玻璃纤维复合增强材料与利用其的加热沥青混合物及其制造方法

摘要

本发明涉及一种玻璃纤维复合增强材料与利用其的沥青混合物及其制造方法，所述玻璃纤维复合增强材料制作成将废粉增强材料和纤维增强材料混合的构成，并添加于加热沥青混合物，所述废粉增强材料将具有经济性的同时具有优秀的物理特性的玻璃纤维废粉制成丸或粒子形态，所述纤维增强材料将多条的玻璃纤维用聚丙烯树脂进行涂层并制作成束型，由此，可在现场设备简便地投入，并防止在所生产的加热沥青混合物内纤维的结块现象，并可改善沥青的性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用玻璃纤维的复合增强材料与利用其的沥青混合物，更为详细地，涉及一种玻璃纤维复合增强材料与利用其的沥青混合物及其制造方法，所述玻璃纤维复合增强材料包括：废粉增强材料，其为玻璃纤维废粉(glass fiber powder fraction)用沥青结合料(asphalt binder)或聚丙烯(polypropylene)等的外皮材料进行涂层(coating)，并且其为丸(pellet)形态；纤维增强材料，其将树脂材料涂层于多个玻璃纤维束，并且其具有棒形状，从而所述玻璃纤维复合增强材料混入至加热沥青混合物，从而有助于多种性能改善。

背景技术

到目前为止，为了延长沥青铺装道路的公用寿命而介绍了多种方法，并且作为代表性的方法存在利用化学改质材料的方法与利用格子形态的土工织物的方法。

利用化学改质材料的方法是一种将石油类(SBS或SBR)聚合物(polymer)粒子熔融于沥青结合料并使得沥青结合料的粘度增大的方法。此方法虽然在高温下对沥青混合物的塑性变形抵抗性方面也体现出有利的效果，但是由于过多的费用、品质管理的困难、混合物生产温度增加所致的能源费用增加、由于存在碳双键(C＝C)而使得与氧的反应性增加从而在早期丧失高分子网状结构、在低温下由于材料的脆性增大而伴随裂缝可能性问题等，从而在实际适用上存在困难。

并且，利用格子形态的土工织物的方法是一种将编织成格子形态的土工织物以层积的形式施工于中间的方法。此方法虽然体现了来自下部层的反射裂缝抵抗性能及塑性变形抵抗性增大等的有利效果，但是施工过程复杂，施工时间增加，施工费用增加，此外，在从上部表面至3-5cm表层内部产生最大集中应力或剪切形变的情况下，存在无法与此对应的盲点。

此外，作为利用增强纤维的增强方法，在利用用于加热沥青的2成分复合纤维(登记专利第10-0933302号)的情况下，在将熔点相互不同的聚丙烯(PP；Polypropylene)与PET(Polyethylene terephthalate)树脂混合并注塑生产的过程中，由于各个树脂伸长率相互不同，纤维的破裂较多，因此，原材料损失增多，费用增大，并且存在混合时甚至连纤维也成团在一起的保龄球现象以及在现场设备用人力投入纤维的过程非常困难的问题。

发明内容

本发明为了解决如上所述的问题，本发明的目的在于提供一种玻璃纤维复合增强材料与利用其的沥青混合物及其制造方法，所述玻璃纤维复合增强材料具有对将具有经济性的并具有优秀的物理特性的玻璃纤维废粉制成丸或粒子形态的增强材料和将多条的玻璃纤维用如聚丙烯一样的树脂材料进行涂层并制作为束型的纤维增强材料进行混合的构成，比重与一般骨料相似地形成，从而可在现场设备简便地投入，防止在所生产的加热沥青混合物内纤维的结块现象并可改善沥青的性能。

根据用于达成如上所述的目的的本发明的玻璃纤维复合增强材料的特征在于，包括：废粉增强材料，其将外皮材料涂层于对玻璃纤维进行粉碎并制作的玻璃纤维废粉并且为丸(pellet)形态；纤维增强材料，其将树脂材料涂层于由多个玻璃纤维条构成的玻璃纤维束并具有棒形状。

