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高性能改性沥青及其混合料的试验研究 博士研究生：解建光 指导教师：钱春香教授 学校：东南大学 摘要 针对改性沥青及其混合料目前存在的主要问题，研究了新型氢化聚苯乙烯- 丁二烯乙烯 一苯乙烯( s e b s ) 物理改性剂、马来酸酐接枝聚苯乙烯丁二烯一苯乙烯( s b s g - m a h ) 和马 来酸酐接枝氢化聚苯乙烯一丁二烯一苯乙烯( s e b s g - m a h ) 化学改性剂，并在此基础上研制 了高性能的改性沥青混台料。s e b s 、s b s g m a h 和s e b s g - m a h 改性沥青与目前采用的 苯乙烯丁二烯苯乙烯( s b s ) 改性沥青相比，基本性能指标和热储存稳定、老化性能均有 显著改善。 相客性试验和荧光显微、s e m 、d s c 分析表明，s e b s 提赢沥青性能的机理是由于其具 有更宽的溶解度参数范围，可吸收沥青中小分子溶胀，在沥青中形成弹性网络，从而提高改 性沥青的高低温性能。s e b s 还可以吸收沥青中的蜡分，更有效地提高蜡晶体在沥青中的分 散度，提高了沥青受热过程中的稳定性。 试验室制备了s b s g m a h ，f t l r 和1 h n m r 分析表明，其分子中存在活性c = o 和 c o c 基团，可以与沥青中的o h 、o r 、n h 2 等基团发生反应，使得s b s g 。m a h 化 学改性沥青具有更优良的物理性能和存储稳定性。 试验研制了三种高性能改性沥青混合料： ( 1 ) s e b s 改性沥青+ 花岗岩粗集料+ 碱渣填料 ( 2 ) s b s g m a h 改性沥青+ 花岗岩租集料+ 碱渣填科 ( 3 ) s e b s g m a h 改性沥青+ 花岗岩粗集料+ 碱渣填料 与s b s 改性沥青混合料相比，它们的高温性能、水稳定性能、抗老化性能均有明显提 高，适用于各种不同的场合。 碱渣在这三种高性能沥青混合料中，由于其比表面积大，并且可与沥青质和酸性集料反 应，形成良好的牯接界面，从而起到了提高混合料水稳定性的作用，理论分析表明，沥青从 集料上剥离时间的长短主要由初始裂纹a o 和沥青材料系数n 两个因素决定，a 0 和n 越小， 沥青混合料疲劳寿命越长。 f t i r 分析表明，改性沥青混合科长期性能的下降主要是因为改性剂在紫外光下发生 c = c 双键断裂引起的。s b s 由于主链上的聚丁二烯链段很容易在紫外线辐射下发生断裂， 降低主链上的不饱和度，所以抗老化性能较差。s e b s 由于主链上不饱和链段含量少，并且 聚r 二烯嵌段加氢后链段高度缠结，单位体积内的交联效应较大，抗紫外线能力大为增强。 试验室制得的s e b s 改性沥青抗光氧老化性能远高于s b s 改性沥青。 探讨了应用星点设计效应面法进行改性沥青工艺参数的实验设计，与正交设计法等传 统的实验设计方法相比，可以在较少的试验次数条件下获得更高的精确度，提高实验优化设 计的效率。对于改- f 生沥青这一多指标体系，提出应用总评归一值综台评价，克服了各指标单 独评价时产生的矛盾。 关键词：材料学道路工程s e b ss b s g m a hs e b s g - m a h 改性沥青沥青混合料 s t u d yo ns u p e r m o d i f i e da s p h a l ta n d c o n c r e t e b y x i e j i a n g u a n g s u p e r v i s e db yp r o f q i a n + c h u n x i a n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t s e b s ，s b s g m a h a n d s e b s - g - m a hm o d i f i e da s p h a l ta n dc o n c r e t ew e r er e s e a r c h e d a c c o r d i n gt ot h em a i np r o b l e mo fm o d i f i e da s p h a l ta n dc o n c r e t ee x i s t i n g s e b s ，s b s g - m a ha n d s b s 。