（交通运输工程专业论文）西宁机场跑道不停航罩面工程改性沥青混凝土施工应用技术研究.pdf

摘要随着我国经济的高速发展，改建机场的任务十分繁重，预计到2 0 0 9 年底，全国要新建4 0 个民用机场，改、扩建的机场多大3 0 多个，此外大机型的引进及机场航班数量的增加，对机场跑道道面技术参数提出更高要求。我国民用机场跑道历来以水泥混凝土为主，大部分已使用了3 0 年以上，处于超期服役状态，在旧的水泥混凝土或沥青道面上加铺新的沥青混凝土面层业已成为现在民用机场道面主要的改造方式。本课题结合西宁机场跑道改造工程实例，针对机场不停航施工要求，对改性沥青的机理以及基质沥青的选型、与改性剂的相容性、改性沥青混合料使用性能、机场不停行条件下的设备选型、配置、施工工艺等定向进行评价与分析研究。结果表明，采用国产克拉玛依沥青制备成s b s 改性沥青路用性能优良，可满足机场道面技术要求。提出了适合不停航施工的机械配置方案，并优化了施工工艺参数，制定了各种应急预案，形成了完整的不停航施工技术。关键词：改性沥青机理技术性能不停航施工工艺罩面a b s t r a c ts i n c e2 0 0 0 ，t h ec i v i la v i a t i o no fc h i n as e e sad o u b l e - d i g i tg r o w t hr a t ee a c hy e a r t h ei n t r o d u c t i o no fl a r g ea i r p l a n em o d e l sa n dt h ei n c r e a s ei nt h en u m b e ro ff l i g h t sd e m a n dh i 【g ht e c h n i c a lp a r a m e t e r so nt h er u n w a yp a v e m e n t t h eo l da i r p o r tm o d e l sn ol o n g e rm e e td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld e m a n d s r e f o r m i n go l da n db u i l d i n gn e wa i r p o r t sb e c o m eah e a v yt a s k i ti se s t i m a t e dt h a t4 0n e wc i v i l i a na i r p o r t sn e e dt ob ec o n s t r u c t e da n dm o r et h a n3 0n e e dt ob er e m o d e l e da c r o s st h ec o u n t r yi n2 0 0 9 b yt h ee n do f2 0 0 9t h e r ew i l lb em o r et h a n2 0 0c i v i l i a na i r p o r t si no p e r a t i o n i nc h i n a , c i v i l i a na i r p o r tr u n w a yh a sb e e nm a i n l yi nc e m e n tc o n c r e t e t h em a j o r i t ya i r p o r t sh a v eb e e ni nu s ef o rm o r et h a n3 0y e a r s ，i nas t a t eo fe x t e n d e da c t i v ed u t y w ea r ef a c i n ga na r d u o u sa n dd i f f i c u l tt a s ko fa d d i n gn e wa s p h a l tt ot h eo l dc o n c r e t eo ra s p h a l tr u n w a yp a v e m e n t t h r o u g ht h es t u d yo ft h ec h o s e ns u b j e c t ，c o m b i n e dw i t ht h ee n g i n e e r i n ge x a m p l eo fm e c h a n i s mo f m o d i f i e da s p h a l t ，t h em a t r i xs e l e c t i o no fa s p h a l t , t h ec o m p a t i b i l i t yo fm o d i f i e r , a n dt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so fa s p h a l tm i x t u r e ，t h ee q u i p m e n ts e l e c t i o n , c o n f i g u r a t i o na n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e