根据本发明的一个形态，提供一种加热沥青混合物，所述加热沥青混合物的特征在于，其由所述复合增强材料、骨料与沥青结合料混合而制成。

根据本发明的另一个形态，提供一种加热沥青混合物的制造方法，所述加热沥青混合物的制造方法作为一种用于制造所述加热沥青混合物的方法，特征在于，包括如下步骤：将复合增强材料与骨料进行混合，并在设定时间期间进行干搅拌；对所述复合增强材料及骨料的混合物与加热至一定温度的沥青结合料进行混合，并在设定时间期间进行湿搅拌。

本发明的混合有复合增强材料的加热沥青混合物被确认为具有如下效果：随着玻璃纤维得到均匀地分散，使得骨料间啮合应力增大、由骨料间桥联效应(Bridging Effect)所致的混合物的韧性(Toughness)增大、由聚丙烯树脂所致的沥青结合料的粘度(Viscosity)增大。

由此，利用根据本发明的加热沥青混合物来实施道路施工的情况下，通过解决塑性变形、疲劳破裂、坑洼破损等的问题，从而与结构耐久性能增大效果一同，在设备生产加热沥青时可得到由于未使用石粉而产生的经济性等的有利的效果。

附图说明

图1是表示根据本发明的一个实施例的玻璃纤维复合增强材料的构成的图。

图2是作为根据本发明的复合增强材料表示将沥青结合料涂层于玻璃纤维废粉的丸形态的废粉增强材料的图。

图3是作为根据本发明的复合增强材料表示将聚丙烯树脂涂层于玻璃纤维废粉的丸形态的废粉增强材料的图。

图4是概略地表示用于对根据本发明的复合增强材料的纤维增强材料进行挤压成形的挤压成形机的构成的图。

图5是表示根据本发明的复合增强材料的纤维增强材料及树脂增强材料的图。

图6是表示根据本发明的混合有聚丙烯树脂增强材料的沥青结合料与现有的一般的沥青结合料的动态剪切特性试验结果的图表。

图7是表示通过根据本发明的混合有复合增强材料的加热沥青混合物与现有的一般的加热沥青混合物的间接拉伸强度试验得到的负荷-变形结果的图表。

图8是表示通过根据本发明的混合有复合增强材料的加热沥青混合物与现有的一般的加热沥青混合物的间接拉伸强度试验得到的间接拉伸强度平均的图表。

图9是表示通过根据本发明的混合有复合增强材料的加热沥青混合物与现有的一般的加热沥青混合物的间接拉伸强度试验得到的韧性(toughness)值的图表。

图10是表示对于根据本发明的混合有复合增强材料的加热沥青混合物与现有的一般的加热沥青混合物的完全干燥样品的间接拉伸强度的图表。

图11是表示对于根据本发明的混合有复合增强材料的加热沥青混合物与现有的一般的加热沥青混合物的冻结融解样品的间接拉伸强度的图表。

图12是使得将根据本发明的混合有复合增强材料的加热沥青混合物与现有的一般的加热沥青混合物浸在50℃的水中之后，在施加反复的铁轮负荷期间，对在铁轮接触面的变形量进行记录的试验图表。

具体实施方式

以下，参照附图对根据本发明的玻璃纤维复合增强材料与利用其的沥青混合物及其制造方法的优选实施例进行详细说明。

参照图1，本发明的玻璃纤维复合增强材料包括：废粉增强材料1，其将外皮材料涂层于对玻璃纤维进行粉碎并制作的玻璃纤维废粉(Glass Fiber Scrap)并且其为丸(pellet)或骨料形态；纤维增强材料2，其将树脂材料涂层于由多个玻璃纤维条构成的玻璃纤维束并具有棒形状。所述纤维增强材料20具有将树脂材料涂层于由具有10-20μm直径的400-500个的玻璃纤维条构成的玻璃纤维束的结构。

所述废粉增强材料1将玻璃纤维废粉用沥青结合料或聚丙烯(Polypropylene)树脂进行涂层并具有丸或骨料形态，所述丸或骨料形态具有规定的尺寸。

所述玻璃纤维废粉是通过对在生产玻璃纤维(Glass Fiber)的过程中因玻璃纤维丝的截断而产生的损伤物(Loss)用锤子(hammer)进行粉碎并制作成微细的粉末状，虽然也可对一定量进行再利用，但是大部分为废弃的产业副产品。玻璃纤维废粉的组成是在生产碱含量低于1％的E-glass纤维时的副产品，并且是非结晶性人造矿物纤维，且对人体无害，在IARC(International Agency for Research on Cancer)也划分为等级3，并被规定为非致癌性物质。对玻璃纤维废粉的粒度分布的情况而言，优选地，对厚度0.1mm以下且长度5mm以下的纤维形态进行保持的玻璃纤维含量为45μm筛子残留量53％的大概5％以下，45μm筛子通过粉选择具有47％的粒度分布剩余率的玻璃纤维废粉。

