（道路与铁道工程专业论文）橡胶与粉煤灰改性沥青试验研究.pdf

摘要 随着道路交通事业的发展 报废的轮胎数量越来越多 这些废弃的轮胎对环境产生 很严重的危害 同时 粉煤灰是火力发电厂和大型企业锅炉燃烧后产生的工业废料 产 量大 分布广 对环境污染比较严重 有关研究表明 把橡胶和粉煤灰投入到沥青中对 沥青进行改性 可提高沥青抗冲击 抗开裂 耐磨耗等方面的性能 因此开展用橡胶和 粉煤灰对基质沥青改性这一研究课题具有实用意义 本文主要对橡胶与粉煤灰改性沥青进行了以下三方面的研究 1 基于室内材料试验 研究了剪切时间 剪切温度 胶粉来源 胶粉粒径 胶粉掺 量 粉煤灰掺量及改性剂等因素对沥青改性效果的影响 结合我国改性沥青现状 提出 了改性方向及控制指标 通过综合改性得到了改性沥青配方 2 运用了一整套适合应力吸收层路用性能的理论及试验方法 其中包括 用改良 s u p e r p a v e 法 以空隙率 v v 为主要控制指标 确定沥青的最佳用量 用疲劳试验 水稳性试验和低温性试验来确定混合料最佳级配 研究表明 级配i i 型胶粉与粉煤灰改性沥青混合料的疲劳性能和低温抗裂性能最佳 水稳性也达到规范要 求 所以选择级配i i 为最佳级配 3 论文还在现有的四点小梁疲劳试验方法的基础上 提出了一种周期更短 更方便 的改进四点小梁疲劳试验方法 这种方法更能代表自然界极限状态下混合料的疲劳性 能 综合以上研究成果表明 橡胶与粉煤灰改性沥青混合料具有良好疲劳性能 低温变 形能力和水稳性 很适合做应力吸收层 在我国公路建设和养护中有广泛的应用前景 关键词 橡胶与粉煤灰改性沥青 室内试验 应力吸收层 疲劳性 低温性 水稳性 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr o a dt r a n s p o r t a t i o n m o r ea n d m o r et i r e sa r ea b a n d o n e d t h e s e a b a n d o n e dt i r e sc a u s eas e r i o u si n f l u e n c et ot h ee n v i r o n m e n t t h ep u l v e r i z e dc o a la s h i st h e p r o d u c t i o no ft h et h e r m a lp o w e rp l a n ta n dt h em a j o ri n d u s t r yb o i l e rc o m b u s t i o n t h e s e p u l v e d z e dc o a la s ht a l e sag r e a ts e r i o u sp o l l u t i o nt o t h ee n v i r o n m e n t s t u d i e ss h o w e dt h a t p u t t i n gr u b b e ra n dp u l v e r i z e d c o a la s hi n t oa s p h a l tf o rm o d i f i c a t i o nw i l li m p v e t h e p e 响m a n c eo fa n t i i m p a c t a n t i c r a c k i n ga n da n t i d e h i s c e n c e t h e r e f o r e t h er u b b e ra n d p u l v e r i z e dc o a la s hm o d i f i e da s p h a l tr e s e a r c hs u b j e c th a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e w h i c hu s e s t l l em b b e ra n dt h ep u l v e r i z e dc o a la s ho nt h ea s p h a l tm o d i f i c a t i o n t h i sp a p e rc a r r i e do nt h o r o u g h l ys t u d i e sa b o u tt h e r u b b e ra n dp u l v e r i z e dc o a la s h m o d i f i e da s p h a l tr e s e a r c hs u b j e c t m a i n l yi n c l u d i n gt h r e ea s p e c t sa sf o l l o w s 1 b a s e do nt h ei n d o o rm a t e r i a le x p e r i m e n t t h i sp r o j e c ts t u d i e d t h ei n f l u e n c eo ft h e c u t t i n gt i m e c u t t i n gt e m p e r a t u r e r u b b e rp o w d