一种高延展性应力吸收沥青面层材料的制作方法

1.本技术涉及路面材料技术领域，更具体地说，它涉及一种高延展性应力吸收沥青面层材料。

背景技术：

2.为适应经济发展需求，高等级公路开始采用半刚性基层沥青路面的结构形式。半刚性基层沥青路面结构通常包括刚性/半刚性基层和沥青面层。为了解决刚性/半刚性基层易产生裂缝的问题，一般会在基层板面上隔一定的间距预制接缝。在温度循环变化和交通荷载的作用下，刚性/半刚性基层原有的接缝边缘易移动变形，引起与接缝对应的上端沥青面层处产生应力集中，并在车辆荷载与雨水渗透的作用下，由下而上在沥青面层上产生反射裂缝。如何解决半刚性沥青路面的反射裂缝，是道路管养中亟待解决的问题。
3.目前，针对半刚性沥青路面的反射裂缝问题，主要采用以下方法：在刚性/半刚性基层和沥青面层之间设置土工布、土工格栅、改性沥青油毛毡、钢丝网等作为裂缝缓解层，阻隔沥青面层反射裂缝的产生，经过实际检测后，本技术人发现，基于ot(overlay tester)试验，采用设置土工布这一方法制成的半刚性沥青路面荷载周期数一般为300-500，短期内容易出现裂缝。因此，如何提高荷载周期数，从而使得在半刚性基层沥青路面的长期使用时不产生裂缝是亟需解决的问题。

技术实现要素：

4.为了解决半刚性沥青路面易产生反射裂缝的问题，本技术提供一种高延展性应力吸收沥青面层材料。
5.第一方面，本技术提供的一种高延展性应力吸收沥青面层材料采用如下的技术方案：一种高延展性应力吸收沥青面层材料，由包含以下重量份的原料组成：沥青4.3-5.0份、集料85-95份；填料4.5-5.5份，其特征在于，所述沥青由石油沥青、tpu和改性碳纳米管改性制得；所述改性碳纳米管为苯甲酸改性碳纳米管、硅烷偶联剂改性碳纳米管、甘氨酸改性碳纳米管、羟基化改性碳纳米管、聚丙烯酸改性碳纳米管中的一种或多种；改性沥青的制备方法，包括如下步骤：改性碳纳米管/tpu复合改性剂的制备：tpu乳化，得到tpu乳液；将改性碳纳米管加入tpu乳液中，得到改性碳纳米管/tpu混合液，tpu与改性碳纳米管的质量比为(4-8):(0.2-0.6)；将改性碳纳米管/tpu混合液挤出造粒，得到改性碳纳米管/tpu复合改性剂；改性沥青的制备：将石油沥青加热至流动状态，得到流动石油沥青；将流动石油沥青、改性碳纳米管/tpu复合改性剂在170-185℃下，以2000-3500rpm的剪切速率剪切90-120min，石油沥青与改性碳纳米管/tpu复合改性剂的质量比为(35-45):1，得到改性沥青。
6.通过采用上述技术方案，tpu包含软段和硬段，软段赋予其良好的柔性和延展性，将tpu加入石油沥青中，tpu中的不饱和键与石油沥青会发生交联反应，使得石油沥青分子
间作用力得以提升，tpu中的软端提高了石油沥青的延展性，在沥青面层材料受到外力时通过塑性变形吸收一部分应力，消散应力集中，降低反射裂缝产生的概率，提高沥青路面材料抗反射裂缝的能力；通常使用碳纳米管时，会将碳纳米管和表面活性剂共同加入到tpu中，表面活性剂会降低石油沥青的黏性，影响石油沥青与集料之间的黏结强度。而本技术先对碳纳米管进行改性，得到改性碳纳米管，再将改性碳纳米管与tpu复合，降低了表面活性剂对石油沥青黏性的影响。
7.改性碳纳米管一部分插入tpu内，另一部分吸附在tpu的表面，提升了tpu表面的粗糙度，增强了tpu与石油沥青的界面强度。当沥青面层材料受到外力时，改性碳纳米管从tpu内被拔出的过程中能够吸收部分应力。
8.tpu和改性碳纳米管的添加也提高了改性沥青表面的粗糙度，增强了改性沥青与集料的黏结强度，在tpu和改性碳纳米管的共同作用下，提高了沥青路面材料抗反射裂缝的能力，解决了半刚性沥青路面易产生反射裂缝的问题。
