（道路与铁道工程专业论文）SBS改性沥青在黑龙江省高等级公路上的应用研究.pdf

摘要 我国从二十世纪八十年代中期开始改性沥青的应用研究，以提高公路沥青路面的使 用性能和抵抗早期破坏能力。 本文从沥青路面的使用性能和路面损坏现象分析，并根据黑龙江省的气象条件提出 使用s b s 改性沥青的合理性、必要性。通过呼绥高速公路、哈尔滨机场高速公路s b s 改 性沥青及其混合料的应用，对s b s 改性沥青在黑龙江省高等级公路上的应用做出评价。 关键词：s b s沥青路面改性沥青使用性能 a b s t r a c t t h ea p p l i e ds t u d yo fm o d i f i e da s p h a l ti n o u rc o u n t r yh a sb e e nd e v e l o p e ds i n c et h e m i d 1 9 8 0 s ，w h i c hc a l lb eu s e df o ri m p r o v i n gt h e s e r v i c ep e r f o r m a n c ea n dt h ea b i l i t yo f p r e v e n t i n gp r e m a t u r e d e t e r i o r a t i o no f h i g h w a y a s p h a l tp a v e m e n t t h et h e s i sa n a l y s e st h es e r v i c ep e r f o r m a n c ea n da p p e a r a n c e so fp a v e m e n td a m a g eo f a s p h a l tp a v e m e n ta tf i r s t ，t h e np u tf o r w a r dt h er a t i o n a l i t ya n dn e c e s s i t yo f t h eu s eo fs b s m o d i f i e da s p h a l tc o m b i n e dt h em e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n so fh e i l o n g i i a n gp r o v i n c e b yw a yo fu s i n gs b sm e d i f i e da s p h a l ta n ds b sm e d i f i e da s p h a l tm i xa th u - s h u i e x p r e s s w a ya n dh a r b i na i r p o r te x p r e s s w a y , t h ep a p e rg i v et h ee v a l u a t i o nt h eu s eo f t h i sk i n d o f m a t e r i a li nh e i l o n g j i a n gs u p p e r - g r a d eh i g h w a y k e yw o r d s ：s b sa s p h a l tp a v e m e n t m o d i f i e da s p h a l ts e r v i c ep e r f o r m a n c e 日i j吾 改革开放以来，促使我国国民经济建设以前所未有的速度发展，特别是近十年来， 以高等级公路建设为标志的公路发展取得了显著成绩。到2 0 0 1 年底，全国公路通车里程 这到1 4 35 万公里，其中高速公路达到1 9 万公里。 随着国民经济发展而带来的交通量迅速增长，车辆大型化，超载严重，车辆渠化等， 使沥青路面面临严峻的考验。许多高速公路沥青路面建成后不久就不能适应交通的需要， 早期破坏的情况时有发生。现阶段存在的问题有： 1 高温车辙及变形问题； 2 沥青路面水损害问题： 3 寒冷地区沥青路面低温裂缝问题； 4 表面抗滑性能不足的问题。 因此，需要进行提高沥青路面使用性能，包括改性沥青的研究。决定改性沥青性能 的关键是改性剂，研究改性沥青首先要确定改性剂的类别和掺加剂量。根据黑龙江省的 地理位置和气候特点，认为采有s b s 改性沥青较适合寒冷地区，除能够提高沥青混合料 的高温强度外，还可以改善沥青路面的低温抗裂缝性能。 本文结合黑龙江省呼绥高速公路、哈尔滨机场高速公路s b s 改性沥青的应用，通过 s b s 改性沥青及其混合料的试验分析和通车两年后路面使用性能的评价。确定s b s 改性 沥青的应用，使沥青路面的使用功能得以提高和改善的效果，并提出s b s 改性剂掺加的 合理剂量，从而达到本文的预期目标。 查韭苎些查兰塑! ：竺焦堡苎一一 一 1 绪论 随着我国国民经济的高速发展，以高等级公路建设为标志的公路发展取得了显著成 绩。到2 0 0 1 年底，全国公路通车里程达到1 4 3 5 万公里，其中高速公路1 9 万公里。我 国高速公路半刚性基层沥青路面结构约占7 5 多。