一种透水抗冻沥青环保材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种透水抗冻沥青环保材料及其制备方法。
背景技术
随着经济的发展和城市建设步伐的加快，现代城市的地表正逐步被钢筋混凝土的房屋和不透水的混凝土路面所覆盖，形成生态学上的“人造沙漠”，这些不透水的路面铺装技术简单，成本低廉，给人们交通出行带来了方便，但它会给城市的生态环境带来许多负面的影响。首先，这种不透水不透气的路面使渗入地下的雨水明显减少，城市地下水得不到补充，损害了城市的水平衡，影响了城市地表植物的生长，破坏了城市地表的生态平衡；其次，这种表面致密的路面在雨天由于不能及时排水，造成路面积水，给行人和车辆的行驶带来许多不便，还会增加城市的噪音污染并形成城市的“热岛效应”。正是在这种形势下，透水沥青材料应运而生，引起了业内的广泛关注。
透水性沥青材料路面是一种骨架嵌挤多孔结构的生态型环保路面，其路面空隙率高达15～20％左右，内部构造是由一系列与外部空气相连通的多孔隙结构形成骨架，能够满足路用强度(交通荷载)要求和耐久性要求的路面结构形式。这种形式的路面具有降低噪声、减少城市地表径流和城市防洪、降低城市热岛效应、防溅水、防反光、增强路面附着力等优点，能有效降低汽车轮胎与路面接触而产生的爆炸噪声，能改善雨天与冬季的行车条件，提高行车舒适性与安全性；能降低阳光下路面反射光刺眼程度，有效提高路面的附着力。
目前透水沥青材料主要使用玄武岩、石灰岩等天然石料为主骨料，然而，这些材料总体储量有限。市面上的透水沥青材料还普遍存在硬度较大，粘结力、抗车辙性能不佳，耐久性较差，由于其空隙率大，所以容易受水的侵蚀，使沥青膜老化，加速路面损坏；生产成本高，透水沥青混合料采用高粘度改性沥青，原材料成本高；拌制时间比普通沥青混合料长，拌和温度比普通沥青混合料高，所以生产成本高；维护成本高的缺陷。
申请号为201710406110.1的中国发明专利公开了一种掺入北美孚玄武岩纤维透水沥青混合料，以质量百分比计，所述混合料包括如下组分组成：SBS改性沥青4.4％～4.7％、北美孚玄武岩纤维0.274％～0.29％、矿料93.1％～95.3％、HVA高粘剂0.296％～0.4％。该发明在所制备的透水沥青混合料中掺入适当的北美孚玄武岩纤维，不仅可以提高水稳定性，还可以提高抗高温稳定性，且操作简便，节约成本。然而北美孚玄武岩纤维资源有限，耐久性和综合性能有待进一步提高。
因此，开发一种综合性能和抗车辙性能佳，耐久性和透水性好，原料来源丰富，性能稳定性、抗冻性能、抗水损坏性和耐高温性能优异的透水沥青材料符合市场需求，具有广泛的市场价值和应用前景，对促进透水路面行业的发展具有非常重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种透水抗冻沥青环保材料及其制备方法，该制备方法简单易行，对设备和制备条件要求低，生产效率高，适合连续规模化生产；通过这种制备方法制备得到的透水抗冻沥青环保材料综合性能和抗车辙性能佳，耐久性和透水性好，原料来源丰富，性能稳定性、抗冻性能、抗水损坏性和耐高温性能优异。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种透水抗冻沥青环保材料，其特征在于，按重量份包括以下各组分：改性堇青石纤维0.3-0.5份、氧化铍纳米粉末0.1-0.3份、煤渣40-50份、矿粉40-50份、三嗪类超支化季铵盐表面活性剂0.1-0.2份、改性沥青3-5份、沥青纤维0.5-1.5份、坡缕石0.1-0.2份。
优选的，所述改性堇青石纤维的制备方法，包括如下步骤：将堇青石纤维分散于有机溶剂中，然后其中加入氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵，在40-60℃下搅拌反应4-6小时，后旋蒸除去有机溶剂，得到改性堇青石纤维。
优选的，所述堇青石纤维、有机溶剂、氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵的质量比为1:(3-5):(0.1-0.3)。
优选的，所述有机溶剂为乙腈、氯仿、四氢呋喃、丙酮中的任意一种。
优选的，所述堇青石纤维的长度5-8mm，直径为8-12μm。
优选的，所述矿粉为岩石矿粉，粒度分布及所占质量百分比如下：0-10μm为45％，10-20μm为20％，20-30μm为15％，30-60μm为20％。
优选的，所述煤渣的粒度分布及所占质量百分比如下：0-10μm为40％，15-25μm为25％，28-40μm为15％，45-95μm为20％。
