本發(fā)明涉及建筑材料領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于機(jī)場路面的改性瀝青材料、其制備方法及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
機(jī)場道面是機(jī)場最主要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，提供飛機(jī)起飛、著陸滑跑、飛行前準(zhǔn)備和飛行后維護(hù)保養(yǎng)的場所。由于瀝青混凝土道面具有表明平整抗滑，行駛舒適平穩(wěn)，機(jī)械化施工程度高，可以不停航施工等優(yōu)點(diǎn)，成為了國內(nèi)外機(jī)場道面新建和改建的主要道面類型。與高速公路路面相比，機(jī)場道面具有更大的交通荷載級位和輪胎接地壓強(qiáng)將產(chǎn)生遠(yuǎn)大于公路的應(yīng)力和應(yīng)變，并且對道面整體使用性能都有較大的要求。
機(jī)場道面使用期內(nèi)受到飛機(jī)荷載和氣候環(huán)境兩者的重復(fù)綜合作用，道面使用性能會出現(xiàn)損傷和破壞，影響道面運(yùn)營安全、使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)外大量研究調(diào)查表明輪轍和開裂是機(jī)場瀝青道面損壞的主要類型，可以通過改進(jìn)道面改性瀝青材料來提高抗輪轍能力。
受到價(jià)格、性能和生產(chǎn)工藝的影響，目前大規(guī)模用于機(jī)場瀝青道面的改性劑并不多，主要集中在高分子聚合物上，采用的方法是一種或幾種改性劑進(jìn)行單一或復(fù)合改性，使其滿足設(shè)計(jì)要求。機(jī)場道面常選用的改性劑類型有(1)熱塑性橡膠類材料：苯乙烯—丁二烯—苯乙烯共聚物(SBS)、苯乙烯—異戊二烯—苯乙烯共聚物(SIS)；(2)橡膠類材料：丁苯橡膠(SBR)、廢舊輪胎磨細(xì)加工的橡膠粉等；(3)熱塑性樹脂類材料：低密度聚乙烯(LDPE)、乙烯—乙酸乙烯共聚物(EVA)等。
目前國內(nèi)外單一及復(fù)合改性瀝青材料的主要研究文獻(xiàn)如下：
1、PE改性瀝青性能研究，作者，李德超，武賢惠，機(jī)構(gòu)，河南交通科學(xué)技術(shù)研究院，長安大學(xué)公路學(xué)院，刊名，石油瀝青，2003，17(3)，文摘：PE改性瀝青的高溫性能隨著PE劑量的增加而逐漸提高，表現(xiàn)在軟化點(diǎn)，黏度升高，針入度下降；當(dāng)劑量增至5％之后，變化趨于平緩。PE改性瀝青的感溫性能大大改善，抗老化能力增強(qiáng)，耐久性提高，對低溫性能的改善沒有幫助，反而有所損害。
2、高模量瀝青及其混合料特性研究，作者，楊朋，機(jī)構(gòu)，華南理工大學(xué)，博士學(xué)位論文，2012年5月，文摘：本文從提高瀝青及其混合料的模量的手段出發(fā)，應(yīng)用SBS和PE改性劑制備高模量改性瀝青，采用理論分析和材料學(xué)研究手段，深入研究高模量瀝青的作用機(jī)理，達(dá)到確定高模量瀝青制備工藝的目的。結(jié)果表明：高溫時(shí)，高模量瀝青的車轍因子是基質(zhì)瀝青的5倍左右，具有良好的高溫穩(wěn)定性。PE和SBS改性劑的加入能夠顯著提高瀝青混合料的動、靜態(tài)模量，在高溫情況下動態(tài)模量的提高極為明顯。
3、抗車轍劑與SBS改性劑對瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究，作者，孫國偉，機(jī)構(gòu)，蘭州理工大學(xué)，碩士學(xué)位論文，分類號，TU535，文摘：比較抗車轍劑和SBS改性劑對瀝青混合料路用性能優(yōu)劣，可以得到如下結(jié)論：在高溫動穩(wěn)定度方面，兩種外加劑均對提高普通瀝青混合料動穩(wěn)定度有明顯改善，且抗車轍劑在瀝青混合料高溫性能優(yōu)于SBS改性劑；在低溫抗裂性能方面，兩種外加劑均對普通瀝青混合料低溫彎拉應(yīng)變有所提高，且SBS改性劑優(yōu)于抗車轍劑；在水穩(wěn)定性方面，兩種外加劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性均有改善，且SBS改性劑優(yōu)于抗車轍劑。