但是，新的问题接踵而来，国民经济 高速发展而带来的交通量迅速增长，车辆大型化，超载严重，车辆渠化等，使沥青路面 面临严峻的考验。许多高速公路沥青路面建成不久就不能满足交通的需要- 早期破坏现 象时有发生。 1 1 沥青路面损坏现象的分析 11 1 沥青路面的车辙 车辙是沥青路面特有的一种损坏现象。车辙经常产生在车轮经常碾压的两条带上( 简 称轮迹帝) 。车辙是在与时间有关的荷载和气候因素共同作用卜，轮迹带逐渐产生f 洼形 并形成两条纵向的槽，较严重辙槽的两侧通常有膨起变形。 典型的车辙是轮迹带内均匀的下陷，它对纵向平整度没有明显影响，对现有服务性 能指数p s l 的影响也不大。车辙更主要是影响行车安全。从行车安全考虑重要因素是 表面水的横向排除。只要车辙的深度不足以在轮迹带内存水成水沟，通常对安全不是一 个明显问题。但当水积存在轮迹带内，快速行驶的车辆就可能发生水漂。在寒冷季节， 水可能结冰，造成一个很滑的条件。 在正常情况下，沥青路的车辙有三种类型。 ( 1 ) 由于荷载作用超过路面各层的强度，发生在沥青面层以f 包括路基在内各结构 层的永久性变形称做结构性车辙。这种车辙的宽度较大，两侧没有隆起现象，横断面 成v 字形。 ( 2 ) 沥青混凝十的侧向流动变形。岳高温条件卜 车轮碾压的反复作用，荷载应力 超过；! 【 j 青混合料的稳定度极限，使流动变形不断累积形成车辙，称做沥青混合料的流动 性车辙或失稳性车辙。一方面是车轮作用部位r 凹，另一方面车轮作用共少的两侧反而 向上隆起，在弯道处还明显向外推挤，卞道线、停车线因此可能成为变形的船线。无疑 这部分车辙将主要取决于沥青混合料的流动特性。 ( 3 ) 由于沥青面层本身的压密造成的车辙。这是非正常的车辙。在某些高速公路过 分追求平整度，在降温后碾压，造成压实度不足，致使通车后的第一个高温季节混合料 继续压密，在车辆荷载的反复作用下空隙率不断减少，达到极限的残余空隙率后才趋 于稳定，它一方面产生压实变形，同时平整度迅速下降，甚至形成明显的车辙。从这个 角度出发，为了减少车辙，最重要的一点是施工过程中加强碾压，保证压实度。使空隙 率控制在要求的范围内。 在通常的情况下，沥青路面的车辙防治都是指流动性车辙。影响沥青路面流动性车 辙的主要因素如图1 - 1 所示。由图可见，对车辙的形成，沥青本身的性能是决定性因素 之一。同时也应提高沥青混合料的抗车辙能力和改进施工工艺。 i ! 墅垦丝塑童垄墨垄垩塑壹篓望坌壁圭丝星堕! ! 一 内 因 外 因 沥 青广- 混_ 1 合j 料i 的l 强i 度 i 粘i 结 力 1 碎石的颗粒形状和纹理深度( 微观结构) ，天然砂的用量 2 矿料的最大粒径，4 7 5 m m 以上的碎石含量 3 沥青用量 4 沥青混合料的级配和密度 沥青的标号和高温粘度 沥青的感温性 沥青与矿料的粘结力 填料的种类和耪科沥青比 沥青用量 混台料的密实度 路面结构类型和沥青面层厚度 妨条件一厂：i - 錾盖茎嘉鐾茬耗嚣酌 l 3 荷载作用时阃和水平力( 交叉口) 气候条件路面温度( 气温、日照等) 图l - i 影响敬攘深浅的主要阻素 ( i ) 沥青混合料的影响 提高沥青混合料的抗车辙能力是防治车辙最有效的途径。沥青混合料是一种粘弹性 材料，对密级配沥青混凝土来说，尤其在较高路面温度条件下，它可以看成是一种单纯 的热流变形材料。此时弹性因素相对较弱，粘性因素起主导作用。密级配沥青混凝土骨 架的相互嵌锁作用不能得到充分发挥保持沥青混合料稳定的主要因素是结合料的胶结 作用。提高沥青高温粘度是防治车辙有效的措施。提高沥青高温粘度有两条途径： 其一是选用高粘度的沥青； 其二是在沥青中掺入各种类型的改性剂。 ( 2 ) 适当增大粉胶比 在沥青数量一定时，矿粉用量对矿料的比表面影响最大，因而直接影响沥青膜厚度， 旷料之间的滑动变形将因粉胶比增大而减小。所以为使混合料有较好的高温稳定性，必 孤使矿粉有足够的数量，以减少起润滑作用的游离沥青的比例，以较薄的沥青膜使混合 阿结成一坚实的整体，这是十分有效的措施。 ( 3 ) 合理调整的级配 为了充分发挥粗集料的嵌挤作用，可采用s m a 、s a c 等间断级配。 ( 4 ) 关于沥青面层的厚度 沥青面层厚度是影响车辙的重要因素。壳牌沥青设计手册提出的车辙预估计算模式 f ： 2 查些苎些查堂堡主堂垡笙壅 伽嘁景 式中；卜车辙量； c m 动载作用修正系数： h i 沥青面层各层的厚度： 0 。沥青面层各层的平均应力； s n a 沥青各层粘性部分的劲度模量。 从上式, v i 看，车辙量h 并不简单地随h 的增加而增加，因为o 。也是h i 的函数， 且随h 的增大而减小。当沥青混凝土面层厚达到2 5 c m 时，表面车辙深度到极限值；增 厚或减薄沥青混凝土面层厚度均会减少车辙深度。 ( 5 ) 交通条件和环境条件 交通量、轴载、轮胎气压是影响车辙的重要因素，夏季高温对车辙也有重要影响。 1 1 2 沥青路面的开裂 沥青路面在使用期开裂是各国普遍存在的问题。它的危害在于从裂缝中不断进入水 分使基层甚至路基软化、导致路面承载力下降，产生唧浆、网裂，加速路面破坏。 沥青路开裂有以下几种情况： ( 1 ) 结构层本身强度不足，不适应日益增长的交通量及轴载作用而产生的开裂，最 初一般表现为纵向开裂，然后发展成为网裂，这一类由荷载产生的裂缝在我国普通道路 及一些超载严重的高等级公路上常见。 ( 2 ) 一次性降温造成的温度收缩裂缝，沥青在较高的温度条件f ，具有良好的应力 松弛性能，温度升降产生的变形不致于产生过高的温度应力。但在冬季气温骤降时，沥 青混合料的应力松驰赶不上温度应力的增长。同时劲度急剧增大，超过混合料的极限强 度或极限拉伸应变，便会产生开裂。 ( 3 ) 温度疲劳裂缝，温度反复升降导致温度应力疲劳使混合料的极限拉伸应变( 或 劲度模餐) 变小，又加上沥青的老化使沥青劲度增高，应力松弛性能降低，故可能在比 一次性降温开裂温度更高的温度下开裂，同时裂缝是随着路龄的增加而不断增加，实际 上包含了温度应力疲劳的因素在内。 ( 4 ) 另一类横向裂缝是反射性裂缝，反射源为水泥、石灰类无机结合料稳定材料的 半刚性基层的缩裂缝，这些裂缝在交通荷载的作用下，由下层逐渐反射到表面。 在我国，高等级公路的沥青路面基本上都是半刚性基层，其中集料含量较多，而且 沥青层相对较厚，收缩性能得到了很大改善，采用了质量较好的重交通石油沥青后，横 向裂缝显著减少。2 0 0 0 年l o 月竣工通车的哈尔滨机场高速公路，经过一个冬季后，横 向裂缝间距般在3 0 5 0 米范围内，2 0 0 2 年春季调查发现没有增加新的横向裂缝。这些 裂缝冬季最宽的近1 0 m m ，夏季完全闭合，这说明高等级公路沥青路面的横向裂缝大多 源于沥青面层的温度收缩裂缝。 针对沥青面层低温收缩开裂问题，国内外进行了众多的调查与研究。原因如下： 3 s b s 改性沥青在黑龙江省高等级公路上的应用研究 ( 1 ) 沥青混合料性质是影响沥青路面温度开裂的最主要原因。 沥青混合料的低温劲度是决定是否开裂的最根本因素，沥青劲度又是决定沥青混合 料劲度的关键。我国目前尚无具体规定指标，国外已经提出了一些沥青及沥青混合料劲 度的极值，同时沥青的质量在很大程度上取决于原油的品种。 在沥青性质指标中。影响更大的是温度敏感性，感温性大的沥青容易开裂。改性沥 青的性能以改性后沥青的感温性的改善程度，即针入度指数p i 的变化为关键性评价指 标。沥青针入度、低温延度是影响开裂的重要指标。由于沥青在老化过程中轻质油份挥 发、沥青氧化分解、位阻硬化等，老化越严重，劲度越大，裂缝出现越早。沥青中的蜡 使应变减小，脆性增加，温度敏感性变大，横向裂缝容易发生。 ( 2 ) 沥青混合料的组成对沥青路面的开裂的影响 第一，一般认为在最佳沥青用量o c a 的- + 0 5 范围内波动对开裂率无明显影响。 而且，沥青用量增加使混合料应力松驰性能提高的同时，也使收缩性能变大，二者互有 抵消。 第二，与矿料组成级配有一定关系，但总的说来与路面横向开裂率关系不大。 第三，增加面层的厚度能使横向裂缝减少。但沥青层厚度不如沥青结合料性能重要。 ( 3 ) 基层的影响 半刚性基层比级配碎石、沥青稳定碎石柔性基层热容量小，与沥青表面层的附着粘 结性能差，尤其是本身收缩的附加影响，故横向裂缝较多。基层与面层的附着性能差， 将使面层有一定自由收缩变形的可能性，混合料的应力松驰性能得不到充分发挥，温度 戍力无法传递到基层中去，在面层内部积聚，容易产生裂缝。 1 1 3 沥青路面的水损害 沥青路面的水损害破坏，是指沥青路面存在水分的条件下，经受交通荷载和温度胀 缩的反复作用，一方面水分逐步侵入到沥青与集料的界面上，同时由于水动力的作用， 沥青膜渐渐地从集料表面剥离，并导致集料之间的粘结力丧失而发生的路面破坏过程。 沥青路面水损害破坏的机理和特征，可以从破坏的发展过程中看出： ( 1 ) 在开始阶段，水分侵入沥青与集料的界面，以水膜或水气形式存在，影响沥青 与集料的粘附性。 ( 2 ) 在反复荷载作用下，沥青膜与集料开始剥离。 ( 3 ) 渐渐地，集料开始松散、掉粒。 ( 4 ) 最后形成坑槽。 预防水损害的关键要通过两个途径来解决： ( 1 ) 防止或减少水分迸入沥青混合料内部，使水不能够侵入到沥青与集料的结合面 e 去。 ( 2 ) 提高沥青集料的粘附性，提高集料之间的粘结力。 1 1 4 沥青路面的表面功能衰减 路面表面功能是指抗滑、噪音、车轮向两侧的溅水、车后拖带的水雾。主要是指与 e 通安全有关的抗滑、溅水和水雾。 4 东北林业大学硕士学位论文 为了提高路面的抗滑能力，沥青路面的抗滑面层要求有粗糙的表面，即较大的宏观 粗糙度及微观粗糙度。宏观粗糙度取决于构造深度，微观租糙度取决于粗集料的耐磨光 性能。为此，现行公路沥青路设计规范( j t j 0 1 4 ) 从几个方面对此作了规定： ( i ) 摩擦系数：高速公路、一级公路宜在峻工后第一个夏天，用摩擦系数测定车 以5 0 | k m h 的车速测定横向力系数( s f c ) ； ( 2 ) 路面宏观粗糙度：路面构造深度，应在竣工后第一个夏季用铺砂法或激光构 造深度仪测定： ( 3 ) 峻工后第一个夏季测定的路面横向力系数或摆值、路面构造深度应符合表1 - 1 的要求。 表1 i沥青路面抗滑标准 竣工验收值 l公路等级 横向力系数s f c摆值f b ( b p n )构造深度t d ( m m ) 高速公路、级公路5 45 4n 5 5 为了保证实现表l - l 的指标，除规定抗滑表层的矿料级配外。