sa r ea l la n a l y z e da n de x p l a i n e du n d e ru s u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fa i r p o r t s t h es u c c e s so ft h ex i n i n ga i r p o r tr u n w a yo v e r l a yp r o j e c th a sp u ta ne n dt ot h eh i s t o r yo fh e a v i l yr e l y i n go ni m p o r t i n ga s p h a l tf o rd o m e s t i cp a v e m e n tc o n s t r u c t i o n s t h ep r o j e e tw a sn o to n l yt h ef i r s to n eo nm a k i n gu s eo f d o m e s t i ca s p h a l tm o d i f i e ra n da d o p t i n gs b st om o d i f yb i t u m e ns i n g l e ，i th a sa l s op r o v i d e dag o o dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rm o d i f i e da s p h a l tc o n c r e t eo v e d a yt e c h n i q u e s t h i sp r o j e c th a ss e tag o o de x a m p l ef o rf u t u r ea i r f i e l dp a v e m e n tc o n s t r u c t i o nw h i c hw i l lb eh e l df o rh a r b i n ,t i a n j i n , d a l i a n ，q i n g d a o , k u n m i n g ，c h a n g s h aa n do t h e ra i r p o r t s k e y w o r d s ：a s p h a l tp a v e rr e s e a r c hm o d i f i e rm e c h a n i s mt e c h n i c a lp e r f o r m a n c er o a dr o l l e rm i x i n gs t a t i o nc o n s t r u c t i o ni l论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签0 年易只罗b论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者导师签莎梦钿艿日埘年莎月孑日长安大学硕士学位论文1 1 研究目的及意义第一章绪论机场行业属于资金密集型交通基建行业，机场和航空公司为航空运输业的两大组成部分。经过几十年的建设和发展，中国机场总量初具规模，机场密度逐渐加大，机场服务能力逐步提高，现代化程度不断增强，初步形成了以北京、上海、广州等枢纽机场为中心，以成都、昆明、重庆、西安、乌鲁木齐、深圳、杭州、武汉、沈阳、大连等省会或重点城市机场为骨干以及其他城市支线机场相配合的基本格局，中国民用运输机场体系初步建立。截至2 0 0 6 年底，中国( 不含港澳台地区) 共有民航运输机场1 4 7 个，其中军民合用机场4 5 个，全国机场平均密度为每1 0 万平方公里1 5 3 个；按经济地理分布，东部地区4 1 个、中部地区2 5 个、西部地区6 9 个、东北地区1 2 个；按地区划分，东北、华北、华东、中南、西南、西北6 个地区的机场数量分别为1 2 个、1 8 个、3 7 个、2 5 个、3 1 个和2 4 个。绝大多数机场的建设和发展是以航空运输市场需求为基础，初步形成了与我国国情国力相适应的机场体系，为促进和引导国民经济社会发展、加强国防建设和保障国家安全发挥着重要作用。若以地面交通1 0 0 公里或1 5 8 , 时车程为机场服务半径指标，现有机场可为5 2 的县级行政单元提供航空服务，服务区域的人口数量占全国人口的6 1 、国内生产总值( 6 d p ) 占全国总量的8 2 。预计十一五末，全国民用机场将达至u 2 0 0 个。改革开放前修建的大部分机场已经不适应国内外旅客运输的需要，新建、改建机场的任务十分繁重，我国民用机场跑道历来以水泥混凝土为主，大部分已使用3 0 年以上，处于超期服役状态。空客3 8 0 、波音7 7 7 等大机型的引进使用，每年平均两位数递增的旅客吞吐量，民用机场日益繁忙，造成现有很多机场道面破损非常严重。机场管理当局面临着如何安全保证航班的起降，道面如何满足适航要求的难题。飞行区旧道面进行沥青混凝土罩面，既能保证道面快速修复，恢复道面的使用功能，同时也能保证机场的正常运营。西宁曹家堡机场位于青海省互助县高寨乡境内，1 9 9 1 年底建成并通航，跑道磁方位11 0 。