（矿物加工工程专业论文）caso4晶须改性沥青的性能研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 摘 可石 3( 沥青道路面层受到各种气候因素、荷载作用的影响，经常发生开裂、松散、 变形等病害。改性沥青是解决这些病害的有效途径，随着交通建设的发展，各种 型式改性沥青材料的广泛应用显著地改善了 道路面层的性能。本文在阐述沥青材 料性质与其路用性能关系的基础上提出了将 c a s o ; 晶须应用千道路石油沥青中改 善沥青性能的可能性。 木文 在借鉴高分子聚合物改性沥青的加工工艺 基础七 ，提出了 制备 c a s 0 4 晶 须改性沥青的 工艺原则。根据这一原则， 确定用胶乳法和机械搅拌法加工 c a s 0 4 晶须改性沥青。通过对比 采用机械搅拌法和胶乳法 c a s 0 4 晶须改性沥青的 性能差 异，提出胶乳法有利于发挥 c a s 0 4 晶须的改性作用。因为两种工艺条件下的改性 沥青性能差异不显著，所以都可作为c a s 0 4 晶须改性沥青的加工工艺。 通过研究 c a s 0 4 品须掺量与改性沥青性能的关系，提出了合适的晶须掺量应 为5一9 % ，在此范围内，c a s 0 4 晶须能够显著地提高沥青的高温稳定性、低温抗 裂性，并改善沥青的感温性能:超出此掺量范围，对于改善沥青的路用性能没有 作用效果。 根据研究的结果和分析，从改性剂与沥青的相容性、分散性以及晶须形态与 改性沥青性能的关系方面探讨了c a s 0 4 晶须对沥青改性机理。提出c a s o ; 晶须在 基质沥青中交错排布形成的空间网格结构和 c a s 0 4 晶须一硬脂酸一沥青结构的形 成是c a s o 。 晶须改性作用的关键。 本研究为开发新型、环保、价格低廉的无机矿物填料类沥青改性材料奠定了 基础。 关键词: c a s 0 4 晶须;改性沥青;胶乳法;机械搅拌法 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d y o n p e r f o r ma n c e o f c a s 0 4 wh i s k e r s mo d i f i e d b i t u me n abs tract t h e s u r f a c e o f b i t u m e n p a v e m e n t i s a l w a y s a ff e c t e d b y c l i m a t e f a c t o r a n d s o m e k i n d s o f l o a d t h a t l e a d t o s o m e r o a d d is e a s e s s u c h a s c r a z i n g , r e l a x i n g , d i s t o r t i o n a n d s o o n . m o d i f i e d b i t u m e n i s t h e v i r t u a l w a y t o r e s o lv e t h e s e r o a d d is e a s e s . wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f t r a f f i c c o n s t r u c t i n g a n d a p p l i c a t i o n o f d if f e r e n t m o d i f i e d b i t u m e n w i d e l y , t h e p e r f o r m a n c e o f s u r f a c e o f b i t u m e n p a v e m e n t i s i m p r o v e d e v i d e n t l y . a c c o r d i n g t o m a t e r i a l c h a r a c t e r o f c a s 0 4 w h i s k e r s , i t i s p o s s i b l e o f a p p l y i n g t h e c a s 0 4 w h i s k e r s t o b i t u m e n . a c c o r d i n g t o t e c h n i q u e s o f p o l y m e r m o d i f i e d b i t u m e n , a p r i n c i p l e o f p r e p a r i n g t e c h n i q u e f o r c a s 0 4 w h i s k e r s m o d i f i e d b i t u m e n i s i n tr o d u c e d o n w h ic h t h e e m u l s i o n m e t h o d a n d m e c h a n i c a l m i x i n g m e t h o d a r e u s e d i