（机械设计及理论专业论文）改性沥青技术的应用研究.pdf

摘要 随着我国公路交通的迅速发展，对高等级公路沥青路面材料的要 求也越来越高，改性沥青以其优良的技术性能和经济性能得到了广泛 的应用。但由于改性沥青技术是一个复杂的不断发展的综合体系，对 其工程适用性的研究就显得尤为重要。 本文在参考国内外研究的基础上，采用理论、试验相结合的方法， 研究了改性沥青技术的工程适用性问题和发展趋势；并就改性设备加 工工艺参数对改性沥青性能参数的影响做了深入的分析，采用数学方 法和计算机工具，建立了改性设备系统模型。通过以上的研究对改性 沥青技术在我国的应用和发展提出了一定的参考依据。 关键词：改性沥青改性剂改性沥青设备 系统模型工程适用性 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ti nd o m e s t i cr o a dc c m m u n i c a t i o n ，i th a sr e q u i r e di n c r e a s i n g l yh i g h e r q u a l i t yr o a da s p h a l tm a t e r i a l s m o d i f i e da s p h a l th a sb e e nw i d e l y a p p l i e db e c a u s eo fi t ss u p e r i o rp e r f o r m a n c ei nt e c h n o l o g ya n de c o n o m y b u ts i n c e m o d i f i e da s p h a l tt e c h n o l o g yi sac o m p l i c a t e da n dd e v e l o p i n ge n t i r es y s t e m ，i ts e e m s v e r yi m p o r t a n tt od os o m er e s e a r c ho ni t se n g i n e e r i n ga p p l i c a b i l i t y t h et h e s i sm a d eas t u d yo nt h ee n g i n e e r i n ga p f - l i c a b i l i t yt ot h em o d i f i e da s p h a l t a n di t st r e n db a s e du p o nt h er e s e a r c ho fh o m ea n da b r o a d t h i st h e s i sa l s od i ds o m e q u a l i t a t i v ea n a l y s i s o nt h ei n f l u e n c eo fm o d i f i e de q u i p m e n tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y p a r a m e t e r st ot h em o d i f i e da s p h a l tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，a n df o u n d e d am o d i f i e d e q u i p m e n ts y s t e mm o d e li n m a t h e m a t i cm e t h o d m db yc o m p u t e rt o o l s b yt h e r e s e a r c h e sm e n t i o n e d ，t h ep a p e rg i v e ss o m er e f e r e n c eo p i n i o n so ft h ea p p l i c a t i o no f t h em o d i f i e da s p h a l tt e c h n o l o g y k e yw o r d m o d i f i e da s p h a l t m o d i f i e rm o d i f i e da s p h m te q u i p m e n t s y s t e mm o d e le n g i n e e r i n ga p p l i c a b i l i t y 长安文学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题提出的目的和研究意义 到2 0 0 3 年底，我国公路通车总里程达到1 8 l 万公里，其中高速公路近3 万 公里，绝大多数为沥青路面。在公路建设事业蓬勃发展的同时，交通量不断增长、 车辆大型化及重载超载车的比例不断提高，给沥青路面带来明显的损坏。在我国， 许多高速公路沥青路面建成不久就产生早期破坏，不能适应交通的需要。国外研 究报告认为：近十年来由于道路上交通性质的变化以及高温和低温作用，道路上 普遍产生的路面损坏现象是永久变形( 辙槽) 、疲劳裂纹、剥落、松散和反射裂 纹等。