2 9 0 。，海拔2 1 7 9 m ，跑道长3 0 0 m ，宽4 5 m ，两端防吹坪6 0 m x6 0 m ，跑道道面为沥青混凝土，飞行区等级指标为4 d ，站坪为2 7 0 m 9 0 m ，两条联络滑行道长2 1 9 5 m ，宽2 3 m ，道肩宽全部为7 5 m ，沥青道面厚1 8 c m ，由三层组成，上层为4 c m 中粒式沥青混凝第一章绪论土，中层为6 c m 粗粒式沥青混凝土，下层为8 c m 沥青碎石。机场场区所处地区属高原性大陆气候，冬季寒冷，夏季凉爽，但气候变化较大，年平均气温为6 。c ，根据近十年气象统计资料显示，最高气温3 7 ，最低气温一2 1 4 ，日最大温差2 2 8 ，年平均降雨量3 6 1 5 m m ，并且降雨集中在六、七、八三个月份，多为雷阵雨。由于机场温差变化大，日照长，紫外线强等，在进行道面加铺改造前道面已普遍老化，致使机场混凝土面层出现了较严重的表面的松散脱落现象，1 9 9 7 年已对跑道两端两处共8 0 0 多米下沉较严重地段道面，采用了在其上加铺沥青混凝土的办法进行了修补，而对石子的脱落、裂脆等现象仅进行了小范围的维护，没有进行全面整修，1 9 9 9 年对道面采取了喷洒乳化沥青临时灌缝等应急处理措施。鉴于这种情况，决定对跑道道面进行s b s 改性沥混凝土青罩面处理。1 2 国内外不停航罩面施工现状伴随着改革开放，中国经济的快速腾飞，中国的民用航空事业进入了建设高峰期。改建机场的任务十分繁重，预计到2 0 0 9 年底，全国要新建4 0 个民用机场，改、扩建的机场多达3 0 多个。我国民用机场跑道历来以水泥混凝土为主，大部分已使用了3 0 年以上，处于超期服役状态，很多机场跑道道面出现了道面裂缝、板块错台拱起、露石等病害，因为石子脱落吸入飞机发动机划伤叶片、扎破起落架轮胎等现象时有发生，严重威胁到飞行器的安全，直接对旅客的人身安全构成了威胁。板块的错台也影响到飞机的起降的舒适程度。大机型的引进及机场航班数量的增加，对机场跑道道面技术参数也提出更高要求。目前解决这一问题的主要方式就是在旧的水泥混凝土或沥青道面上加铺新的沥青混凝土面层即进行跑道不停航罩面施工。民用机场跑道不停航罩面施工是指在不影响机场正常运营或者在夜间航班结束后进入飞行区，对需要改造的道面进行罩面，是今后民用机场改造建设的发展趋势。不停航施工工期紧，有效作业时间短，工艺复杂、技术要求高、难度大、安全保障责任重大，必须确保机场在施工完成后即投入正常运营。1 9 8 8 年上海虹桥国际机场首创加铺沥青混凝土面层，在使用1 0 年后，于1 9 9 8 年加铺了第二次。继此之后，北京、广州、厦门、兰州、桂林、等机场都进行了加铺，大多采用p e 、e v a 改性沥青，1 9 9 6 年北京首都国际机场东跑道加铺沥青混凝土面层，采用s b s + p e 复合改性沥青技术，计划今年进行第二次2长安大学硕士学位论文沥青混凝土罩面。自2 0 0 0 年以来，哈尔滨、天津、昆明、合肥、青岛、大连、长沙、厦门、嘉峪关、西宁等二十多个机场跑道都实施了跑道沥青混凝土罩面，跑道的适航条件得到较大提高。其他一些机场也计划进行不停航沥青混凝土罩面，预计2 0 0 9 年将有十个机场进行这样的专业改造。美国早在8 0 年代末9 0 年代初，曾经对1 0 多个民用机场进行了沥青混凝土罩面，并由美国运输部联邦航空局出台了相应的操作指南。德国法兰克福机场是欧洲最为繁忙的机场枢纽之一，年吞吐量达6 0 0 0 万人次，该机场曾经于2 0 0 3 年对其中一条跑道进行了罩面。非洲的安哥拉、坦桑尼亚、莫桑比克等国家的首都机场都将陆续进行跑道沥青混凝土罩面。欧美发达国家民用机场数量众多，覆盖密度大。美国的机场密度是每1 0 万平方公里6 4 个，中国的是1 5 3 个，而中国和美国国土面积相当，美国有近6 0 0 个民用航班机场，我们则只有1 6 0 多个。美国大多数城市都有2 个机场，甚至有些城市拥有3 个机场，其中一个机场跑道在进行沥青混凝土罩面时，会分流部分航班到另一个机场，以增加施工时间，减轻机场的安全压力，减少不安全的隐患。因此美国运输部联邦航空局出台的不停航施工操作指南，不适用于我国的国情。除了上海外，我国所有通航城市都只有一个民用机场，在进行跑道不停航沥青混凝土罩面时，有效作业时间短，不但给机场当局在运营和安全上造成了很大压力，也对施工承包企业提出了更高的要求。按照不停航施工的要求，在机械设备上需进行特殊配置，即多台套、大产量，关键设备全部选用最先进的进口设备，以确保施工期间设备的高可靠性和低故障率。必须制定详细的施工组织计划，完备的紧急预案，以及具备成熟的技术手段。西宁曹家堡机场跑道沥青混凝土罩面工程施工于2 0 0 0 年，当时全国已经完成了几个机场的沥青混凝土罩面，但像首都机场东跑道加盖，并不是真正意义上的不停航施工，当时首都机场有两条跑道，是在全面关闭了东跑道的情况下进行了罩面。正是在这种情况下，西宁曹家堡机场的不停航沥青混凝土罩面做了一次有益的尝试，第一次全面系统的总结并解决了以往不停航罩面当中存在的问题，为日后其他机场的跑道罩面提供了很好的工程实例。