本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國公路建設(shè)得到快速發(fā)展，截至2016年底，全國高速公路總里程已突破13萬公里，位居世界第一。在已建高速公路中，90%以上為瀝青路面。但隨著交通運(yùn)輸量的持續(xù)增長，普通基質(zhì)瀝青已難以滿足高等級(jí)瀝青路面結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代交通發(fā)展的需求，取而代之的是路用性能更為優(yōu)異的改性瀝青。湖瀝青因具有與石油瀝青相近的化學(xué)組成且可賦予石油瀝青良好的高溫穩(wěn)定性而被用于道路石油瀝青改性。相比于常用的聚合物類瀝青改性劑，湖瀝青對(duì)石油瀝青具有其獨(dú)特的改性效果，例如可改善石油瀝青抗老化、抗水損害、抗剝落等性能。盡管湖瀝青改性瀝青具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于湖瀝青中含有大量瀝青質(zhì)、樹脂和灰分，將其加入到石油瀝青中，降低了改性瀝青的低溫延展性，使得改性瀝青低溫抗裂性不但沒有改善，反而顯著降低，導(dǎo)致瀝青路面在寒冷氣溫下易產(chǎn)生發(fā)生開裂，大大縮短瀝青路面的使用壽命。
專利cn101445659b與專利cn101445658b分別公開了一種湖瀝青改性瀝青和天然復(fù)合（由湖瀝青與巖瀝青組成）改性瀝青，兩件專利均提供了具有優(yōu)良路用性能的改性瀝青制備方法，但在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，湖瀝青（或湖瀝青和巖瀝青的復(fù)合）改性瀝青中含有較大比例的灰分，這些灰分與瀝青并不相容且兩者之間存在密度差，因此灌裝的湖瀝青改性瀝青在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中容易發(fā)生離析沉淀，一旦發(fā)生嚴(yán)重的灰分離析，罐底部分湖瀝青改性瀝青中的灰分含量會(huì)明顯偏大，在拌和樓計(jì)量控制時(shí)，單位湖瀝青改性瀝青中有效瀝青含量會(huì)偏少，將影響湖瀝青改性瀝青混合料中的有效瀝青含量和生產(chǎn)級(jí)配，特別是0.075mm以下篩孔的通過率會(huì)偏大，從而嚴(yán)重影響瀝青混合料的路用性能。同時(shí)離析沉淀也易引起拌和噴油時(shí)發(fā)生噴油嘴堵塞，引發(fā)施工機(jī)械故障，影響拌料質(zhì)量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑及其制備方法和應(yīng)用。該湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青具有優(yōu)良物理性能和抗路面病害能力。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
一種湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑，由湖瀝青、聚合物sbs和相容劑經(jīng)熔融共混而成的預(yù)分散體，各原料所占質(zhì)量百分比為：湖瀝青60%~82%、sbs8%~17%、相容劑10%~23%。
所述的湖瀝青為常用湖瀝青，其25℃針入度為3dmm，軟化點(diǎn)為100℃，密度為1.359g/cm3，灰分為33.1%。
所述的sbs是線型苯乙烯－丁二烯－苯乙烯三嵌段熱塑性彈性體、星型苯乙烯－丁二烯－苯乙烯三嵌段熱塑性彈性體中的一種或二種。
所述的相容劑為糠醛抽出油或催化裂化油漿或環(huán)氧大豆油中的一種或二種。
一種湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑的制備方法，按如下步驟進(jìn)行：
（1）按原料配比稱取湖瀝青、sbs、相容劑；
（2）將相容劑加入到高速剪切攪拌機(jī)保溫容器中，將其加熱至170℃±5℃并保溫；
（3）開動(dòng)高速剪切攪拌機(jī)，將轉(zhuǎn)速設(shè)定為1000~2000rmp，將破碎的湖瀝青逐漸加入到相容劑中，在170℃±5℃溫度下攪拌10~30分鐘；
（4）將步驟（3）混合物溫度提高至180℃±5℃，將轉(zhuǎn)速提高到2500~4500rmp，將sbs逐漸加入到混合瀝青中，然后攪拌0.5~2小時(shí)；
（5）將步驟（4）所得預(yù)混合物在5~10℃下破碎至粒徑不大于1cm的顆粒，制得湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑預(yù)分散體。
