本發(fā)明涉及瀝青混合料制備領(lǐng)域，具體是指一種硫酸鈣晶須改性瀝青及其制備方法。

背景技術(shù)：

瀝青混合料為典型的粘彈塑性材料,氣溫升高時(shí)變軟,在荷載作用下易出現(xiàn)車轍；氣溫降低時(shí)變硬變脆,在荷載與溫度共同作用下易出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂和低溫開(kāi)裂。

現(xiàn)代膠漿理論認(rèn)為瀝青混合料是一種多級(jí)分散體系，雖然比例相對(duì)較小，但其在分散體系中最為重要，是影響瀝青混合料粘彈性的根本因素，瀝青膠漿的流變特性對(duì)瀝青混合料的抗永久變形能力具有決定性影響，在很大程度上影響著混合料的性能。根據(jù)美國(guó)“戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)”研究成果，瀝青膠漿對(duì)于高溫車轍的貢獻(xiàn)率為29％，對(duì)疲勞的貢獻(xiàn)率為52％，對(duì)溫度裂縫的貢獻(xiàn)率為87％。因此瀝青在其中至關(guān)重要，所以研究人員越來(lái)越多的嘗試使用纖維、無(wú)機(jī)填料、高分子材料等來(lái)改性瀝青，然而這些材料往往難以同時(shí)兼顧改性效果和經(jīng)濟(jì)性，例如石棉纖維有毒，玄武巖纖維生產(chǎn)過(guò)程中耗能極大，兩者的環(huán)保壓力大，木質(zhì)素纖維會(huì)導(dǎo)致瀝青的用量增加，從經(jīng)濟(jì)的角度上來(lái)看性價(jià)比低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種硫酸鈣晶須改性瀝青及其制備方法。本發(fā)明通過(guò)采用近納米級(jí)硫酸鈣晶須添加進(jìn)入基質(zhì)瀝青，一改過(guò)去許多硫酸鈣晶須產(chǎn)品纖維截面過(guò)大的現(xiàn)象，使其晶須截面達(dá)到近納米級(jí)水平，從而使其具有與瀝青各組分更能充分接觸的特性，更好的改變?yōu)r青了膠體結(jié)構(gòu)，使其路用性能更為優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)，而且近納米級(jí)硫酸鈣晶須在生產(chǎn)過(guò)程中，能耗低，且本身無(wú)毒、無(wú)刺激性，是完全符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的的這一戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)政策的。

本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種硫酸鈣晶須改性瀝青制備方法，將基質(zhì)瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)，過(guò)篩后重新加熱至流動(dòng)狀態(tài)，然后保持恒溫狀態(tài)進(jìn)行攪拌，攪拌的同時(shí)加入質(zhì)量百分比為2～8wt％的硫酸鈣晶須硫酸鈣晶須，加入完畢后繼續(xù)攪拌均勻即可得到改性瀝青。

作為一種優(yōu)選的方式，選用的是四川萬(wàn)潤(rùn)非金屬礦物材料有限公司無(wú)水硫酸鈣晶須。

作為一種優(yōu)選的方式，硫酸鈣晶須加入量的質(zhì)量百分比為2wt％。

作為一種優(yōu)選的方式硫酸鈣晶須加入量的質(zhì)量百分比為8wt％。

作為一種優(yōu)選的方式硫酸鈣晶須加入量的質(zhì)量百分比為4～6wt％。

作為一種優(yōu)選的方式硫酸鈣晶須加入量的質(zhì)量百分比為4wt％。

作為一種優(yōu)選的方式硫酸鈣晶須加入量的質(zhì)量百分比為6wt％。

一種硫酸鈣晶須改性瀝青，采用上述方法制得。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：本發(fā)明通過(guò)采用近納米級(jí)硫酸鈣晶須添加進(jìn)入基質(zhì)瀝青，一改過(guò)去許多硫酸鈣晶須產(chǎn)品纖維截面過(guò)大的現(xiàn)象，使其晶須截面達(dá)到近納米級(jí)水平，從而使其具有與瀝青各組分更能充分接觸的特性，更好的改變?yōu)r青了膠體結(jié)構(gòu)，使其路用性能更為優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)，而且近納米級(jí)硫酸鈣晶須在生產(chǎn)過(guò)程中，能耗低，且本身無(wú)毒、無(wú)刺激性，是完全符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的的這一戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)政策的。

附圖說(shuō)明

圖1為CSW摻量對(duì)溫度敏感性系數(shù)影響圖。

圖2為CSW摻量對(duì)針入度指數(shù)影響圖。

圖3為CSW摻加量對(duì)改性瀝青粘度影響圖。

圖4為CSW摻加量對(duì)改性瀝青黏溫指數(shù)影響圖。。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)行進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此：

