瀝青與瀝青混合料課程設(shè)計(jì)--sbs改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能研究

1、<p>　　SBS改性瀝青混合料</p><p><b>　　水穩(wěn)定性能研究</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1.背景…………………………………………………………3</p><p>　　2.SBS瀝青混合料水穩(wěn)定性國內(nèi)外研究現(xiàn)狀……………3<

2、/p><p>　　2.1改性瀝青混合料在國內(nèi)的發(fā)展 …………………………3</p><p>　　2.2改性瀝青混合料在國外的發(fā)展……………………………4</p><p>　　2.3國內(nèi)外瀝青混合料水穩(wěn)定性能研究現(xiàn)狀…………………6</p><p>　　3.設(shè)計(jì)內(nèi)容 …………………………………………………8</p><p&g

3、t;　　4.實(shí)施方案 …………………………………………………9</p><p>　　4.1原材料的選擇……………………………………………9</p><p>　　4.2 SBS改性瀝青的制備 ……………………………………10</p><p>　　4.3礦料級配的設(shè)計(jì) …………………………………………11</p><p>　　4.4 確定瀝青混合

4、料的最佳瀝青用量………………………12</p><p>　　4.5 水穩(wěn)定性能研究…………………………………………13</p><p>　　5. 結(jié)論…………………………………………………………17</p><p>　　5.1結(jié)果預(yù)測 …………………………………………………17</p><p>　　6.參考文獻(xiàn)…………………………………………

5、…………17</p><p>　　SBS改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能研究</p><p><b>　　1. 背景</b></p><p>　　自80年代改革開放以來，國內(nèi)公路的投資與建設(shè)蓬勃發(fā)展，特別是高速公路的發(fā)展尤為迅速。據(jù)研究統(tǒng)計(jì)，瀝青混凝土路面已經(jīng)占到竣工的高速公路交通網(wǎng)的80%以上。瀝青路面在使用期間，長期經(jīng)受浸水、低溫、高溫等不同環(huán)境的

6、考驗(yàn)。瀝青路面在水或凍融循環(huán)的作用下，由于汽車車輪動態(tài)荷載的沖擊作用，進(jìn)入瀝青路面空隙中的水不斷產(chǎn)生水壓力或真空負(fù)壓抽吸的反復(fù)循環(huán)作用，水分逐漸滲入瀝青與集料的界面上，包裹在集料表面的瀝青膜逐漸被水膜取代，使瀝青粘附性降低，使瀝青混合料出現(xiàn)掉料、松散，繼而在瀝青路面上形成坑槽、推擠變形等損害現(xiàn)象[1]。大量研究表明將SBS均勻分散在瀝青中，能大幅度降低瀝青的溫度敏感性。一方面使瀝青的軟化點(diǎn)提高，在夏季高溫季節(jié)不軟化，從而提高路面的高溫抗

7、推移和抗車轍能力；另一方面使瀝青的脆點(diǎn)降低，在寒冷季節(jié)不發(fā)脆，具有柔韌性，減少路面裂縫。SBS改性瀝青與石料粘結(jié)力好，具有優(yōu)良的抗水損害性能和較高的彈性與強(qiáng)度，變形恢復(fù)性能好，從而能有效地延長瀝青路面的使用壽命，提高其服務(wù)水平。</p><p>　　2.SBS瀝青混合料水穩(wěn)定性國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　2.1改性瀝青混合料在國內(nèi)的發(fā)展</p><p>　　

8、我國改性瀝青技術(shù)雖起步較晚，但試驗(yàn)研究范圍相當(dāng)廣，從改性劑品種到制備工藝、評價(jià)手段以及改性機(jī)理等方面都做了不少研究，鋪筑了大量的試驗(yàn)路，取得了一定的成績。隨著我國高速公路的發(fā)展以及交通重載化的形成，路面車轍、松散、裂縫等病害越來越嚴(yán)重，在高等級道路上使用改性瀝青及其混合料技術(shù)的必要性越來越被人們認(rèn)識和接受，改性瀝青的加工工藝也有了很大的進(jìn)步，從最初簡單機(jī)械攪拌，到今天的高速剪切和膠體磨，我國的改性瀝青加工工藝日趨成熟。1960年以前，瀝

9、青路面僅用于城市道路和專用道路，瀝青材料主要是煤瀝青和進(jìn)口原油提煉的石油瀝青。隨著大慶油田的開發(fā)，1964年在低等級公路上采用渣油（多蠟液體石油瀝青）試鋪表面處治獲得成功，隨即在全國范圍內(nèi)得到推廣。20世紀(jì)70年代初，我國開始著手改性瀝青的研究，直到20世紀(jì)80年代由于技術(shù)力量、試驗(yàn)條件、科研經(jīng)費(fèi)等原因，這些研究一直處于探索階段，與國外先進(jìn)技術(shù)相比有很大差距。20世紀(jì)80年代末，我國改性瀝青的應(yīng)用僅限于鋪筑試驗(yàn)路段，即使是最新研發(fā)的橡膠

