一种基于活化废胶粉的沥青改性材料的制备方法及应用

技术领域

本发明涉及沥青改性材料的制备方法，尤其涉及一种基于活化废胶粉的沥青改性材料的制备方法及应用。

背景技术

轮胎是一种高分子材料，极难降解，在土壤中降解需数百年时间，如果将其随意处理，不仅会浪费土地资源，还给环境造成严重危害，因此，废旧轮胎回收利用已成为急待解决的问题。将汽车废旧轮胎橡胶制成橡胶粉，并将其以一定比例加入到基质沥青中可制得橡胶沥青。采用橡胶沥青制备的沥青路面不仅具有较高的抗变形能力以及低温抗疲劳开裂能力，还能降低路面噪声，有效改善了沥青路面的路用性能及行车舒适性；同时，路面铺设可消耗大量废旧轮胎，进而降低环境负荷。

废胶粉是由废橡胶经过物理粉碎而成的细小颗粒，其内部交联结构在物理作用下很难被破坏，表面分子链并未打断，限制其运动，其表面呈惰性；沥青是由碳氢化合物及其衍生物组成，沥青与废胶粉本身为热力学不相容体系，两种物质在性质上有很大差异，导致废胶粉与石油沥青相容性较差。

专利CN102532922B公布了一种橡胶沥青的制备方法，该发明中通过加入有机硅浆渣的方法合成橡胶沥青，利用浆渣中的有机硅单体与橡胶粉发生嵌合反应，提升橡胶沥青整体性能，从而提升道路沥青使用性能。但是加热温度超过200℃，沥青容易发生短期老化，降低沥青使用寿命。专利CN107541081A公布了一种活化废胶粉改性沥青的制备工艺，该发明专利通过微波辐射的方式对废胶粉进行活化，并采用80目的废胶粉与沥青经高速剪切制备改性沥青，但微波活化功率高低都会影响活化程度，此方法使用范围受限。因此，可通过对废胶粉进行活化和聚合物涂覆处理，以物理-化学改性的方式增强废胶粉与沥青的相容性。由于废胶粉中含有多种高分子聚合物以及大量的抗氧化剂、填料、处理油等，提升沥青的耐老化性能。活化废胶粉在沥青中发生溶胀，增加了沥青的相容性，橡胶沥青的整体性能明显优于基质沥青，研发一种节能环保、成本低廉的废胶粉改性沥青材料，具有重要的理论价值和实践意义。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种基于活化废胶粉的沥青改性材料的制备方法，制备的活化废胶粉的沥青改性材料能够有效地提升沥青高温稳定性、低温抗开裂性及抗疲劳性能，延长沥青材料等的使用寿命。

本发明的目的之二是提供一种基于活化废胶粉的沥青改性材料的应用，将活化废胶粉的沥青改性材料加入沥青中，可提高路面的柔韧性和耐久性，降低生产成本，减少环境污染。

本发明实现目的之一所采用的方案是：

一种基于活化废胶粉的沥青改性材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)环氧丙烯酸嵌段聚合物的制备

称取15-20重量份环氧树脂、15-20重量份苯乙烯单体，在球磨搅拌条件下，逐渐升温至85-95℃，然后缓慢滴加5-10重量份丙烯酸单体，恒温至反应完全，然后降温至20-25℃分离出磨球后，得到环氧丙烯酸嵌段聚合物；

(2)废胶粉的活化

将40-100重量份废胶粉和4-8重量份脱硫剂研磨均匀，然后放入150-200重量份有机溶剂中低速搅拌至混合均匀，然后加入5-10重量份由步骤(1)得到的环氧丙烯酸嵌段聚合物，高速剪切均化，得到混合浆液，然后干燥混合浆液并回收其中的有机溶剂，冷却至常温后得到活化废胶粉，即为所述基于活化废胶粉的沥青改性材料。

上述技术方案中，所述步骤(1)中，所述苯乙烯单体为苯乙烯或氯苯乙烯或苯乙烯衍生物；所述丙烯酸单体为丙烯酸或甲基丙烯酸或丙烯酸衍生物；恒温时间为2-2.5h；磨球为玛瑙球，球磨的球径为大球10mm、中球8mm、小球5mm，且大球、中球、小球的球数级配为1：3：3。

上述技术方案中，所述步骤(2)中，所述废胶粉为精细废胶粉，细度为50-150目。

上述技术方案中，所述步骤(2)中，所述脱硫剂为纳米氧化锌或纳米碳酸钙；所述有机溶剂为甲酸、乙酸和二甲苯中的至少一种。

上述技术方案中，所述步骤(2)中，研磨时间为1-2h；低速搅拌的搅拌速率为400-600r/min，搅拌时间为20-24h；高速剪切的剪切速率为2500-4000r/min，剪切时间为6-8h。

