sbs改性沥青指标体系研究综述

sbs改性沥青指标体系研究综述

1改性沥青技术2018年末，中国公路总距离超过448万公里。作为道路建设的最重要材料之一，沥青路对道路质量起着重要作用。传统沥青已在大多数公路路面、桥用路面的应用中取得令人满意的效果，但是随着道路服役过程的开始及延展，在行车荷载的不断作用下，特别是重载交通及渠化交通的作用，道路路面出现了裂缝、变形、坑槽等损害。这些病害大大降低了路面使用性能，甚至引起路面结构破坏。因此，为了保障沥青路面长期保存良好的服务性能，适应不同行车环境、气候环境等的使用需求，人们试图通过在传统沥青的基础上，采用添加外加剂的方法对传统沥青进行改性，从而改善传统沥青在高温性能等方面的不足。常见的沥青改性方法有物理改性、化学改性等，其中物理改性方法由于所需添加改性剂含量少且改性效果明显而备受青睐，其中以添加SBS改性剂生产SBS改性沥青最为常见，同时，SBS改性沥青加工工艺简单，来源广泛，因而成为江苏省高速公路沥青路面主要运用的改性沥青品种为了有效控制SBS改性沥青的质量，20年来江苏省在课题研究与标准制定方面做了大量工作。从2006年开始至今，江苏省交通工程建设局陆续主持完成了《沥青胶结料路用性能关键指标的研究》、《江苏省高速公路SBS改性沥青技术标准体系优化研究》等课题研究项目，形成了三阶段的江苏省改性沥青技术指标体系研究发展历程：第一个阶段从20世纪90年代开始到2008年，为成形期，该阶段归纳总结了国内外改性沥青技术标准体系并进行了对比分析，在总结的基础上，重点引入美国沥青PG等级性能规范，结合省内改性沥青材料技术指标体系的研究，制定了《江苏省高速公路沥青路面施工技术规范》（简称08规范）；第二个阶段从2009年到2016年，为应用期，该阶段结合近十年改性沥青材料的检测结果，不断消化、吸收“08规范”；第三个阶段从2017年开始，随着改性沥青材料自身的发展，应用近20年的DB32地方标准逐渐呈现不适应性，由此开展对改性沥青技术标准体系的优化研究。通过20年的研究历程总结，结合对不同国家（地区）工程项目SBS改性沥青技术指标体系的对比分析，明确当前SBS改性沥青技术指标体系仍然存在的问题，提出未来SBS改性沥青指标体系研究发展的思考。2性沥青的制备沥青改性是在基质沥青中加入改性剂，以制备性能优良的改性沥青。SBS改性沥青的制备过程是：首先将SBS改性剂添加到基质沥青中；其次，将SBS改性剂与基质沥青的混合物进行机械搅拌，在机械搅拌的过程中，SBS改性剂与基质沥青混合得更加充分，并发生物理溶胀作用，从而改善基质沥青的性能3性沥青技术指标的确定由于改性沥青的特性与普通道路石油沥青的特性有较大差异，因此，改性沥青的质量控制标准不能简单沿用普通道路石油沥青的标准，为此，许多国家开始寻找新的技术指标及标准。概括目前世界范围内具有代表性的改性沥青指标体系主要有3种：针入度体系、黏度体系和PG体系3.1交通改性沥青在我国基针入度评价体系以25℃针入度作为标准，使用该体系的国家（地区）主要有中国、欧洲等。欧洲改性沥青技术规范NFT65-031已被现行的欧洲改性沥青技术规范EN14023所替代，主要包含一些常规的试验项目，包括针入度、软化点、老化等，是改性沥青的基本要求和分类依据我国以前并没有改性沥青的技术标准，后来主要参考国外的标准同时根据我国近些年来的施工实践，编制了《公路改性沥青路面施工技术规范》（JTJ036）。根据聚合物类型将改性沥青分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类，按照针入度的不同，将Ⅰ、Ⅲ类聚合物改性沥青分为A、B、C、D四个等级，将Ⅱ类分为A、B和C三个等级，以适应不同的气候条件。同一类型中的A、B、C或D主要反映基质沥青标号及改性剂掺量的不同，由A到D表示改性沥青针入度减小，黏度增加，即高温性能提高，但低温性能下降。