一种磁粉改性沥青及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种磁粉与沥青配制的磁粉改性沥青及其制备方法，可应用于钢桥面沥青铺装防水粘结层，也可应用于桥梁伸缩缝防水及钢筋和钢结构表面防腐等技术中，属于建筑材料技术领域。
背景技术
随着我国交通事业的高速发展，大跨径桥梁的建设也越来越多。其中，由于正交异性钢桥面板箱梁体系具有自重轻、侧向抗风能力强、运输和架设方便、空间结构受力性能更佳及施工周期较短等优点，在现代桥梁建设特别是大跨径桥梁建设中得到广泛应用。与此同时，钢桥面铺装是大跨径钢箱梁桥建设的关键技术之一，一直受到国内外学术界与工程界的高度关注与重视。
由于沥青混凝土具有重量轻、变形协调能力强、与钢桥面板粘结性能良好、维修方便及行车舒适等优点，成为正交异性钢桥面板首选的铺装结构形式。钢桥面沥青混凝土铺装结构直接铺筑于正交异性钢桥面板上，由于正交异性钢桥面板柔度大，在行车荷载及温度变化、风载和地震等自然因素共同作用下，其受力和变形要比一般的沥青混凝土路面及水泥混凝土桥梁上沥青桥面铺装复杂得多，工作环境也更为严苛，从而导致钢桥面沥青铺装层容易产生推移、车辙、脱层和疲劳开裂等早期损坏现象。因此，钢桥面沥青铺装技术至今仍是一个尚未很好解决的世界性技术难题，其关键是因钢桥面沥青铺装层与钢桥面板之间的粘结性及刚度差异而造成的变形追从性不协调问题。而防水粘结层作为钢桥面板与沥青混凝土铺装的过渡层，其在钢桥面铺装体系中起着重要作用，大量工程实践证明，许多钢桥面铺装体系的损坏都是首先从防水粘结层的破坏而逐步发展的，故有必要研究粘结、耐久的防水粘结层技术。
钢桥面沥青铺装结构一般由防腐层、防水粘结层、缓冲层和沥青混合料铺装层构成，并直接铺筑于钢桥面板之上。铺装层及防水粘结层的综合设计、施工控制及性能评价是保障其耐久性的关键，防水粘结层的粘结和防水效果差将会导致铺装层与钢桥面板之间产生滑动，进而在车辆荷载和环境因素的反复作用下造成铺装层和钢桥面板的损坏，并容易诱发钢桥面板产生腐蚀。
目前，国内外常用的防水粘结层材料主要有改性沥青、丙烯酸树脂和环氧树脂等粘结剂，这些粘结剂往往存在粘结力不足或热固后易老化发脆及造价过高等缺点，故进一步研发粘结性和耐久性优良的钢桥面沥青铺装防水粘结层材料是非常必要的。大量工程实践也显示，防水粘结层破坏已成为钢桥面沥青铺装病害的主要类型之一。因此，选择一种性能优越的防水粘结层材料对预防钢桥面沥青铺装层的损坏具有重要的意义。
为此，针对钢桥面沥青铺装防水粘结层的粘结性和耐久性问题，拟向传统的改性沥青防水粘结层材料中掺入适量的磁粉，以制备磁粉改性沥青防水粘结层材料，从而在保持传统材料与钢桥面板之间的物化粘结作用下，进一步增加磁粉与钢桥面板之间的物理磁力粘结作用，以综合提高粘结效果，增强耐久性。同时，磁粉改性沥青形成磁流变弹性体的磁致硬化作用及磁粉在沥青中的粉体改性硬化作用，可提高防水粘结层的刚度，减小与钢桥面板之间的刚度差异，增强沥青铺装层与钢桥面板之间的变形追从性。另外，由于磁粉易于磁化，在获得更强的粘结和刚度效果下，此种新型材料的应用可有效降低钢桥面沥青铺装的建养和运维成本。
发明内容
为达以上目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种磁粉与沥青配制的磁粉改性沥青由磁粉、沥青和表面活性剂按比例配制而成，各组分质量分数为：磁粉0.05％～50.00％，沥青49.00％～99.95％，表面活性剂0.01％～1.00％。
进一步地，所述的磁粉为毫米级、微米级或纳米级的钕铁硼磁粉、钡铁氧体磁粉、锶铁氧体磁粉、四氧化三铁磁粉、羰基铁粉、铝镍钴磁粉中任意一种或一种以上组合的能均匀分散于沥青中、磁化后带有磁性且不易消磁的磁性颗粒；
