用于水泥沥青砂浆的橡胶粉-沥青乳液及其制备方法

摘要

本发明涉及一种用于水泥沥青砂浆的橡胶粉—沥青乳液及其制备方法，所述橡胶粉—沥青乳液由下列组分按质量份数配制而成：乳化剂：0.1～3％、沥青：20～60％、橡胶粉：5～40％、稳定剂：0.1～0.5％、增稠剂：0.1～0.3％、调节pH值的助剂：0－0.2％，余量为水。其制备方法包括先用橡胶粉对沥青改性，再进行乳化；先乳化沥青，再乳化橡胶粉；先乳化橡胶粉，再乳化沥青三种。本发明充分利用了固体废弃物——橡胶粉，具有环保节能的特点，不仅使CA砂浆的稳定性得到明显改善，而且可降低制备CA砂浆的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于高速铁路的弹性垫层--水泥沥青砂浆的橡胶粉-沥青乳液及其制备方法，该沥青乳液也可用于公路路面的稀浆封层、微表处、沥青混合料等工程，属建筑材料技术领域。

技术背景

废旧橡胶主要来源于废轮胎、废胶鞋、废胶管以及胶带等橡胶制品，其次来源于橡胶生产过程中产生的边角料及废品，属于工业固体废料。废橡胶属于热固性聚合物材料，自然条件下很难降解。若露天存放，不仅占用土地，恶化自然环境、破坏植物生长，而且经过日晒雨淋后极易滋生蚊虫、传播疾病、危及生态环境。目前，全世界废旧橡胶的年产量约2000万吨，我国废旧橡胶的年产量估计已达150万吨，其中汽车轮胎全世界年报废量有10亿条以上，据统计，我国2002年废旧轮胎达到8000万条，2005年达到1.12亿条。随着汽车工业的飞速发展，我国废旧轮胎的产生量也以每年两位数的速度增长，预计到2010年将达到2亿条。如此大量的废橡胶带来很大的环境压力，因而废旧轮胎的处理已迫在眉睫。由于再生胶在生产过程中容易产生二次污染，生产橡胶粉已成为废旧橡胶回收利用的主要途径。另外，我国生胶资源相对紧缺，几乎年生胶消费量的45％需要进口。因此，开展废橡胶粉的综合利用，对保护环境、节约资源具有重要的理论和现实意义。

水泥沥青砂浆(简称CA砂浆)是板式无碴轨道的关键组成部分，它在列车运行中起稳定和缓冲作用，对提高列车高速行驶的安全性与乘坐的舒适性均具有非常重要的作用。将CA砂浆灌注于轨道板和混凝土底座之间，一方面使轨道具有弹性，代替道渣的功能，还因强度较高，有不易破坏的特点。另一方CA砂浆可于铺设时顺便调整轨道施工误差及将来维修时所做调整之用。无碴轨道结构因具有稳定性好、轨道几何尺寸保持持久、维修工作量少、耐久性好，桥梁二期恒载小，可降低隧道净空减少开挖面积，综合经济效益高等优点，在国外客运专线上获得了越来越广泛的应用。为实现客货车分线，以进一步推动我国经济的快速发展，无碴轨道结构在客运专线上的大量铺设已成为我国高速铁路的发展趋势。因此，CA砂浆在我国具有广泛的应用前景。

目前国内外基本都采用乳化沥青、水泥、砂等原材料来制备CA砂浆，其中水泥的主要作用是提供强度，乳化沥青为砂浆提供弹性。由于沥青是一种温度敏感性材料，具有低温易开裂、高温易变形的特点，用乳化沥青制备弹性砂浆存在耐候性差的缺点。此外，由于CA砂浆中的乳化沥青用量较多，CA砂浆的价格高达2000元/m³。因此，有必要对现有的CA砂浆进行改性，并同时降低其成本。

日本为了改善CA砂浆的耐候性，发明了一种可在寒冷地区使用的P乳剂，但会进一步增加CA砂浆的成本。已有研究表明，对沥青进行改性，可提高沥青的耐热、耐寒性，因此，使用改性乳化沥青代替普通的乳化沥青配制CA砂浆是一个方向。但由于改性后的沥青乳化难度大，乳化工艺复杂，且会大幅增加乳化沥青的成本，因此，使用改性乳化沥青配制CA砂浆难以同时实现改性和降低成本的目的。

