剂、23g芳烃油及130g硅藻土并搅拌均匀，继续高速剪切55min，最后加入2.3g稳定剂，搅拌35min，即可得到改性沥青。

实施例1-3和对比例1制备的钢桥面铺装改性沥青性能如表1：

表1钢桥面铺装改性沥青性能

可以看出，实施例1-3改性沥青的延度愈合率和愈合指数HI均显著优于对比例改性沥青和常规改性沥青，可以证明本发明制得的钢桥面铺装用改性沥青的自愈合能力强。同时，从软化点、延度、黏韧性、老化后延度保持率等指标可以看出，本发明制得的钢桥面铺装用改性沥青具有优异的高低温性能、黏韧性和抗老化性能。

采用实施例1-3和对比例1制备的改性沥青制备钢桥面铺装改性沥青混合料SMA10，采用级配中值，油石比采用5.9％，聚酯纤维用量为混合料总质量的0.30％，拌和温度为180℃，拌和时间为180s。钢桥面铺装改性沥青混合料SMA10性能如表2：

表2钢桥面铺装改性沥青混合料SMA10性能

可以看出，采用本发明改性沥青制备的混合料SMA10具有更高的愈合指数，可以证明混合料的自愈合能力强。同时，四点弯曲疲劳次数和低温弯曲应变可以证明本发明混合料的抗开裂性能优异；动稳定度可以证明混合料的高温性能良好；老化后低温弯曲应变保持率可以证明混合料的老化性能良好。因此，本申请制得的钢桥面铺装改性沥青混合料SMA10出现开裂后，可以靠自身优异的自愈合能力完成自我修复。同时，其高温性能、抗开裂能力、耐老化能力都很好，可延长钢桥面铺装的服役寿命。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式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。