n t h i s s t u d y . wi t h r e s p e c t t o t h e p e r f o r m a n c e o f m o d i f i e d b i t u m e n , e m u l s i o n m e t h o d i s m o r e s u i t a b l e t o c a s 0 4 w h i s k e r s th a n m e c h a n i c a l m i x i n g m e t h o d . b u t t h e s e t w o m e t h o d s c a n a l l b e a p p l i e d t o c a s 0 4 w h i s k e r s m o d i f i e d b i t u m e n b e c a u s e o f t h e s m a l l p e r f o r m a n c e d i f f e r e n c e o f mo d i f i e d b i t u m e n g o t t e n i n t h e t w o m e t h o d s f r o m t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e a m o u n t o f c a s 0 4 w h i s k e r s a n d t h e p e r f o r m a n c e o f m o d i f i e d b i t u m e n , i t i s c o n c l u d e d t h a t t h e a p p r o p r i a t e c o n t e n t o f c a s 0 4 w h i s k e r s i n o r ig i n a l b i t u m e n i s s - 9 % a b o v e w h i c h c a s o 4 w h i s k e r s c a n n o t i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e o f b i t u m e n , i n w h ic h th e s t a b i l i t y i n h i g h te m p e r a t u r e a n d a n t i - s p l i t in l o w t e m p e r a t u r e c a n b e i n c r e a s e d , te m p e r a t u r e r e s p o n s e c a n b e im p r o v e d . c o n s id e r i n g t h e r e s u l t s , m o d i f ie d m e c h a n i s m i s d i s c u s s e d f r o m c o n t a in i n g a b il it y a n d r e l a t io n o f w h is k e r s s h a p e a n d p e r f o r m a n c e o f m o d i f i e d b i t u m e n .t h e k e y f a c t o r o f t h e c a s 氏 w h is k e r s f u n c ti o n i s t h a t t h e w h i s k e r s i n t e r l a c e d d i s p e r s i n g i n b i t u m e n f o r m i n g s t r u c t u r e o f d i m e n s i o n a l g r i l l e a n d th e s t r u c t u r e o f c a s 0 4 w h is k e r s一 s t e a r i c - a c i d 一b i t u me n . t h e s t u d y w i l l s e t t l e t h e f o u n d a t i o n f o r t h e d e v e l o p m e n t o f n e w t y p e , e n v i r o n m e n t a l a n d c h e a p e r m i n e r a l s t u f f i n g b i t u m e n m o d i f i e d m a t e r i a l . k e y w o r d s : c a s 0 4 w h i s k e r s ; m o d i f i e d b i t u m e n ; e m u l s i o n m e t h o d ; m e c h a n i c a l m i x i n g me t h o d 东北大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是导师的指导下完成的。 