CN109180071A - 一种道路面层用高性能冷拌混合料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种道路面层用高性能冷拌混合料及其制备方法，本发明的道路面层用高性能冷拌混合料，按重量份计，包括100份矿料、3～12份聚氨酯胶结料、0～2份羧酸、0～2份抗剥落剂；在常温下进行拌和，制备成混合料。本发明冷拌混合料模量高、抗剪强度大、高温抗变形能力强、耐疲劳性强，可以广泛应用于各等级道路面层结构中。在混合料制备过程中，矿料和胶结料常温拌和，不需要加热，减少了燃料消耗，减低了碳排放，有利于保护环境。并且由于混合料性能优异：强度高，高温性能、低温性能和抗水损坏性能优异，抗疲劳，耐久性好，应用广泛，可以适当减薄路面结构层厚度。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，涉及一种道路面层用高性能冷拌混合料及其制备方法。
背景技术
热拌沥青混合料是应用最为广泛的路面材料，但其在生产的过程中需要消耗大量的燃料，也向大气排放大量的二氧化碳、二氧化硫及PM2.5粉尘烟尘等。在施工过程中为了保证沥青混合料的施工温度，对沥青混合料运输距离有一定的要求。因此，随着对节能减排和低碳环保的重视，一种低能耗、少污染的路面材料亟待被开发。
在经过大量的实验研究及实践探索，出现了冷拌沥青混合料材料，在常温环境下进行混合料的拌合、摊铺、碾压成型等各个环节的操作，可以具有节能减排、施工便捷、改善施工条件而且适于各种气候等突出的优点。但是，目前涌现的冷拌沥青混合料多是采用乳化沥青或者液体沥青制备混合料，其性能差于热拌沥青混合料，主要应用于路面养护修补和低等级道路路面铺装中，限制了其在路面面层中的大规模应用。
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中国专利CN 103508702B公开了一种冷拌相变储热型沥青混合料，其特征在于它由集料、多空基相变储热颗粒、填料、水、乳化沥青或改性乳化沥青常温拌和而成。通过方式铺筑的路面，可以降低路表面温度3～6℃，但是路面的高温抗变形能力和抗水损坏性能均差于普通热拌混合料路面。
中国专利CN 105801002B公开了一种聚氨酯橡胶混凝土材料及该材料的加工方法。采用石料、橡胶粉和聚氨酯进行混合料的生产。通过该方式制备的混合料耐寒性和抗疲劳性能优异，且混合料密实性好不透水，但由于聚氨酯材料与橡胶粉之间的粘附能力优于石料，其在施工的过程中存在和易性较难控制的问题。
中国专利CN104446140A公开了一种改性聚氨酯混凝土薄层铺装材料，由改性聚氨酯与石料常温混合而成，材料具有较高的劈裂强度和弯曲应变，但仅给定石料与聚氨酯材料的质量比，而矿料级配直接影响了混合料性能，所以无法保证聚氨酯混凝土的性能。并且此发明中聚氨酯用量相对较多，造成聚氨酯混凝土的成本较高。
中国专利CN 102295436 B公开了一种改性冷拌岩沥青碎石混合料的制备方法，将岩沥青进行乳化制备乳化岩沥青胶浆，进而与碎石、水泥和水拌和，得到冷拌沥青碎石混合料。这种方法制备的混合料具有较高的劈裂强度，但其抗疲劳性能及耐久性仍差于热拌沥青混合料。
因此，努力探索新的高性能的冷拌混合料，依然是本领域技术人员追求的目标。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供一种道路面层用高性能冷拌混合料及其制备方法，本发明冷拌混合料模量高、抗剪强度大、高温抗变形能力强、耐疲劳性强，可以广泛应用于各等级道路面层结构中。在混合料制备过程中，矿料和胶结料常温拌和，不需要加热，减少了燃料消耗，减低了碳排放，有利于保护环境。并且由于混合料性能优异，可以适当减薄路面结构层厚度。
为实现上述发明目的，本发明采用技术方案是，一种道路面层用高性能冷拌混合料，按重量份计，包括100份矿料、3～12份聚氨酯胶结料、0～2份羧酸、0～2份抗剥落剂；在常温下进行拌和，制备成混合料。
所述矿料为石料(玄武岩和/或石灰岩)与矿粉按照一定级配设计；所述玄武岩和/或石灰岩粒径规格为0-5mm、5-10mm、10-15mm；石灰石矿粉为填料，其合成的矿料级配应符合下表1中级配一至级配三任意范围。
表1各筛孔尺寸矿料累计通过百分率(％)