玻璃纤维废粉粒子非常小，在投入于沥青设备时，由于产生粉尘而难以投入进行准确计量的增强材料，并且粒子非常细，在设备对加热沥青混合物进行生产时，在大概180度温度下以喷射的形式投入沥青结合料后，在一般情况下实施的大概1-2分钟的湿搅拌过程中，难以有效地对玻璃纤维废粉的结合料进行涂层，因此如本发明一样提出了如下方法：在常温下将玻璃纤维废粉用沥青结合料或聚丙烯进行涂层并制作成丸或骨料形态之后，将其混合于沥青混合物并使用。

就将沥青结合料涂层于玻璃纤维废粉并制作废粉增强材料1的情况而言，将97-95％重量比的玻璃纤维废粉在常温下与玻璃纤维废粉重量对比3-5％重量比的一般沥青结合料进行混合，搅拌2-3分钟，并且常温固化2-3小时之后，用人力搓揉压实后，截断为合适的尺寸并制造成丸形态。

如上所述，沥青结合料涂层于玻璃纤维废粉的废粉增强材料1投入至160度-170℃温度的沥青设备并生产沥青混凝土(concrete)混合物时，增加废粉增强材料1的沥青结合料，从而提供使得沥青量以混合物的配料设计沥青量对比0.1-0.2％程度增加的特性，由此导致与骨料进行涂层的有效沥青量的增加，从而提供有利于抑制坑洼(pot hole)的优点。

但是，将沥青结合料混合至玻璃纤维废粉并进行涂层的情况下，由于通过人力进行沥青结合料涂层及搓揉压实等，因此可导致制造上的难度，为改善所述情况，如上所述，可将聚丙烯涂层于玻璃纤维废粉并提前制作玻璃纤维废粉。

就制作用聚丙烯进行涂层的玻璃纤维废粉粒子的情况而言，将97-98％重量比玻璃纤维废粉在常温下与玻璃纤维废粉重量对比2-3％重量比的熔点为140-150℃范围的聚丙烯树脂进行2-3分钟的搅拌，并且通过挤压成形机截断为合适的尺寸(例如大概5mm)并制作丸形态的聚丙烯涂层玻璃纤维废粉增强材料1(参照图2)。

如上所述，用沥青结合料或聚丙烯进行涂层的废粉增强材料1在制造加热沥青混合物时，具有可替代2-3％的石粉填料的效果。换句话说，一般情况下在加热沥青混合物配料设计时，以每混合物重量1,000kg使用20-30kg的石粉的形式进行规定，将其以玻璃纤维废粉增强材料1代替的情况，在设备没有另外的石粉管理及投入过程的状态下可生产加热沥青混合物，从而具有经济上的优点。

另外，所述纤维增强材料2为了增进加热沥青混合物的伸长方向的韧性及拉伸强度，利用如图4所示的挤压成形机来制作。所述纤维增强材料2将具有10-20μm直径的400-500个的单一纤维束(Roving Fiber)用在180-200℃下熔融的聚丙烯进行涂层之后，进行水浸固化之后，切削为10-20mm的长度并制作。图5表示通过如上所述的挤压成形机进行制作的棒形状的纤维增强材料2的一个例子。所述纤维增强材料2虽然优选地具有圆形的棒形态，但是除此之外也可具有椭圆形或多边形等多种形态。

就埋入至所述纤维增强材料2的聚丙烯树脂内侧的玻璃纤维而言，碱含量为低于1％，比重为2.4-2.6范围，拉伸强度为500-1000GPa，断裂伸长率为2-4％，厚度为10-20μm，长度为10-20mm。优选地，在聚丙烯被涂层的纤维增强材料2中玻璃纤维与聚丙烯的使用量以重量比为1:1至1.5:1，为了对玻璃纤维与聚丙烯的使用量进行调节，可额外地将成为聚丙烯树脂的粒子形态的树脂增强材料3包含于本发明的玻璃纤维复合增强材料。成为如上所述的聚丙烯树脂的树脂增强材料3粒子在设备中生产最终加热沥青混合物时起到添加剂的作用，并且起到如下作用：使得混合物的混合作业性变得好，并提高沥青结合料的粘度(参照图6)。

