对改性沥青改性机理的探讨

1、总第205期交通科技Serial N o.2052004年第4期T ranspo rtati on Science&T echno logy N o.4A ug.2004收稿日期:2004203212对改性沥青改性机理的探讨易洪(深圳市公路勘察设计院深圳518131摘要分析改性沥青形成的原因、途径,通过对两种改性沥青的微观结构分析和性能比较,证实改性过程是一个复杂的物理化学过程,认为保证改性效果的首要条件是改性剂与基质沥青之间具有良好的相容性。因此,为取得良好的改性效果,聚合物改性应充分保证以物理改性为主,以化学改性为辅。关键词沥青改性机理分析沥青路面因其行车平稳舒适、噪声低、易于养护

2、和维修方便等优良的使用性能,在高等级公路中得到广泛应用。然而普通沥青混凝土是一种典型的流变性材料,其性能的发挥受时间、温度的影响较大。在高温时期,其劲度变小,在行车荷载反复作用下产生塑性变形,久而久之,塑性变形累积形成车辙;在寒冷时期,其劲度增大、脆性增强而柔性降低,变形能力减弱,当温度应力或温度疲劳应力累积超过其抗拉强度时,会产生细微裂缝,在行车荷载反复作用下裂缝逐渐扩展,路表水渗入后会导致路面迅速损坏。为改善普通沥青的高温、低温性能,提高沥青路面的使用性能和使用寿命,对沥青进行改性已成为一种必然的趋势。改性沥青的路用性能优于普通沥青,并可显著改善沥青路面的使用性能,然而改性沥青的机理迄今尚

3、未完全明确,一方面是由于对沥青本身的结构组成认识不足,加入聚合物改性剂之后形成的微观多相结构更趋复杂;另一方面由于常规的沥青试验方法及评价指标不能全部适用于改性沥青。所以,探讨改性沥青的机理以完善改性沥青技术、建立关于改性沥青及混合料的设计、生产、施工的完善体系很有必要。1理论基础改性沥青属于高分子材料的共混改性,目前针对高分子材料的共混改性,主要有以下两种理论。1.1界面理论1该理论认为:改性效果除与相容性有关外,还取决于材料本身的性质及改性剂2沥青两相界面的性质,界面性质又取决于两相界面上局部扩散的深度及两相的相互作用能。只有具备适当的相容性及良好的界面性质才能得到性质优良的改性材料。用界

4、面理论来解释聚合物复合材料的机理都基于界面层有效的应力传递这样一个设想。应力传递主要通过以下几种途径2。(1化学键玻璃纤维2偶联剂2树脂基体内界面的化学键研究,认为含有化学官能团的偶联剂,其官能团既能与玻璃纤维又能与树脂中的官能团反应。(2应变层(松弛界面认为在偶联剂的作用下,分散相与分散介质之间产生一个应变层以消除产生的应力,并且构成内界面的物质很可能是分散相与分散介质之外的第三种聚合物。(3抑制层(刚性界面假设存在中等模量的内界面层,那么应力在高模量相与低模量相之间的传递能够均匀发生。(4表面可湿性鉴于物理吸附在树脂与玻璃纤维之间,故产生比树脂本身内聚力更大的粘结力。(5把化学键和抑制层理

5、论的“刚性界面”观念、变形层理论的“松弛界面”观念结合起来。如前所述,聚合物复合材料中常用偶联剂来加强内界面的强度及稳定性,由此给我们一个有益的启示:是否可以采用某种适当的材料来增强聚合物改性剂与基质沥青界面的强度?1.2溶解度理论3现实中两种材料在共混时能够完全相溶的情况极少,然而在生产实践中通过对两种材料的合理选择,辅之以适当的生产工艺可以得到微观多相、宏观均匀分布的稳定体系。两种材料共混,由于大分子间的相互扩散而使分子链段位移,形成过渡层,因而使体系稳定。热力学相溶的两种材料其大分子可扩散至完全溶解,最终形成均相的热力学稳定体系,否则只能发生局部扩散,扩散程度取决于两相溶解度参数的差异。

6、同时,两种材料在机械力作用下共混时,大分子链被切断,产生极为活泼的大分子自由基,一部分长链自由基与氧结合,生成较短链段的聚合物,另一部分则互相结合,生成新的共聚物,如生成接枝或嵌段共聚物。这种共聚物的溶解度参数介于两种共混材料之间,从而在两相之间起着桥梁作用,提高了体系的相容性。基于该理论,选择溶解度参数与基质沥青比较接近的聚合物对其进行改性可望得到较好的改性效果。需要指出的是,上述两种理论并无矛盾之处,区别只是分别从不同的角度出发,在微观水平上对高分子材料共混改性的机理进行了解释。2改性沥青机理分析改性沥青作为一种共混改性材料,其性能必然与基质沥青的性质密切相关。因此,分析改性沥青的机理首先

