包含阳离子有机硅化合物的沥青-矿物组合物

摘要

本发明涉及沥青和沥青-矿物组合物，其包括至少一种阳离子有机硅化合物，该阳离子有机硅化合物选自：Y3-aSi(R1a)R2N+R3R4R5X-，Y3-aSi(R1a)R2P+R3R4R5X-，Y3-aSi(R1a)R2ZX-；或其混合物，其中在各式中，Y独立地选自OR、O(CH2CH2O)nH、(CH3OCH2CH2O)和(CH3CH2OCH2CH2O)；a具有选自0、1或2的值；n为1－10的值；R为C1-C4烷基；R1为甲基或乙基；R2为C1-C4亚烷基；R3、R4和R5各自独立地选自C1-C22烷基，其中至少一个这种基团具有超过8个的C原子，-CH2C6H5，-CH2CH2OH，-CH2OH和-(CH2)yNHC(O)R6，其中y具有2-10的值，并且R6为C1-C12全氟烷基；X为氯根、溴根、氟根、碘根、乙酸根或甲苯磺酸根；和Z为具有式C5H5N+的吡啶环。

说明书

技术领域

本发明涉及适用于铺路或铺面建筑的沥青和沥青-矿物组合物。所述组合物包括至少一种阳离子有机硅化合物并且显示出改进的沥青粘合剂对混凝料的粘合性。

背景技术

沥青是一种用于制备铺路和铺顶材料的普通材料。已将各种各样的化合物加入到沥青铺面组合物中，以尝试改进沥青对混凝料的粘合性/润湿性。

包括硅烷的各种各样的硅化合物已用于浸渍和表面处理玻璃纤维，以促进各种有机树脂如聚酯树脂、环氧树脂或酚醛树脂的粘合，以及用于表面处理织物、皮革、陶瓷和玻璃材料。

已经发现沥青对硅质表面的粘合性可以通过先用甲基氯硅烷混合物的蒸气处理所述表面而得以显著改进。然而，这个对混凝料表面施用硅烷的奇异方法在大规模应用中是不实用的。Sanderson, F. C., “Methylchlorosilanes as Anti-stripping Agents”. Proceedings, Highway Research Board, 31, 288 (1952)。

US 2,570,185公开沥青的涂覆性能和抗剥落性能通过向沥青中添加氨基烷氧基硅烷与含有至少6个碳原子的高分子量脂族伯胺的反应产物而得以改进。US 2,570,185中所示的硅烷的唯一实例是二叔丁氧基二氨基硅烷。US 2,985,678公开硅化合物中更高级的烷基或芳基基团逐渐地降低所述化合物的稳定性。但是，据显示，叔丁基提高了硅化合物的稳定性，即使是在含有长链烷基如月桂基的硅化合物中。

德国专利800,685教导式SiR_mX_n的硅烷作为沥青粘合剂，其中X代表卤素或烷氧基，R代表有机残基，并且m和n代表1-3的整数。R的具体实例包括甲基、苯基和2-氯亚乙基。US 4,036,661公开了使用各种有机官能硅烷作为用于沥青-矿物组合物的粘合促进剂。US 5,130,354公开了使用硅烷官能化聚合物作为用于铺路的沥青混凝土混合物的粘合促进剂。US 4,170,484和US 4,038,096公开了使用硅烷改进沥青对矿物混凝料的粘合性。

然而，硅化合物的热稳定性也是首要重要的。也就是说，高度希望所述化合物不仅促进沥青对矿物混凝料的粘合性，而且还在宽温度范围内和延长的时间期间保持稳定。除此以外，还高度希望粘合促进剂无需奇异的施用方法就能够使用。为了适用于铺路材料，沥青-硅化合物混合物应该是可在沥青中混合的并且在随后的加工中保持是混合的。在加工期间和在由于风化作用的长期老化期间，所述化合物必须是对氧化稳定的。硅化合物改性的沥青在高于180℃的温度的稳定性是主要的考虑因素。较低的蒸气压、较高的沸点和在150℃-180℃的氧化稳定性对于改进的性能是重要的。

使用有机硅烷的一个缺点是，如果与沥青混合时它们不能耗尽并且不能与混凝料表面完全反应。因此，总是需要用硅烷预处理混凝料，以获得粘合促进剂的所需效果。预处理混凝料是不实用的并且是实施起来非常昂贵的。

除了硅烷，传统上还一直使用长链叔胺和季胺作为沥青中的添加剂来改进沥青混凝土的粘合性。这些产品以沥青的0.5 wt%-3 wt%胜任。然而，这些化合物具有增加车辙的缺点并且具有差的抗疲劳性和借助润湿和物理粘结机理的功能。另外，由于可获得性和可持续性问题，以及需要最小化消费及良好品质混凝料和沥青的渐增的缺乏，仍需要具有进一步改进的粘合性和/或降低的对潮湿的敏感性的沥青-矿物组合物。

发明内容

本发明通过提供具有改进的沥青和混凝料之间的粘合性的沥青组合物和沥青-矿物组合物而满足了至少某些上述需求。所述沥青组合物和沥青-矿物组合物包括至少一种阳离子有机硅化合物。所述阳离子有机硅化合物优选以沥青的0.001-5 wt%存在于组合物中。

在一方面，本发明提供了包括与沥青混合的至少一种阳离子有机硅化合物的沥青组合物。所述沥青组合物显示出改进的对各种各样混凝料的粘合性。在某些实施方案中，阳离子有机硅化合物具有选自下列的式子：