1 3 本文主要研究内容机场道面与公路路面不同，它的荷载比汽车大得多，波音7 4 7 客机在跑道上的最大滑行重力可达3 8 8 t ，轮压达到1 4 m p a ，起飞降落速度超过2 0 0 k m h ，起飞时的空气吸力、3第一章绪论排气的高温、下降时的冲击，起落架轮径较小，转弯时扭矩较大，这些在公路上都是所没有的。在2 0 0 0 年前，机场罩面多采用多采用p e 、e v a 改性沥青采用或s b s + p e 复合改性沥青技术，使用效果观察，能够达到设计的预期效果，但是耐久性等方面还不尽人意。而且由于施工设备的不配套、施工技术措施不完善，很多机场在罩面时间不久后，又进行了局部的大修。为了解决存在的问题，本课题依托西宁机场的工程实例，进行了评价分析与研究。主要的技术路线和工作思路如下；( 1 ) 改性沥青技术及性能分析结合该项工程，采用不同牌号与型号的沥青，采用不同的改性剂剂量以及不同的加工方法，对试验结果进行了分析，并总结了影响改性效果的现场的因素，即加工温度、磨细遍数、溶胀发育时间等因素，分析了改性效果。( 2 ) s b s 改性沥青混合料路用性能的研究选用经过第一阶段制备的改性沥青，进行了混合料配合比设计，并验证了混合料的水稳性、抗车辙能力等路用性能。( 3 ) 施工工艺的研究依托西宁机场的工程实例，研究分析了不停航条件下施工工艺( 包括设备配置、现场工艺) 和方法。4长安大学硕士学位论文第二章改性沥青技术及性能机理研究本研究根据西宁曹家堡机场的特点，以及所处的气候区位，结合以往加铺面层的实线，采用s b s 改性剂制成改性沥青，在此基础上，研究s b s 改性沥青的技术性能，以验证其用于机场道面工程的可行性。2 - 1 西宁机场所处的气候特点及改性剂选择的原则2 1 1 西宁机场的气候特点由于沥青混合料的路用性能受温度、水份的影响较大，我国在“八五科技攻关项目中，通过对全国6 0 0 多个气象站3 0 年的气象数据进行统计分析，对三个气候因素：高温、低温、降雨量指标进行了研究，提出了分区指标的界限及气候分区如图2 1 、图2 2 所示。图2 1 沥青气候分区图( 温度)5第二章改性沥青技术及性能机理研究图2 2 沥青气候分区图( 降雨量)沥青气候分区为二级区划，如1 - 1 表示夏炎热冬严寒，混合料气候分区用级区划，如1 - 1 - 1 表示夏炎热冬严寒潮湿地区，每个因素数字越小，表示气候越严重。由图2 1 、图2 。2 可以看出，西宁曹家堡机场处于2 2 3 区，即处于年极端最低气温- 2 1 5 - 3 7 o c ，月最高平均气温2 0 3 0 。c ，平均降雨量在5 0 0 2 5 0 m m 之间的地区，在这种特定的气候环境下，用一般的沥青混合料难以满足飞机飞行的要求，采用改性沥青技术以提高沥青混合料的性能势在必行。2 1 2 基质沥青确定改性沥青改性效果的优劣与基质沥青性能密切相关，相容性是改性沥青的首要条件，但化学意义上相容是不存在的，作为改性剂的聚合物性质相对稳定，而沥青性质很重要，所以相容性受沥青性质影响较大，当然相应的改性设备、工艺对相容性也会有影响，一般认为沥青粘度较大，与聚合物相容性越差。考虑到西宁机场的具体气候特点，基质沥青选用a b - 11 0 4 的克拉玛依沥青。2 1 3 改性剂的选择及其改性方案表2 1 至表2 5 所示的沥青改性剂基本代表了目前国内外生产和使用的热拌沥青混合科的添加剂，并较为清楚地给出了其使用方案和不同作用，这对于合理选择和正确使用沥青改性剂有一定的参考价值。改性剂选择的原则6长安大学硕士学位论文a 根据不同的气候条件选择不同地区的气候条件有很大不同，我国“八五”国家科技攻关专题道路沥青及沥青混合料路用性能的研究已经按照气温、降雨量等指标，提出了我国沥青路面使用性能的气候分区，而且对不同的气候区在改性沥青路面施工技术规程j t j 0 3 0 - 9 8 中提出技术要求，如表2 6 所示，表中不同等级的技术要求实际上是根据不同的气候区进行选择的依据，从不同改性剂标准可以看出，不同的改性沥青类型其指标本身就有明显区别。对南方炎热地区，高温稳定性要求较高，s b s 、p f 、e v a 等改性效果好。而对低温寒冷地区，抗裂性能要求较高，s b r 、s b s 改性效果好。在我国许多内陆地区和东北、中南、西北地区，夏季炎热、冬季寒冷，高低温要求很高，选择s b s 为宜。表2 1 液态、热塑性聚合物改性剂品名用量拌和拌和类型( 占拌和料)时间温度作用苯乙烯基o u c i l a d标准标准3 温度改善老化前后的延伸性聚合物d 1 0 0 2时间能，改善低温柔韧性或稍低石油聚d u c t i l a d标准标准改善老化前后的延伸性及3 合物d 1 0 0 4时间温度温柔韧性表2 2 有机表面活性剂改性剂用量类型品名( 占拌和拌和时间拌和温度作用料)p a v e0 2 5 - 2 0预先混合有机聚胺未注明提高路面耐久性b o n d于沥青中k 1i n g b e t沥青的a0 2 5 - 1 0预先混合标准提高路面耐久性，使骨料去聚l v ( 跚)于沥青中温度湿胺沥青的预先混合标准对于不同的沥青、骨料配合混p e r m a t a c0 5 - 1 0 于沥青中温度比有三种产品可供选择厶口k 1i n g b e t沥青的专用于石灰石、砂砾石拌和物a 。