论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 、 i育 布 日期:，巧， 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学叮以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网 匕 交流， 请在下方签名; 否则视为不同意。 ) 学位论文作者签名: 下 了 签字日期: t o 0 5 - 1 , 3 导师签名: 签字日期:a p , 对 布 寿， - e 0 s- j . / o 东北大学硕士学位论文t绪论 1 绪论 沥青路面是由以 沥青材料为结合料粘结矿料修筑的面层与各类基层和垫层所 组成的路面结构。由于沥青路面使用沥青结合料，因而增强了矿料间的粘结力， 提高了混合料的强度和稳定性，使路面的使用质量、耐久性都得到了提高。与水 泥混凝土路面相比，沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨性好、振 动小、噪声低、施工期短养护维修简便、适千分期修建等优点，因而获得了越来 越广泛的应用。 2 0 世纪5 0 年代以来，世界各国修建沥青路面的数量增长迅猛， 在 总的公路里程中，沥青路面所占比重很大。 近二十年来，我国使用沥青材料修筑 了相当数量的公路和城市道路沥青路面，沥青路面是我国高速公路的重要形式， 随着国民 经济和现代化道路交通运输的需要，沥青路面必然得到更大的发展il l . ， ， 沥青路面 1 . 1 . 1沥青路面的发展 从历史上看，沥青路面的发展大致可分为三个时期: ( 1 )第一个时期: 1 9 世纪3 0 年代到7 0 年代，英国、法国、美国等国家开 始采用沥青进行路面铺装。1 9 1 0年在科诺大学广场上开始第一次使用稀释沥青。 当时，沥青铺路还只限于在道路表面上涂刷一层沥青，即当今的单层沥青表面处 治。 ( 2 ) 第二个时期: 2 0 世纪2 0 年代到5 0 年代。 1 9 1 1 年美国首先提出针入度 作为沥青的分级指标。1 9 1 6年德国马尔库逊 ( ma l c u s o n )提出了最初的沥青组分 分析方法，研究了沥青的组分含量同路用性能的关系。 ( 3 )第三个时期:2 0世纪4 0 年代至今。2 0世纪4 0年代，美国工程兵团供 职的密西西比州道路局的马歇尔工程师提出了著名的马歇尔稳定度试验方法，并 提出了初期的马歇尔稳定度等技术标准和评定方法，马歇尔稳定度的提出结束了 简单的沥青表面处治施工方法，使得使用拌制的沥青混合料铺筑路面的施工方式 受到普遍重视。 2 0 世纪6 0 年代初， 美国a a s h o试验路的铺筑和大量的试验研究 成果的发表， 使沥青路面的 设计、 施工、结构、 材料发生了 根本的变化。 2 0世纪 东北大学硕士学位论文t绪论 1 绪论 沥青路面是由以 沥青材料为结合料粘结矿料修筑的面层与各类基层和垫层所 组成的路面结构。由于沥青路面使用沥青结合料，因而增强了矿料间的粘结力， 提高了混合料的强度和稳定性，使路面的使用质量、耐久性都得到了提高。与水 泥混凝土路面相比，沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨性好、振 动小、噪声低、施工期短养护维修简便、适千分期修建等优点，因而获得了越来 越广泛的应用。 2 0 世纪5 0 年代以来，世界各国修建沥青路面的数量增长迅猛， 在 总的公路里程中，沥青路面所占比重很大。 近二十年来，我国使用沥青材料修筑 了相当数量的公路和城市道路沥青路面，沥青路面是我国高速公路的重要形式， 随着国民 经济和现代化道路交通运输的需要，沥青路面必然得到更大的发展il l . ， ， 沥青路面 1 . 1 . 1沥青路面的发展 从历史上看，沥青路面的发展大致可分为三个时期: ( 1 )第一个时期: 1 9 世纪3 0 年代到7 0 年代，英国、法国、美国等国家开 始采用沥青进行路面铺装。1 9 1 0年在科诺大学广场上开始第一次使用稀释沥青。 当时，沥青铺路还只限于在道路表面上涂刷一层沥青，即当今的单层沥青表面处 治。 ( 2 ) 第二个时期: 2 0 世纪2 0 年代到5 0 年代。 1 9 1 1 年美国首先提出针入度 作为沥青的分级指标。1 9 1 6年德国马尔库逊 ( ma l c u s o n )提出了最初的沥青组分 分析方法，研究了沥青的组分含量同路用性能的关系。 ( 3 )第三个时期:2 0世纪4 0 年代至今。2 0世纪4 0年代，美国工程兵团供 职的密西西比州道路局的马歇尔工程师提出了著名的马歇尔稳定度试验方法，并 提出了初期的马歇尔稳定度等技术标准和评定方法，马歇尔稳定度的提出结束了 简单的沥青表面处治施工方法，使得使用拌制的沥青混合料铺筑路面的施工方式 受到普遍重视。 2 0 世纪6 0 年代初， 美国a a s h o试验路的铺筑和大量的试验研究 成果的发表， 使沥青路面的 设计、 施工、结构、 材料发生了 根本的变化。 