4、橡膠粉和抗車轍劑復(fù)合改性瀝青混合料的性能研究，作者，路彥，張榮輝，孫小光，張興華，機(jī)構(gòu)，廣東工業(yè)大學(xué)，廣州鴻土土地規(guī)劃咨詢有限公司，許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，刊名，新型建筑材料，2012(1)，文摘：瀝青混合料在橡膠粉和抗車轍劑的共同作用下，其高低溫性能，水穩(wěn)定性能和耐疲勞性能都得到顯著提高，復(fù)合改性效果顯著。
以上文獻(xiàn)可以總結(jié)得到，單一的熱塑性彈性體苯乙烯—丁二烯—苯乙烯共聚物(SBS)改性劑能夠提高瀝青膠結(jié)料的軟化點(diǎn)、老化穩(wěn)定性、彈性和低溫性能，但是對高溫性能的提升有限，而熱塑性樹脂類如低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、乙烯—乙酸乙烯共聚物(EVA)等能夠顯著提高瀝青材料的高溫性能，但是在低溫下容易變脆且抗疲勞能力較差。
中國專利CN101165102B公開了一種交通抗車轍的瀝青改性劑及其改性瀝青和瀝青混合料，該專利采用熱塑性彈性體乙烯基芳香烴-共軛二烯嵌段共聚物20～200份；聚烯烴5份～950份，木質(zhì)纖維素30-60份，熱塑性彈性體乙烯基芳香烴-共軛二烯嵌段共聚物為SBS、SIS、SEBS和/或SEPS，聚烯烴為PE、PP、EVA、APP、APAO、POE、HDPE、LDPE和/或LLDPE。該發(fā)明的瀝青改性劑顯著提高瀝青混合料的高溫性能和抗車轍能力，并改善抗水損壞和抗低溫開裂等性能，性價(jià)比高，但該發(fā)明的改性瀝青只能用于普通路面，用于機(jī)場專用路面時(shí)，依然存在很多不足。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種用于機(jī)場路面的改性瀝青材料及其制備方法，本發(fā)明的另一個(gè)目的在于將這種改性瀝青材料應(yīng)用在瀝青混合料中，一方面能夠滿足低溫性能和抗疲勞能力的要求，另一方面能夠顯著提高瀝青材料的高溫性能和抗水損害能力，減小瀝青道面永久變形量，解決機(jī)場道面的輪轍和早期病害問題。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
一種用于機(jī)場路面的改性瀝青材料，包括以下組分及重量份含量：
SBS改性瀝青 100
高模量劑 7-12
抗車轍劑 3-5。
所述的SBS改性瀝青主要由基質(zhì)瀝青和SBS改性劑混合而成，所述的基質(zhì)瀝青選自等級為70號或PG 64-22或PG 64-16的瀝青，所述的SBS改性劑相對基質(zhì)瀝青的含量為2-4wt％，優(yōu)選為3％。
所述的高模量劑為熱塑性材料，選自聚丙烯、乙烯—乙酸乙烯共聚物、高密度聚乙烯或低密度聚乙烯，優(yōu)選為高密度聚乙烯。
所述的抗車轍劑為聚烯烴、橡膠粉和熱塑性彈性體的混合物。
所述的聚烯烴選自聚丙烯、聚乙烯或乙烯-乙酸乙烯共聚物的一種，所述的熱塑性彈性體選自SBS或SIS。
所述的用于機(jī)場路面的改性瀝青材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)將SBS改性瀝青加熱到180-185℃，恒溫下用剪切機(jī)以8000-12000rpm速率攪拌40-60min；
(2)保持溫度180-185℃，分批次緩慢加入抗車轍劑和高模量劑，用剪切機(jī)以20000-30000rpm的速率攪拌40-60min，分散均勻；
(3)在140-160℃恒溫下，再以8000-10000rpm的速率剪切發(fā)育40-60min，即得到該改性瀝青材料。
一種含所述的改性瀝青材料的瀝青混合料，所述的瀝青混合料包含改性瀝青材料、集料和填料，所述的改性瀝青材料占瀝青混合料總質(zhì)量的4-6％。
所述的集料采用石灰?guī)r或玄武巖，所述的填料采用水泥、礦粉和消石灰。
該瀝青混合料還包含聚酯纖維或者木質(zhì)素纖維。
所述的聚酯纖維或者木質(zhì)素纖維占瀝青混合料總質(zhì)量的0.2-0.4％，所述的水泥為硅酸鹽水泥，占瀝青混合料總質(zhì)量的1-3％。
對所述的改性瀝青材料進(jìn)行瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)黏度以及PG分級試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表1所示：
表1復(fù)合改性瀝青性能測試結(jié)果
上述對不同改性劑摻量的瀝青性能進(jìn)行了評價(jià)，隨著高模量劑和抗車轍劑摻量的增加，改性瀝青的針入度降低，而軟化點(diǎn)、135℃黏度、64℃車轍因子和失敗溫度顯著提高，這是由于聚合物改性劑使得瀝青內(nèi)部大分子的含量增大，分子間作用力增強(qiáng)，分子鏈段產(chǎn)生相對移動或整個(gè)分子的運(yùn)動較難。上述原因從宏觀上顯著提高了瀝青的高溫性能和黏度，大大增強(qiáng)了路面抗輪轍能力。