e rs o u r c e p a r t i c l e s i z eo fr u b b e r r u b b e rp o w d e r c o n t e n t p u l v e r i z e dc o a la s hc o n t e n ta n dm o d i f i e rt ot h em o d i f i e da s p h a l t w ep r o p o s e dt h e m o d i f i e dd i r e c t i o na n dt h eg u i d ep o s t so fm o d i f i e da s p h a l tf o c u s i n go n c h i n e s ep r e s e n t s i t u a t i o n t h e nt 1 1 ea r t i c l eo b t a i nm i x t u r er a t i oo f t h er u b b e ra n dp u l v e r i z e dc o a la s h m o d i f i e d a s p h a l tt h r o u g ht h es y n t h e s i sm o d i f i c a t i o n 2 t h i sa r t i c l ep r o p o s e das e to ft h e o r ya n dt e s t i n gm e t h o d so n t h ep e r f o r m a n c eo fr o a d s t r e s s a b s o r b i n gl a y e r i n c l u d i n g t a k i n gt h ei m p r o v e ds u p e r p a v em e t h o d u s e v va st h e p r i m a r yc o n t r o lt a r g e t t od e t e r m i n et h e b e s tp r o p o r t i o no fa s p h a l t t a k i n gt h ef a t i g u et e s t l o w t e m p e r a t u r es t a b i l i t yt e s ta n d w a t e rs t a b i l i t yt e s tt od e t e r m i n et h eb e s tm i xg r a d a t i o n t h e s t u d i e ss h o w e dt h a t t h et y p ei im i x t u r ei sb e s ti nt h ep e r f o n c eo ff a t i g u e l o w t e m p e r a t u r e s t a b i l i t ya n d a c h i e v ew a t e rs t a b i l i t ys p e c i f i c a t i o n s 3 p 邳l e r sw h i c hb a s e do nt h e s m a l lb e a mf o u r p o i n tb e n d i n gf a t i g u et e s t p r o p o s e d a i m p r o v e ds m a l lb e a mf o u r p o i n tb e n d i n gf a t i g u et e s t t h ei m p r o v e d t e s tm e t h o dp r e s e n t sa s h o r t e rt e s tc y c l e m a k em o r ec o n v e n i e n ta n dm o r er e p r e s e n t a t i v e o ft h em i x t u r ef a t i g u e p e r f o r m a n c es t a t eu n d e r t h en a t u r a ll i m i t s t h i sr e s e 踟 c hs h o w s t h er u b b e ra n dp u l v e r i z e dc o a la s hm o d i f i e da s p h a l ti sg o o da tt h e p e r f o 哪a i l c eo ff a t i g u e l o w t e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n d w a t e rs t a b i l i t y t h i sm o d i f i e da s p h a l ti s i i i s u i t a b l ef o rt h em a t e r i a lo fs t r e s sa b s o r b i n gi n t e r l a y e r t h e r e f o r e t h i sk i n do fa n t