2 0世纪 二生 左 塑竺壑燮主 -1 绪 论 9 0 年代初，美国战略公路研究计划 ( s h r p ) 及研究项目的进行， s u p e r p a v e等 一大批研究成果的发表，开创了沥青及沥青混合料的研究历史新纪元。 随着汽车工业和路面施工技术的发展，沥青、沥青混合料以及沥青路面结构 的研究成为各国交通建设的热门课题，但是由于沥青是一种成分复杂的无定形高 分子化合物的混合物，同时沥青路面又是工作在复杂多变的气候条件与交通荷载 的情况下，如何将各种情况下沥青路面的使用品质同沥青及沥青混合料的性能指 标联系 起来， 还需做大量的 研究工 作i l l 1 . 1 .2沥青路面的工作条件 沥青混合料通常用作沥青路面的面层，因而它承受着各种车辆荷载和环境因 素的影响。沥青和矿料是沥青混合料的组成材料，因而沥青路面的工作条件实质 上就是影响沥青及其混合料性能的因素。主要有两方面: ( 1 ) 温度、荷载作 用的时间 及频率 在不同温度和加荷方式的情况下， 沥青 混合料可具有弹性、粘性 ( 或塑性)以及粘弹性，而且大都呈现出粘弹性性质。 其强度和稳定性有别于一般固体相应的概念。沥青混合料在低温或短时间荷载的 作用 接近于弹性体;随着温度的升高，特别是荷载作用时间的增长和荷载作用 次数的增多，沥青混合料逐渐接近于塑性体。沥青混合料的变形则由其粘性性质 所决定。当荷载时间较短时，沥青混合料的变形基本上是弹性的，但又不像弹性 体那样变形瞬时就能恢复，而是受粘性的影响而逐渐恢复;当荷载作用时间较长 或荷载重复作用时，会因粘性蠕动而产生残余变形。在普通的温度范围内，沥青 混合料兼具有弹性成分及粘性成分组成的粘弹性性质。随温度降低，弹性成分增 加， 粘性成分减少;相反，随温度的升高，粘性成分增强，弹性成分逐渐失去。 ( 2 )自 然因素主要包括温度、水和沥青路面使用过程中的老化: 温度 沥青的粘度受温度的影响很大，即随着温度的升高，其粘度下降， 由低温时的硬脆固体，到常温下的粘弹性体，以及高温时软化呈流动状态。同时， 沥青 混合料的强度受温度影响也很大。当温度高于脆化点时，沥青混合料的强度 随着温度下降急剧增大;当温度低于脆化点以 后，沥青混合料的强度则随着温度 的降低有所减小。应当注意的是，虽然在低温时沥青馄合料有很高的强度，但其 抵抗变形的能力则显著降低。因而在冬季低温期间，沥青路面常由于面层本身的 收缩量超过其极限拉应变而导致开裂。 水对沥青路面的影响沥青路面在水的作用下会使沥青与矿料剥离，还 会将沥青中某些可溶性物质溶解并冲走，尤其是当水中含有易溶解盐时会发生乳 二生 左 塑竺壑燮主 -1 绪 论 9 0 年代初，美国战略公路研究计划 ( s h r p ) 及研究项目的进行， s u p e r p a v e等 一大批研究成果的发表，开创了沥青及沥青混合料的研究历史新纪元。 随着汽车工业和路面施工技术的发展，沥青、沥青混合料以及沥青路面结构 的研究成为各国交通建设的热门课题，但是由于沥青是一种成分复杂的无定形高 分子化合物的混合物，同时沥青路面又是工作在复杂多变的气候条件与交通荷载 的情况下，如何将各种情况下沥青路面的使用品质同沥青及沥青混合料的性能指 标联系 起来， 还需做大量的 研究工 作i l l 1 . 1 .2沥青路面的工作条件 沥青混合料通常用作沥青路面的面层，因而它承受着各种车辆荷载和环境因 素的影响。沥青和矿料是沥青混合料的组成材料，因而沥青路面的工作条件实质 上就是影响沥青及其混合料性能的因素。主要有两方面: ( 1 ) 温度、荷载作 用的时间 及频率 在不同温度和加荷方式的情况下， 沥青 混合料可具有弹性、粘性 ( 或塑性)以及粘弹性，而且大都呈现出粘弹性性质。 其强度和稳定性有别于一般固体相应的概念。沥青混合料在低温或短时间荷载的 作用 接近于弹性体;随着温度的升高，特别是荷载作用时间的增长和荷载作用 次数的增多，沥青混合料逐渐接近于塑性体。沥青混合料的变形则由其粘性性质 所决定。当荷载时间较短时，沥青混合料的变形基本上是弹性的，但又不像弹性 体那样变形瞬时就能恢复，而是受粘性的影响而逐渐恢复;当荷载作用时间较长 或荷载重复作用时，会因粘性蠕动而产生残余变形。在普通的温度范围内，沥青 混合料兼具有弹性成分及粘性成分组成的粘弹性性质。随温度降低，弹性成分增 加， 粘性成分减少;相反，随温度的升高，粘性成分增强，弹性成分逐渐失去。 ( 2 )自 然因素主要包括温度、水和沥青路面使用过程中的老化: 温度 沥青的粘度受温度的影响很大，即随着温度的升高，其粘度下降， 由低温时的硬脆固体，到常温下的粘弹性体，以及高温时软化呈流动状态。同时， 沥青 混合料的强度受温度影响也很大。当温度高于脆化点时，沥青混合料的强度 随着温度下降急剧增大;当温度低于脆化点以 后，沥青混合料的强度则随着温度 的降低有所减小。应当注意的是，虽然在低温时沥青馄合料有很高的强度，但其 抵抗变形的能力则显著降低。因而在冬季低温期间，沥青路面常由于面层本身的 收缩量超过其极限拉应变而导致开裂。 水对沥青路面的影响沥青路面在水的作用下会使沥青与矿料剥离，还 会将沥青中某些可溶性物质溶解并冲走，尤其是当水中含有易溶解盐时会发生乳 东北大学硕士学位论文 化作用，从而加剧了溶蚀作用。 