优选的，所述嗪类超支化季铵盐表面活性剂的制备方法，参见申请号为201910163614.4的中国发明专利实施例1。
优选的，所述沥青纤维的长度6-10mm，直径为10-15μm。
优选的，所述坡缕石的粒径为100-200目。
优选的，所述改性沥青的制备方法，包括如下步骤：将煤沥青、1,1'-砜基双[4-(2-丙烯)氧基苯]、端羧基液体氟橡胶、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪混合均匀后，在氮气或惰性气体氛围下以4-8℃/min的速度升温至110-140℃，并保温搅拌4-8小时，得到改性沥青。
优选的，所述煤沥青、1,1'-砜基双[4-(2-丙烯)氧基苯]、端羧基液体氟橡胶、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪的质量比为10:(0.8-1.2):(1.2-1.5):(0.1-0.3)。
优选的，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气中的任意一种。
本发明的另一个目的在于提供一种所述透水抗冻沥青环保材料的制备方法，包括如下步骤：首先将改性沥青在165～175℃的烘箱中加热至熔融状态，保温备用；然后于190～200℃下预加热煤渣和矿粉5～7小时；接着将拌合锅加热至拌合温度165～175℃，先将预热后的煤渣和矿粉加入拌合锅内，拌合20～30s，再掺入改性堇青石纤维、氧化铍纳米粉末、三嗪类超支化季铵盐表面活性剂、沥青纤维和坡缕石，拌合85～100s，最后加入熔融的保温备用的改性沥青，拌合95～105s，得到透水抗冻沥青环保材料。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
(1)本发明提供的一种透水抗冻沥青环保材料的制备方法，无需专用设备，工艺简单，操作控制方便，生产效率高，适合连续规模化生产。
(2)本发明提供的一种透水抗冻沥青环保材料，采用部分固体废弃煤渣代替矿粉，不仅节省了成本，实现了资源的再利用，变废为宝，还有利于环境保护；另外，其添加还能使得制备得到的透水抗冻沥青环保材料具有更高强度、透水性、抗车辙性以及抗冻性，同时减小了因天然集料开采造成的环境污染；改善改性沥青的性能。
(3)本发明提供的一种透水抗冻沥青环保材料，添加的氧化铍纳米粉末，能在材料碱性条件下反应，避免材料泛碱，提高材料耐用性；沥青纤维的添加不仅能起到增强作用，还可以抗裂、吸附、分散和改善沥青高低温性能；改性堇青石纤维的加入不仅能改善材料的机械力学性能，而且还可以改善其抗疲劳性能和耐高温性能，使得路面平整度好，而且能够延长路面使用寿命；有效避免了传统玄武岩纤维资源匮乏带来的诸多问题；通过表面改性，改善了其与其它组分之间的相容性，在其表面引入季铵盐阳离子结构，能与其他组分中的羧基以离子键连接，使得形成三维网状结构，有效改善材料的综合性能。
(4)本发明提供的一种透水抗冻沥青环保材料，添加的三嗪类超支化季铵盐表面活性剂，起到引气作用，改善混凝土内部孔隙率，有效改善透水性能；季铵盐结构能通过静电作用提高各组分之间的相容性，三嗪结构的引入能改善沥青材料的综合性能，提高其耐候性、耐老化性、耐高温性能和阻燃性。坡缕石的添加能增强各组分之间的粘结性，进而提高耐压性能。
(5)本发明提供的一种透水抗冻沥青环保材料，改性沥青是由1,1'-砜基双[4-(2-丙烯)氧基苯]、端羧基液体氟橡胶、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪共改性的沥青，其中的1,1'-砜基双[4-(2-丙烯)氧基苯]在端羧基液体氟橡胶、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪上的羧基催化作用下发生酸催化下的阳离子性缩聚反应，在沥青上引入砜基和苯醚结构，能有效改善沥青材料的综合性能，使得其耐久性好；端羧基液体氟橡胶结构的引入能改善材料的韧性，端羧基液体氟橡胶、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪上的羧基与三嗪类超支化季铵盐表面活性剂、改性堇青石纤维上的季铵盐基以离子键连接，改善综合性能；各组分协同作用，使得沥青路面透水、减水雾、降噪音的功能，施工性能优良、成本低，能够在兼顾普通的透水沥青材料的强度、透水性的同时，改善透水沥青材料的塑性变形、抗冲击等性能，适用范围广。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的以及优点更加清晰易懂，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明下述实施例中所涉及到的所述嗪类超支化季铵盐表面活性剂的制备方法，参见申请号为201910163614.4的中国发明专利实施例1；其他原料均为商业购买。