由于橡胶粉能吸附沥青中的石蜡，可改善沥青的高、低温性能，减少沥青路面的龟裂和老化，提高车辆的行驶安全和路面的使用寿命。橡胶粉改性沥青具有价格便宜，某些性能优于SBS改性沥青的优点。因此，橡胶粉改性沥青已成为改性沥青的重要研究方向。但目前将橡胶粉用于沥青的目的是对沥青进行改性，其掺量一般不超过沥青用量的5％，对橡胶粉的消耗和沥青成本的降低意义不大，且目前国内外还没有将橡胶粉与沥青共混制成乳液并用于CA砂浆的文献报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是使用改性乳化沥青配制CA砂浆难以同时实现改性和降低成本，以及废旧橡胶的综全利用问题，提供一种环保节能、生产成本低、耐候性好的CA砂浆用橡胶粉-沥青乳液。

申请人通过研究发现，橡胶是一种弹性高分子材料，橡胶粉在水泥沥青砂浆中具有乳化沥青类似的作用，即具有增韧、减振、吸收能量的功能；此外，橡胶的耐候性明显好于沥青，橡胶粉可作为一种改性剂用于改善沥青的温度敏感性；同时又由于由废橡胶加工而成的橡胶粉的价格比乳化沥青便宜得多。因此，如果能用废旧橡胶加工而成的橡胶粉生产橡胶粉--沥青乳液，并用其制备CA砂浆，不仅可节约资源，保护环境，还能改善CA砂浆的耐候性，降低CA砂浆造价。

申请人通过研究发现，采用乳化技术对橡胶粉和沥青进行乳化，可制得性能稳定、满足CA砂浆生产要求的橡胶粉-沥青乳液。

基于上述研究，本发明采用如下技术方案：

本发明由下列组分按质量份数配制而成：

乳化剂：0.1～3％

沥青：  20～60％

橡胶粉：5～40％

水：      30～50％

稳定剂：  0.1～0.5％

增稠剂：  0.1～0.3％

调节pH值的助剂：0-0.2％；

本发明所述的沥青是天然沥青或石油沥青，沥青牌号可以是AH-70、AH-90；

本发明所述的乳化剂可以是阳离子型、阴离子型中的一种或阳离子型、阴离子型中的一种与非离子型复合而成；

本发明所述的橡胶粉由废旧橡胶加工而成，其细度≥80目；

本发明所述的稳定剂为无机盐类，如硫酸盐、碳酸盐、盐酸盐等，如采用阳离子或阳离子与非离子复配型乳化剂，则宜选用氯化铵、氯化钠、氯化钙、氯化镁、氯化铁、氯化铝等；如采用阴离子或阴离子与非离子复配型乳化剂，则宜选用硫酸钠、碳酸钠、硅酸钠作为稳定剂。

本发明所述的增稠剂与不同类型的乳化剂复配具有选择性，如为阳离子型或阳离子与非离子复配型乳化剂，可选择在水中呈中性的增稠剂如聚乙烯醇、甲基纤维素，如为阴离子型或阴离子与非离子复配型乳化剂，可选择聚乙烯醇、甲基纤维素、羧甲基纤维素、改性淀粉、丙烯酸类明胶等。

本发明所述的橡胶粉-沥青乳液还可加入调节乳液pH值的助剂，其掺量为乳液质量的0-0.2％。当乳化剂为阳离子型或阳离子与非离子复配型时，调节乳液pH值的助剂选自苯甲酸、甲酸、乙酸、丁二酸和酒石酸或盐酸、硫酸，使溶液呈酸性；当乳化剂为阴离子型或阴离子与非离子复配型时，调节乳液pH值的助剂选自氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钠或硅酸钠，使乳液呈碱性。

本发明所述的橡胶粉-沥青乳液制备方法可采用如下三种方法中的任何一种：

第一种，先用橡胶粉对沥青改性，再进行乳化：采用常用的橡胶粉改性沥青的方法制成橡胶粉改性沥青，并加热至120～160℃后计量备用；将乳化剂、无机盐类稳定剂、增稠剂以及调节pH值的助剂剂量后加入热水中充分搅拌制成50～70℃的乳化剂溶液，并计量备用；开启沥青乳化设备，预热30～60s后加入乳化剂溶液，紧接着在防止出现局部沸腾的前提下快速加入橡胶粉改性沥青进行乳化，乳化时间为30～120s。

第二种，先乳化沥青，再乳化橡胶粉：将沥青加热至120～160℃后计量备用；将乳化剂、无机盐类稳定剂、增稠剂以及调节pH值的助剂剂量后加入热水中充分搅拌制成50～70℃的乳化剂溶液，并计量备用；开启沥青乳化设备，预热30～60s后加入乳化剂溶液，紧接着在防止出现局部沸腾的前提下快速加入沥青，然后再快速加入橡胶粉进行乳化，乳化时间为30～120s。