对于某些道路工程，如大桥桥面沥青混凝土面层和排水或吸音多孔隙沥青 混凝土磨耗层，传统沥青的性能可能不适用，需要有改善性能的结合料以维持路 面维修的合适间隔时间，而各种改性沥青是使用的最普遍的改性结合料。沥青经 过改性后能明显的提高沥青的高温稳定性、低温抗裂性及抗疲劳老化性等，从而 提高了路用性能，延长了路面的使用寿命。 沥青改性的机理在于“通过往沥青中掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细 的橡胶粉或其它填料等外掺剂( 改性剂) 或采取对沥青轻度氧化等措施，改善沥 青或沥青混合料的某些性能，从而提高沥青路面的使用性能，延长路面的使用寿 命”。常用的改性剂为高聚物改性剂，如s b s 、s b r 、p e 、e v a 等，各种改性剂有 各自不同的改性机理与改性性能，正确的使用改性沥青，是改性沥青技术应用于 工程所要面i 临的第一个问题。 其次，在实际生产过程中，除少数可以采用直接投入法加工的改性剂( 如 s b r 胶乳) ，大多数改性剂和道路沥青的相容性很不好，必须采用特殊的加工方 式，将改性剂完全分散在沥青中，才能生产改性沥青。因此，改性的效果如何， 改性后的沥青性能参数是否达到预定目的都与改性沥青的生产工艺及生产设备 ( 即改性沥青设备的工艺参数) 有着密不可分的关系。所以，改性沥青设备成了 发展改性沥青的关键。 从沥青改性原理上来看，目前国内外使用的改性沥青设备绝大多数仍属于物 理方法改性，主要方式为现场生产改性沥青，包括胶体磨法、搅拌法和高速剪切 法等。这些方法都是通过机械方法使改性剂分散，与沥青均匀混溶在一起。怎样 完成这个流程并使生产出来的产品符合路用性能的要求，就是研究发展改性沥青 设备所面临的技术问题。 除技术问题以外，改性设备的经济效益也是很重要的一点。由于该设备价格 昂贵( 多在2 0 0 万元左右) ，而且为能与拌和设备的工作能力配套，必然要购置 或租赁多台改性沥青牛产设备，所以其在公路工程资产中占有较大份额。采用何 长安土学硕士学位论文 种方式配置该种设备并采用何种方式进行生产，经济性能必然是起决定作用的。 因此，对沥青改性技术应用的研究意义重大，而重点问题在于两方面：一是 对改性沥青工程适用性的研究；二是对改性沥青设备的研究。入手点在于技术性 能和经济性能分析。 1 2 国内外改性沥青技术的研究现状 一、改性沥青的工程应用 很久以前人们就开始在沥青中添加硫磺、橡胶以改善其性能。聚合物改性沥 青的发展可追溯到上世纪六十年代初。法国于1 9 6 3 年成立了道路试验室，在生 产或搅拌厂中加入天然或人工合成的橡胶使沥青混合料改性，并确定其性能。在 1 9 7 3 年的石油危机之后，改性沥青更是吸引了更大的注意力，尤其是以欧洲、 美国和加拿大为代表。投入了大量的科研力量。他们有的以改性剂为核心，有的 以改性设备、工艺为核心来研究改性沥青，使沥青的路用性能获得了不同程度的 改善，到目前为止已研制出了几十种专利产品。如n o v o p h a l t ( p e ) 、e s s o e v a ( e v a ) 、e u r o p e n e c a r i b i t ( s b s ) 、p o l y s a r ( s b r ) 、n e o p r e n e ( c r ) 等。从总的 应用来说，国际上聚合物改性剂中使用较多的为s b s 、s b r 、p e 和e v a 。 在我国，改性沥青的起步也较早，在上世纪6 0 年代即有硫磺改性的渣油试 验路段的铺筑。但由于当时我国交通发展滞后，对改性沥青的研究和应用比较缓 慢。进入8 0 年代以后，特别是9 0 年代以来，随着高等级公路尤其是高速公路的 蓬勃发展，改性沥青技术在我国得到了广泛的应用。 改性沥青有如此大规模的应用，源于其出色的技术和经济性能，即在道路工 程上有很强的工程适用性。 国内外的使用经验业已表明，优质的改性沥青能多方面的改善沥青混合料的 路用性能，有效的防止或延缓路面损坏的发生，从而大大延长了路面的使用寿命， 具体表现在以下几个方面： 1 降低温度敏感性； 2 提高抗永久变形能力( 高温稳定性) ； 3 提高抗低温开裂能力( 低温抗裂性) ； 4 提高粘结力( 弥补石料粘结力偏低问题) ； 5 提高抗老化能力： 6 提高抗冲击能力； 7 提高抗疲劳能力( 疲劳引起的断裂) ； 8 减少裸露状态下混合料的表面剥离； 长安土学硕士学位论文 9 提高水稳定性。 对使用了改性沥青后，路面使用寿命到底能延长多少，到目前为止还没有一 个确切的答案。在欧美，一般认为使用改性沥青可以使路面寿命延长1 3 1 4 ， 也有国家认为可延长达5 0 ( 如澳大利亚) 。在我国经过大量的调查研究，普遍 认为采用改性沥青技术后，路面寿命较设计年限延长3 4 年。 我国现在每年改性沥青的使用量已经超过1 c 0 万t ，但是在整个道路用沥青 中的比例较工业发达国家的1 0 还有较大差距；目前我国高速公路的投资一般 为3 0 0 0 4 0 0 0 万元k m ，采用改性沥青后，每t ：沥青增加成本约8 0 0 1 0 0 0 元， 每公里大约增加成本2 0 3 0 万元，占总投资的不足1 。