考虑到针入度、软化点、延度等指标在实际工程中应用的方便性，2004年，在主要采用针入度体系思想架构的基础上，参考美国ASTM标准，形成了我国SBS改性沥青检测指标的要求标准《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004)由于我国地域广阔，不同的地区其气候条件、行车量大小、服务性能要求存在较大的差异，所以国内部分省份在国家标准的基础上，结合各省的气候条件、性能要求等制定了适用于本省的地方标准使用针入度分级体系的国家及地方标准的详细对比情况见表1。3.2国外亚、日本等黏度体系的主要指标为黏度，使用该体系的国家（地区）主要有澳大利亚、日本等。澳大利亚自1970年起采用黏度作为改性沥青的评价指标日本也是在公路建设中使用改性沥青比较早的国家之一，在日本的改性沥青标准使用黏度分级体系的国家（地区）标准的详细对比情况见表2。3.3pg目标函数及沥青胶结料技术标准针入度分级体系根据标准试验条件下针入度数值大小区分沥青等级，黏度分级体系根据标准试验条件下转子抵抗扭动力数值大小区分沥青等级，两者试验结果的数值与道路使用性能相关性不密切，由此出现沥青针入度或黏度测试结果不满足要求，但实际工程使用情况满足要求的情况。按照指标体系的要求，该现象是无法解释的。由此美国在1987年～1993年开展了公路战略研究计划，目的是提出与沥青路用性能相关性良好的技术指标及要求由于早期建立PG分级体系时，美国道路工程使用的沥青主要为基质沥青，所以研究提出的PG分级中的指标及控制标准均是基于基质沥青的研究成果，当将其沿用于检测SBS改性沥青时，大量的研究表明，早期提出的PG分级规范不能正确评价改性沥青的性能，由此，PG规范也进行了进一步的优化，在过去经验基础上，结合新的研究成果推出了PGPlus(PG+或SHRP+）规范为了准确评价非牛顿特性的改性沥青在受力条件下的相应，在SuperpavePlus规范的基础上，引入了多应力重复蠕变试验，由此PG规范进入了PGMSCR的第三阶段目前，美国各个州都有自己的沥青胶结料规范。对于改性沥青规范，有的州即在原有的普通铺路沥青规范的基础上增加了一些附加指标，例如：相位角、弹性恢复、多应力重复蠕变试验等，也有一些州改性沥青规范和普通道路石油沥青规范一致，各个州都不完全一样。表3分别列出了美国几个州（德克萨斯州、佐治亚州和路易斯安那州）的沥青胶结料技术标准。从表3中可以看出，不同州都是根据不同地区的气候条件，划定不同的PG等级，然后对PG等级对应的原样沥青、旋转薄膜老化后的沥青、PAV老化后的沥青的相关PG性能指标提出要求。有些州还在PG性能分级的基础上增加了部分PGplus指标（弹性恢复、黏韧性、离析值等指标）和PGMSCR的指标。3.4pgib产品分级通过对比各个国家（地区）的改性沥青指标体系发现：欧洲、中国、澳大利亚、日本等采用的针入度体系及黏度体系指标都属于经验型指标，使得指标检测结果与实际路用性能的相关性较差，不能有效控制沥青路面的路用性能。因此，针入度体系和黏度体系也引起了越来越多的质疑。PG分级存在的问题在于其研究模型是建立在基质沥青的基础上，在应用时有很多地方不适合改性沥青。美国国家合作公路研究项目的研究结果表明改性沥青的PG性能结果与试验室测得的改性沥青混合料性能不一致，仍有待进一步研究完善。4江苏省改性沥青技术体系发展历程回顾为了破解SBS改性沥青质量管控存在的机理不明确、指标体系不尽合理、信息化监管手段缺失、质量波动性大、早期路用性能衰减快等技术难题，江苏省交通工程建设局组织相关单位开展了20年的科研攻关和工程实践，基于4100km高速公路的SBS改性沥青检测数据及监管经验，对SBS改性沥青指标体系及信息化监管平台进行了系统研究，研究的发展历程大致经历了3个阶段。