所述的湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑用于制備改性瀝青上的應(yīng)用，由湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑、石油瀝青和穩(wěn)定劑通過熔融共混制備改性瀝青；各原料所占質(zhì)量百分比為：石油瀝青56.5%~77.9%、湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑22%~42%和穩(wěn)定劑0.1%~1.5%。
所述的石油瀝青為普通的道路石油瀝青，其25℃針入度大于60dmm，軟化點(diǎn)為45~55℃。
所述的穩(wěn)定劑為硫磺或多聚磷酸中的一種或二種。
具體步驟為：
（1）按原料配比稱取石油瀝青、湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑、穩(wěn)定劑；
（2）將石油瀝青加入到高速剪切攪拌機(jī)保溫容器中，將其加熱至180℃±5℃并保溫；
（3）開動(dòng)高速剪切攪拌機(jī)，將轉(zhuǎn)速設(shè)定為2500~4500rmp，將湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑預(yù)分散體和穩(wěn)定劑依次逐漸加入到石油瀝青中，在180℃±5℃溫度下攪拌0.5~1小時(shí)；
（4）保持溫度為180℃±5℃，將轉(zhuǎn)速降低至1500~2500rmp，繼續(xù)攪拌2~3.5小時(shí)，即制得湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青。
本發(fā)明的有益效果如下：
其一，湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑同時(shí)提高石油瀝青的抗高溫變形、抗水損害和抗低溫開裂能力。湖瀝青中瀝青質(zhì)含量較大，屬于凝膠結(jié)構(gòu)體系，同時(shí)含有大量的灰分，因此其硬而脆，對(duì)普通石油瀝青的高溫穩(wěn)定性具有顯著的改善效果，并且湖瀝青中的雜原子化合物成分增大了石油瀝青的極性，可增強(qiáng)石油瀝青對(duì)石料的浸潤及粘附能力，提高了其抗水損害能力。但湖瀝青較脆，且灰分含量較大，使得其改性石油瀝青的抗低溫開裂能力極差，在低溫環(huán)境下易受交通荷載作用而發(fā)生開裂。sbs在瀝青中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)作用于瀝青的應(yīng)力具有較好的分散耗散作用，可提高瀝青的低溫性能。將湖瀝青與sbs、相容劑熔融共混制成復(fù)合改性劑，相容劑使得sbs充分溶脹并均勻分散在瀝青中，使湖瀝青與sbs的改性石油瀝青性能上起到較好的協(xié)同作用，賦予石油瀝青兼具良好的抗高溫變形、抗水損害、抗低溫開裂性能。
其二，采用預(yù)分散體的辦法解決了湖瀝青灰分與sbs在改性瀝青體系熱儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中易發(fā)生分層離析的問題。湖瀝青中瀝青成分種類與石油瀝青基本相同，只是重組分的瀝青質(zhì)含量較大，其也是瀝青中密度最大的組分，但對(duì)于湖瀝青中的灰分來說，其本質(zhì)與瀝青完全不同，密度也明顯大于瀝青，因而將其與粘度相對(duì)較小的石油瀝青混合后，易于向改性瀝青體系的底部沉降。與之相反，sbs與石油瀝青屬于熱力學(xué)不相容物質(zhì)，sbs在石油瀝青中會(huì)發(fā)生離析而向改性瀝青上層遷移。在湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑預(yù)分散體制備過程中，sbs被相容劑溶脹而變得松散，湖瀝青中密度較大的瀝青質(zhì)膠團(tuán)與灰分可被吸附到sbs溶脹體上，并填充到溶脹空隙中，使復(fù)合改性劑的密度與石油瀝青的趨于一致，使得湖瀝青的灰分和sbs在改性瀝青中不易發(fā)生分層離析。
其三，湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑預(yù)分散體以湖瀝青為主要成分，而湖瀝青本身與石油瀝青的混容性較好，因此將經(jīng)過適當(dāng)破碎的預(yù)分散體顆粒加入到石油瀝青中，可迅速、均勻地被分散到石油瀝青中，不會(huì)出現(xiàn)sbs因容積密度很小而漂浮在熔融石油瀝青表面而難以被分散到石油瀝青內(nèi)部，解決了難以均勻分散的問題。
其四，湖瀝青是經(jīng)過億萬年的充分氧化而形成，因而其本身抗氧化老化能力較強(qiáng)。同時(shí)將湖瀝青中加入石油瀝青中，湖瀝青中氮的含量是普通石油瀝青的幾倍至幾十倍（0.8%），其中的氮元素是以官能團(tuán)形式出現(xiàn)，湖瀝青中的這些對(duì)氧化自由基具有高抵抗性的官能團(tuán)也提高了石油瀝青的抗老化性，因此采用湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑提高了石油瀝青的耐老化性。