而使用改性沥青可以 延长路面寿命、节省大量养护及维修资金，两相比较，其经济效益是相当巨大的。 因此改性沥青技术在我国的研究与推广应用具有良好的前景。 二、改性设备发展的现状和问题 国外的改性沥青设备应用在高等级道路工程上已有很长的发展历史，设备的 技术性能和经济性能都较完善，尤其在设备的整体协调性能上更是出色，主要厂 商有美国的h e a t e c 、奥地利的r f 等。国产厂商有西安达刚、浙江兰亭、路翔、 国创等，目前国内厂商的产品虽已占有国内市场的大部，但不可否认的是与国外 设备相比还有一定的差距，主要存在于技术方面。 国外厂商在为我们提供众多产品选择的同时也对国内厂商施加了更大的竞 争压力。在国内改性沥青设备制造行业中，依靠新技术在质量方面独具竞争优势 的厂商不多，很多厂商是消化吸收国内外产品的设计思想或是直接购买国外厂家 的生产许可证进行生产制造，对一些核心技术的理解、掌握不够。比如采用胶体 磨方式的改性设备的核心技术胶体磨研磨机，在国外已成为一个独立开发的 产品，其动力驱动功率越来越强劲，设计故障也越来越少。我国虽然开发此种产 品的起点较高，但是后续研发力量明显不足，加上缺乏与国外专业生产商的交流， 因此在产品种类和控制模式上没有跟上国际最新的发展趋势。现在国内改性沥青 设备的生产厂家自行设计胶体磨的很少，大多是直接向外国专业厂商购买。技术 问题的另一方面则是加工工艺，在后面的章节中有详细讨论。 国产改性设备的经济性能。采用高速剪切工艺的设备由于其技术障碍不大， 技术基本已经成熟，所以国产的高速剪切式改性设备的性价比较好；对于采用胶 体磨式加工工艺的改性设备来说，由于一些核心设备不能实现国产化，造成其总 机成本相对较高。 但是随着产品设计和加工能力的不断提高，国产改性沥青设备在消化吸收国 外产品经验的基础上己经得到了快速发展，有些一商的设备已经颇具实力。本文 将选取其中的一些进行详尽阐述。 长安土学硕士学位论文 1 3 本课题的研究目的及内容 本课题主要对改性沥青技术的应用进行研究，以期对改性沥青技术的应用现 状和改性沥青设备的工艺做出一定的分析，对改性沥青技术的进一步发展做出预 测。 具体研究内容如下： 1 改性沥青技术机理研究； 2 改性沥青技术工程适用性研究； 3 改性沥青设备的技术和经济性能研究； 4 改性沥青技术发展趋势研究。 长安太学埙士学位论文 第二章改性沥青与改性剂 在详尽阐述改性沥青设备的工艺流程以及分析其技术经济性能之前，必须对 沥青改性的机理进行一定的研究，这关系到改性设备内的主要作用机构( 如常用 的胶体磨以及剪切或搅拌设备) 的工作技术参数；此外，对改性设备性能的评价， 很大一部分在于对其产品品质的评价，所以必须合适的选择改性沥青的性能评价 指标。 2 1改性沥青的分类及常用改性剂 所谓改性沥青，也包括改性沥青混合料，按照我国公路沥青路面施工技术 规范( j t j 0 3 2 ) 及公路改性沥青路面施工技术规范( j t j 0 3 6 - - 9 8 ) ( 以下简 称规范) 的定义，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) ，或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥 青混合料的性能得以改善而制成的沥青混合料”。改性剂是指“在沥青或沥青混 合料中加入的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”。 一、改性沥青的分类 由改性沥青的定义可知，制备改性沥青的途：弪有二：一是物理方式的改性， 二是化学方式的改性。目前我国使用的改性沥青设备绝大多数采用现场加工的方 式，仍属于物理方法改性。 关于改性沥青的分类目前国际上并没有统一的标准。从广义划分，根据不同 目的所采取的改性沥青及改性沥青混合料技术可总结如图2 1 。 从狭义来说，现在所指道路改性沥青一般是指聚合物改性沥青，简称p m a 、 p m b 或p m b 。由于牵涉到改性剂的问题，故常用的聚合物改性沥青将在本章第三 节做详细分析。 二、常用改性剂 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 橡胶类：丁苯橡胶( s b r ) 、氯丁橡胶( c r ) 、天然橡胶( n r ) 、丁二苯橡 胶( b r ) 、异戊二稀( i r ) 、乙丙橡胶( e p d m ) 、丙稀腈丁二烯共聚物( a b r ) 、异 丁稀异戊二稀共聚物( i i r ) 、苯乙烯异戊二稀橡胶( s i r ) 等，还有硅橡胶( s r ) 、 氟橡胶( f r ) 等等。其中s b r 是世界上应用最广泛的改性剂之一，尤其是它以胶 乳形式的使用尤为常见。氯丁橡胶( c r ) 具有极性，常掺入煤沥青中使用，已成 为煤沥青的改性剂。该类改性剂主要能改善沥青的低温性能，提高沥青的低温抗 裂性，适用于北方寒冷地区气候。 长安土学硕士学位论文 一己 灶 历 看破 乃蕊 ：硝# 刊4 7 1 t l i ；：一二h 、吓、：l f - 玫孝j 芋if i 。