實(shí)施例1：

一、材料和儀器

硫酸鈣晶須選用的是四川萬(wàn)潤(rùn)非金屬礦物材料有限公司無(wú)水硫酸鈣晶須，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。以常規(guī)水熱法制備硫酸鈣晶須為例，常規(guī)無(wú)水硫酸鈣晶須制備是將生石膏在反應(yīng)釜中攪拌重結(jié)晶生成普通硫酸鈣晶須，反應(yīng)釜內(nèi)維持一定的溫度和壓強(qiáng)。其具體過(guò)程可為將小于2％的二水石膏懸浮液加到水壓熱器中處理，在飽和蒸汽壓下，二水石膏變成變成細(xì)小針狀的半水石膏，再經(jīng)晶型化處理得到半水硫酸鈣晶須。與常規(guī)水熱法相比，四川萬(wàn)潤(rùn)非金屬礦物材料有限公司所出產(chǎn)的無(wú)水硫酸鈣晶須，制備過(guò)程區(qū)別在于在反應(yīng)釜中添加有納米分子誘導(dǎo)劑，該納米分子誘導(dǎo)劑為mot納米誘導(dǎo)劑，經(jīng)過(guò)該成份誘導(dǎo)，納米分子誘導(dǎo)劑結(jié)合硫酸鈣分子生成本文中提到的近納米級(jí)硫酸鈣晶須。

瀝青采用廣東茂名石化東海牌AH70#、AH90#A級(jí)道路石油瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

瀝青性能測(cè)試所使用的相關(guān)儀器包括：SNB-1A-J型布氏粘度計(jì)(上海方瑞儀器有限公司)、JJ-1型機(jī)械攪拌器(臺(tái)州艾測(cè)儀器有限公司)、YLRH-1型瀝青軟化點(diǎn)儀(西安亞星土木儀器有限公司)、YX-1型瀝青延度儀(西安亞星土木儀器有限公司)、YLZ-1型電腦針入度儀(西安亞星土木儀器有限公司)。

表1 ACS-01無(wú)水硫酸鈣晶須的技術(shù)指標(biāo)

表2東海牌AH70#和AH90#瀝青的技術(shù)指標(biāo)

二、硫酸鈣晶須改性瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青在135℃烘箱中加熱至流動(dòng)狀態(tài)，過(guò)0.6mm標(biāo)準(zhǔn)篩，趁熱稱量500g移至裝有溫控表的電熱爐上繼續(xù)加熱，待溫度穩(wěn)定后，采用機(jī)械攪拌器攪拌，緩緩加入質(zhì)量百分比分別為2～8wt％的硫酸鈣晶須，繼續(xù)攪拌30mi n，得到改性瀝青。

三、硫酸鈣晶須改性瀝青性能分析

對(duì)硫酸鈣晶須改性瀝青按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行三大指標(biāo)測(cè)試并確定針入度指數(shù)作PI，以PI作為評(píng)價(jià)瀝青感溫性的指標(biāo)，測(cè)試15℃、30℃針入度，按公式(1)求算針入度指數(shù)：

公式(1)中A值是溫度敏感性系數(shù)A，其計(jì)算方法為利用針入度數(shù)值和溫度之間的線性關(guān)系，通過(guò)三個(gè)溫度和所對(duì)應(yīng)的針入度求回歸直線，其斜率即為溫度敏感性系數(shù)A，可按最小二乘法求取，最小二乘法參見(jiàn)陳華鑫2006年作出的長(zhǎng)安大學(xué)博士論文《SBS改性瀝青路用性能與機(jī)理研究》。公式(2)為：

三、布氏粘度試驗(yàn)

對(duì)基質(zhì)瀝青及改性劑摻量分別為2wt％、4wt％、6wt％、8wt％的改性瀝青進(jìn)行布氏粘度試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為135℃和175℃，根據(jù)攝氏溫標(biāo)下黏溫指數(shù)的算法公式(3)求粘溫指數(shù)，并進(jìn)一步分析硫酸鈣晶須及其摻加量對(duì)粘度的影響。算法公式(3)為：

四、改性瀝青的基本性能

不同硫酸鈣晶須摻加比例對(duì)瀝青三大指標(biāo)的影響試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

