一种高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料及其制备方法

1.本发明属于桥梁工程材料技术领域，具体涉及一种高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料及其制备方法。


背景技术：

2.随着国家经济腾飞，我国公路交通网络规模不断扩大，大型跨江海桥梁、城市快速路高架桥梁的规划与建设均得到了迅速发展。其中，桥面铺装材料具有保护桥面板与行车磨耗等关键作用，其服役效果是世界范围内桥梁建设者所关注的重点。
3.然而，近些年随着我国桥梁跨度的不断增大，桥面铺装层材料在桥面行车动态荷载的作用下，易在层间或梁板接缝等应力集中位置出现更大的反射应力，使桥面铺装层内形成贯穿式裂缝，不仅导致水分等侵蚀性物质下渗危害桥梁结构安全性，而且还会加速磨耗层破坏，使桥面出现坑槽等更严重病害，影响桥梁行车舒适性。
4.近年来，为解决桥面铺装层由于裂缝反射而导致的开裂问题，工程设计与技术人员一般通过在铺装层间增设一层具有弹性的应力吸收层材料，达到吸收应力、阻止反射裂缝形成的目的。目前，该层材料一般采用弹性相对较好的橡胶沥青、高粘度改性沥青或复合改性沥青制备而成，然而，由于大跨径桥梁整体柔性较大，且随着近年来桥梁行车荷载与交通量的不断增加，桥面应力集中位置所形成的反射应力水平不断提高，目前的桥面应力吸收层材料由于其所使用的沥青粘弹性能有限，因此，其应力吸收效果尚存较大的提升空间。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料及其制备方法，本发明采用二次独立溶胀技术，构建更加完整、发达、稳定的沥青改性剂交联网络结构与胶体结构，得到具有突出弹性恢复劲度与弹性恢复速率的大跨径桥梁桥面应力吸收层专用高回弹改性沥青，有效避免桥面铺装层出现贯穿式反射裂缝。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料，其原料由高回弹改性沥青及预拌碎石组成，所述高回弹改性沥青通过橡胶粉、sis分别在基质沥青中独立溶胀后，再混合二次溶胀后制得；其中，高回弹改性沥青与预拌碎石的质量比为100:(620～1080)。
7.进一步地，所述高回弹改性沥青的制备包括如下步骤：
8.1)橡胶粉在基质沥青中的独立溶胀过程
9.将基质沥青加热到160～170℃，保温10～20min，放置于高速剪切机中，然后依次加入表面活化橡胶粉、增粘组分、增容组分，高速剪切10～20min；其中质量比，基质沥青：表面活化橡胶粉：增粘组分：增容组分＝100:(30～45):(4～6):(5～8)；剪切过程中，控制转速3000～6000rad/min，控制温度180～190℃；剪切后的混合物在130～150℃下静置30～40min，即制得橡胶粉独立溶胀沥青；
10.2)sis在基质沥青中的独立溶胀过程
11.将基质沥青加热到160～170℃，保温10～20min，放置于高速剪切机中，然后依次加入sis、分散组分，高速剪切20～30min；其中质量比，基质沥青：sis：分散组分＝100:(10～16):(3～7)；剪切过程中控制转速5000～8000rad/min，控制温度180～190℃；剪切后的混合物在140～160℃下静置30～40min，即制得sis独立溶胀沥青；
12.3)混合二次溶胀过程
13.将橡胶粉独立溶胀沥青与sis独立溶胀沥青分别加热到180～190℃，混合后放置于高速剪切机中，然后加入交联组分，高速剪切20～30min；其中质量比，橡胶粉独立溶胀沥青：sis独立溶胀沥青：交联组分＝100:(100～140):(2～4)；剪切过程中，控制转速2000～4000rad/min，控制温度180～190℃；剪切后的混合物在140～160℃下，搅拌30～60min，即制得高回弹改性沥青。