最t 盐￥i 、镪_ 董挂傈l i 年：一= 、 i 自+ f j 吐j ，i 删禧壬：= ：、l v a 一引4 磊曩善i i 壕址。盼剧i 荨、5 仉自i 鸱 l 自f 老化牲i i ；_ 。j 1 ：聋鬯盼、皇咂劳等 _ _ i 物坦：曦委、碹。j 、i ，目、下瑶豪。鲢等 物理发性1坡玛争纯格栅、望1 f 格栅、上工青等 l 两橡蹶粉 调 ：沥青掺棚天然沥青一77 萌沥青、吉百历青、廊履历青等 呖青工艺半氧化历青、庖库沥青等 图2 1 道路改性沥青及改性混合料技术 2 树脂类：即热塑性树脂，如乙烯一乙酸乙烯酯共聚物( e v a ) 、聚乙烯( p e ) 、 无规聚丙烯( a p p ) 、聚氯乙稀( p v c ) 、聚苯乙烯( p s ) 、聚酰胺等。该类改性剂 主要提高沥青的高温性能，但与石料的粘附性较差。 3 热塑性橡胶类：即热塑性弹性体，主要是苯乙烯类嵌段共聚物，如苯乙 烯一丁二烯一苯乙烯( s b s ) 、苯乙烯一异戊二稀一苯乙烯( s i s ) 、苯乙烯一聚乙烯 丁基一聚乙烯( s e b s ) 等嵌段共聚物，由于它兼具橡胶和树脂两类改性沥青的结 构与性质，故也称为橡胶树脂类。s b s 由于具有良好的弹性( 变形的自恢复性及 裂缝的自愈性) ，既能改善沥青的高温稳定性，又能提高沥青的低温抗裂性，增 强沥青与石料问的粘附性，故已成为目前世界上最为普遍使用的道路沥青改性 剂，常用于路面沥青混合料；s i s 主要用于热熔性粘结料；s e s b 则用于抗氧化、 抗高温变形要求高的路面和层面。 在基质沥青中掺加的改性剂种类、剂量不同，对于沥青的改性效果有很大的 影响。需要强调指出的是，有一些改性剂如s b s 、s b r 、p e 、e v a 等经实践证明， 对于改善沥青的高低温性能有较为显著的效果，近些年来在国内外得到了广泛的 应用。目前欧洲国家各种改性剂的使用比例如图2 - 2 所示，由图可见上述几种改 性剂占有相当大的比例。 在我国，由于幅员广阔、气候差异较大，规范规定按气候分区采用相应 的聚合物改性沥青的技术等级。我国目前乃至今后相当长的一段时阳j 内，使用的 聚合物改性剂主要是s b s 、s b r 、e v a 、p e ，如本文所研究的主要对象之一吉 林省公路机械厂所生产的g l 2 4 0 型改性沥青设备主要所采用的改性剂为s b s 和 p e 。鉴于这几种改性剂的普遍代表意义，本文将主要分析采用此几种改性剂的改 6 长安土学埙士学位论= k 其他 轮胎粉 4 b e t z i p l a sc 7 e p d m 1 2 n o v o p h a lt 3 性设各的机理与性能。 1 0 e v a 1 1 s b s 4 4 图2 2 目前欧洲各种改性剂的使用比例 2 2 沥青改性机理及性能评价指标 一、沥青改性机理 沥青改性的机理，简单的讲在于采用一定的工艺流程，使聚合物颗粒被分割 分散到沥青当中，在沥青基体中形成“互穿立体网络”结构，使沥青的流变形、 弹性和抗老化性等特性显著提高，从而满足路用性能的要求。 聚合物在沥青中分散是一个物理和物理化学过程，由于沥青是一种复杂的高 分子烃类的有机胶结材料，而通常所用的聚合物改性剂也是高分子材料，一般聚 合物的平均分子量远高于沥青，且分子的结构极性不同，随聚合物类型不同存在 很大的差异，而沥青又是多种组分并存的复杂体系，因此要想使这两种材料成为 均匀分布的可供工程使用且性质稳定的材料，首先必须要明晰它们之间的作用机 理。 改性剂与沥青的充分混溶是改善沥青性能的基本前提。在此基础上，改性剂 吸附沥青中的轻质组分而发生溶胀，已溶胀的改性剂又与沥青的其余组分相互作 用，从而形成一种新的结构体系。加之此种改性剂自身的固有特性而使沥青性能 得到相应的改善。 1 相容性 从热力学的含义讲，相容性是指两种或两种以上的物质按任意比例均能形成 均相物质的能力；而物理上的含义是指两种物质混溶以后形成一个稳定的体系， 7 长安土学硕士学位论文 不发生分层或相分离。沥青与高聚物之间存在着分子量及化学结构的差异，因而 属于热力学不相容体系，但正是由于这一点，不同相组分界面上的相互作用可以 使得聚合物共混物具有很多均相物质所难以达到的性质。s a mm a c a r r o n e 认为聚 合物在沥青一聚合物体系中的理想状态是细分而不是完全相容。所以，对聚合物 改性沥青来说，达到物理意义上的相容是很有必要的。 改性沥青的相容性好是指改性剂以微细的颗粒均匀、稳定地分布在沥青中， 不发生分层、凝聚或离析等现象。改性剂与基质沥青的相容性是分子级的可混性， 相容性好的能形成均质的混合体系。 2 溶胀 聚合物加入到沥青中后，一般并不发生化学反应，但是在沥青中轻质组分的 作用下，改性剂体积胀大，即发生溶胀。聚合物溶胀后表现出区别于聚合物又不 同于沥青的界面性质。 溶胀是改性沥青稳定的保障。由于聚合物与沥青之间的界面作用，致使二者 不会发生相分离，聚合物粒子均匀地分布于沥青中。n a h a s 认为：为了保证贮存 稳定性，聚合物应吸收沥青中的油分，体积胀大到原体积的5 l o 倍。 在高剂量聚合物情况下，聚合物在沥青中的溶胀程度降低，但可形成网状结 构，使沥青性质发生显著的改善。 