路面培训材料_沥青与沥青改性技术的研究与发展

1、沥青与沥青改性技术沥青与沥青改性技术 的研究与发展的研究与发展 内容提要 n公路建设的总体形势及任务 n沥青道路材料的介绍 n公路建设对沥青材料的新挑战-改性沥青 的产生 n国外沥青路面方面的研究进展 n展望 公路建设的总体形势及任务公路建设的总体形势及任务 （1 1） n截至截至20102010年底，我国已建成年底，我国已建成7.47.4万公里高速万公里高速 公路，国家高速公路网骨架基本形成公路，国家高速公路网骨架基本形成 。 n然而，目前我国每百平方公里国土面积公路里程 仅为18.4公里，还远不及发达国家80年代初期的 水平。我国公路建设面临的任务还十分艰巨。 公路的耐久性、舒 适性、环境

2、协调性 以及设计施工的先 进性等也有着明显 的差距。 2010 1984 公里/百km2 路面、路基结构路面、路基结构路面、路基性能路面、路基性能 与病害对策问题与病害对策问题 水泥面层水泥面层沥青面层沥青面层 基层基层基层基层 垫层垫层 路基路基 垫层垫层 路基路基 路面与路基结构 道路性能的分析与改进涉及多个学科领域，路道路性能的分析与改进涉及多个学科领域，路 面结构与材料设计必须适合实际工程特点。面结构与材料设计必须适合实际工程特点。 材料研究在道路科研中的作用材料研究在道路科研中的作用 沥青道路材料的介绍 沥青的起源 n据记载，公元前1300年，人们就利用沥 青，粘土和沙子混合后砌筑了

3、底格里斯 河入海口处1500m的堤防，至今尚存。 n沥青的大量使用始于18世纪，天然湖沥 青发现以后，具有代表性的是特立尼达 湖沥青，至今仍然开采使用。 沥青的构成 n沥青是天然出产或有机物经过热加工够得 到的产品，由高度缩合的环烷烃和芳香烃 及其衍生物组成，外观呈黑色或黑褐色， 常温下为液态，半固态或固态。 n由化学组分分析可知，沥青主要有四种组 分：饱和分，芳香分，沥青质和胶质。 沥青的构成 n饱和分 饱和分主要由正构烷烃，异构烷烃及环 烷烃组成，平均分子量500800之间； 饱和分是一种非极性油分，在基质沥青 中含量一般为18%25%； 饱和分对沥青有润滑和软化作用。 沥青的构成 n芳香

4、分 芳香分是一些带环烷和长链烷基的芳香 烃，平均相对分子质量在8001000，是 溶胶沥青质的分散介质，在沥青中含量 一般为33%48%。 沥青的构成 n胶质 胶质又称为极性芳烃，平均相对分子质 量在13001800.比沥青质具有更强的极 性，相对密度在1.01.08之间，胶质含 量一般为20%40%； 胶质对沥青的粘结力，延度有很大影响。 沥青的构成 n沥青质 沥青质是沥青胶体体系的核心，平均相对分子 质量可达数千到一万，是高度缩合的芳香烃， 有很强的极性，相对密度大于1。沥青质在沥 青中的含量一般为8%15%，沥青质是沥青液 态组分的增稠剂，其含量的多少影响到沥青的 流变性，表现为沥青质含

5、量增加，沥青稠度提 高，软化点上升。沥青质含量的多少对沥青的 温度稳定性也有很大的影响。 沥青的胶体结构理论 沥青为胶体结构，以沥青质为核，表面层 被树脂侵润包裹，树脂溶于油分中，形成 沥青胶团，无数沥青胶团彼此通过油分结 合形成胶体结构。 按其化学特性及流变学特性，分为：溶胶， 溶-凝胶和凝胶三种结构。 沥青的胶体结构理论 n溶胶结构：沥青中沥青质含量很少，同时 由于胶质作用，沥青质完全胶溶分散于油 分介质中，胶团之间没有吸引力或吸引力 很小； 这类沥青完全符合牛顿流体，剪切力与剪 切速率呈直线关系，弹性效应很小或完全 没有。 沥青的胶体结构理论 n溶-凝胶型结构：沥青中沥青质含量适当， 并

