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本发明涉及工程修复材料技术领域,具体是一种高速铁路沥青混凝土防水封闭层用常温快速固化裂缝修补剂及制备方法。

背景技术

防水封闭结构作为高铁路基阻止表水入侵的第一道防线,是路基长期保持良好服役状态的重要保障。中国铁路总公司与东南大学合作开展了基床表层全断面沥青混凝土防水封闭层的关键技术研究,对基床表层沥青混凝土的材料组成特性、温度效应、疲劳特性、动力响应特性、沥青混凝土与底座板的层间界面特性等进行了系统的研究,并先后于郑徐、京张客运专线铺筑了试验路段。经室内数值模拟及现场加速加载试验发现我国高速铁路路基沥青混凝土封闭结构与高速公路及国外铁路在功能定位、受力模式、破坏机制存在较大差异,主要存在3种破坏模式,分别为表层被动拉伸、底层弯拉疲劳损伤、材料低温开裂,存在产生裂缝的可能性。

工程跟踪亦表明,高速铁路防水封闭层存在一定的裂缝,尤其是底座板接缝处裂缝明显,主要由被动拉伸产生。裂缝的产生对防水封闭层功能具有致命性危害,影响高速铁路安全运营,必须采用有效措施阻止裂缝对防水功能及其后续影响。热沥青修补是一种较为传统的沥青路面修补方式,但该种修补方式要求使用时候反复加热,能源消耗高且对影响环境。乳化沥青的出现有效地解决了上述问题,其具有节能、提高功效及延长施工季节等优势。然而,现有乳化沥青并未考虑高速铁路沥青混凝土防水封闭层天窗点施工、超长使用寿命需求及被动拉伸处强度、变形能力需求较大等特点,容易出现被动拉伸造成的界面破坏。如现有的沥青基灌缝胶在严寒地区柔性变形能力会严重下降,导致灌缝胶本体或界面粘结失效(李峰等,交通运输工程学报,2009,9(2):7-11)。此外,现有乳化沥青因体系原有水分无法完全消散(汪锐,东南大学硕士学位论文-《乳化沥青-集料界面粘附性能及改善方法研究》),从而导致其较热沥青的抗冻融水损及低温韧性较差,不能够满足高寒地区所用乳化沥青的抗冻融循环破坏要求,有待进一步改善。为解决上述问题,以专利CN201910369006.9中提出采用聚氨酯、环氧黏结料等技术逐步应用于沥青路面灌缝,然而,此类灌封胶固化条件较为严苛,耗时较长而且造价昂贵。因此,本发明结合乳化沥青施工和易性高及树脂体系强度高的技术基础,开发一种基于乳化沥青体系的常温快速固化裂缝修补剂,以满足高速铁路沥青混凝土防水封闭层的灌缝需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是:现有的乳化沥青的抗拉强度和断裂伸长率较低,难以满足高速铁路防水封闭层被动拉伸处裂缝修补的需求,解决乳化沥青天窗点施工后强度达到使用要求及裂缝修补材料的抗冻融循环能力等问题。

为了解决上述技术问题:本发明提供了一种高速铁路沥青混凝土防水封闭层用常温快速固化裂缝修补剂及制备方法,包括以下步骤:

步骤1:利用双螺杆挤出工艺将事先采用生物油溶胀后1~2h的胶粉在100℃进行绿色脱硫,制备一次脱硫低门尼再生胶,制备后保存时间不超过30min;

步骤2:将步骤(1)中得到的脱硫低门尼再生胶与其质量5-20%计的改性单体进行密炼共混,实现胶粉二次脱硫及防止硫化结构反弹,随后利用造粒机制备改性脱硫胶粒;

步骤3:将基质沥青加热至140-160℃,加入以基质沥青重量计20-30%的改性脱硫低门尼胶粒,再加入以改性脱硫低门尼重量计2-5%的促进剂,搅拌混合,在140-160℃反应4-6h,得到二次脱硫复合改性橡胶沥青;

