一种EME-14高模量沥青混凝土及其制备方法

技术领域

本申请涉及建筑材料的领域，尤其是涉及一种EME-14高模量沥青混凝土及其制备方法。

背景技术

EME沥青混凝土是一种新型道路材料， EME沥青混凝土的优点具体体现在：减小路表弯沉，提高路表承载力；结构层应力和压应变减小；提高整体沥青层抗剪、抗车辙的能力。

EME型混凝土也可称之为高模量混凝土，EME型混凝土在国外的发展时间较长，国内的研究起步较晚，但通过国内近些年的研究表明，高模量剂对混凝土的模量影响显著。为了应对混凝土在不同环境下的使用需求，通常使得高模量剂具有高温稳定性、耐低温、遇水稳定等性能，因此高温稳定高模量剂、耐低温高模量剂、防水高模量剂等应运而生，有效改善混凝土的性能。

针对上述相关技术，发明人认为应用于桥梁、路面等混凝土，长期受水汽侵蚀，并且无遮挡物，环境气温升高后，使得混凝土还需经受高温，而简单采用高温稳定模量剂或防水高模量剂对混凝土进行改性，混凝土对其余因素的影响仍无较大抵抗力，导致混凝土存在耐久性不佳的缺陷。

发明内容

为了改善混凝土耐久性不佳的缺陷，本申请提供一种EME-14高模量沥青混凝土及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种EME-14高模量沥青混凝土，采用如下的技术方案：

一种EME-14高模量沥青混凝土，包括以下重量份物质：2-4份基质沥青、40-50份粗集料、20-30份细集料、5-10份增强剂和5-10份高模量剂，所述增强剂包括矿粉，所述高模量剂包括高压低密聚乙烯和SBS。

通过采用上述技术方案，首先，本申请技术方案采用高压低密聚乙烯和SBS配合作为高模量剂，SBS能够在沥青中形成发散且连续的网状结构，进而在沥青中形成良好的骨架结构，并且网状结构能够对沥青中各组分进行牵拉，有效密实沥青混凝土的致密程度。而高压低密聚乙烯作为超支化结构，自身具有网状结构，因此在高模量剂中能够形成相互穿插的交联网状结构，增强了骨架的稳固性，有效增强了沥青混凝土的密实程度。

其次，高压低密聚乙烯能够粘结于粗集料以及细集料上，增大了集料的比表面积以及表面吸附效果，不仅增强沥青混凝土的内聚力和整体性，还能够促进高模量剂在沥青混凝土中均匀分散，并且高压低密聚乙烯内部的柔性分子链段，增加了高模量剂的柔韧性，使得沥青混凝土能够获得均匀的水稳定性以及低温效果。

最后，采用矿粉作为增强剂，矿粉具有较强的表面吸附效果，能够有效吸附并填充集料孔隙，并且增强高模量剂和沥青混凝土中其余组分之间的结合强度，能够进一步增强沥青混凝土的水稳定性和低温耐受性。

优选的，所述基质沥青为经改性剂改性处理的基质沥青，所述改性剂包括高温丁苯胶乳和低温丁苯胶乳。

通过采用上述技术方案，采用丁苯胶乳对基质沥青进行改性，丁苯乳胶中存在树脂链段结构和橡胶链段结构，使得丁苯乳胶能够同时获得柔顺性和刚性，因此，使得丁苯乳胶对沥青改性后，能够改善沥青的柔韧性以及刚性。而采用高温丁苯乳胶和低温丁苯乳胶配合对沥青进行改性，高温丁苯乳胶中具有较多的凝胶含量，凝胶能够溶胀于沥青的油性成分中，使得凝胶的分子链段与沥青穿插交联，由于凝胶分子具有不溶不融的特性，能够有效改善沥青的软化点。而低温丁苯乳胶中，柔性链段较多，柔性链段缠绕沥青，改善了沥青的延度。因此，高温丁苯乳胶中的凝胶分子链在溶胀后，能够穿插沥青和柔性链段，在凝胶分子链段的骨架支撑下，沥青内部形成交错网络结构，有效改善了沥青混凝土对温度的敏感程度。

