纳米复合材料改性沥青、其制备方法和沥青混凝土技术

本发明专利技术提供了一种纳米复合材料改性沥青，包括如下质量份数的原料：100份基质沥青和2～6份改性剂；所述改性剂为氧化石墨烯/丁苯橡胶复合材料，包括100份氧化石墨烯/丁苯橡胶复合物、15～30份炭黑、2～6份氧化镁、3～6份硬脂酸、2～3份碳酸镁、3～5份防老剂、3～7份促进剂和1～3份硫磺；所述氧化石墨烯/丁苯橡胶复合物包括0.1～1份氧化石墨烯和15～20份丁苯胶乳。本发明专利技术提供的纳米复合材料改性沥青高温下热稳定性好、低温下抗冻融能力强、抗车辙能力及抗老化性能强，具有良好的耐用性。

Nano-composite modified asphalt, its preparation method and asphalt concrete

【技术实现步骤摘要】
纳米复合材料改性沥青、其制备方法和沥青混凝土
本专利技术属于道路工程
，具体涉及一种纳米复合材料改性沥青、其制备方法和沥青混凝土。
技术介绍
传统的沥青面层混合料多为基质沥青混合料，在道路施工过程及使用过程中外界条件对路面结构的耐久性造成巨大影响。例如，施工中沥青混合料在高温的影响下，在拌和、运输、摊铺过程中极易短期老化；在紫外线、交通荷载及昼夜温差的作用下，沥青面层出现长期老化、车辙、裂缝水损害等病害，极大地降低了沥青路面的耐久性。由于上述原因，导致很多地区的道路在通车后的几年内，出现病害层出不穷而不得不进行修补的现象，目前的聚合物沥青往往一项或几项性能比较突出，但无法全面满足路面拌和、摊铺以及使用各个过程中的需求。石墨烯是一种二维片层结构的碳材料，是目前所知纳米填料中最薄的一种，具有十分优异的性能，如：具有更高的比表面积、强度、弹性、热导率、电导率、透光性和气体阻隔性。氧化石墨烯(GO)因含氧官能团增多而使其性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。然而，一方面氧化石墨烯由于工业化石墨烯的制备相对繁琐，并需由石墨烯经强酸氧化而得，造成相对于其他材料价格更高，目前已有对碳焦油直接合成石墨烯替代物的初步探索，但是其产物较低，产物仅占原料的12-18％；另一方面同时受表面强大的范德华力的影响，如石墨烯直接加入到沥青中极易产生团聚。中国专利技术专利CN20180502137.5中公开了将石墨烯加入到无水乙醇与聚乙烯吡咯烷酮的混合溶液中，超声震荡上述溶液后加入到沥青中进行剪切，属于溶液共混法，但是该种方法中溶剂脱除过程仅靠烘烤蒸发，无法保证溶剂去除，且一次剪切也无法保证石墨烯分散均匀。因此，亟需提供一种新型复合改性沥青，以全面满足路面拌合、摊铺及使用各个过程中的需求。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述不足，本专利技术的目的之一是提供一种纳米复合材料改性沥青及其制备方法，该纳米复合材料改性沥青高温下热稳定性好、低温下抗冻融能力强、抗车辙能力及抗老化性能强，具有良好的耐用性；本专利技术目的之二是提供一种沥青混凝土。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种纳米复合材料改性沥青，包括如下质量份数的原料：100份基质沥青和2～6份改性剂；所述改性剂为还原态氧化石墨烯/丁苯橡胶复合材料，包括100份氧化石墨烯/丁苯橡胶复合物、15～30份炭黑、2～6份氧化镁、3～6份硬脂酸、2～3份碳酸镁、3～5份防老剂、3～7份促进剂和1～3份硫磺；所述氧化石墨烯/丁苯橡胶复合物包括0.1～1份氧化石墨烯和15～20份丁苯胶乳。本专利技术以氧化石墨烯/丁苯橡胶复合材料作为改性剂，而氧化石墨烯/丁苯橡胶复合材料中的氧化石墨烯能够增加基质沥青的内摩擦力，粘度及弹性成分，进而能够有效的提高混凝土的高温性能，极大增强路面抵抗高温短期老化的能力；而丁苯橡胶可以改善基质沥青的粘结料能力、低温性能，从而提高混凝土的路面低温抗冻融能力；炭黑的加入可吸收紫外线，对提高混凝土的抗老化能力有着积极的作用。进一步，所述改性剂采用如下的方法制备：(1)将上述促进剂分为a、b两份，a：b的质量比为1:2；(2)按照上述配比将氧化石墨烯/丁苯橡胶复合物、炭黑、氧化镁、硬脂酸、碳酸镁、防老剂和促进剂b份混合得到中间产物A；(3)将上述中间产物A与促进剂a份、硫磺置于硫化机上按正硫化时间进行硫化，硫化温度为140～150℃，硫化时间为16～20min，得到改性剂氧化石墨烯/丁苯橡胶复合材料。