第三种，先乳化橡胶粉，再乳化沥青：将沥青加热至120～160℃后计量备用；将乳化剂、无机盐类稳定剂、增稠剂以及调节pH值的助剂剂量后加入热水中充分搅拌制成50～70℃的乳化剂溶液，并计量备用；开启沥青乳化设备，预热30～60s后加入乳化剂溶液，紧接着加入橡胶粉，然后在防止出现局部沸腾的前提下快速加入沥青进行乳化，乳化时间为30～120s。

本发明所制备的橡胶粉-沥青乳液与普通乳化沥青相比，具有如下特点：(1)由于本发明充分利用固体废弃物--橡胶粉，具有环保节能的特点；(2)使CA砂浆的稳定性得到明显改善；(3)由于橡胶粉的市场价格低于沥青，使得橡胶粉-沥青乳液的价格低于普通乳化沥青的价格，又由于橡胶粉在CA砂浆中的作用与等量的沥青相当，因此，用橡胶粉-沥青乳液制备CA砂浆可降低成本。

具体实施例

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例，其中表1为实施例配合比，表2给出了实施例所采用的原材料类型，表3给出了各实施例所采用的制备方法。

表1  实施例配合比

    编号    配合比(质量百分数)  沥青橡胶粉  水  乳化剂稳定剂增稠剂pH值的助剂  对比例1    60    0  37.9    1.5  0.3  0.2    0.1  实施例1    50    10  37.9    1.5  0.3  0.2    0.1  实施例2    40    20  37.9    1.5  0.3  0.2    0.0  实施例3    30    30  37.9    1.5  0.3  0.2    0.0  实施例4    20    40  37.9    1.5  0.3  0.2    0.1  实施例5    35    15  49.23    0.3  0.2  0.12    0.15  实施例6    25    30  42.58    2.0  0.15  0.15    0.12  实施例7    55    8  35.37    0.8  0.4  0.25    0.18  实施例8    45    20  31.72    2.8  0.25  0.15    0.0

表2实施例的原材料类型

  编号    沥青橡胶粉    乳化剂  稳定剂  增稠剂pH值的助剂对比例1石油沥青，AH-70 120目  阴离子型  硅酸钠丙烯酸类明胶  氢氧化钠实施例1石油沥青，AH-90 120目  阳离子型  氯化铵聚乙烯醇  盐酸实施例2石油沥青，AH-70 120目  阴离子型  硫酸钠羧甲基纤维素  --实施例3天然沥青，AH-70 120目  阴离子型  碳酸钠聚乙烯醇  --实施例4天然沥青，AH-90 120目  阴离子型+非  离子型  硅酸钠甲基纤维素  氢氧化钾实施例5石油沥青，AH-90  80目  阳离子型+非  离子型  氯化钠甲基纤维素  乙酸实施例6石油沥青，AH-70 160目  阳离子型  氯化铁聚乙烯醇  酒石酸实施例7天然沥青，AH-70 200目  阳离子型  氯化铝甲基纤维素  甲酸实施例8天然沥青，AH-90 100目  阴离子型  硫酸钠改性淀粉  --

表3实施例的制备方法

    编号制备方法种类沥青温度    /℃乳化剂溶液  温度/℃  预热时间/s  乳化时间/s  对比例1    第三种    140    55    30    50  实施例1    第一种    130    60    30    70  实施例2    第二种    150    50    40    60  实施例3    第三种    145    55    50    90  实施例4    第一种    130    65    60    120  实施例5    第二种    125    65    30    80  实施例6    第三种    145    50    40    100  实施例7    第一种    135    60    50    60  实施例8    第二种    135    55    60    90

用实施例1～实施例8制得的橡胶粉--沥青乳液配制CA砂浆(配合比见表4)，为了使试验结果具有可比性，在进行配合比设计时，使表4中各配合比中沥青与橡胶粉质量之和以及水的用量相等。

表4 CA砂浆配合比及其原材料类型

编号橡胶粉-沥青乳液种    类    配合比(质量份数)  原材料的规格或类型水泥沥青乳液砂子水铝粉消泡剂  R1  对比例1  100    156  195  35  0.3    0.12水泥：42.5级早强型硅酸盐水泥；砂子：河砂，细度模数1.6；铝粉：铁含量≤0.8％，铅含量≤0.03％，细度满足水面覆盖力≥1350m²/kg；消泡剂：有机硅类。  A1  实施例1  100    156  195  35  0.3    0.12  A2  实施例2  100    156  195  35  0.3    0.12  A3  实施例3  100    156  195  35  0.3    0.12  A4  实施例4  100    156  195  35  0.3    0.12  A5  实施例5  100    187  195  2  0.3    0.12  A6  实施例6  100    170  195  22  0.3    0.12  A7  实施例7  100    149  195  42  0.3    0.12  A8  实施例8  100    144  195  49  0.3    0.12