优选的，所述改性剂还包括生物聚合物。

通过采用上述技术方案，生物聚合物对沥青进行改性，由于生物聚合物与沥青的组分相似，因此能够促进改性剂在沥青中均匀分散并充分改性沥青，使得沥青获得均匀的耐高温和耐低温性能。在沥青混凝土凝固凝结的过程中，生物聚合物随着时间的延长聚合程度提高，因此能够进一步提高沥青混凝土的强度，减少沥青混凝土开裂等现象的发生。

优选的，所述增强剂还包括多孔纤维和相变调温剂。

通过采用上述技术方案，采用多孔纤维、相变调温剂和矿粉配合作为增强剂，多孔纤维具有较为粗糙的表面结构，进而多孔纤维能够对矿粉和相变调温剂进行负载，穿插于增强剂中，降低增强剂中各组分之间团聚的可能性。而且，多孔纤维能够发生缠结，进而构成骨架结构，不仅对沥青混凝土中各组分进行牵拉，减少混凝土开裂现象的发生，还能支撑密实沥青混凝土，稳定增强了沥青混凝土的强度。并且相变调温剂的加入，降低了沥青混凝土对温度的敏感性，即提高了沥青混凝土的高温稳定性以及低温抗裂性。

优选的，所述相变调温剂包括质量比为1-3:5-15:0.5-1.5的聚丙烯气凝胶、硬脂酸和碳化硼。

通过采用上述技术方案，本申请中采用聚丙烯、硬脂酸和碳化硼配合作为相变调温剂，由于聚丙烯气凝胶具有较多的孔隙结构，而且自身具有稳定且柔韧的骨架结构，不仅能够充分吸附硬脂酸，实现对热量的储存和释放；还能进一步对沥青混凝土进行密实，有效改善了沥青混凝土的高、低温稳定性以及强度。同时，碳化硼具有层状结构，碳化硼能够插层至聚丙烯气凝胶中，扩宽聚丙烯气凝胶的孔隙结构，增加聚丙烯气凝胶对硬脂酸的吸附量以及吸附牢固度，使得相变调温剂能够在沥青混凝土中稳定吸收或释放热量，提高沥青混凝土的软化点并且延缓冷却速度。

优选的，所述相变调温剂还包括石墨烯。

通过采用上述技术方案，本申请技术方案采用在相变调温剂中增加石墨烯，碳化硼和石墨烯均为片层结构，在聚丙烯气凝胶的影响下，碳化硼和石墨烯的片层结构均发生扭曲缠结，形成吸附孔道结构。并且部分未缠结完全的片层结构能够再次插层至聚丙烯凝胶中，增加了凝胶吸附孔隙量，提高了气凝胶对硬脂酸的吸附效果，能够形成三元复合结构，有效增强相变调温剂对热量的调控效果。

优选的，所述高模量剂还包括橡胶粉和芳烃油，所述高压低密聚乙烯、SBS、橡胶粉和芳烃油的质量比为2-8:5-10:15-25:10-20。

通过采用上述技术方案，本申请技术方案采用高压低密聚乙烯、SBS、橡胶粉和芳烃油配合作为高模量剂，SBS能够溶胀于芳烃油中，形成发散状的丝状或细小颗粒，而橡胶粉具有网状结构，进而SBS和橡胶粉能够相互穿插，形成支撑网络。同时，高压低密聚乙烯能够掺杂至支撑网络中，形成复杂穿插网络，高压低密聚乙烯还能够降低高模量剂的粘度，改善沥青的粘性，使得沥青混凝土中各组分分散均匀，即沥青混凝土获得均匀的强度。