7、需要从基质沥青的结构入手。关于沥青的结构,目前有两种理论胶体理论和高分子溶液理论4。现代胶体理论认为,沥青的胶体结构以固态微粒的沥青质为分散相,液态的芳香分、饱和分为分散介质,半固态的胶质起着胶溶剂的作用。若干沥青质微粒聚集在一起,吸附极性的胶质,形成“胶团”,胶溶于分散介质中,形成稳定的胶体。由于沥青质分子量高,极性很强,所以不能直接胶溶于分子量低、极性弱的芳香分、饱和分组成的分散介质中,尤其是饱和分的胶凝作用会阻碍沥青质的胶溶,而极性较强的胶质则在二者中间起到了过渡的作用。因此在沥青的胶体结构中从沥青质到胶质、乃至芳香分、饱和分,极性逐步递减。从这种意义上来讲,各组分的含量必须相匹配才能形

8、成稳定的胶体。根据沥青中各组分的化学组成和相对含量的不同,胶体结构可分为3种类型溶胶结构、溶2凝胶结构和凝胶结构。近年来,随着高分子溶液研究的不断深入,有研究人员开始用高分子溶液理论来解释沥青的结构。该理论认为,沥青是一种以高分子量的沥青质为溶质,以低分子量的软沥青质为溶剂的一种高分子溶液。溶液的稳定性决定于沥青质的含量、沥青质与软沥青质之间溶解度参数的差异。基于胶体理论,如把溶胀的聚合物粒子也视为一种“胶团”,则沥青胶体结构为:2种胶团沥青质胶团和聚合物粒子胶团质中,因此如果把基质沥青视为单独的一相时,则改性沥青中存在着3种区域结构聚合物相、沥青相及介于二者之间的第三相界面相。改性沥青的生产

9、过程中,通常在高温下将聚合物机械破碎为微米级的颗粒,高度分散在沥青中,导致体系总表面能显著增加。生产过程中对体系所做的功使其能量增加,以表面能的形式存在于体系中。聚合物破碎程度越高,粒子表面能越高,根据能量最低原理,体系有自发地降低表面能的趋势,这种趋势的实现有两个途径:(1聚合物子相互碰撞,重新聚结,使得体系界面减小,从而降低表面能。显然,结果虽然形成了稳定的体系,但已产生了严重的相分离,聚合物实际上已经起不到改性作用。(2聚合物粒子在软沥青质的作用下发生溶胀,有选择地吸附沥青中的物质在其表面,降低其表面能,同时形成介于聚合物相和基质沥青相之间的第三相界面相,这就形成了理想的稳定体系,聚合物

10、能够充分发挥其改性功能。显然,聚合物粒子的溶胀是其起到改性作用的关键环节,充分的溶胀保证了界面层的形成。界面层无论就组成还是就结构与性能而言,都是介于两相之间的第三相,它使共混体系得以稳定,并为之提供特殊性能。聚合物在基质沥青中溶胀后表现出区别于聚合物又不同于沥青的界面性质。这种多相体系的特殊性能不存在于组分本身之中,只存在于界面中,界面通过传递、阻断、吸收等作用导致特殊性能的出现。传递界面的传递作用典型地表现在力的传递上。共混材料在外力作用下,界面处力的传递会改变方向,使力的作用分散。阻断界面的阻断作用对共混材料的抗拉强08易洪:对改性沥青改性机理的探讨2004年第4期度及抗冲击性能起重要作

11、用,当裂纹发展至界面时可能被终止、阻断。吸收各种波,如冲击波等,在界面处会发生能量吸收现象,所以动态疲劳性能与共混材料的界面性质有关。高分子溶液理论认为改性沥青中界面层的形成原因是:聚合物改性剂和基质沥青大分子间的相互扩散而使分子链段位移、形成界面层,从而使体系稳定。扩散程度取决于聚合物改性剂和基质沥青之间溶解度参数的差异。如果差异很小,则可扩散至完全溶解,最终形成均相的热力学稳定体系,否则只能发生局部扩散。同时,基质沥青和聚合物改性剂在高温下通过机械力共混时,大分子链被切断,产生极为活泼的大分子自由基,其中的部分会互相结合,构成界面相,其溶解度参数介于基质沥青和聚合物改性剂之间,从而在两相之

12、间起着过渡作用。3实验验证与分析采用韩国70号和埃索70号2种基质沥青,分别掺入5%SB S改性剂,采用相同的工艺制备2种改性沥青样本,以分析其性能和微观结构。利用OL Y M PU S荧光显微系统观察2种改性沥青的微观结构,发现SB S在2种基质沥青中是2种截然不同的结构形态。在韩国沥青中,SB S 保留了完整的结构形态,呈“藕片”状结构,粒径分布在3050m之间;在埃索沥青中SB S呈微粒状结构,细度在1m以下。2种改性沥青所采用的改性剂品种和制备工艺完全相同,而微观形态的明显差异由于基质沥青的差异所致。SB S在埃索沥青中呈细度较高的微粒状分布,表明SB S在埃索沥青中完全熔融,化学改性