k y0 2 5 - 1 0预先混合标准料，降低对水分的敏感性，k 1i n g p e t于沥青中温度减少病害a x x7第二章改性沥青技术及性能机理研究表2 3 抗老化性改性剂用量类型品名拌和时间拌和温度作用( 占拌和料)沥青质r e d i c o t eo 2 一1 0 未注明1 2 1 - 1 7 7 增进沥青质的胶溶，改善沥青胶溶剂a p和乳液的性能特征d u c t il a d预先加延缓沥青的氧化，减轻聚合物抗氧化o 3 一4 标准温度d 1 0 0入沥青改性沥青的硬化过程石灰l i m e1 - 1 5 可变可变减缓硬化过程表2 4 固性聚合物用量改性剂品名( 占拌和拌和时间拌和温度作用类型料)苯乙烯丁二烯橡胶b it p m a l v s1 5 一3 5 - 1 0 s1 6 3 抗车辙和裂纹1 7 5 ，1 9 8 ，1 2 0 11 7 ，1 3 4乳标准提高拌合料路面的弹性、刚聚氯丁烯氯丁橡胶1 5 一3 9 3 - 1 4 9 时间度、韧性，拓宽耐温范围1 4 6 苯乙烯丁r 一5 0 4 r 一5 5 03 一5 5 l o s提高抗车辙能力以上降低沥青的温度敏感性，减二烯橡胶u 1t e r a p a r e标准可变轻车辙和拥包，防止裂纹，乳7 0 ，6 5 ，6 52 一5 进间k v c减缓老化表2 5 热塑性聚合物改性剂品名用量类型( 占拌和料)拌和时间拌和温度作用乙烯一醋酸乙提高耐久性、刚度和韧烯共聚物e l v a x2 一4 可变1 3 5 - 1 4 9 性，抗裂纹( e v a )苯乙烯丁二烯( 高温硫化) 粘s t y e i l代替沥青未注明未注明现场备用，无需混合设备结剂聚乙烯基醋酸提高抵抗永久变形能力，酯( e v a )p o l y b ii t2 一5 可变1 3 8 - 1 7 7 降低使用状态下的温度敏感性8长安大学硕士学位论文表2 5 热塑性聚合物( 续)改性剂用萤类型品名拌和时间拌和温度作用( 占拌和料)提高道路强度，耐久性、聚乙烯改性沥沥青的标准抗水害能力，减少路面变青粘结剂n o v o p h a lt1 4 9 - 1 6 3 形及其他病害，对热拌料4 5 一6 进间的生产、摊铺和压实要求不变热塑性r o s p h l t增大防水层密度，扩大耐聚合物5 02 0 k g t6 0 9 0 s2 1 8 湿范围，提高抗滑性减小永久变形以及温度、苯乙烯嵌k r a t o n d6 一9 1 5 m i n0 1 6 0 - 1 9 3 疲劳裂纹，对拌和料的设段聚合物d r a t o n g或更长g 1 6 0 - 2 7 5 计、摊铺、压实无特殊要求表2 6 不同气候条件改性剂适用性改性剂种类炎热温暖寒冷s b r-0s b s-_p e_e v a-0b 、根据不同的荷载条件选择不同的道面所承受的荷载是不一样的，对旅游道路等主要供轻型车行驶的道路，产生车辙的可行性较小，主要考虑行车舒适和气候因素，对抗裂性能要求是重点，可选择s b s 、s b r 等；而对以载重汽车、飞机为对象的高速公路、一级公路、飞机场跑道，主要目的是抵抗车辙、拥包等变形，则可考虑s b s 、p e 、e v a 等。c 、经过技术经济分析确定改性方案改性沥青成本由以下几部分组成：改性剂成本，包括改性剂的单价和用量；加工费，改性沥青设备费，沥青加热用的柴油、电力费，有的还需要必要的管道等配件费；由于采用改性沥青后有可能增加沥青用量而增加的费用。2 1 4 改性方案根据西宁机场所处气候区域( 2 - 2 - 3 ) ，从气候特点来看，本地区高温低温均有，宜选用s b s ；从荷载大小来看，飞机的荷载极大，尤其是冲击力较大，改性剂适用s b s 、p e 、e v a ；从改性剂成本来看，s b s 、p e 价格相对便宜一些，s b r 价格相对高一些。9第二章改性沥青技术及性能机理研究鉴于上述特征，本研究选用s b s 作为改性剂，通过试验来评价其技术性能。2 2 不同改性剂剂量对改性效果的影响改性剂剂量是影响改性效果的重要因素，当聚合物含量很少时，且沥青具有高的芳香性时，聚合物是可溶的，聚合物沥青呈单相体系，表现为聚合物相分布在呈连续相的沥青中，此时聚合物相被沥青中的轻质组分所溶胀，沥青性能得到改善，剂量继续增大，特别是对于橡胶类则形成相互贯通的网络，体系表现为双连续相，在此区域性能指标大幅度变化，可以将此区的剂量上限称为临界含量，如剂量再增大，沥青相成为非连续相而分布在呈连续相的聚合物相中，在此区性能指标变化幅度明显较小，如图2 3 所示。图2 3 改性剂临界含量的确定不同聚合物沥青改性体系的聚合物临界含量各不相同，从技术上看，改性剂用量为临界含量时最好，但是限于经济和施工等原因不可能采用临界剂量，在进行具体设计时，应综合考虑总造价，尽可能取一个经济、技术合理的改性剂用量。本课题在研究过程中，首先针对克拉玛依9 0 # 、ll o # ，日本9 0 # 沥青，采用线型s b s 、星型s b s 等改性剂进行了大量试验，以探讨改性剂的合理剂量。2 2 1s b s 改性克拉玛依9 0 # 沥青合理剂量的确定针对克拉玛依9 0 # 基质沥青，分析掺加不同剂量的s b s ( 线型) ，然后进行各项技术性能指标测定，测定结果见表2 7 及图2 4 图2 7 所示。