表4中R1和A1-A8的制备方法和步骤为：采用《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T17671-1999)规定的胶砂搅拌机在慢速搅拌的情况下依次加入沥青乳液→水→干料(混合均匀的砂、水泥、、铝粉、消泡剂)，干料加完后快速搅拌3min，然后再慢速搅拌1min。

将制备好的砂浆成型后，按照《铁路轨道设计规范》(TB10082-2005)规定的试验方法进行CA砂浆的流动度、可工作时间、含气量、单位容积质量、抗压强度、弹性模量、分离度、膨胀率、泛浆率、抗冻性试验。CA砂浆的耐候性采用的试验方法和步骤为：

(1)将流动度试验合格拌制10分钟后的CA砂浆，注入40×40×160mm的模型中，一次成型8组试件，每组试样数为3个。

(2)试件标准养护28天后，将其中4组试件放入快速耐侯试验箱(光源：6000W水冷式管状氙灯；试件与光源的距离：35～40cm；工作室空气温度60±2℃；相对湿度：70±5％RH；模拟降雨周期：试样每照射1小时，降雨9分钟)的试样夹具架，并将其插到转鼓上，按人工气候箱的操作规程开动机器，按试验条件进行试验，照射时间为500h。同时将另外4组的对比试件继续置于20±3℃，65±5％RH的环境中进行标准养护。

(3)当照射时间分别在0、100、300、500h时，分别对被照射试件和同龄期未被照射的标准试件进行抗折试验，同时检查试件的外观变化情况。

(4)按下式计算不同照射时间CA砂浆试件的相对抗折强度：

$R=\frac{R_t}{R_0}\times 100\%$

式中：R_t---不同照射时间被照射试件的抗折强度值，MPa；

R₀---相同时段标准养护试件的抗折强度值，MPa；

R---不同照射时间试件的相对抗折强度，％。

其中试样的相对抗折强度值取每组三个试件相对抗折强度的算术平均值。

表5中列出用对比例1和实施例1～实施例8配制的CA砂浆的性能。

表5 CA砂浆性能指标要求与实施例试验结果

序号    项目  指标要求  R1  A1  A2  A3  A4  A5  A6  A7  A8  1  砂浆温度/℃    5～30  23  24  25  24  23  26  20  22  25  2  流动度/秒    16～26  20  19  17  19  18  20  21  18  20  3  可工作时间/分    ≥30  60  65  70  75  80  90  100  100  95  4  含气量/％    8～12  9.4  9.0  8.8  9.4  9.6  9.0  9.8  9.2  8.5  5  单位容积质量    ＞1.3  1.53  1.50  1.51  1.52  1.48  1.47  1.46  1.45  1.43  6  抗压强度/  MPa    1d    ＞0.1  0.27  0.25  0.28  0.24  0.18  0.16  0.17  0.15  0.16    7d    ＞0.7  1.25  1.36  1.26  1.08  1.05  1.04  1.00  0.84  0.80 28d    1.8～2.5  2.40  2.32  2.22  2.40  2.10  1.98  2.00  1.98  1.88  7  弹性模量/MPa    200-600  580  570  560  550  480  460  440  320  330  8  材料分离度/％    ＜3  2.8  1.8  2.5  2.2  2.1  0.6  0.9  1.3  1.8  9  膨胀率/％    1～3  1.8  2.1  2.0  2.3  1.2  1.5  1.6  2.5  2.2  10  泛浆率/％    0  0  0  0  0  0   0  0  0  0  11  抗冻性  (300次冻融循环试  验后)    相对动弹模    量≥60％  86  89  94  93  90   88  92  90  89    质量损失率    ≤5％  0.6  0.3  0.2  0.1  0.0  0.8  0.1  0.0  0.1  12  耐候性(照射500h  后)    外观无异常  无  无  无  无  无  无  无  无  无    相对抗折强    度≥100％  102  105  109  114  118  106  114  104  110

从表5可以看出，用橡胶粉--沥青乳液配制CA砂浆，可明显改善CA砂浆的耐候性，且橡胶粉-沥青乳液中橡胶粉含量越高，CA砂浆的耐候性越好，在本发明所述的掺量范围内，橡胶粉对CA砂浆的工作性、强度、弹性模量、分离度、膨胀率、泛浆率、抗冻性等性能均无不利影响。