一种提高沥青路面性能的添加剂及其制备方法

摘要

本发明公开了一种提高沥青路面性能的添加剂及其制备方法，该添加剂按质量百分比计包括：硫磺65%～90%，EVA4%～15%，PSBR5%～15%，氢氧化物1%～5%。制备方法包括如下内容：将硫磺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、粉末丁苯橡胶和氢氧化物混合均匀，把混合物输送到挤出机中进行挤出、造粒，得到添加剂。本发明添加剂在制备过程中刺激性气味小，将本发明添加剂加入到沥青混合料中，能有效改善沥青路面抗车辙性能，提高抗水损害性能，并同时兼顾低温性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高沥青路面性能的添加剂，具体地说涉及一种提高沥青路面抗车辙和抗水损害性能的添加剂及其制备方法和应用。

背景技术

由于我国车辆的日益增加以及运输的重载化等原因，沥青路面发生车辙、拥包等现象日趋严重，在我国南方炎热地区尤为突出。另外，在我国南方或沿海一带雨水较多的地区，由于雨水渗透到沥青混合料面层甚至基层，造成石料脱落而引发的沥青路面水损害现象也较为突出。这两种现象已成为我国目前沥青公路主要的破坏形式，严重影响了沥青路面行车安全、服务水平及使用寿命。

早在1900年，人们就已开始用硫来改性沥青，提高沥青混合料路面的抗车辙性能，但由于硫价格高涨，以及硫改沥青混合料在生产过程中释放H₂S等含硫气体的问题，制约了硫改沥青技术发展。直到20世纪80年代初期，美国洛克邦得公司研究生产的硫磺基改性剂SEAM（sulphur extended asphalt modifier）较好地解决了生产过程中含硫气体排放问题，而且其价格低廉、使用方便，使硫改性沥青技术再次得到较广泛应用。我国对SEAM沥青路面的研究应用相对较晚，直到2000年才在天津修筑了SEAM改性沥青试验路，其后在黑龙江也修筑了试验路，并取得了良好的效果，但总体上应用规模较小，研究也不够系统、全面。

硫磺应用于沥青混合料中，一般是将其造粒，形成颗粒状，储存及使用时较为方便。CN1402958A将13%～30%的硫磺、3.0%～13%的分散剂、其余为水，混合制备成硫磺颗粒，其中的分散剂为白骨胶、树胶、硅酸钠、乳蛋白中的一种或几种。CN1639275A是把硫磺加热融化至液态，在液态硫中添加0.25%～5%的炭黑和至少约0.08%的乙酸戊酯，制备成塑化硫，然后在塑化硫中添加至少10%的沥青和10%的细矿粉等，经过筛网板进行造粒。CN1303359A介绍的是将93%～98%的硫磺与2%～7%的烯烃混合，在二氧化碳气体中加热至最高135℃，充分混合反应后，以不高于16℃/分钟的速度冷却至室温，结晶成型，其中的烯烃是与苯乙烯混合的环状二聚物和环状三聚物。上述专利在生产硫磺颗粒时，由于需要把硫磺加热熔融为液态，操作温度较高，会产生很浓的刺激性气味，不利于环境和人身健康。 

CN101970348A是将硫块、板岩硫、含有杂质的硫等溶解于溶剂中，分离出杂质后，使溶有硫磺的溶液冷却，使其中的硫磺结晶析出并经过筛孔板造粒成型，溶剂蒸发回收利用。所用的溶剂有无水氨、含水氨、液态二氧化硫、二硫化碳、二甲基二硫醚等。该专利需要使用大量的溶剂，而且所用的溶剂都是具有刺激性气味的有害物质。

CN1690126A将50%～99.99%的硫磺与0%～49%的炭黑、0.01%～1%的烟雾抑制剂、0%～3%的增塑剂混合造粒，其中的烟雾抑制剂为烃基锡酸锌、增塑剂为正丁醇。CN1678704A将60%～98%的硫磺、0.2%～15%的炭黑、1%～30%沥青（或环状饱和烃、环状不饱和烃、多环饱和烃、多环不饱和烃、焦油等）、1%～33%的细矿粉（如飞灰、硅石材料、陶瓷粘土等）充分混合，冷却后形成锭、板状、块状、颗粒状、片状等形式的硫磺，可用于沥青混合料中。上述两个专利也需要把硫磺加热熔融为液态，操作温度较高，会产生很浓的刺激性气味，不利于环境和人身健康。只能改善沥青混合料的高温性能，混合料的低温抗开裂性能和抗水损害性能还有待于提高，而且形成的硫磺颗粒也比较脆，运输和装卸时容易破碎，由于颗粒之间的摩擦，还会产生较多的粉尘，不仅对环境造成污染，而且容易使工作人员吸入，危害健康。