9.优选的，所述tpu和改性碳纳米管的质量比为(4-8):(0.3-0.5)。
10.通过采用上述技术方案，当tpu和改性碳纳米管的质量比为(4-8):(0.3-0.5)，改性碳纳米管在tpu乳液中的分散性较好，附着在tpu上的改性碳纳米管较多。
11.优选的，所述石油沥青与改性碳纳米管/tpu复合改性剂的质量比为(37-42):1。
12.通过采用上述技术方案，当石油沥青与改性碳纳米管/tpu复合改性剂的质量比为(37-42):1时，改性碳纳米管/tpu复合改性剂与石油沥青适度交联，改性碳纳米管/tpu复合改性剂在石油沥青中分散较均匀。
13.优选的，所述改性碳纳米管为羟基化改性碳纳米管和/或苯甲酸改性碳纳米管。
14.通过采用上述技术方案，羟基化改性碳纳米管在受到外力时，塑性形变能力较强，将羟基化改性碳纳米管从tpu中拔出所消耗的能较大，从而吸收较多的应力，提高沥青路面材料抗反射裂缝的能力；苯甲酸与碳纳米管之间通过π-π键相互作用，使得苯甲酸分子吸附包裹在碳纳米管的表面，克服了碳纳米管之间的吸附团聚，苯甲酸改性碳纳米管在tpu乳液中的分散性较好；羟基化改性碳纳米管与苯甲酸改性碳纳米管共同作用下，既能得到塑性形变能力较强的碳纳米管，又能使得碳纳米管在tpu乳液中有良好的分散性，从而得到应力吸收能力较强的沥青面层材料。
15.优选的，所述剪切速率为2500-3000rpm。
16.通过采用上述技术方案，当剪切速率为2500-3000rpm时，改性碳纳米管/tpu复合改性剂的细化程度适中，促进改性碳纳米管/tpu复合改性剂的分散，减少沥青面层材料中应力集中点的产生，且改性沥青不易老化。
17.优选的，所述剪切时间为100-110min。
18.通过采用上述技术方案，当剪切时间为100-110min时，改性碳纳米管/tpu复合改性剂与石油沥青充分接触，改性碳纳米管/tpu复合改性剂对石油沥青的改性效果较好，改性碳纳米管/tpu复合改性剂与石油沥青之间结合强度较大，且改性沥青不易老化。
19.优选的，所述tpu为ptmg2000型tpu、pcl2000型tpu、peg2000型tpu、pcdl2000型tpu中的一种或多种。
20.优选的，所述tpu为ptmg2000型tpu。
21.通过采用上述技术方案，ptmg2000型tpu的玻璃化温度较低，得到的沥青面层材料的延展性较高。
22.综上所述，本技术具有以下有益效果：1.本技术采用tpu和改性碳纳米管对石油沥青进行改性，得到改性沥青；tpu的软段为改性石油沥青提供高延展性；改性碳纳米管附着在tpu的表面，增强tpu与石油沥青的黏结性，插入tpu内的改性碳纳米管被外力拔出时还能够吸收一部分应力；tpu和改性碳纳米管增大了石油沥青的表面粗糙度，增强了石油沥青与集料的黏结强度；在tpu和改性碳纳米管的共同作用下，提高了沥青路面材料抗反射裂缝的能力，解决了半刚性沥青路面易产生反射裂缝的问题。
23.2.本技术采用羟基化改性碳纳米管和/或苯甲酸改性碳纳米管，羟基化改性碳纳米管塑性形变能力较强；苯甲酸改性碳纳米管在tpu乳液的分散性较好。
24.3、本技术采用ptmg2000型tpu，ptmg2000型tpu的玻璃化温度较低，低温下延展性较高，得到的沥青面层材料的延展性较高。
具体实施方式
25.以下结合实施例对本技术作进一步详细说明。
26.若无特殊说明，以下实施例以及对比例中所用的原料规格详见表1。
27.表1.原料规格信息sk高粘沥青的针入度、延度、软化点三大指标的检测结果详见表2。
28.表2.sk高粘沥青检测结果检测项目实测值针入度(25℃、100g、5s)0.1mm63软化点(℃)92.5延度(5℃、5cm/min)cm35集料的密度结果和常规检测指标结果详见表3和表4。
