一种提高乳化沥青混合料强度的方法
技术领域
本发明属于乳化沥青混合料改良方法技术领域，具体涉及一种提高乳化沥青混合料强度的方法。
背景技术
常温拌合乳化沥青混合料作为一种新型的路面材料，具有良好的路用性能，并且很大程度上可以满足不同气候及地理条件的公路建设和养护工程。常温拌合乳化沥青混合料是采用专用机械设备将乳化沥青、级配矿料、填料、水和添加剂等按照设计配比拌和并摊铺到路面上，与热拌沥青混凝土路面施工相比较可节约大量能源，有效减少环境污染。
为保证乳化沥青混合料能够常温施工且具有良好和易性，混合料当中需要添加一定的水量来润滑骨料，但由于混合料中水分的存在，混合料强度的形成具有一定的时间性和延迟性，即沥青乳液必须经过破乳、水分蒸发才能恢复沥青的粘结性能，且剩余水分从混合料中排出、蒸干后，混合料的强度才能最终形成。这就会造成乳化沥青混合料强度较低，且不利于缩短施工工期及降低封闭交通带来的负面影响。另一方面，沥青粘结料自身的黏聚性以及沥青粘结料与石料之间的黏附性，是影响乳化沥青混合料耐久性的重要因素；由于乳化沥青混合料要承受行车荷载、大气降水、复杂气候的循环作用，若乳化沥青混合料耐久性不足，则其路用性能在早期阶段就会出现不同程度的衰减，导致其不能适应交通环境和苛刻气候条件的使用要求。因此，如何在保证施工和易性的条件下，对提高早期强度、耐久性和缩短开放交通时间等方面的材料或工艺进行研究就显得极为重要。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种能够有效提高乳化沥青混合料强度的方法，该方法用于有效提高乳化沥青混合料的强度及耐久性，进而有效减少施工封闭交通时间。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种提高乳化沥青混合料强度的方法，其特征在于具体过程为：将骨料和外加水采用双轴搅拌机对其充分搅拌40-60s使骨料表面润湿，再将改性材料加入到双轴搅拌机中并以300±5r/min的转速搅拌10-30s，然后将水泥加入到双轴搅拌机中搅拌10-30s，最后将乳化沥青加入到双轴搅拌机中搅拌60-90s，最终拌和形成高性能乳化沥青混合料；
所述改性材料由以下重量份的原料组成：聚氨酯预聚体75-90份、催化剂1-2份、催化剂配合剂乙二胺四乙酸二钠2-5份、粘度调节剂邻苯二甲酸二辛酯10-15份和非离子表面活性剂辛基酚聚氧乙烯醚OP-20 2-5份；其中聚氨酯预聚体为端异氰酸酯基预聚体，该端异氰酸酯基预聚体由甲苯二异氰酸酯TDI、聚乙二醇400和氮丙啶基乙醇以1.0:0.8:0.2的重量配比制备而成，催化剂由五甲基二乙烯三胺和有机铋以1.0:0.1的重量配比组成。
进一步限定，所述提高乳化沥青混合料强度的方法，其特征在于具体步骤为：将81.2-84.2重量份的骨料和6.5-9.5重量份的外加水采用双轴搅拌机对其充分搅拌40-60s使骨料表面润湿，再将改性材料加入到双轴搅拌机中并以300±5r/min的转速搅拌10-30s，然后将2重量份的水泥加入到双轴搅拌机中搅拌10-30s，最后将7.3重量份的乳化沥青加入到双轴搅拌机中搅拌60-90s，最终拌和形成高性能乳化沥青混合料。
进一步限定，所述改性材料的用量为乳化沥青混合料中总用水量的30wt％-50wt％。
进一步限定，所述骨料为石灰岩，级配类型选用AC13中值，所述乳化沥青为慢裂快凝型阳离子乳化沥青，所述水泥为PC32.5类型。
进一步限定，所述改性材料的具体制备过程为：
步骤S1：按照所述改性材料各原料的重量配比分别称取原料；
步骤S2：将聚乙二醇400和氮丙啶基乙醇在无水、氮气环境下搅拌混合均匀并升温至50±2℃，再在45±5min内匀速加入甲苯二异氰酸酯TDI并升温至75±2℃，继续在此温度下反应1.5h制得聚氨酯预聚体；
步骤S3：将五甲基二乙烯三胺和有机铋在无水环境下搅拌混合均匀制得催化剂；