实施例1
一种透水抗冻沥青环保材料，其特征在于，按重量份包括以下各组分：改性堇青石纤维0.3份、氧化铍纳米粉末0.1份、煤渣40份、矿粉40份、三嗪类超支化季铵盐表面活性剂0.1份、改性沥青3份、沥青纤维0.5份、坡缕石0.1份。
所述改性堇青石纤维的制备方法，包括如下步骤：将堇青石纤维分散于有机溶剂中，然后其中加入氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵，在40℃下搅拌反应4小时，后旋蒸除去有机溶剂，得到改性堇青石纤维；所述堇青石纤维、有机溶剂、氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵的质量比为1:3:0.1；所述有机溶剂为乙腈。
所述堇青石纤维的长度5mm，直径为8μm。
所述矿粉为岩石矿粉，粒度分布及所占质量百分比如下：0-10μm为45％，10-20μm为20％，20-30μm为15％，30-60μm为20％。
所述煤渣的粒度分布及所占质量百分比如下：0-10μm为40％，15-25μm为25％，28-40μm为15％，45-95μm为20％。
所述沥青纤维的长度6mm，直径为10μm；所述坡缕石的粒径为100目。
所述改性沥青的制备方法，包括如下步骤：将煤沥青、1,1'-砜基双[4-(2-丙烯)氧基苯]、端羧基液体氟橡胶、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪混合均匀后，在氮气氛围下以4℃/min的速度升温至110℃，并保温搅拌4小时，得到改性沥青；所述煤沥青、1,1'-砜基双[4-(2-丙烯)氧基苯]、端羧基液体氟橡胶、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪的质量比为10:0.8:1.2:0.1。
一种所述透水抗冻沥青环保材料的制备方法，包括如下步骤：首先将改性沥青在165℃的烘箱中加热至熔融状态，保温备用；然后于190℃下预加热煤渣和矿粉5小时；接着将拌合锅加热至拌合温度165℃，先将预热后的煤渣和矿粉加入拌合锅内，拌合20s，再掺入改性堇青石纤维、氧化铍纳米粉末、三嗪类超支化季铵盐表面活性剂、沥青纤维和坡缕石，拌合85s，最后加入熔融的保温备用的改性沥青，拌合95s，得到透水抗冻沥青环保材料。
实施例2
一种透水抗冻沥青环保材料，其特征在于，按重量份包括以下各组分：改性堇青石纤维0.35份、氧化铍纳米粉末0.15份、煤渣42份、矿粉43份、三嗪类超支化季铵盐表面活性剂0.13份、改性沥青3.5份、沥青纤维0.7份、坡缕石0.12份。
所述改性堇青石纤维的制备方法，包括如下步骤：将堇青石纤维分散于有机溶剂中，然后其中加入氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵，在45℃下搅拌反应4.5小时，后旋蒸除去有机溶剂，得到改性堇青石纤维；所述堇青石纤维、有机溶剂、氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵的质量比为1:3.5:0.15；所述有机溶剂为氯仿；所述堇青石纤维的长度6mm，直径为9μm。
所述矿粉为岩石矿粉，粒度分布及所占质量百分比如下：0-10μm为45％，10-20μm为20％，20-30μm为15％，30-60μm为20％。
所述煤渣的粒度分布及所占质量百分比如下：0-10μm为40％，15-25μm为25％，28-40μm为15％，45-95μm为20％。
所述沥青纤维的长度7mm，直径为11μm；所述坡缕石的粒径为120目。
所述改性沥青的制备方法，包括如下步骤：将煤沥青、1,1'-砜基双[4-(2-丙烯)氧基苯]、端羧基液体氟橡胶、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪混合均匀后，在惰性气体氛围下以5℃/min的速度升温至120℃，并保温搅拌5小时，得到改性沥青；所述煤沥青、1,1'-砜基双[4-(2-丙烯)氧基苯]、端羧基液体氟橡胶、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪的质量比为10:0.9:1.3:0.15；所述惰性气体为氦气。