29.表3.集料的密度结果
表4.集料的常规检测指标结果填料的各项技术指标检测结果详见表5。
30.表5.填料的各项技术指标检测结果矿料(集料加填料)的级配设计详见表6。
31.表6.矿料的级配设计
制备例改性碳纳米管的制备例制备例1苯甲酸改性碳纳米管的制备：将碳纳米管与苯甲酸溶液混合，分散40分钟，真空6小时，用无水乙醇洗涤、离心、干燥，得到苯甲酸改性碳纳米管。
32.制备例2硅烷偶联剂改性碳纳米管的制备：将硅烷偶联剂加入无水乙醇中，得到硅烷偶联剂乙醇溶液，将碳纳米管加入硅烷偶联剂乙醇溶液中，搅拌2h，升温至70℃，搅拌回流2h，抽滤、烘干、研磨，得到硅烷偶联剂改性碳纳米管。
33.制备例3甘氨酸改性碳纳米管的制备：与制备例1的区别之处在于：将苯甲酸等质量更换为甘氨酸。
34.制备例4羟基化改性碳纳米管的制备：将碳纳米管与氢氧化钾混合，加入乙醇，球磨10h，用去离子水洗涤，100℃下烘干14h，得到羟基化改性碳纳米管，羟基化改性碳纳米管的羟基含量为5.58wt％。
35.制备例5聚丙烯酸改性碳纳米管的制备：将聚丙烯酰氯溶于丙酮，冰水浴下滴加叠氮钠水溶液，滴加完毕后得到叠氮化聚丙烯酸溶液，将碳纳米管超声1h后加入叠氮化聚丙烯酸溶液中，反应5h，抽滤、洗涤、烘干后得到聚丙烯酸改性碳纳米管。
36.改性碳纳米管/tpu复合改性剂的制备例制备例a改性碳纳米管/tpu复合改性剂的制备：加入多元醇(ptmg2000)、1，4-丁二醇(bod)，加热搅拌至120℃，真空至无明显气泡，加入二苯基甲烷二异氰酸酯(mdi)，熟化，得到ptmg2000型tpu；将tpu加入乙酸乙酯中，溶解2h，向tpu/乙酸乙酯加入65℃的水和乳化剂，以2000rpm的剪切速率剪切30min，通过减压蒸馏除去乙酸乙酯，得到tpu乳液；将制备例1制得的苯甲酸改性碳纳米管加入tpu乳液中，以2500rpm的剪切速率剪切70min，破乳、离心分离、减压蒸馏，得到改性碳纳米管/tpu混合液，tpu与改性碳纳米管的质量比为4:0.2，借
助双螺杆机挤出造粒，得到改性碳纳米管/tpu复合改性剂。
37.制备例b-e改性碳纳米管/tpu复合改性剂的制备：与制备例a的区别之处在于：tpu与改性碳纳米管的质量比不同，具体质量比如下表7所示：表7.tpu与改性碳纳米管的质量比表7.tpu与改性碳纳米管的质量比制备例f改性碳纳米管/tpu复合改性剂的制备：与制备例e的区别之处在于：改性碳纳米管的选择不同，具体改性碳纳米管的种类如下表8所示：表8.改性碳纳米管的种类项目改性碳纳米管的选择制备例e苯甲酸改性碳纳米管(制备例1)制备例f硅烷偶联剂改性碳纳米管(制备例2)制备例g甘氨酸改性碳纳米管(制备例3)制备例h羟基化改性碳纳米管(制备例4)制备例i聚丙烯酸改性碳纳米管(制备例5)制备例j改性碳纳米管/tpu复合改性剂的制备：与制备例e的区别之处在于：改性碳纳米管的选择不同，本制备例选择苯甲酸改性碳纳米管(制备例1)和羟基化改性碳纳米管(制备例4)，tpu、苯甲酸改性碳纳米管和羟基化改性碳纳米管的质量比为5:0.2:0.2。
38.制备例k改性碳纳米管/tpu复合改性剂的制备：与制备例j的区别之处在于：制备tpu时选用的多元醇不同，将多元醇(ptmg2000)等质量更换为多元醇(pcl2000)，得到pcl2000型tpu。
39.制备例l改性碳纳米管/tpu复合改性剂的制备：与制备例j的区别之处在于：制备tpu时选用的多元醇不同，将多元醇(ptmg2000)等质量更换为多元醇(peg2000)，得到peg2000型tpu。
40.制备例m改性碳纳米管/tpu复合改性剂的制备：与制备例j的区别之处在于：制备tpu时选用的多元醇不同，将多元醇(ptmg2000)等质量更换为多元醇(pcdl2000)，得到pcdl2000型