3 新胶体结构的形成 从表面能的角度来看，分散相被分散的越细，其比表面能就越高，根据能量 最低原理，体系有自动降低表面能的趋势，这种趋势可通过两种途径实现：被 分散的分散相重新聚集成较大的粒子，致使两相分离，这是改性沥青中不希望出 现的现象。分散相有选择地吸附沥青中能够降低其表面能的物质在两相表面上 以降低表面能。当出现这种情况必然会打破沥青原有的胶体结构，引起原沥青中 多个组成重新分配，在新的条件下重新建立新的平衡。 在低剂量聚合物的情况下，聚合物被溶胀，沥青中的胶质和油分析出并吸附 于聚合物的表面，形成另一种胶体结构，但组分比例发生变化，从而沥青的性能 得到改善。 可以认为，两种相窖性较差的材料渗透后，材料的整体性质在很大程度上是 由两相界面上局部扩散的深度及两相的相互作用能，按照共混改性原理，如果两 种材料的相容性好，那么这两种材料的物理性质也接近，虽然彼此间结合很好， 但不能指望其性能有多大改善；若两种材料相容性太差，分散相不能很好分散， 则其性质也不可能有太大改善。只有具备适当的相容性，又有良好的界面性质才 能得到性质优良的改性材料。用聚合物改善沥青的性质同样也应满足良好的界面 性质与很好的分散状态，这样才能使改性剂自身特有的性质充分体现出来，起到 8 长安太学硕士学位论文 明显的改性效果。 因此可以认为，改性沥青既不是结构全新的材料，也不是沥青结构的重复， 而是一种同时具有原沥青和聚合物基本特点的新型结构。 聚合物改性沥青高温稳定性提高的原因在于：由于聚合物的加入，产生吸 附和溶胀作用，使得呈连续相的沥青组成结构被破坏，表现为轻质组分减少、大 分子组分增加：此外聚合物以微细粒状分布于沥青中，形成部分胶联结构，限 制了沥青机体的流动性。这些宏观上表现为沥青粘度的增加，增强了其抵抗外荷 的能力，从而提高了沥青的抗高温变形能力。 聚合物改性沥青低温抗裂性提高的原因在于：体系中发生的吸附和溶胀作 用使沥青的组分构成发生一定变化；在低温下，聚合物分子分散于连续相的沥 青中，当分散相为s b r 、c r 或s b s 时，形成“分散相软，连续相硬”的共混体系， 该体系在荷载作用下通过银纹作用使体系具有很好的抗裂性；当分散相为p e 或 e v a 时，则形成“硬一硬”共混体系，它可以通过剪切屈服、裂纹胶结作用使体 系具有一定的抗裂性能。 二、改性沥青性能评价指标 关于改性沥青及改性沥青混合料的性能评价指标和方法，国际上还没有统 一，不过有一点是共同的，那就是不能完全照搬普通沥青性能的评价方法。现行 评价改性沥青的方法主要有三大类： 1 采用沥青性能指标的变化程度来衡量，如针入度、软化点、延度、粘度、 脆点的变化程度。变化值越大，改性效果越好。由于对广大工程技术人员来说， 这些指标测定方法简单，意义明确，容易接受，所以是目前生产上最常用的方法。 通常采用的是软化点、针入度、延度，即所谓的“三大指标”。 2 针对改性沥青的特点开发的试验方法，如弹性恢复试验、测力延度试验、 粘韧性试验、冲击板试验、离析试验等。 3 美国战略公路研究计划( s h r p ) 提出的沥青结合料性能规范，其根本特 点是各项指标与路用性能直接相关，并且s h r p 声称此规范既适用于普通沥青， 也适用于改性沥青。 现有关于改性沥青的实验比较大多通过改变聚合物的掺量或改变基质沥青 的种类进行比较的。作为前者，对于同种沥青尚有一定的可比性，能够说明不同 改性剂对该种基质沥青的改性效果的差异；但对于后者，则无多少科学依据。因 为沥青是一种成分极其复杂的有机高分子化合物，采用不同原油炼制而成的沥青 其组分显然是不同的，即便是同一种原油，因炼制工艺的不同所得沥青的组分比 例也不尽相同。因此这种通过比较同种改性剂对不同基质沥青的改性效果的方法 存在很大的缺陷。正确的思路应该是对同一种沥青进行的：先按一定方法将基质 长安大学硕士学位论文 沥青的各组分分离提纯出来，再根据实验目的将所得的组分按一定比例来配制成 试验用的基质沥青，然后再采用相同的制各工艺来制备改性沥青及其混合料，进 行性能评价或研究。 简单的讲，沥青改性的目的就在于提高沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性 和耐疲劳性能，遵循以上的原则并结合本课题所研究的具体情况，本文有关改性 沥青技术性能参数的论述，主要选择了反映沥青感温性与高、低温性能的指标， 因为这些指标与路用性能息息相关，而且其试验可以完全遵循公路工程沥青及 沥青混合料试验规定( j t j 0 5 2 - - 9 3 ) 进行，选取出以下的改性沥青的性能评价 指标，以备后用： 综合性指标：针入度指数p i ，反映改性沥青温度敏感性的指标。是由实测 1 5 。c 、2 5 。c 、3 04 c 三个不同温度的针入度，由公式l g p = k + a t 直线回归求得 参数a 后由下式求出： p i 2 0 - 5 0 0 4 1 + 5 0 一 高温稳定性指标：环球法软化点t 当量软化点t 。，软化点是反映改性沥 青高温稳定性的重要指标，软化点越高，稳定性越好。此外还有6 0 c 粘度指标 低温抗裂性指标：5 。c 延度，反映改性沥青的柔韧性，延度越大，柔韧性越 好，低温下的抗裂性越好。此外还有当量脆点t 。指标 弹性性能：弹性恢复率，反映改性沥青的橡胶的弹性，从路用性能来说，指 在荷载作用之后的变形恢复能力。