（道路与铁道工程专业论文）界面法改性沥青混合料路用性能研究.pdf

摘要 摘要 界面法改性是指将某种改性剂( 如磨细的废轮胎橡胶粉等) 直接加入到沥 青混合料搅拌缸中，首先是改性剂与高温集料的预拌，在此过程中，部分改性 剂融化变软，局部地裹覆在热集料颗粒的表面。然后加入热沥青再进行搅拌， 在搅拌中沥青膜将直接与集料颗粒表面的改性剂膜紧密接触，在沥青与改性剂 界面之间相互渗透，从而局部强化了沥青膜，以达到提高沥青混合料性能的目 的。界面法改性工艺适合于那些不易在沥青中分散和溶解的改性剂，本论文所 涉及的d t l r o f l e x 改性剂就是通过界面法工艺对沥青混合料进行改性的。 本论文在调研、总结和分析国内外资料的基础上，通过室内试验、铺筑试 验路，开展了对d u r o f l e x 改性沥青混合料施工特性和路用性能的研究。通过室 内试验探讨沥青d u r o f l e x 改性剂最佳掺量，对d u r o f l e x 改性沥青及混合料的 高温稳定性、低温性能以及水稳定性进行研究分析，并把d u r o f l e x 改性沥青混 合料与基质沥青混合料以及s b s 改性沥青混合料的高温稳定性等路用性能进行 了对比，结合石家庄市环城公路工程实体铺筑对各项指标进行检测，以达到主 要研究内容的预期目的。 通过研究分析认为，d u r o f l e x 改性剂对沥青混合料的高温稳定性、水稳定 性有很大程度的改善，对低温性能也有一定程度的改善作用，此外采用界面法 生产d u r o f l e x 改性沥青混合料具有方便的改性加工工艺和良好的通用性。 关键词：沥青与沥青混合料，界面法改性，d u r o f l e x 改性剂，改性机理，路用 性能，路面施工 a b s t r a c t a b s t 刚把t t h ei n t e r f a c em o d i f i c a t i o ni st h a tt h ea d d i t i v ef o ri m p r o v i n gt h e p r o p e r t y ，f o re x a m p l et h ew a s t eg r o u n dw h e e lr u b b e rp o w d e r ，i sd i r e c t l y a c c e d e dt ot h em i x e rp l a n t ，t ob e g i nt ob em i x e dw i t ht h ev e r yh o t a g g r e g a t e ，t h ep a r t i a ls o f t a d d i t i v ew r a p t h ei n t e r f a c eo ft h eh o t a g g r e g a t ea n db e g i nt om i xw h e nt h eh o ta s p h a l tiss p r a y e d ，t h ea s p h a l t m e m b r a n ei sv e r yc o n n e c t e dw i t ht h ea d d i t i v em e m b r a n ew h e nb e i n gm i x e d ， t w oc o m p o n e n t sp e n e t r a t eb e t w e e nt h ei n t e r f a c ee a c ho t h e r ，t h ea s p h a l t m e m b r a n ei ss t r e n g t h e n e d ，s ot h a tt h e m i x t u r ei sm o d i f i e d t h ei n t e r f a c e m o d i f i c a t i o np r o c e s si sa p p l i c a b l et ot h ea d d i t i v ef o ri m p r o v i n gt h e p r o p e r t yt h a ti sn o td i s p e r s i o na n ds o l u t a t e dt ot h ea s p h a l t i nt h ep a p e r ， t h ed u r o f l e xa d d i t i v em a k e st h eb i t u m i n o u sm i x t u r em o d i f i e db yt h e i n t e r f a c em o d i f i c a t i o n i nt h ep a p e r ，o nt h ef o u n d a t i o no fv e