再进一步，所述防老剂为DNP或NPC，所述促进剂为TMTD或CZ。进一步，所述氧化石墨烯/丁苯橡胶复合物采用如下的方法制备：(a)将0.5～3份溴烷铵加入90～97份蒸馏水中，搅拌10-15min后得到悬浮液；(b)向上述悬浮液中加入0.1～1份氧化石墨烯和15～20份丁苯胶乳，继续搅拌30-45min后，加入6～8份絮凝剂，在冰浴及超声下反应10-20min，再在6000-7000r/min转速下反应5-10min，然后保持温度为50～60℃，调节溶液pH值为7.5～8.5，保持1～2h；(c)继续升温至80～85℃，反应4-5h，向溶液中加入氢氧化钠溶液至溶液pH值为10，水洗、干燥，即得到氧化石墨烯/丁苯橡胶复合物。再进一步，步骤(b)中所述丁苯乳胶中全固体成分为64～69％，苯乙烯含量为83.5～87％，所述絮凝剂为聚合氧化铝。进一步，所述氧化石墨烯采用如下的制备方法：1)将0.5～1份70#基质沥青与1.5～2.5份碳酸钙充分混合，将混合物在空气气氛下加热，升温速率为5～15℃/min，加热温度为300～500℃，加热时间为4h，自然冷却；2)向上述混合物中加入100份盐酸，待晶体析出后再加入100份盐酸，然后用蒸馏水调节混合物的pH值为6.5-7.5，静置过夜，最后蒸发干燥，即得到氧化石墨烯。本专利技术在基质沥青中制备氧化石墨烯，工艺简单，且在制备的过程中加入碳酸钙，使得在氧化石墨烯生成过程中形成阻碍基质沥青内芳香酚等物质蒸发逃逸的屏障，促进了氧化石墨烯的生成；同时碳酸盐会与基质沥青形成反应性非挥发性酚盐作为氧化石墨烯的组成部分之一，增大了氧化石墨烯的产率。再进一步，步骤2)中盐酸的质量浓度为37-38％。上述纳米复合材料改性沥青的制备方法，制备过程如下：按照上述配比，将改性剂还原态氧化石墨烯/丁苯橡胶复合材料加入到基质沥青中，并置于可控温电热炉上，采用高速剪切仪进行搅拌，搅拌温度为150～165℃，搅拌速率为2500r/min～3000r/min，搅拌时间为25～40min，即得到纳米复合材料改性沥青。一种沥青混凝土，包括如下质量份数的原料，权利要求1-7所述的纳米复合材料改性沥青4～5份、集料95～97份、矿粉3～5份和纤维0.3～0.5份。进一步，所述集料为石灰岩或玄武岩。本专利技术的沥青混凝土中加入纤维可起到加筋的作用，提高混凝土的抗疲劳性能。以现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术通过在基质沥青中通过盐酸的二次处理得到氧化石墨烯，氧化石墨烯再与丁苯乳胶发生异向乳胶凝固，其中带正电荷的氧化石墨烯与带负电荷的丁苯乳胶颗粒相互靠近，丁苯乳胶颗粒插入到氧化石墨烯多层结构中并一同发育，一方面在微观层面上形成稳定的网络结构；另一方面受到外力作用在基体内部沿着受力方向发生不同程度的取向，消耗更多的外界能量，提高丁苯橡胶本身的强度剂抗弯拉性能，从而在与沥青混合后，不易发生团聚现象，且混合后沥青为均匀的分散系，最终使得制备的混凝土具有高温下强的热稳定性，低温下强的抗冻融能力，抗车辙能力及抗老化能力强的特点。2、本专利技术的纳米复合材料改性沥青及沥青混凝土制备简单，同时后期维护成本低，具备良好的耐磨性，适合大范围推广使用。附图说明图1为本专利技术实施例5-7的路面结构示意图；图2为对比例1的路面结构示意图；图3为对比例2的路面结构示意图；图4为氧化石墨烯/丁苯橡胶复合物的生成过程。具体实施方式下面结合具体实施例，对本专利技术方法进行详细说明。本实施案例在以本专利技术技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于以下的实施例。一、制备纳米复合材料改性沥青实施例1A：一种氧化石墨烯的制备方法，包括如下步骤：1)将0.5份70#基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米复合材料改性沥青，其特征在于，包括如下质量份数的原料：100份基质沥青和2～6份改性剂；所述改性剂为氧化石墨烯/丁苯橡胶复合材料，包括100份氧化石墨烯/丁苯橡胶复合物、15～30份炭黑、2～6份氧化镁、3～6份硬脂酸、2～3份碳酸镁、3～5份防老剂、3～7份促进剂和1～3份硫磺；所述氧化石墨烯/丁苯橡胶复合物包括0.1～1份氧化石墨烯和15～20份丁苯胶乳。