优选的，所述SBS上掺杂有掺杂料，所述掺杂料包括钢砂、蒙脱土和环氧树脂微胶囊。

通过采用上述技术方案，采用钢砂、蒙脱土和环氧树脂微胶囊配合作为掺杂料掺杂SBS，蒙脱土为多层结构，能够对钢砂以及环氧树脂微胶囊进行部分负载，并且蒙脱土与沥青混合后，油状物质对蒙脱土进行侵蚀改性，使得蒙脱土能够形成插层型以及剥离型复合片层结构，蒙脱土与沥青混凝土之间的结合效果较佳，提高SBS在沥青混凝土中的分散均匀性。

其次，钢砂能够在沥青中进行导电，当沥青混凝土内部破裂时，可以采用电磁感应的方式，钢砂导电并发热，促进沥青融化流动，对裂缝处进行修补，无需外加混凝土对裂缝处进行修补。因此钢砂不仅能对混凝土进行填充增强，还能够导热修补沥青混凝土，使得沥青混凝土获得长效的强度。

最后，在沥青混凝土破裂后，环氧树脂微胶囊外壳受牵拉力破裂，环氧树脂外流，对裂缝处进行粘结修补，并且与微胶囊外壳反应，实现固化，稳定对裂缝处进行粘结修补，维持沥青混凝土的整体性以及强度。

第二方面，本申请提供一种EME-14高模量沥青混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：

一种EME-14高模量沥青混凝土的制备方法，包括以下制备步骤：S1、集料预热：取粗集料和细集料，升温加热，搅拌混合，得到预热料；S2、沥青制备：取预热料、高模量剂和增强剂，搅拌混合，控制干拌时间为10-20s，干拌温度为160-170℃，加入沥青，继续搅拌，得到沥青混凝土。

通过采用上述技术方案，本申请技术方案优化了沥青混凝土中各组分的干拌时间以及干拌温度，能够促进粉料之间的分散效果以及活化程度，有利于后续粉料与沥青之间的结合效果，能够在沥青混凝土中形成稳固交联网状结构，使得沥青混凝土获得较佳的强度和高低温耐受性。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于本申请采用高压低密聚乙烯和SBS配合作为高模量剂，由于高压低密聚乙烯具有超支化结构，使得高模量剂中形成有穿插的网络结构，使得沥青混凝土中获得稳固的骨架结构；并且高模量剂能够粘结于集料表面，增加集料的比表面积以及表面吸附效果，进一步增强了沥青混凝土的内聚力和整体性，有效改善了沥青混凝土的强度以低温效果。

2、本申请中优选采用聚丙烯气凝胶、硬脂酸和碳化硼作为相变调温剂，使得相变调温剂中形成三元复合结构，碳化硼片层结构能够插层至聚丙烯气凝胶中，增加聚丙烯气凝胶的孔道结构，提高了气凝胶对硬脂酸的吸附量和吸附牢固性，有效降低了混凝土对温度的敏感性，高温吸热，低温放热，延缓温度对沥青的影响，因此，沥青混凝土获得了较佳的耐高温和低温的效果。

3、本申请的方法，优化了干拌的温度和干拌时间，能够促进粉料之间的分散均匀性以及活化程度，提高粉料与沥青之间的结合强度，在沥青混凝土中形成牢固的交联网结构，因此沥青混凝土获得了较佳的密实程度和强度。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例中，所选用的药品如下所示，但不以此为限：

药品：北京五洲图圆进出口贸易有限公司的特立尼达湖沥青天然沥青、苏州聚亚化工科技有限公司的保险粉、余姚市凯鸽塑化有限公司的牌号为

LD605的高压低密聚乙烯、乳化剂A济南泉星新材料有限公司的乳化剂TX-10、武汉吉业升化工有限公司的歧化松香酸钾、济南远祥化工有限公司的叔十二烷基硫醇、淄博欣久橡胶助剂有限公司的芳烃油。

制备例

丁苯胶乳制备例

制备例1

分别称量1.5kg硬质酸钠、3.8kg歧化松香酸钾、0.02kg硫酸亚铁、0.07kg吊白块、0.1kgEDTA、1.2kg氯化钾、25kg苯乙烯、75kg丁二烯、0.02kg保险粉、0.1kg过氧化氢对孟烷、100kg水和0.3kg叔十二烷基硫醇。