所述聚氨酯胶结料，按重量份计，由下列组分制备而成：50～70份异氰酸酯，50～60份乙酸乙酯，30～40份多元醇，5～10份化学吸收剂，1～5份催化剂，1～3份扩链剂，1～3份表面活性剂。
所述异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)，MDI具有对称的苯环结构特征，会使预聚物的结晶性和内聚力增强，从而使其产品的粘结强度和耐热性等提高；
所述多元醇为聚醚多元醇，优选聚四亚甲基醚的二元醇或三元醇，聚醚多元醇改性后的黏合剂粘度较低，流动性能好，能够适应混合料拌和工艺的粘度需求。
所述化学吸收剂为氯化钙或者氢氧化钙等微细颗粒，可以吸收固化反应时生成的二氧化碳。
所述催化剂采用叔胺类催化剂，优选双(2-甲基氧基乙基)醚。
所述扩链剂为多元醇类扩链剂，优选带芳环的低分子二醇类扩链剂。
所述表面活性剂为硅烷类共聚物。
本发明所述聚氨酯胶结料的制备方法如下：按所述重量配比将多元醇加入反应釜，釜内温度100～120℃，抽真空脱水1～2h后，降温至70～80℃，再按比例加入所述异氰酸酯、催化剂、扩链剂、表面活性剂，氮气养护条件下，在80～90℃下反应4～5h，冷却至40～50℃，加入乙酸乙酯和化学吸收剂，混融均匀，即得到液体聚氨酯胶结料。制备完成后室温下密封保存。
所述羧酸优选的为异辛酸。异辛酸可以与异氰酸酯反应，进行链的增长，初期的链增长，分子量相对较低，流动性较好，但当大量叔胺催化剂发挥作用时，体系粘度会急骤增加，凝胶的出现将会使物料流动性急速变差，促使反应体系迅速固化。胶结料的粘度的变化趋势满足现场拌和法施工工艺要求。
所述抗剥落剂选用含磷羟基抗剥落剂，优选的为端羟基含磷聚酯，一方面聚氨酯预聚体中过剩的异氰酸酯基与含磷羟基抗剥落剂中羟基发生反应，形成氨基甲酸酯集团，另一方面含磷羟基可以与石料之间形成化学吸附，从而增加了结合料与石料之间的粘附性，提高混合料的水稳定性。
所述冷拌混合料制备工艺如下：在常温下根据矿料级配设计将各档矿料按重量比例加入拌和机的拌缸中，干拌20～50s；然后依次加入聚氨酯胶结料、羧酸和抗剥落剂，拌和30～80s，得到冷拌混合料。
本发明冷拌混合料材料，在制备过程中需要避免水的出现，尤其需要控制矿料的含水率，因为水会与异氰酸酯发生反应，释放二氧化碳，使混合料提前产生絮凝固化，影响摊铺和压实效果。
通过调整聚氨酯胶结料和羧酸用量，可控制凝胶固化速度，满足拌和、摊铺和碾压各工序的操作时间要求。
因此，本发明混合料具有广泛的用途，故本发明还提供所述的道路面层用高性能冷拌混合料在各等级道路上、中、下各面层及大空隙排水式路面面层中的应用。
本发明提供的冷拌混合料具有如下优点：
1)工艺简单，步骤少，好操作，便于施工，全程无需加热，节能减排。
2)强度高，高温性能、低温性能和抗水损坏性能优异，抗疲劳，耐久性好。
3)聚氨酯胶结料的用量小，成本相对较低。
4)应用范围广，可用于各等级道路上、中、下各面层，也可作为大空隙排水式路面面层。
具体实施方式
下面结合具体试验方法对本发明的技术方案及其所产生的技术效果做进一步的阐述，下述说明仅是为了解释本发明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
实施例1、
道路面层用冷拌混合料材料由以下重量份物质制备而成：
100份矿料、5份聚氨酯胶结料、0.5份异辛酸、0.5份磷羟基抗剥落剂。
其中，聚氨酯胶结料的制备如下：按重量份计将35份聚四亚甲基醚的二元醇加入反应釜，釜内温度为110℃，抽真空脱水1h后，降至75℃，加入60份二苯基甲烷二异氰酸酯，2份双(2-甲基氧基乙基)醚、1份美国Eastman Chem.Co.生产的HQEE，1份Air Products公司生产的DC198，在氮气养护条件下，在80～90℃下反应4h，冷却至45℃，加入50份乙酸乙酯和6份氯化钙，混融均匀。所述矿料采用粒径规格为0-5mm、5-10mm、10-15mm的玄武岩和石灰石矿粉，进行矿料级配设计，合成级配见表2。
表2各筛孔尺寸矿料累计通过百分率(％)
冷拌混合料制备工艺如下：在常温下各档矿料按重量比例加入拌和机的拌缸中，干拌40s；依次加入上述聚氨酯预聚体、异辛酸和含磷羟基抗剥落剂，拌和60s，得到冷拌混合料。