一种所述透水抗冻沥青环保材料的制备方法，包括如下步骤：首先将改性沥青在167℃的烘箱中加热至熔融状态，保温备用；然后于193℃下预加热煤渣和矿粉5.5小时；接着将拌合锅加热至拌合温度167℃，先将预热后的煤渣和矿粉加入拌合锅内，拌合22s，再掺入改性堇青石纤维、氧化铍纳米粉末、三嗪类超支化季铵盐表面活性剂、沥青纤维和坡缕石，拌合88s，最后加入熔融的保温备用的改性沥青，拌合98s，得到透水抗冻沥青环保材料。
实施例3
一种透水抗冻沥青环保材料，其特征在于，按重量份包括以下各组分：改性堇青石纤维0.4份、氧化铍纳米粉末0.2份、煤渣45份、矿粉45份、三嗪类超支化季铵盐表面活性剂0.15份、改性沥青4份、沥青纤维1份、坡缕石0.15份。
所述改性堇青石纤维的制备方法，包括如下步骤：将堇青石纤维分散于有机溶剂中，然后其中加入氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵，在50℃下搅拌反应5小时，后旋蒸除去有机溶剂，得到改性堇青石纤维；所述堇青石纤维、有机溶剂、氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵的质量比为1:4:0.2；所述有机溶剂为四氢呋喃。
所述堇青石纤维的长度6.5mm，直径为10μm。
所述矿粉为岩石矿粉，粒度分布及所占质量百分比如下：0-10μm为45％，10-20μm为20％，20-30μm为15％，30-60μm为20％。
所述煤渣的粒度分布及所占质量百分比如下：0-10μm为40％，15-25μm为25％，28-40μm为15％，45-95μm为20％。
所述沥青纤维的长度8mm，直径为13μm；所述坡缕石的粒径为150目。
所述改性沥青的制备方法，包括如下步骤：将煤沥青、1,1'-砜基双[4-(2-丙烯)氧基苯]、端羧基液体氟橡胶、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪混合均匀后，在惰性气体氛围下以6℃/min的速度升温至125℃，并保温搅拌6小时，得到改性沥青；所述煤沥青、1,1'-砜基双[4-(2-丙烯)氧基苯]、端羧基液体氟橡胶、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪的质量比为10:1:1.35:0.2；所述惰性气体为氖气。
一种所述透水抗冻沥青环保材料的制备方法，包括如下步骤：首先将改性沥青在170℃的烘箱中加热至熔融状态，保温备用；然后于195℃下预加热煤渣和矿粉6小时；接着将拌合锅加热至拌合温度170℃，先将预热后的煤渣和矿粉加入拌合锅内，拌合25s，再掺入改性堇青石纤维、氧化铍纳米粉末、三嗪类超支化季铵盐表面活性剂、沥青纤维和坡缕石，拌合93s，最后加入熔融的保温备用的改性沥青，拌合100s，得到透水抗冻沥青环保材料。
实施例4
一种透水抗冻沥青环保材料，其特征在于，按重量份包括以下各组分：改性堇青石纤维0.48份、氧化铍纳米粉末0.25份、煤渣48份、矿粉49份、三嗪类超支化季铵盐表面活性剂0.19份、改性沥青4.8份、沥青纤维1.4份、坡缕石0.18份。
所述改性堇青石纤维的制备方法，包括如下步骤：将堇青石纤维分散于有机溶剂中，然后其中加入氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵，在58℃下搅拌反应5.8小时，后旋蒸除去有机溶剂，得到改性堇青石纤维；所述堇青石纤维、有机溶剂、氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵的质量比为1:4.7:0.28；所述有机溶剂为丙酮。
所述堇青石纤维的长度7.5mm，直径为11μm。
所述矿粉为岩石矿粉，粒度分布及所占质量百分比如下：0-10μm为45％，10-20μm为20％，20-30μm为15％，30-60μm为20％。
所述煤渣的粒度分布及所占质量百分比如下：0-10μm为40％，15-25μm为25％，28-40μm为15％，45-95μm为20％。
所述沥青纤维的长度9mm，直径为14μm；所述坡缕石的粒径为190目。
所述改性沥青的制备方法，包括如下步骤：将煤沥青、1,1'-砜基双[4-(2-丙烯)氧基苯]、端羧基液体氟橡胶、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪混合均匀后，在惰性气体氛围下以7℃/min的速度升温至135℃，并保温搅拌7小时，得到改性沥青；所述煤沥青、1,1'-砜基双[4-(2-丙烯)氧基苯]、端羧基液体氟橡胶、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪的质量比为10:1.1:1.4:0.28；所述惰性气体为氦气。