tpu。
41.改性沥青的制备例制备例a改性沥青的制备：将石油沥青加热至流动状态，得到流动石油沥青，将流动石油沥青、制备例a得到的改性碳纳米管/tpu复合改性剂在170℃下，以2000rpm的剪切速率剪切120min，石油沥青与改性碳纳米管/tpu复合改性剂的质量比为35:1,得到改性沥青。
42.制备例b-m改性沥青的制备：与制备例a的区别之处在于：改性碳纳米管/tpu复合改性剂的选择不同，具体选择如下表9所示：表9.改性碳纳米管/tpu复合改性剂的选择项目改性碳纳米管/tpu复合改性剂制备例a制备例a制备例b制备例b制备例c制备例c制备例d制备例d制备例e制备例e制备例f制备例f制备例g制备例g制备例h制备例h制备例i制备例i制备例j制备例j制备例k制备例k制备例l制备例l制备例m制备例m制备例n-q改性沥青的制备：与制备例j的区别之处在于：石油沥青与改性碳纳米管/tpu复合改性剂的质量比不同，具体质量比如下表10所示：表10.石油沥青与改性碳纳米管/tpu复合改性剂的质量比碳纳米管/tpu复合改性剂的质量比制备例r-s
改性沥青的制备：与制备例q的区别之处在于：流动石油沥青、改性碳纳米管/tpu复合改性剂的加热温度不同，具体加热温度如下表11所示：表11.加热温度制备例t-v改性沥青的制备：与制备例s的区别之处在于：剪切速率和剪切时间不同，具体剪切速率和剪切时间如下表12所示：表12.剪切速率和剪切时间项目剪切速率(rpm)剪切时间(min)制备例s2000120制备例t350090制备例u2500110制备例v3000100制备对比例改性碳纳米管/tpu复合改性剂的制备对比例制备对比例1-2改性碳纳米管/tpu复合改性剂的制备：与制备例a的区别之处在于：tpu与改性碳纳米管的质量比不同，具体质量比如下表13所示：表13.tpu与改性碳纳米管的质量比项目tpu与改性碳纳米管的质量比制备例a4:0.2制备对比例19:0.1制备对比例22:0.8制备对比例3改性碳纳米管/tpu复合改性剂的制备：与制备例a的区别之处在于：将改性碳纳米管等质量更换为tpu。
43.制备对比例4改性碳纳米管/tpu复合改性剂的制备：与制备例a的区别之处在于：选用的碳纳米管不经过改性。
44.改性沥青的制备对比例制备对比例a-d改性沥青的制备:与制备例a的区别之处在于：改性碳纳米管/tpu复合改性剂的选择不同，具体选择如下表14所示：
表14.改性碳纳米管/tpu复合改性剂的选择制备对比例e-f改性沥青的制备：与制备例a的区别之处在于：石油沥青与改性碳纳米管/tpu复合改性剂的质量比不同，具体质量比如下表15所示：表15.石油沥青与改性碳纳米管/tpu复合改性剂的质量比制备对比例g改性沥青的制备：与制备例a的区别之处在于：改性沥青的制备步骤不同，具体操作如下：加入多元醇(ptmg2000)、1，4-丁二醇(bod)，加热搅拌至120℃，真空至无明显气泡，加入二苯基甲烷二异氰酸酯(mdi)，熟化，得到ptmg2000型tpu；将tpu加入乙酸乙酯中，溶解2h，向tpu/乙酸乙酯加入65℃的水和乳化剂，以2000rpm的剪切速率剪切30min，通过减压蒸馏除去乙酸乙酯，得到tpu乳液。以2500rpm的剪切速率剪切70min，破乳、离心分离、减压蒸馏，得到tpu溶液，借助双螺杆机挤出造粒，得到tpu改性剂。
45.将石油沥青加热至流动状态，得到流动石油沥青，将流动石油沥青、制备例1得到的改性碳纳米管和tpu改性剂在170℃下，以2000rpm的剪切速率剪切120min，石油沥青、改性碳纳米管和tpu改性剂的质量比为147:4:0.2，得到改性沥青。实施例