公路沥青路面施工技 术规范( j t j 0 3 2 ) 还对抗滑表面粗集料的抗滑性能做了规定，要求石料磨光值不小于 4 2 冲击值不大于2 8 。 目前，我国高速公路、一级公路表面功能迅速衰减的问题相当突出。抗滑性能不足， 容易使汽车在急刹车、超车、沿曲线转变时车轮打滑，造成事故。 路面抗滑性迅速下降的原因主要是： ( 】) 沥青标号过大( 针入度偏大) ，沥青用量过多，路面渐渐泛油，构造深度f 降， 甚至变成光滑的油面。 ( 2 ) 粗集料不耐磨，迅速磨光。 1 2 沥青路面的使用性能与沥青结合料的关系。 第七届国际沥青路面结构会议之后，人们将沥青路面的使用性能分为两类： 1 结构性使用性能，即疲劳、车辙、低温缩裂、水损害和老化； 2 功能性使用性能，主要有平整度、构造深度、车辙、摩擦系数和滚动噪声氘个方 面。 以上性能中，除平整度与沥青混合料本身关系小外，其它均是沥青混合料自身决定 的- 其中水稳性能、耐疲劳性能，抗老化性能统为耐久性。而沥青混合料的路用性能除 上述性能外，还应包括旖工性能。路面的使用性能与沥青结台料、矿料、沥青混合料均 有联系。沥青结合料不仅是指沥青本身，还应包括沥青与矿粉等填料。这就是说沥青性 能决定着沥青混合料、路面的使用性能，使用改性沥青提高路面的使用性能和防i r 沥青 路面出现早期破坏已经成为重要课题。 根据资料分析，沥青结合料、沥青混合料与路面使用性能的关系见表卜2 。 5 s b s 改性沥青在黑龙江省高等级公路上的应用研究 袤l 。2沥青材料与沥青路面性能的关系 沥青路面沥青结合料沥青混合料备注 高温抗车辙性能比较重要特别重要 低温抗裂性能特别重要特别重要 耐抗疲劳性能 特别重要特别重要 久水稳定性有影响特别重要 性 抗老化性能比较重要特别重要与空隙率关系极大 表面服务功能有彰响特别重要 路面透水性比较重要 特别重要与空隙关系极大 行车舒适性能几乎无关有影响 取决葡缸琳平强结陶 施工性能比较重要比较重要 1 3 传统沥青混合料性能的不足和解决途径 材料是影响沥青路面质量韵主要因素。沥青混合料是由沥青和集料、矿粉按一定的 配合比组成的。沥青混合料的质量不理想首先是材料质量不满意。 由于我国没有工厂化生产集料，集料质量差。沥青混合料的质量必然受到集料质量 的影响。我们研究沥青混合料的路面性能时，必须在保证集料质量的前提下，再考虑如 何控制矿料的级配，如何提高沥青混合料的性质。 沥青混合料的配合比设计应包括三个方面： ( 1 ) 材料的选择。 ( 2 ) 各种粗细集料及矿粉材料的配比，即确定矿料级配。 ( 3 ) 确定合理的沥青用量。 配合比设计实际上是对上述这些因素的调整以解决沥青混合料性能存在的矛盾， 这些性能在要求上往往是相互矛盾和相互制约的，强调了某一种性能很可能就会降低另 一方面的性能。这里最突出的有以下两对矛盾。 ( ”高温稳定性和疲劳性能、低温抗裂性能的矛盾。为了提高高温抗车辙能力，希 塑尽量采用粗级配，增大集料粒径，增加集料数量。减少用油量，但这样的混合料低温 劫度大、发脆，很容易开裂，疲劳性能差，而且麓i = 性能也差。而为了提高耐久性能和 低温抗裂性能，希望使用针入度较大、用量较多的沥青用较细的、空隙率小的混合料， 到了夏天就很容易蹬现软化，泛油、车辙。 ( 2 ) 路面表面特性和耐久性的矛盾。高速公路对表面特性的要求较高，要求抗滑性 能好，不溅水、水雾小、噪音小。为了达到这些目的，必须提高表面粗糙度，采用构造 深度犬的开级配沥青混合料。但这样的混合料空隙率必然大，丽空隙率丈的混合料耐久 性筹n 耐久性差的原因，一是空隙率大了沥青与空气接触面大，老化快；二是水分滞留 在孔隙内部，逐步造成沥青膜与集料牯结力丧失、剥离，集料颗粒产生剥落、掉粒，最 聒导致松散、坑稽；三是空隙率大的混合料沥青结合料与矿料的协同能力差，耐疲劳 6 一 查苎苎些查兰堡主堂垡笙墨 性能差，无论是荷载疲劳、温度疲劳都将受到严重影响。因此，为- t 婕高耐久性，减轻 沥青的老化，减少混合料内部水分的滞留，提高沥青与矿料的协同作用，就要采用较小 空隙率的混合料。 为了解快这两对矛盾，我国研究人员经过多年的努力，以提高沥青混合料的使用性 能，尤其是对表面屡的使用性能更加严格，这是由于我国高速公路发展的现状，面临严 峻的考验，是根据我国严酷的气候条件和繁重的交通条件这两个方面提出的。除了保证 材料质量和提高施工质量外，提高沥青面的使用性能应从以下两个途径考虑： ( 1 ) 改善矿料级配，现在沥青混合料的材料选择和配合比设计，实际上是在各种路 用性能之间搞平衡或最优化设计。根据当地的气候条件及交通条件作具体分析，尽量互 相兼顾。希望混合料内部的空隙率在4 左右，而表面的构造深度能达到1 m m 以上，沥 青用量尽可能大一些，却不产生车辙。 ( 2 ) 改善沥青结合料，采用改性沥青，全面提高沥青的路用性能。 1 4 国内外改性沥青的应用 世界各国的道路路面约8 0 以上是沥青路面。目前全世界每年沥青总用量为7 5 0 0 万吨，其中一半用于美国。在7 5 0 0 万吨沥青中，8 0 用于道路工程，约6 0 0 0 万吨，其 余2 0 的沥青用于其他工程。 近年来，由于道路上交通量迅速增加，特别是车辆载重明显增大。尤其是在欧洲， 欧洲共同体己考虑容许放宽轴重限制，提高轴载。