步骤S4：将粘度调节剂、非离子表面活性剂和催化剂配合剂依次加入到步骤S3制得的催化剂中并在无水环境下混合均匀；
步骤S5：将步骤S2制得的聚氨酯预聚体与步骤S4制得的混合物混合后在无水、氮气环境下以500±5r/min的转速搅拌10±1min，最终制得用于有效提高乳化沥青混合料强度的改性材料。
本发明与现有技术相比具有以下创新性和有益效果：
1、本发明以聚氨酯预聚体为基本成份的水固化型改性剂，其与乳化沥青混合料中的水分接触后发生固化反应，反应过程中生成二氧化碳气体，固化产物为聚脲类化合物。
2、本发明的改性材料与乳化沥青混合料中的水发生化学反应，与水反应过程中逐渐生成的二氧化碳形成了大量的细小气泡，因此显著改善混合料施工和易性，有利于混合料的拌合和摊铺。
3、在乳化沥青混合料强度形成早期，乳化沥青破乳过程中水分较多，水的润滑作用致使沥青的粘结力作用不能很好发挥，只有在混合料养护和辗轧过程中，混合料中水分逐渐蒸发，混合料内聚力才能逐渐显现并发挥更为重要的作用。本发明改性材料与乳化沥青混合料中的水发生化学反应，消耗混合料成型过程中的水含量，因此缩短乳化沥青混合料的强度形成时间，促进乳化沥青混合料成型速度，缩短养生时间，降低因封闭交通对交通运输的不利影响。
4、本发明改性材料与水反应过程中生成的大分子或高分子聚合物，如聚脲可以在乳化沥青破乳形成强度过程中对沥青进行改性，以及其后对乳化沥青混合料路用性能的改善；同时该类生成产物极性较强，可提高混合料的粘结性能。
5、乳化沥青混合料在交通荷载应力、温度应力和水损害作用下，病害发生的起因一般是沥青胶结料自身强度不足或者沥青-石料结合力不足所致，从而混合料整体强度降低发生破坏。本发明以聚氨酯预聚体为基本成份的水固化型改性剂，与乳化沥青混合料中的水份接触后发生固化反应，在混合料中形成坚韧的聚脲类固化产物。固化产物强度高且极性大，对沥青胶结料进行补强，同时提高了沥青-石料界面结合力，有效提高了乳化沥青混合料的整体强度和耐久性。
6、本发明改性材料在使用过程中，改性材料与水发生化学反应，对乳化沥青混合料的拌和、施工和路用性能具有以下综合有利影响：
本发明改性材料加入混合料的初期阶段，通过与水反应产生气体，改善乳化沥青混合料的和易性，提高混合料拌和和摊铺效果，利于对乳化沥青混合料施工过程中的质量控制；
本发明改性材料加入混合料的中期阶段，由于发生反应消耗水份并引导破乳水排出，促进乳化沥青混合料成型速度快，加快早期强度形成，缩短养生时间，降低因长时封闭交通对交通运输的不利影响；
本发明改性材料加入混合料的后期阶段，因改性材料和水分发生固化反应，固化反应物有效提高了乳化沥青混合料的内聚力和耐久性。
7、本发明改性材料中非离子乳化剂OP-20可提高改性材料在使用过程中与乳化沥青之间的相容性，发挥液态改性材料的流体作用特点，因此可降低乳化沥青混合料外加用水量；本发明改性材料中五甲基二乙烯三胺、有机铋和乙二胺四乙酸二钠用于提高改性材料的反应活性，提高改性材料用于提高乳化沥青混合料成型质量时的应用效果；本发明改性材料中邻苯二甲酸二辛酯主要用于调控改性材料粘度，实现成型质量相对可控化。
附图说明
图1是乳化沥青混合料拌和时间与扭矩的变化曲线。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
本发明实施例1-3用于提高乳化沥青混合料强度的改性材料的重量组成配比见表1。
表1提高乳化沥青混合料强度的改性材料所用原料组成(单位：千克)
本发明实施例1-3用于提高微表处成型质量的改性材料的制备方法为：
a、按照各实施例中改性材料的重量配比比例准备各种原料。
其中，聚氨酯预聚体为端异氰酸酯基预聚体，由甲苯二异氰酸酯TDI、聚乙二醇400和氮丙啶基乙醇以1.0:0.8:0.2的重量配比制备而成；催化剂由五甲基二乙烯三胺和有机铋以1.0:0.1的重量配比组成；粘度调节剂为邻苯二甲酸二辛酯；非离子表面活性剂为OP-20；催化剂配合剂为乙二胺四乙酸二钠。