如上所述，构成本发明的玻璃纤维复合增强材料混合至加热沥青混合物，从而起到提高混合物的性能的作用，以下，对于将本发明的玻璃纤维复合增强材料混合至沥青并制造加热沥青混合物的方法进行说明。

首先，将废粉增强材料1及纤维增强材料2与骨料进行混合并在设定时间(大概30秒程度)期间进行干搅拌。此时，不使用一般情况下所使用的石粉，废粉增强材料1以加热沥青混合物的整体重量对比1-2w％进行混合，纤维增强材料2以加热沥青混合物的整体重量对比1-2w％进行混合。通过与所述比重类似的骨料与增强材料的干搅拌步骤，废粉增强材料1与纤维增强材料2及骨料得到均匀地分散。

接下来，若将加热至160-170℃的一般沥青结合料(渗透度为50-100)混合至所述进行干搅拌并混合的废粉增强材料1与纤维增强材料2及骨料的混合物，并在设定时间(大概1分钟)期间进行湿搅拌，则完成加热沥青混合物的制造。

如上所述，若将本发明的玻璃纤维复合增强材料与骨料及沥青结合料进行混合并制造加热沥青混合物，则可得到的效果在于，防止玻璃纤维间的缠绕现象并将玻璃纤维均匀地分散在沥青混合物，并且由于在不使用石粉填料的情况下可制造加热沥青混合物，因此也可得到经济效果。

下面的表表示完全不混合玻璃纤维的加热沥青混合物(对比例1)、将玻璃纤维分别混合1wt％及2wt％的加热沥青混合物(对比例2及3)、将作为根据本发明的玻璃纤维复合增强材料的聚丙烯涂层废粉增强材料1与纤维增强材料2各自以2wt％的形式进行混合并不混合石粉填料的加热沥青混合物(实施例1)的粒度分布。

表1

[表1]

混合有本发明的玻璃纤维复合增强材料的加热沥青混合物(实施例1)被确认为：通过玻璃纤维得到均匀地分散所致的作用而使得骨料间啮合应力增大、由骨料间桥联效应(Bridging Effect)所致的混合物的韧性(Toughness)增大、由聚丙烯树脂所致的沥青结合料的粘度(Viscosity)增大，由此，利用根据本发明的加热沥青混合物来实施道路施工的情况下，通过解决塑性变形、疲劳破裂、坑洼破损等的问题，从而与结构耐久性能增大效果一同，在设备中生产加热沥青时由于未使用石粉而产生的经济性等方面具有有利的效果。

混入有根据本发明的玻璃纤维复合增强材料的加热沥青混合物可用于新设沥青道路铺装的表层或基层，并且在修补现有沥青道路铺装或无筋混凝土道路铺装时，也可作为覆盖层材料来使用。特别地，若在形成有水平砌缝的无筋混凝土道路铺装用于覆盖修补，则不仅可期待降低噪音、平坦度、维护便利性、经济性等一般沥青道路铺装的优点的效果，而且也具有如下效果：通过由于玻璃纤维混入所致的混合物韧性及聚丙烯树脂改质结合料的粘度增大，从而可抑制在混凝土道路铺装的水平砌缝部主要产生的反射裂缝。

以下，对由于本发明的玻璃纤维复合增强材料所致的效果进行更为详细的说明。

确认具有如下效果：由于废粉增强材料1及纤维增强材料2的聚丙烯(Polypropylene，PP)，从而湿搅拌作业性变得好，并增大沥青结合料的粘度。

热塑性的(Thermoplastic)聚丙烯(PP)仅由碳和氢构成，并且体现了比重为0.90-0.92g/cm³，弹性系数为1.1-1.3GPa，熔点大概为150-160℃的特性。

将所述的聚丙烯混入至沥青结合料的情况为80％以上的碳和氢成分并且比重为0.98-1.00g/cm³的一般沥青材料，由此用于道路铺装的混合物发挥结构性能。

利用动态剪切流变特性测定仪来掌握将现有沥青结合料(对比例1)与添加聚丙烯涂层废粉增强材料1及纤维增强材料2的实施例1的沥青结合料的流变特性变化。试验方法使用了利用KS F 2393的动态剪切流变特性测定仪的沥青的流变特性试验方法，样品模具由对比例1及实施例1的沥青来制作，在64℃、70℃、72℃的温度下对动态剪切流变特性进行试验。