14.进一步地，步骤1)、与步骤2)所述基质沥青为重交70#沥青或重交90#沥青，且步骤1)、步骤2)所用基质沥青种类相同；步骤1)中所述增粘组分为萜烯树脂、c9石油树脂或c5石油树脂中的一种或几种按任意配比混合；所述增容组分为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸十八酯、丙烯酸叔丁酯或甲基丙烯酸二甲氨基乙酯中的一种或几种按任意配比混合。
15.进一步地，步骤1)中表面活化橡胶粉的制备方法为：将橡胶粉在50～55℃时80～120s预热，然后加入表面活化组分a，搅拌10～30min，提高温度至70～75℃，加入表面活化组分b，搅拌5～10min；其中质量比，橡胶粉：表面活化组分a：表面活化组分b＝100:(5～20):(2～6)；最后，将温度降低为室温，在室温下持续搅拌30～60min后，得到表面活化橡胶粉。
16.进一步地，所述橡胶粉为80目或120目斜交胎硫化橡胶粉；所述表面活化组分a为芳香基橡胶油、脂肪烃溶剂油、糠醛抽出油或低硫轻馏分油中的一种或几种按任意配比混合；所述表面活化组分b是质量比为100:(120～200)的十二烷基硫酸钠与丙烯酰胺的混合物。
17.进一步地，步骤2)所述sis为苯乙烯-聚异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物；所述分散组分为聚丙烯酰胺、三乙醇胺中的一种。
18.进一步地，步骤3)所述交联组分是质量比为100:(20～40)的硫磺与二邻甲苯胍的混合物。
19.进一步地，所述预拌碎石的制备包括如下步骤：将碎石集料加热至190～210℃，放置于搅拌机中，按照质量比碎石集料：改性沥青＝100:(0.4～0.8)，加入改性沥青后搅拌30～50s，得到预拌碎石。
20.进一步地，所述碎石集料为玄武岩或辉绿岩中的一种，公称粒径为9.5～13.2mm或4.75～9.5mm；所述改性沥青为sbs改性沥青。
21.本发明还提供了上述高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料的制备方法，包括如下步骤：
22.施工前对铺装基面进行清扫；将制备好的高回弹改性沥青加热至165～175℃，喷洒至铺装基面，洒布量控制在1.8～2.2kg/m2；沥青洒铺完成后，采用撒铺设备在沥青上撒铺预拌碎石，撒铺量为14～19kg/m2；撒铺完成后，采用压实设备在预拌碎石表面碾压；最后清理表面未粘结住的预拌碎石，得到高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
24.本发明通过二次独立溶胀技术，使sis与橡胶粉两种主要改性组分以不同的工艺单独剪切与溶胀，使sis与橡胶粉能够更加稳定的与基质沥青中的轻质组分融合；在此基础上，通过在橡胶粉独立溶胀阶段前进行表面接枝改性，使橡胶粉表面富含c＝c键和羧基活性基团；通过在sis溶胀过程中加入分散组分，实现大分子结构的sis在基质沥青中的分子链充分舒展，形成网络；最后，在混合溶胀过程中通过s元素的交联作用，使sis与橡胶颗粒表面的c＝c双键打开，交联形成橡胶颗粒-sis整体改性网络结构。
25.本发明避免了传统复合改性沥青由于改性过程中粘度过大导致的sis、橡胶粉掺量与溶胀程度受限的问题，获得了内部具有完整改性剂分子网络的高回弹改性沥青，与传统各类改性沥青相比，弹性恢复的速率与劲度显著提高，在桥面应力吸收层中具有更优异的应力吸收效果。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
27.本发明提供一种高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料，其原料由高回弹改性沥青及预拌碎石组成；所述高回弹改性沥青通过橡胶粉、sis分别在基质沥青中独立溶胀后，再混合二次溶胀后制得。高回弹改性沥青、预拌碎石以及桥面应力吸收层材料的制备方法如以下实施例所示；以下实施例中，如无具体说明，采用的试剂均为市售化学试剂或工业产品。
28.实施例1
29.1)橡胶粉在基质沥青中的独立溶胀