表2 7 克拉玛依9 0 # 沥青掺加不同剂量s b s 性能指标测定结果项目克- 9 0 #+ 1 s b s+ 3 s b s+ 5 9 6 s b s+ 7 s b s+ 9 s b s针入度2 5 8 87 75 95 85 55 4( 1 0 0 9 、5 s 、1 5 2 82 52 42 52 42 30 i m m )5 1 091 1l l1 21 3延度，c mi o 。c7 57 6 37 8 27 9 28 0 58 1 3软化点4 8 84 9 45 3 65 6 26 8 58 6 1t 1 2一1 4 41 4 o一2 1 32 2 2- 2 5 22 5 6t 咖4 5 94 7 45 6 55 7 16 4 86 3 3p i - i 1 2 9 0- 0 9 0 8 20 6 5 9 40 7 8 4 51 3 5 0 6i 5 8 8 8l o长安大学硕士学位论文结果分析如下：温度敏感性由图2 4 可以看出，对于克9 0 # 沥青，随s b s 掺量增加，其温度敏感性变好。图2 4 改性沥青的针入度温度指数随s b s 掺量变化关系图2 5 改性沥青t 。随s b s 掺量的变化关系图2 6 改性沥青1 0 1 2 延度随s b s 掺量的变化关系低温抗裂性从t ，。和i o 。c 延度结果可以看出，克9 0 # 沥青经s b s 改性后，随s b s 掺量增加，其低温抗裂性得到了大幅度改善，掺加3 s b s ，已使原沥青的当量脆失有了明显提高，当s b s 掺量达7 左右时，沥青低温性能改善更加显著，超过7 后增加幅度变缓。高温稳定性从t 鲫和软化点测定结果( 见图2 7 ) 可以看出，高温稳定性随着s b s 掺量增加而逐渐得到了改善。第二章改性沥青技术及性能机理研究图2 7 改性沥青t 8 0 0 和软化点随s b s 掺量的变化关系从性能和经济双重作用来考虑，掺加3 - 5 s b s 较合适，本研究采用5 s b s 。2 2 2s b s 改性克拉玛依l1 0 # 沥青合理剂量的确定针对克拉玛依11 0 # 沥青分别掺加不同剂量的星型s b s ，然后进行各项技术指标测定，结果见表2 8 所示。表2 8s b s 改性沥青技术指标测定结果克拉玛依克拉玛依克拉玛依沥青品种技术要求11 0 4 + 4 5 s b sl1 0 4 + 5 s b s1 1 0 #针入度3 0 1 3 51 3 l|2 5 8 78 41 0 6求8 0( 1 0 0 9 、5 s 、0 1 m m )1 5 4 24 0软化点5 6 55 84 3 2术5 0t 8 5 3 35 2 3水4 6t 1 2- 3 0 9- 2 7 1牛- 1 3p i 1 2 1 5 00 7 9 20 6 5延度，c m5 2 93 06 5弹性恢复，1 5 4 45 8术5 5薄膜加热质量损失，0 0 50 0 3 20 2 4牛1 试验( 1 6 3 。c ，5 h )针入度比，6 l7 27 2 8术5 51 0 延度3 03 4 1 0 0术3 0闪点2 5 92 6 2女2 5 0含蜡量，1 5 9结果分析如下：对于克拉玛依11 0 # 沥青，经不同剂量s b s 改性后，从满足技术要求高温稳定性、低温抗裂性出发，其合理的掺量为5 。2 2 3s b s 改性日本9 0 # 沥青合理剂量的确定针对日本9 0 # 沥青分别掺加不同剂量的s b s ( 线型) ，然后进行各项技术性能指标测定，测定结果见表2 9 和图2 8 2 11 所示。1 2长安大学硕士学位论文表2 9日本9 0 # 沥青掺加不同剂量s b s 性能指标测定结果项目日本9 0 #1 s b s3 s b s5 s b s7 s b s9 s b s2 5 针入度( 0 1 m m )2 5 9 0 87 36 l5 7 85 4 54 9 5延度，c m1 0 4 9 55 2 75 4 27 9 28 0 58 2 8c m5 9 33 0 83 2 64 3 o4 3 54 4 5软化点4 5 34 8 75 2 85 6 26 8 58 6 14 5 64 9 45 4 45 7 16 0 86 5 9t 1 2- 1 5 5- 1 6 0- 1 9 5- 2 2 12 5 2- 2 8 7p i- 0 9 4 1 1一o 5 0 1 20 3 0 8 00 7 8 4 51 3 5 0 62 0 2 7 7弹性恢复( )2 5 1 76 67 58 59 29 7结果分析如下：高温稳定性由图2 8 可以看出，当日本沥青中掺入改性剂后，随s b s 剂量增加，s b s 改性沥青的高温性能得到了显著改善，并表现出改善程度随着剂量的增加而增大，具体表现为2 5针入度随剂量增加而急剧下降，软化点及t 。则明显升高。图2 8 改性沥青的t 嘲和软化点随s b s 掺量变化关系低温性能分析从图2 9 - 2 1 0 可以看出，随着s b s 剂量的增加，s b s 改性沥青的t i 2 值逐渐减少，说明其低温性能随改性剂的增加而逐步得到改善，随改性剂剂量的增加，s b s 改性沥青的i o c 、5 c 延度逐渐增大，低温性能逐步改善，但到5 ，纵便i o c 、5 c 延度增加较缓慢。第二章改性沥青技术及性能机理研究图2 1 0 改性沥青的延度随s b s 掺量变化关系感温性分析从图2 1 1 可以看出，随s b s 剂量增加，改性沥青的感温性得到进一步改善。