s t i g a t e i n gi n ，s u m m a r y i n ga n d a n a l y s i s i n gt h ed o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a ld a t a ，t h ep a v e m e n t p e r f o r m a n c ea n dc o n s t r u c t i o np e r f o r m a n c eo fd u r o f l e xb i t u m i n o u sm i x t u r e i ss t u d yb yt h el a b o r a t o r yt e s ta n dt h ee x p e r i m e n t a ls e c t i o n b yt h e l a b o r a t o r yt e s t ，t h er e a s o n a b l eq u a n t i t yo ft h ed u r o f l e xa d d i t i v ei s r e s e a r c h ，t h eb e h a v i o ru n d e rh i g ha n dl o wt e m p e r a t u r ea n dw a t e rw o r k i n g o no ft h ed u r o f l e xc o m p o u n da n db i t u m i n o u sm i x t u r ei ss t u d y ，s ot h a tt h e d u r o f l e xc o m p o u n di sc o m p a r e dw i t ht h es b sc o m p o u n da n dt h ea s p h a l t c o m p o u n da tt h eb e h a v i o ru n d e rh i g ha n dl o wt e m p e r a t u r ea n dw a t e rw o r k i n g o n ，c a r r yo nt h ee x a m i n a t i o nt ov a r i o u si n d e xs i g n sa tt h ew r e a t hc i t y h i g h w a yo fs h i j i a z h u a n g ，s oa st oa t t a i nt h ea n t i c i p a t i o ni n t e n t i o n w ec o n s i d e rb yt h es t u d yt h a t t h ed u r o f l e x a d d i t i v ew o r k so nt h e b e h a v i o ru n d e rh i g ht e m p e r a t u r e ，l o wt e m p e r a t u r ea n dw a t e rw o r k i n go n v e r yw e l l ，i tw o r k so nt h eb e h a v i o ru n d e rl o wt e m p e r a t u r e ，b u ta l s oi t h a st h ec o n v e n i e n tp r o c e s sa n d t h eu n i v e r s a lp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：a s p h a l ta n db i t u m i n o u sm i x t u r e ，i n t e r f a c em o d i f i c a t i o n ， d u r o f l e x a d d i t i v e ， m o d i f i c a t i o n m e c h a n i s m ，p a v e m e n t p e r f o r m a n c e ，c o n s t r u c t i o no fp a v e m e n t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 姗虢蛳鹏妙 沙卯) 拈稠歹日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者 哂弓 罗月日 第1 章引言 1 1论文背景 第1 章引言 河北等地区夏季高温时气温可达4 0 ，并且受全球变暖气候影响，夏季持 续高温现象逐年加重，而且随着经济的迅速发展，交通量猛增，轴载增加，重载、 超载现象严重。