具體實(shí)施方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
實(shí)施例1：
將10份（質(zhì)量份，下同）糠醛抽出油加入到高速剪切攪拌機(jī)保溫容器中，加熱至170℃左右；開動(dòng)高速剪切攪拌機(jī)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為1000rmp，加入82份經(jīng)過適當(dāng)破碎的湖瀝青后攪拌20分鐘；再將溫度升高到180℃、轉(zhuǎn)速提高到3500rmp，加入8份的線型sbs后攪拌1小時(shí)；最后將制得的混合物在5~10℃下破碎至粒徑不大于1cm的顆粒，即制得湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑預(yù)分散體。
將77.9份石油瀝青（25℃針入度為70dmm，軟化點(diǎn)為49.1℃）加入到高速剪切攪拌機(jī)保溫容器中，加熱至180℃左右；開動(dòng)高速剪切攪拌機(jī)并將轉(zhuǎn)速設(shè)定為4000rmp，將22份湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑預(yù)分散體和0.1份硫磺加入到石油瀝青中，并攪拌0.5小時(shí)；保持溫度為180℃，攪拌轉(zhuǎn)速降低至2000rmp后繼續(xù)攪拌2.5小時(shí)，即制得湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青。
對(duì)本發(fā)明制備的湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青以及采用該復(fù)合改性瀝青制備的瀝青混合料進(jìn)行性能測(cè)試，為便于比較，相應(yīng)的湖瀝青改性瀝青及其混合料性能也進(jìn)行同樣的測(cè)試，下述各試驗(yàn)的方法均采用本技術(shù)領(lǐng)域的常規(guī)測(cè)試方法，測(cè)試結(jié)果列于表1。
表1湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青和湖瀝青改性瀝青及其混合料性能對(duì)比
與湖瀝青改性瀝青相比，湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青具有更大的延度和彎曲破壞應(yīng)變，因而具有更好的抗低溫開裂性能；采用預(yù)分散體加入的方法，離析軟化點(diǎn)差值也明顯降低，說明其高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性得到提高；與此同時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度以及浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度均有所增大，抗高溫變形能力和水穩(wěn)定性得到改善。
實(shí)施例2：
將23份催化裂化油漿加入到高速剪切攪拌機(jī)保溫容器中，加熱至170℃左右；開動(dòng)高速剪切攪拌機(jī)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為1500rmp，加入60份經(jīng)過適當(dāng)破碎的湖瀝青后攪拌30分鐘；再將溫度升高到180℃、轉(zhuǎn)速提高到4000rmp，加入17份的星型sbs后攪拌1.5小時(shí)；最后將制得的混合物在5~10℃下破碎至粒徑不大于1cm的顆粒，即制得湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑預(yù)分散體。
將56.5份石油瀝青（25℃針入度為89dmm，軟化點(diǎn)為45.8℃）加入到高速剪切攪拌機(jī)保溫容器中，加熱至180℃左右；開動(dòng)高速剪切攪拌機(jī)并將轉(zhuǎn)速設(shè)定為4500rmp，將42份湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑預(yù)分散體和1.5份多聚磷酸加入到石油瀝青中，并攪拌45分鐘；保持溫度為180℃，攪拌轉(zhuǎn)速降低至2000rmp后繼續(xù)攪拌2.5小時(shí)，即制得湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青。
對(duì)本發(fā)明制備的湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青以及采用該復(fù)合改性瀝青制備的瀝青混合料進(jìn)行性能測(cè)試，為便于比較，相應(yīng)的湖瀝青改性瀝青及其混合料性能也進(jìn)行同樣的測(cè)試，下述各試驗(yàn)的方法均采用本技術(shù)領(lǐng)域的常規(guī)測(cè)試方法，測(cè)試結(jié)果列于表2。