发明内容

针对我国沥青路面发生的车辙和水损害现象以及现有技术的不足，本发明提供了一种提高沥青路面性能的添加剂及其制备方法。该添加剂能有效提高沥青路面的抗车辙和抗水损害性能，并且具有良好的低温性能，制备过程温度低、刺激性气味小。

本发明提高沥青路面性能的添加剂，以添加剂质量百分比计包括如下组分：

硫磺                   65%～90%，

乙烯-醋酸乙烯共聚物    4%～15%，

粉末状丁苯橡胶         4%～15%，

氢氧化物               1%～5%。

本发明添加剂中优选加入聚乙烯蜡，聚乙烯蜡为添加剂质量的1%～10%。添加剂中各组分的质量百分含量之和为100%。

所用的硫磺为片状、粉末状、颗粒状，可以是市售硫磺，也可以是天然气处理或炼油厂加工石油时所产生的副产物硫磺，熔点为115～119℃。

所用的乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）的软化点为80～110℃，EVA中醋酸乙烯含量为40wt%～70wt%。

所用的粉末状丁苯橡胶（PSBR）的粒度为14～60目，丁苯橡胶中苯乙烯的质量百分比为21%～35%。

所用的氢氧化物可以是氢氧化钙、氢氧化镁或氢氧化铝中的一种或几种。 

所用的聚乙烯蜡为片状或颗粒状，平均分子量(Mn）为2000～10000，软化点为100～110℃。

本发明的添加剂还可以根据应用需要加入抗剥离剂、阻燃剂和抗老化剂等。

本发明提高沥青路面性能的添加剂的制备方法，包括如下内容：将硫磺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、粉末丁苯橡胶和氢氧化物混合均匀，把混合物输送到挤出机中进行挤出、造粒，得到添加剂。

本发明方法中，优选将硫磺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、粉末丁苯橡胶、氢氧化物和聚乙烯蜡混合均匀。

其中挤出机为单螺杆挤出机或双螺杆挤出机，优选双螺杆挤出机。挤出机喂料口温度为60~90℃、出料口温度为110~130℃，中间温度控制点在60～130℃之间。

本发明提高沥青路面性能的添加剂在沥青混合料中的应用，包括如下内容：把熔融状态的沥青、石料和添加剂颗粒一起添加到搅拌釜中，搅拌均匀，得到沥青混合料。

其中搅拌釜和石料加热到125～160℃备用，其中添加剂与沥青的质量比为1:9～3:7。

本发明添加剂也可以先与熔融状态的沥青混合均匀，然后再加入到搅拌釜。

本发明添加剂与现有技术相比，具有如下优点： 

1、本发明添加剂，由于同时添加了硫磺、EVA和 PSBR，当与石料、沥青一起拌合后，在三者协同作用下，不仅提高了混合料的强度，改善了沥青混合料抗车辙性能，还增强了对石料的粘结力和握裹力，当混合料受到雨水侵害时，石料不容易脱落，提高了抗水损害性能。

2、本发明添加剂中，EVA能很好地将硫磺等组分粘结在一起，使添加剂颗粒具有一定的柔韧性，避免了运输和搬运过程中发生破碎或粉尘的产生；EVA和 PSBR的协同作用，改善了沥青混合料的柔韧性，使混合料低温抗开裂性能得到提高，拓宽了混合料适用温度范围。

3、本发明添加了氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化铝等氢氧化物，能减少硫化氢等有害气体的产生，有利于环保和人身健康。

4、本发明添加剂中，聚乙烯蜡能进一步降低挤出机操作温度和沥青混合料拌合及成型温度，达到温拌效果，节省能源，减少硫化氢等有害气体的产生，有利于环保和人身健康。

5、本发明利用螺杆挤出机，将各种组分在其软化点或熔点温度附近进行混炼，操作温度低，挥发性气体少，挤出成型后材质混合均匀，有利于应用。

6、采用本发明添加剂，可代替部分沥青，有利于处理炼油厂副产物硫磺并节省沥青资源。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明的技术方案，但本发明不限于以下实施例。其中EVA为颗粒状，粒径1～5mm；粉末状丁苯橡胶（PSBR）的粒度为14～60目。聚乙烯蜡为片状或颗粒状，软化点100～110℃。为了对比，在制备沥青混合料时，取油石比均为5.8%，实施例中的油石比是指（沥青+添加剂）:石料的质量比。

