沥青与沥青混合料课程设计

1、SBS 改性沥青混合料改性沥青混合料水稳定性能研究水稳定性能研究学学 校：重庆交通大学校：重庆交通大学学学 院：土木建筑学院院：土木建筑学院专专 业：业：10 级材料科学与工程级材料科学与工程班班 级：二班级：二班学学 号号:姓姓 名：名：指导老师：指导老师：二零一三年六月二零一三年六月2目目 录录1.背景背景32.SBS 沥青混合料水稳定性国内外研究现状沥青混合料水稳定性国内外研究现状32.1改性沥青混合料在国内的发展 32.2 改性沥青混合料在国外的发展42.3 国内外沥青混合料水稳定性能研究现状63.设计内容设计内容 84.实施方案实施方案 94.1 原材料的选择94.2 SBS 改性沥

2、青的制备 104.3 矿料级配的设计 114.4 确定沥青混合料的最佳沥青用量124.5 水稳定性能研究 135. 结论结论175.1 结果预测 176.参考文献参考文献173SBS 改性沥青混合料水稳定性能研究改性沥青混合料水稳定性能研究1. 背景背景自 80 年代改革开放以来，国内公路的投资与建设蓬勃发展，特别是高速公路的发展尤为迅速。据研究统计，沥青混凝土路面已经占到竣工的高速公路交通网的 80%以上。沥青路面在使用期间，长期经受浸水、低温、高温等不同环境的考验。沥青路面在水或冻融循环的作用下，由于汽车车轮动态荷载的冲击作用，进入沥青路面空隙中的水不断产生水压力或真空负压抽吸的反复循环作

3、用，水分逐渐渗入沥青与集料的界面上，包裹在集料表面的沥青膜逐渐被水膜取代，使沥青粘附性降低，使沥青混合料出现掉料、松散，继而在沥青路面上形成坑槽、推挤变形等损害现象1。大量研究表明将 SBS 均匀分散在沥青中，能大幅度降低沥青的温度敏感性。一方面使沥青的软化点提高，在夏季高温季节不软化，从而提高路面的高温抗推移和抗车辙能力；另一方面使沥青的脆点降低，在寒冷季节不发脆，具有柔韧性，减少路面裂缝。SBS 改性沥青与石料粘结力好，具有优良的抗水损害性能和较高的弹性与强度，变形恢复性能好，从而能有效地延长沥青路面的使用寿命，提高其服务水平。2.SBS 沥青混合料水稳定性国内外研究现状沥青混合料水稳定性

4、国内外研究现状2.1改性沥青混合料在国内的发展改性沥青混合料在国内的发展我国改性沥青技术虽起步较晚，但试验研究范围相当广，从改性剂品种到制备工艺、评价手段以及改性机理等方面都做了不少研究，铺筑了大量的试验路，取得了一定的成绩。随着我国高速公路的发展以及交通重载化的形成，路面车辙、松散、裂缝等病害越来越严重，在高等级道路上使用改性沥青及其混合料技术的必要性越来越被人们认识和接受，改性沥青的加工工艺也有了很大的进步，从最初简单机械搅拌，到今天的高速剪切和胶体磨，我国的改性沥青加工工艺日趋成熟。1960 年以前，沥青路面仅用于城市道路和专用道路，沥青材料主要是煤沥青和进口原油提炼的石油沥青。随着大庆

5、油田的开发，1964 年在低等级公路上采用渣油（多蜡液体石油沥青）试铺表面处治获得成功，随即在全国范围内得到推广。20 世纪70 年代初，我国开始着手改性沥青的研究，直到 20 世纪 80 年代由于技术力量、试验条件、科研经费等原因，这些研究一直处于探索阶段，与国外先进技术相比有很大差距。20 世纪 80 年代末，我国改性沥青的应用仅限4于铺筑试验路段，即使是最新研发的橡胶粉改性技术，也仅仅在参与研究的公路部门内小规模地推广使用。直到首都机场高速公路首次引进奥地利NOVOPHALT 改性沥青技术才使得我国掀起了改性沥青热，相继在青藏高速公路、八达岭高速公路、厦门国际机场、北京东西长安街等都使用