步骤4:配制质量浓度1-15%的低聚物多元醇水分散体,加入分别以低聚物多元醇水分散体重量计3-20%的二异氰酸酯、1-10%的二元伯胺扩链剂和0.003-0.1%的催化剂,搅拌混合,在60-80℃反应2-6h,获得自乳化型水性聚氨酯溶液;

步骤5:将步骤3中得到的二次脱硫复合改性橡胶沥青以1:0.1-2.0的重量比加入至步骤(4)得到的水性聚氨酯溶液中,辅以0.1~0.5%质量份稳定剂、0.2-0.6%质量份PH调节剂采用胶体磨或高速剪切机,循环15-30min,直至乳液变成灰褐色,制得高速铁路沥青混凝土防水封闭层用常温快速固化裂缝修补剂A组分;

步骤6:以消石灰及其质量份数的5~20%消泡剂混合搅拌制备高速铁路沥青混凝土防水封闭层用常温快速固化裂缝修补剂B组分。

步骤7:组分A与组分B分别搅拌混合配置后,按一质量份数进行混合并搅拌均匀,即得所述灌缝胶。

优选地,所述步骤(1)中脱硫胶粉原材料为卡车轮胎经相应工艺获取的胶粉,经脱硫后的门尼粘度低于30门尼。

优选地,所述步骤(1)中预先溶胀的生物油为芳香分不低于50%的经地沟油、废植物油或废机油经提炼获取的一种或多种类型生物油,如环氧大豆油。

优选地,所述步骤(2)中所述改性单体为丙烯酸、过氧化二异丙酯、过氧化苯甲、丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、马来酸酐中一种或几种混合。

优选地,所述步骤(2)中密炼机的密炼时间是20~40min,比如30~35min。

优选地,所述步骤(3)中基质沥青为基质沥青为天然沥青、石油沥青、调和沥青或煤沥青的一种或几种混合,可以是70#基质沥青或90#沥青。

优选地,所述步骤(3)中促进剂为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰和叔丁基过氧化氢中的任意一种或几种混合,其为强氧化剂,用于促进马来酸酐与沥青、沥青与聚合物的接枝共聚反应,从而构建聚合物网络;

优选地,所述步骤(3)中的搅拌混合优选是以转速2000-5000r/min、比如3000-4000r/min搅拌混合。

优选地,所述步骤(4)中低聚物多元醇水分散体为聚乙二醇、聚丙二醇、聚丁二醇的一种或几种混合;

优选地,所述步骤(4)中催化剂为二异辛基二硫醇锡、二丁基二硫醇锡或两者的混合物;

优选地,所述步骤(5)中稳定剂为氯化钙、氯化镁、氯化钠、氯化铵中的一种或多种混合;

优选地,所述步骤(5)中PH调节剂为盐酸、硫酸、醋酸、甲酸中的一种或多种混合。

优选地,所述步骤(6)中消泡剂为异丁醇、磷酸三丁酯、有机硅消泡剂中的一种或多种混合。

本发明还提供了上述水性聚氨酯/脱硫胶粉复合改性乳化沥青,其脱水后便可形成水性聚氨酯/脱硫胶粉复合改性沥青。

有益效果

本发明的方法提供一种高速铁路沥青混凝土防水封闭层用常温快速固化裂缝修补剂,是一种全新的沥青混凝土裂缝修补剂,在使用后,可快速固化,具有良好的稳定性、抗氧化性、抗低温性能,裂缝的机械性能和抗拉伸能力有大幅度提高,同时耐候性好,能够适应恶劣环境。

本发明得到的裂缝修补剂制备工艺简单快速,产品抗拉强度为3MPa以上,断裂伸长率为100%以上,弗拉斯脆点低于零下25℃,且具有良好的稳定性,B组分的存在使得裂缝修补剂在现场实施中因消石灰与水接触后,放热加快反应速率,有效提升了固化速率,满足天窗点维修时间短,同时耐候性好,且极大提高了耐低温性能,解决了乳化沥青修补裂缝强度形成耗时长、强度低及抗冻融性差等问题。另外,本发明的高速铁路沥青混凝土防水封闭层用常温快速固化裂缝修补中脱硫胶中的炭黑可对聚氨酯组分及沥青组分在紫外光激发下的自由基进行扑灭,有效提升修补剂的耐候性,废旧轮胎获得最大化利用,因此属于环境友好型建设材料,具有广阔的应用前景。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂,兹以优选实施例,作详细说明如下。