由表3結(jié)果可見(jiàn)，隨著硫酸鈣晶須摻加量從0wt％增加到8wt％，70#瀝青軟化點(diǎn)從基質(zhì)瀝青的47.45℃增加至53..85℃，90#瀝青的軟化點(diǎn)從基質(zhì)瀝青的46.70℃增加至51..65℃，軟化點(diǎn)和晶須摻加量之間呈正相關(guān)。而隨著晶須摻加量增加，70#瀝青針入度從76.9(0.1mm)降至35.3(0.1mm)90#瀝青針入度從86.4(0.1mm)降至50.2(0.1mm)，針入度和晶須摻加量之間呈負(fù)相關(guān)。

這是由于在機(jī)械攪拌的作用下，硫酸鈣晶須以細(xì)微纖維狀形態(tài)無(wú)序的分散在基質(zhì)瀝青中，由于其強(qiáng)度高、韌性好，在瀝青基體中形成了一定的空間網(wǎng)格，阻礙了瀝青的流動(dòng)性，粘滯性增加，因此軟化點(diǎn)增加，針入度下降。25℃時(shí)隨晶須摻加量的增加，改性瀝青延度呈下降趨勢(shì)，70#瀝青晶須摻量大于wt4％時(shí)延度降低至100cm以下，說(shuō)明隨著晶須摻加量的增加瀝青的延展性下降、塑性降低。這是由于硫酸鈣晶須屬于剛性填料，剛性填料在復(fù)合材料中其塑性變形能力隨剛性粒子的增加而快速降低，當(dāng)拉伸應(yīng)力作用于改性瀝青時(shí)，基質(zhì)瀝青模量比硫酸鈣晶須模量低，在拉伸方向上產(chǎn)生較大的變形，晶須與基體界面的應(yīng)力傳遞能力遭到破壞，導(dǎo)致瀝青試件提前斷裂，在宏觀上體現(xiàn)為斷裂伸長(zhǎng)率大幅度減小，限制了瀝青的塑性變形能力，因此延度下降。而90#瀝青由于本身流動(dòng)性較大，所以延度降低不太明顯。綜合以上分析，晶須摻加量不宜過(guò)大，可以考慮摻配4wt％—6wt％的硫酸鈣晶須改善瀝青基本性能。

五、硫酸鈣晶須對(duì)針入度指數(shù)的影響

通過(guò)平行實(shí)驗(yàn)分別對(duì)基質(zhì)瀝青及硫酸鈣晶須摻加量2wt％、4wt％、6wt％、8wt％的改性瀝青測(cè)試30℃、25℃、15℃的針入度值，按公式(1)和(2)分別計(jì)算溫度敏感性系數(shù)A以及針入度指數(shù)PI。實(shí)驗(yàn)測(cè)試及計(jì)算結(jié)果如表4所示，進(jìn)一步對(duì)不同晶須摻加量的溫度敏感性系數(shù)A與針入度指數(shù)PI結(jié)果作圖，如圖1和圖2所示。圖1為CSW摻量對(duì)溫度敏感性系數(shù)影響圖。圖2為CSW摻量對(duì)針入度指數(shù)影響圖。

表4改性瀝青針入度值及相應(yīng)溫度敏感性系數(shù)A與針入度指數(shù)PI

由表4結(jié)果及圖1、圖2可知，隨著晶須摻加量從0增加到8wt％，70#瀝青溫度敏感性系數(shù)從基質(zhì)瀝青的0.0270降低至0.0233，針入度指數(shù)從2.7524增加至4.1514，而90#瀝青溫度敏感性系數(shù)從基質(zhì)瀝青的0.0246降低至0.0204，針入度指數(shù)從3.4610增加至4.8263，兩種瀝青的溫度敏感性系數(shù)與硫酸鈣晶須摻加量均呈負(fù)相關(guān)，針入度指數(shù)與硫酸鈣晶須摻加量呈正相關(guān)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明瀝青材料在加入硫酸鈣晶須后，溫度敏感性降低，從而增加了瀝青材料的高溫穩(wěn)定性，該結(jié)果與軟化點(diǎn)測(cè)試結(jié)果相吻合。這是由于在高速攪拌作用下，硫酸鈣晶須均勻分散在瀝青中，而瀝青可以看作是極性不同的組分所組成的分散相均勻分散于不(稍)含極性的分散介質(zhì)如芳香分、飽和分中，基質(zhì)瀝青中的輕組分，如油蠟、飽和分、芳香分等經(jīng)過(guò)滲透、擴(kuò)散進(jìn)入硫酸鈣晶須，導(dǎo)致瀝青膠團(tuán)與膠團(tuán)之間的距離減小，膠團(tuán)之間的吸引力增加，這些變化都使瀝青溫度敏感性降低。