表2湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青和湖瀝青改性瀝青及其混合料性能對(duì)比
與湖瀝青改性瀝青相比，湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青具有更大的延度、彎曲破壞應(yīng)變、馬歇爾穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度以及浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度，同時(shí)具有更小的離析軟化點(diǎn)差值，表現(xiàn)出明顯的性能優(yōu)勢(shì)。與實(shí)施例1類似，湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青及其混合料具有優(yōu)異的性能。
實(shí)施例3：
將20份環(huán)氧大豆油加入到高速剪切攪拌機(jī)保溫容器中，加熱至170℃左右；開動(dòng)高速剪切攪拌機(jī)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為2000rmp，加入68份經(jīng)過適當(dāng)破碎的湖瀝青后攪拌10分鐘；再將溫度升高到180℃、轉(zhuǎn)速提高到4500rmp，加入8份的線型sbs和4份的星型sbs后攪拌1小時(shí)；最后將制得的混合物在5~10℃下破碎至粒徑不大于1cm的顆粒，即制得湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑預(yù)分散體。
將63份石油瀝青（25℃針入度為78dmm，軟化點(diǎn)為46.9℃）加入到高速剪切攪拌機(jī)保溫容器中，加熱至180℃左右；開動(dòng)高速剪切攪拌機(jī)并將轉(zhuǎn)速設(shè)定為3000rmp，將36份湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑預(yù)分散體、0.1份硫磺、0.9份多聚磷酸加入到石油瀝青中，并攪拌1小時(shí)；保持溫度為180℃，攪拌轉(zhuǎn)速降低至1500rmp后繼續(xù)攪拌3小時(shí)，即制得湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青。
對(duì)本發(fā)明制備的湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青以及采用該復(fù)合改性瀝青制備的瀝青混合料進(jìn)行性能測(cè)試，為便于比較，相應(yīng)的湖瀝青改性瀝青及其混合料性能也進(jìn)行同樣的測(cè)試，下述各試驗(yàn)的方法均采用本技術(shù)領(lǐng)域的常規(guī)測(cè)試方法，測(cè)試結(jié)果列于表3。
表3湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青和湖瀝青改性瀝青及其混合料性能對(duì)比
相比于湖瀝青改性瀝青，湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青具有更大的延度、彎曲破壞應(yīng)變、馬歇爾穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度以及浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度，同時(shí)具有更小的離析軟化點(diǎn)差值，表現(xiàn)出明顯的性能優(yōu)勢(shì)。與實(shí)施例2類似，湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青及其混合料具有優(yōu)異的性能。
實(shí)施例4：
將5份糠醛抽出油和5份催化裂化油漿加入到高速剪切攪拌機(jī)保溫容器中，加熱至170℃左右；開動(dòng)高速剪切攪拌機(jī)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為1000rmp，加入75份經(jīng)過適當(dāng)破碎的湖瀝青后攪拌30分鐘；再將溫度升高到180℃、轉(zhuǎn)速提高到4000rmp，加入15份的線型sbs后攪拌2小時(shí)；最后將制得的混合物在5~10℃下破碎至粒徑不大于1cm的顆粒，即制得湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑預(yù)分散體。