在对河北省某公路的一次交通量调查中显示，淡季时交通量为 4 0 0 0 辆- 6 0 0 0 辆，春季旺季时交通量达6 0 0 0 辆- 8 0 0 0 辆：在载货车中，空车占 4 6 8 ，运煤车占4 1 3 ，各类车超载现象十分严重，超载、超限车辆占日交通 量的3 4 ，大部分运煤车的单轴重超过1 3 t ，甚至达1 5 t ，对超载车按四次方换 算公式换算成标准轴载，一辆红岩或里亚兹拖挂车相当于标准车2 l 辆，而一辆 斯太尔拖挂车相当于标准车7 7 辆。在炎热气候与大交通量的综合作用下，车辙 已经成为沥青路面的主要破坏形式之一。在春融季节、多雨的夏季，沥青路面逐 渐出现麻面、松散、掉粒乃至坑槽。沥青路面的水损害成为沥青路面的另一种主 要破坏方式。沥青路面的高温车辙和水损害往往出现在路面通车之后的1 - 3 年 内，属于早期损坏，因此不仅带来巨大的经济损失，而且带来非常恶劣的社会影 响。为了提高沥青路面的使用性能，提高服务能力，延长使用寿命，发展改性沥+ 青与沥青混合料技术已经迫在眉睫。 改性沥青及其混合料技术的优势主要体现在以下几个方面：改善沥青以及 混合料的高温稳定性，提高沥青路面的高温抗车辙能力；改善沥青与集料的粘附 性，提高沥青与集料之间的粘结力，从而大大降低了路面水损害的发生；改性沥 青的使用可以大大延长路面的疲劳寿命，延长养护、大中修的周期，减少二次投 入；改性沥青及混合料技术发展的同时也扩大了沥青技术的应用范围，改性沥青 应用在薄层磨耗层、大孔隙排水式沥青路面、开级配沥青面层、桥面铺装、机场 道面、桥面伸缩缝、层面及坝体防水等方面都取得了良好效果，同时新型路面结 构，特殊环境和条件下沥青的应用促进和激发了改性沥青的研究和应用；提高沥 青路面的服务水平，降低营运费用，延长养护周期，减少养护费用与养护工作量， 降低罩面层厚度等，具有良好的社会经济效益。 d u r o f l e x ( 简称多乐) 改性剂是在直接添加到沥青混合料中拌和的一种新型 第1 章引言 的改性剂，由德国柏林卢博道路与环境公司生产。该产品为黑色固体，星粒状， 粒径在4 。7 5 r a m 一0 7 5 r a m 之间。其中，4 ，7 5 r a m 占1 3 左右、2 3 6 r a m 占6 3 左右、1 。1 8 m 占1 9 、0 6 m m 和0 0 7 5 r a m 各占1 - 2 左右。其形状不规则，密度在1 0 4 2 9 c m 3 左右。d u r o f l e x 改性剂主要是为提高沥青混合料的高温稳定性、增强沥青与集 料的粘结而专门研制的。初步研究表明，d u r o f l e x 改性剂可以改善沥青与集料 之间的粘结情况，提高沥青混合料的水稳定性，降低沥青路面水损害发生的机率。 d u r o f l e x 改性剂可以提高沥青混合料的劲度模量，而夏季高温时，高劲度模量 的沥青混合料抵抗永久变形的能力强，即可改善沥青路面的高温稳定性。 d u r o f l e x 改性沥青混合料在生产工艺上不需要专门的设备，它与以往的改 性剂的不同之处还在于它首先与热的矿质混合料拌合，然后加入沥青，而不是首 先与沥青拌合制成改性沥青，再与矿质集料拌合成沥青混合料。因此，可以在相 对较低的温度下进行沥青混合料拌和。 1 2 国内外研究现状 改性沥青l j?i混法一sbr s 脓乳胶、有机锰 ，直接投入法： 乳胶、纤维、磨细橡胶粉( 干法) 等 t 厂制作的曲忡沥音吨品s b s 、e v a 笺 图1 - 1 改性沥青和改性沥青混合料的制作方式 第1 章引言 目前，因受多种因素制约，改性沥青的路用性能仍有局限性，如公认性能 优良而被广泛应用的s b s 改性沥青，其高温抗车辙变形能力仍然显得不足，因为 劲度模量与s b s 改性剂的掺量有关，掺量越大，劲度模量越高，但是一般超过 6 ( 占沥青质量) 之后，模量不再明显提高，经济上也不合理，而且s b s 添加剂 的掺量太大，改性沥青粘度太高，为拌和、碾压带来一定的难度，因此，s b s 改 性沥青及其混合料在提高劲度模量，提高抵抗高温抗车辙永久变形能力方面具有 一定的局限性。 近年来，由于改性沥青路用性能的局限性，针对某些特殊性能要求，研究 开发沥青混合料直接改性技术成为最新热点。世界上研发的有代表性的直接添加 剂有德国d u r o f l e x 、壳牌s e a m 等。d u r o f l e x 改性剂是在直接添加到沥青混合料 中拌和的一种新型的改性剂，这一改性剂主要是为提高沥青混合料的高温稳定 性、增强与矿料的粘结而专门研制的，对提高沥青路面的高温稳定性、水稳定性 方面具有很大的潜力，使其在我国具有很大的推广应用价值。但目前尚未结合国 情、省情对这种新型添加剂进行系统的专门研究。 