实施例2、道路面层用冷拌混合料中各原料及混合料制备方法同实施例1，冷拌混合料中包含有以下重量份物质：100份矿料、6份聚氨酯胶结料、0.5份异辛酸、0.5份磷羟基抗剥落剂。其中矿料级配如表3所示：
表3各筛孔尺寸矿料累计通过百分率(％)
实施例3、道路面层用冷拌混合料中各原料及混合料制备方法同实施例1，冷拌混合料中包含有以下重量份物质：100份矿料、7份聚氨酯胶结料、0.5份异辛酸、0.5份磷羟基抗剥落剂。其中矿料级配如表4所示：
表4各筛孔尺寸矿料累计通过百分率(％)
实施例4、道路面层用冷拌混合料，其中各原料及混合料制备方法同实施例1，所不同的是，各原料用量，按重量份计为：100份矿料、10份聚氨酯胶结料、0份异辛酸、0份磷羟基抗剥落剂。
实施例5、道路面层用冷拌混合料，其中各原料及混合料制备方法同实施例1，所不同的是，各原料用量，按重量份计为：100份矿料、10份聚氨酯胶结料、0.5份异辛酸、0.5份磷羟基抗剥落剂。
实施例6、道路面层用冷拌混合料，其中各原料及混合料制备方法同实施例1，所不同的是，各原料用量，按重量份计为：100份矿料、3份聚氨酯胶结料、0.5份异辛酸、0.5份磷羟基抗剥落剂。
实施例7、道路面层用冷拌混合料，其中各原料及混合料制备方法同实施例1，所不同的是，各原料用量，按重量份计为：100份矿料、5份聚氨酯胶结料、0.2份异辛酸、0.5份磷羟基抗剥落剂。
实施例8、道路面层用冷拌混合料，其中各原料及混合料制备方法同实施例1，所不同的是，各原料用量，按重量份计为：100份矿料、5份聚氨酯胶结料、0.5份异辛酸、0.2份磷羟基抗剥落剂。
实施例9、道路面层用冷拌混合料，其中各原料及混合料制备方法同实施例3，所不同的是，各原料用量，按重量份计为：100份矿料、10份聚氨酯胶结料、0.5份异辛酸、0.2份磷羟基抗剥落剂。
实施例10、道路面层用冷拌混合料，其中各原料及混合料制备方法同实施例3，所不同的是，各原料用量，按重量份计为：100份矿料、3份聚氨酯胶结料、0.5份异辛酸、0.2份磷羟基抗剥落剂。
实施例11、道路面层用冷拌混合料，其中各原料用量及混合料制备方法同实施例1，所不同的是聚氨酯胶结料的制备方法如下：
将40份聚四亚甲基醚的二元醇加入反应釜，釜内温度为110℃，抽真空脱水1h后，降至75℃，加入50份二苯基甲烷二异氰酸酯，2份双(2-甲基氧基乙基)醚、1份美国EastmanChem.Co.生产的HQEE，1份Air Products公司生产的DC198，在氮气养护条件下，在80～90℃下反应4h，冷却至45℃，加入60份乙酸乙酯和6份的氯化钙，混融均匀。
实施例12、道路面层用冷拌混合料，其中各原料用量及混合料制备方法同实施例1，所不同的是聚氨酯胶结料的制备方法如下：。
将30份聚四亚甲基醚的二元醇加入反应釜，釜内温度为110℃，抽真空脱水1h后，降至75℃，加入55份二苯基甲烷二异氰酸酯，1份双(2-甲基氧基乙基)醚、1份美国EastmanChem.Co.生产的HQEE，1份Air Products公司生产的DC198，在氮气养护条件下，在80～90℃下反应5h，冷却至50℃，加入50份乙酸乙酯和5份的氯化钙，混融均匀。
试验例一、不同矿料级配曲线对本发明复合改性沥青混合料的影响
实施例1、2、3各原料及制备方法均相同，所不同的是三个实施例中分别采用3种不同的矿料级配曲线，聚氨酯胶结料的用量不同，所配制得冷拌混合料的技术指标比较如表5所示：
表5实施例1-3冷拌混合料技术指标比较
从表5可以看出，上述3种混合料分别形成悬浮密实结构、骨架密实结构和骨架空隙结构,所配制的混合料性能虽有差别，但都能满足并且明显高于《公路沥青路面施工技术规范》中对相应级配热拌改性沥青混合料的规定，由此可见本发明所述冷拌混合料性能优于热拌改性沥青混合料。
试验例二、冷拌混合料中各材料配比对施工和易性及混合料性能影响
上述实施例4至实施例8与实施例1各原料及制备方法均相同，矿料级配类型相同，所不同的是混合料中各种材料的用量不一样，所制备的混合料的技术指标如表6所示。
表6实施例1、4-8冷拌混合料技术指标比较