i c r a c kb a n d h a saw i d e s p r e a da p p l i c a t i o np r o s p e c ti nr o a dc o n s t r u c t i o na n dr o a dm a i n t e n a n c ei no u r c o u n t r y k e y w o r d s t h er u b b e ra n dp u l v e r i z e dc o a l a s hm o d i f i e da s p h a l t i n d o o rt e x t s t r e s s a b s o r b i n gi n t e r l a y e r f a t i g u ep e r f o r m a n c e l o w t e m p e r a t u r es t a b i l i t y w a t e r s t a b i l i t y 长安人学硕士学位论文 1 1 立项背景 第一章绪论 随着公路交通事业的发展 每年报废的轮胎越来越多 在这些废旧的轮胎中除橡胶 和其他行业少量回收利用外 还有相当数量的轮胎被废弃 这些废弃的旧轮胎属于工业 有害固体废弃物 在自然条件下很难自动降解 不但会导致自然环境恶化 破坏植物生 长 而且经过日晒雨淋后极易滋生蚊虫进而传播疾病 危害生态环境 再加之轮胎橡胶 本身不降解 不分裂的化学特性 所以不能像常规垃圾处理方式那样填埋 如果用燃烧 方式处理 会产生大量的一氧化碳等有害气体 将带来严重的二次污染 此外 大量的 废旧轮胎垃圾堆积不但占用土地资源 并且易发生火灾而造成事故 因此应该探索出一 条新的途径来解决这个问题 随着我国交通运输行业的快速发展 大型化车辆越来越多 超重 超载现象越来越发严重 原来的普通沥青混凝上路面己无法满足现代交通运输行 业关于路用性能中高温稳定性 低温抗裂性 抗老化性和耐久性方面的要求 而作为沥 青路面重要材料之一的国产沥青却存在着含蜡量过高 低温延度低 高温稳定性差 粘 附力弱等诸多缺陷 严重降低了路面的使用性能和使用年限 而价格相对于其它改性剂 低得很多的胶粉却能很好地改善国产沥青的路用性能 橡胶改性沥青的主要特点有 1 改善了沥青流变学性质 粘弹性及低温延性大大提高了 路面的抗冲击能力 抗开裂能 力 耐磨耗能力都大大地增加 延长了道路使用寿命 2 增大了沥青的粘附性和粘韧度 改善了沥青与砂石料的结合性 提高了道路的强度和防水能力 增强了路面的耐久性 3 钝化了沥青的感温性能 沥青经胶粉改性后针入度指数增大 感温性能提高 弹塑范 围扩大 耐流动变形性能提高 路面的平坦性大大地改善 可以提高行车速度 并减少 路面维修 1 1 粉煤灰是火力发电厂和大型企业锅炉燃烧后产生的工业废料 粉煤灰的产量大 分布 广 对环境污染比较严重 同时堆放它又占用很多土地 因此多渠道综合开发 利用粉煤 灰是国内亟待解决的问题 从矿粉在沥青混凝土结构中起的作用来分析 矿粉是组成沥青 混凝土的主要成分之一 它在沥青混凝土结构中不仅起到密实矿料骨架填充料的作用 而 且它与沥青一起形成起凝结作用的分散系统 能够充分发挥沥青与矿料的物理 化学作用 提高它们之间的粘附力 改性沥青粘弹性 减少感温性 增强抵抗矿料剥离的能力 又由 于粉煤灰与矿粉的物理性质比较接近 又非常廉价 因此我们从经济和综合利用工业废 第一章绪论 料 减少环境污染的角度出发 试用粉煤灰做填充物 通过室内试验研究 分析粉煤灰对 沥青性能的影响及确定其最佳掺量 具有一定的经济效益和社会效益 1 2 研究意义 本项目主要利用胶粉和粉煤灰对基质沥青进行改性 并下提高其高温稳定性 低温 抗裂性 感温性能等各方面性能 研制出的新材料可能用于以下几个方面 1 沥青路 面材料 2 路面高性能封层 3 沥青路面裂缝修补和冷拌坑槽修补料 4 水泥混 凝土路面填缝等方面 其中 1 和 2 是新材料的主要应用方面 橡胶与粉煤灰改性沥青以废旧轮胎磨制的胶粉以及工业废弃物粉煤灰作为原料 充 分利用废弃资源 变废为宝 充分体现了 可持续发展 这一全球化的战略思想 并可以 减少废轮胎和粉煤灰对环境造成的污染 起到了一定的环保作用 橡胶与粉煤灰改性沥 青的研究 从经济效益 环保效益 社会效益以及可持续发展等方面具有重要的意义 1 3 国内外研究现状及发展 废胎胶粉在公路行业中特别是改性沥青中的应用在国际上已有比较悠久的应用历 史 在2 0 世纪6 0 年代时 美国就已经开始了橡胶粉改性沥青铺路试验 1 9 7 9 1 9 8 1 年 阿拉斯加州用p l u s r i d e 铺设了7 段试验路 结果表明橡胶粉试验路有更好的低温抗 滑性 1 9 8 3 1 9 9 1 年 俄勒冈州分别铺设了干法和湿法工艺的试验路 得出以下结论 1 橡胶粉的加入显著改善了路面的低温抗开裂性能 2 橡胶粉的加入使得材料的 模量等强度指标有比较大的下降 但劈裂性能大大增加 3 只要认真施工不会发生比 普通路面更多的水损坏 有关研究还发现 由于硫化胶粉中己掺有各种稳定剂 这有利 于提高沥青的吸附性和耐候性 发达国家中的许多政府都大力扶持废橡胶回收利用相关 企业 在1 9 9 1 年 美国国会通过了陆上综合运输经济法案 其中有一条要求是 从1 9 9 4 年起 