46.实施例1一种高延展性应力吸收沥青面层材料，其配方如下：改性沥青4.3g；集料85g；填料4.5g。
47.沥青面层材料的制备：将集料在拌和锅中搅拌40s，添加制备例a制得的改性沥青，搅拌60s，最后加入填料拌和80s，得到沥青面层材料。其中集料和填料的加热温度为170℃，改性沥青的加热温度为185℃，拌和锅的设定温度为150℃。
48.实施例2-3一种高延展性应力吸收沥青面层材料，与实施例1的区别点在于：沥青面层材料的原料组成不同，具体组成如下表16所示：表16.面层材料的原料组成项目改性沥青(g)集料(g)填料(g)实施例14.3854.5实施例25.0955.5实施例34.6905实施例4-24一种高延展性应力吸收沥青面层材料，与实施例3的区别点在于：改性沥青的选择不同，改性沥青的具体选择如下表17所示：表17.改性沥青的选择
对比例对比例1-7一种高延展性应力吸收沥青面层材料，与实施例3的区别点在于：改性沥青的选择不同，具体选择如下表18所示：表18.改性沥青的选择
性能检测试验检测方法在25℃环境温度下，对半刚性基层沥青路面材料进行ot(overlay tester)试验，检测其抗反射裂缝的能力，半刚性基层沥青路面材料基层的厚度为35mm，面层的厚度为12mm，其中面层选自于实施例1-24和对比例1-7制得的沥青面层材料，每个试件都是用sgc旋转压实成型后切割而成，试验参数如下：试件尺寸：152mm
×
76mm
×
38mm最大开口位移：0.625mm一个周期循环时间：10sec试验停止标准：第一个周期荷载下降93％荷载周期数定义：试验停止时试件所受的荷载循环次数除进行标准状况下的试验外，对上述半刚性基层沥青路面材料进行试验室加速老化试验﹐先对沥青路面材料进行短期老化,然后将试件成型切割,将切割好的试件置于85℃的烘箱中,在强制通风条件下连续加热5天。待试件冷却,进行overlay test试验。
49.具体检测结果如下表19所示。
50.表19.半刚性基层沥青路面材料的性能检测
结合对比例1-2和实施例3并结合表19可以看出，对比例1的荷载周期数794、对比例2的荷载周期数687远小于实施例3的1153。这可能是因为：对比例1中改性碳纳米管的含量过低，附着在tpu表面的改性碳纳米管较少，tpu与石油沥青的界面强度较低；对比例2中的改性碳纳米管的含量过高，改性碳纳米管发生团聚，在沥青面层材料中形成应力集中点，降低了沥青路面材料的抗反射裂缝的能力。
51.结合对比例3和实施例3并结合表19可以看出，对比例3的荷载周期数598远小于实施例3的1153。这表明：一部分改性碳纳米管插入tpu内，另一部分改性碳纳米管吸附在tpu的表面，提升了tpu表面的粗糙度，增强了tpu与石油沥青的界面的强度。当受到外力时，改性碳纳米管从tpu内被拔出的过程中能够吸收部分应力。改性碳纳米管与tpu共同作用，能够明显提高沥青路面材料的抗反射裂缝能力。
52.结合对比例4和实施例3并结合表19可以看出，对比例4的荷载周期数879远小于实施例3的1153，这可能是因为：碳纳米管经过改性后分散性较好，不易发生团聚，不易形成应力集中点。
53.结合对比例5-6和实施例3并结合表19可以看出，对比例5的荷载周期数642、对比例6的荷载周期数487远小于实施例3的1153，这可能是因为：对比例5中改性碳纳米管/tpu复合改性剂含量过高，改性碳纳米管/tpu复合改性剂与石油沥青过度交联，导致沥青面层刚性过大，柔性低，改性碳纳米管/tpu复合改性剂在沥青面层材料中形成应力集中点，降低了沥青路面材料的抗反射裂缝的能力。对比例6中改性碳纳米管/tpu复合改性剂含量过低，对石油沥青的改性效果不明显。