Y_3-aSi(R¹_a)R²N⁺R³R⁴R⁵X^-，

Y_3-aSi(R¹_a)R²P⁺R³R⁴R⁵X^-，和

Y_3-aSi(R¹_a)R²ZX^-；或其混合物，

其中在各式中：

Y独立地选自OR、O(CH₂CH₂O)_nH、(CH₃OCH₂CH₂O)和(CH₃CH₂OCH₂CH₂O)；

a具有选自0、1或2的值；

n为1、2、3、4、5、6、7、8、9或10；

R为C1-C4烷基；

R¹为甲基或乙基；

R²为C1-C4亚烷基；

R³、R⁴和R⁵各自独立地选自C1-C22烷基，其中至少一个这种基团具有超过8个的C原子，-CH₂C₆H₅，-CH₂CH₂OH，-CH₂OH和–(CH₂)yNHC(O)R⁶，其中y具有2-10的值，并且R⁶为C1-C12全氟烷基；

X为氯根、溴根、氟根、碘根、乙酸根或甲苯磺酸根；和

Z为具有式C₅H₅N⁺的吡啶环。

在另一方面，本发明提供了包括矿物混凝料、沥青和至少一种阳离子有机硅化合物的沥青-矿物组合物。在一个实施方案中，所述沥青-矿物组合物包括100重量份的矿物混凝料、3-20重量份的沥青和基于沥青的重量0.001-5 wt%的至少一种阳离子有机硅化合物。在某些实施方案中，存在于沥青-矿物组合物中的阳离子有机硅化合物选自下列各式：

Y_3-aSi(R¹_a)R²N⁺R³R⁴R⁵X^-，

Y_3-aSi(R¹_a)R²P⁺R³R⁴R⁵X^-，和

Y_3-aSi(R¹_a)R²ZX^-；或其混合物，

其中在各式中：

Y独立地选自OR、O(CH₂CH₂O)_nH、(CH₃OCH₂CH₂O)和(CH₃CH₂OCH₂CH₂O)；

a具有选自0、1或2的值；

n为1、2、3、4、5、6、7、8、9或10；

R为C1-C4烷基；

R¹为甲基或乙基；

R²为C1-C4亚烷基；

R³、R⁴和R⁵各自独立地选自C1-C22烷基，其中至少一个这种基团具有超过8个的C原子，-CH₂C₆H₅，-CH₂CH₂OH，-CH₂OH和–(CH₂)yNHC(O)R⁶，其中y具有2-10的值，并且R⁶为C1-C12全氟烷基；

X为氯根、溴根、氟根、碘根、乙酸根或甲苯磺酸根；和

Z为具有式C₅H₅N⁺的吡啶环。

附图说明

已经如上所述概括性描述了本发明，现在将参考附图，所述附图不必按比例绘制，并且其中：

图1A显示了沸腾试验后沥青-混凝土的对照样品；

图1B显示了沸腾试验后根据本发明的一个实施方案含有阳离子有机硅化合物的沥青-混凝土样品；

图2A显示了6小时沸腾试验后来自对照样品的残留水；

图2B显示了6小时沸腾试验后来自根据本发明的一个实施方案含有阳离子有机硅化合物的沥青-混凝土样品的残留水；

图3A显示了沸腾试验后来自对照样品的残留水；和

图3B显示了沸腾试验后来自根据本发明的一个实施方案含有阳离子有机硅化合物的沥青-混凝土样品的残留水。

具体实施方式

现在将在下文更充分地描述本发明。实际上，本发明可以以许多不同的形式实施并且不应该解释为限于在此列出的实施方案；更合适地，提供这些实施方案是为了使本公开内容满足实用性法律要求。如说明书和所附权利要求书中使用的，单数形式的不定冠词和定冠词包括复数形式的指代物，除非上下文清楚地进行了另外说明。

沥青通常作为混凝料颗粒的粘结剂或粘合剂用于铺路建筑。也就是说，沥青用于涂覆混凝料颗粒并将其粘结在一起。这些在加热时软化而在冷却时硬化的类似热塑性塑料的材料还在一定温度范围内显示出粘弹性性能(例如显示出粘性流动和弹性变形的力学特性)。

然而，沥青是含有多种饱和及不饱和脂族和芳族化合物的高度复杂的并且不能很好表征的材料。这些化合物可以经常包括高达150个碳原子。具体的沥青组合物依据原油的来源而变化。许多所述化合物含有氧、氮、硫和其它杂原子。沥青典型地包含约80 wt%的碳；约10%的氢；最多6%的硫；少量的氧和氮；以及痕量的金属，如铁、镍和钒。构成化合物的分子量在几百至几千范围内。

各种各样的沥青可以用于制备根据本发明的沥青和沥青-矿物组合物。一般而言，预期满足用于制备铺路组合物的任何铺路级沥青粘合剂均是可用的。铺路级沥青可以具有宽范围的针入值，范围为从低至30或40 dmm (对于较硬的沥青)至200-300 dmm (对于较软的沥青) (25^oC，100 g, sec.)。根据本发明的实施方案最广泛使用的铺路沥青一般具有在25^oC的约60-100 dmm (例如60-70、70-80或80-100 dmm)的针入值。然而，在优选的实施方案中，沥青在所有气候条件下保持为粘弹性的。