6、有很多胶质作为保护物质，胶团相互 之间有一定的吸引力； 这类沥青常温时在变形的最初阶段表现 非常明显的弹性效应，当变形增加到一 定数值后表现为牛顿流体； 大多数优质路用沥青都属于溶-凝胶型沥 青。 沥青的胶体结构理论 n凝胶型结构：沥青中沥青质含量很高， 形成空间网格结构，油分分散在网格结 构中，具有明显的弹性效应。 公路建设对沥青材料的新挑战- 改性沥青的产生 公路建设对沥青材料的新要求 n高等级路面必须具备足够的强度，稳定性 和使用性能 n（1）强度：结构强度和抗疲劳强度； n（2）稳定性：高温，低温状况下的抗变形 能力； n（3）使用性能：抗滑能力和平整度。 公路建设对沥青材料的新要求

7、n沥青作为沥青混合料的主要组成部分之一， 在很大程度上影响沥青混合料的路用性能。 高等级公路对沥青材料的抗永久变形，抗 低温开裂，耐久性等方面有较高的要求， 这要求沥青材料具有良好的质量，其质量 要求表现为： 1. 优良的粘附性能 2.良好的感温性能 3. 经久的耐候性 公路建设对沥青材料的新要求 n美国战略公路研究计划（SHRP）研究表 明，沥青对沥青混合料抗高温车辙的贡 献为29%，对抗疲劳的贡献为52%，对 抵抗温度裂缝的贡献为87%； n在沥青混合料低温收缩和疲劳开裂中， 寂寥的骨架作用对抑制低温开裂无能为 力，而沥青结合料对沥青混合料抵抗低 温抗裂性能起到决定性作用。 公路建设对沥青

8、材料的新要求 n普通基质沥青已不能完全满足高等级路面 的要求，其原因： （1）基质沥青本身是一种对温度很敏感的材 料，随着温度的变化其状态和性能都将发 生变化； （2）炼油厂油源的变化，难以保证所生产 的沥青都能达到规格的要求指标； （3）交通量逐年增加车载加重，行车速度 快，对道路发展提出新的要求。 公路建设对沥青材料的新要求 n基于以上出现的新情况，促使在沥青中添 加各种添加剂对沥青或沥青混合料进行改 性的发展，以获得路用性能更好的沥青材 料，在此背景下，改性沥青应运而生。其 中，应用最广泛的是聚合物改性沥青。 改性沥青的介绍 n改性沥青：是指掺加橡胶，树脂，高分子 聚合物，磨细的橡胶粉或

9、其他填料等外掺 剂，或采取对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 成的沥青混合料。 n能对沥青或沥青混合料改性的材料，称为 沥青改性剂。 改性沥青的介绍 改性沥青的发展简史 n1873年，Whiting在沥青中加入了1%的古塔 波乳胶，并申请了专利； n1884年，英国公布了再沥青中掺如沥青的 专利； n英，法等国建设了许多实验路段以验证聚 合物改性沥青路面的效果。 改性沥青的介绍 n1952年，日本在东京铺筑了首条橡胶粉 改性沥青实验路段； n1963年，在名古屋至神户高速公路铺筑 了丁苯橡胶改性沥青实验路段； n1968年，改性沥青实验路段已扩展到全 国，上世纪7