积膨胀，强度降低。 i绪论 沥青路面长时间浸水后会因含水量增加而发生体 沥青路面使用过程中的老化沥青路面在使用过程中受阳光、 温度、 空气 等自然因素的作用，沥青中轻质油组分逐渐挥发，并不断发生氧化聚合反应，使 沥青中的油分、树脂逐渐减少，沥青质相对增多，且因为沥青质部分地转化为沥 青 碳，致使沥青混合料粘塑性降低，路面干8v .裂缝、松散相继出现，即发生沥 青路面的“ 老化” 。随着老化现象的发展，沥青路面的抗变形能力降低，在行车荷 载和冰冻作用下， 极易 产生 裂缝， 最终形成龟 裂而导 致路面的破坏1 l 1 . 1 .3沥青路面的破损类型 基于沥青路面的工作条件，沥青路面的破损类型主要有: ( 1 )裂缝类破损:包括龟裂、块裂及各类单根裂缝等; ( 2 )变形类破损:包括车辙、沉陷、 w-包、波浪等; ( 3 )松散类破损:包括掉粒、松散、剥落、 脱皮等引起的集料散失现象、坑 槽等; ( 4 )其他破损;包括泛油、磨光 ( 抗滑性能差)及各类修补等。 破损严重程度可分为轻微、中 度、严重三种不同 情况iz i 其中高等级公路沥青路面上常见的破损现象主要有裂缝 ( 横向、纵向 及网状 裂缝) 、车辙、 松散、剥落和表面磨光等1 1 1 . 1 . 4沥青路面的基本要求 根据沥青路面的破损类型，沥青路面应该满足如下要求: 足够的高温稳定性， 保证沥青路面于高温季节在行车荷载的作用下不致产 生诸如波浪、推移、车辙、泛油、粘轮等病害。 良 好的低温抗裂性，保证路面在降温收缩中不产生大的应力积聚，在行车 荷载和其他因素的反复作用下产生疲劳开裂。 足够的抗滑能力， 保证在路面潮湿时，车 辆能够高速安全行驶， 而且在外 界因素的作用下其抗滑能力不致很快降低。 良 好的路面平整性，减小车辆的震动及油耗，保证行车舒适和交通安全以 及 降 低发生 路面的 破损的 频 度i l l 东北大学硕士学位论文 化作用，从而加剧了溶蚀作用。 积膨胀，强度降低。 i绪论 沥青路面长时间浸水后会因含水量增加而发生体 沥青路面使用过程中的老化沥青路面在使用过程中受阳光、 温度、 空气 等自然因素的作用，沥青中轻质油组分逐渐挥发，并不断发生氧化聚合反应，使 沥青中的油分、树脂逐渐减少，沥青质相对增多，且因为沥青质部分地转化为沥 青 碳，致使沥青混合料粘塑性降低，路面干8v .裂缝、松散相继出现，即发生沥 青路面的“ 老化” 。随着老化现象的发展，沥青路面的抗变形能力降低，在行车荷 载和冰冻作用下， 极易 产生 裂缝， 最终形成龟 裂而导 致路面的破坏1 l 1 . 1 .3沥青路面的破损类型 基于沥青路面的工作条件，沥青路面的破损类型主要有: ( 1 )裂缝类破损:包括龟裂、块裂及各类单根裂缝等; ( 2 )变形类破损:包括车辙、沉陷、 w-包、波浪等; ( 3 )松散类破损:包括掉粒、松散、剥落、 脱皮等引起的集料散失现象、坑 槽等; ( 4 )其他破损;包括泛油、磨光 ( 抗滑性能差)及各类修补等。 破损严重程度可分为轻微、中 度、严重三种不同 情况iz i 其中高等级公路沥青路面上常见的破损现象主要有裂缝 ( 横向、纵向 及网状 裂缝) 、车辙、 松散、剥落和表面磨光等1 1 1 . 1 . 4沥青路面的基本要求 根据沥青路面的破损类型，沥青路面应该满足如下要求: 足够的高温稳定性， 保证沥青路面于高温季节在行车荷载的作用下不致产 生诸如波浪、推移、车辙、泛油、粘轮等病害。 良 好的低温抗裂性，保证路面在降温收缩中不产生大的应力积聚，在行车 荷载和其他因素的反复作用下产生疲劳开裂。 足够的抗滑能力， 保证在路面潮湿时，车 辆能够高速安全行驶， 而且在外 界因素的作用下其抗滑能力不致很快降低。 良 好的路面平整性，减小车辆的震动及油耗，保证行车舒适和交通安全以 及 降 低发生 路面的 破损的 频 度i l l 东北大学硕士学位论文 1 . 2改性沥青 1 .2 . 1改性沥青的概念及分类 改性沥青，也包括改性沥青混合料，是指掺和橡胶、树脂、高分子聚合物、 磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂 ( 改性剂) ，或采用沥青轻度氧化加工等措施， 使沥青或沥青混合料的性能得以改善而制成的沥青结合料。改性剂是指在沥青或 沥纂 黔昆 合料中加入的天然的或人工的有机或无机材料可溶融、分散在沥青中，改 善或提高 沥青路面性能 ( 与沥青发生反应或裹覆在集料表面)的材料13 1 狭义上， 改性 沥青 是指a, 分子聚合 物改性沥青( p o l y m e r m o d if i e d a s p h a l t , p o l y m e r m o d i f i e d b i tu m e n ， 简 称p m a . p m b 或p m b ) 。 广 义 上， 凡是 加 入 外 掺 剂 是沥青或沥青混合料的性能或某一方面的性能得到改善，就称之为改性沥青。 根据不同目的所采取的改性沥青及改性沥青混合料技术，改性沥青的分类见 图l .l ia l. 