在本发明的一些实施方案中，沥青可以包括柏油沥青(bitumen)、天然沥青、铺路级残油、来自煤焦油蒸馏的塑性残余物、石油沥青和煤焦油。

粘合促进剂是用于改进对混凝料的粘合性(例如抗剥落性)的添加剂或改性剂。根据本发明的粘合促进剂为根据下列各式的阳离子有机硅化合物：

Y_3-aSi(R¹_a)R²N⁺R³R⁴R⁵X^-，

Y_3-aSi(R¹_a)R²P⁺R³R⁴R⁵X^-，和

Y_3-aSi(R¹_a)R²ZX^-；或其混合物，

其中在各式中：

Y独立地选自OR、O(CH₂CH₂O)_nH、(CH₃OCH₂CH₂O)和(CH₃CH₂OCH₂CH₂O)；

a具有选自0、1或2的值；

n为1-10的值(例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10)；

R为C1-C4烷基；

R¹为甲基或乙基；

R²为C1-C4亚烷基；

R³、R⁴和R⁵各自独立地选自C1-C22烷基，其中至少一个这种基团具有超过8个的C原子，-CH₂C₆H₅，-CH₂CH₂OH，-CH₂OH和–(CH₂)yNHC(O)R⁶，其中y具有2-10的值，并且R⁶为C1-C12全氟烷基；

X为氯根、溴根、氟根、碘根、乙酸根或甲苯磺酸根；和

Z为具有式C₅H₅N⁺的吡啶环。

混凝料或矿物混凝料是用于建筑的粗颗粒材料，包括沙子、砂砾、碎石、土壤、矿渣、再循环混凝土或其混合物。矿物填料也是混凝料，其典型地包括白云石、花岗岩、河床碎砂砾、沙石、石灰石、玄武岩及其它可以加入到系统中的无机石。

用于形成本发明的沥青-矿物组合物的具体混凝料、沙子、土壤等不是关键的，只要它们在表面上具有将与由硅烷烷氧基基团的水解产生的硅烷醇结合的官能团或反应位点(例如硅烷醇)即可。

在一方面，本发明提供了可以涂覆到各种混凝料上以将其粘合在一起的沥青组合物。根据本发明的实施方案的沥青组合物显示出改进的对各种各样混凝料颗粒的粘合性。也就是说，在反复暴露或浸渍在水中后，保留在混凝料表面上的根据本发明的实施方案的沥青组合物的数量，由于引入根据本发明的实施方案的阳离子有机硅化合物，而显著增加。

在一些实施方案中，沥青组合物包括沥青和基于沥青的重量0.001-5 wt%的至少一种阳离子有机硅化合物。在一个实施方案中，所述阳离子有机硅化合物选自下列各式：

Y_3-aSi(R¹_a)R²N⁺R³R⁴R⁵X^-，

Y_3-aSi(R¹_a)R²P⁺R³R⁴R⁵X^-，和

Y_3-aSi(R¹_a)R²ZX^-；或其混合物，

其中在各式中：

Y独立地选自OR、O(CH₂CH₂O)_nH、(CH₃OCH₂CH₂O)和(CH₃CH₂OCH₂CH₂O)；

a具有选自0、1或2的值；

n可以具有1-10的任何值；

R为C1-C4烷基；

R¹为甲基或乙基；

R²为C1-C4亚烷基；

R³、R⁴和R⁵各自独立地选自C1-C22烷基，其中至少一个这种基团具有超过8个的C原子，-CH₂C₆H₅，-CH₂CH₂OH，-CH₂OH和–(CH₂)yNHC(O)R⁶，其中y具有2-10的值，并且R⁶为C1-C12全氟烷基；

X为氯根、溴根、氟根、碘根、乙酸根或甲苯磺酸根；和

Z为具有式C₅H₅N⁺的吡啶环。

在其它实施方案中，沥青组合物包括基于沥青的重量0.01-5 wt%、或0.01-3 wt%、或0.02-1 wt%的至少一种阳离子有机硅化合物。在一个实施方案中，沥青组合物包括基于沥青的重量0.02-0.1 wt%的至少一种阳离子有机硅化合物。

在另一方面，本发明提供了包括矿物混凝料、沥青和阳离子有机硅化合物的沥青-矿物组合物。在一个实施方案中，所述组合物包括100重量份的矿物混凝料和3-20重量份的沥青，该沥青包括基于沥青的重量0.001-5 wt%的至少一种阳离子有机硅化合物。在某些实施方案中，所述组合物中的阳离子有机硅化合物选自下列各式：

Y_3-aSi(R¹_a)R²N⁺R³R⁴R⁵X^-，

Y_3-aSi(R¹_a)R²P⁺R³R⁴R⁵X^-，和

Y_3-aSi(R¹_a)R²ZX^-；或其混合物，

其中在各式中：

Y独立地选自OR、O(CH₂CH₂O)_nH、(CH₃OCH₂CH₂O)和(CH₃CH₂OCH₂CH₂O)；

a具有选自0、1或2的值；

n为选自1-10的任何值；

R为C1-C4烷基；

R¹为甲基或乙基；

R²为C1-C4亚烷基；

R³、R⁴和R⁵各自独立地选自C1-C22烷基，其中至少一个这种基团具有超过8个的C原子，-CH₂C₆H₅，-CH₂CH₂OH，-CH₂OH和–(CH₂)yNHC(O)R⁶，其中y具有2-10的值，并且R⁶为C1-C12全氟烷基；