g - m a h m o d i f i e d a s p h a l ti m p r o v e dg r e a t l y i nb a s i c q u a l i t y , s t o r a g es t a b i l i t y a n d a g i n g r e s i s t a n c ec o n t r a s tt os b sm o d i f i e da s p h a l t t h ec o m p a t i b i l i t ye x p e r i m e n ta n df l u o r e s c e n tm i c r o s c o p y , s e m ，d s ca n a l y s i si n d i c a t e dt h e m e c h a n i s mo fs e b sm o d i f i e da s p h a l ti st h a ts e b sh a sw i d e r s c o p eo fs o l u b i l i t yp a r a m e t e rf l 、a n s b s ，i ta b s o r b st h es m a l lm o l e c u l eo fa s p h a l ta n de x p a n d s ，f o r m st h ef l e x i b l en e t w o r ki na s p h a l t a n di m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo f a s p h a l t s e b sc a r la l s oa b s o r b st h ew a xi na s p h a l t ，i m p r o v e st h e s t a b i l i t yp e r f o r m a n c ew h e na s p h a l tb e i n gh e a t e d f t i ra n d1 h n m ra n a l y s i si n d i c a t et h a ts b s g m a hh a sc = oa n dc ( 卜cw h i c hc a n r e a c t sw i t h _ o h ，- o r ，一n h 2i na s p h a l t ，w h i c hp r o v i d e sm o r ee x c e l l e n tp h y s i c a lq u a l i t ya n d s t o r a g e s t a b i l i t y t h r e es u p e rm o d i f i e da s p h a l tw e r ed e v e l o p e di nt h ee x p e r i m e n th a v es u p e rp e r f o r m a n c ei nh i g h t e m p e r a t u r e ，a n t i s t r i p p i n ga n da g i n g - r e s i s t a n c ec o n t r a s t i n g t os b sm o d i f i e d a s p h a l t c o n c r e t e s o d ar e s i d u ec a ni m p r o v ea n t i - s t r i p p i n gp e r f o r m a n c eb e c a u s eo fi t s h i g hs u r f a c ea r e aa n d r e a c t i o nw i t ha s p h a l ta n da c i da g g r e g a t e t h et h e o r yi n d i c a t e st h a tt h et i m eo f a s p h a l ts t r i p p i n g f r o mt h ea g g r e g a t ei sd e t e r m i n e db yt w of a c t o r s ，a oa n dn ，w h i c ha r ei n i t i a lf l a wa n dc o e f f i c i e n to f a s p h a l t ，t h es m a l l e r a oa n dna r e ，t h el o n g e ro f f a t i g u el i f eo f a s p h m tc o n c r e t ei s f t i ri n d i c a t e st h a tt h ed e s c e n d i n go fm o d i f i e da s p h a l tc o n c r e t e sl o n g t i m ep e r f o r m a n c ei s c a u s e d b y t h ec 2 c b r e a k i n g d o w nu n d e rt h eu l t r a v i o l e ts b sh a sl o w a g i n g r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e f o rt h i sr e a s o ns e b sm o d i f i e d a s p h a l t h a s g r e a t e r a n t i u l t r a v i o l e ta n d a g i n g - r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c et h a ns b sm o d i f i e da s p h a l tb e c a u s es e b s h a sl e a sc 2 ca n dh i g h c r o s s l i n k i n g c o n t r a s t i n gt ot h et r a d i t i o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g ns u c ha so r t h o g o n a ld e s i g n ，c e n t r a lc o m p o s i t e d e s i g na n dr e s p o n s em e t h o d o l o g yh a sh i g h e rp r e c i s i o na n df e w e rt e s t s i n a s p h a l tm o d i l y i n g e x p e r i m e n t s o v e r a l ld e s i r a b i l i t yi sp u tf o r w a r dt om o d i f i e da s p h a l t ，w h i c hh a sm u l t i - i n d i c a t i o n k e y w o r d s ：m a t e r i a ls c i e n c e ；r o a de n g i n e e r i n g ；s e b s ；s b s g m a h ；s e b s g - m a h ；m o d i f i e d a s p h a l t ；a s p h a l t c o n c r e t e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 第一章绪论 第一章绪论 改革开放的2 0 多年是我国交通史上公路发展速度最快、规模最大，最有活力的时期， 到2 0 0 2 年年底全国公路里程突破了1 6 0 万k m ，其中高速公路从无到有，到2 0 0 2 年年底突 破2 万k m 大关”j 。尽管如此，交通仍然是制约国民经谤发展的环节，等级低、质量差的中 低级路面仍然占7 0 以上。根据国民经济和社会发展的战略部署，交通部制订了国道主干 线发展规，到2 0 2 0 年，建成1 2 条跃约3 5 万公里的高速公路、一级公路为主体的“五纵七 横”快速、高效、安全的国道主干线系统，这些公路大部分是沥青路面。另方面，汽车工 业最近几年有了超常的快速发展。汽车工业特别是轿车工业的发展是国民经济健康、持续、 快速发展，实现小康社会目标的重要条件之一。公路快速发展也是汽车工业健康、持续发展 的最主要的条件之一。 公路建设的发展对沥青材料的要求越来越高，回顾我国公路的发展史，可以看出。公路 的发展和变革，实际上是路面材料变革的历史。 上个世纪五十年代，我国的公路主要是砂石路面，砂石料和粘土是最基本的材料，6 0 年代随着大量原油的开发，道路渣油这种规格的沥青材料登上了历史舞台，在历史上起到了 非常重要的作用。8 0 年代中期，以京漳唐高速为代表的高速公路建设进入了一个崭新的时 期，开始使用国外的高质量沥青，我国也提出了道路交通石油沥青材料要求，石化系统也开 始攻关研制路用沥青，沥青路面开始成为高等级公路的主要结构形式。 上世纪九十年代末至本世纪初，我国公路建设跨入了国际行列，对沥青提出了更高的要 求，即开始使用改性沥青，沥青混合料开始采用沥青玛蹄腊碎石混合料( s m a ) 和碎石沥 青混合料( s a c ) ，研究和应用的水平逐渐与国际水平靠拢。 1 1 沥青路面的早期破坏 应当清醒的认识到，我国沥青路面的历史还很短，国民经济高速发展带来的交通车辆迅 速增氏、车辆大型化、超载、车辆老化等，使沥青路面经历严峻的考验，许多高速公路建成 不久就不能适应交通的需要，早期破坏的现象十分严重，沪宁、沈大、沪杭在通车不到3 年均进行了全面大修，耗资均超过亿元。沙庆林院士于1 9 9 8 年、2 0 0 0 年组织研究人员对全 国1 5 个省市3 0 多条高速公路的沥青路面早期破坏进行了深入调查，按总修补和整形占总面 积百分率计算，达到4 。 在国外，交通的发展同样带来了问题，尤其是欧洲。欧共体己考虑允许放宽轴重限制， 提高轴载，沥青路面的破坏问题也将更加严重。 公路路面早期破坏现象可以归纳为”： ( 1 ) 纵向和横向的永久性变形，夏季高温期在重载作用下造成流动性车辙，纵向平整 度下降： ( 2 ) 冬季沥青路面的横向开裂，包括温度裂缝及半刚性基层开裂，从裂缝中进水，引 起承载能力下降； ( 3 ) 雨季或春融季节出现的坑槽，即水损害破坏； ( 4 ) 沥青路面由于泛油，石料磨光引起的表面功能降低或丧失，尤其是抗滑性能不足 等。 东南大学博士学位论文 1 2 沥青及其混合料性能与路面早期破坏的关系 沥青路面早期破坏的原因是多方面的，既有材料方面的、施工方面的，也有超载等客观 原因。