凡是需要使用联邦经费的热拌沥青混合料都必须将5 的经费用于废橡胶沥青混 合料 以后每过一年再增加5 直至1 9 9 7 年达到2 0 2 美国加利福尼亚州 佛罗里 达州 亚利桑那州等都按此法律 由废物管理局与公路相关部门共同协调 将橡胶粉改 性沥青应用于公路建设 胶粉用量通常多为1 0 一2 5 美国现在已经拥有超过1 0 0 家收集并利用废橡胶的加工企业 废轮胎的利用率一定 超过8 0 近些年来 废旧轮胎胶粉的增长率达到6 4 需求量在3 2 0 万吨左右 在 其中大约有5 2 的胶粉丧自废轮胎 美国6 家橡胶粉改性沥青公司消耗的胶粉总量就已 长安大学硕士学位论文 经占其中2 5 以上 而现有3 个州的橡胶粉改性沥青中的胶粉比例已经由1 9 9 6 年的1 5 提高到2 0 其它发达国家也有相关类似法律 这使橡胶粉改性沥青得到了稳定的发 展 日本 俄罗斯 加拿大 法国 南非 瑞典 韩国 芬兰 澳大利亚等己成功地使 用废橡胶改性沥青 且用于修筑高速或高等级公路 经过实践证明 在废橡胶粉改性沥 青摊铺了3 3 m m 的情况下 路面使用寿命已经达到1 0 年 这相当于普通沥青路面使用 寿命的2 倍1 3 1 前苏联也用橡胶改性的沥青铺了试验路 据报导四年后检查的路况仍良好 其抗开 裂性能很好 日本在第二次世界大战后 经济发展很快 公路量猛增 由于车辆多 荷 载大 车速快 使道路负荷很大 路面易遭破坏 作为筑路材料之一的沥青粘合剂的主 要问题是在日本的地理 气候条件下 普通直馏沥青铺筑的公路面 在夏天变软 易产 生车辙和拥包 而在冬天变硬 易被磨蚀和产生裂缝 利用添加高分子材料改性以提高 沥青粘度 降低沥青对温度的敏感性 可以减少路面的开裂 在日本则主要是提高沥青 的高温稳定性以减少车辙和提高耐磨耗能力 如筑波一号 4 1 的研制目标是它与普通直馏 沥青比 路面的车辙和裂缝发生率各减少5 0 磨耗量减少2 0 我国对废橡胶粉改性沥青的研究开始于公路行业 开始于2 0 世纪8 0 年代 在四川 江西等省进行了试验路研究 当时国内胶粉相关行业处于起步阶段 生产的胶粉粒径粗 再加上与之相关配套技术落后 所以未达到实用化 2 0 世纪9 0 年代后 以石油大学重 质油研究所等为代表的一些大专院校及科研机构在废橡胶粉改性沥青的机理及开发应 用等方面开展了大量的研究工作 至今我国己具备生产8 0 目胶粉的成熟技术 可以量 产 价格方面远低于s b s s b r 等改性剂 具有较好的价格优势 广东 辽宁 北京 天津 江西等省市都纷纷开展了废橡胶粉改性沥青的应用研究 而且也相应地取得了一 些研究成果 近年来 我国每年用于公路建设中的沥青多达2 0 0 3 0 0 万吨 从较早时间的只在 上面层使用发展到上 中 下面层都使用 经常使用的改性剂是s b s 和s b r 改性剂 其成本较高 若废胶粉的掺量达到1 5 则每年需要的橡胶粉量达到3 0 4 0 万吨 一方 面可以降低改性沥青的生产成本 令一方面又能解决废轮胎对环境的污染问题 随着油 价越来越高以及废橡胶粉改性沥青技术的日益成熟 我国废橡胶粉改性沥青必将在道路 建设中得到很好的实际应用 粉煤灰是火力发电厂和大型企业锅炉燃烧后产生的工业废料 多年来在其综合利用 l 取得了一定的成绩 它在公路行业的应用是代替矿粉作为沥青混合料的填料使用 但 3 第一章绪论 将粉煤灰用作改性沥青的填充料这一方面的应用 在国内的研究和开发报道还未发现 受这种情况的启发 本项目开展了粉煤灰能否用作改性沥青的填充料这一课题的研究和 实际应用上的研究 1 4 主要研究内容及试验方案设计 橡胶与粉煤灰改性沥青主要通过胶粉和粉煤灰对沥青进行改性 必要时添加外加剂 对沥青进行改性 使其各方面性能得到提高 以适应当今高等级公路发展的需要 主要 研究内容有 1 原材料的选取 包括基质沥青 粉煤灰 胶粉以及外加剂的选取 分析沥青的标号对沥青与聚合物的相容性以及改性性质造成的影响 确定用于改性 的基质沥青 分析粉煤灰能否成为良好的改性沥青的填充料 并对本项目所采用的粉煤 灰进行化学成分分析 亲水系数试验 烧失量试验 密度以及筛分试验 检验各项指标 是否满足相关技术规范的要求 根据国内对胶粉沥青的研究现状 初步确定用于橡胶与 粉煤灰改性沥青试验研究的胶粉的粒径范围 用量范围以及生产工艺等 为使橡胶与粉 煤灰改性沥青的综合性能得到全面的提高 必要时将添加改性剂对其进行复合改性 根 据对改性剂市场的调查 选定西北水利科学研究所开发研制出的沟渠欲缝止水材料 p t n 胶以及s b s s b r 改性剂作为外加剂 2 改性剂与沥青的配伍性研究 本项目初步设计以西北水利科学研究所最新开发研制出的沟渠簌缝止水材料 p t n 胶作为一种改性剂 通过向其中掺配适量的基质沥青和粉煤灰 开发出适合道路 工程需要的新材料 研究不同含量的p t n 胶对基质沥青性能的影响以及可行性 研究 各种s b s 和s b r 改性剂与基质沥青的配伍性 确定与基质沥青配伍性最好的改性剂 必要时将其作为橡胶与粉煤灰改性沥青的外加剂 3 确定生产工艺对环保型沥青性能的影响及最佳生产工艺 通过室内试验 根据不同工艺条件下生产的胶粉沥青的性能 确定胶粉沥青的生产 工艺 包括剪切温度 剪切时间 生产工序 4 在最佳生产工艺下研究胶粉来源 胶粉目数 胶粉用量 粉煤灰掺量 外加 剂掺量对橡胶与粉煤灰改性沥青改性性能的影响 