X为氯根、溴根、氟根、碘根、乙酸根或甲苯磺酸根；和

Z为具有式C₅H₅N⁺的吡啶环。

在一个优选的实施方案中，所述阳离子有机硅化合物具有下式：

Y_3-aSi(R¹_a)R²N⁺R³R⁴R⁵X^-，

其中在该式中，

Y独立地选自OR、O(CH₂CH₂O)_nH、(CH₃OCH₂CH₂O)和(CH₃CH₂OCH₂CH₂O)；

a具有选自0、1或2的值；

n为选自1-10的任何值；

R为C1-C4烷基；

R¹为甲基或乙基；

R²为C1-C4亚烷基；

R³、R⁴和R⁵各自独立地选自C1-C22烷基，其中至少一个这种基团具有超过8个的C原子，-CH₂C₆H₅，-CH₂CH₂OH，-CH₂OH和–(CH₂)yNHC(O)R⁶，其中y具有2-10的值，并且R⁶为C1-C12全氟烷基；和

X为氯根、溴根、氟根、碘根、乙酸根或甲苯磺酸根。

在另一个实施方案中，R²在下列化合物：

Y_3-aSi(R¹_a)R²N+R³R⁴R⁵X^-，

Y_3-aSi(R¹_a)R²P+R³R⁴R⁵X-，和

Y_3-aSi(R¹_a)R²ZX^-；或其混合物中

为C4亚烷基。

在另一个实施方案中，所述组合物中的所述阳离子有机硅化合物是至少一种选自下列的化合物：3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基二甲基十八烷基氯化铵、3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基甲基二癸基氯化铵、3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基二甲基十六烷基氯化铵和3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵。

阳离子有机硅化合物以一定量存在于铺面组合物(例如沥青和沥青-矿物组合物)中，所述量有效地显著增加在以下描述的浸渍试验之后保留在混凝料表面上的沥青的量。一般而言，显著增加在剥落试验之后涂覆混凝料、沙子、土壤等的保留沥青所必需的阳离子有机硅化合物的量为约0.001重量份至约5重量份/100重量份沥青。优选地，阳离子有机硅化合物以约0.05重量份至约0.1重量份/100重量份沥青的量存在。

阳离子有机硅化合物可以在制造铺面组合物(例如沥青和沥青-矿物组合物)期间以各种方式引入到其中。例如，作为一个优选方法，可以在与混凝料混合之前，将阳离子有机硅化合物加入到熔融的沥青或沥青乳液中。如果由于某种原因需要的话，可以在混合沥青和混凝料之前，将阳离子有机硅化合物施加或涂覆在混凝料的表面上。二者择一地，可以将阳离子有机硅化合物加入到包含沥青和混凝料的预混合组合物中。

除了上述成分，根据本发明的某些实施方案，还可以存在许多其它材料。这些可以包括影响完成的表面组合物的物理性能的材料。一般而言，典型地用于改进所得铺面组合物并且与所述阳离子有机硅化合物相容的任何添加剂均可以添加到根据本发明的实施方案的组合物中。

在可以是阴离子的、阳离子的或非离子的乳化沥青的情况下，可以通过与可用于浆封层、微铺面、封缝层等(用于公路维持和修复)的细混凝料共混来制备冷混合物。在这种情况下，在与混凝料混合之前，将阳离子有机硅化合物加入到乳液中。根据本发明的实施方案，所提议的添加剂与阳离子有机硅化合物的相容性试验是简单好容易进行的。例如，可以制备小样品并测试12-24小时的最小乳液稳定性。

在另一方面，本发明提供了包括乳液的水基沥青组合物，所述乳液包括分散在水中的沥青和基于沥青的重量0.001-5 wt%的至少一种阳离子有机硅化合物。

在优选的实施方案中，所述阳离子有机硅化合物选自下列各式：

Y_3-aSi(R¹_a)R²N⁺R³R⁴R⁵X^-，

Y_3-aSi(R¹_a)R²P⁺R³R⁴R⁵X^-，

Y_3-aSi(R¹_a)R²ZX^-；及其混合物，

其中在各式中：

Y独立地选自OR、O(CH₂CH₂O)_nH、(CH₃OCH₂CH₂O)和(CH₃CH₂OCH₂CH₂O)；

a具有选自0、1或2的值；

n为1-10的值；

R为C1-C4烷基；

R¹为甲基或乙基；

R²为C1-C4亚烷基；

R³、R⁴和R⁵各自独立地选自C1-C22烷基，其中至少一个这种基团具有超过8个的C原子，-CH₂C₆H₅，-CH₂CH₂OH，-CH₂OH和–(CH₂)yNHC(O)R⁶，其中y具有2-10的值，并且R⁶为C1-C12全氟烷基；

X为氯根、溴根、氟根、碘根、乙酸根或甲苯磺酸根；和

Z为具有式C₅H₅N⁺的吡啶环。

在某些实施方案中，水基沥青组合物可以任选地还包括一种或多种有机助溶剂。合适的有机助溶剂应该优选不消极地影响阳离子有机硅化合物在组合物中的稳定性。合适的溶剂可一般性包括但不限于基于醇(优选二醇)、酮、酯的溶剂和极性乙酸酯溶剂。

醇的实例包括甲醇、乙醇、异丙醇和二醇；根据本发明的某些实施方案可以使用的二醇的实例包括但不限于乙二醇、丙二醇，醚醇如乙二醇、乙二醇单乙基醚和乙二醇单丁基醚；乙二醇二烷基醚、乙二醇单乙基醚、乙二醇单丁基醚、乙二醇二丁基醚、乙二醇单乙基醚乙酸酯、乙二醇单己基醚乙酸酯、丙二醇单乙基醚和丙二醇二丁基醚；二甘醇的单-和二烷基醚，如二甘醇单乙基醚、二甘醇二丁基醚、二甘醇二乙基醚和二甘醇单丁基醚乙酸酯。