一种高速铁路沥青混凝土防水封闭层用常温快速固化裂缝修补剂及制备方法,包括以下步骤:

步骤1:利用双螺杆挤出工艺将事先采用生物油溶胀后1~2h的胶粉在100℃进行绿色脱硫,制备一次脱硫低门尼再生胶,为防止脱硫胶粉回溯/二次硫化,制备后保存时间不超过30min;

步骤2:将步骤(1)中得到的脱硫低门尼再生胶与其质量5-20%计的改性单体进行密炼共混,实现胶粉二次脱硫及防止硫化结构反弹,随后利用造粒机制备改性脱硫胶粒;

步骤3:将基质沥青加热至140-160℃,加入以基质沥青重量计20-30%的改性脱硫低门尼胶粒,再加入以改性脱硫低门尼重量计2-5%的促进剂,搅拌混合,在140-160℃反应4-6h,得到二次脱硫复合改性橡胶沥青;

步骤4:配制质量浓度1-15%的低聚物多元醇水分散体,加入分别以低聚物多元醇水分散体重量计3-20%的二异氰酸酯、1-10%的二元伯胺扩链剂和0.003-0.1%的催化剂,搅拌混合,在60-80℃反应2-6h,获得自乳化型水性聚氨酯溶液;

步骤5:将步骤3中得到的二次脱硫复合改性橡胶沥青以1:0.1-2.0的重量比加入至步骤(4)得到的水性聚氨酯溶液中,辅以0.1~0.5%质量份稳定剂、0.2-0.6%质量份PH调节剂采用胶体磨或高速剪切机,循环15-30min,直至乳液变成灰褐色,制得高速铁路沥青混凝土防水封闭层用常温快速固化裂缝修补剂A组分;

步骤6:以消石灰及其质量份数的5~20%消泡剂混合搅拌制备高速铁路沥青混凝土防水封闭层用常温快速固化裂缝修补剂B组分,消泡剂的掺入量视A组分中乳液溶度而定,浓度高时选用上限,浓度低选用下限。

步骤7:组分A与组分B分别搅拌混合配置后,按一质量份数进行混合并搅拌均匀,即得所述灌缝胶。

本发明制备的一种高速铁路沥青混凝土防水封闭层用常温快速固化裂缝修补剂,具有较高的抗拉强度、抗紫外老化及低温稳定性。当胶粉绿色脱硫再生至黏度低于30门尼黏度后,胶粉将释放炭黑并生成活性基团氨基,而门尼黏度较高时则无法生成氨基。当改性单体加入脱硫再生胶后,改性单体与胶粉氨基、脱硫断裂后的C-S、S-S等进行酯化或接枝聚合,防止再生胶的二次硫化,待其一同加入基质沥青后,改性单体一方面与沥青中的羟基等活性基团进行酯化反应,起到偶联剂作用,增加沥青的平均分子量,另一方面原先与再生胶接枝的部分可与上述部分联合,一同形成胶粉-改性单体-沥青的三元接枝聚合物,相当于再生胶粉的稳定剂,从而显著提升胶粉的相容性,增强胶粉分散的均匀度,形成稳定的网络结构。