一种所述透水抗冻沥青环保材料的制备方法，包括如下步骤：首先将改性沥青在173℃的烘箱中加热至熔融状态，保温备用；然后于198℃下预加热煤渣和矿粉6.8小时；接着将拌合锅加热至拌合温度173℃，先将预热后的煤渣和矿粉加入拌合锅内，拌合28s，再掺入改性堇青石纤维、氧化铍纳米粉末、三嗪类超支化季铵盐表面活性剂、沥青纤维和坡缕石，拌合98s，最后加入熔融的保温备用的改性沥青，拌合102s，得到透水抗冻沥青环保材料。
实施例5
一种透水抗冻沥青环保材料，其特征在于，按重量份包括以下各组分：改性堇青石纤维0.5份、氧化铍纳米粉末0.3份、煤渣50份、矿粉50份、三嗪类超支化季铵盐表面活性剂0.2份、改性沥青5份、沥青纤维1.5份、坡缕石0.2份。
所述改性堇青石纤维的制备方法，包括如下步骤：将堇青石纤维分散于有机溶剂中，然后其中加入氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵，在60℃下搅拌反应6小时，后旋蒸除去有机溶剂，得到改性堇青石纤维；所述堇青石纤维、有机溶剂、氮位-三甲氧基硅基丙基-氮,氮,氮位-三甲基氯化铵的质量比为1:5:0.3；所述有机溶剂为乙腈。
所述堇青石纤维的长度8mm，直径为12μm。
所述矿粉为岩石矿粉，粒度分布及所占质量百分比如下：0-10μm为45％，10-20μm为20％，20-30μm为15％，30-60μm为20％。
所述煤渣的粒度分布及所占质量百分比如下：0-10μm为40％，15-25μm为25％，28-40μm为15％，45-95μm为20％。
所述沥青纤维的长度10mm，直径为15μm；所述坡缕石的粒径为200目。
所述改性沥青的制备方法，包括如下步骤：将煤沥青、1,1'-砜基双[4-(2-丙烯)氧基苯]、端羧基液体氟橡胶、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪混合均匀后，在氮气氛围下以8℃/min的速度升温至140℃，并保温搅拌8小时，得到改性沥青；所述煤沥青、1,1'-砜基双[4-(2-丙烯)氧基苯]、端羧基液体氟橡胶、2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪的质量比为10:1.2:1.5:0.3。
一种所述透水抗冻沥青环保材料的制备方法，包括如下步骤：首先将改性沥青在175℃的烘箱中加热至熔融状态，保温备用；然后于200℃下预加热煤渣和矿粉7小时；接着将拌合锅加热至拌合温度175℃，先将预热后的煤渣和矿粉加入拌合锅内，拌合30s，再掺入改性堇青石纤维、氧化铍纳米粉末、三嗪类超支化季铵盐表面活性剂、沥青纤维和坡缕石，拌合100s，最后加入熔融的保温备用的改性沥青，拌合105s，得到透水抗冻沥青环保材料。
对比例1
一种透水抗冻沥青环保材料，配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是没有添加氧化铍纳米粉末。
对比例2
一种透水抗冻沥青环保材料，配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是用堇青石纤维代替改性堇青石纤维。
对比例3
一种透水抗冻沥青环保材料，配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是没有添加三嗪类超支化季铵盐表面活性剂。
对比例4
一种透水抗冻沥青环保材料，配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是改性沥青的制备过程中没有添加1,1'-砜基双[4-(2-丙烯)氧基苯]。
对比例5
一种透水抗冻沥青环保材料，配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是改性沥青的制备过程中没有添加端羧基液体氟橡胶。
对比例6
一种透水抗冻沥青环保材料，配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是改性沥青的制备过程中没有添加2,4,6-三(氨基己酸基)-1,3,5-三嗪。
为了进一步说明本发明实施例的有益技术效果，分别就本发明实施例1-5及对比例1-6的各透水沥青材料按照相应国标JTGE20-2011进行性能测试，测试结果见表1。
表1
从表1可以看出，本发明实施例公开的透水抗冻沥青环保材料较对比例具有更佳的综合性能，透水效果更好，这是各原料协同作用的结果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