30.将橡胶粉在50℃的搅拌锅中搅拌80s，使橡胶粉充分预热，然后加入表面活化组分a，搅拌30min，提高温度至70℃，加入表面活化组分b(质量比，橡胶粉：表面活化组分a：表面活化组分b＝100:15:5)，搅拌10min，最后，关闭搅拌锅温度，使搅拌锅温度降低为室温，在在室温下持续搅拌60min后，得到表面活化橡胶粉。
31.将基质沥青加热到165℃，保温15min，放置于高速剪切机中，然后依次加入表面活化橡胶粉、增粘组分、增容组分(质量比，基质沥青：表面活化橡胶粉：增粘组分：增容组分＝100:30:5:6)，高速剪切10min，剪切过程中，控制转速4500rad/min，控制温度185℃；剪切后的混合物在130℃下静置30min，即制得橡胶粉独立溶胀沥青。
32.所述的橡胶粉为80目斜交胎硫化橡胶粉；所述表面活化组分a为芳香基橡胶油；所述表面活化组分b为十二烷基硫酸钠与丙烯酰胺的混合物，质量比为：十二烷基硫酸钠：丙烯酰胺＝100:120；所述基质沥青选用重交90#沥青；所述增粘组分为萜烯树脂；所述增容组分为甲基丙烯酸甲酯。
33.2)sis在基质沥青中的独立溶胀
34.将基质沥青加热到165℃，保温10min，放置于高速剪切机中，然后依次加入sis、分散组分(质量比，基质沥青：sis：分散组分＝100:12:5)，高速剪切30min，剪切过程中，控制转速5500rad/min，控制温度180℃；剪切后的混合物在150℃下静置30min，即制得sis独立溶胀沥青。
35.所述基质沥青选用重交90#沥青，所述sis为苯乙烯-聚异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物；所述分散组分为聚丙烯酰胺。
36.3)混合二次溶胀
37.将橡胶粉独立溶胀沥青与sis独立溶胀沥青分别加热到180℃，混合后放置于高速剪切机中，然后加入交联组分(质量比，橡胶粉独立溶胀沥青：sis独立溶胀沥青：交联组分＝100:120:3)，高速剪切20min，剪切过程中，控制转速2500rad/min，控制温度190℃；剪切后的混合物在160℃下，低速搅拌45min，即制得高回弹改性沥青。
38.所述交联组分为硫磺与二邻甲苯胍的混合物，质量比为：硫磺：二邻甲苯胍＝100:20。
39.4)预拌碎石的制备
40.将碎石集料加热至200℃，放置于搅拌机中，按照质量比碎石集料：改性沥青＝100:0.5，加入改性沥青后搅拌30s，得到预拌碎石。
41.所述碎石集料为玄武岩，公称粒径为9.5～13.2mm；所述改性沥青为sbs改性沥青。
42.5)一种高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料的制备
43.以水泥混凝土为铺装基面，施工前应对铺装基面进行清扫，确保无明显的灰尘、石屑、杂物，将制备好的高回弹改性沥青加热至175℃，喷洒至铺装基面，洒布量控制在1.9kg/m2，沥青洒铺完成后，立即采用撒铺设备在沥青上撒铺预拌碎石，撒铺量14kg/m2，撒铺完成后，采用压实设备在预拌碎石表面碾压，最后清理表面未粘结住的预拌碎石，得到高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料。
44.本实施例制得的高回弹改性沥青性能指标如表1所述：
45.表1实施例1制得高回弹改性沥青性能指标
46.测试项目单位技术指标软化点℃95.05℃延度cm40.625℃弹性恢复％99.55℃弹性恢复％91.525℃弹性恢复至95％所需时间s19
47.本实施例制得的高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料性能指标如表2所述：
48.表2实施例1制得高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料性能指标
49.模拟动荷载初裂1cm2cm3cm终裂0.6应力比/10hz3880039500438504692052900
50.实施例2
51.1)橡胶粉在基质沥青中的独立溶胀
52.将橡胶粉在50℃的搅拌锅中搅拌80s，使橡胶粉充分预热，然后加入表面活化组分a，搅拌10min，提高温度至70℃，加入表面活化组分b(质量比，橡胶粉：表面活化组分a：表面活化组分b＝100:5:3)，搅拌5min，最后，关闭搅拌锅温度，使搅拌锅温度降低为室温，在室温下持续搅拌30min后，得到表面活化橡胶粉。