从而给出胶粉来源 胶粉目数 胶粉 用量 粉煤灰掺量 外加剂掺量合理范围 5 根据实时国内改性沥青的现状确定橡胶与粉煤灰改性沥青的改性用途 改性 4 长安大学硕士学位论文 方向及改性指标 6 进行橡胶与粉煤灰改性沥青综合改性研究 达到研究中所提出的改性指标 7 结合路面实际情况 找出最切合实际的方法确定橡胶与粉煤灰改性沥青的沥 青最佳用量及确定混合料的级配 8 橡胶与粉煤灰改性沥青改性的施工控制研究 第二章原材料的选取与分析 2 1 原材料的选取 第二章原材料的选取与分析 2 1 1 沥青 沥青的原油基属 组分构成以及沥青标号对相容性和改性效果均有很大影响 在设 计时应加以考虑 沥青组分构成对相容性的影响最为显著 n a h a s t 5 认为沥青中芳香油分在聚合物剂量 很小的情况下可以溶解聚合物 而饱和油分对改性效果起很大的作用 沥青质含量较大的 沥青与聚合物的相容性很差 b r u l e 6 提出 当沥青的组分比例在如下范围时它与聚合物的 相容性好 饱和油分 8 一1 2 芳香油分及树脂 8 5 8 9 沥青质 1 5 b i l l i t e r t7 j 等人的研究表明 较软的沥青与橡胶等聚合物较容易相溶 t e x a s 交通院的研究 表吲引 沥青的性质确实影响改性沥青的改性效果 低温性质差的沥青随相互作用条件 的变化性质改善程度要高于低温性质较好的沥青 根据叶智刚等人的研究 9 基质沥青 应该选用轻质组分 油份 树脂质 含量较多 软化点较低 针入度较大的沥青 沥青的标号不仅影响到沥青与聚合物的相容性而且影响到改性性质 标号太小 由 于使聚合物溶胀的油分少 低温性能的改善会有一个限度 随着针入度的增加 相容性升 高 网状结构形成所需聚合物减少 搅拌时间简短 温度敏感性也会降低 所以改性宜 采用高标号的沥青 另外高标号沥青修筑的沥青路面 低温柔性好 不易产生温度裂缝 即使产生也会在较高的温度下弥合 但是如果选用太高标号的沥青改性将没有意义 根据前人的实验研究成果和市场调查 本课题将采用克拉玛依7 0 4 道路石油沥青作 为基准沥青 确定其他添加物对它改性性能的影响 试验测定其软化点 2 5 针入度 5 c 延度以及弹性恢复结果见下表2 1 试验结果符合 公路沥青路面施工技术规范 j t g f 4 0 2 0 0 4 道路石油沥青技术要求 l o 表2 1克拉玛依7 0 基质沥青试验结果 针入度 5 延度 c m 软化点 弹性恢复 7 6 57 34 92 6 2 1 2 粉煤灰 分析粉煤灰能否成为良好的改性沥青填充料 需要从以下五个方面的因素来考虑 6 长安人学硕士学位论文 l l 粉煤灰的组成及成分含量 粉煤灰的颗粒种类 粉煤灰的物理化学性能 经济效益 方面 相关规范方面 1 粉煤灰的组成及成分含量及粉煤灰的颗粒种类 粉煤灰的组成及成分含量决定粉煤灰的物理化学性能和工艺性能 表2 2 呈现了我 国粉煤灰的主要化学组成及含量 表2 2 我国粉煤灰的主要化学组成及含量 化学成分s i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3 c a o m g o s 0 3 含量 3 3 9 一5 9 71 6 5 3 5 11 5 1 9 70 8 1 0 40 7 1 90 1 1 2 粉煤灰的颗粒种类 粉煤灰是由各种颗粒机械组合而成的颗粒群体 分析这些颗粒的种类 结构 形态 及特征 对更深一步认识粉煤灰在填充料条件下对橡胶粉改性沥青所起到的作用和产生 的影响有着十分重要的意义 粉煤灰按照颗粒种类的成分可分为硅铝玻璃珠和碳粒 按形貌可分为玻璃珠和多孔 玻璃珠 按其密度可分为漂珠 实心微珠 高铁玻珠等 粉煤灰颗粒的结构 形貌方面 粉煤灰是复杂多样的 有空心 也有实心 颗粒粒 径不同 表观形态不规则 有类似球形 有类似多面体 表面凹凸不平 表面上存有大 量直径不一 深浅不等的微孔 故粉煤灰的手感不会有滑石粉那样的滑腻感 这些现象 表明粉煤灰的颗粒结构合理 性能稳定 颗粒粒径能较好的匹配 表观形貌类型多 颗 粒强度高 粉煤灰的这些特点将有利于它能更好地与改性沥青进行混合 有利于形成新 分子的高强度及不易剥落方面的性能 3 粉煤灰物理化学性能 作为与沥青相混合的填充料的这些物理化学性能有着一些最基本的要求 这种要求 实际上就是前者的适应性和后者的选择性的关系 一般而言 沥青对填充料物理化学性能方面的要求主要表现在以下几个方面 1 填充料的密度 2 填充料的比表面积 3 填充料的细度与级配 4 填充料的亲水和 亲油性 5 填充料的吸油率 6 填充料的游离酸碱性 为此 本文就粉煤灰物理化学 性能以上6 个方面加以分析 数据见表2 3 7 第二章原材料的选取与分析 表2 3 粉煤灰的物理化学性能 细度 级配及颗粒含量 粉煤灰密度比表面积吸油率亲水 p h 性能 g c m 3 c m 2 g 系数值 4 5 一 8 8 u m 4 5 u m 8 8 u m 1 0 7 范围1 7 7 2 4 3 l7 0 0 7 0 0 0 0 9 1 57 90 5 8 99 1 4 8 6 9 0 9 平均值2 1 1 1 o 8 582 2 92 3 94 9 2 密度 从固一液混合理论来看 为了避免填充料在改性沥青中产生沉淀结焦 两者的 密度应选择较接近的 也就是密度差值越小越好 但实际生产中的具体情况并非如此 