在上述早期破坏现象中，路面( 含桥头) 沉陷是由软土地基连续沉陷产生的，关键原 因是花高代价采取软地基处理措施后，到铺设路面之前的软七地基固结沉陷时间太短；路基 路面局部沉陷和纵向裂缝太多是由于路基分层填筑压实度不够；其余的早期破坏可以概括为 车辙、开裂、水损害和表面功能衰减，这几类破坏都与沥青及其混合料的性能密切相关。 1 2 1 车辙 沥青路面的车辙有结构性车辙、失稳性车辙和磨损性车辙三种。通常情况下，沥青路面 的车辙防治主要是指防治失稳性车辙。对于密级配沥青混合料来说，尤其是在较高路面温度 条件下，车辙与沥青的粘度直接相关，沥青矿粉结合料中的沥青粘度及粉料配比是最主要的 影响因素，因此提高沥青高温粘度是防治车辙的最有效措施，而选择合适的高效的改性剂是 提高沥青粘度的最好办法。低针入度、高软化点、低蜡分的高粘度沥青对减少车辙显然是非 常有效的。感温性能( p i ) 好的沥青抗车辙能力强。 1 2 2 开裂 对丁二高等级公路来说，由于普遍采用半刚性基层，有足够的强度。轴载作用产生的开裂 即载荷裂缝并不是主要的。相反，非载荷裂缝的普遍存在，日益引起高度关注，尤其是横向 开裂与沥青及沥青混合料的性质密切相关。冬季温度骤降时，沥青混合料的应力松弛赶不上 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，便产生开裂，这是一次性降 温造成的温度裂缝，这类裂缝的主要形式是横向裂缝。当温度反复升降时，温度应力疲劳使 混台料的极限拉伸应变减小，加上沥青老化使沥青劲度增高，应力松弛性能降低，在比一次 性降温开裂温度更高的温度下开裂，造成温度疲劳裂缝。 沥青混合料的低温劲度是决定路面开裂的最根本因素，沥青劲度又是决定沥青混合料劲 度的关键。在沥青性质指标中，影响更大是温度敏感性，感温性犬的沥青容易开裂，改性沥 青的使用是解决开裂的主要手段之一。 1 2 3 水损害 沥青路面在有水分的条件下。经交通荷载的温度胀缩的反复作用，一方面水分逐渐渗入 到沥青和集料界面上，同时由于水动力的作用，沥青膜渐渐从集料表面剥落，并导致集料之 间粘结力丧失而发生破坏。在沥青路面上常发生的拥包、唧浆、龟网状的裂缝是水损害的最 明显的标志。预防水损害的关键是防止水分进入到混合料内部，同时提高沥青与集料的粘附 性和集料之间的粘结力，对酸性石料，公路沥青路面施工技术规范提出了一些抗剥落措 施： ( 1 ) 用干燥的磨细消石灰或生石灰粉、水泥作为填料的一部分，占石料总量的1 2 ： ( 2 ) 在沥青中掺加抗剥落剂； ( 3 ) 将粗集料用石灰浆处理后使用。 1 2 4 表面功能衰减 沥青路面的表面功能主要指抗滑，其次是指减噪、防溅水等。为了提高路面的抗滑功能， 沥青路面的抗滑表层应有粗糙表面，即较大的宏观粗糙度和纹理粗糙度宏观粗糙度取决于 构造深度，纹理粗糙度取决于粗集料耐磨光性能。石料磨光是路面表面功能衰减的主要原因。 2 第一章绪论 耐磨光性能主要取决于集料的品种，采用坚硬的石料对减小表面功能的衰减是非常重要的。 以上分析可以看出沥青及其混合料的性能与沥青路面的早期损坏是密切相关的，主要是 指对沥青及其混合料高温稳定性能、低温抗裂性能、水稳定性能和耐久性的要求。但在性能 的要求上，往往是相互矛盾的，最突出的有以下几个方面： ( 1 ) 高温稳定性与疲劳性能、低温抗裂性能的矛盾。为了提高抗高温车辙能力，希望尽 量使用粗级配、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劲度大、 发脆、很容易开裂，疲劳寿命差，而且施工性能也差。而为了提高耐久性和低温抗裂性能， 希望使用针入度大的、用最较多的沥青，岗细的、空隙率小的混合料，到了夏天就很容易出 现软化、泛油、车辙。 ( 2 ) 路面表面特征与耐久性的矛盾。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、噪音轻。为了达到这个目的，必须提高表面粗糙度，采用构造深度大 的开级配和半开级配沥青混合料。但是这样的混合料空隙率必然较大，而空隙率大的混合料 耐久性差。 为了解决这两对矛盾，沥青和沥青混合料使用性能的研究一直非常活跃。特别是对于改 性沥青及其混合料的研究。 1 3 改性沥青及其混合料的发展历程 1 3 1 改性沥青的研究及应用现状 改性沥青是从粘结料的角度山发，针对沥青路面破损。以提高破损抵抗性为目的而研制 的新材料，也可以说，改性沥青的开发，是使直馏沥青符合这个目的而进行的，因此，作为 沥青的改性。主要有以下几个方面： ( 1 ) 为了改善蠕变性能，提高在可供使用温度范围内的粘度： ( 2 ) 为了提高低温抗裂性能，降低在使用温度范围内低温时的粘度，使脆化点下降； ( 3 ) 为了改善沥青与骨料的粘附性，提高沥青的粘性与粘结力。 改性剂根据改性效果可分为抗永久变形、抗疲劳开裂、抗低温开裂、抗水损害和抗氧化 老化五种，不同改性剂对沥青的改性效果列于表1 - 1 。 在改性剂中，应用和研究最为广泛的主要是聚合物改性剂。目前对沥青进行改性主要通 过掺加聚合物改性剂来进行，根据改性剂本身的性质，可以将其分为三类1 3 - 4 ： ( 1 ) 热塑性弹性体：主要是苯乙烯类嵌段共聚物，如聚苯乙烯一丁二烯一苯乙烯( s b s ) 、 聚苯乙烯异戊二烯苯乙烯( s i s ) 、聚苯乙烯一丁二烯( s b ) 等嵌段共聚物及聚烯烃等。 ( 2 ) 橡胶类：如天然橡胶( n r ) 、丁举橡胶( s b r ) 、氯丁檬胶( c r ) 等。其中s b r 腔乳是世界上应用最广泛的改陛剂之一。 ( 3 ) 树脂类：如乙烯一乙酸乙烯酯共聚物( e 、，a ) 、聚乙烯( p e ) 、无规聚丙烯( a p p ) 、 聚氯乙烯( p v c ) 等。 已有研究表明，采用改| 生过的沥青，可以获得普通沥青所没有的一些优异性能： ( 】) 在低温时获得较软的混合料并较少开裂： ( 2 ) 在高温时获得更硬的混合料并减少车辙； ( 3 ) 降低施工时的粘度： ( 4 ) 增加混合辩的强度和稳定性： ( 5 ) 提高混合料的抗磨耗性能。 垄亘查堂塑主兰堡笙苎 表1 - 1 沥青改性剂的分类及改性效果【5 - 6 】 改性剂类型种 类永久疲劳低温水 氧化 变形开裂开裂损害老化 填充料 硫磺( s u l p h u r ) 木质素( w o o dl i g n i n ) 聚合物塑性体 e v a e d p m e a p o l y p r o p y l e n e 天然橡胶( 低密度和高密度) 聚丙烯( p o l y p r o p y l e n e ，p p ) 橡胶粉 聚丙烯 聚酯类( p o l y e s t e r ) 玻璃纤维( f i b e r g l a s s ) 钢纤维( s t e e l ) 矿料( m i n e r a l ) 4 第一章绪论 欧洲使用改性沥青的历史晟久，早在i 8 8 4 年英国就公布了沥青掺加橡胶的专利。1 9 0 1 年法国进行了试验路铺筑。1 9 3 5 - 1 9 4 i 年问，荷兰用橡胶改性沥青修筑了公路，在第二次世 界大战中，经过战车等重机械反复碾压后，比直馏沥青公路的破损要少。前几年在欧洲使用 的改性剂中s b s 及s b 类占了一半以上，且还在不断增加。 日本由于沥青混合料路面的车辙等破坏现象非常严重，越来越多的采用改性沥青提高路 面性能。日本于1 9 4 2 年就开始采用天然橡胶胶乳掺入沥青乳液的施工方法。1 9 6 8 年日本改 性沥青用量是9 3 0 0 吨，1 9 9 2 年改性沥青用量已达到1 8 6 万吨，而1 9 9 7 年的用量己达到2 7 4 万吨。日本的s b s 类改性刑从进入上世纪九十年代后急剧增加，舀前已占改性沥青的4 7 ， 其它类型则相应减少”j 。 美国改性沥青的历史可以追溯到1 9 4 7 年，当时美国采用合成橡胶粉和胶乳对沥青进行 改| 生。在很睦一段时间内，橡胶粉改性和胶质改性是美国的主流，美国国会曾经通过法律要 求凡是使用联邦经费的热拌沥青混合料都必需将5 的经费用于废橡胶粉沥青混合料，随着 该法律的废除，s b s 和e v a 改性沥青开始大量使用，目前在美国，聚合物改性剂现在大都 转向s b s 类，s b s 改性沥青的用量己占到改性沥青用量的一半以上。 综合各国改性沥青的发展可知，聚合物改性将是今后发展的趋势，世界各国使用高聚物 进行沥青改性的比例不断增大，技术也不断趋于成熟“。热塑性弹性体，主要是苯乙烯类 嵌段共聚物已经成为改性剂的主流【1 1 - 1 2 o 我国改性沥青的研究起步较晚，从上世纪七十年代开始，天津市市政研究所首先研究用 合成橡胶改善国产沥青性能，获得了良好的试验效果。上海同济大学等单位研究外掺橡胶粉， 获得成功。上世纪八十年代初，交通部科研所进行了丁苯橡胶改善国产沥青的研究，并在北 京、重庆、上海等城市进行试验路的铺筑，并把橡胶沥青列入“八五”推广项目。丁苯橡胶 沥青改性技术先后在青藏二级公路、1 0 4 国道杭卅i 段、广深一级汽车专用公路的黄田至新安 段复合式路面等工程中应用。近十年来，我国的改性沥青技术和产品有了长足的发展，从室 内试验到野外试验路铺筑，直至较大面积推，。应用做了大量的工作，取得了不少研究成果。 仅北京市，就有首都机场高速公路、八达岭高速公路( 京昌段) 、首都机场东跑道和北京市 陡安街新铺面层等工程成功使用了改性沥青路面。近几年来，我国改性沥青的用量更是以惊 人的速度递增，而且s b s 改性沥青也已经成为最主要的改性沥青。2 0 0 0 年前，改性沥青每 年的用量还不到2 万吨，而2 0 0 0 年一年就达到l o 万吨2 0 0 2 年是沥青路面铺设高峰期， 仅江苏省就达到了5 万吨全国年改性沥青用量更是达到了5 5 万吨“。 总体来说，国外发达国家的改性沥青的使用量一般为道路沥青总量f 勺5 1 0 ，新建 高速公路使用改性沥青的比例更高“。1 ”。在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 但是使用改性沥青已经形成了不可阻挡的世界潮流，我国的改性沥青 技术和产品市场也一定会继续健康发展。 1 3 2 沥青混合料的研究与应用现状 在传统的连续级配沥青混合料的基础上，世界各国发展了多种表面层沥青混合料6 l ： l 、粗集料断级配沥青混合料( 如德国的沥青玛蹄脂碎石混合料s m a 、法国的薄层沥青 混合料b b m 、我国的多碎石沥青混合料s a c 等) ： 2 、多孔隙沥青混合料( o g f c ) 。 