六、硫酸鈣晶須對(duì)粘度及粘溫指數(shù)的影響

對(duì)基質(zhì)瀝青及晶須摻加量分別為2wt％、4wt％、6wt％、8wt％的改性瀝青分別在135℃和175℃條件下進(jìn)行布氏粘度試驗(yàn)，分析改性劑及摻加量對(duì)粘度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，進(jìn)一步對(duì)不同晶須摻加量的粘度與粘溫指數(shù)結(jié)果作圖，如圖3和圖4所示。圖3為CSW摻加量對(duì)改性瀝青粘度影響圖。圖4為CSW摻加量對(duì)改性瀝青黏溫指數(shù)影響圖。

表5改性瀝青的布洛克菲爾德粘度及粘溫指數(shù)

由表5可以看出，在硫酸鈣晶須不變的條件下，隨溫度的增加，瀝青粘度降低，這主要是因?yàn)殡S溫度的增加瀝青由彈性向粘性轉(zhuǎn)變[15]，表現(xiàn)為粘度下降。由表5和圖3結(jié)果可知，在相同溫度下，兩種基質(zhì)瀝青均表現(xiàn)為隨著硫酸鈣晶須的摻加量增加，瀝青的布氏粘度逐漸增加。按瀝青的四組分分析法，增加瀝青質(zhì)或減少膠質(zhì)可直接改善瀝青的膠體結(jié)構(gòu)[16-17]。隨著硫酸鈣晶須摻加量的增大，自由瀝青大量與晶須結(jié)合，在整個(gè)體系中，自由瀝青的含量相對(duì)減少，瀝青質(zhì)比例相對(duì)增加，瀝青變得粘稠，而且晶須起到補(bǔ)強(qiáng)作用，在瀝青膠漿中分布量的增大導(dǎo)致在外力的作用下，晶須—晶須之間摩阻力增大，故粘度增加。

粘溫指數(shù)VTS反映瀝青的黏溫特性，若瀝青的黏度隨溫度變化率小，則黏溫特性好。從測(cè)試計(jì)算結(jié)果來(lái)看，由表5及圖4可知：摻加晶須量從0wt％增加到8wt％，70#瀝青VTS絕對(duì)值從基質(zhì)瀝青的3.283提高到3.437，而90#瀝青VTS絕對(duì)值從基質(zhì)瀝青的3.063提高到3.981，均高于未改性瀝青，且VTS絕對(duì)值均隨著晶須摻加量增加而增加。這表明改性瀝青的溫度穩(wěn)定性得到改善，而且隨著硫酸鈣晶須摻加量的增加，改善幅度有所提升。其原因主要是無(wú)水硫酸鈣晶須的耐高溫性良好，比表面積大，屬于細(xì)微的單晶材料，可以認(rèn)為是一種微型纖維,由于隨著晶須含量的增加，晶須之間形成的網(wǎng)格數(shù)量增加[18-19]，從而降低瀝青流變性，而瀝青中的酸性樹(shù)脂具有很強(qiáng)的表面活性，它能使晶須與瀝青緊密的結(jié)合起來(lái)，這種結(jié)合作用比游離在晶須外的瀝青的膠結(jié)作用強(qiáng)很多，使改性瀝青有更好的耐熱性[20]，所以添加硫酸鈣晶須使瀝青高溫抗變形能力增加，溫度穩(wěn)定性變好。

結(jié)論：

(1)對(duì)摻加硫酸鈣晶須的瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)測(cè)試，隨著晶須摻加量的增加，針入度降低，軟化點(diǎn)升高，延度降低。綜合各方面性能考慮晶須摻加比例為4～6wt％能較好改善瀝青的基本性能。

(2)分析硫酸鈣晶須摻加量對(duì)瀝青溫度敏感性的影響，在晶須摻加量的0～8wt％范圍，兩種基質(zhì)瀝青形成的改性瀝青均表現(xiàn)為隨著摻加比例的增加瀝青針入度指數(shù)增加，溫度敏感性降低。

(3)在硫酸鈣晶須摻加量0～8wt％范圍，隨著晶須的摻量增加，瀝青粘度增大，粘溫指數(shù)|VTS|增加，硫酸鈣晶須的摻加改性能夠有效的改善瀝青的溫度穩(wěn)定性。

綜上，可以考慮用在夏季日照時(shí)間長(zhǎng)、溫度較高、對(duì)高溫抗車轍有要求的地區(qū)的路用瀝青中可加入4～6wt％硫酸鈣晶須以提高其高溫穩(wěn)定性。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。