4.1外改性沥青技术标准体系的分析与制定从20世纪90年代开始到2008年，为SBS改性沥青技术指标体系的成形期，该阶段归纳总结了境内外改性沥青技术标准体系并进行了对比分析，在总结的基础上，重点引入黏度体系的60℃黏度指标及PG体系的SHRP性能等级指标，同时，结合夏热区的气候特点，重点针对沥青材料的高温性能进行深入研究，制定了“08规范”。成形期省内建成通车的代表性高速公路有：沪宁、京沪、沿江、通启、沿海等高速公路。4.2沥青的使用情况从“08规范”形成之后，省内高速公路沥青材料的质量控制即按照此标准执行。从2009年～2016年，“08规范”使用情况良好，对沥青材料的质量起到了有效的把关作用。应用期省内建成通车的代表性高速公路有：沪苏浙、宁常、镇溧、江海、宁扬、临连、盐靖高速公路三期、锡张、机场、疏港、苏通大桥等高速公路，累计超过2000km。4.3建立一个标准化的沥青质量评价体系，确保了改性沥青改性沥青技术指标体系从成形到应用到现阶段已经走过了近20年的历程，随着时间的推移，原油开采技术及石油加工产业的发展，市场上出现了种类繁多的沥青产品，且质量不稳定、变异性较大，从而导致沥青路面出现了如松散、开裂等早期病害。采用早期形成的指标体系已经很难适应新阶段改性沥青质量的评价，该问题不仅是境内技术标准体系遇到的问题，同时也是境外标准遇到的问题。为此2017年江苏省交通工程建设局开展了“江苏省高速公路SBS改性沥青技术标准体系优化研究”，重点解决新时期改性沥青出现的质量变异性大、质量优劣难以甄别、检测方法不统一、检测结果与路用性能相关性差的问题。提出了以短期老化后指标为主的SBS改性沥青质量评价体系构建思路，增加了RTFOT软化点差、弹性恢复差和不可恢复蠕变柔量作为评价改性沥青质量的关键指标，取消了RT-FOT+PAV后的质量损失等6个非有效指标，控制质量评价检测指标总数为13个，使得高速公路沥青检测费用每公里节省20万元，指标评价结果与实际路用性能相关性提升至90%。此外，开发了软化点、针入度、延度等参数的自动化实时采集方法与装置，制定了标准化的数据元结构与物联网接口协议，建设并运营了“江苏省高速公路沥青路面质量数据中心”，形成了以沥青路面质量数据中心为依托，以严格的苏交建质[2018]77号文沥青及沥青混合料技术要求为质量标准，以沥青红外光谱指纹识别为现场快速检测手段，以沥青供应单位接受生产全过程的监督、路面施工单位全面检测验收、路面技术服务单位驻厂检测监控为质量管控方法。该体系包括三大内容：检测体系、指标体系、信息化监管体系。5苯二甲酸钠的质量检测方法在改性沥青检测中的应用进展改性沥青的宏观性质是由其微观结构和化学组成决定的，同时，其宏观性质与沥青路面的路用性能密不可分。前期受限于微观测试设备、方法匮乏的影响，国内外普遍采用的针入度体系、黏度体系、PG体系，均致力于构建沥青宏观测量指标与沥青路面性能的关系，其次通过测试沥青的宏观指标，对沥青质量进行控制，指导工程选择优良质量的沥青。但是随着原油开采技术及石油加工产业的发展，市场上出现了种类繁多的沥青产品，采用原有的沥青宏观测试指标很难测试甄别沥青质量的好坏，即当前的宏观测试指标用于控制沥青质量会失效。此外，改性沥青生产、销售和道路施工等过程中的必检指标，均为宏观物理力学指标，但是，改性沥青的质量检测长期存在着：（1）宏观指标的检测周期长，检测过程需要多种检测设备，操作过程复杂，一方面造成不同的检测设备所测试的结果甚至不具备可比性，另一方面长期存在着检测结果滞后于需求的情况，严重影响着过程中对SBS改性沥青质量的监控；（2）目前的检测指标仅关注了沥青宏观物理力学性能的测试，而对沥青细微观分子成分及组成，从细微观角度研究沥青化学性能等的测试研究还处于初步阶段，相关研究成果也未成熟；（3）宏观力学指标测试过程中，部分操