实施例1

分别称取硫磺 70公斤、EVA（醋酸乙烯含量为68%，软化点为105℃）10公斤、PSBR（苯乙烯的质量百分比为22%）15公斤和氢氧化铝 5公斤，用混合设备混合均匀，然后把混合物输送到挤出机上进行挤出、造粒，形成直径3mm、长度3～8mm的颗粒，得到本发明添加剂。挤出机喂料口温度为70℃、出料口温度为130℃，中间温度控制点在70～130℃之间。挤出机为单螺杆挤出机。原料配比及添加剂性质见表1。

预先把专用的沥青混合料搅拌釜加热到130℃恒温；预先把抚顺玄武岩石料配制做成级配为AC-13石料，总重量为100kg，加热到130℃备用；预先称取70号沥青（东海牌）5.22kg，加热到150℃备用；按照添加剂:沥青的质量比为1:9的比例，称取0.58kg的添加剂颗粒备用。待搅拌釜、石料、沥青温度恒定后，将上述物料一起添加到搅拌釜中，搅拌2～3分钟，放出混合料。然后制备成各种沥青混合料试件，进行沥青混合料性能评价实验。对沥青混合料改性效果见表2。

实施例2

分别称取硫磺 90公斤、EVA （醋酸乙烯含量为43%，软化点为83℃）4公斤、PSBR（苯乙烯的质量百分比为34%）5公斤、氢氧化镁1公斤，用混合设备混合均匀，然后把混合物输送到挤出机上进行挤出、造粒，形成直径3mm、长度3～8mm的颗粒，得到本发明添加剂。挤出机喂料口温度为90℃、出料口温度为110℃，中间温度控制点在90～110℃之间。挤出机为双螺杆挤出机。原料配比及添加剂性质见表1。

预先把专用的沥青混合料搅拌釜加热到160℃恒温；预先把抚顺玄武岩石料配制做成级配为AC-13石料，总重量为100kg，加热到160℃备用；预先称取70号沥青（东海牌）4.06kg，加热到120℃备用；按照添加剂:沥青的质量比为3:7的比例，称取1.74kg的添加剂颗粒备用。待搅拌釜、石料、沥青温度恒定后，将上述物料一起添加到搅拌釜中，搅拌2～3分钟，放出混合料。然后制备成各种沥青混合料试件，进行沥青混合料性能评价实验。对沥青混合料改性效果见表2。

实施例3

分别称取硫磺80公斤、EVA（醋酸乙烯含量为55%，软化点为96℃） 7公斤、PSBR（苯乙烯的质量百分比为28%）10公斤、氢氧化钙 3公斤，用混合设备混合均匀，然后把混合物输送到挤出机上进行挤出、造粒，形成直径3mm、长度3～8mm的颗粒，得到本发明添加剂。挤出机喂料口温度为80℃、出料口温度为120℃，中间温度控制点在80～120℃之间。挤出机为单螺杆挤出机。原料配比及添加剂性质见表1。

预先把专用的沥青混合料搅拌釜加热到145℃恒温；预先把抚顺玄武岩石料配制做成级配为AC-13石料，总重量为100kg，加热到145℃备用；预先称取70号沥青（东海牌）4.64kg，加热到135℃备用；按照添加剂:沥青的质量比为1:4的比例，称取1.16kg的添加剂颗粒备用。待搅拌釜、石料、沥青温度恒定后，将上述物料一起添加到搅拌釜中，搅拌2～3分钟，放出混合料。然后制备成各种沥青混合料试件，进行沥青混合料性能评价实验。对沥青混合料改性效果见表2。

实施例4

分别称取硫磺 65公斤、EVA（醋酸乙烯含量为68%，软化点为105℃）10公斤、PSBR（苯乙烯的质量百分比为22%）10公斤、聚乙烯蜡10公斤、氢氧化铝 5公斤，用混合设备混合均匀，然后把混合物输送到挤出机上进行挤出、造粒，形成直径3mm、长度3～8mm的颗粒，得到本发明添加剂。挤出机喂料口温度为60℃、出料口温度为120℃，中间温度控制点在60～120℃之间。挤出机为单螺杆挤出机。原料配比及添加剂性质见表1。

预先把专用的沥青混合料搅拌釜加热到125℃恒温；预先把抚顺玄武岩石料配制做成级配为AC-13石料，总重量为100kg，加热到125℃备用；预先称取70号沥青（东海牌）5.22kg，加热到125℃备用；按照添加剂:沥青的质量比为1:9的比例，称取0.58kg的添加剂颗粒备用。待搅拌釜、石料、沥青温度恒定后，将上述物料一起添加到搅拌釜中，搅拌2～3分钟，放出混合料。然后制备成各种沥青混合料试件，进行沥青混合料性能评价实验。对沥青混合料改性效果见表2。