根据本发明的某些实施方案可以使用的酮的实例包括但不限于丙酮、苯乙酮、丁酮、环己酮、乙基异丙基酮、双丙酮、异佛尔酮、甲基异丁基酮、甲基异丙基酮、甲基乙基酮、甲基戊基酮和3-戊酮。

根据本发明的某些实施方案可以使用的基于酯的溶剂和乙酸酯溶剂的实例包括但不限于苯甲酸苯甲酯、乙酸丁酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸异丁酯、乙酸异戊酯、乙酸异丙酯、乙酸正丁酯、乙酸异丁酯、乙酸戊酯、乙酸仲丁酯、乙酸叔丁酯、乙酸乙酯、乙酰乙酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸丙酯、乙二醇单甲基醚乙酸酯和乙二醇单乙基醚乙酸酯。

本发明还提供了包括乳液的水基沥青-矿物组合物，所述乳液包括分散在水中的沥青、至少一种矿物混凝料和基于沥青的重量0.001-5 wt%的至少一种阳离子有机硅化合物。根据本发明的某些实施方案的水基沥青-矿物组合物还可以任选包括一种或多种前面所讨论的有机溶剂。在优选的实施方案中，所述阳离子有机硅化合物选自下列各式：

Y_3-aSi(R¹_a)R²N⁺R³R⁴R⁵X^-，

Y_3-aSi(R¹_a)R²P⁺R³R⁴R⁵X^-，

Y_3-aSi(R¹_a)R²ZX^-；及其混合物，

其中在各式中：

Y独立地选自OR、O(CH₂CH₂O)_nH、(CH₃OCH₂CH₂O)和(CH₃CH₂OCH₂CH₂O)；

a具有选自0、1或2的值；

n为1-10的值；

R为C1-C4烷基；

R¹为甲基或乙基；

R²为C1-C4亚烷基；

R³、R⁴和R⁵各自独立地选自C1-C22烷基，其中至少一个这种基团具有超过8个的C原子，-CH₂C₆H₅，-CH₂CH₂OH，-CH₂OH和–(CH₂)yNHC(O)R⁶，其中y具有2-10的值，并且R⁶为C1-C12全氟烷基；

X为氯根、溴根、氟根、碘根、乙酸根或甲苯磺酸根；和

Z为具有式C₅H₅N⁺的吡啶环。

根据本发明的某些实施方案的水基沥青乳液包括沥青分散在水中的液滴或剪切颗粒。典型地，沥青借助已知的化学稳定剂(例如乳化剂)保持在分散相中。通过在高剪切系统，例如胶体磨机中，将熔融沥青剪切成为细液滴可以提供根据本发明的实施方案的水基沥青乳液。根据本发明的实施方案，可以使沥青与化学稳定化溶液紧密接触。在从磨机排出之后，乳液包括水和分散在其中的沥青的细颗粒。

根据本发明实施方案的可以用于沥青-水系统(例如乳液)的示例性乳化剂包括但不限于十八烷基胺，牛油脂肪胺，月桂基硫酸钠，烷基苯酚乙氧基化物，如环氧乙烷的壬基苯酚、辛基苯酚缩合物。根据某些实施方案，在制备根据本发明实施方案的乳液中可以使用这种乳化剂(10－20 mol)以提供稳定的乳液。在某些实施方案中，乳化剂浓度基于最终乳液的重量可以为0.2－2.0%，或基于最终乳液的重量为0.2－1.0%或0.2－0.5%。

通过使用根据本发明实施方案的水基沥青乳液实现的一些好处包括：通过消除典型使用的“稀释”材料的蒸发(例如煤油和汽油烟)对污染的控制，由于组合物是不可燃的或不可爆炸的而增强的安全性，及易于使用性。例如，可以直接由转鼓通过浇注或通过手动或工具(例如铲子或挡板)涂布来简单地将根据本发明实施方案的水基沥青乳液喷涂在用于处理或操作的表面上。另外，因为乳液是水基的，混凝料使用时不必干燥。

在某些实施方案中，根据本发明实施方案的HMA (热混合沥青)或乳液形式的沥青-矿物组合物用作用于铺顶屋面板或作为屋面衬垫材料的沥青膜是理想的。各种实施方案用作“最上层屋面板”和/或“基板”都是理想的。“最上层屋面板”具有一个暴露于环境的表面，而“基板”不拟暴露于环境的因素。最上层屋面板或屋面板典型地施加在基板的顶上。屋面衬垫材料典型地由玻璃纤维增强(例如)，但是也可以不带有增强材料，更典型地用在屋面板之下。

在这种实施方案中，组合物可以任选地包括各种典型地用于这种应用中的聚合和/或非聚合添加剂。例如，一些通常用于改性沥青的聚合物包括无定形或无规立构聚丙烯(APP)、无定形聚α-烯烃(APAO)、热塑性聚烯烃(TPO)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯(SEBS)、合成橡胶或其它增强沥青性能的沥青改性剂。将这种改性剂引入到沥青中拓宽了其用于铺顶应用的可工作温度范围，并且得到了改进的力学和粘弹性性能。

在另一方面，本发明提供了包括芯的铺顶材料，所述芯是被根据本发明的一个或多个实施方案的组合物饱和的和/或涂有根据本发明的一个或多个实施方案的组合物。该芯典型地为由非织造、织造织物或两者的组合作为增强物制造的增强载体或聚合物纤维增强垫子。这些垫子可以由无机纤维如玻璃纤维或有机聚合物如聚酯、尼龙、聚氨酯、聚丙烯等或无机和有机聚合物的组合制成。