将硬质酸钠和水搅拌混合，得到溶解液，向溶解液中加入歧化松香酸钾，搅拌混合，得到乳化剂。向聚合釜中加入苯乙烯、乳化剂、硫酸亚铁、吊白块、EDTA、氯化钾、保险粉、过氧化氢对孟烷搅拌混合，加入丁二烯和叔十二烷基硫醇，控制聚合温度为8℃，聚合12h，得到低温丁苯胶乳。

制备例2

分别称量1.8kg硬质酸钠、4kg歧化松香酸钾、1kg磷酸三钠、0.3kg过硫酸钾、100kg水、0.5kg叔十二烷基硫醇、25kg苯乙烯、75kg丁二烯和0.18kg乳化剂A。

将硬质酸钠和水搅拌混合，得到溶解液，向溶解液中加入歧化松香酸钾，搅拌混合，得到乳化剂。向聚合釜中加入苯乙烯、乳化剂、乳化剂A、磷酸三钠、过硫酸钾搅拌混合，加入丁二烯和叔十二烷基硫醇，控制聚合温度为60℃，聚合12h，得到高温丁苯胶乳。

制备例3

分别称量1.6kg硬质酸钠、3.5kg歧化松香酸钾、0.02kg硫酸亚铁、0.08kg吊白块、0.1kgEDTA、0.7kg氯化钾、25kg苯乙烯、75kg丁二烯、0.02kg保险粉、0.1kg过氧化氢对孟烷、100kg水和0.3kg叔十二烷基硫醇、0.26kg扩散剂、0.36kg乳化剂A和0.3kg过硫酸钾。

将硬质酸钠和水搅拌混合，得到溶解液，向溶解液中加入歧化松香酸钾，搅拌混合，得到乳化剂。向聚合釜中加入苯乙烯、乳化剂、乳化剂A、磷酸三钠、过硫酸钾、硫酸亚铁、吊白块、EDTA、氯化钾、保险粉搅拌混合，再加入丁二烯和叔十二烷基硫醇，控制低温反应温度为8℃，反应4h，升温至45℃，反应8h，得到高温-低温丁苯胶乳。

改性剂制备例

制备例4-5

分别取高温丁苯胶乳、低温丁苯胶乳、高温-低温丁苯胶乳和生物聚合物，具体质量见表1，得到改性剂1-2。其中，生物聚合物为植物油废料抽提出的生物质油。

表1制备例4-5改性剂组成

相变调温剂制备例

制备例6-9

分别称量聚丙烯、硬脂酸、碳化硼和石墨烯，具体质量见表2。取聚丙烯加入10kg二甲苯，于130℃下搅拌溶解1h，加入1.5kg异丙醇，搅拌，过滤，保留固体物，真空干燥，得到聚丙烯气凝胶。

将碳化硼和石墨烯搅拌混合，超声分散1h，得到超声液，向超声液中加入0.1kg乙二胺，90℃干燥6h，得到硼气凝胶。将硼气凝胶和聚丙烯气凝胶搅拌混合，得到混合气凝胶，将混合气凝胶浸渍于融化硬脂酸中，浸渍10min，取出混合气凝胶，80℃干燥过夜，得到干燥产物，取出干燥产物后重复浸渍步骤，直至干燥产物总重量不再发生变化，得到相变调温剂1-4。

表2制备例6-9相变调温剂组成

增强剂制备例

制备例10-12

分别称量多孔纤维、相变调温剂1、矿粉，具体质量见表3。其中，多孔纤维的制备方法采用以下步骤：取PVA纤维依次浸渍于5％的盐酸和5％的氢氧化钠汇总，浸渍时间各30s，取出，水洗，得到刻蚀纤维，再将刻蚀纤维浸渍于硅烷偶联剂中，取出纤维，干燥，得到多孔纤维。其中，矿粉为石灰岩粉末。