从技术、经济考虑，日本9 0 # 沥青s b s 合适的用量也为5 。2 3 改性沥青的基本技术性能本文建立了以针入度，i o 。c 延度为主要的指标，以沥青感温性指标p i 为核心的新指标体系和技术要求，提出以当量软化点和当量脆点来表征沥青高低温性能，低温性能采用双指标控制，除t l2 外还采用了1 0 或5 延度值来评价。基质沥青、改性沥青技术性能指标与“八五攻关专题提出的技术指标比较见表2 1 0所示。表2 1 0 沥青指标试验结果克9 0 #克1 1 0 #日9 0 #项目克9 0 #克1 1 0 #日9 0 #+ 5 s b s+ 5 s b s+ 5 s b s针入度2 5 8 85 81 1 08 79 0 88 7 8( 1 0 0 9 ，1 5 2 82 53 74 02 9 52 55 s 0 1 m m )5 1 01 11 21 0 81 1 21 5 1 0 0m o o延度，c m1 0 7 57 9 34 9 57 9 25 6 53 09 34 31 4长安大学硕士学位论文表2 1 0 沥青指标试验结果( 续)克9 0 #克1 1 0 #日9 0 #项目克9 0 #克1 1 0 #日9 0 #+ 5 s b s+ 5 s b s+ 5 s b s软化点4 8 85 6 24 3 25 84 5 35 6 2薄膜加热质量损失0 1 40 0 2 90 2 40 0 3 2o 1 20 0 3试验，1 6 3，5 h针入度比7 4 58 1 67 27 2 87 8 o8 8 5蜡含量1 6 01 5 9l2 6|4 5 95 7 13 9 85 2 34 5 65 7 1t 1 2一1 4 4- 2 2 21 6 o o- 2 7 11 5 5- 2 2 1弹性恢复8 35 81 78 5p i- 1 1 2 9 00 7 8 4 5- 1 1 60 7 9 20 9 4 10 7 8 4 5由上述试验结果可以看出：1 、高温稳定性，从t 咖软化点等指标分析，克9 0 # 沥青经5 s b s 改性后，软化点升高了7 4 。c ，t 啪升高了1 1 2 ；克1 1 0 # 沥青掺加5 s b s 改性后，软化点升高了1 4 8 。c ，t 啪升高了1 2 5 c ；日本9 0 # 沥青经5 s b s 改性后，软化点升高了1 0 9 c ，t 湖升高了1 1 5。这表明三种基质沥青掺加s b s 后，高温稳定性均得到了改善，星型的s b s 改性沥青比线型s b s 改性沥青软化点提高幅度大。2 、低温抗裂性，从t 。：可以看出，克9 0 # 沥青经s b s 改性后，t m 降低了7 8 。c ：克1 1 0 # 沥青经s b s 改性后t 。：降低了1 1 1 ，日9 0 # 沥青经s b s 改性后t 。降低了6 6 。c 。这说明三种沥青经s b s 改性后，其低温抗裂性也有了明显改善。3 、温度敏感性，从p i 值可以看出，三种基质沥青经s b s 改性后，均表现为p i值增大，而p i 值增大说明沥青对温度的敏感性越小。2 4 改性沥青机理分析运用现代沥青化学和化学热力学的研究成果，假定沥青是以固态的沥青质为溶质相和液态软沥青质为溶剂相所组成的混合体系，这两相相容性的优劣与沥青技术性质有直接的关系，根据这一观点，改性沥青可以看成是某种聚合物与沥青质、软沥青质的混合体系，在这个体系中，沥青的相容性、聚合物与沥青相容性、以及聚合物在沥青中的分散性决定着体系的改性效果。两种或两种以上的聚合物相混合时有三种情况：呈两相或多相体系，呈单相均质物，有可能呈单相也可能呈多相。混合体系呈单相或多相状态的推动力源于热力学的相容性而不取决于混合程度或混合强度，每一种聚合物在别的任何一种聚合物中都有一定的溶第二章改性沥青技术及性能机理研究解性，从工艺学角度来看，大多数聚合物的混合体系呈现为性能稳定的多相体系，这种体系常常具有比各自纯组分优越的使用性能，这种现象称为工艺上的相容性，然而物质之间只有具备适当的热力学相容性，才有可能有工艺学相容性。2 4 1 相容性对聚合物改性沥青影响许多从事改性沥青课题的研究者认为：聚合物在沥青中几乎不能溶解，而主要是在沥青的软沥青中溶解并扩散。为此在考虑聚合物与沥青的相容性时，可以把改性沥青看作是从软沥青质为溶剂相，聚合物作为溶质相的混合体系，不同沥青中软沥青质的溶解度参数是不同的，在一般情况下它的值约为8 3 左右，按照相似相容原则，溶解度参数值在此附近的聚合物应能产生相容性好的聚合物改性沥青。s b s 是苯乙烯一丁二烯嵌段共聚物，苯乙烯段溶解度参数为9 1 ，与软沥青质的溶解度参数相差较大，丁二烯的溶解度参数为8 4 ，与软沥青质比较接近，所以从热力学角度综合考虑，s b s 同沥青的相溶性较差，s b s 改性沥青为亚微观结构上的多相体系，沥青本身就是一个多相体系，其中沥青质是分散相，油分是连续相，而树脂起保护作用。当把沥青作为一种材料，在与s b s 进行混合时，由于沥青本身结构十分复杂，只有部分与聚合物有相亲作用，能与沥青均匀分散，而大部分组分与s b s 是不相容的，但是由于沥青材料的分子量分布很宽，可以采用一定的加工工艺使s b s 与沥青相容，因此从工艺角度来讲，仍然有一定的工艺相容性。