53.将基质沥青加热到160℃，保温10min，放置于高速剪切机中，然后依次加入表面活化橡胶粉、增粘组分、增容组分(质量比，基质沥青：表面活化橡胶粉：增粘组分：增容组分＝
100:35:4:5)，高速剪切15min，剪切过程中，控制转速3000rad/min，控制温度180℃；剪切后的混合物在150℃下静置35min，即制得橡胶粉独立溶胀沥青。
54.所述的橡胶粉为80目斜交胎硫化橡胶粉；所述表面活化组分a为低硫轻馏分油；所述表面活化组分b为十二烷基硫酸钠与丙烯酰胺的混合物，质量比为：十二烷基硫酸钠：丙烯酰胺＝100:150；所述基质沥青选用重交70#沥青；所述增粘组分为c9石油树脂；所述增容组分为丙烯酸叔丁酯与甲基丙烯酸二甲氨基乙酯按质量比1:1的混合。
55.2)sis在基质沥青中的独立溶胀
56.将基质沥青加热到160℃，保温10min，放置于高速剪切机中，然后依次加入sis、分散组分(质量比，基质沥青：sis：分散组分＝100:10:3)，高速剪切30min，剪切过程中，控制转速5000rad/min，控制温度180℃；剪切后的混合物在160℃下静置35min，即制得sis独立溶胀沥青。
57.所述基质沥青选用重交70#沥青；所述sis为苯乙烯-聚异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物；所述分散组分为三乙醇胺。
58.3)混合二次溶胀
59.将橡胶粉独立溶胀沥青与sis独立溶胀沥青分别加热到180℃，混合后放置于高速剪切机中，然后加入交联组分(质量比，橡胶粉独立溶胀沥青：sis独立溶胀沥青：交联组分＝100:100:2)，高速剪切20min，剪切过程中，控制转速2000rad/min，控制温度180℃；剪切后的混合物在140℃，低速搅拌30min，即制得高回弹改性沥青。
60.所述交联组分为硫磺与二邻甲苯胍的混合物，质量比为：硫磺：二邻甲苯胍＝100:30。
61.4)预拌碎石的制备
62.将碎石集料加热至190℃，放置于搅拌机中，按照质量比碎石集料：改性沥青＝100:0.4，加入改性沥青后搅拌30s，得到预拌碎石。
63.所述碎石集料为玄武岩，公称粒径为4.75～9.5mm；所述改性沥青为sbs改性沥青。
64.5)一种高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料的制备
65.以水泥混凝土为铺装基面，施工前应对铺装基面进行清扫，确保无明显的灰尘、石屑、杂物，将制备好的高回弹改性沥青加热至175℃，喷洒至铺装基面，洒布量控制在2.0kg/m2，沥青洒铺完成后，立即采用撒铺设备在沥青上撒铺预拌碎石，撒铺量16kg/m2，撒铺完成后，采用压实设备在预拌碎石表面碾压，最后清理表面未粘结住的预拌碎石，得到高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料。
66.本实施例制得的高回弹改性沥青性能指标如表3所述：
67.表3实施例2制得高回弹改性沥青性能指标
68.测试项目单位技术指标软化点℃92.75℃延度cm41.225℃弹性恢复％99.65℃弹性恢复％88.525℃弹性恢复至95％所需时间s24
69.本实施例制得的高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料性能指标如表4所述：
70.表4实施例2制得高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料性能指标
71.模拟动荷载初裂1cm2cm3cm终裂0.6应力比/10hz3180033500346503692043600
72.实施例3
73.1)橡胶粉在基质沥青中的独立溶胀