表3制备例10-12增强剂组成

制备例13-15

与制备例11的区别在于：采用相变调温剂2-4，以代替制备例11中的相变调温剂1，制备增强剂4-6。

SBS制备例

制备例16-18

分别称量0.6mm钢砂、纳米蒙脱土、环氧树脂微胶囊和SBS，具体质量见表4。其中，环氧树脂微胶囊的制备包括以下步骤：取1kg尿素和1kg甲醛搅拌混合，得到混合液，向混合液中加入三乙醇胺，调节pH=8，70℃恒温回流搅拌1h，冷却，得到预聚体水溶液。

将1.75kg环氧树脂和10kg正丁基缩水甘油醚混合，得环氧树脂液，将0.5kg质量分数为5％的十二烷基苯磺酸钠溶液、1kg预聚体水溶液和1kg环氧树脂液混合，50℃恒温乳化40min，得到乳化液。

向乳化液中加入质量分数为2％的硫酸，调节pH=3，调节反应温度为50℃，酸化包覆，调节温度至60℃，加入蒸馏水，使得溶液不黏稠，过滤，保留固体物，水洗，干燥，得到环氧树脂微胶囊。

表4制备例16-18掺杂SBS组成

高模量剂制备例

制备例19-21

分别称量高压低密聚乙烯、SBS、橡胶粉和芳烃油，具体质量见表5，搅拌混合，得到高模量剂1-3。

表5制备例19-21高模量剂组成

制备例22-24

与制备例20的区别在于：采用掺杂SBS1-3，以代替制备例20中的SBS，得到高模量剂4-6。

改性沥青制备例

制备例23

取5kg基质沥青、2kg改性剂1、2kg水和0.5kg乳化剂，将改性剂1和水搅拌混合，得到改性乳液，将改性乳液和乳化剂混合，加入盐酸，调节pH=3，得酸性液。将基质沥青加热至130℃，将酸性液加热至60℃，混合，剪切乳化分散，于4000rpm下，乳化10min，得到改性沥青1。

制备例24

与制备例23的区别在于：采用改性剂2，以代替制备例23中的改性剂1，制备改性沥青2。

制备例25

与制备例23的区别在于：改性剂1中未添加生物聚合物，以代替制备例23中的改性剂1，制备改性沥青3。

制备例26

与制备例24的区别在于：改性剂1中未添加生物聚合物，以代替制备例24中的改性剂2，制备改性沥青4。

实施例

实施例1-3

一方面，本申请提供一种EME-14高模量沥青混凝土，包含基质沥青、粗集料、细集料、增强剂1和高模量剂1，具体质量见表6。其中，粗集料和细集料按照EME-14的级配要求进行配合。