改善力学性能 掺加改性剂 高温稳定性 耐波劳性 低温抗裂性 聚合物 橡胶类:s b r . c r . e p d m 热塑性橡胶类:s b s 热塑性树脂类:p e . e v a 改善粘附性一抗剥离剂:金属皂 ( 有机锰等) 改 性沥青及混合料技术耐老化性能一 抗老化剂:受阻粉、耐阻胺等 物理改性 矿物填料:碳黑、硫磺、石棉、木质纤维等 玻璃纤维格珊、塑料格珊、土工布等 废橡胶粉 调和沥青一掺加天然沥青 ( 湖沥青、岩石沥青、海底沥青) 沥青t艺一半 氧化沥青、泡沫沥青等 图1 . 1 道路改性沥青分类 f i g . 1 . 1 c l a s s i f i c a t i o n o f p a v e m e n t m o d i f i e d a s p h a l t 1 .2 .2改性沥青的发展与应用 改胜沥青的应用最旱是橡胶沥青，第一 条掺有橡胶的沥青公路路面的是法国 修建的，并在1 8 9 9 年获得了专利证书。由 于2 0 世纪3 0 年代橡胶价格的大幅度降 型苎型望堡堡圭 ! 竺堡 1 2 改性沥青 1 2 1 改性沥青的概念及分类 改性沥青，也包括改性沥青混合料，是指掺和橡胶、树脂、高分子聚合物、 磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂( 改性剂) ，或采用沥青轻度氧化加工等措施， 使沥青或沥青混合料的性能得以改善而制成的沥青结合料。改性剂是指在沥青或 沥青混合料中加入的天然的或人工的有机或无机材料可溶融、分散在沥青中，改 善或提高沥青路面性能( 与沥青发生反应或裹覆在集料表面) 的材料 3 1 。 狭义上，改性沥青是指高分子聚合物改性沥青( p o l y m e rm o d i f i e da s p h a l t ， p o l y m e rm o d i f i e db i t u m e n ，简称p m a 、p m b 或p m b ) 。广义上，凡是加入外掺剂 是沥青或沥青混合料的性能或某一方面的性能得到改善，就称之为改性沥青。 根据不同目的所采取的改性沥青及改性沥青混合料技术，改性沥青的分类见 图1 1 4 1 。 【t 性沥青及混合科技术 掺加改悱剂 高温稳定性1橡胶类：s b r 、c r 、e p d m 改善力学性能f 耐玻劳性f 聚合物f 热塑性橡胶类：s b s i 低温抗裂性li 热塑性树脂类：p e 、e v a 耐老化性能一抗老化剂：受阻粉、耐阻胺等 矿物填料：碳黑、硫磺、石棉、木质纤维等 物理改性l 玻璃纤维格珊、塑料格珊、土工布等 l 废橡胶粉 图1 1 道路改性沥青分类 f i g 1 1 c l a s s i f i c a t i o no fp a v e m e n tm o d i f i e da s p h a l t 1 2 2 改性沥青的发展与应用 改陛沥青的应用最早是橡胶沥青， 修建的，并在1 8 9 9 年获得了专利证书。 第一条掺有橡胶的沥青公路路面的是法国 由于2 0 世纪3 0 年代橡胶价格的大幅度降 东北大学硕士学位论文1 绪论 低，迫使橡胶生产者寻找新的市场，橡胶沥青路面的试验因而得以加速开展。荷 兰于1 9 3 6 年修建的第一条橡胶沥青路面，在经历了二次大战以后仍然良好，引起 了道路工程师的浓厚兴趣。橡胶改性沥青在欧美、日本等许多国家逐渐得到广泛 的应用。在2 0 世纪6 0 7 0 年代，美国使用橡胶沥青铺筑机场跑道，如爱伦斯堡机 场的跑道，这条跑道使用至今情况一直良好，而且不需要进行大量的修理和养护【5 】。 自从首次将橡胶加入沥青改性以来，发展到今天，改性剂的选择范围越来越 广泛。据j e a n n e s p a c e d 统计，形成商品的就有4 0 多种。可以说沥青改性剂的晶利t 越来越多，总的来说，改性剂的不断扩大主要原因是道路使用者需要解决日益加 剧的道路病害，而改性为解决这些问题提供了可能的途径。 近几十年来，应用最为广泛，技术较为成熟的改性沥青为高聚物类改性沥青。 1 9 9 1 年，西欧对各类改性沥青在道路沥青的应用情况作了调查，其情况见图1 2 。 其中，应用最为广泛的是s b s s i s 、e v a 、s b 。随着改性材料研究的深入其他沥青 改性产品的应用比例也日渐增加，如纤维类改性材料( 聚丙烯纤维、聚酯纤维、 木质纤维等) 。纤维类沥青改性材料在薄层沥青路面中具有独到的优势，具有良好 的耐磨性和耐久性，因此应用越来越广泛，特别是自从沥青玛蹄脂碎石混合料( 简 称s m a ) 及开级配沥青耗磨层( 简称o g f c ) 等路面结构在高等级公路修筑中的 优势受到普遍重视以来，很多发达国家已经认识到纤维类沥青改性材料的重要性， 进而不断地加大此方面的研究力度，如美国的聚丙烯纤维( f i b e r p a v e ) 、聚酯纤维 ( b o n i f i b e r ) 、玄武岩纤维以及德国的路用木质纤维都已经取得良好的应用效果并 且许多国家相继采用。 图1 , 2 各类改性沥青的应用情况 f i g 1 2 c o m p l e x i o no fa hk i n d so fm o d i f i e da s p h a l t 虽然应用改性沥青铺筑路面，较大地增加了建设费用。但是，比较普通路饵 蔓型塑些堂堕羔一 ! 