將71份石油瀝青（25℃針入度為91dmm，軟化點(diǎn)為45.2℃）加入到高速剪切攪拌機(jī)保溫容器中，加熱至180℃左右；開動(dòng)高速剪切攪拌機(jī)并將轉(zhuǎn)速設(shè)定為3000rmp，將28.5份湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑預(yù)分散體和0.05份硫磺和0.45份多聚磷酸加入到石油瀝青中，并攪拌0.5小時(shí)；保持溫度為180℃，攪拌轉(zhuǎn)速降低至1500rmp后繼續(xù)攪拌3.5小時(shí)，即制得湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青。
對(duì)本發(fā)明制備的湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青以及采用該復(fù)合改性瀝青制備的瀝青混合料進(jìn)行性能測(cè)試，為便于比較，相應(yīng)的湖瀝青改性瀝青及其混合料性能也進(jìn)行同樣的測(cè)試，下述各試驗(yàn)的方法均采用本技術(shù)領(lǐng)域的常規(guī)測(cè)試方法，測(cè)試結(jié)果列于表4。
表4湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青和湖瀝青改性瀝青及其混合料性能對(duì)比
相比于湖瀝青改性瀝青，湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青具有更大的延度、彎曲破壞應(yīng)變、馬歇爾穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度以及浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度，同時(shí)具有更小的離析軟化點(diǎn)差值，表現(xiàn)出明顯的性能優(yōu)勢(shì)。與實(shí)施例2類似，湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青及其混合料具有優(yōu)異的性能。
實(shí)施例5：
將10份糠醛抽出油和4份環(huán)氧大豆油加入到高速剪切攪拌機(jī)保溫容器中，加熱至170℃左右；開動(dòng)高速剪切攪拌機(jī)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為1000rmp，加入78份經(jīng)過適當(dāng)破碎的湖瀝青后攪拌30分鐘；再將溫度升高到180℃、轉(zhuǎn)速提高到4500rmp，加入8份的星型sbs后攪拌2小時(shí)；最后將制得的混合物在5~10℃下破碎至粒徑不大于1cm的顆粒，即制得湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑預(yù)分散體。
將68份石油瀝青（25℃針入度為64dmm，軟化點(diǎn)為52.8℃）加入到高速剪切攪拌機(jī)保溫容器中，加熱至180℃左右；開動(dòng)高速剪切攪拌機(jī)并將轉(zhuǎn)速設(shè)定為2500rmp，將31.7份湖瀝青/sbs復(fù)合改性劑預(yù)分散體、0.05份硫磺、0.25份多聚磷酸加入到石油瀝青中，并攪拌1小時(shí)；保持溫度為180℃，攪拌轉(zhuǎn)速降低至2000rmp后繼續(xù)攪拌3小時(shí)，即制得湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青。
對(duì)本發(fā)明制備的湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青以及采用該復(fù)合改性瀝青制備的瀝青混合料進(jìn)行性能測(cè)試，為便于比較，相應(yīng)的湖瀝青改性瀝青及其混合料性能也進(jìn)行同樣的測(cè)試，下述各試驗(yàn)的方法均采用本技術(shù)領(lǐng)域的常規(guī)測(cè)試方法，測(cè)試結(jié)果列于表5。
表5湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青和湖瀝青改性瀝青及其混合料性能對(duì)比
相比于湖瀝青改性瀝青，湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青具有更大的延度、彎曲破壞應(yīng)變、馬歇爾穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度以及浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度，同時(shí)具有更小的離析軟化點(diǎn)差值，表現(xiàn)出明顯的性能優(yōu)勢(shì)。與實(shí)施例2類似，湖瀝青/sbs復(fù)合改性瀝青及其混合料具有優(yōu)異的性能。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。