由此而产生的沥青路面的高温车辙和 低温抗疲劳的性能己不能完全满足要求。因此在路面设计时，多采用改性沥青，改性沥 青的用量逐渐增加。1 9 9 1 年欧洲的改性沥青总量为5 2 5 万吨到2 0 0 0 年底已超过2 0 0 万吨。 国外改性沥青用于： ( 1 ) 表面处治( 含重交通道路路面性能改善) 。 ( 2 ) 薄面层和超薄面层密实沥青混凝土。 ( 3 ) 多孔隙( 或开级配) 沥青混凝土磨耗层。 ( 4 ) 路面防水层。 ( 5 ) 特重交通高速公路和特重交通城市道路的特殊路段。 ( 6 ) 大桥桥面和隧道中的路面 ( 7 ) 封缝。 我国改性沥青的应用状况，交通部重庆交通科研所在2 0 世纪8 0 年代中期研制开发 了丁苯橡胶( s b r ) 改性沥青，并小批量工业生产和在道路工程上少量应用。同济大学 与江西省交通厅合作研究开发了用废橡胶粉改性沥青并在一些公路上做薄层封面。此技 术后来又在湖北省公路上应用。丁苯橡胶( s 1 3 r ) 沥青改性技术先后在青藏二级公路， 1 0 4 国道杭州段。广深一级汽车专用公路黄田至新安段复合式路面等工程中应用。据使 用单位介绍，初期效果明显，随着时间的推移，效果逐渐下降。 从1 9 9 2 年开始，利用p e 、s b s 复合改性沥青铺筑了首都机场高速公路、八达岭机 场高速公路( 京昌段) 、首都机场东跑道和北京市长安街新铺面层等。这样使用主要是考 7 更大竺举处s b 。s 的改性效果明显优于其它品种，随着s b s 价格大幅降低，在华北和东北由于的改性效果明显优于其它品种，随着 价格大幅降低，在毕北弃u 尔北 等北方寒冷地区应该考虑采用s b s 改性沥青。效果优于p e 、s b s 复合改性沥青。黑龙 江省呼绥高速公路、哈尔滨机场高速公路均采用s b s 改性沥青，取得了良好的改性效果。 8 壅! ! 苎些查兰堡主堂篁堕茎 2 改性沥青的选择 2 1 改性沥青的分类 改性沥青是指“掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺 剂( 改性剂) ，或采用对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或混合料的性能得以改善而制 成的的沥青结合料。”另一定义“基质沥青与种或多种改性剂通过适宜的加工工艺形成 的混合物。”改性剂是指“在沥青或沥青混合料中加入天然的或人工的有机或无机材料， 可熔融、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 上) 的材料。”关于改性沥青的分类，根据不同目的所采用的改性沥青及改性沥青混合料 技术划分如图2 - 1 。 改混 件合 沥料 青技 及术 i - - 高温稳定性f - - 橡胶类：s b r 、c r 霪加霈丁艚样煳1 滕豫嘲锄t 羰瓣黑姒 l改善粘附性抗剥离剂：金属皂( 有机锰等) 、有机胺、消石灰等 r 一矿物填料：碳黑、硫磺、石棉、木质素纤维等 物理改性叫玻璃纤维格栅、塑料格栅、t 工织物等 l 废橡胶粉 调和沥青掺加天然沥青( 湖沥青、岩石沥青、海底沥青) 沥青工艺半氧化沥青、泡沫沥青等 图2 - 1 道路改性沥青及改性沥青混合料技术 现在所指道路改性沥青般指聚合物改性沥青，用于改性的聚合物种类也很多，按 照改性剂的不同，一般将其分为三类。 ( 1 ) 热塑性橡胶类：即可塑性弹性体，主要是苯乙烯类嵌段共聚物，如苯乙烯丁 _ 二烯- 苯乙烯共聚物( s b s ) 、苯乙烯异戊二烯苯乙烯共聚物( s i s ) 、苯乙烯乙烯丁二 烯一苯乙烯共聚物( s e b s ) 等。由于它们兼具橡胶和树脂两类改性剂的性质，故也称为 橡胶树脂类。其中，由于s b s 具有良好的路用性质，目前已成为世界上最普遍使用的道 路沥青改性剂。 ( 2 ) 橡胶类：如天然橡胶( n r ) 、丁苯橡胶( s b r ) ，氯丁橡胶( c r ) 、异j + 基胶 ( i i r ) 、丁二烯橡胶( b r ) 、异戊二烯橡胶( i r ) 、苯乙烯异戊二烯橡胶( s i r ) 等等。 其中s b r 是世界上应用较广泛的改性剂之一。 ( 3 ) 树脂类：分为两类，一类是热可塑性树脂，一类为热硬化性树脂。热可塑性树 胶如乙烯一醋酸乙烯共聚物( e v a ) ，乙烯- 丙烯酸乙脂其共聚物。( e e a ) 、聚丙烯( p p ) 、 聚乙烯( p e ) 、无规聚丙烯( a p p ) 、丁氧胶( n b r ) 、聚氯乙烯( p v c ) 等；热固性树脂： 9 一 一 一 一 一 一 ! 墅整壁塑童垄墨垄鋈宣壅竺堡坌堕圭墼生里竺窒 环氧树脂( e p ) 、聚氨脂树脂( p u ) 等。其中p e 在世界上应用较为广泛。 这些常用改性剂的性能见表2 1 。 ( 1 ) s b r 能改善沥青的变形能力和内聚力，降低了感温性提高了高温抗车辙能 力的同时，对低温的变形能力也有所改善。用量一般为沥青的3 5 ( 2 ) s b s 、s i s 是近年来用得较为广泛、性能较好的一种改性剂，它对沥青的高温 性能和低温抗裂性能均有明显改善。 ( 3 ) p e 等对沥青路面的高温稳定性的改善效果明显，但对低温性能没有改善，使 其应用受到了很大的限制。 