竺垒 与改性沥青路面的使用寿命，用净现值、贴现率等经济指标进行分析比较，采用 改性沥青铺筑路面在许多情况下经济上是合算的嘲。 1 。3 改性沥青性能评价 1 3 1 改性沥青评价技术概述 ( 1 ) 改性沥青性能评价方法旧 现行的评价改性沥青性能的方法主要有三 类。 采用沥青性能指标的变化程度来衡量。如针入度、软化点、延度、粘度、 脆点的变化程度。变化值越大，改性效果越好。由于对广大工程技术人员来说， 这些指标的测定方法简单，意义明确，容易接受，所以是目前生产上最常用的方 法。 针对改性沥青的特点开发的试验方法，如弹性恢复试验、测力延度试验、 粘韧性试验、冲击板试验、离析试验等等。 美国的s h r p 沥青胶结料性能评价方法，该方法在一套全新的试验设备和 观念的基础上制定的，既适用于普通沥青又适用于改性沥青。 ( 2 ) 改性沥青性能评价项目及指标【4 1 通常，沥青的标准指标，按所反映的 沥青性能不同，主要有以下项目： 分级指标：针八度、6 0 。c 粘度； 综合指标( 包括纯度) ：针入度指数、密度、含蜡量、溶解度、灰分； 高温稳定性指标：软化点，6 0 粘度； 低温抗裂性指标：延度、弗拉斯脆点； 耐老化性能指标：薄膜加热试验、旋转薄膜加热试验、蒸发损失试验、旋 转烧瓶试验、试验前后的质量损失、针入度比、软化点升高、粘度比、脆点、延 度等； 施工及安全指标：闪点、1 3 5 粘度。 各国各地区针对气候特点、沥青类型通常选取上述各项中的一种或几种指标 构成沥青性能的评价体系。对于改性沥青，也通常要根据改性剂的特点选取上述 项目中的一些指标，同时还采用一些能够体现改性剂特殊性能的技术指标，如对 于现在最为普遍的高聚物改性剂( s b s 、s b r 、e v a 等) 除采用些常规指标外还 采用了弹性恢复、粘韧性指标等。因此，在评价改性沥青时，确定改性剂的类型 与特点是选择性能指标进行评价的基础。 .全达 b 丝 ( i 垫一一_: 绪论 与改性沥青路面的使用寿命，用净现值、贴现率等经济指标进行分析比 较，采用 改 性 沥青 铺筑路面 在许多情况 下经济 上是合算的is l 1 .3改性沥青性能评价 1 .3 . 1改性沥青评价技术概述 ( 1 ) 改性沥青性能评价方 法6 1 现行的评价改性沥青性能的方法主要有三 类。 采用沥青性能指标的变化程度来衡量。如针入度、软化点、延度、粘度、 脆点的变化程度。变化值越大，改性效果越好。由于对广大工程技术人员来说， 这些指标的测定方法简单，意义明确，容易接受，所以是目 前生产上最常用的方 法。 针对改性沥青的特点开发的试验方法，如弹性恢复试验、测力延度试验、 粘韧性试验、冲击板试验、离析试验等等。 美国的s h r p 沥青胶结料性能评价方法， 该方法在一套全新的试验设备和 观念的基础上制定的，既适用于普通沥青又适用于改性沥青。 ( 2 )改性沥青性能评价项目 及指标4 1通常， 沥青的 标准指标， 按所反映的 沥青性能不同，主要有以下项目: 分级指标:针入度、6 0 粘度; 综合指标 ( 包括纯度) : 针入度指数、 密度、含蜡量、 溶解度、灰分; 高温稳定性指标:软化点，6 0 粘度; 低温抗裂性指标:延度、弗拉斯脆点; 耐老化性能指标:薄膜加热试验、旋转薄膜加热试验、蒸发损失试验、旋 转烧瓶试验、试验前后的质量损失、针入度比、软化点升高、粘度比、脆点、延 度等: 施工及安全指标:闪点、1 3 5 0c 粘度。 各国各地区针对气候特点、沥青类型通常选取上述各项中的一种或几种指标 构成沥青性能的评价体系。 对于改性沥青，也通常要根据改性剂的特点选取上述 项目中的一 些指标，同时还采用一些能够体现改性剂特殊性能的技术指标，如对 于现在最为普遍的高聚物改性剂 ( s b s , s b r , e v a等) 除采用一些常规指标外还 采用了弹性恢复、粘韧性指标等。因此， 在评价改性沥青时，确定改性剂的类型 与特点是选择性能指标进行评价的基础。 东北大学硕士学 位论文 1 . 3 . 2我国改性沥青评价技术 对于聚合物改性沥青，我国的 公路改性沥青路面施工技术规范( j t j 0 3 6 - 9 8 )提出了聚合物改性沥青的评价体系，评价体系中将不同的聚合物改性剂分为 三类，即s b s 类 ( i 类) ; s b r类 ( 1 1 类) ; e v a , p e 类 ( i i i 类) ， 每一 类又 根据 针入度等级分为a , b . c , d四个级别。评价指标包括了常规的性能评价项目， 还包括了一些非常规的技术评价指标，如弹性恢复;离析，软化点差:粘韧性; 韧性等17 1 对于其他种类的改性沥青，国内外并没有专门的评价体系。在我国，通常使 用根据国产沥青特点而制定的建议标准，即 (八五”攻关建议的重交通道路石油 沥青技术要求 。建议标准中特别重视改性沥青的感温性指标，将道路沥青的感温 性作为沥青性能的核心指标。简单的讲，如果沥青结合料能承受从低温到高温的 范围越宽，它就越能承受夏季的酷暑和冬季的严寒，既不会高温软化发生永久变 形也不会在冬天发生开裂。为此国外通常利用沥青结合料的针入度和软化点计算 针入度指数 p i ，并发明了许多由此导出的诺模图，对评价直馏沥青的温度敏感性 起到了良好的作用。