1 3 2 1 沥青玛蹄脂碎石混合料( s m a ) s m a 以其优良的抗车辙性能和抗滑性能而闻名于世。第一条s m a 路面建于上世纪六 东南大学博士学位论文 十年代中期的德国，已有四十年的历史，至今使用性能依然良好l 】”。 s m a 是一种由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级 配的粗集料骨架问隙而组成的沥青混合料。它的最基本组成是碎石骨架和沥青玛蹄脂胶结料 两火部分。 在德国，s m a 已成为最主要的沥青路面表层结构类型。在北欧的丹麦、挪威、瑞典等 国，s m a 的发展受德国影响，应用也相当j 1 泛。英国在干线公路上使用s m a 是在1 9 9 4 年 开始的，打破了原来使用嵌压式沥青混台料千篇一律的局面。同时，在一般公路上的应用也 有增加的趋势。现在欧洲大部分国家都已经有了s m a 的相应规范和标准。在此基础上，欧 洲共同体沥青混合料委员会于1 9 9 8 年颁布了s m a 的标准。 1 9 9 0 年，美国a a s h t o 、f h w a 、n a p a 、s h r p 、t a i 、t r b 联台派出了一个代表团 到欧洲考察改性沥青和s m a 技术。第二年，t r b 就决定学习欧洲的s m a 技术，当年便有 2 3 个州采用了s m a 混合料铺筑了s m a 试验段，很快该技术便风靡美国。值得注意的是， 美国在引进德国的s m a 技术时，对德国的做法有了许多改进和新的发展。主要集中在集料 的粒径和含量、沥青用量、设计指标、稳定剂种类和级配。 我国的s m a 试验路始于1 9 9 3 年的吉林省，后来在江苏、河北、辽宁等省陆续开展了 s m a 的试验研究。1 9 9 7 年，睦安街s m a 路面整修工程标志着s m a 技术在我国的成熟应用。 从此，s m a 技术开始在全国推广一应用。1 9 9 7 ，交通部重庆公路研究所还成功将s m a 混合 料应用于虎门大桥桥面铺装。 1 3 2 2 薄层沥青混合料( b b m ) 在法国和西班牙，并不使用真正意义上的s m a ，更多的使用薄层沥青混合料b b m 。b b m 与s m a 非常相似，都是间断级配，不过b b m 中沥青玛蹄脂的用量比s m a 要少，少用3 - 5 的细集料，少用o 5 1 3 的沥青。因而也无需稳定剂。另外b b m 的空隙率约为6 一1 2 ， 是透水的，结构的不透水性是通过洒布一层粘层油来实现的，粘层油通常使用改性沥青【1 ”。 b b m 表面非常粗糙，抗滑性能很好。因为其层厚较薄，摊铺速度快，适合于交通特别 繁忙的路段大面积使用。由于b b m 有良好的使用性能，从1 9 8 6 年起开始在高速公路上使 用。 1 3 2 3 多孔隙沥青混合料( o g f c ) 德国还开发了一种多孔式排水性沥青混合料，空隙率超过2 0 。这种开级配沥青混合 料，在美国称为o g f c 。它有许多优点，主要是雨天抗滑性能好，同时还具有降低噪音、减 少溅水和水雾等功能，所以至今不少国家都在研究使用。但是，o g f c 表面粗糙使轮胎磨损 很快，过大的孔隙容易被灰尘杂物堵塞，即使用高压水冲、用真空吸也很难清除，而空隙率 大使沥青老化加快，影响路面的耐久性。 1 3 2 4 多碎石沥青混合料( s a c ) 为提高高速公路沥青路面的表面粗糙度，使高速行车更安全，t 9 8 8 年，在沙庆林院士 的领导下，我国研究开发了多碎石沥青混合料( s a c - 1 6 ) 。它也是一种粗集料断级配沥青混 合料。它于1 9 9 7 年被纳入我国公路沥青路面设计规范( j t j 0 1 4 ) ，被作为抗滑表层沥青 混台料之一，并命名为a k 1 6 a 。目前s a c 混合料在我国已得到了推广应用。 可以看出，目前沥青混合料的研究主要集中在目标使用性能的级配设计方面。 6 第一章绪论 1 4 改性沥青及其混合料研究中存在的主要问题 1 、缺少针对s b s 不足的研究 目前，聚合物改性沥青的改性剂大多为s b s ，世界各国的情况基本一样。s b s 改性沥青 的用量占到了改性沥青用量的5 0 ，在这样的大背景下，公路部门的科技人员把研究重点 放到了s b s 改性沥青的生产工艺、设备和施工方法上，而很少涉及针对改性剂s b s 本身的 研究。其实，s b s 改性沥青也存在某些不足，如对基质沥青要求高，对搅拌设备要求高、加 工过程中的温度老化、贮存稳定性差及在紫外线作用f 降解加速材料老化等1 2 3 - 2 4 ) 。从理论上 讲，沥青与s b s 共混温度宜为1 8 0 左右，温度偏高则使s b s 降解、沥青老化，从而造成改 性沥青性能恶化。但目前实际生产中，s b s 改性沥青的共混温度在1 9 5 2 1 5 4 c ，显然这个温 度己对s b s 改性沥青质最有一定的影响”：s b s 初始粘结力差，耐屈服耐疲劳性能相对较差 ”；并且因分子中含有不饱和双键，易受氧、臭氧、光的影响产生交联或断裂而变硬不溶， 甚至不熔而发生老化口”，耐老化性差“。 