較小摻量的改性劑(高模量劑<7.0％，抗車轍劑<3.0％)無法達(dá)到機(jī)場瀝青路面性能的要求，容易產(chǎn)生輪轍和早期破壞。當(dāng)兩種改性劑摻量較大(高模量劑>12.0％，抗車轍劑>5.0％)，一方面在瀝青混合料拌合過程中，瀝青的黏度過大，導(dǎo)致需要更高的溫度，更長的拌合時(shí)間，浪費(fèi)大量的能源；另一方面，過高摻量的聚合物與瀝青更容易產(chǎn)生離析現(xiàn)象，導(dǎo)致改性瀝青性能無法得到保證，影響施工質(zhì)量。因此，本發(fā)明公開的技術(shù)方案制得的改性瀝青既能滿足機(jī)場對瀝青性能的要求，又不浪費(fèi)過多能源，造成過多排放的改性劑摻量范圍。
與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明制得的改性瀝青顯著提高了材料的低溫性能和抗疲勞能力，改進(jìn)了高溫性能和抗水損害能力，減小瀝青道面永久變形量，可解決機(jī)場道面的輪轍和早期病害問題。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
實(shí)施例1
本實(shí)施例改性瀝青材料，在SBS改性瀝青中加入高模量劑和抗車轍劑制得，采用殼牌SBS改性瀝青，基質(zhì)瀝青等級為PG 64-22，SBS相對基質(zhì)瀝青的含量為3％，高模量劑采用高密度聚乙烯，抗車轍劑采用聚丙烯、橡膠粉和SBS熱塑性彈性體混合物。
制備方法為，將SBS改性瀝青加熱到180℃，恒溫下用剪切機(jī)以8000rpm速率攪拌40min；保持溫度180℃，分批次緩慢加入抗車轍劑和高模量劑，用剪切機(jī)以20000rpm的速率攪拌40min，分散均勻；在140℃恒溫下，再以8000rpm的速率剪切發(fā)育40min，即得到該改性瀝青材料。
實(shí)施例2
本實(shí)施例與實(shí)施例1大致相同，采用殼牌SBS改性瀝青，基質(zhì)瀝青等級為70號瀝青，抗車轍劑采用高密度聚乙烯、橡膠粉和熱塑性彈性體SBS混合物，制備方法為，將SBS改性瀝青加熱到185℃，恒溫下用剪切機(jī)以12000rpm速率攪拌60min；保持溫度185℃，分批次緩慢加入抗車轍劑和高模量劑，用剪切機(jī)以30000rpm的速率攪拌60min，分散均勻；在160℃恒溫下，再以10000rpm的速率剪切發(fā)育60min，即得到該改性瀝青材料。
實(shí)施例3
本實(shí)施例與實(shí)施例1大致相同，采用SK SBS改性瀝青，基質(zhì)瀝青等級為PG 64-16，高模量劑采用聚丙烯，抗車轍劑采用聚乙烯、橡膠粉和熱塑性彈性體SIS混合物，制備方法為，將SBS改性瀝青加熱到182℃，恒溫下用剪切機(jī)以10000rpm速率攪拌50min；保持溫度182℃，分批次緩慢加入抗車轍劑和高模量劑，用剪切機(jī)以25000rpm的速率攪拌50min，分散均勻；在150℃恒溫下，再以9000rpm的速率剪切發(fā)育50min，即得到該改性瀝青材料。
實(shí)施例4
本實(shí)施例與實(shí)施例1大致相同，采用SK SBS改性瀝青，基質(zhì)瀝青等級為PG 64-16，高模量劑采用低密度聚乙烯，抗車轍劑采用乙烯-乙酸乙烯共聚物、橡膠粉和熱塑性彈性體SIS混合物，制備方法為，將SBS改性瀝青加熱到180℃，恒溫下用剪切機(jī)以10000rpm速率攪拌50min；保持溫度180℃，分批次緩慢加入抗車轍劑和高模量劑，用剪切機(jī)以30000rpm的速率攪拌50min，分散均勻；在150℃恒溫下，再以10000rpm的速率剪切發(fā)育50min，即得到該改性瀝青材料。
對比例1采用殼牌SBS改性瀝青，不添加抗車轍劑和高模量劑，對比例2采用殼牌SBS改性瀝青，僅添加4.8％抗車轍劑，對比例3采用SK SBS改性瀝青，不添加抗車轍劑和高模量劑，對比例4采用SK SBS改性瀝青，僅添加4.8％抗車轍劑，表2為實(shí)施例1-4及對比例1-4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總表：
表2復(fù)合改性瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果
實(shí)施例5