根据本发明实施方案的沥青膜优选显示出所需的伸展度和结构强度。这种膜可以有利地用于防水或水阻挡层应用。在这种实施方案中，沥青含量高于50% (例如50-100%，或50-90%，或50-70%)。在某些实施方案中，沥青组合物高于60% (例如60-100%，或60-90%，或60-70%)、70% (例如70-100%，或70-90%，或70-80)、80% (例如80-100%，或80-90%)或90% (例如90-100%或90-95%)。

在又一方面，本发明提供了“浓缩物”组合物，其可以通过加入水或另一种需要的溶剂(例如有机溶剂，如果有如此需要)加以稀释。在一个实施方案中，“浓缩物”组合物包括在水中的根据本发明的阳离子有机硅化合物。在这种实施方案中，阳离子有机硅化合物典型地以约0.01－约5.0 wt%存在。在其它实施方案中，本发明提供的“浓缩物”组合物具有在一种或多种有机溶剂中的至少一种阳离子有机硅化合物，所述溶剂优选选自前面提及的溶剂。最优选，所述有机溶剂为乙二醇。在其它实施方案中，“浓缩物”组合物包括在水和一种或多种有机溶剂的混合物(例如混溶的或液体-液体分散液)中的至少一种阳离子有机硅化合物。

有利地，根据本发明实施方案的“浓缩物”组合物可以经济地包装、运输和/或储存而无需大的盛装体积或空间。“浓缩物”组合物可以用水稀释，例如如果需要，在使用时。“浓缩物”组合物对水(或其它溶剂，如果需要)的稀释比率可以为1份“浓缩物”组合物对250份水，或1份“浓缩物”对200、150、100、75、50、25或10份水(或其它合适的溶剂，取决于预期用途)。在一个优选的实施方案中，“浓缩物”组合物包括在乙二醇中的至少一种阳离子有机硅化合物。优选，这个实施方案的固体含量为约35%－约55%，或约40%－约50%。“浓缩物”组合物可以用水(例如)稀释，以提供根据本发明的实施方案可以使用的稀释组合物。

实施例

沥青-混凝料粘合性试验

样品制备和水浸渍测试(抗剥落性)程序

通过混合3－5份沥青与100份混凝料或沙子制备铺面组合物。在混合之前，将沥青和混凝料或沙子均加热至165^oC。混合物在135^oC固化15分钟。在规定的固化之后，冷却样品并随后进行水浸渍试验。研究了多种浸渍条件。这些包括1小时至24小时的短时暴露于80^oC的水和较长暴露于40^oC (1、2和5天)。以0－100%等级目视评价在完成水浸渍试验时保留在混凝料上的沥青涂层的百分比。在浸渍试验之后保留在混凝料上的沥青低于95%的等级视为差/失败。在下列实施例中，除非另外指明，所有份均是重量份。

现在将通过工作实施例举例说明本发明的实施方案，所述工作实施例用来举例说明通过本发明的实施方案实现的改进性能，并且不应解释为暗示了对本发明范围的任何限制。

实施例1

制备铺路级沥青(60/70针入值，25^oC)样品，含有0.0 wt%－0.1 wt%的3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在乙二醇中的溶液)。将5份这些配混的沥青组合物与100份火成的混凝料混合。混合物在135^oC固化15分钟，然后允许其冷却至室温。进行水浸渍试验(40^oC，24小时)。结果示于表1中。

表1

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结果显示了相对于没有添加剂的沥青的重大改进。

实施例2

制备铺路级沥青(60/70针入值，25^oC)样品，含有0.0% (即不含阳离子有机硅化合物的对照物)和0.08 wt%的3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在乙二醇中的溶液)。将5份这些配混的沥青组合物与100份火成的混凝料混合。混合物在135^oC固化15分钟，然后允许其冷却至室温。在40^oC进行水浸渍试验5天。结果示于表2中。

表2

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在浸渍试验后粘合性百分比评级低于95%视为差/失败。如表2所示，对于所有5天，包括0.08 wt%的3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在乙二醇中的溶液)的组合物均显示了优异的对混凝料的粘合性。因此，这些结果清楚地表明，由于添加了阳离子有机硅化合物，沥青对混凝料的粘合性有重大改进。

实施例3

制备铺路级沥青(60/70针入值，25^oC)样品，含有0.0% (即不含阳离子有机硅化合物的对照物)和0.08 wt%的3-[三甲氧基甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在甲醇中的溶液)。将5份这些配混的沥青组合物与100份火成的混凝料混合。混合物在135^oC固化15分钟，然后允许其冷却至室温，其后在40^oC进行水浸渍试验3天。结果示于表3中。

表3

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再次，在浸渍试验后粘合性百分比评级低于95%视为差/失败。

实施例4

制备铺路级沥青(60/70针入值，25^oC)样品，含有0.0% (即不含阳离子有机硅化合物的对照物)和0.08 wt%的3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在乙二醇中的溶液)。将5份这些配混的沥青组合物与100份火成的混凝料混合。混合物在135^oC固化15分钟，然后允许其冷却至室温。在80^oC进行水浸渍试验24小时。