恢复率越高，抗永久变形能力越强。 对下文所述及的改性沥青设备的性能分析就是遵循了这样的思路，选择了第 一种采用沥青性能指标的变化程度来评价其生产的改性沥青的性能，并与标准 所规定的技术要求进行对照比较。 2 3 常用道路改性沥青 一、热塑性橡胶类改性沥青 热塑性弹性体类( t p e ) 改性沥青，主要有聚胺酯、聚醚聚酯共聚物、聚 烯烃以及苯乙烯嵌段共聚物四大类，根据世界著名改性沥青供应商壳牌公司 所作的调查表明：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。其中的代表性产品是苯乙烯一丁二烯一苯乙烯( s b s ) 嵌段共聚物，它的 分子结构呈条形，常用于沥青路面结合料。它具有良好的高温稳定性和低温抗裂 性，可增强沥青的粘附性，有较大的弹性恢复率，表现在出现车辙和低温开裂后， 有较强的自我恢复能力。 1 作用机理 1 0 长安大学硕士学位论文 s b s 是一种热塑性弹性体，是以丁二烯和1 ，3 一苯乙烯为单体，采用阴离子 聚合制得的线型或星型嵌段共聚物。s b s 高分子链具有串连结构的不同嵌段、塑 性段和橡胶段，形成了类似合金的“金相组织”结构，如图2 3 所示。 图2 3s b s 的相位结构 蕊1 l 二 图2 4s b s 结构示意图( 上为星型，下为线型) 这种热塑性弹性体具有多相结构，每个丁二烯链段( b ) 链的末端都连接一 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，称为微区， 也可叫做约束相；而丁二烯链段( b ) 则形成软段，也称为连续相呈高弹性， 如图2 4 所示。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 长安j 鼍学硕士学位论文 问保持在一起，与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，甚至在低温一1 0 0 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 通过聚苯乙烯嵌段的聚集形成一种三维结构，它分散在沥青中，聚苯乙烯末端赋 予材料足够的强度，中间嵌段聚丁二烯又使共聚物具有特别好的弹性。 s b s 的两相分离结构决定了它具有两个玻璃化温度，t 。为- - 8 0 ( 聚丁二 烯) ，t 。为8 0 ( 聚苯乙烯) 。当温度升高到超过s b s 端基苯乙烯的玻璃化温度 t 。：时，网状结构消失，塑料段开始软化和流动，有利于拌和和施工。而在路面 使用温度下为固体，起物理的交联和增强效果，产生高拉伸强度和高温下的抗拉 伸能力：中基丁二烯提供较好的弹性和抗疲劳性能，其玻璃化温度极低，有低温 柔性。当s b s 熔入沥青后，端基转化并流动，中基吸收沥青的软沥青质组分，形 成海绵状的材料，体积增大许多倍。冷却以后，端基再度硬化，且物理交联，使 中基嵌段进入具有弹性的三维网状之中。这种在通常加工温度下呈塑性流动状 态，而在常温下无需硫化即成橡胶性能的特点使s b s 作为道路沥青的改性剂具有 极好的实用性能。 2 性能指标 目前s b s 改性沥青的效果主要用针入度、软化点、粘度、脆点、弹性恢复率 等指标进行评价。图2 5 1 至图2 5 6 分别描述了s b s 改性沥青的主要指标 随着不同s b s 剂量而变化的情况。 234 5 67 8 s b s 削币( ) 图2 5 1不同s b s 剂量对针入度的影响 - 1 5 z 5 f c 3 0 们加鲫蚰0 长岳土学硕士学位论文 0 l234 5678 s b s 剂嘬( ) 0l2345678 s b s 剂昂( ) 图2 5 2 不同s b s 剂量对针入度指数的影响图2 5 3 不同s b s 剂昔对5 。c 延度的影响 爵 一 爿 坯 掣 取 p 0l2 3 45678 s b s 剂屠) 咂 蓦 ：j ， s b s 剂讨( 埔 嘲2 5 4 不同s b s 剂龌对弹性恢复的影响 倒2 5 5 不同s b s 剂量对当量脆点的影响 - 一r r b | 卜_ 8 0 0 图2 5 6 不同s b s 剂鞋对软化点的影响 b 冈可见，s b s 改忡沥青山于s b s 软段而硬段州嵌，兼具翅料和橡胶的特点 长安土学硕士学位论文 对同时改善沥青的高温与低温性能都有独特功能。主要特点为： 改变了沥青流变学性质，粘弹性及低温延性提高，路面的抗冲击能力、抗 开裂能力、耐磨耗能力都大大增加，延长了道路使用寿命； 增大了沥青的粘附性和粘韧度，提高了沥青与砂石料的结合力，改善了道 路的强度和防水能力，增强了路面的耐久性； 降低了沥青的感温敏感性能，改性后针入度下降，软化点上升，弹塑范围 扩大，耐流动变形性能力得到改善，路面平坦性能和抗车辙性能得到提高，使行 车速度提高，路面维护减少。 二、橡胶类改性沥青 橡胶类改性沥青，通常称为橡胶沥青，其中使用最多的是丁苯橡胶( s b r ) 和氯丁橡胶( c r ) 。它不仅是世界上最早出现并广泛应用的改性沥青品种，也是 我国较早得到研究和推广的品种，特别是在丁苯橡胶的加工工艺上，我国有一定 的研究成果，在下章将会有详细论述。 