54.结合对比例7和实施例3并结合表19可以看出，对比例7的荷载周期数901小于实施例3的1153，这可能是因为实施例3先将改性碳纳米管与tpu混合制成改性碳纳米管/tpu复合改性剂，再将改性碳纳米管/tpu复合改性剂加入石油沥青中对石油沥青进行改性，增大改性碳纳米管与tpu的接触几率，使得改性碳纳米管尽可能多的吸附在tpu表面或插入tpu内部。
55.结合实施例1-24并结合表19可以看出，实施例1-24的沥青路面材料在加速老化试验后，荷载周期数仍大于800，说明本技术的沥青面层材料耐久性较佳，能够保证半刚性基层沥青路面在长期使用中不产生裂缝。
56.本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，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，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。

技术特征：

1.一种高延展性应力吸收沥青面层材料，由包含以下重量份的原料组成：沥青4.3-5.0份、集料85-95份；填料4.5-5.5份，其特征在于，所述沥青由石油沥青、tpu和改性碳纳米管改性制得；所述改性碳纳米管为苯甲酸改性碳纳米管、硅烷偶联剂改性碳纳米管、甘氨酸改性碳纳米管、羟基化改性碳纳米管、聚丙烯酸改性碳纳米管中的一种或多种；改性沥青的制备方法，包括如下步骤：改性碳纳米管/tpu复合改性剂的制备：tpu乳化，得到tpu乳液；将改性碳纳米管加入tpu乳液中，得到改性碳纳米管/tpu混合液，tpu与改性碳纳米管的质量比为(4-8):(0.2-0.6)；将改性碳纳米管/tpu混合液挤出造粒，得到改性碳纳米管/tpu复合改性剂；改性沥青的制备：将石油沥青加热至流动状态，得到流动石油沥青；将流动石油沥青、改性碳纳米管/tpu复合改性剂在170-185℃下，以2000-3500rpm的剪切速率剪切90-120min，石油沥青与改性碳纳米管/tpu复合改性剂的质量比为(35-45):1，得到改性沥青。2.根据权利要求1所述的一种高延展性应力吸收沥青面层材料，其特征在于：所述tpu和改性碳纳米管的质量比为(4-8):(0.3-0.5)。3.根据权利要求1所述的一种高延展性应力吸收沥青面层材料，其特征在于：所述石油沥青与改性碳纳米管/tpu复合改性剂的质量比为(37-42):1。4.根据权利要求1所述的一种高延展性应力吸收沥青面层材料，其特征在于：所述改性碳纳米管为羟基化改性碳纳米管和/或苯甲酸改性碳纳米管。5.根据权利要求1所述的一种高延展性应力吸收沥青面层材料，其特征在于：所述剪切速率为2500-3000rpm。6.根据权利要求1所述的一种高延展性应力吸收沥青面层材料，其特征在于：所述剪切时间为100-110min。7.根据权利要求1所述的一种高延展性应力吸收沥青面层材料，其特征在于：所述tpu为ptmg2000型tpu、pcl2000型tpu、peg2000型tpu、pcdl2000型tpu中的一种或多种。8.根据权利要求7所述的一种高延展性应力吸收沥青面层材料，其特征在于：所述tpu为ptmg2000型tpu。

技术总结

本申请涉及路面材料技术领域，具体公开了一种高延展性应力吸收沥青面层材料。一种高延展性应力吸收沥青面层材料，由包含以下重量份的原料组成：沥青4.3-5.0份、集料85-95份；填料4.5-5.5份；沥青由石油沥青、TPU和改性碳纳米管改性制得；改性碳纳米管为苯甲酸改性碳纳米管、硅烷偶联剂改性碳纳米管、甘氨酸改性碳纳米管、羟基化改性碳纳米管、聚丙烯酸改性碳纳米管中的一种或多种。本申请能够解决半刚性沥青路面易产生反射裂缝的问题。青路面易产生反射裂缝的问题。