s b s 与沥青属于热力学不相容体系，s b s 在沥青中基本处于简单物理分散状态，相容性 差，s b s 极性小，而沥青中成分又多为极性成分，s b s 粒子会呈絮状、粒状或发生分层现象 1 2 9 】。大部分都是采用现场拌和法进行加工，不仅增加施工的难度而且改性剂与沥青之间容 易造成离析现象，影响使用性能”“j 。 2 、对集料的选择重视不够 沥青混合料是由沥青和集料、矿粉按一定的配台比组成的。沥青混合料的质量不理想， 首先是材料质量的不理想。我国往往在比较重视沥青质量的同时，忘记了粗细集料生产的严 重落后。 我国公路部门历来遵循“因地制宜，就地取材”的原则，在执行过程中出现了问题和错 误的偏向。“利用当地的材料生产”变成了“利用当地的材料”，导致我国公路部门极少有自 己组织生产路面集料的习惯，而生产砂石材料的单位大都属于建材部门或地方集体和个人所 有，生产的材料多是面向地方上各行业需要，主要是常用的水泥混凝土材料。水泥混凝土对 集料规格的要求是不同的。而沥青混合料对集料质量和规格的要求又非常严格，因为它在相 当程度上要依靠集料的嵌挤作刚f 3 2 3 3 】。随着沥青混合料逐渐向采用粗集料断级配方向发展， 要求集料采用硬度高、耐磨性好的中性和酸性石料。目前的问题是一方面大量的石料是r o d , 马力颚板式轧石机生产的，它不适宜于坚硬石料的破碎，针片状含量很高：另一方面由于中 性和酸性石料的水稳定性能差，导致很多公路都在使用耐磨性差的碱性石料。 3 、胺类抗剥落剂问题严重 在已建成高速公路上使用过的硬质岩石料有玄武岩、安山岩、闪长岩、花岗岩、砂岩和 辉绿岩等。这些酸性岩石的石质坚硬、致密、耐磨性强，能充分发挥集料之间的嵌挤作用， 但是酸性石料与沥青的粘附性能却不好，容易在水分的作用下造成沥青膜的剥落，很快导致 沥青路面的掉粒、松散、坑槽等水损害破坏。 现在普遍采用的解决这一问题的办法是在沥青混合料中填加长链的胺类化合物作为抗 剥落剂。值得注意的是，此类抗剥落剂的初期效果是很好的，但由于胺类化合物的受热稳定 性差，如果沥青混合料储存时间较长，抗剥落效果将大为降低。而且，其长期使用性能更没 有保障。添加了胺类抗剥落剂，在通车一两年后，发生坑洞、松散等水损坏现象是普遍的a 遗憾的是，我国目前检验抗剥落剂效果的试验是胺类抗剥落剂加入沥青后立即进行水煮粘附 试验，不能客观反映胺类抗剥落剂在长期使用中的实际情况。 7 东南大学博士学位论文 4 、忽视了对填料的研究 矿粉在沥青混合料中的作用是至关重要的，沥青只有吸附在沥青表面形成薄膜，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沥青混合料。普通沥青混合料 使用的填料除了磨细的石灰石粉之外，有时还采用水泥、消石灰、粉煤灰代替矿粉，其目的 主要是为了改善混合料的水稳定性，但必须认识到，消石灰粉和水泥会与空气发生反应，形 成水泥石和碳酸钙，过量使用会使沥青混合料变脆，使用时需特别注意。另外，我国粉煤灰 因煤种的不同及排放管理的原因，差别很大，质量很难保证，所以在沥青混合料中使用必须 加以控制。而随着矿产资源的急剧减少，对矿藏资源的保护性开采显得越来越重要。寻找提 高沥青混合料水稳定性能的替代填料具有重要意义。 1 5 二十一世纪沥青及沥青混合料的发展方向 从可持续发展的理念出发，沥青和沥青混合料的研究重点应从以下儿方面考虑： 1 、满足安全耐久路面的需要。 不管什么样的路面材料，达到行车安全目标是最基本的要求，因此，路面材料的耐磨和 相应的路面结构保证必要的摩擦系数是路面材料研究永远要把握的条件。寿命周期费用 ( l c c ) 分析方法可能将会成为二十一世纪的标准方法。也就是说，如果业主对施工中有问 题的路面结构及材料最终要通过l c c 来选择，业主可以在造价、改善性能和寿命中取得某 种平衡。l c c 分析的设计概念中，经济的优化是最重要的问题。另一方面，就是把重建设 计方案中所有形式的用户费用考虑进去。主要包括：由于施工养护和重修道路的延伸对道路 用户造成的时间延迟费用；在规定的性能周期内由于道路质量原因对用户造成的车辆操作费 用增加；在重建时施_ l 工作区造成的车辆事故费用等。基于这一现实，路面材料耐久性的要 求越来越高。 2 、适应专门混合料用途的要求。 城市道路交叉口、公路互通立交、重型停车场、带钉轮胎磨耗、降低噪音等许多场合对 路面材料有着特殊的要求。另外，随着大量高速公路的建成通车，公路养护将成为公路部门 面对的主要课题，而养护材料在很多方面与新铺筑路面材料是有区别的。通用的沥青混合科 技术规范很难包罗万象，无法满足特殊的需求，“专门沥青混合料”市场将会有巨大潜力。 3 、顺应环境友好的潮流。 开发环境友好型材料将是材料科技革命的新潮流，路面材料环境友好性研究主要集中在 混合料的无毒化和低挥发、混合料生产过程中减少粉尘和挥发性有机气体的排放、混合料中 天然填料和集料的替代产品开发等方面。特别值得一提的是，历史上从其它工业来的废料包 括玻璃、轮胎、塑料、屋面防水碎片和周体废料已经应用于沥青混合料中，将来不同品种的 废料的利用肯定还会增加。