10、0年代该项研究进入高潮。 改性沥青的介绍 n20世纪80年代，美国SHRP战略公路研究计 划投入了大量资金来解决沥青路面存在的 问题，仅用于沥青及沥青混合料的研究经 费就高达5000万美元。 改性沥青的介绍 n我国关于对聚合物改性道路沥青的研究起 步较晚： n20世纪80年代，同济大学采用SBS，炭黑复 合改性沥青，山西交科所采用氯丁胶乳改 性沥青，胜利炼油厂采用丁苯胶乳改性沥 青； n20世纪90年代，交通部重庆公路科研所应 用橡胶母体铺筑改性沥青路面，揭开了聚 合物改性沥青在我国高等级公路中应用的 序幕。 改性沥青的介绍 n目前，沥青改性剂的种类很多，通过研究 和应用，改性剂的使用品种和数

11、量也在不 断变化： 北美从以前使用的PE发展到现在基本全部使 用SBS，欧洲所使用的EVA也逐渐被SBS替代， 我国也从使用PE逐渐到目前以SBS为主要改 性剂。 改性沥青的介绍 n目前用于道路改性沥青的改性剂有一下几 种： n（1）聚合物类改性剂：SBS，聚乙烯（PE）， 乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）等； n（2）纤维类改性剂：人工合成纤维（聚乙 烯纤维，聚酯纤维），矿质石棉纤维，土 工布等； 改性沥青的介绍 n（3）硫磷类改性剂：硫在沥青中的硫桥 作用，提高沥青抗高温变形能力； n（4）粘附性改性剂：无机类，有机酸， 重金属皂类，合成化学抗剥落剂； n（5）酸类改性剂：无机酸类； 改性沥

12、青的介绍 n（6）新型改性剂：近年来，纳米材料改 性沥青已开始受到重视，研究较多的有 蒙脱土（montmorillonite，MMT），累 托石等，可明显提高沥青的抗高温性能， 流变性能及耐老化性能。 改性沥青的介绍 n在国内，SBS改性沥青因其具有改善沥青多 方面性能的特点，是我国目前改性沥青发 展的主要方向，并认为星型改性剂的改性 效果一般优于线型改性剂； n同时，实验室对蒙脱土改性沥青进行了深 入研究，并取得国家重大科技项目的支持。 改性机理（以SBS为例） nSBS高分子链由聚丁二烯链段(PB)和聚苯乙 烯链段(PS)组成。每个聚丁二烯链段(PB)的 末端都连接一个聚苯乙烯链段(PS)

13、，整个体 系中聚丁二烯段聚集在一起形成软段，呈 橡胶的高弹性;而聚苯乙烯段聚集在一起， 形成硬段，呈塑料的高硬度。 SBSSBS的化学组成的化学组成 改性机理（以SBS为例） SBSSBS的两种结构的两种结构 线型SBS分子内没有交联，星型SBS分子内一般通过四氯化硅 偶联。 星型SBS优于其硬段形成的聚集态更密集有序，表现出更典 型的热塑弹性体的性质 改性机理（以SBS为例） SBS加入到沥青中，仅仅是物理意义上的共 混，并没有发生任何化学反应。 SBS能够吸收沥青中的饱和分、芳香分、蜡 分等物质而溶胀，改变了自由沥青的比例 和结构，使得改性沥青这一多项体系的物 理、力学性质和聚集态均发生了

14、变化，从 而改变了沥青的性能。 SBSSBS与沥青的混合与沥青的混合 改性机理（以SBS为例） nSBS在沥青中形成一个弹性网络结构，当改 性剂加入沥青后，沥青中部分油分被改性 剂吸附而进入了改性剂网络，由于沥青中 能进入改性剂网络的油分有限，因而在沥 青中改性剂只能溶胀而不能溶解，被溶胀 的改性剂呈一个个独立的粒子均匀分布在 沥青中，沥青自身性质发生了变化，同时 也使改性剂本身的一些性质发生变化，并 且微粒的存在也对沥青的流交性产生影响。 改性机理（以SBS为例） nSBS分子量大于沥青质，会从沥青中大量吸 收软沥青质并在沥青中溶胀，如果没有足 够的软沥青质就会发生相分离。 Ic=（沥青质+