6、了改性沥青，掀开了我国改性沥青研究与运用的新篇章2。我国改性沥青及改性沥青混合料技术的研究主要在一些科研院所和大专院校进行。在 SBS 改性机理研究方面，2000-2002 年重庆交通大学梁乃兴教授等采用 DSC 研究 SBS 改性沥青中高聚物 SBS 和沥青的相互作用，当沥青被 SBS 改性后，沥青的饱和分减少，胶质和沥青质含量增加，沥青的胶体结构由溶凝胶型向凝胶型方向转化，沥青的温度稳定性增加3-5。2003 年，同济大学的黄卫东教授通过各种测试方法从微观角度对 SBS 改性沥青的结构和储存稳定性作了较系统的分析，认为 SBS 改性沥青的流变性能与基质沥青的流变性能不同，与改性剂粒子在沥青

7、组分中的分布状态有很大关系；同一时期，上海交通大学王仕峰，张玉军等学者采用红外光谱、凝胶渗透色谱、动态黏弹仪对 SBS 改性沥青的老化进行了研究，他们发现 SBS 改性沥青老化时主要发生吸氧反应，羰基和亚矾基增加；老化后的沥青软化点升高，针入度减小，低温延度降低6。2004 年，刘祖广，王仕峰，王迪珍通过对 SBS 改性沥青动态黏弹性能的测试、结构的分析发现：随着 SBS 质量分数的增加，SBS 颗粒相互碰撞凝聚的机会增多，改性沥青的针人度减小，软化点升高，低温延度和弹性恢复率增大，导致贮存稳定性下降。当 SBS 质量分数超过 7时 SBS 颗粒在局部形成了连续相使软化点大幅度上升7。2005

8、2007 西安交通大学的张争奇教授等人用银纹绞结理论对改性沥青的改性机理进行分析，认为 SBS 改性沥青的高低温性能改善效果明显，改性后沥青的各种指标都有较大的变化；同济大学任传军，施惠生等同过粘附性、马歇尔稳定度、残留稳定度等试验，研究了 SBS 改性沥青耐海水及硫酸盐溶液侵蚀性能，结果发现海水、硫酸盐溶液对混合料的水稳定性有一定的影响，但影响程度不尽相同，硫酸盐溶液的影响大于人工海水，使用 SBS 改性沥青可以明显改善混合料的水稳定性，同时若再掺入短纤维改善性能会更好，基本上可以消除海水和硫酸盐溶液对混合料水稳定性的影响8。2007 年冯新军，郝培文，薛航通过对不同类型的 SBS 按照相同

9、的加工工艺制备 SBS 改性沥青，通过技术指标试验来分析 SBS 类型对 SBS 改性沥青性能的影响，发现星型 SBS的改性效果并不一定优于线型 SBS，但嵌段比为 30/70SBS 的改性效果优于嵌段比为 40/60SBS 的；相容性好的 SBS 改性沥青形成了两相连续结构，5而相容性差的 SBS 改性沥青形成的是沥青相为连续相，SBS 相为分散相的单相连续结构9。20082009 年，中国石油大学的张玉贞教授通过调配不同组分的基质沥青，系统地研究了基质沥青成分对改性沥青性能的影响；袁万杰、陈忠达、孙长新研究了不同 SBS 掺量对低掺量 SBS 改性沥青路用性能的影响，发现 SBS 改性剂的

10、掺量为 2%-3%时对沥青混合料的高温稳定性改善效果最好，SBS 改性剂掺量为 2%时对沥青混合料的水稳定性改善最显著，随着掺量的继续增加，对水稳定性能的提高逐渐变缓10。除此之外，温贵安博士采用硫磺为交联剂，试图通过 SBS 在沥青中的交联作用实现反应共混改性的目的。为了保证 SBS 改性沥青的存储稳定性，也有研究者研制开发了各种相容剂、稳定剂或偶联剂，使 SBS 改性沥青更加适宜于工厂化生产11； 20102011，栾自胜，雷军旗，屈仆等对不同的 SBS 改性沥青进行 BBR 试验测其劲度模量和劲度模量变化率，并计算低温等级温度，发现中间组分含量高的基质沥青改性后低温性能较好，而饱和分含量