【技术特征摘要】
1.一种纳米复合材料改性沥青，其特征在于，包括如下质量份数的原料：100份基质沥青和2～6份改性剂；所述改性剂为氧化石墨烯/丁苯橡胶复合材料，包括100份氧化石墨烯/丁苯橡胶复合物、15～30份炭黑、2～6份氧化镁、3～6份硬脂酸、2～3份碳酸镁、3～5份防老剂、3～7份促进剂和1～3份硫磺；所述氧化石墨烯/丁苯橡胶复合物包括0.1～1份氧化石墨烯和15～20份丁苯胶乳。2.根据权利要求1所述的纳米复合材料改性沥青，其特征在于，所述改性剂采用如下的方法制备：(1)将上述促进剂分为a、b两份，a：b的质量比为1:2；(2)按照上述配比将氧化石墨烯/丁苯橡胶复合物、炭黑、氧化镁、硬脂酸、碳酸镁、防老剂和促进剂b份混合得到中间产物A；(3)将上述中间产物A与促进剂a份、硫磺置于硫化机上按正硫化时间进行硫化，硫化温度为140～150℃，硫化时间为16～20min，得到改性剂氧化石墨烯/丁苯橡胶复合材料。3.根据权利要求2所述的纳米复合材料改性沥青，其特征在于，所述防老剂为DNP或NPC，所述促进剂为TMTD或CZ。4.根据权利要求2所述的纳米复合材料改性沥青，其特征在于，所述氧化石墨烯/丁苯橡胶复合物采用如下的方法制备：(a)将0.5～3份溴烷铵加入90～97份蒸馏水中，搅拌10-15min后得到悬浮液；(b)向上述悬浮液中加入0.1～1份氧化石墨烯和15～20份丁苯胶乳，继续搅拌30-45min后，加入6～8份絮凝剂，在冰浴及超声下反应10-20min，再在6000-7000r/min转速下反应5-10min，然后保持温度为50～60℃，调节溶液pH值为7.5～8.5，保持1～2h...

【专利技术属性】
技术研发人员：张德鹏，石鸿，付育文，杨靖，吴世曾，陈兴波，庞彬彬，
申请(专利权)人：重庆市市政设计研究院，
类型：发明
国别省市：重庆,50