表2 - !常用聚合钧改性剂性能览表 类别聚合物种类代号形态简要使用性能 增加混台料粘附性、降低感温性、但 天然橡胶 n r 胶乳 低温性能差 橡 苯乙烯二烯聚合物( 胶质游离 s b r胶乳 胶 类)改普变形能力和粘附性降低感温性 类 苯乙烯二烯聚台物( 凝腔樊)s b r腔乳 聚氯乙烯c r胶乳提高弹性和粘结性，降低感温性。 橡 苯乙烯丁二烯嵌段聚合物s b s粒状或粉末 改善变形能力和抗永久变形能力，降 胶 苯乙烯异戊_ 二烯嵌段聚台物 s i s粒状或粉束低感温性 树 脂 s e b 提高稳定性、劲度模量及抗永久变形 类 苯乙烯乙烯丁二烯嵌段聚合物粒状或粉末 s 能力 乙烯一醋酸乙烯聚台物e 粒状 改善抗承久变形的能力，提高勐度模 树 乙烯丙烯酸乙酯聚合物e e a粒状或粉末量 脂 聚氯脂p u 液体增强抗反射裂缝的能力，允许更大弯 【类 环氧树脂 e p 渍状沉 从4 0 年代欧洲开始使用改性沥青以来，已有5 0 多年历史。从品种上看，8 0 年代初 起欧洲曾经广泛使用过e v a ，到8 0 年代中期认识到s b s 的优良性能，e v a 逐渐为s b s 代替，改性沥青的总量中，s b s 占4 0 ，e v a 占1 9 ，s b 占1 4 ，n o v o p h a l t 占3 。 据壳牌公司介绍，现在s b s s i s 占4 4 ，s b 占1 0 e v a 占11 ，轮胎粉占9 ，e p d m i i1 2 ，p ei i 3 ，b e t a p l a s t 占7 其他4 。 日本由于沥青混凝土路面的车辙等非常严重，采用改性沥青提高路面性能已相当普 遍从1 9 6 8 年以来开始使用政性沥青，至1 9 9 7 年，全年使用改性沥青2 7 ，4 万吨，占全 年度各类沥青使用量3 9 1 万吨的7 。预混型的s b s 改性沥青从进入9 0 年代后急剧增加。 我国改性沥青的推广应用工作刚刚起步，用量还不到沥青总量的1 。但随着我国 高等级公路的建设需要，将会得到广泛的推广和应用。 东北林业大学硕士学位论文 2 2 我国的改性沥青标准及特点 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 ) 已在我国实旌。提出的聚 合物改性沥青标准技术要求如表2 2 所示。 表2 - 2聚合物改性沥青技术要求 s b s 类( 1 类)s b r ( i i 类)e v a 、p e 类( i l l 类) 指标 i - ai bj c 1 dl i di i bi i c1 1 1 ai i i - bi i i c1 1 1 d 针 度1 0 0 蜘)i v f 琊1 r a n ) 1 0 0 8 06 04 01 0 08 06 08 06 04 03 0 针入度指数p l 【j 】h 伍 1 0 0 60 2+ o210o806 1o- 08o604 延度6 5 m r b i n ) m r 5 04 03 02 06 05 04 0 软化点t r & bm 嵋q 4 55 05 56 04 54 85 04 85 25 66 0 运动粘度2 i ( 1 3 5 ( 2 ) m q 3 闪点m融()2 3 02 3 02 3 0 溶解度 缸脚 51 99 9 离析n 软化点差m r ( 。 25 无改性剂明显析出、凝聚 弹性恢复( 2 5 ) 5 56 06 57 0 粘韧性( n m )5 韧性( n m )25 r t f o t 后残留物 质量损失m l0 lo 10 针 度比( 2 5 ) 5 m w 峋 5 05 56 06 55 05 56 05 05 55 8 6 0 延度( 5 c ) i v 佃( c m ) 3 02 52 01 53 02 01 0 我国的改性沥青技术要求( 标准) 有以下特点： ( 1 ) 关于改性沥青的分类及适用范围 我国目前乃至今后相当长的一段时间内，可能使用的聚合物改性剂主要是s b s 、 s b r 、e v a 、p e ，因此将其分为s b s ( 属热塑性橡胶类) 、s b r ( 属橡胶类) 、e v a 及p e ( 热塑性树脂类) 三类。其他未列入的改性剂，可以根据其性质，参照相应的类月惦k 行。 i 类s b s 类热塑性橡胶类聚合物改性沥青。i - a 型及i b 型适用于寒冷地区，i c 型 用于较热地区，i d 型用于炎热地区及重交通量路段。 1 l 类s b r 橡胶类聚合物改性沥青。i i - a 型用于寒冷地区，i i - b 和i i - c 适用于较热地 区。 i l i 类聚合物改性沥青。如乙烯- 醋酸乙烯脂( e v a ) 、聚乙烯( p e ) 改性沥青，适用 于较热和炎热地区。通常要求软化点温度比较最高月使用温度的最大日空气温度要高2 0 左右。 根据沥青改性的目的和要求选择改性剂时，可作如下初步选择： 为提高抗永久变形能力，宜使用热塑性橡胶类、热塑性树脂类改性弄f j 。 为提高抗低温开裂能力，宜使用热塑性橡胶类、橡胶类改性剂。 1 1 s b s 改性沥青在黑龙江省高等级公路上的应用研究 为提高疲劳开裂能力，宣使用热塑性橡胶类、橡胶类、热塑性树脂类改性剂。 