11、太高的基质沥青改性后低温性能有所降低，并且一般线型SBS 改性沥青低温性能优于星型 SBS 改性沥青，具体改性效果优劣要视SBS 对沥青轻组分的吸附和 SBS 自身的变形能力而定12；林江涛，樊亮通过聚合物改性离析试验，分析试验条件对改性沥青离析实验结果的影响，发现离析试验测定的进程对 SBS 改性沥青的离析有影响。在试验规程中描述离析试验时，应明确表述沥青浇灌入盛样管后是趁热立即封口并即刻放入 163烘箱静置 48 h，还是在室温下放置一段时间后再行封口放人烘箱 13。2012 年，林先焰，陈金国，孟令峰通过对 SBS 改性沥青进行离析试验、动态剪切流变测试对沥青的热储存稳定性进行分析，认为

12、仅根据改性沥青离析试验上、下部软化点差小于 2.5，来评 SBS 价改性沥青的热储存稳定性是不全面的，应该用动力稳定度、高温稳定性和聚集稳定性三方面来全面评价 SBS 改性沥青的热储存稳定性14。在 SBS 改性沥青评价指标和试验手段方面，由于改性沥青应用历史相对较短，同时也受到研究测试手段的限制，目前对改性沥青试验方法和评价指标基本上还是沿用基质沥青的标准和试验方法。大量试验研究和实际应用发现，如果简单套用普通基质沥青的一些试验方法或技术标准来衡量改性沥青的路用性能，往往不能充分反映出改性沥青的优良性能。现行评价改性沥青的方法有四大类：(1)采用沥青性能指标的变化程度来衡量，如针入度、软化点

13、、延度、粘度、脆点的变化程度。变化值越大，改性效果越好。对于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6产上最常用的方法。(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(SHRP)提出的沥青结合料性能规范。SHRP规范既适用于普通沥青，也适用于改性沥青。如动态流变剪切(DSR)、弯曲流变仪(BBR)、直接拉伸试验(DDT)、测力延度、扭转回弹等。(4)一些化学分析方法，如凝胶渗透色谱（GPC）、差示扫描量热(DSC)、红外光谱(IR)、核磁共振(NMR)等也应用于改性沥青的研

14、究中15。2.2 改性沥青混合料在国外的发展改性沥青混合料在国外的发展国外很早以前就开始利用各种改性剂对沥青进行改性。早在 1823 年，就已有关于天然橡胶改性沥青专利的报道；1873 年英国公布了橡胶改性沥青专利，但因当时汽车数量较少，这一技术没有得到足够的重视。法国在1902 年修筑了掺有橡胶的沥青路面。1910 年又发明了在沥青中添加煤油等轻油来改善沥青的使用性能。约在 1936 年，荷兰人从阿姆斯特丹至海牙铺筑了一条橡胶沥青路面，在使用坦克等重型机械的苛刻条件下，经受了第二次世界大战繁重的军事运输，却意外地良好，引起人们广泛的兴趣和较高的评价16。1937 年，英国也铺筑了掺有橡胶的碾

15、压式沥青混凝土作表面磨耗层，在其它一些路段沥青表面层中，采用磨细的颗粒轮胎橡胶屑在沥青中呈分散状态，而不是与沥青融合在一起，这种磨耗层使用了 22年，到 1959 年仍处于良好状态。二十世纪五十年代到六十年代，日本、美国、荷等国家也纷纷开始了胶粉改性沥青和丁苯橡胶改性沥青的研究工作，并铺设了试验路段。1960 年，国外已成功地运用丁苯合成橡胶（SBR）改性沥青，并按一定的比例掺和在混合料中使用；在 1970 年，国外开始大量运用热塑性树脂（EVA，EEA，PE ） ；1988 年，由于高性能面层、重载交通和桥面、沥青再生等功能的需要，SBS 优良的改性效果为国际公认，逐渐替代 EVA 等成为主