1 3主要研究内容、研究方法和技术路线 本论文主要针对河北省地理位置、气候条件和道路等级等多方面因素，研 究d u r o f l e x 改性沥青及其混合料的性能，重点研究界面法( d u r o f l e x ) 改性沥 青混合料，并与普通a h 一7 0 沥青混合料、s b s 改性沥青混合料的路用性能对比， 并以石家庄市环城公路( 以下简称石环公路) 为依托，对d u r o f l e x 改性沥青混 合料进行推广应用。 1 3 1 主要研究内容 1 ) 沥青混合料改性剂d u r o f l e x 的改性机理与适用性研究： 2 ) d u r o f l e x 改性剂沥青混合料的水稳定性、高温性能和低温性能等路用性 能研究； 3 ) 研究确定沥青混合料改性剂的合理掺量； 4 ) d u r o f l e x 改性沥青混合料与s b s 改性沥青、普通a - 7 0 沥青混合料等进 行比较研究： 5 ) d u r o f l e x 改性沥青混合料实体工程应用。 通过以上理论分析研究和工程实践，全面总结d u r o f l e x 改性沥青混合料的 第1 章引言 经验，以利于其更好地应用和推广。 1 3 2 研究方法 本研究在室内试验的基础上，对d u r o f le x 改性沥青及混合料的各项性能进 行分析，结合石家庄市环城公路工程实体铺筑对各项指标进行检测，以达到主要 研究各项内容的预期目的。 d u r o f l e x 改性荆的室内研究方面，最大的难度是，很难模拟改性剂与热矿 质混合料在拌和楼内的作用情况，常规的拌合锅满足不了这一要求。经研究分析， 本研究采用了一台进口的双卧轴式的搅拌机，较好的模拟拌和楼的拌合情况。 1 3 3 技术路线 固守困 广广 广 l 竺塞全翌堡苎l 臼- l 皇空兰竺1 日l 竺兰墨璺苎查至兰1 d 固日囡l 苎竺竺塑苎iql 竺鲨竺坌塑i o 囡 。 固 图l - 2 技术路线图 4 第1 章引言 1 4 工程概况 本论文以石环公路建设为依托，展开d u r o f l e x 改性沥青混合料路用性能研 究的。石环公路是河北省会石家庄市的外围环城公路，从对石环公路预测交通量 以及现有路网实际调查结果来看，交通荷载较大( 设计累计轴载1 4 0 0 万次以上) ， 且过境车辆将多为重型车( 约占6 0 以上) 。由于石家庄市特殊的地理位置，其 夏季高温气温可达4 0 以上，冬季气温可达- 1 5 以下。因此，石环公路的重载 交通将使沥青路面遭到严重考验，极易发生路面车辙、拥包、唧浆、剥落、坑槽 等病害，这不仅将加大未来的养护投资，而且还影响公路的正常通行能力，降低 社会及公众对交通的满意度，直接影响石家庄市的经济发展与整体形象。由于石 环公路的特殊地位和重要作用，也有必要采取切实可行的新材料、新技术，对沥 青路面的高温稳定性、低温抗裂性以及抗水损坏能力进行提高，以提高石环公路 沥青路面的使用质量，确保公路的服务水平。 石环公路按一级公路标准设计，双向六车道，设计时速为8 0 k m h ，设计荷 载为汽2 0 ，挂一1 0 0 ，路基宽为3 3 米，路面结构为；1 8 c m 厚石灰粉煤灰稳定 土+ 1 8 c m 厚石灰粉煤灰稳定碎石+ 1 8 c m 厚水泥稳定碎石+ 1 8 c m 厚a c 一2 5 沥 青混凝土+ 1 8 c m 厚a c - 2 0 沥青混凝土+ 1 8 c m 厚a c - 1 3 沥青混凝土。 5 第2 章试验材料与试验方案 2 1 实验材料 第2 章试验材料与试验方案 2 1 1 沥青 石油沥青是用石油经各种炼制工艺加工而得到的产品，其在常温下是黑色、 或黑褐色的粘稠液体、半固体或固体。粘结性和防水层是沥青被用作道路材料的 主要原因，本研究采用的沥青为加德士a h 7 0 基质沥青以及5 s b s ( 添加剂占沥 青用量的质量百分率) 成品改性沥青。对基质沥青老化前后的性能指标进行测试， 试验方法按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j a0 5 2 2 0 0 0 ) 进行， 技术要求参见公路沥青路面旌工技术规范( j t gf 4 0 - 2 0 0 4 ) ，其主要性能指标 试验结果见表2 1 。由此可见，本研究试验采用的沥青完全满足技术规范要求。 表2 - 1 加德士a h - 7 0 沥青技术性能试验结果 a - 7 0 ( 1 - 3 ) 试验项目 单位试验结果单项评定 拮太雾虫 针入度2 5 3 2 ，1 0 0 9 。