1 作用机理 由于橡胶固体很难与沥青共混，因此利用高浓度胶乳对沥青改性是重要手段 之一。胶乳是以0 0 5 l - 叭m 大小的橡胶或树脂的微粒以一定比例均匀分散在 水中制成的产品。s b r 胶乳是在含有表面活性剂的水溶液中加入苯乙烯、丁二烯、 聚合调整剂、引发剂等，控制在一定温度下发生反应，有特定的反应率使反应停 止。回收未反应的单体，加入稳定剂，浓缩，调整固体成分的含量，调整p h 值 形成产品。当s b r 胶乳加入沥青中时，它首先以细小的橡胶微粒形式扩散，这些 微粒在热作用下膨胀并开始溶解，最后完全溶解产生粘稠的橡胶材料称为橡胶沥 青。 2 性能指标 丁苯橡胶改性沥青的性能如图2 6 1 、图2 6 2 和表2 一l 所示： 1 2 0 1 0 0 | ：_ 5 s 。i - - j - - ：1 凳5 6 0f 3 0 4 0 2 0o 一j + 1 o 卜二! ! ! ! ， 001l2 23 314 5 05 5 0 4 95 5 4 9 1 5 0 1 5 0 1 5 0 1 5 0 未老化 沥青的 1 0 c m9 1 5 0 1 5 0 1 5 0 1 5 0 延度 7 c m4 1 5 0 1 5 0 1 5 0 1 5 0 5 c m0 2 1 5 0 1 5 0 1 5 0 1 5 0 薄膜加 2 5 c m4 94 64 86 36 3 热试验 1 5 c m1 0 45 75 67 68 8 后老化 沥青的 7 c m0556 56 o 压力老 2 5 c m1 2 52 64 04 1 化试验 1 5 c mo 392 01 3 ( p a v ) 后沥音 5 c m0 0 61 - 22 表2 1 胜利沥青用s b r 胶乳改性后的延度 能随着老化时间的延长损失较快，在模拟交通荷载的p a v 试验中，延度指标下降 更为明显，所以在采用前要综合其他指标一起分析。 三、热塑性树鹰类改性沥青 1 作用机理 聚乙烯( p e ) 、聚丙烯、聚氯乙稀、聚苯乙烯和乙烯一乙酸乙烯共聚物( e v a ) 等都在道路沥青的改性中被应用过，这一类热塑性树脂的共同特点是加热后软 化，冷却时固化变硬。热塑性树脂类改性剂的最大特点是使沥青结合料在常温下 粘度增大，从而使高温稳定性增加，但并不能使沥青结合料的弹性增加，而且加 热以后容易离析，再次冷却时产生众多的弥散体。在电子显微镜下观察聚乙烯改 性沥青，可发觉出表及里絮状发丝的联结。聚乙烯支链在相互结合，形成交联网 状结构，又裹覆沥青折叠交联在一起，形成立体的网状结构，因而扩大了沥青的 粘弹性范围，约束了沥青在外力作用下的活动性，由此提高了沥青在高温状态下 的粘度和抗流动变形能力。 常用的热塑性树脂类改性沥青为e v a 和p e 。一般来说，e v a 和沥青的相容性 1 5 长安土学硕士学位论文 较好，不需要太复杂的改性设备便可以生产，不足之处是其价格昂贵，限制了在 工程中的大量应用；而p e 价格相对便宜，但由于聚乙烯本身的成分很复杂，在 加工过程中，到底有多少是有效成分难以确定，而且聚乙烯颗粒教硬，势必需要 胶体磨多次研磨，加热温度也较高，生产率较低。在详细了解各自改性后性能后， 应根据实际情况进行选用。 2 性能指标 不同掺量的e v a 改性后沥青的性能如图2 7 1 至2 7 6 所示 l6 。 l4 0 童獬 g 8 0 一一_ 囊 芝6 0 士1o 2 ： 0l2345678 e 7 a 剂量( ) 图2 7 1不同e v a 剂量对针入度的影响 图2 7 2 不同e v a 剂量对针入度指数的影响图2 7 3 不同e v a 剂量对延度的影响 1 6 长安大学硕士学位论：k 图2 7 4 不同e v a 荆鼙对当鼙脆点的影响图2 7 - - 5 不同e v a 剂鼙对弹性恢复的影响 7 0 6 0 ，、5 0 2do 蚕3 0 囊2 0 lo 0 2345678 e v a 剂量( ) 一t 8 0 0 卜一t r b 图2 7 6 不同e v a 剂量对软化点的影响 由图可知，e v a 改性沥青的高温性能随着e v i l 剂量的增加而逐渐提高，表现 为软化点升高、针入度下降，感温性能也大大提高，抗老化能力增强，耐久性提 高；相反的，e v a 改性沥青的低温性能并没有明显的改善，在一定程度上还有所 降低。 单独的p e 改性沥青所表现出的性能与e v a 改性沥青相似，近来出现的一种 趋势是p e + s b s 复合改性，这样对高低温性能都会有明显的提高。 2 4 改性剂选用原：则 上一节已经阐述了常用的改性沥青及其性能特点，实际工程中使用的改性沥 青的性能主要取决于改性工艺、基质沥青和改性剂。改性工艺在后面的章节中会 详细分析，基质沥青的选择不在本文的研究之列，一般情况需要注意的是基质沥 青和改性剂之间的相容性( 配伍性) 。 