2 4 2 聚合物在沥青中的分散状态在改性沥青中，聚合物的比例较小( 一般少于1 0 9 6 ) ，因此它们之间的相容性可以理解为聚合物在基质沥青中的溶解，这种溶解包括两个过程：先是溶胀过种，然后是扩散过程或是溶胀团粒的分散，如果聚合物掺量少，易分散且又可溶胀于沥青的软沥青中。二是从沥青中析出胶质和油分并吸附于聚合物的表面，形成类似沥青本身的另一种胶体结构。用s b s 类热塑性体改性沥青时，如果聚合物能够与沥青形成相互交联的网状结构，不但能在一定程度上改善沥青的高温性质，而且能够提高沥青的低温变形能力，表现在改性沥青的低温延度的提高。从流变学角度来讲，沥青材料在一定的形变速率下，流动速度大于变形速度时，材料作均匀流动延伸为细丝而不断裂，当其允许流动速度低于形变速度时，沥青则产生颈缩而断裂。低温下沥青的流动速度很慢，但由于受到均匀分散呈交联式部分交联状的橡胶丝扭结作用的增强，通过剪切力的传递，仍由弹性的橡胶承受拉力，从而可使改性沥青表现出较大的变形弹力。当聚合物在沥青中分散不均匀或出1 6长安大学硕士学位论文现凝聚时，哪怕是速度很低，也会由于应力集中而使延度降低。聚合物能否在沥青中很好地分散，取决于它与沥青的相容性，并与加工工艺条件有关。2 4 3 加工工艺对聚合物分散状态的影响要使聚合物发挥改性效果，就必须使聚合物充分分散均匀地分布于沥青中，这是工艺所必须要解决的问题。可以初步认为聚合物与沥青的混溶改性是以物理改性为主，聚合物首先吸收沥青中的低分子物质溶胀，体积增加，然后在热力和机械力下以一定状态分散于沥青中，如果忽视聚合物的分散状况，聚合物的改性作用就会降低到最小，甚至产生负面作用，本文采用高速剪切改性机和小型胶体磨来研究日本9 0 # 和克拉玛依1 1 0 。改性沥青的工艺条件。a 、搅拌时间对s b s 改性沥青性能的影响针对日本( r b ) a h 9 0 4 沥青采用5 的s b s 改性( 线型) ，搅拌温度控制在1 8 0 ，在不同时间下测试改性沥青技术性能，结果见表2 1 1 所示。表2 1 1 咫沥青及不同搅拌时间s b s 改性沥青性能指标试验结果日本沥青r b + 5 r b 4 5 r b + 5 r b + 5 r b + 5 r b + 5 项目s b s ，1 8 0s b s ，1 8 0s b s 1 8 0s b s ，1 8 0s b s ，1 8 0s b s ，1 8 0r b，1 h2 h。3 h4 h，5 h，6 h2 5 9 0 85 9 25 8 35 7 85 6 35 6 35 6 3针入度1 5 2 9 52 8 52 6 52 5 o2 4 62 4 o2 3 6( 0 1 m m )5 1 0 81 0 71 1 21 1 21 1 01 0 91 1 o延度1 0 4 9 56 3 77 8 57 9 28 2 68 3 58 3 5( c m )5 9 34 3 34 5 55 1 55 2 45 3 o5 3 6软化点( )4 5 35 3 65 4 55 6 25 6 45 6 65 6 9r0 9 9 9 50 9 9 6 50 9 9 9 70 9 9 9 90 9 9 9 80 9 9 9 80 9 9 9 2t 啪( )4 5 65 5 05 6 65 7 15 7 45 7 55 7 7t m ( )- 1 5 52 1 1- 2 2 2- 2 2 1- 2 2 12 1 82 1 9p i- 0 9 4 1 10 4 9 9 30 7 6 8 30 7 7 4 50 7 8 0 50 7 8 0 90 8 1 9 4粘弹域( )6 1 17 6 17 8 87 9 27 9 57 9 37 9 6试验结果分析如下：1 ) 感温性改性沥青路面施工技术规范对p i 作出了相应要求。按照我国不同地区的气候1 7第二章改性沥青技术及性能机理研究条件，应有不同的p i 要求，考查日本基质沥青及其相应的s b s 改性沥青，均能满足极端不利气候高温大于3 0 和低温小于3 7 o 区域的要求值。s b s 改性沥青的感温性随搅拌时间的增加得到逐步改善见图2 1 2 所示，日本改性沥青在搅拌2 小时后，继续增加搅拌时间，p i 值变化不大，其感温性没有得到更进一步明显改盖口。图2 1 2日本改性沥青的p i 随搅拌时间的变化关系从感温性分析，日本改性沥青的合理搅拌时间分别为2 小时。2 ) 高温稳定性s b s 改性沥青的t 鲫随搅拌时间的增加而逐渐增大见图2 1 3 ，所以延长搅拌时间可以增加改性沥青的的高温稳定性，日本改性沥青在搅拌3 小时后，继续增加搅拌时间，其t 咖的增长变化幅度明显减少，所以从高温稳定性考虑，日本改性沥青的搅拌时间为3 小时。图2 1 3日本现状沥青的t 8 0 0 和软化点随搅拌时间的变化关系3 ) 低温抗裂性随搅拌时间的增加，日本改性沥青在2 小时前t 。变化不大。见图2 1 4 。1 8长安大学硕士学位论文日本s b s 改性沥青的1 0 c 延度及5 。c 延度随搅拌时间的增加而逐渐增大，见图2 1 5 。日本、改性沥青搅拌2 小时后，继续延长搅拌时间，其低温延度的增幅明显减小。综合考虑改性沥青的感温性、高温稳定性及低温抗裂性三项指标，在搅拌温度1 8 0条件下，日本沥青用s b s 进行改性时的