实施例5

分别称取硫磺 90公斤、EVA （醋酸乙烯含量为43%，软化点为83℃）4公斤、PSBR（苯乙烯的质量百分比为34%）4公斤、聚乙烯蜡1公斤、氢氧化镁1公斤，用混合设备混合均匀，然后把混合物输送到挤出机上进行挤出、造粒，形成直径3mm、长度3～8mm的颗粒，得到本发明添加剂。挤出机喂料口温度为80℃、出料口温度为105℃，中间温度控制点在80～105℃之间。挤出机为双螺杆挤出机。原料配比及添加剂性质见表1。

预先把专用的沥青混合料搅拌釜加热到150℃恒温；预先把抚顺玄武岩石料配制做成级配为AC-13石料，总重量为100kg，加热到150℃备用；预先称取70号沥青（东海牌）4.06kg，加热到150℃备用；按照添加剂:沥青的质量比为3:7的比例，称取1.74kg的添加剂颗粒备用。待搅拌釜、石料、沥青温度恒定后，将上述物料一起添加到搅拌釜中，搅拌2～3分钟，放出混合料。然后制备成各种沥青混合料试件，进行沥青混合料性能评价实验。对沥青混合料改性效果见表2。

比较例1

预先把专用的沥青混合料搅拌釜加热到145℃恒温备用；预先把抚顺玄武岩石料配制做成级配为AC-13石料，总重量为100kg，加热到145℃恒温备用；预先按照沥青：石料的质量比为5.8%的比例称取70号沥青（东海牌）5.8kg，加热到135℃恒温备用；待搅拌釜、石料、沥青温度恒定后，将上述沥青与石料一起添加到搅拌釜中，搅拌2～3分钟，放出混合料。然后制备成各种沥青混合料试件，进行沥青混合料性能评价实验。沥青混合料性质见表2。

比较例2

预先把专用的沥青混合料搅拌釜加热到145℃恒温备用；预先把抚顺玄武岩石料配制做成级配为AC-13石料，总重量为100kg，加热到145℃恒温备用；预先称取70号沥青（东海牌）4.64kg，加热到135℃恒温备用；按照硫磺:沥青的质量比为1:4的比例，称取1.16kg的硫磺粉备用。即油石比为5.8%，这里所说的油石比是指（沥青+硫磺）:石料的比值。待搅拌釜、石料、沥青温度恒定后，将上述物料一起添加到搅拌釜中，搅拌2～3分钟，放出混合料。然后制备成各种沥青混合料试件，进行沥青混合料性能评价实验。沥青混合料性质见表2。

   表 1  沥青路面添加剂配比及性质。

原料及配比实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5硫磺/kg7090806590EVA/kg1047104PSBR/kg15510104氢氧化物/kg513101聚乙烯蜡/kg   51性质     颜色浅黄色浅黄色浅黄色浅黄色浅黄色堆密度/g.cm^-30.900.940.920.900.94熔点/℃1188210911281

表 2  沥青混合料性质。

 实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5比较例1比较例2规范要求值石料级配AC-13AC-13AC-13AC-13AC-13AC-13AC-13 石料用量/ kg100100100100100100100 沥青牌号70^#70^#70^#70^#70^#70^#70^# 沥青用量/ kg5.224.064.645.224.065.84.64 添加剂用量/ kg0.581.741.160.581.7400 硫磺用量/ kg0000001.16 混合料性质        马歇尔稳定度/kN9.011.010.08.910.88.38.8不小于8流值/mm3.53.03.23.13.02.82.11.5～4.5浸水马歇尔残留稳定度比，%79.488.183.179.186.176.176.6不小于75车辙动稳定度，次/mm182321011880180320819331353不小于600（非改性）不小于1800（改性）冻融劈裂残留强度比，%81.579.378.581.179.072.165.3不小于70小梁低温弯曲破坏应变/με2217210521622207210020451500不小于2000

由表2可见，当在沥青混合料中加入本发明添加剂后，对混合料性质有明显改善，尤其是车辙动稳定度提高幅度很大，可以达到了改性沥青的技术指标要求。此外，由于添加剂中使用了EVA和 PSBR，与硫磺配合，不仅使小梁低温弯曲破坏应变得到提高，改善了混合料的低温抗开裂性能，同时还使浸水马歇尔残留稳定度比和冻融劈裂残留强度比得到明显提高，改善了混合料抗水损害性能。由于添加了聚乙烯蜡，降低了混合料拌合及成型温度，混合料性质并未受到影响。