为提高抗水损害能力，宜使用各类抗剥落剂等外掺剂a ( 2 ) 关于改性沥青的分级及感温性要求 改性沥青的技术指标以改性沥青的针入度作为分级的主要依据，改性沥青的性能以 改性后沥青感温性的改善程度，即针入度指数p i 的变化为关键性评价指标，这是“八五” 国家科技研究成果的核心。一般的非改性沥青的p i 值基本上不超过一1 0 ，改性后要求大 于1 0 以上。从改善温度敏感性的要求出发，改性后期望在沥青的软化点提高的同时， 针入度不要降低太多。 ( 3 ) 关于改性沥青性能的评价指标 对每一类改性沥青的路用性能，采有不同的评价指标，这是目前国际上流行的做法， 但要针对改性沥青的特点，选择代表性的试验指标作为重点评价指标。同一类分级中的 a 、b 、c 、d 主要是基质沥青标号及改性剂量的不同，从a 到d 意味者沥青的针入度变 小，沥青越硬，高温性能越好，相反低温性能降低。 s b s 类改性沥青特点是高温、低温性能都好，且有良好的弹性恢复性能，所以采用 软化点5 c 低温延度、回弹率作为主要指标。r t f o t 后的弹性恢复，由于试验后的性能 降低很少，甚至可能比老化试验前还要好一些，再加上试验要求的样品数量较多，所以 没有列入。 s b r 改性沥青特点是低温性能得到改善，所以以5 c 低温低温延度作为主要指标， 考虑到达s b r 改性沥青在老化试验后延度严重降低的实际情况，故还列入了r t f o t 的 后的低温延度。另外粘韧试验对评价s b r 改性沥青特别有价值，软化点试验作为施工控 制较为简单，也列入标准中。 e v a 及p e 类改性沥青的最大特点是高温性能明显改善，故以软化点作为主要指标。 任5 c 试验温度条件下，延度一般还要降低，不足以评定低温抗裂性能，故不列入。由 rp e 不溶于三氯乙烯，对此类改性沥青，溶解度也不要求。e v a 及p e 类改性沥青， 主要适合在炎热气候条件下使用使用者应该根据所在地区的高温情况及主要目的选择 相适宜的标号。 ( 4 ) 关于老化试验的标准试验方法 我国普通沥青的老化试验通常采用薄膜加热试验( t f o t ) ，但对改性沥青来说，最 好采用旋转薄膜加热试验( r t f o t ) 。这是因为我国一般采用现场生产、现场使用的改 性沥青，改性沥青制作后必须一直保持搅拌状态，直至使用，一旦停止搅拌改性沥青 就不可避免地会产生离析，所以在标准中要求对工厂生产的产品要进行离析试验，而对 现场制作、使用的改性沥青可免此试验。 ( 5 ) 关于粘度指标 改性沥青的6 0 c 粘度是一个非常重要的指标，它特别能说明改性沥青在高温稳定性 方面的改善效果。但是，随着改性剂剂量的增加，粘度增高很大，澳0 定方法上也有困难。 尽管s h r p 主张采用工程上常用的布洛菲尔德( b r o o k f i e l d ) 型旋转粘度计进行测定但 作为标准试验方法，a s t m 规定仍然采用毛细管粘度计，但由于粘度大，毛细管的型号 查! ! 苎些查兰堡主兰垡堡墨一 要求有所不同( 常用4 0 0 号) ，再加上我国尚缺乏这方面的测定数据，标准要求值的提出 有一定困难，所以在我国的标准中，暂时作为一个要求指标列入，仅在注中说明。 用改性沥青铺筑沥青混凝土路面一般讲无需特殊的要求，然而因为许多改性沥青在 高温时有较高的粘度，故在国外的改性沥青标准中，通常都对改性沥青设鼍高温粘度的 界限，且这个界限一般是根据材料的泵送性规定的。例如在美国a a s h t o 的标准中， 为使目前常规使用的泵能有效地操作，要求1 3 5 c 粘度最高不超过2 0 0 0 m m 2 s 。美国 s h r p 规范要求不超过3 p a _ s 此要求实际上是对改性沥青混合料工作性要求。 对13 5 c 粘度，s h r p 要求用b r o o k f i e l d 型旋转粘度计测定，不超过3 p a s 作为标准 列入，但如果施工没有困难，可以不测定。 ( 6 ) 关于标准的使用问题 具体对一个工程，当使用改性沥青时。如何使用此技术要求呢? 一般可参照如下步 骤进行。 根据当地的气候条件和交通条件，选择适当的基质沥青。希望提高高温性能的路 段，基质沥青的标号宜为当地同类公路使用的沥青标号；希望提高低温性能的路段，基 质沥青的标号宜为针入度大一个等级( 软一些) 的沥青。 根据改性目的和经济条件，在改性剂的合理使用范围内，选择一个初试剂量。各 类改性沥青的合理范围，除特殊情况外，宜在下列范围内选择： 对s b s 改性沥青，s b s 的剂量宜为3 巧，通常采用3 一4 ，要求高时采用5 巧； 对s b r 改性沥青，s b r 的剂量宣为3 s ，通常采用3 - - 4 ，要求高时采用5 ： 对e v a 或p e 改性沥青，e v a 或p e 的剂量宣为4 - - 5 ，要求高时采用6 。 按改性沥青的加工工艺，采用适宜的方法制作改性沥青样品，测定改性沥青的1 5 、2 5 c 、3 0 c 针入度，计算针入度指数p i ，再根据2 5 c 针入度确定属于哪一个等级? 例如针入度8 8 的基质沥青采用4 s b s 改性后，针入度为6 6 ，则属于i - c 级。 按照各类改性沥青关键性技术指标，试验各项性质，对照表2 2 的指标，评定其 是否合格。