16、导改性材料17。在 SBS 改性沥青的研究方面，1991 年，瑞典国家实验与研究中心将改性沥青在 70环境下放置 6 个月模拟了 15下使用 15 年的状况，发现改性剂分子量下降，证实了改性剂发生了降解，并且这些变化主要发生在开始的三个月中。1992 年，Linde 和 Johansson 将 SBS 改性沥青置于200的环境中进行不同程度的老化，并采用傅里叶红外光谱技术分析SBS 改性沥青老化前后结构的变化，发现 SBS 改性沥青在老化过程中主要发生吸氧反应，SBS 中丁二烯的碳碳双键含量下降，低温性能下降。71998 年，Gorden 和 Stephen 通过旋转薄膜烘箱和压力老化实验分别

17、模拟了SBS 改性沥青的短期和长期老化过程，认为长期老化对沥青结合料的性能影响不大，不能用短期老化后的性能预测混合料长期老化后的性能18。1999 年，Lux 等在研究 SBS 改性沥青时，认为 SBS 存在热可塑交联的聚苯乙烯区域和弹性优良的聚丁二烯区域，使沥青呈现出高弹性的特点，在高温下不软化、低温下不发脆。当 SBS 分散到基质沥青中时，在饱和分和芳香分的作用下发生溶胀，无法达到分子水平的相容，这种溶胀作用破坏原来的胶体结构而建立新的胶体结构体系，在沥青中形成弹性的网络结构，这种网络结构有效地限制了基质沥青的流动，从而提高了沥青的内聚力、柔韧性、弹性和粘性，其研究还认为改性沥青中 SBS

18、 含量增加会导致稳定性降低，线型 SBS 改性沥青的稳定性优于星型 SBS 改性沥青，但星型结构的 SBS 改性沥青的软化点提高幅度更大19。2000 年，瑞典的Xiaohu LU 采用红外光谱、流变学、动态力学分析等手段对 SBS 类嵌段共聚物改性沥青的老化进行了研究，并发现老化使沥青的温度敏感性得到改善，指出 SBS 改性沥青体系流变性能的改变是因为 SBS 高分子的降解和沥青的老化20。 2003 年，Gordon 用动态剪切流变仪（DSR）研究了不同基质沥青和不同 SBS 掺量在不同温度和频率下的流变性能，并对 SBS改性沥青老化后的流变特性作了分析21。2006 年，Hernande

19、z 等利用不同结构与组成的 SBS 对沥青改性，通过对其机械性能与流变性的研究，发现 PS 段的相对分子质量大于 10000 的且分子量在 20 万左右的 SBS 改性效果最佳22。 2007 年，Wang Q，Liao M 等将 SBS 改性使其端基分别含氨基、羧基和羟基等极性基团，其中氨基和羧基可有效提高改性沥青的相容性和储存稳定性23。同一时期，Chen 等在 SBS 改性沥青中加入二硫化物，发现硝基取代的二芳基二硫化物的改性效果最好，即提高了共混体系的储存稳定性，又改善了沥青的低温性能和高温性能24。2010 年，Kim 研究了温拌 SBS 改性沥青，他认为温拌 SBS 改性沥青可以减

20、轻沥青的老化程度，并且采用温拌技术并不影响沥青的其他性能，且对环境非常友好25。3.设计内容设计内容（1） 查阅资料，了解国内外 SBS 改性沥青的研究与应用现状，了解 SBS 改性沥青的水稳定性能。（2） 根据路段气候条件与交通状况合理选择原材料，并对原材料进行试验。（3） 根据试验的要求进行矿质混合料配合比设计。8（4） 对 8 种不同的 AC-13C 型沥青混合料分别进行冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验，分别测其最大破坏荷载和稳定度，计算冻融劈裂抗拉强度比和残留稳定度。4.实施方案实施方案4.1 原材料的选择原材料的选择4.1.1 基质沥青为了分析不同种类，不同标号的沥青对 SBS 改性沥青