但是，众多的试验研究表明，这个方法对我国的多蜡沥青是 不适用的，对改性沥青也不适用。 我国通过多年研究证实，在 3 0 0c , 2 5 0c . 1 5 等三个或三个以上不同温度条 件下测定的针入度在对数坐标上与温度成良好的直线关系，因此以由回归得到的 针入度温度曲 线的直线斜率计算而得到的p i 来评价沥青的感温性较为合理，不仅 普.通的道路沥青如此，对改性沥青也是一样的。不过根据试验数据直线回归的相 关系数显著性检验规定， 当 测定的针入度样本数分别为3 或4 时， 置信水平取0 .0 5 时的相关系数不得小于0 .9 9 7 和0 .9 5 0 ， 否则试验无效。 “ 八五” 攻关建议的重交通 道路石油沥青技术 标准如表1 . 1 所示!7 1,i$ 1 由 表1 .1 可见， 建议标准没有采用软化点和弗拉斯脆点衡量沥青的高 温稳定性 和低温抗裂性， 而是采用了当量软化点t 8 0 0 和当量脆点t 1 .z 。 这是因为， 我国沥青 含蜡量较高，沥青中的蜡会影响软化点的测定，使得测定的软化点出现假象，所 以软化点不适于评价我国沥青的高温稳定性;而沥青在低温时表现为脆性破坏， 弗拉斯脆点是低温条件下沥青结合料脆裂的温度，它主要是描述荷载作用下路面 的开裂模式。沥青路面的温缩裂缝则是路面在急剧降温过程中产生的收缩，在路 面内形成的温度应力积聚达到极限强度而发生的路面行为，这种情况与弗拉斯脆 点的内涵有所不同。我国通过研究在多方面证实了用弗拉斯脆点衡量沥青低温抗 裂性能并不可靠19 1 东北大学硕士学位论文1绪论 表 1 . 1 ta bl e 1 . 1 重交通道路石油沥青技术标准 c r i t e r i o n o f p a v e m e n t b i t u me n 指标 原样沥青等级 ah- 1 - 1 2 3 4 ah- 2 - 1 2 3 4 ah3 - 2 七月平均最高气温( ) 3 02 0 - 3 02 0 年极端最低气谧( ) - 9 . 0 - 9 . 0 - 21 . 5 - 3 7 . 0 针入度，2 5 v ( o . l m m ) 100-12080-100:;40 -80100 -140:;: ;40 -80100 -120 针入度 ( 3 个以 上温度)( o . l m m ) 测定 高1a性能要求的针入度指数 不小于 一 1 . 0 一 1 . 2- 1 . 4 高温稳定性指标t - 不低于( ) _5 0 x ( 2 .9 0 3 1 一 1 g p ) x ( p i + 1 0 ) ， ， 胜洲 一. 一十 乙j o w s m i a 2 0 一 p i 低温性能要求的针入 度指数 不小于 ) - 1 .0一 1 ， 2- 1 . 4 一 . 6- 1 . 0- 1 . 2一 1 .4 - 1 . 6一 12 低a抗裂性指标t 1 .2 不高于( ) _ _5 0 x ( i p , ; 一 0 .0 7 9 2 ) x ( p i + 1 0 ) 1 , ， 7 吧2 5一 一 山 二 。 、 .2 0 一 f 1 1 0 c 延度，不低于( c m ) 3 02 0i s 1 03 02 0 1 51 02 0 抗老化性能指标 t f o t后 ( 1 6 3 c, 5 h ) 残留针入度比，不低于( % ) 残留 延度( 1 0 c ) ， 不低于( % ) 5285 56605654 528 5 566056 54 556 施工安全指标闪点( ) 2 3 0 沥青质量综合指标 蜡含量( 蒸 馏法 )， 不大于( % ) 密度 ( l 5 c ) (g / c m 3 ) 3 . 0 根据要求可提高至2 .0 实测记录 针入度指数p i 、当 量软化点几 。 、当 量脆点升: 的计算方法如下b i , i g p 一 a lg p x t + k( 1 . 1 ) 式 ( 1 . 1 )中:t 不同试验温度，相应温度下的针入度为p ; 回归方程常数项a ; 回归方程系数b ，为不同 温度的针入度回归直线的斜率， 称为针入度温度指数。 东北大学 硕士学位论文 1绪 p i _ 四- 5 0 0 a ig p 1 + 5 0 a , , ( 7 . 2 ) t 8 0 o 1 g 8 0 0 一 k 2 .9 0 3 1 一 k a lg p a ,g p ( 1 . 3 ) t 1 .2 1 g 1 .2 一 k 0 .0 7 9 2 一 k a lg p a lg p ( 1 . 4) 式 ( 1 . 2 ) , ( 1 .3 ) , ( 1 .4 ) 中， k , a lg p 同 式 ( 1 . 1 ) 0 建议标准中还规定了各种改性沥青不同等级的针入度指数 p 的最低要求，并 要求沥青的当 量软化点t w o 和当量脆点t 1 : 不得低于由p i 和2 5 针入度确定的 要 求值，即t 8 o o w * u , t 1 .2 w a ar ， 确定方法见表 1 . 1 。建议 标准以 针入度、 针入度指数 p i 作为最为关键的 评价指标，操作方法简便.能够较为准确的反映沥青的路用性 能。因而是现在国内普遍使用的评价体系。尤其是在z程应用中，其优势更为明 显。 1 .