本實(shí)施例與實(shí)施例1大致相同，高模量劑采用乙烯-乙酸乙烯共聚物，添加量為SBS改性瀝青的7％，抗車轍劑采用聚丙烯、橡膠粉和SBS熱塑性彈性體混合物，添加量為SBS改性瀝青的3％，制備方法為，將SBS改性瀝青加熱到180℃，恒溫下用剪切機(jī)以8000rpm速率攪拌40min；保持溫度180℃，分批次緩慢加入抗車轍劑和高模量劑，用剪切機(jī)以20000rpm的速率攪拌40min，分散均勻；在140℃恒溫下，再以8000rpm的速率剪切發(fā)育40min，即得到該改性瀝青材料。
實(shí)施例6
本實(shí)施例與實(shí)施例1大致相同，高模量劑采用高密度聚乙烯，添加量為SBS改性瀝青的12％，抗車轍劑采用聚丙烯、橡膠粉和SBS熱塑性彈性體的混合物，添加量為SBS改性瀝青的5％，制備方法為，將SBS改性瀝青加熱到185℃，恒溫下用剪切機(jī)以8000rpm速率攪拌40min；保持溫度185℃，分批次緩慢加入抗車轍劑和高模量劑，用剪切機(jī)以20000rpm的速率攪拌40min，分散均勻；在140℃恒溫下，再以8000rpm的速率剪切發(fā)育40min，即得到該改性瀝青材料。
實(shí)施例7
一種含改性瀝青材料的瀝青混合料，該瀝青混合料包含改性瀝青材料、集料和填料，改性瀝青材料占瀝青混合料總質(zhì)量的5％，填料采用水泥、消石灰和礦粉，水泥和消石灰各占瀝青混合料總質(zhì)量的1％，采用硅酸鹽水泥，水泥和消石灰共同發(fā)揮抗剝落劑的作用，集料采用石灰?guī)r，石灰?guī)r和礦粉占混合料總質(zhì)量的93％，級配類型選用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中的AC-20型，所得成品性能測試，按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40-2004)熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行馬歇爾最佳瀝青用量設(shè)計(jì)試驗(yàn)，分析最終確定AC-20瀝青混合料的最佳油石比為4.5％。
實(shí)施例8
一種含改性瀝青材料的瀝青混合料，該瀝青混合料包含改性瀝青材料、集料和填料，改性瀝青材料占瀝青混合料總質(zhì)量的6％，填料采用水泥、消石灰和礦粉，水泥和消石灰各占瀝青混合料總質(zhì)量的3％，采用硅酸鹽水泥，水泥和消石灰能發(fā)揮抗剝落劑的作用，瀝青混合料還加入聚酯纖維，摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.4％，集料采用玄武巖和石灰?guī)r，玄武巖、石灰?guī)r以及礦粉占混合料總質(zhì)量的87.6％，級配類型選用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40-2004)中的SMA-13型，所得成品通過分析確定SMA-13瀝青混合料的最佳油石比為5.8％。
對實(shí)施例7和8按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE20-2011)進(jìn)行高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性測試，測試結(jié)果如表3-5所示。
表3高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果
表4凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果
表5低溫彎拉試驗(yàn)結(jié)果
《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中，對于面層瀝青混合料動穩(wěn)定度的要求是60℃，輪壓0.7MPa條件下不小于3000次/mm。而機(jī)場道面對瀝青混合料抗輪轍能力要求極高，因此其技術(shù)要求調(diào)整為動穩(wěn)定度不小于10000次/mm。從測試結(jié)果中可以看出，加入高模量劑、抗車轍劑、水泥或纖維后，實(shí)施例中動穩(wěn)定度均大大超過施工技術(shù)規(guī)范要求，且滿足技術(shù)要求；凍融劈裂強(qiáng)度比滿足技術(shù)要求，水穩(wěn)定性較好。
低溫抗裂性能(-10℃)評價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性的常用指標(biāo)包括-10℃劈裂強(qiáng)度、-10℃小梁彎曲試驗(yàn)的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變，從試驗(yàn)結(jié)果看出，加入高模量劑、抗車轍劑、水泥或纖維后，低溫彎曲試驗(yàn)破壞應(yīng)變滿足規(guī)范要求，表明其抗低溫開裂能力較好。