本发明实现目的之二所采用的方案是：

一种根据上述制备方法制备的基于活化废胶粉的沥青改性材料的应用，将100重量份沥青加热至150-170℃后，加入5-10重量份助溶剂，在恒温条件下搅拌均匀，然后加入10-20重量份活化废胶粉，同时加入3-8重量份增塑剂，在170-180℃的温度下剪切均化，然后溶胀发育得到改性沥青。

上述技术方案中，所述助溶剂为芳烃油或煤焦油或正己烷；所述增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯或邻苯二甲酸二丁酯或邻苯二甲酸二乙酯。

上述技术方案中，恒温时间为1-1.5h，搅拌时间为30-40min，搅拌速率为400-600r/min。

上述技术方案中，剪切时间为60-90min，剪切速率为2500-4000r/min。

上述技术方案中，溶胀发育的温度为125-135℃，溶胀发育的时间为1-1.5h。

本发明的有益效果是：

(1)本发明中的环氧丙烯酸嵌段聚合物的制备是通过无溶剂本体聚合的方式，将溶液状单体分别加入反应装置中，通过环氧树脂的开环聚合反应与苯乙烯上双键结合，接着形成的初步产物与丙烯酸上的双键发生加成反应，采用新颖的液相球磨工艺，选择不同的球配比，大小球的合理搭配以构成级配，有效的提高了反应效率，最终促进环氧丙烯酸嵌段聚合物的合成，避免了常规的溶液法中，生产周期较长，能效较低，而且存在大量有机残余，徒增能耗的问题，本发明所采用的合成方法是遵循绿色化学合成思路，不但能调控和设计嵌段聚合的链段组成，而且可以有效的控制嵌段聚合物的产量和产率，产物分子量分布稳定；

(2)本发明中对废胶粉进行活化处理，使活化后的废胶粉能够在沥青中充分溶胀，进一步增强与沥青分子之间的相容性，有效提高沥青路面的高温稳定性、抗车辙能力、耐老化能力以及粘弹性能，使沥青路面在夏季不易产生老化、车辙。

(3)本发明中添加了基于加活化废胶粉的沥青改性材料后的沥青，使得沥青路面具有低温抗裂性能，使沥青路面在冬季不易产生裂纹，提高了沥青路面的柔韧性，有效延长使用寿命，降低生产成本，减少环境污染。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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

(1)环氧丙烯酸嵌段聚合物的制备

称取15重量份环氧树脂、15重量份苯乙烯单体放入反应釜中，在球磨搅拌条件下，逐渐升温至85℃，然后缓慢滴加5重量份丙烯酸单体，恒温2h至反应完全，然后降温至20℃分离出磨球，得到环氧丙烯酸嵌段聚合物；

(2)废胶粉的活化

将50重量份废胶粉和4重量份纳米氧化锌在辊压研磨器中研磨1h，其中废胶粉的细度为50目，然后放入150重量份甲酸中低速搅拌至混合均匀，低速搅拌的搅拌速率为400r/min，搅拌时间为20h，然后加入5重量份由步骤(1)得到的环氧丙烯酸嵌段聚合物，采用高速剪切仪进行高速剪切均化，其中高速剪切的剪切速率为2500r/min，剪切时间为6h，得到混合浆液，然后将混合浆液快速泵入减压喷雾干燥装置中干燥，并回收其中的有机溶剂，冷却至常温后得到活化废胶粉，即为所述基于活化废胶粉的沥青改性材料；

(3)改性沥青的制备

将100重量份70#基质沥青在烘箱中加热至150℃后，转移至油浴锅，加入5重量份正己烷，采用油浴加热的方式，通过JJ-1型精密增力电动搅拌器，在恒温条件下搅拌均匀，其中恒温时间为1h，搅拌时间为30min，搅拌速率为400r/min，然后加入10重量份活化废胶粉，同时加入3重量份邻苯二甲酸二丁酯，采用高速剪切仪在170℃的温度下剪切均化，其中剪切时间为60min，剪切速率为2500r/min，使活化废胶粉在沥青中均匀分散，然后在烘箱中溶胀发育得到改性沥青，其中溶胀发育的温度为125℃，溶胀发育的时间为1h。

实施例2

(1)环氧丙烯酸嵌段聚合物的制备

称取15重量份环氧树脂、20重量份苯乙烯单体放入反应釜中，在球磨搅拌条件下，逐渐升温至90℃，然后缓慢滴加6重量份丙烯酸单体，恒温2.5h至反应完全，然后降温至22℃分离出磨球，得到环氧丙烯酸嵌段聚合物；