长安土学埙士学位论文 通过比较第三节中几种常用改性沥青的性能，再加上大量的试验总结，可以 对四种( s b s 、s b r 、e v a 、p e ) 主要常用的改性剂的改性能力排序如下( 假设改 性剂按相同的比例放入同一基质沥青) ： 高温稳定性：s b s 使软化点提高最多，即s b s s b r e v a p e ； 低温抗裂性：s b s 使5 c 延度的幅度增大，s b r 增加幅度比s b s 小，e v a 略有 增加，而p e 使延度降低； 弹性恢复：s b s 改性沥青的弹性恢复极好，s b r 比s b s 的弹性差，e v a 有一 定的弹性，p e 几乎无弹性； 综合性指标( 针入度指数p i ) ：s b s 的高低温性能、弹性恢复的性能都非常 突出，对温度敏感性下降所起的作用是p e 和e v a 无法相比的，同时也说明了s b s 适合在各种气候下使用，而s b r 只适合在寒冷条件下使用，p e 及e v a 适合炎热 气候，所以s b s 成为目前最为普遍使用的道路沥青改性剂。 实际工程上选择改性荆的品种和剂量是个技术性很高的工作，很难简单的说 用哪个品种的改性剂就一定好或不好。只能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，以及当地沥青路面的主要破坏形式、改性目 的综合确定。尤其是改性剂的剂量，多1 或少1 ，对试验结果影响并不太大， 只能通过技术经济条件综合论证确定 改性剂的选用原则一般有如下几个： 1 根据不同的气候条件选择 不同地区气候条件也有很大不同，规范规定不同改性沥青等级的技术要 求是根据不同的气候区进行选择的依据，如s b s 分为i a 、i b 、i c 、i d 四种类型，i a 、i b 适用于寒冷地带，i c 用于较热地区，i d 用于炎热地 区和重交通段。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；而对低温寒冷地区，抗裂性能的要求较高，s b s 、s b r 的改性 效果较好。 2 根据不同的荷载条件选择 不同道路所能承受的汽车荷载不同，对一般城市道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；而对于以载重汽车为对象的高速公路、一级公 路，尤其是重车比例大、超载车多的干道，主要目的是抵抗车辙、拥包等永久变 形，则可考虑采用s b s 、p e 、e v a 等改性剂。 3 根据现有的加工能力选择 改性沥青的加工非常重要，根据改性剂的种类，可以采用直接加入法，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；也可采用预混法，即事 1 8 长安土学埙士学位论! k 先将改性剂混入沥青中，分散均匀，然后再喷入混合料中拌和。使用时，可根据 实际情况选择适宜的加工方式和改性剂。 4 经过技术经济分析确定改性方案 改性沥青的成本由以下几部分组成： 改性剂的成本：包括改性剂的单价、用量。有的改性剂尽管价格较低，但 剂量较高，应特别注意； 加工费：包括改性沥青设备、沥青加热等费用以及人工等； 采用改性沥青后因增加沥青用量而增加的费用。与普通的非改性沥青相 比，改性沥青混合料用量大体要增加0 3 o 5 。 对于任何一个工程，都必须从技术性能和经济成本两方面综合分析，选择成 本低、性能好、效果好的改性剂。 1 9 长安土学硕士学位论文 第三章改性设备的加工工艺 上一章已经得出这样的结论：改性沥青的性能主要取决于改性工艺、基质沥 青和改性剂，在基质沥青和改性剂确定的情况下，改性工艺直接决定了生产出来 的产品是否符合路用要求。事实上，除了少量可以采用直接投入法加工的改性剂 如s b r 胶乳外，大部分改性剂与道路沥青的相容性很不好，所以必须采取特殊 的加工方式，将改性剂完全分散在沥青中，才能生产改性沥青。因此，改性设备 成为发展改性沥青的关键。 简单的讲，改性沥青设备即为使改性剂与沥青充分研磨、粉碎、分散、溶合 的设备。改性设备作用一为实现改性剂和基质沥青的相溶，使改性剂粒子以一定 的粒径均匀的分布于沥青中；二为保证工程使用时的质量，必须强调混合体系的 稳定性，即在加工、储存过程中，改性剂与沥青不发生凝聚、沉淀、分层、离析 等现象。 3 1 改性沥青的制备及使用模式 一、改性沥青的制备方式 关于改性沥青的加工制备方式，一般可以分为预混法和直接投入法两大类。 实际上，直接投入法是制作改性沥青混合料的工艺，只有预混法才是名副其实的 制作改性沥青，不过现在通称为改性沥青。改性沥青的加工制各方式归纳如图3 一l 所示： 按照3 t 3 0 3 6 - - 9 8 的规定，搅拌法、混融法、胶乳法属于一次掺配法，母体 法属于二次掺配法。 1 直接投入法 所谓直接投入法是直接将改性剂投入沥青混合料拌和锅与矿料、沥青拌和而 制作改性沥青混合料的工艺，所以从严格意义上来说它并不算制作改性沥青的工 艺。 由于s b r 等橡胶固体很难与沥青共混，因此可以利用合成橡胶制造过程中的 中间产品胶浆，再制成高浓度的胶乳。在现场生产时，只需将s b r 胶乳存放 于罐中，然后由喷嘴喷入拌和锅即可。此方法的关键问题在于精确计量喷入胶乳， 因为胶乳附着性强，且容易产生破乳。在国内，常用的方法就是采用两套喷乳设 备轮换使用，以便及时清洗；在日本，有学者宣称采用改进的材料和工艺，这个 问题已不复存在了。 2 母体法 母体法的原理是先采用一种适当的方法制各加工成高剂量聚合物改性沥青 2 0 长安土学硕士学位论： 厂直接投入法：直接将聚合物加入到 ；融的沥青中，用强力搅拌器