在使用改性单体进行再生胶粉及沥青改性时,加入量可以为再生胶粉的5-20wt%、例如6-18wt%、7-18wt%、优选6-18wt%,更优选大约12wt%左右,可以根据再生胶门尼黏度、预期的接枝反应程度即接枝率而定,接枝率越高,产品乳化后越稳定。如果改性单体加入量低于5wt%,固化后聚合物之间因缺失“架桥”的化学键导致聚合物整体力学性能下降,达不到改性的目的;如果改性单体加入量高于20wt%,待其一同加入沥青后,沥青会因为接枝密度过高而凝胶,可能无法乳化成为乳液。另一方面,再生胶粉的加入量为基质沥青的20-30wt%、例如21-28wt%、22-27wt%、优选约24-28wt%的再生胶粉。再生胶粉是非极性物质,而沥青是弱极性物质,再生胶粉添加量过少会导致体系改性单体与沥青之间更充分的酯化反应,极大地降低沥青与接枝再生胶粉之间的极性平衡,且提高再生胶微粒之间的相互作用力,降低再生胶微粒的形变能力,从而在一定程度上降低体系的耐低温性能。但过量的再生胶则无法充分与改性单体沥青接枝聚合而聚集在一起,使得两者混合时容易发生相分离,从而导致胶粉离析。

随后通过控制水性聚氨酯合成中DMPA的添加比例,得到羧基含量50%以上的水性聚氨酯作为大分子乳化剂。这样制备出的大分子乳化剂储存稳定性高,分散到沥青体系中后。当沥青中水分未挥发时作为隔离剂,使沥青中与环氧基团反应的官能团,如顺丁二烯酸酐等基团进行阻隔;当沥青中的水分挥发后,水性聚氨酯中大量的羧基又能与脱硫产生的酯进行酯交换,形成稳定的交联结构。此外水性聚氨酯中大量存在的PEG和DMPA作为“软段”,以及再生胶粒中的氨基、烯嵌段协同作用,在低温下仍然保持良好的韧性,从而显著提高乳化沥青的耐低温性能。在制备该聚氨酯水溶液时,水溶液中低聚合物多元醇的浓度可以为1-15wt%,例如为3-12wt%、4-13wt%,优选大约10wt%左右,可以根据低聚合物多元醇的聚合度或分子量、基质沥青的种类等而定。如果聚乙二醇浓度低于1wt%,步骤(3)中所得到的马来酸酐/再生胶改性沥青乳液的稳定性有下降趋势;如果低聚合物多元醇水溶液浓度高于15wt%,最终产品粘度会提高,不利于实际使用,同时耐水性下降,也会造成聚合物材料的浪费、增加改性沥青乳液的生产成本。异氰酸酯加入量以低聚合物多元醇水溶液的重量计为3-20wt%,例如为5-18wt%、6-15wt%、7-13wt%,优选大约为10wt%左右,可以根据异氰酸酯种类、低聚合物多元醇水溶液的浓度、低聚合物多元醇的聚合度或分子量、预期的低聚合物多元醇交联程度而定。如果异氰酸酯加入量低于3wt%,难以与低聚合物多元醇充分发生反应形成稳定的大分子乳化剂水溶液。如果异氰酸酯加入量高于20wt%,会造成低聚合物多元醇分子间交联密度增大而导致聚乙烯醇凝胶。扩链剂的使用则充分考虑到控制体系的分子量范围,掺入量过低时,低聚物多元醇链段较短,与聚合物改性沥青分子量相差较远,容易离析,掺入量较高时,分子量过大则将导致水性溶液不稳定。最后,催化剂的使用则与希望的反应时间而定,掺入量过低,制备时间过长,掺入量过高时,反应过于激烈,容易产生安全隐患。

本发明的改性乳化沥青裂缝修补剂,采用了与现有技术不同的原料组成、配比和加工工艺,得到的沥青产品解决了乳化沥青与胶粉的相容性的问题,具有良好的稳定性、抗氧化性等性能的同时,提高了修补剂的粘结能力且显著改善了其耐低温性能,取得了保护生态环境的效果。此外,本发明的改性乳化沥青裂缝修补剂,具有常温搅拌拌快速固化、且固化后的沥青材料具有高强度、高硬度和高延展性的特性,适用于高速铁路防水封闭层特定抗拉伸破坏界面的修补。

实施例1:

(1)首先利用双螺杆挤出工艺将事先采用生物油溶胀后1.5h的胶粉在100℃进行绿色脱硫,制备一次脱硫低门尼再生胶(门尼黏度15),制备后立马转入下一步;

(2)将步骤(1)中得到的低门尼再生胶取一定质量,如100g与其质量10%计(即10g)的马来酸酐进行密炼共混,随后利用造粒机制备改性脱硫胶粒;

(3)将300g70#基质沥青加热至150℃,加入以基质沥青重量计20%(即60g)的改性脱硫低门尼胶粒,再加入以改性脱硫低门尼重量计3%(即1.8g)的过氧化苯甲酰,搅拌混合,在150℃反应4-6h,得到二次脱硫复合改性橡胶沥青;

(4)配制质量浓度10%的聚乙二醇水分散体1000g,加入分别以聚乙二醇水分散体重量计8%(即8g(1000g*10%*8%))的二异氰酸酯、6%(即6g(1000g*10%*6%))的二元伯胺扩链剂和0.005%(即0.005 g(1000g*10%*0.005%))的二丁基二硫醇锡,搅拌混合,在70℃反应4h,获得自乳化型水性聚氨酯溶液;

(5)将步骤3中得到的二次脱硫复合改性橡胶沥青100g以1:1.0的重量比加入至步骤(4)得到的100g水性聚氨酯溶液中,辅以0.3%质量份(即200*0.3%=0.6g)氯化钙、0.4%质量份(即200*0.4%=0.8g)盐酸采用胶体磨或高速剪切机,循环25min,制得高速铁路沥青混凝土防水封闭层用常温快速固化裂缝修补剂A组分;

(6)以100g消石灰及其质量份数的12%(即12g)异丁醇混合搅拌制备高速铁路沥青混凝土防水封闭层用常温快速固化裂缝修补剂B组分。

(7)组分A与组分B分别搅拌混合配置后,按5:1进行混合并搅拌均匀,即得所述灌缝胶。

对比例1:

(1)首先利用双螺杆挤出工艺将事先采用生物油溶胀后1.5h的胶粉在100℃进行绿色脱硫,制备一次脱硫低门尼再生胶(门尼黏度15),制备后立马转入下一步;

(2)将步骤(1)中得到的低门尼再生胶用造粒机制备改性脱硫胶粒;

(3)将70#基质沥青加热至150℃,加入以基质沥青重量计20%的改性脱硫低门尼胶粒及其质量10%的马来酸酐,再加入以改性脱硫低门尼重量计3%的过氧化苯甲酰,搅拌混合,在150℃反应4-6h,得到二次脱硫复合改性橡胶沥青;

(4)配制质量浓度10%的聚乙二醇水分散体,加入分别以聚乙二醇水分散体重量计8%的二异氰酸酯、6%的二元伯胺扩链剂和0.005%的二丁基二硫醇锡,搅拌混合,在70℃反应4h,获得自乳化型水性聚氨酯溶液;

(5)将步骤3中得到的二次脱硫复合改性橡胶沥青以1:1.0的重量比加入至步骤(4)得到的水性聚氨酯溶液中,辅以0.3%质量份氯化钙、0.4%质量份盐酸采用胶体磨或高速剪切机,循环25min,制得高速铁路沥青混凝土防水封闭层用常温快速固化裂缝修补剂A组分;

(6)以消石灰及其质量份数的12%异丁醇混合搅拌制备高速铁路沥青混凝土防水封闭层用常温快速固化裂缝修补剂B组分。

(7)组分A与组分B分别搅拌混合配置后,按5:1进行混合并搅拌均匀,即得所述灌缝胶。

对比例2

与实施例1基本相同,除了将低门尼再生胶替换为普通胶粉。

对比例3

与实施例1基本相同,除了不添加马来酸酐。

对比例4

与实施例1基本相同,除了不加入自乳化性水性聚氨酯。

对比例5

与实施例1基本相同,除了不加入裂缝修补剂组分B。

将实施例与对比的材料根据规划进行标准测试,结果如下表。

表1 裂缝修补剂蒸发残留物性能测试

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

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