15、饱和分）/（芳香分+胶质） Ic值在26%32%之间为宜 沥青对改性沥青性能的影响沥青对改性沥青性能的影响 改性机理（以SBS为例） n星型改性剂对沥青性能提高较大，尤其是 抗高温性能，但加工性能较差，容易相分 离； n线型改性剂加工性能优越，但对沥青性能 提高有限，对沥青的抗低温性能有较大提 高。 改性剂类型对改性沥青性能的影响改性剂类型对改性沥青性能的影响 国外沥青路面方面的研究进展国外沥青路面方面的研究进展 国外沥青路面方面的研究进展国外沥青路面方面的研究进展 1. 1.美国公路战略研究计划美国公路战略研究计划SHRPSHRP n沥青胶结料评价体系沥青胶结料评价体系 沥青分级沥青分级PG

16、PG指标指标: : 高温性能和低温性能高温性能和低温性能 n沥青混合料设计体系沥青混合料设计体系 高性能沥青路面高性能沥青路面(Superpave): (Superpave): 体积性能和路体积性能和路 用性能用性能 nThe importance of bond between pavement layers nMicro mechanics of crushable aggregates nNumerical modelling of crushable aggregates nCrumb rubber modifed asphalt mixtures nFatigue propertie

17、s of bitumen-filler mixture nStudy of the Fracture and Fatigue Characteristics of Bituminous Materials using Damage & Fracture Mechanics nDiscrete Element Modelling of Asphalt Mixtures nThe rheological properties, fatigue and permanent deformation testing of polymer modified bitumens nLaboratory Cha

18、racterisation of the Permanent Deformation Properties of Asphalt nDeformation Mechanisms of Pure Bitumen 沥青的变形机 理 nFracture tests on bitumen films 断裂测试 nMicro-mechanical modelling of steady-state deformation in asphalt 沥青永久变形的微机械模拟 nFailure mechanisms in viscoelastic films 粘弹路面的破坏 形式 n Monotonic and

19、 cyclic behaviors of polymer modified bitumens 聚合物改性沥青的静动本构规律 nMission（任务）（任务） nUndergraduate and graduate student training in asphalt technology （研究生和本科生沥青技术培训） nTechnical personnel training（技术人员培训） nResearch （研究） n Extension and testing services （外延测试服务） 5、The National Center for Asphalt Technolog

20、y-(NCAT) (NCAT) Auburn University （奥本大学） To be a world leader and authority in hot mix asphalt research, development, technology, and education in the areas of: Structural Design 结构设计 Construction Methods 施工工艺 Materials and Testing 材料测试 Performance Measurement and Prediction 路用性能评价及 预测 Pavement Pres

21、ervation, Rehabilitation, Recycling, and Maintenance 耐久性，再利用及养护 Highway Safety 高速公路安全性 奥本大学环道试验场 6.6.美国Turner-Fairbanks Turner-Fairbanks 公路沥青研究中心公路沥青研究中心 nResearch Categories: Human Centered Systems 人性化人性化 Materials Technology Operations & Intelligent Transportation Systems (ITS) 智能运输控制系统智能运输控制系统 Pa

22、vements Safety Structures 7.The Texas Transportation Institute7.The Texas Transportation Institute 德克萨斯交通运输部德克萨斯交通运输部 nDesign - highways, structures, and roadside features nMaterials, Construction, and Maintenance - soils, foundations and construction materials, and pavement maintenance The largest

23、university-affiliated transportation research agency in the United States！ 8. Road and Railway Engineering -Delft University of Technology （代尔夫特理工大学 荷兰） Mechanical Behavior Reflective Cracking 反射裂缝反射裂缝 Fatigue 疲劳疲劳 Permanent Deformation 永久变形永久变形 Model Analysis Three-Dimesional Finite Element Analysis 有限元模拟有限元模拟 Fracture mechanics 断裂力学断裂力学 Visco-elastic theory 粘弹理论粘弹理论 Design Road Surfacing Seals 路面封层路面封层 Concrete block road pavements 混