5 s 0 1 m m配l 3 口 ： 6 2 合格 针入度指数p 11 扣+ 1 o 一1 3 5 合格 软化点t r 朗 4 6 ，4 8 1合格 延度l o ，5 c m m i n锄加2 7 5合格 延度1 5 ，5 c m m i n锄习 1 0 0合格 密度1 5 g c m 3 实灏记录 1 0 4 3 合格 溶解度( 三氯乙烯) w t苎 9 ， 9 9 9 合格 闪点( c o c ) 筮6 0 3 1 2 合格 含蜡量 w t q 2 1 合格 动力粘度印p 乱s型8 02 3 3合格 表观粘度1 3 5 p & s未作要求o 3 9 旋转薄膜加热试质量变化： w t士d 80 0 2 合格 验残留物 针入度比：2 5 3 2 ， 巧j 7 8 6 合格 ( 1 6 3 3 2 ，8 5 r a i n ) 延度：1 0 ，5 c t r d m i n c n l巧1 2 1合格 6 第2 章试验材料与试验方案 2 1 2 粗集料 d u r o f l e x 改性沥青混合料之所以有较高的高温稳定性，是基于含量甚多的 粗集料之间的嵌挤作用。集料嵌挤作用的好坏在很大程度上取决于集料石质的坚 韧性、集料的颗粒形状和棱角性。同时，d u r o f l e x 改性剂对粗集料的抗压碎值要 求高，粗集料必须使用坚硬的、粗糙的、有棱角的优质石料。必须严格限制集料 的扁平颗粒含量。所使用的碎石要用捶击式或锥式碎石机破碎。本研究选择石家 庄灵寿县石料场的玄武岩碎石，主要技术指标见表2 2 。由表可见，粗集料的各 项指标均符合规范要求。 表2 - 2 粗集料主要技术指标 o 针片状 软石 压碎值磨耗值表观相吸水率坚固性 0 7 5 m m 项目粘附性含量含量 ( ) ( )对密度( ) ( )颗粒含量 ( 绚 ( ) ( ) 实测 1 8 61 5 32 7 4 6o 556 6 l o 1 o 1o 3 结果 - 技术不小于 q o翌8 銎6 5 2 o 1 2 1 2 s l 5 l 要求5 级 2 1 3 细集料 细集料使用机制砂，机制砂分为0 - 3 r a m 和3 - 5 r a m 两种规格，由于机制砂是 采用坚硬岩石反复破碎制成，所以它具有良好的棱角性和嵌挤性能，对提高混合 料的高温稳定性有一定的影响。本研究选用石家庄市鹿泉建材厂的石灰岩加工的 机制砂，细集料主要技术指标见表2 3 。由表可见，细集料的各项指标均符合规 范要求。 表2 - 3 细集料主要技术指标 项目表观相对密度坚固性( ) 砂当量( ) 表观密度( t m 3 )含泥量( ) 实测结果2 7 2 85 89 6 52 7 2 6o 3 技术要求墅5曼1 26 02 5 0 s 1 0 7 第2 章试验材料与试验方案 2 1 4 填料 矿粉在沥青混合料的作用至关重要。改性沥青只有吸附在矿粉表面形成薄 膜，才能对其它粗、细集料产生粘附作用，所以沥青矿粉混合料才是真正的混合 料。矿粉的质量尤为重要，采用石灰石矿粉的亲水系数必须小于l ，与沥青有良 好的粘附性。同时矿粉的细度也应符合要求，一般小于0 0 7 5 m m 的含量就控制 在7 5 左右，并不是越细越好。本研究选用鹿泉建材厂的矿粉( 用石灰岩磨制) ， 矿粉主要技术指标见表2 - 4 。由表可见，矿粉的各项指标均符合规范要求。 表2 - 4 矿粉主要技术指标 表观密度含水量粒度范围( )亲水 塑性指数 项目 外观 ( t m 3 )( )日0 6 r a m 0 1 5 r a m 0 0 7 5 r a m系数 ( ) 实测 2 。7 1 20 。0l o o 09 5 98 5 1o 83 7合格 结果 技术 无团粒 2 55l 1 0 09 0 1 0 07 5 1 0 0 l 1 0 0 4 9一1 7 l 4 7 0 26 8 8 基质抽提2 7 7 。l3 o5 81 4 47 0 2 3一1 6 8 6 改性剂3 9 0 3 8 1 4 44 o 5 4 o 1 95 9 3 0一1 3 2 9 改性剂5 5 4 79 34 55 5 62 1 46 7 2 22 8 7 0 改性剂8 4 2l o 14 75 62 5 36 8 8 5- 3 2 4 1 由表4 - 1 可以看出，使用d u r o f l e x 改性剂后所测得的各项指标与未使用改 性剂的沥青( 指抽提的) 相比，其不同在于以下几个方面： 1 、d u r o f l e x 改性剂对沥青针入度的影响 针入度是表示沥青粘性的物理量，粘性大，针入度小，反之，针入度大。如 图4 - 1 所示，随着改性剂用量的增加，改性沥青的粘度增大，针入度值下降，2 5 的针入度变大了，延度增加了，软化点略微减小，说明使用改性剂后使沥青塑 性增大了。 2 、d u r o f l e x 改性剂对沥青低温性能的影响 d u r o f l e x 改性剂大幅度提高沥青的延度，同时使其当量脆点有所减小，如图 4 2 所示。图4 - 2 中当量脆点曲线表明：d u r o f l e x 改性剂对沥青低温性能有一定 1 9 第4 章d u r o f l e x 改性剂对基质沥青性能影响的研究 程度的改善。 图4 - 1