74.将橡胶粉在50℃的搅拌锅中搅拌120s，使橡胶粉充分预热，然后加入表面活化组分a，搅拌10min，提高温度至70℃，加入表面活化组分b(质量比，橡胶粉：表面活化组分a：表面活化组分b＝100:20:6)，搅拌10min，最后，关闭搅拌锅温度，使搅拌锅温度降低为室温，在室温下持续搅拌60min后，得到表面活化橡胶粉。
75.将基质沥青加热到170℃，保温20min，放置于高速剪切机中，然后依次加入表面活化橡胶粉、增粘组分、增容组分(质量比，基质沥青：表面活化橡胶粉：增粘组分：增容组分＝100:45:6:7)，高速剪切20min，剪切过程中，控制转速6000rad/min，控制温度190℃；剪切后的混合物在150℃下静置40min，即制得橡胶粉独立溶胀沥青。
76.所述的橡胶粉为120目斜交胎硫化橡胶粉；所述表面活化组分a为脂肪烃溶剂油、糠醛抽出油按质量比1：1混合；所述表面活化组分b为十二烷基硫酸钠与丙烯酰胺的混合物，质量比为：十二烷基硫酸钠：丙烯酰胺＝100:200；所述基质沥青选用重交90#沥青；所述增粘组分为c9石油树脂；所述增容组分为丙烯酸十八酯。
77.2)sis在基质沥青中的独立溶胀
78.将基质沥青加热到170℃，保温20min，放置于高速剪切机中，然后依次加入sis、分散组分(质量比，基质沥青：sis：分散组分＝100:16:7)，高速剪切25min，剪切过程中，控制转速8000rad/min，控制温度190℃；剪切后的混合物在150℃下静置40min，即制得sis独立溶胀沥青。
79.所述基质沥青选用重交90#沥青；所述sis为苯乙烯-聚异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物；所述分散组分为三乙醇胺。
80.3)混合二次溶胀
81.将橡胶粉独立溶胀沥青与sis独立溶胀沥青分别加热到190℃，混合后放置于高速剪切机中，然后加入交联组分(质量比，橡胶粉独立溶胀沥青：sis独立溶胀沥青：交联组分＝100:140:4)，高速剪切30min，控制转速4000rad/min，控制温度190℃；剪切后的混合物在140℃，低速搅拌60min，即制得高回弹改性沥青。
82.所述交联组分为硫磺与二邻甲苯胍的混合物，质量比为：硫磺：二邻甲苯胍＝100:40。
83.4)预拌碎石的制备
84.将碎石集料加热至210℃，放置于搅拌机中，按照质量比碎石集料：改性沥青＝100:0.8，加入改性沥青后搅拌50s，得到预拌碎石。
85.所述碎石集料为辉绿岩，公称粒径为4.75～9.5mm；所述改性沥青为sbs改性沥青。
86.5)一种高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料的制备
87.以水泥混凝土为铺装基面，施工前应对铺装基面进行清扫，确保无明显的灰尘、石屑、杂物，将制备好的高回弹改性沥青加热至175℃，喷洒至铺装基面，洒布量控制在2.2kg/m2，沥青洒铺完成后，立即采用撒铺设备在沥青上撒铺预拌碎石，撒铺量19kg/m2，撒铺完成
后，采用压实设备在预拌碎石表面碾压，最后清理表面未粘结住的预拌碎石，得到高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料。
88.本实施例制得的高回弹改性沥青性能指标如表5所述：
89.表5实施例3制得高回弹改性沥青性能指标
90.测试项目单位技术指标软化点℃97.75℃延度cm45.625℃弹性恢复％99.85℃弹性恢复％93.525℃弹性恢复至95％所需时间s16
91.本实施例制得的高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料性能指标如表6所述：
92.表6实施例3制得高弹性恢复速率的桥面应力吸收层材料性能指标
93.模拟动荷载初裂1cm2cm3cm终裂0.6应力比/10hz4350048700513505652062400
94.上述结果表明：采用二次独立溶胀技术制备的高回弹改性沥青的弹性恢复能力得到显著提升，采用该沥青制备的桥面应力吸收层材料可有效阻止裂缝反射，具有显著的技术先进性与创新性。
95.以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。