结果显示，在沥青包括阳离子有机硅化合物的情况下，98%的沥青涂层保留在混凝料表面上，相比之下，对照样品(即不包括阳离子有机硅化合物的沥青)上的则少于85%。

实施例5

制备铺路级沥青(60/70针入值，25^oC)样品，含有0.0% (即不含阳离子有机硅化合物的对照物)和0.08 wt%的3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在乙二醇中的溶液)。将3份这些配混的沥青组合物与100份火成的混凝料混合。对混凝料进行预先分级，使得100%通过20-mm标准筛和100%留在12-mm标准筛上。混合物在135^oC固化15分钟，然后允许其冷却至室温。在40^oC进行水浸渍试验5天。结果示于表4中。

表4

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再次，在浸渍试验后粘合性百分比评级低于95%视为差/失败。

实施例6

制备铺路级沥青(60/70针入值，25^oC)样品，含有0.0% (即不含阳离子有机硅化合物的对照物)和0.08 wt%的3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在乙二醇中的溶液)。将5份这些配混的沥青组合物与100份质量差的混凝料(这些混凝料不适合用于典型的沥青-混凝土混合物，因为它们的吸水性超过2%)混合。混合物在135^oC固化15分钟，然后允许其冷却至室温。在40^oC进行水浸渍试验24小时。

结果显示，在沥青包括阳离子有机硅化合物的情况下，超过95%的沥青涂层保留在混凝料表面上，相比之下，不包括阳离子有机硅化合物的对照沥青组合物上的沥青涂层则少于50%。

实施例7

制备铺路级沥青(60/70针入值，25^oC)样品，含有0.0% (即不含阳离子有机硅化合物的对照物)和0.08 wt%的3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在乙二醇中的溶液)。将3份这些配混的沥青组合物与100份沙子混合。混合物在135^oC固化15分钟，然后允许其冷却至室温。在40^oC进行水浸渍试验1天。

结果显示，在沥青包括阳离子有机硅化合物的情况下，95%的沥青涂层保留在沙子表面上，相比之下，在用不包括阳离子有机硅化合物的对照沥青组合物涂覆的混凝料上的则少于80%。

实施例8

制备铺路级沥青(60/70针入值，25^oC)样品，含有0.0% (即不含阳离子有机硅化合物的对照物)和0.1 wt%的3-[三甲氧基甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在甲醇中的溶液)。将4.5份这些配混的沥青组合物与100份火成的混凝料混合。用于测试和评价的混凝料组合物的粒度分布情况如下：约45%的颗粒小于20-mm但大于10-mm；约10%的颗粒小于10-mm但大于6-mm；和约45%的颗粒小于6-mm。即，100%通过20-mm筛，45%留在10-mm筛上，10%留在6-mm筛上，和45%通过6-mm筛。混合物在135^oC固化120分钟，作为标准调理时间，然后允许其冷却至室温，其后根据ASTM D3625的程序进行水沸腾试验。结果示于表5中。

表5

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沸腾试验后沥青-混凝土的对照样品显示在图1A中。沸腾试验后包括0.1 wt%的3-[三甲氧基甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在甲醇中的溶液)的沥青-混凝土样品显示在图1B中。图1A和1B的对比表明，包括阳离子有机硅导致显著更多的沥青保留在混凝料上。也就是说，图1A中显示的对照样品是灰暗的，并且多数沥青已从混凝料中移除。相反，图1B显示，几乎所有的沥青都保留在混凝料的表面上，如沥青-混凝土发亮的黑色外观所显示。

沸腾试验之后，除去残留的水并检测在水中存在的任何剥落的沥青。图2A显示了对照样品的残留水。如图2A所示，对照样品的残留水是暗色的(例如黑色)，因为存在相当多的从混凝料剥落的沥青。图2B显示了包括用阳离子有机硅化合物处理过的沥青的样品的残留水。如图2B所示，残留水主要是透明的并且含有显著更少的从混凝料剥落的沥青。这些结果表明，含有有机硅季盐的沥青-混凝土样品显示出超过95%的沥青在混凝料混合物上的粘合性，而对照样品则从混凝料中失去了所有或多数沥青(即对混凝料几乎没有或没有粘合性)。

实施例9

沥青粘合剂针入指数

根据ASTM D946-09方法：用于铺路建筑的针入分级沥青水泥的标准说明书(Standard Specification for Penetration-Graded Asphalt Cement for Use in Pavement Construction)测定80-100和60-70级别沥青粘合剂的针入指数。对含有0.1%和0.4%的3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在乙二醇中的溶液)的样品以及不含根据本发明实施方案的有机硅季盐的对照样品获得针入值。结果示于表6中。

表6

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这些结果显示，向沥青中加入有机硅季盐(根据本发明的实施方案)帮助降低了针入指数，这将导致HMA (热混合沥青)劲度和拉伸强度的改进。

实施例10

沥青粘合剂的稳定性

通过将样品保持在160^oC的烘箱中15天，制备含有和不含0.1%的3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在乙二醇中的溶液)的老化沥青(60-70针入级别)样品。使用这些热老化的沥青样品制备HMA (热混合沥青)样品，使用玄武岩混凝料而含有5.1%沥青，33%通过20-mm筛但留在10-mm筛上，24%通过10-mm筛但留在6-mm筛上，和41%通过6-mm筛。使用相同级别的沥青但不老化制备对照样品。根据ASTM D1075/AASHTO T165方法：水对压实含沥青混合物抗压强度的影响的标准试验方法(Standard Test Method for Effect of Water on Compressive Strength of Compacted Bituminous Mixtures)测定马歇尔(Marshall)稳定度、稳定比和流值。结果归纳在以下表7中。