13、起主导作用;另一方面,如此高的细度说明SB S微粒在基质沥青中没能得到充分的溶胀,因而无法保证界面相的最终形成。SB S在韩国沥青中呈“藕片”状分布,保留了完整的结构形态,表明起主导作用是物理改性,表明SB S在韩国沥青中得到了充分的溶胀,其程度远远超过在埃索沥青中,这种充分的溶胀保证了界面相的形成。在此基础上通过SB S和基质沥青间大分子链的热力学扩散及部分大分子自由基的相互结合促成了界面相的最终形成。“藕片”状分布表明基质沥青已明显进入SB S内部,不仅在SB S的表面、而且在其内部也形成了界面相,这样就进一步增大了界面的面积和强度。可以认为,韩国改性沥青中界面相的面积及强度明显高于埃索改

14、性沥青。2种改性沥青微观形态的明显差异必然导致改性沥青在宏观性能上的较大差异,见表1所列。表1沥青主要指标比较表测试指标沥青品种韩国70号+5%SBS埃索70号+5%SBS韩国70号原样埃索70号原样测力延度715拉力峰值 N韧功 Nm拉力峰值 N韧功 Nm110.332.5631.213.38>137.2>15.832.38.197延度 c m643086.8 15延度 c m98.581>150>150软化点 65.559.5484925针入度 0.01mm44.543.56264存贮稳定性软化点差 724结语(1基质沥青的性质对聚合物改性剂在改性沥青的微观结构形态

15、、改性沥青的宏观性能有较明显的影响。(2同样的改性剂对不同的基质沥青的改性效果有所差异。因此,在实际生产中,对基质沥青进行改性必须充分考虑改性剂和基质沥青的适配性问题。(3聚合物改性是一个复杂的物理化学过程,改性过程中既发生了物理变化也发生了化学变化。为取得良好的改性效果,聚合物改性应充分保证以物理改性为主,以化学改性为辅,通过适当的生产工艺使改性沥青成为微观多相、宏观均匀分布的稳定体系,在保留聚合物改性剂自身技术性能的前提下才能起到改性作用。182004年第4期易洪:对改性沥青改性机理的探讨总第205期交通科技Serial N o.2052004年第4期T ranspo rtati on S

16、cience&T echno logy N o.4A ug.2004收稿日期:2004203219龙大一级公路的软基处理张宪彬1何晖宇2(1.深圳市公路局工程总队深圳518019;2.深圳市公路勘察设计院深圳518131摘要通过土工织物加筋垫层合成材料在深圳市龙大一级公路处理软土地基中的成功实例,详细介绍土工合成材料工艺特点、适用范围、控制标准及所达到的效果。关键词土工织物加筋垫层处理软基深圳市龙大公路深圳段是深圳市平原微丘区的一条一级公路,路线起于深圳龙华镇,终于东莞大岭山,路线全长20.38km,路基宽33m。路线经过地区多为丘陵地和盆地,并有多个路段经过公明镇农业生产基地的鱼塘区

17、,因此,在地质条件较差的地方采用了多种软基处理方法。其中K2+ 120K2+270段为老河床位置,地质条件差,上部为杂土层,厚度2.34.0m,土质密度极不均匀;下部为510m厚的淤泥。天然地基承载力很低。经过处理方案比较,决定采用土工织物加筋垫层进行地基处理。土工织物加筋垫层是近几年发展起来的土工合成新材料,用其处理大面积软土地基乃是一项新课题。加筋垫层既具有钢筋砼刚性板的抗剪抗拉能力,又具有一定的塑性,能够适应地基变形,是一种比较理想的软基处理方法,与其他地基处理方法联合使用,具有广阔的发展前景。1土工织物的作用机理1.1软土地基加筋作用当地基土抗剪强度较低,不足以承受路堤填料引起的基底应

18、力时,用一层或数层土工织物沿地基面铺设,能增加地基的承载力,提高地基和路堤的稳定性,减小土堤的水平位移和基底的沉降差。(1路堤铺设土工织物后,抗剪强度的提高是因为作用在剪切滑动面的正应力增加,同时剪应力减少。(2抗剪强度的提高与土工织物铺设方向有关。若土工织物沿剪切滑动面铺设时,因为界面摩擦角小于土内摩擦角,反而会使抗剪强度降低。(3土工织物沿路堤中最大抗应变方向铺设,可得最佳加固作用效果。1.2路堤与软基的隔离作用在软土地基上填筑路堤时,若不铺设土工织物,由于自重和荷载作用下,填筑路堤的粗粒材料有可能陷入软土层中,这样就会破坏软土表层的结构,降低其强度以及增加道路的变形。若在软土上铺设土工织物,路