21、混合料水稳定性能的影响，本试验选用了五种基质沥青：盘锦 50 号基质沥青，盘锦 90号基质沥青，盘锦 110 号基质沥青，茂名 50 号基质沥青，壳牌 50 号基质沥青。4.1.2SBS 改性剂SBS 作为苯乙烯（S）和丁二烯（B）的嵌段共聚物，其性质主要受聚合方式（线型和星型）的影响，研究采用了线型和星型两种不同结构类型：阿托菲纳生产的 Finaprene 401（星型） ，Finaprene 503（线型） 。RR4.1.3 粗集料、细集料SBS 改性沥青混合料的内摩擦角越大，集料之间的嵌挤作用就越强，就越不容易松散。集料嵌挤作用的好坏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

22、性，同时，若 SBS 改性沥青混合料作上面层时，对集料的抗压碎能力也有很高的要求。因此粗集料必须采用锤击式或者锥破式碎石机破碎的、坚硬的，粗糙的，有棱角的优质石料，并严格控制集料针片状含量；其质量要满足表 3-126。而细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质，并有适当的颗粒级配，其质量标准要满足表 3-226。表 3-1 粗集料技术指标项目压碎值%与沥青的粘附性等级级洛杉矶磨耗值%针片状颗粒含量%0.075颗粒含量%表观相对密度毛体积相对密度规范要求264281512.60试验结果表 3-2 细集料技术指标项目坚固性%砂当量%0.075含量%表观相对密度规范要求126032.50试验结果4.1.4

23、 矿粉9矿粉在沥青混合料中的作用是吸附沥青。沥青依靠矿粉非常大的表面积与矿粉粘附，形成薄的沥青膜。粗、细集料通过沥青矿粉的结合料结合成为一个整体。矿粉要适量，少了不足以形成足够的比表面吸附沥青，沥青太多，混合料高温抗车辙能力降低。矿料的质量非常重要，要求矿粉与沥青有良好的粘附性；因此沥青混合料的矿粉必须采用石灰岩或岩浆岩中强基性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉，原石料中的泥土杂质应除净。本试验采用的矿粉均为干燥、洁净的石灰岩矿粉。其质量标准要满足表 3-326。表 3-3 矿粉技术指标项目亲水系数%含水量%表观相对密度规范要求112.50试验结果4.2SBS 改性沥青的制备改性沥青的制备根据，

24、余剑英，罗小锋，朱梦良等学者的试验研究，他们将基质沥青加热到 1705，按比例掺入 SBS，利用高速剪切搅拌机恒温剪切分散2h，然后加入稳定剂和其他助剂，继续高速搅拌 30min，然后低速搅拌30min，这样获得的 SBS 改性沥青均匀稳定27,28。因此笔者也采用这种方法，且 SBS 改性剂的掺量为 5%，制得的改性沥青要满足表 3-4 的质量要求，若不满足则改变 SBS 改性剂的掺量重新制备。表 3-4 SBS 改性沥青技术指标 检测项目技术要求改性沥青一改性沥青二改性沥青三改性沥青四改性沥青五改性沥青六改性沥青七改性沥青八针入度(25)0.160针入度指数 PI-0.2延度(5 ，5 )

25、30软化点55弹性回复(25)6510薄膜烘箱加热试验(163 ，5 h)质量损失%1.0针入度比%60老化后延度比(5，)20注：改性沥青一为：用 Finaprene 401（星型）改性盘锦 A-50 沥青。改性沥青二为：R用 Finaprene 401（星型）改性盘锦 A-70 沥青。改性沥青三为：用RFinaprene 401（星型）改性盘锦 A-90 沥青。改性沥青四为：用 Finaprene 503（线RR型）改性盘锦 A-50 沥青。改性沥青五为：用 Finaprene 503（线型）改性盘锦 A-70R沥青。改性沥青六为：用 Finaprene 503（线型）改性盘锦 A-90