例如s b s 改性沥青，用试验软化点、低温延度、回弹率进行评定。 如果达不到要求的指标，或指标过高，可以适当调整改性剂的剂量，以符合标准 的要求。也可以一开始就试验几个不同剂量的改性沥青，从中选择一个适宜的剂量。 试验技术要求规定的其他指标，检验其是否合乎各自技术要求。 需要注意的是，对某项指标，例如软化点、延度，对同一类改性剂来说，指标的 高低有很大价值，可通过改性前后指标的变化评价改性效果。但对不同类型的改性剂。 互相之间进行比较时，意义要小一些，不能完全根据该指标的高低就判断政性效果的好 坏，还要根据改性沥青，混合料的指标进行综合评定后，才能下结论。 2 3 改性剂的选择原则 改性剂的选择是根据所在地区的气候条件，交通条件、经济实力，改性沥青设备条 件，以及当地路面的主要破坏形式，政性目的综合确定。 改性剂确定的一般原则。 2 3 1 根据不同的气候条件选择。 1 3 我国公路改性沥青路面旋工规范( j t j 0 3 6 ) 规定的小i 司改性泐胃，寺缴阴扳不墨乐 根据不同的气候区进行选择的依据。从不同的改性剂的标准可以看出，不同的改性沥青 类型在指标本身就有明显的区别。对南方夏季炎热地区，高温稳定性要求较高，s b s 、 p e 、e v a 等的改性效果较好：面对华北、中南、西北以及东北地区，夏季炎热，冬季寒 冷，高低温要求都很高，选择s b s 能两方面都兼顾。 23 2 根据不同的荷载条件选择。 不同的道路所承受的荷载不一样，对旅游、机场高速公路等主要供轻型车行驶的道 路，产生车辙的可能性较小，主要考虑行车舒适和气候因素，对抗裂性能的要求是重点， 可选择s b s 、s b r 等，而对以载重汽车为对象的高速公路、一级公路，重车比例大，超 载车多的某些干线道路，主要目的是抵抗车辙、拥包等永久性变形，贝u 可考考虑采用s b s 、 p e 、e v a 等改性剂 2 3 ，3 根据加工能力。 改性沥青的加工是非常重要的，根据改性剂的种类，可采用直接加入法，即将改性 剂直接投入拌和机与混合料一起拌和，如s b r 胶乳；也可以采用预混法，即事先将改性 剂混入沥青中，均匀分散。然后再喷入混合料中拌和。大部分改性剂，包括s b r 胶乳都 可以采用预混方法制傲政性沥青，不过由于改性剂品种的不周，有些可以采用简单的拌 和方式加工改性沥青，如某些e v a 。日本a p a o 等：对许多改性剂，如s b s 、p e 、e v a 等，必须采高速剪切、胶体磨、混炼等特殊的加工方式，才能使改性剂达到分散均匀的 目的。选择改性剂必须根据实际情况和加工能力来确定。 2 3 4 经过技术经济分析确定改性方案。 改性沥青的成本同以f 几部分组成： ( 1 ) 改性剂的成本。 ( 2 ) 加f 费。如改性沥青设备费、加热的柴油、电力费以及人 费等。 ( 3 ) 采用改性沥青后因增加沥青用量而增加的费用。与普通沥青相比，改性沥青用 鼍大约要增加0 3 0 5 左右。 改性剂的选择，必须从技术性能及经济成本两方面考虑，选择成本低，性能好，效 果好的改性剂和制做方式。 2 4 s b s 改性剂分子结构与物理特性 热塑性弹性体类( t h e m op l a s t i ce l a s t o m e r ，简称t p e ) 改性沥青，主要有聚胺脂， 聚醚一聚酯共聚物，聚烯烃以及苯乙烯嵌段共聚物四大类，其中苯乙烯嵌段共聚物作为 道路沥青的改性剂已被证实具有最大的潜力。它们的代表产品是s b s 、s i s 、s e b s 改性 沥青，通常称为热塑性橡胶类( t r ) 。其中s b s 的分子结构呈条形，常用路面沥青混合 料；s i s 主要用于热熔粘结料：s e b s 则应用于抗氧化、抗高温变形要求高的道路和屋 面。目前世界各国用于道路沥青改性使用最多的是s b s 改性沥青。 s b s 是一种热塑性弹性体是以丁二烯和1 ，3 - 苯乙烯为单体采用阴离子聚合物 制成的线型或星型嵌段共聚物。如果添加了填充油则成为充油s b s 。s b s 高分子链具有 串联结构的不同嵌段、塑性段和橡胶段，形成了类似合金的“金相组织”结构。这种热 1 4 东北林业大学硕士学位论文 塑性弹性弹性体具有多相结构，每个丁二烯段链( b ) 的末段部连着一个苯乙烯嵌段( s ) ， 若干个丁二烯链段偶联则形成线型或星型结构。其中聚苯乙烯链段( s ) 在两端分别 聚集在一起，形成物理交联区域，即硬段，称作微区( d o m a i n ) ，也可称为约束相：而聚 丁二烯链段( b ) 则形成软段，也可称为连续相，呈现高弹性。软段( b 段) 与硬段( s 段) 互不相溶，硬聚苯乙烯链段分子缔合进入小的刚性端基范围，这种缔合作用类似于 物理的交联或结合，并且较长时间保证在一起，在中间基封闭的聚丁二烯软橡胶聚合物 化学结合，这种分相结构通称为微观相分离结构。s b s 的硬段作为分散相而分布在连续 相聚丁二烯之间，起着物理交联点固定链段和聚丁二烯补强活性填充剂的作用，它阻止 分子链的冷流，常温下，甚至在低于一1 0 0 c 时。仍具有硫化橡胶的特征。聚丁二烯软段 镶嵌在聚苯乙烯硬段之间，联接成星型或者线型的结构，所以称为嵌段共聚物。s b s 通 过聚