b、按步骤a，根据表1和设计原料配比：将已计量的聚乙二醇400、氮丙啶基乙醇在无水、氮气环境下搅拌均匀并升温至50±2℃，在45±5min内匀速将甲苯二异氰酸酯加入并升温至75±2℃，继续在此温度下反应1.5h制得聚氨酯预聚体。
c、按步骤a，根据表1和设计原料配比：将已计量的五甲基二乙烯三胺和有机铋在无水环境内搅拌均匀制得催化剂。
d、根据表1，将已计量的粘度调节剂、非离子表面活性剂和催化剂配合剂依次加入到步骤c所得催化剂中，在无水环境下混合均匀。
e、根据表1，将步骤b和步骤d以设计计量比，在无水、氮气环境下以500±5r/min搅拌10±1min制得用于提高乳化沥青混合料强度的改性材料，以下简称为改性材料。
试验骨料选用石灰岩，级配类型选用AC13中值，乳化沥青选用慢裂快凝型阳离子乳化沥青，水泥选用PC32.5类型。以对改性材料表1的3个实施例进行乳化沥青混合料改性效果评价，试验设计实例配比见表2，配合比中乳化沥青、水泥及水的百分配比分别为占骨料、乳化沥青、水泥及水总重量的重量百分配比，改性材料用量为乳化沥青混合料中总用水量的重量百分配比。
表2乳化沥青混合料实例配比表(以石料重量为基准)
试验方案，为评价乳化沥青混合料的施工和易性，选用稀浆混合料拌和试验仪(专利号CN200620078485.7)扭矩达到峰值时的拌和时间评价改性材料对乳化沥混合料和易性影响，拌合时间越长，则说明微表处混合料和易性越好。参照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，通过马歇尔试件的劈裂强度、干湿劈裂强度比以及冻融劈裂强度比来评价乳化沥青混合料的强度和水稳定性；另一方面，间接拉伸试件中心点的应力状态可用来模拟实际路面沥青层底部的应力状态，因此采用间接拉伸疲劳试验可以评价乳化沥青混合料的抗疲劳性能，而疲劳寿命越大，表明混合料具有较好的抗疲劳耐久性。相应试验结果见图1及表3。
由试验结果可知，在相同配比条件下随着改性材料的加入，乳化沥青混合料的可拌和时间表现出显著延长的趋势；同时，随着改性材料掺量的增加，其拌和时间表现出进一步增加的趋势；且乳化沥青破乳前，其扭矩偏低，乳化沥青破乳后其扭矩大幅度增加，改性材料掺量越大，扭矩峰值相对越高，说明改性材料的加入改善了乳化沥青混合料的拌和和易性，且乳化沥青破乳后，混合料的黏聚力相对较高，有利于提高其早期强度。另一方面，从实例3、4、5可知，随着用水量的增加，拌和时间进一步延长，而其扭矩峰值变化不大；通过实例1、3对比可知，添加改性材料可以降低拌和用水量，且添加改性材料的乳化沥青混合料拌和和易性相对较好。
表3乳化沥青混合料试验结果
由表3可知，改性材料的加入使乳化沥青混合料的毛体积密度表现出增加的趋势，表明其密实度得到改善；同时，添加改性材料后乳化沥青混合料早期强度1d与7d的劈裂强度、干湿劈裂强度比以及冻融劈裂强度比均大于实例1，说明改性材料的加入显著提升了乳化沥青混合料的早期强度及水稳定性，且经过间接拉伸疲劳试验表明，改性材料的加入改善了乳化沥青混合料疲劳性能，说明其抗疲劳耐久性得到提高。另一方面，在相同改性剂掺量下，随着用水量的增加，乳化沥青混合料的密实度进一步提升，主要是因为用水量的增加提高其和易性，从而有利于乳化沥青混合料的压实；而随着用水量的增加其劈裂强度、干湿劈裂强度比、冻融劈裂强度比以及抗疲劳性能变化幅度不显著；与实例1相比通过添加改性剂可以有效减少用水量，同时还能保证其性能的提高。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，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说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