另一方面，本申请提供一种EME-14高模量沥青混凝土的制备方法，包括以下步骤：

集料预热：取粗集料和细集料，升温加热至190℃，搅拌混合，得到预热料。

沥青制备：取预热料、高模量剂1和增强剂1，搅拌混合，控制干拌时间为10s，干拌温度为160℃，于170℃加入沥青，继续搅拌，得到沥青混凝土1-3。

表6实施例1-3沥青混凝土组成

实施例4

与实施例2的区别在于：控制干拌时间为15s，控制干拌温度为165℃，制备沥青混凝土4。

实施例5

与实施例2的区别在于：控制干拌时间为20s，控制干拌温度为170℃，制备沥青混凝土5。

实施例6-9

与实施例2的区别在于：采用改性沥青1-4，以代替实施例2中的基质沥青，制备沥青混凝土6-9。

实施例10-14

与实施例2的区别在于：采用增强剂2-6，以代替实施例2中的增强剂1，制备沥青混凝土10-14。

实施例15-19

与实施例2的区别在于：采用高模量剂2-6，以代替实施例2中的高模量剂1，制备沥青混凝土15-19。

对比例

对比例1

本对比例与实施例2的不同之处在于，本对比例中未添加高模量剂1，制备沥青混凝土20。

对比例2

本对比例与实施例2的不同之处在于，本对比例中仅将SBS作为高模量剂，制备沥青混凝土21。

对比例3

本对比例与实施例2的不同之处在于，本对比例中控制干拌温度为5s，干拌温度为140℃，制备沥青混凝土22。

性能检测试验

（1）高温稳定性测试：按《T 0719—2011 沥青混合料车辙试验》对沥青混凝土进行检测。

（2）低温抗裂性检测：取沥青混凝土1-20，得到250mm×30mm×35mm的棱柱体时间，在-10℃环境下至少保温45min，在试验机上以50mm/min的速率加载，直至试件破裂，跨径为200mm，记录弯拉强度。

（3）水稳定性检测：按照《JTG E20-2011 公路工程沥青及沥青混凝土试验规程》中规定的冻融劈裂试验和马歇尔稳定度试验进行检测。

表7实施例1-19、对比例1-3性能检测

结合表7性能检测对比可以发现：

（1）结合实施例1-3、实施例4-5和对比例1-3进行对比可以发现：实施例1-5中制得的沥青混凝土中的动稳定度、弯拉强度、冻融劈裂强度和残留稳定度均有所提升，这说明本申请采用高压低密聚乙烯和SBS配合作为高模量剂，能够有效对沥青进行改性，形成互穿网络结构，密实并支撑沥青混凝土，提高沥青混凝土的强度。根据表7可以看出，实施例2和实施例4中制得的沥青混凝土中的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性较佳，说明实施例2中的沥青混凝土中各组分比例较为合适，实施例4中干拌温度和干拌时间较为适宜。

（2）结合实施例6-7、实施例8-9和实施例2进行对比可以发现：实施例6-9中制得的沥青混凝土中的动稳定度、弯拉强度、冻融劈裂强度和残留稳定度均有所提升，这说明本申请采用两步法制备高温-低温丁苯乳胶，高温凝胶链段和低温柔性链段能够有效穿插缠绕沥青，凝胶链段对高温进行阻隔，柔性链段进行增韧，有效提高沥青混凝土的高温稳定性和低温抗裂性。根据表7可以看出，实施例7中制得的沥青混凝土中的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性较佳，说明实施例7中的改性剂中各组分配比较为合适。

（3）结合实施例10-11、实施例12-13、实施例14和实施例2进行对比可以发现：实施例10-14中制得的沥青混凝土中的动稳定度、弯拉强度、冻融劈裂强度和残留稳定度均有所提升，这说明本申请采用多孔纤维、矿粉和相变调温剂作为增强剂，多孔纤维之间能够进行缠结，形成缠结骨架，不仅能对沥青混凝土中各组分进行牵拉，提高沥青混凝土的抗裂效果，还能对增强剂中其余组分进行负载和分散，提高增强剂在沥青混凝土中的分散均匀性。此外，还能改善沥青混凝土的温度敏感性，延缓沥青对温度的反应速度，有效改善混凝土的耐高低温性能和强度。根据表7可以看出，实施例10和实施例14中制得的沥青混凝土中的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性较佳，说明实施例10中的增强剂中各组分比例较为合适，实施例14中相变调温剂中各组分配比较为适宜。

（4）结合实施例15-16、实施例17-19和实施例2进行对比可以发现：实施例17-19中制得的沥青混凝土中的动稳定度、弯拉强度、冻融劈裂强度和残留稳定度均有所提升，这说明本申请采用钢砂、蒙脱土和环氧树脂微胶囊掺杂改性SBS，使得SBS获得插层型、剥离型片层结构，改善沥青的粘度。当沥青混凝土开裂后，首先环氧树脂微胶囊破裂，环氧树脂外流对破裂处进行粘结修补；再次开裂后，通过电磁感应，钢砂导电发热促进沥青流动，对裂缝处进行修补，维持沥青混凝土的平整性和强度。根据表7可以看出，实施例15和实施例18中制得的沥青混凝土中的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性较佳，说明实施例15中的高模量剂中各组分比例较为合适，实施例18中掺杂剂中各组分配比较为适宜。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。