表7

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这些结果清楚地表明，含有根据本发明实施方案的有机硅季盐的HMA比不使用本发明实施方案的有机硅季盐提供了更好的稳定比。这些结果还暗示，含有根据本发明实施方案的有机硅季盐的15天老化样品保留了稳定性和流值。

实施例11

性能评级沥青粘合剂

使用含有0.0%(对照)、0.05%和0.1%的3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在乙二醇中的溶液)的性能评级PG 64-22沥青粘合剂进行沥青粘合剂试验。根据AASHTO标准方法测试沥青粘合剂。结果归纳在表8中。

表8

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这些结果显示，含有有机硅季盐的沥青粘合剂在135℃的旋转粘度比正常的沥青粘合剂的低。在135℃较低的粘度有利于混凝料与沥青粘合剂的混合和润湿。

结果还显示，对于含有有机硅季盐的样品，复数剪切模量G*更高，而相角保持相同。这清楚地表明，加入有机硅季盐在具有相同的粘弹性响应(相角)的同时改进了劲度。

含有有机硅季盐的沥青粘合剂的RFTOT残留也显示出G*值的提高伴随类似的相角。这些结果暗示，含有有机硅季盐的沥青粘合剂在加工期间改进了氧化稳定性。

PAV老化的含有有机硅季盐的沥青粘合剂残留具有更好的劲度及更高的相角值。这也表明，有机硅季盐改进了长期氧化稳定性并且保持了其粘弹性响应。

弯曲梁流变仪结果显示，沥青粘合剂中存在有机硅季盐降低了在较低温度下的劲度。这将改进低温抗疲劳性。

所有这些结果清楚地说明，与原始粘合剂性能相比，根据本发明实施方案的有机硅季盐的存在如所希望地改进了沥青性能。

实施例12

水敏感性试验(AASHTO T283)

选择来自Georgia两个来源(Lithonia和Lithia Springs)的混凝料用于混合物试验。设计标称混凝料尺寸为12.5 mm的混凝料等级用于测试和评价。制备含有PG 64-22粘合剂的这种混合设计的两个样品，沥青粘合剂中加入及未加入3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在乙二醇中的溶液)。将沥青和混凝料混合物压实至65旋转压实次数(gyrations)。

通过根据AASHTO T 283方法测量拉伸强度评价每个混合物的水敏感性。使用调理和未调理样品的拉伸强度值计算拉伸强度比。这些试验结果的归纳示于表9－14中。

表9：含有PG 64-22沥青粘合剂的Luthenia混凝料(对照物)

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表10：含有PG 64-22沥青粘合剂、0.05%的3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在乙二醇中的溶液)的Luthenia混凝料

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表11：含有PG 64-22沥青粘合剂、0.1%的3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在乙二醇中的溶液)的Luthenia混凝料

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表12：含有PG 64-22沥青粘合剂的Lithia Spring混凝料(对照物)

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表13：含有PG 64-22沥青粘合剂、0.05%的3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在乙二醇中的溶液)的Lithia Spring混凝料

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表14：含有PG 64-22沥青粘合剂、0.1%的3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在乙二醇中的溶液)的Lithis Spring混凝料

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Lithonia 0.05%有机硅季盐和Lithia Springs 0.05%有机硅季盐的TSR值各自为0.95，而对照混合物的值则分别为0.85 and 0.82。含有0.1%有机硅季盐的混合物显示出0.99和1.00的TSR值，说明有机硅季盐显著改进了HMA混合物的耐水性。

实施例13

冷混合沥青组合物

500 g混合玄武岩混凝料具有如下的粒度分布：33%通过20-mm筛但留在10-mm筛上，24%通过10-mm筛但留在6-mm筛上，和41%通过6-mm筛。使用500 g混合玄武岩混凝料制备冷混合沥青。通过由手工混合来混合混凝料与58.3 g快凝级沥青乳液(含有60%固体)来制备对照样品。

将快凝级沥青乳液与溶解在0.306 g水中的0.034 g有机硅季盐，3-[二甲氧基(2-羟基乙氧基)甲硅烷基]丙基十八烷基二甲基氯化铵(42%在乙二醇中的溶液)混合。如上所述制备冷混合沥青组合物。

在开放的空气(大气条件，温度范围25^oC－40^oC)中干燥两样品48小时。使用ASTM D3625方法：使用沸水测试水对沥青涂覆的混凝料的影响的标准操作规程(Standard Practice for Effect of Water on Bituminous-Coated Aggregate Using Boiling Water)评价样品。结果归纳在表15中。

表15

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在沸腾试验后，除去残留的水并检测水中任何剥落的沥青的存在。图3A显示了对照样品的残留水。如图3A所示，对照样品的残留水包括一大层从混凝料剥落的暗色(例如黑色)沥青。图3B显示了包括用阳离子有机硅化合物处理的沥青的样品的残留水。如图3B所示，残留水是透明的并且由目视检测不能看到剥落的沥青。这些结果清楚地说明，含有有机硅季盐的样品显示出改进的沥青对混凝料的粘结性。例如，在根据本领域的标准操作规程目视观察时，对照样品显示出约30%的剥落(例如约30%的沥青从混凝料剥落)，而含有有机硅季盐的样品显示出约2%的剥落水平(例如约2%的沥青从混凝料剥落)。

在了解了上述说明书提供的教导的益处后，本发明适用领域的技术人员将会想到在此列举的本发明的许多修改和其它实施方案。因此，应该理解本发明不限于所公开的具体实施方案，并且修改和其它实施方案拟包括在所附权利要求的范围内。尽管在此使用了具体的术语，但它们仅以一般性和描述性意义使用，而非出于限制的目的。