将许多废品应用到沥青混合料中是件好事，但必须小心地使用这 些废料以保证混合料的质量。 1 6 本文的主要研究内容 在分析沥青及沥青混合料性能与沥青路面早期破坏关系的基础上，针对沥青及沥青混合 料研究中存在的主要问题，适应二十一世纪沥青及沥青混合料的发展方向，本文提出了高性 能沥青及其混合料的概念：高性能沥青及混合料是以耐久性为显著标志、充分考虑环境友好 并具有高强度、高工作性和高安全性的沥青混合料。因此本文研究工作围绕高性能改性沥青 第一章绪论 和高性能改性沥青混合料两个大的方面展开，主要内容有： 1 、新型沥青改性剂研究 针对s b s 改性剂存在的不足之处，对s e b s 改性沥青的基本性能进行试验分析，探讨 使用s e b s 改性沥青的可行性； 针对目前的沥青改性大多是物理改性的现状，率先提出在改性剂上接枝马来酸酐对沥青 进行化学改性，以期达到提高改性沥青物理性能和存储稳定性能的目标； 对s e b s 物理改性沥青和化学改性沥青进行界面和相容性研究，建立物理改性沥青的界 面模型和化学改性沥青的反应模型。 对改性沥青的基本性能进行比较分析，确定高性能改性沥青的适用范围a 2 、改性沥青的配方与工艺研究 改性沥青的工艺直接影响着改性沥青的性能，而工艺优化的方案十分重要。试验研究探 索了星点设计效应面法在改性沥青工艺优化中的应用，试图在更高精度的条件一f ，用较 少的试验次数获得优化的配方和工艺参数。 3 、填料的研究 探讨用工业碱渣替代传统填料( 矿粉) 的可行性，目的是为了减少矿藏资源的消耗，同 时在使用耐磨的酸性集料时提高混合料的水稳定性能。并尝试用生命周期评价理论，分析这 种新型填料的环境友好性。 4 、改性沥青混合料研究 在上述研究的基础上，用物理改性沥青、化学改性沥青和新型填料，再结合使用不同类 型的集料，制成多种改性沥青混合料，并对其高低温性能、水稳定性能、粘附性能进行分析， 确定高性能沥青混合料的配方。 5 、改性沥青及其混合料的抗老化性能试验 对比分析各种改性沥青的抗热氧老化和抗光氧老化性能，选择具有长期使用性能的改性 沥青，并考察相应的沥青混合料的长期使用性能。 一 9 东南大学博士学位论文 参考文献： 【1 】谭广荣硅改性沥青在路面工程中的应用 j 云南交通科技，2 0 0 3 ，1 9 ( 2 ) ：2 3 2 6 。 2 】董武斌，白茂沥青路面抗滑表层早期破坏初探 j 】公路交通技术，2 0 0 2 ( 2 ) ：3 5 3 7 3 w a l l e rm ，f r e dh p r o c e e d i n g so ft h es y m p o s i u mo nac r i t i c a ll o o ka tt h eu s eo fw a s t e m a t e r i a l si nh o t - m i x a s p h a l t i c a s t m s p e c i a lt e c h n i c a lp u b l i c a t i o n ，1 9 9 3 ：3 0 6 4 k i n gw ，g a y l en th e l e nw ，e ta 1 i n f l u e n c eo f a s p h a l tg r a d ea n dp o l y m e rc o n c e n t r a t i o no nt h e h i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e o fp o l y m e rm o d i f i e d a s p h a l t j a s p h a l tp a v i n gt e c h n o l o g y ： p r o c e e d i n g s - a s s o c i a t i o no f a s p h a l tp a v i n gt e c h n o l o g i s t st e c h n i c a ls e s s i o n s ，1 9 9 2 ( 6 1 ) ：2 9 - 6 6 【5 b a h i ah ，h i s l o pw ，z h a ih ，e ta 1 c l a s s i f i c a t i o no fa s p h a l tb i n d e r si n t os i m p l ea n dc o m p l e x b i n d e r s r ap a p e rs u b m i r e df o rp r e s e n t a t i o na tt h e19 9 8a a p t 。 6 b a h i ah ，h i s l o pw ，z h a ih ，e ta 1 c l a s s i f i c a t i o no fa s p h a l tb i n d e r si n t os i m p l ea n dc o m p l e x b i n d e r s i r ap a p e rs u b m i t t e df o rp r e s e n t a t i o na tt h e1