当两者之差接近于零时 填充料就丧失了沉降力 这就使施工时不得不使用较好地搅拌 设备及增加搅拌时间 由表2 3 可知粉煤灰的密度为2 1 接近沥青密度 正好满足搅拌 施工工艺的要求 粉煤灰比表面积 比表面积大 颗粒细 分散度高的粉煤灰分子 对沥青的吸引力大 使得它和粉煤灰更加易于混合搅拌 但当填充料过细时改性沥青易形成聚块 影响到分 子的分散性 反而降低了比表面积 粉煤灰比表面积的选择范围应在1 7 0 0 一7 0 0 0 c m 2 g 区间较为宽泛 这是由于粉煤灰颗粒结构 形貌特征的特点决定的 只要选用时加以选 择 比表面积方面的特征完全可以满足要求 细度与级配 粉煤灰的细度通常用某一粒径下筛余物的多少来表征 粉煤灰表面所具 有的特点 使得沥青的加入不但没有减少本身分子的表面积而且改性沥青更容易渗透到 颗粒表面的毛孔中 使之粘合更加牢固 此外 填充料粒径的大小应有较为合理的级配 这样可以减少颗粒群间的空隙率 耕容易形成良好的空间骨架 由表2 3 可以看出 粉 煤灰级配是较为合理的 亲水系数 亲水系数是用来反映填充料被沥青包容的难易程度的指标 也可说成用来 表示两者的相容性的指标 有关研究表明 亲水系数不应大于l 因为大于l 代表了亲 水疏油 小于1 代表亲油疏水 由表2 3 可以看出 粉煤灰的亲水系数大约o 8 5 属于 憎水亲油型 粉煤灰的吸油率 吸油率反映了填充料吸油能力的大小 它与亲水系数有关 亲水系 数越大 吸油率越低 达到相同粘度时 填充料所占的比例越大 因此从经济角度考虑 应选择吸油率低的填充料 但吸油率过低会严重影响填充料颗粒间的粘结性 一般认为 填充料的吸油率应不小于0 8 由表2 3 可以看出 粉煤灰的吸油率在0 9 1 5 大于填 r 长安大学硕士学位论文 充料所要求的吸油率 粉煤灰的游离酸碱 填充料中的游离的酸碱物质 会对沥青的结构会产生不利影响 也会导致产品质量的下降 所以 作为填充料粉煤灰的酸碱度一般规定为p h 值 l o 由表2 3 可知粉煤灰的p h 值范围为7 9 符合填充料的酸碱度要求 总之 粉煤灰在物理化学方面都达到填充料的要求 4 经济效益方面 粉煤灰是发电厂的副产品 即煤燃烧后剩余的炉渣 经碎渣机粉碎后形成的一种粉 状物质 粉煤灰资源丰富 价格便宜 它的利用不仅具有较好的经济效益 还可以防止 粉煤灰对环境造成污染 是一种比较环保的利用 具有良好的社会效益 理论和实践证 明粉煤灰是一种经济环保的改性沥青填充料 5 相关规范方面 根据张松榆 孙迎迎 1 2 以及杨应信 1 3 1 等人的研究 粉煤灰的品质好坏对改性沥青胶 浆及沥青混合料技术指标影响不大 只要粉煤灰烧失量 细度等符合规范要求 均可作量 为改性沥青胶浆或沥青混合料的填料 本项目就地取材 变废为宝 采用西安灞桥电厂生产的粉煤灰 其主要化学成分 质量检验结果以及筛分结果见表2 4 2 6 粉煤灰的质量达到了 公路沥青路面施工技 术规范 j t gf 4 0 2 0 0 4 的质量要求 7 表2 4 粉煤灰主要化学成分含量 主要成分 s i o a 1 2 0 3f e 2 0 3 含量 4 8 2 42 8 6 6 6 3 2 表2 5 粉煤灰质量检验结果 项目检测结果 规范指标 烧失量 4 9 1 2 亲水系数 0 8 7 l 密度 t m 3 2 3 2 5 表2 6 粉煤灰筛分结果 粒度范围检测结果 规范指标 0 6 t u r n 1 0 01 0 0 0 1 5 m m9 6 39 0 1 0 0 4 8 2 8 6 1 0 1 0 0 1 橡胶与粉煤灰改性沥青的试验配合比设计 将p t n 胶 甲 乙组分 和7 0 道路石油沥青按一定的比例混合产生一系列化学 反应生成 在试验过程中 严格控制p t n 胶甲乙组分的质量百分比1 3 试验初步设 计为 以7 0 道路石油沥青为主料 通过加入不同含量的p t n 胶反应 试验检测生成 的新材料的各项指标 考虑到造价及试验易实现性等方面的问题 初步设计p t n 胶加 入量占总质量 p t n 沥青 的百分比为1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 共九个比例 各组分按照设定的比例加热搅拌配合浇模后 放置室温下 2 5 养生2 4 小时 以利于各组分充分反应 2 性能测试 对1 0 5 0 p t n 胶含量配置的材料进行针入度 针入度指数 延度和软化点等 各项指标试验 采用的技术指标初步以 公路沥青路面施工技术规范 j t gf 4 0 2 0 0 4 聚合物改性沥青技术要求中s b s 类指标 通过对改性沥青2 5 的针入度指标的判断 新材料针入度等级达到了1 3 0 号或1 6 0 号 由 公路沥青路面施工技术规范 j t gf 4 旺2 0 0 4 表仁3 规定 将针入度试验温 度为以下5 个梯度 5 c 1 0 c 1 5 c 2 0 c 2 5 c 这样可以正确而且合理地计算新 材料的针入度指数p i 各个配比p t n 胶改性沥青的各项指标如表2 1 0 所示 第二章原材料的选取与分析 表2 1 0各个配比的p t n 胶改性沥青三大指标 基质 各项指标 l o 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 沥青 针入度 2 5 6 6 