(2)废胶粉的活化

将50重量份废胶粉和5重量份纳米碳酸钙在辊压研磨器中研磨1.5h，其中废胶粉的细度为80目，然后放入160重量份乙酸中低速搅拌至混合均匀，低速搅拌的搅拌速率为500r/min，搅拌时间为22h，然后加入6重量份由步骤(1)得到的环氧丙烯酸嵌段聚合物，采用高速剪切仪进行高速剪切均化，其中高速剪切的剪切速率为3000r/min，剪切时间为8h，得到混合浆液，然后将混合浆液快速泵入减压喷雾干燥装置中干燥，并回收其中的有机溶剂，冷却至常温后得到活化废胶粉，即为所述基于活化废胶粉的沥青改性材料；

(3)改性沥青的制备

将100重量份70#基质沥青在烘箱中加热至150℃后，转移至油浴锅，加入8重量份煤焦油，采用油浴加热的方式，通过JJ-1型精密增力电动搅拌器，在恒温条件下搅拌均匀，其中恒温时间为1.5h，搅拌时间为30min，搅拌速率为500r/min，然后加入11重量份活化废胶粉，同时加入3重量份邻苯二甲酸二乙酯，采用高速剪切仪在180℃的温度下剪切均化，其中剪切时间为70min，剪切速率为3000r/min，使活化废胶粉在沥青中均匀分散，然后在烘箱中溶胀发育得到改性沥青，其中溶胀发育的温度为130℃，溶胀发育的时间为1.5h。

实施例3

(1)环氧丙烯酸嵌段聚合物的制备

称取17重量份环氧树脂、17重量份苯乙烯单体放入反应釜中，在球磨搅拌条件下，逐渐升温至95℃，然后缓慢滴加7重量份丙烯酸单体，恒温2h至反应完全，然后降温至22℃分离出磨球，得到环氧丙烯酸嵌段聚合物；

(2)废胶粉的活化

将80重量份废胶粉和4重量份纳米碳酸钙在辊压研磨器中研磨1.5h，其中废胶粉的细度为100目，然后放入170重量份二甲苯中低速搅拌至混合均匀，低速搅拌的搅拌速率为600r/min，搅拌时间为24h，然后加入7重量份由步骤(1)得到的环氧丙烯酸嵌段聚合物，采用高速剪切仪进行高速剪切均化，其中高速剪切的剪切速率为3000r/min，剪切时间为8h，得到混合浆液，然后将混合浆液快速泵入减压喷雾干燥装置中干燥，并回收其中的有机溶剂，冷却至常温后得到活化废胶粉，即为所述基于活化废胶粉的沥青改性材料；

(3)改性沥青的制备

将100重量份70#基质沥青在烘箱中加热至160℃后，转移至油浴锅，加入8重量份正己烷，采用油浴加热的方式，通过JJ-1型精密增力电动搅拌器，在恒温条件下搅拌均匀，其中恒温时间为1h，搅拌时间为40min，搅拌速率为600r/min，然后加入15重量份活化废胶粉，同时加入5重量份邻苯二甲酸二丁酯，采用高速剪切仪在170℃的温度下剪切均化，其中剪切时间为80min，剪切速率为4000r/min，使活化废胶粉在沥青中均匀分散，然后在烘箱中溶胀发育得到改性沥青，其中溶胀发育的温度为135℃，溶胀发育的时间为1h。

实施例4

(1)环氧丙烯酸嵌段聚合物的制备

称取20重量份环氧树脂、15重量份苯乙烯单体放入反应釜中，在球磨搅拌条件下，逐渐升温至90℃，然后缓慢滴加6重量份甲基丙烯酸单体，恒温2.5h至反应完全，然后降温至24℃分离出磨球，得到环氧丙烯酸嵌段聚合物；

(2)废胶粉的活化

将80重量份废胶粉和8重量份纳米氧化锌在辊压研磨器中研磨h，其中废胶粉的细度为120目，然后放入180重量份甲酸中低速搅拌至混合均匀，低速搅拌的搅拌速率为400r/min，搅拌时间为24h，然后加入6重量份由步骤(1)得到的环氧丙烯酸嵌段聚合物，采用高速剪切仪进行高速剪切均化，其中高速剪切的剪切速率为4000r/min，剪切时间为6h，得到混合浆液，然后将混合浆液快速泵入减压喷雾干燥装置中干燥，并回收其中的有机溶剂，冷却至常温后得到活化废胶粉，即为所述基于活化废胶粉的沥青改性材料；