进一步地，所述的沥青为普通道路石油沥青、聚合物改性沥青、天然沥青改性沥青、复合改性沥青中任意一种或一种以上组合的沥青；
进一步地，所述的表面活性剂为偶联剂、硬脂酸类表面活性剂、脂肪酸类表面活性剂或乳液中任意一种或一种以上组合的表面活性剂。
本发明所述的磁粉改性沥青的制备方法有干混法和溶剂法两种：
(1)干混法
S1.将表面活性剂按质量配比制备成溶液，溶剂可为无水乙醇、煤油、烃类溶剂、松节油或丙酮溶剂；
S2.将磁粉按质量配比放入制备好的溶液中，搅拌均匀，确保磁粉表面被表面活性剂充分裹匀，形成磁粉与表面活性剂溶液的混合液；
S3.将磁粉混合液放入干燥器中干燥至恒重，即可得到活化后的磁粉；
S4.将沥青置于135～175℃温度下加热至完全流态；
S5.向预热好的沥青中按质量配比分数次加入活化后的磁粉，期间应边加热边搅拌10～15min，避免因为沥青冷却凝结导致搅拌不均匀；
S6.在设定温度的条件下，将搅拌好的磁粉与沥青混合物放入1000～7000r/min的高速剪切机中持续高速剪切20～120min，剪切完成后即可制备得到分散均匀的磁粉改性沥青。
(2)溶剂法
S1.将表面活性剂按质量配比制备成溶液，溶剂可为无水乙醇、煤油、烃类溶剂、松节油或丙酮溶剂；
S2.将磁粉按质量配比放入制备好的表面活性剂溶液中，搅拌均匀，确保磁粉表面被表面活性剂充分裹匀，形成磁粉与表面活性剂溶液的混合液；
S3.将沥青置于135～175℃温度下加热至完全流态；
S4.向预热好的沥青中按质量配比缓慢倒入磁粉混合液，期间应边加热边搅拌10～15min，避免因为沥青冷却凝结导致搅拌不均匀；
S5.将添加了磁粉混合液的沥青放入低速剪切机中在设定温度下以1000～3000r/min的速率低速剪切10～60min，直至溶剂完全蒸发；
S6.将低速剪切后的磁粉与沥青混合物放入高速剪切机中在设定温度下以1000～7000r/min的速率高速剪切10～60min，剪切完成后即可制备得到分散均匀的磁粉改性沥青。
进一步地，对上述制得的磁粉改性沥青进行充磁即可制备得到磁化后的磁粉改性沥青，充磁方式可采用电容式脉冲充磁机、无储能脉冲充磁机或恒流充磁机等进行。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过向传统的改性沥青防水粘结层材料中掺入适量的磁粉，并通过充磁机外加磁场对磁粉进行充磁，以制备出磁粉改性沥青防水粘结层材料，将其应用于钢桥面沥青铺装之中，制备工艺合理且经济耐久。与传统钢桥面沥青铺装防水粘结层相比，本发明在保持传统材料与钢桥面板之间的物化粘结作用下，进一步增加磁粉与钢桥面板之间的物理磁力粘结作用，以综合提高粘结效果，增强耐久性。同时，磁粉改性沥青形成磁流变弹性体的磁致硬化作用及磁粉在沥青中的粉体改性硬化作用，可提高防水粘结层的刚度，减小与钢桥面板之间的刚度差异，增强沥青铺装层与钢桥面板之间的变形追从性。由于磁粉易于磁化，在获得更强的粘结和刚度效果下，此种新型材料的应用可有效降低钢桥面沥青铺装的建养和运维成本。另外，根据本发明磁粉改性沥青的性能特点，该磁粉改性沥青也适用于桥梁伸缩缝防水及钢筋和钢结构表面防腐等技术中。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的一种磁粉改性沥青及其制备方法的磁粉改性沥青干混法制备流程。
图2是本发明的一种磁粉改性沥青及其制备方法的磁粉改性沥青溶剂法制备流程。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的说明，实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限定。