61 1 1 61 2 0 21 2 5 11 3 6 11 7 4 11 6 5 52 3 5 02 5 4 03 0 2 8 o 1 m m 延度 c m o9 5 51 2 5 71 6 7 71 5 1 32 0 9 71 4 3 01 9 7 0 1 2 5 0 1 4 0 3 5 5 c m m i n 软化点 o c 5 0 o4 6 54 7 15 0 o4 9 84 4 25 0 35 4 44 9 85 4 8 当量软化点 5 2 7 4 4 6 4 6 34 8 34 4 44 2 54 2 23 7 33 6 53 4 2 当量脆点互 2 1 9 9 2 0 8 2 7 9 3 3 1 2 7 6 2 9 5 2 7 9 3 0 2 3 0 3 3 3 1 塑性温度范围 7 2 66 5 47 4 18 1 47 2 o7 2 07 0 16 7 66 6 86 7 2 备注7 0 基质沥青做5 延度时 试模脱侧模后断成三段 4 数据分析 试验及计算得到的各项指标所采用的技术指标初步参考 公路沥青路面施工技术规 范 j t gf 4 0 2 0 0 4 聚合物改性沥青技术要求中s b s 类指标 并对照分析各项指标是 否满足表中技术要求 1 p t n 胶对针入度指标的影响 为了更直观地反映p t n 胶对针入度指标的影响 结合表2 1 0 绘制得针入度对数与 温度及p t n 胶含量的关系曲线 如图2 2 所示 1 4 长安大学硕士学位论文 图2 2 针入度对数与温度及p t n 含量的关系曲线 由表2 1 0 可以看出 p t n 含量1 0 5 0 不同配比的橡胶与粉煤灰改性沥青的针 入度指标均能达到 公路沥青路面施工技术规范 j t gf 4 0 2 0 0 4 以下简称 施工技 术规范 s b s 类a 型技术要求 针入度满足试验要求 从图2 2 可知 各个配合比的p t n 胶改性沥青的针入度随着温度的升高而逐渐增大 在同一温度条件下 针入度随着p t n 胶含量的增大而增大 在最初加入1 0 的p t n 时 与基质沥青相比 改性沥青的针入度变化幅度最大 从试验过程可以看出 在同一温度 条件下 随着p t n 含量的增大 生成的新材料质地变软 流动变形性增加 2 p t n 含量对软化点的影响 绘制软化点与p t n 含量的关系曲线图 如图2 3 所示 1 5 第二章原材料的选取与分析 图2 3 软化点与p t n 含量的关系曲线 由表2 1 0 可以看出 p t n 含量1 0 5 0 不同配比的橡胶与粉煤灰改性沥青的软 化点指标均能达到 公路沥青路面施工技术规范 s b s 类a 型技术要求 软化点满足 试验要求 从图2 3 可知 改性沥青的软化点随着p t n 含量的变大大致也逐渐增加 但 增加的幅度不是很明显 3 p t n 含量对延度影响 根据表2 1 0 绘制p t n 含量对延度影响曲线 如图2 4 所示 图2 4p t n 含量对延度影响曲线 由表2 1 0 可以看出 不同p t n 含量的橡胶与粉煤灰改性沥青的5 c 的延度指标 只有p t n 含量3 0 时能达到 公路沥青路面施工技术规范 s b s 类d 型技术要求 1 6 长安大学硕士学位论文 其它尝试的试验结果均不能满足规范的要求 在试验中 基质沥青测试5 延度时脱延度试模两侧的夹片后脆断成三段 所以基 质沥青5 延度为0 从图2 4 可以看出 加入p t n 后 改性沥青的延度比基质沥青有 所增加 随着p t n 含量从0 增加至3 0 的过程中 改性沥青的延度基本上直线增加 在p t n 含量3 0 时达到最大 其后的趋势为波动而且总体上减小 5 当量软化点t s o o 和当量脆点t 1 2 与p t n 含量的关系 由表2 1 0 的实测数据绘制出当量软化点 当量脆点及p t n 含量的关系曲线 如图 2 6 所示 图2 6当量软化点及当量脆点与p i n 含量的关系曲线 从图2 6 中可以看出 随着p t n 含量的增加 当量软化点t 8 0 0 和当量脆点t 1 2 降低 这个结果说明改性沥青随着p t n 的含量的增加 热稳定性变差 与之相应低温抗裂性 能变好 6 当量软化点与针入度指数相关性分析 1 7 第二章原材料的选取与分析 图2 7 当量软化点t 啪与针入度指数p l 相关性曲线 从图2 3 和图2 6 可以看出 随着p t n 含量的增加 t s o o 减小而软化点增大 t 1 2 与软化点之间之所以会有不同的变化趋势 可能是由于所使用的基质沥青含有蜡的原 因 由于蜡的存在 在软化点温度域范围内 蜡熔化吸收了一部分热量 导致软化点出 现了升高的假相 从图2 7 当量软化点t 8 0 0 与针入度指数p i 相关曲线可以看出 两者相 关性指数r 2 o 9 7 9 5 具有高度的相关性 随着p i 值的减小 当量软化点t 8 0 0 也是逐渐减 小的 针入度指数p i 值作为评价沥青材料感温性的指标 它的适用性已经得到了广泛 的认可 鉴于此 当量软化点t 8 0 0 实际发挥了软化点的功能 具有软化点表示沥青材料 高温性能的全部优点 又克服了沥青中蜡对软化点的影响 所以本课题采用当量软化点 t 8 0 0 来评价沥青材料的高温稳定性比较好 综合各方面因素 得出以下结论 1 不同v i n 含量生成的新材料的针入度 