通过图6所示的动态剪切特性试验结果，与对比例1相比，实施例1被确认为因粘度增大而使得最大剪切应力平均提高8％。

此外，对于对比例1、2、3以及实施例1，将试验样品制作3份，并在25℃温度的环境下对间接拉伸强度进行测定。

图7至图9作为表示间接拉伸强度试验结果的图表，根据此试验结果被测定为在实施例1的试验样品中最大拉伸强度及变形能(图7的曲线下面部分的面积)最大。

此外，为了确认对比例1、2、3以及实施例1的间接拉伸强度增大特性，对于实施完全干燥的样品及冻结融解过程的样品进行相对比较。在冻结融解过程的情况下，为了评价在现场进行施工的混合物对于外部的温度变化及水分的抵抗性能而实施的。就冻结融解过程的情况而言，利用水分饱和度公式来记录试验样品的水分饱和状态，并且试验样品的饱和状态应该为70-80％以内，在比70％低的时候，重新进行饱和步骤，在80％以上的时候，废弃试验样品。在用包裹物来包裹饱和70-80％的试验样品之后，将试验样品与水10±0.5ml放入可密封的袋子，并在18±3℃的冷冻室冻结16h。冻结后，将溶解24±1h的试验样品浸入至25±0.5℃的水槽2h±10min后，进行间接拉伸强度试验。

就完全干燥样品的间接拉伸强度的情况而言(参照图10)，与一般试验样品(对比例1、2、3)相比，实施例1试验样品的最大间接拉伸强度最大增大2.0倍以上，其意味着在实施例1的试验样品内部通过桥联效应(bridging effect)的表现向拉伸方向使得抵抗性能增大。一般情况下，就高分子改质沥青的情况而言，若考虑到干燥样品的间接拉伸强度增大比大概为1.2倍-1.3倍，则混入有玻璃纤维的实施例1的增强效果判断为具有2.0以上的非常大的强度增大效果。

就实施冻结溶解过程的试验样品的情况而言(参照图11)，在间接拉伸强度的情况下，实施例1的试验样品得到冻结之后也表现1.0MPa以上的最大拉伸强度，并且与一般试验样品(对比例1、2、3)相比，最大间接拉伸强度最大增大3.0倍以上，通过如上所述可间接得知玻璃纤维及玻璃纤维废粉得到增强的实施例1的试验样品在反复进行冻结溶解的情况是非常有效的。

就以与干燥样品实施冻结溶解过程的试验样品为对象对最大间接拉伸强度进行计算的结果而言，实施例1的试验样品体现最大的效果的骨料粒度可看作作为粗粒度及均等粒度的情况。其被判断为在试验样品内部玻璃纤维及废粉位于粗粒度及均等粒度骨料空隙，从而较好地体现桥联效应。由此，玻璃纤维及废粉置换混合物(实施例1)的使用与密粒度混合物相比，在粗粒度、SMA(Stone Mastic Asphalt)粒度、排水性混合物、均等摩擦层粒度(Open Grade Friction Course)等的混合物特别期待可表现更大的效果。

就对于根据本发明的玻璃纤维及玻璃纤维废粉置换加热沥青混合物(实施例1)与一般加热沥青混合物，实施在美国所规定的汉堡车辙试验(Hamburg Wheel Tracking Test)(AASHTO T324，TEX-242-F)试验的结果而言，在摄氏50℃水中将大概71kg铁轮负荷反复地同时施加于两侧沥青混合物试验样品的上部时，根据本发明的玻璃纤维及玻璃纤维废粉置换加热沥青混合物体现了如下结果：在施加20,000次的反复负荷期间，产生平均3.3mm的非常小的变形，反之，在一般加热沥青混合物的情况下，在5,000次的反复负荷之前，变形量为15mm以上样品得到完全破坏(参照图12)。

以上参照实施例对本发明进行详细说明，但是在本发明所属的技术领域具有一般知识的人员当然可在不超过以上说明的技术思想的范围内进行多种置换、添加及变形，如上所述的得到变形的实施形态应理解为属于由附加于下面的专利权利要求所规定的本发明的保护范围。

产业利用可能性

本发明可适用于沥青混合物等的道路铺装材料或用于建筑或用于土木的复合材料。