(3)改性沥青的制备

将100重量份70#基质沥青在烘箱中加热至170℃后，转移至油浴锅，加入5重量份芳烃油，采用油浴加热的方式，通过JJ-1型精密增力电动搅拌器，在恒温条件下搅拌均匀，其中恒温时间为1h，搅拌时间为40min，搅拌速率为400r/min，然后加入17重量份活化废胶粉，同时加入5重量份邻苯二甲酸二辛酯，采用高速剪切仪在170℃的温度下剪切均化，其中剪切时间为90min，剪切速率为3000r/min，使活化废胶粉在沥青中均匀分散，然后在烘箱中溶胀发育得到改性沥青，其中溶胀发育的温度为130℃，溶胀发育的时间为1h。

实施例5

(1)环氧丙烯酸嵌段聚合物的制备

称取20重量份环氧树脂、20重量份苯乙烯单体放入反应釜中，在球磨搅拌条件下，逐渐升温至85℃，然后缓慢滴加10重量份丙烯酸单体，恒温2h至反应完全，然后降温至25℃分离出磨球，得到环氧丙烯酸嵌段聚合物；

(2)废胶粉的活化

将100重量份废胶粉和8重量份纳米碳酸钙在辊压研磨器中研磨2h，其中废胶粉的细度为150目，然后放入200重量份乙酸中低速搅拌至混合均匀，低速搅拌的搅拌速率为500r/min，搅拌时间为22h，然后加入10重量份由步骤(1)得到的环氧丙烯酸嵌段聚合物，采用高速剪切仪进行高速剪切均化，其中高速剪切的剪切速率为3500r/min，剪切时间为8h，得到混合浆液，然后将混合浆液快速泵入减压喷雾干燥装置中干燥，并回收其中的有机溶剂，冷却至常温后得到活化废胶粉，即为所述基于活化废胶粉的沥青改性材料；

(3)改性沥青的制备

将100重量份70#基质沥青在烘箱中加热至170℃后，转移至油浴锅，加入10重量份煤焦油，采用油浴加热的方式，通过JJ-1型精密增力电动搅拌器，在恒温条件下搅拌均匀，其中恒温时间为1.5h，搅拌时间为30min，搅拌速率为500r/min，然后加入20重量份活化废胶粉，同时加入8重量份邻苯二甲酸二丁酯，采用高速剪切仪在180℃的温度下剪切均化，其中剪切时间为80min，剪切速率为3500r/min，使活化废胶粉在沥青中均匀分散，然后在烘箱中溶胀发育得到改性沥青，其中溶胀发育的温度为135℃，溶胀发育的时间为1.5h。

对比例1

本对比例中不加入废胶粉。

将100重量份70#基质沥青在烘箱中加热至160℃，转移至油浴锅，加入8重量份煤焦油，采用油浴加热的方式，通过普通搅拌设备搅拌30min，并恒温1h；降至常温碾磨，得到未改性沥青。

对比例2

本对比例中加入未活化废胶粉。

将100重量份70#基质沥青在烘箱中加热至160℃后，转移至油浴锅，加入8重量份正己烷，采用油浴加热的方式，通过JJ-1型精密增力电动搅拌器，在恒温条件下搅拌均匀，其中恒温时间为1h，搅拌时间为40min，搅拌速率为600r/min，，然后加入15重量份未活化废胶粉，其中废胶粉的细度为100目，同时加入5重量份邻苯二甲酸二丁酯，采用高速剪切仪在170℃的温度下剪切均化，其中剪切时间为80min，剪切速率为4000r/min，使活化废胶粉在沥青中均匀分散，然后在烘箱中溶胀发育得到改性沥青，其中溶胀发育的温度为135℃，溶胀发育的时间为1h。

实施例1至5和对比例1至2得的沥青样品的测试结果表1所示：

表1实施例1至5和对比例1至2的沥青样品的测试结果

根据上述测试结果表明，加入废胶粉后，沥青在性能方面都具有提升；对比例1与对比例2比较，加入未活化的废胶粉，沥青与橡胶粉的不相容导致性能提升有限；综合比较，加入活化废胶粉，沥青在性能方面都具有明显提升，因而具有更为优良的耐高低温以及耐老化性能，可延长沥青材料的使用寿命。

同时研究发现，当活化废胶粉掺入量为15份时，沥青软化点、延度和针入度波动幅度趋于平缓，说明了15份活化废胶粉已达到最佳改性掺量，因此改性效果最好；通过对比例2和实施例3平行比较，在对废胶粉进行活化后，沥青在耐高温和耐低温性能方面都会有进一步提升。

上述本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。