软化点指标均能达到 公路沥青路面 施工技术规范 j t gf 4 0 2 0 0 4 s b s 类a 型技术要求 满足试验要求 延度只有在p t n 含量3 0 时能达到 公路沥青路面施工技术规范 s b s 类d 型技术要求 其它p t n 含 量时均不能满足试验要求 2 随着改性沥青中p t n 含量的增加 针入度及软化点指标变大 而延度在起始 阶段增大 当p t n 含量达到3 0 时延度也达到最大 随后减小 所以说加入p t n 可以 改善基质沥青的低温抗裂性 3 随着改性沥青中p t n 含量的增加 当量软化点以及当量脆点变小 这个结果 18 长安大学硕上学位论文 表明随p t n 含量的增加 改性沥青的热稳定性变差 低温抗裂性能变好 4 从经济方面考虑 p t n 胶每吨价格为2 8 万元 而掺加p t n 的量达到3 0 时 才能达到s b s 类d 型的技术要求 从性价比而言 利用p t n 胶生产橡胶与粉煤灰改性 沥青并不实用 2 2 2s b s s b r 改性剂与基质沥青的配伍性研究 影响改性沥青性能的因素 一方面与基质沥青的组成成分有关 另一方面还与改性 剂的类型 型号 剂量以及改性沥青的生产工艺 搅拌温度 搅拌时间 剪切温度 剪 切时间等 有关 本部分将研究改性剂的类型 型号 生产工艺等方面对改性沥青性能 的影响 并确定与基质沥青配伍性较好的改性剂以及最佳的生产工艺 基质沥青为克拉 玛依7 0 道路石油沥青 各改性剂和稳定剂的含量均为占基质沥青的百分比 改性剂及 稳定剂的剂量以生产厂家所提供的最佳加入量为准 改性剂用a 表示 稳定剂用b 表 示 各改性剂和稳定剂代号见表2 1 2 s b s s b r 改性剂与基质沥青的配伍性研究结果 见表2 1 2 表2 1 2 改性剂和稳定剂代号表 喜跃发 燕化 4 3 0 3 金 鸿泰 永 路易胆 品名型s b s 颗 阳 s b r 德 p s b r泰 s d j a 1 稳 s b s 胶乳稳定剂 粒胶乳胶粉定剂 代号 a la 2a 3a 4b lb 2 从表2 1 3 可以看出 喜跃发 s b s 胶乳和 燕化 4 3 0 3 型s b s 颗粒与基质沥青的配 伍性欠佳 其5 延度较低 不能满足 公路沥青路面施工技术规范 j t gf 4 0 2 0 0 4 关于 聚合物改性沥青技术要求 不能满足研究的需要 而 金阳 s b r 胶乳及 鸿泰 德 p s b r 胶粉与基质沥青的配伍性较好 两种改性剂对基质沥青改性后 其软化点大于 5 7 5 延度均大于1 5 远远大于 规范 中软化点大于5 0 5 延度大于6 相对 于基质沥青而言 沥青经改性后 其高温稳定性 感温性能 低温抗裂性等各项性能得 到了很大的提高 两种改性剂对比而言 鸿泰德 p s b r 胶粉改性沥青薄膜烘箱后的各 项性能要优子 金阳 s b r 胶乳 说明其抗老化性能更好 1 9 第 二章原材料的选取 j 分析 表2 1 3 改性剂与基质沥青的配伍性研究试验结果 试验结果 r t f o t 后残留物 序 配方 软化点 针入度 50 c 延皮 c m 弹性恢复 生产工艺 号 0 i m m 质量变化针入度比 5 延 度 e m 0基质沥青5 2 67 6 57 32 6 l5 a l5 6 48 7 39 5 搅拌 1 3 0 1 4 0 c 3 0 m i n 25 a 15 8 27 8 8 1 0 1 35 a 26 5 66 0 11 1 9 三个阶段温度均为1 7 0 2 时间均为3 5 m i n 1 预搅拌 1 7 0 5 0 m i n 2 剪切 7 0 45 a 26 4 26 7 11 6 96 40 o l l7 6 31 6 5 4 0 m i n 3 发育搅拌 1 7 0 4 0 m i n 5 a 2 0 5 56 9 17 5 31 4 5 三个阶段温度均为1 7 0 1 8 0 时间均为3 5 m i n b l 5 a 2 o 3 1 预搅拌 1 7 0 一1 8 0 3 0 m i r a 2 剪切 67 3 56 1 52 3 21 7 0 一1 7 5 6 0 m i r a 3 发育搅拌 1 7 0 c b 2 2 0 m i n 75 a 36 0 07 5 42 9 2 搅拌 1 5 0 一1 6 0 3 0 m i n 85 a 35 7 98 5 32 6 3 0 0 5 26 1 41 1 7 2 0 长安人学顺l 学位论文 续表2 1 3 改性剂与基质沥青的配伍性研究试验结果 95 a 35 7 08 5 12 4 6 0 0 8 l5 8 11 4 o 搅拌 1 5 0 一1 6 0 3 0 m i n 1 05 a 45 8 98 3 22 6 9 1 预搅拌 1 4 0 2 左矗 3 5 m i r a 2 剪切 1 5 0 l l5 a 4 5 8 78 2 32 7 3 左 f i 3 5 m i n 3 发育搅拌 1 5 0 左右 4 0 r a i n 1 预搅拌 1 3 0 1 4 0 c 6 0 m i r a 2 剪切 1 2 5 a 45 7 08 1 62 7 2 0 0 6 87 3 11 2 1 71 5 0 左右 5 0 r a i n 3 发育搅拌 1 5 0 左右 3 0 m i n 2 l 第二章原材料的选取与分