26、沥青。改性沥青七R为：用 Finaprene 503（线型）改性茂名 A-70 沥青。改性沥青八为：用RFinaprene 503（线型）改性壳牌 A-70 沥青。R4.3 矿料配合比设计矿料配合比设计（1）本试验采用密级配AC-13C型沥青混合料。根据各组原材料的筛析试验资料，采用图解法计算出靠近级配中值的矿质混合料配合比。表3-5 AC-13C沥青混合料级配组成通过下列筛孔（mm）的质量百分数/%项目16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.75级配上限100100856850382820158级配下限100906838241510754级配中值10095775

27、4372716141064.4 确定沥青混合料的最佳沥青用量确定沥青混合料的最佳沥青用量取4.3%为油石比中值，按0.5%为间隔取5个油石比分别成型马歇尔试件，进行马歇尔试验，测其密度、流值、空隙率、饱和度、马歇尔稳定度。然后以油石比为横坐标，以马歇尔试验的各项指标为纵坐标绘图，按照公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004中规定的方法确定最佳沥青用量；再根据交通情况、气候条件适当调整得到最终的最佳沥青用量。 4.5水水稳稳定定性性能能研研究究11根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程 （JTG E20-2011）对八种不同的沥青混合料 进行标准的 冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验29。对于冻

28、融劈裂试验， 记录破坏时的最大荷载，计算冻融劈裂抗拉强度和冻融劈裂抗拉强度比 ；对于浸水马歇尔试验，记录其稳定度，并计算残留稳定度。 根据实验结果 结合所学知识 分析出现该种现象的原因。5.参考文献参考文献1郝培文，沥青与沥青混合料，人民交通出版社，2009，211-213。2丁烈梅，SBS 改性沥青混合料在道路施工中的应用研究，硕士论文，同济大学，2007。3 梁乃兴，廉向东，聚合物改性沥青示差扫描量热法（DSC）分析研究，西安公路交通大学学报，2000（7） ，20（3）4 李明国，梁乃兴，聚合物 SBS 改性沥青机理分析，重庆交通学院学报，2001（6） ，20（2）5 梁乃兴，李明国，

29、SBS 改善沥青路用性能及机理研究，长安大学学报，2002，22（2） ，17-19，6 王仕峰，张玉军，王迪珍等，SBS 改性沥青的老化行为，加工应用，2003,26（5） ，301-3047 刘祖广，王仕峰，王迪珍，SBS 改性沥青的结构与性能，合成橡胶工艺，2004，18 任传军，施惠生，关函飞，SBS 改性沥青混合料耐海水侵蚀性能研究，中南公路工程，2006，31（6）9 冯新军，郝培文，薛航，SBS 改性沥青的相容性研究，长沙交通学院学报，2007，23（2）10 袁万杰、陈忠达、孙长新，底剂量 SBS 改性沥青的路用性能，长安大学学报，2009（9） ，29(5)11梁晓莉，SBS

30、 改性沥青试验特性研究，硕士学位论文，长安大学，2005。12 栾自胜，雷军旗，屈仆等，SBS 改性沥青低温性能评价方法，武汉理工大学学报，2010,32(2)13 林江涛，樊亮，周海防，SBS 改性沥青离析试验影响因素及商榷，中外公路，2011，31 （5） 14林先焰，陈金国，孟令峰，SBS 改性沥青储存稳定性及试验研究，山西建筑，2012，38（4） ，140-1421215肖鹏，SBS 物理和化学改性沥青及混合料性能评价对比研究，博士论文，河海大学，200516段中夏，反应性 SBS 改性沥青的制备及性能研究，武汉理工大学，硕士学位论文，200617杨军，聚合物改性沥青，化学工业出版社，2007，120-146。18 汪林，蒙脱石/SBS 改性沥青的制备与性能研究，武汉理工大学，硕士论文，200719 黄贵秋，SBS 改性沥青的研究进展J，广州化工，2012（2） ，40（4）20Xiao Lu，UIF Isacsson.Artifical Aging of Ploymer Modified BitumensJ，Jour