图1示出了本发明一种磁粉改性沥青及其制备方法的实施例，本实施例的磁粉改性沥青，其特征在于：选用的沥青为SBS改性沥青，磁粉为细度100微米的钕铁硼磁粉，表面活性剂为Si69硅烷偶联剂。选用不同掺量的钕铁硼磁粉加入到SBS改性沥青中，并与SBS改性沥青的性能进行对比。
一种钕铁硼磁粉与SBS改性沥青制备的磁粉改性沥青，其原材料质量分数包括A组(空白对照组)：SBS改性沥青100.00％；B组(充磁前)：钕铁硼磁粉6.00％，SBS改性沥青93.88％，硅烷偶联剂0.12％；C组(充磁前)：钕铁硼磁粉10.00％，SBS改性沥青89.80％，硅烷偶联剂0.20％。
为方便控制沥青制备质量，对B、C组钕铁硼磁粉改性沥青的制备方法采用干混法制备，步骤如下：
S1.Si69硅烷偶联剂用量为钕铁硼磁粉用量的2％，将Si69硅烷偶联剂按质量比m1(Si69硅烷偶联剂)∶m2(水)∶m3(乙醇)＝1∶1∶20充分水解2h，制备成偶联剂溶液；
S2.将钕铁硼磁粉按质量比m4(钕铁硼磁粉)∶m1(Si69硅烷偶联剂)＝50∶1放入制备好的硅烷偶联剂溶液中，搅拌均匀，确保钕铁硼磁粉表面被偶联剂充分裹匀，形成钕铁硼磁粉与偶联剂溶液的混合液；
S3.将钕铁硼磁粉混合液放入干燥器中干燥至恒重，即可得到活化后的钕铁硼磁粉；
S4.将SBS改性沥青置于175℃温度的烘箱中加热至完全流态；
S5.向预热好的SBS改性沥青中按质量配比分数次加入活化后的钕铁硼磁粉，边加热边搅拌10～15min，避免因为SBS改性沥青冷却凝结导致搅拌不均匀；
S6.在165～175℃温度条件下，将搅拌好的钕铁硼磁粉与SBS改性沥青混合物放入3000r/min的高速剪切机中持续高速剪切45min，剪切完成后即可制备得到分散均匀的钕铁硼磁粉改性沥青。
A组SBS改性沥青作为空白对照组，应对其进行与B、C组一样的操作，其具体步骤如下：
S1.将SBS改性沥青置于175℃温度的烘箱中加热至完全流态；
S2.边加热边搅拌预热好的SBS改性沥青10～15min；
S3.在165～175℃温度条件下，将搅拌好的SBS改性沥青放入3000r/min的高速剪切机中持续高速剪切45min，剪切完成后即可得到对照组SBS改性沥青。
对钕铁硼磁粉改性沥青采用高压脉冲式充磁机进行充磁，从而得到B组磁化后的D组钕铁硼磁粉改性沥青。
对A、B、C和D组改性沥青分别进行常规试验(针入度、延度和软化点试验)和防水粘结层粘结性能试验(25℃和60℃条件下的拉拔和剪切试验，涂布量1.0L/m2)，比较钕铁硼磁粉掺入后对SBS改性沥青的常规和粘结性能的影响，以及磁化对钕铁硼磁粉改性沥青的性能影响效果。具体试验结果见表1。
表1 SBS改性沥青及钕铁硼磁粉改性沥青性能试验数据。
从表1可知，钕铁硼磁粉掺入后，随着磁粉掺量增加，SBS改性沥青的针入度和延度下降、软化点上升，表明钕铁硼磁粉掺入后能提高SBS改性沥青的抗变形能力和高温性能，但对低温性能有不利影响，体现了磁粉在SBS改性沥青中的粉体改性硬化作用。两种温度下的充磁前钕铁硼磁粉改性沥青的拉拔和剪切强度较SBS改性沥青的提高了20％～50％，提升效果明显，表明磁粉的掺入可大幅提高SBS改性沥青的粘结性能；同时，充磁后的D组钕铁硼磁粉改性沥青较充磁前的B组钕铁硼磁粉改性沥青提高了高温性能和粘结性能，其中软化点提高了10％，拉拔和剪切强度则提高了25％～80％，表明磁化对钕铁硼磁粉改性沥青有明显的性能提升效果，体现了磁粉的磁力粘结和磁致硬化作用，适用于钢桥面铺装防水粘结层的层间粘结性能和变形追从性的技术要求。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动，如改变磁粉类型、掺配比例和方式及改变防水粘结层高分子材料等，均为本发明常见变化，在此不一一详述。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