分析表6中数据可知，对于悬浮密实结构而言，聚氨酯胶结料的用量越多空隙率越低，高温稳定性越好，动稳定度指标明显高于规范中对热拌改性沥青混合料的要求，故可根据结构层性能要求合理选定聚氨酯胶结料用量，节约成本。聚氨酯胶结料与异辛酸的质量比影响了施工可操作时间，故在实践中可根据具体施工工序安排合理确定聚氨酯胶结料与异辛酸的质量比，调节反应速度以满足施工需要。磷羟基抗剥落剂的用量影响冻融劈裂强度比的大小，其用量越大，冻融劈裂强度比越高。
试验例三、骨架空隙结构中各材料配比对施工和易性及混合料性能影响
上述实施例3、9、10各原料及制备方法均相同，矿料级配类型相同，所不同的是混合料中各种材料的用量不一样，所测空隙率和冻融劈裂强度比指标如表7所示。
表7实施例3、9、10冷拌混合料技术指标比较
| 空隙率(％) | 冻融劈裂强度比(％) | |
| 实施例3 | 24.3 | 80 |
| 实施例9 | 19.2 | 70 |
| 实施例10 | 26.7 | 70 |
| OGFC规范要求 | 18～25 | ≥80 |
分析表7中数据可知，对于形成骨架空隙结构的混合料而言，当聚氨酯胶结料用量相对较低时，空隙率指标不能满足规范对排水式路面材料的要求，且当磷羟基抗剥落剂相对较低时，冻融劈裂强度比也不能满足规范对排水式路面材料的要求，所以当此冷拌混合料应用于排水式路面时需要适当增加聚氨酯胶结料和磷羟基抗剥落剂的用量。
试验例四、聚氨酯胶结料的组分及制备方法对混合料性能的影响
上述实施例1、11、12各种材料用量及混合料制备方法相同，矿料级配类型相同，所不同的是聚氨酯胶结料的组分及制备方法不同，所制备的混合料的技术指标如表8所示。
表8实施例1、11、12冷拌混合料技术指标比较
分析表8中数据可知，即使聚氨酯胶结料的用量相同，聚氨酯胶结料的组分不同或者其制备方法不同，冷拌混合料的性能存在较大差异，特别是异氰酸酯、多元醇和乙酸乙酯之间的比例关系直接影响了冷拌混合料的性能。
以上所述，仅是本发明的优选实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是在未脱离本发明原理的前提下，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种道路面层用高性能冷拌混合料，其特征是，按重量份计，包括100份矿料、3～12份聚氨酯胶结料、0～2份羧酸、0～2份抗剥落剂。
2.如权利要求1所述的道路面层用高性能冷拌混合料，其特征是，所述矿料的级配符合下表中级配一至级配三任意范围：
3.如权利要求2所述的道路面层用高性能冷拌混合料，其特征是，所述矿料为石料与矿粉按照一定级配设计；所述石料为玄武岩和/或石灰岩；所述矿粉为石灰石矿粉。
4.如权利要求1或2所述的道路面层用高性能冷拌混合料，其特征是，所述羧酸为异辛酸；所述抗剥落剂为含磷羟基抗剥落剂。
5.如权利要求1或2所述的道路面层用高性能冷拌混合料，其特征是，所述聚氨酯胶结料，按重量份计，由下列组分制备而成：50～70份异氰酸酯，50～60份乙酸乙酯，30～40份多元醇，5～10份化学吸收剂，1～5份催化剂，1～3份扩链剂，1～3份表面活性剂。
6.如权利要求5所述的道路面层用高性能冷拌混合料，其特征是，所述异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯；所述多元醇为聚醚多元醇；所述化学吸收剂为氯化钙或者氢氧化钙；所述催化剂为叔胺类催化剂；所述扩链剂为多元醇类扩链剂；所述表面活性剂为硅烷类共聚物。
7.如权利要求5所述的道路面层用高性能冷拌混合料，其特征是，所述聚氨酯胶结料，其制备方法如下：按所述重量配比将多元醇加入反应釜，釜内温度100～120℃，抽真空脱水1～2h后，降温至70～80℃，再按比例加入所述异氰酸酯、催化剂、扩链剂、表面活性剂，氮气养护条件下，在80～90℃下反应4～5h，冷却至40～50℃，加入乙酸乙酯和化学吸收剂，混融均匀，即得到液体聚氨酯胶结料。
8.制备权利要求1所述的道路面层用高性能冷拌混合料的方法，其特征是，步骤如下：在常温下根据矿料级配设计将各档矿料按比例加入拌和机的拌缸中，干拌20～50s；然后依次加入聚氨酯胶结料、羧酸和抗剥落剂，拌和30～80s，得到冷拌混合料。
9.权利要求1所述的道路面层用高性能冷拌混合料在各等级道路上、中、下各面层及大空隙排水式路面面层中的应用。
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