10、粉改性技術(shù)，也僅僅在參與研究的公路部門內(nèi)小規(guī)模地推廣使用。直到首都機(jī)場高速公路首次引進(jìn)奧地利NOVOPHALT改性瀝青技</p><p>　　我國改性瀝青及改性瀝青混合料技術(shù)的研究主要在一些科研院所和大專院校進(jìn)行。在SBS改性機(jī)理研究方面，2000-2002年重慶交通大學(xué)梁乃興教授等采用DSC研究SBS改性瀝青中高聚物SBS和瀝青的相互作用，當(dāng)瀝青被SBS改性后，瀝青的飽和分減少，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量增加，瀝青的膠體

11、結(jié)構(gòu)由溶—凝膠型向凝膠型方向轉(zhuǎn)化，瀝青的溫度穩(wěn)定性增加[3-5]。2003年，同濟(jì)大學(xué)的黃衛(wèi)東教授通過各種測試方法從微觀角度對SBS改性瀝青的結(jié)構(gòu)和儲存穩(wěn)定性作了較系統(tǒng)的分析，認(rèn)為SBS改性瀝青的流變性能與基質(zhì)瀝青的流變性能不同，與改性劑粒子在瀝青組分中的分布狀態(tài)有很大關(guān)系；同一時(shí)期，上海交通大學(xué)王仕峰，張玉軍等學(xué)者采用紅外光譜、凝膠滲透色譜、動態(tài)黏彈儀對SBS改性瀝青的老化進(jìn)行了研究，他們發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青老化時(shí)主要發(fā)生吸氧反應(yīng)，羰基

12、和亞礬基增加；老化后的瀝青軟化點(diǎn)升高，針入度減小，低溫延度降低[6]。2004年，劉祖廣，王仕峰，王迪珍通過對SBS改性瀝青動態(tài)黏彈性能的測試、結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)：隨著SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，SBS顆粒相互碰撞凝聚的機(jī)會增多，改性瀝青的針人度減小，軟化點(diǎn)升高，低溫延度和彈性恢復(fù)率增大，導(dǎo)致貯</p><p>　　在SBS改性瀝青評價(jià)指標(biāo)和試驗(yàn)手段方面，由于改性瀝青應(yīng)用歷史相對較短，同時(shí)也受到研究測試手段的限制，目前對改

13、性瀝青試驗(yàn)方法和評價(jià)指標(biāo)基本上還是沿用基質(zhì)瀝青的標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法。大量試驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，如果簡單套用普通基質(zhì)瀝青的一些試驗(yàn)方法或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來衡量改性瀝青的路用性能，往往不能充分反映出改性瀝青的優(yōu)良性能?，F(xiàn)行評價(jià)改性瀝青的方法有四大類：</p><p>　　(1)采用瀝青性能指標(biāo)的變化程度來衡量，如針入度、軟化點(diǎn)、延度、粘度、脆點(diǎn)的變化程度。變化值越大，改性效果越好。對于廣大工程技術(shù)人員來說，這些指標(biāo)測定方法簡單

14、，意義明確，容易接受，所以是目前生產(chǎn)上最常用的方法。</p><p>　　(2)針對改性瀝青的特點(diǎn)開發(fā)的試驗(yàn)方法，如彈性恢復(fù)試驗(yàn)、測力延度試驗(yàn)、粘韌性試驗(yàn)、沖擊板試驗(yàn)、離析試驗(yàn)等。</p><p>　　(3)美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)提出的瀝青結(jié)合料性能規(guī)范。SHRP規(guī)范既適用于普通瀝青，也適用于改性瀝青。如動態(tài)流變剪切(DSR)、彎曲流變儀(BBR)、直接拉伸試驗(yàn)(DDT)、測力延

15、度、扭轉(zhuǎn)回彈等。</p><p>　　(4)一些化學(xué)分析方法，如凝膠滲透色譜（GPC）、差示掃描量熱(DSC)、紅外光譜(IR)、核磁共振(NMR)等也應(yīng)用于改性瀝青的研究中[15]。</p><p>　　2.2改性瀝青混合料在國外的發(fā)展</p><p>　　國外很早以前就開始利用各種改性劑對瀝青進(jìn)行改性。早在1823年，就已有關(guān)于天然橡膠改性瀝青專利的報(bào)道；187

16、3年英國公布了橡膠改性瀝青專利，但因當(dāng)時(shí)汽車數(shù)量較少，這一技術(shù)沒有得到足夠的重視。法國在1902年修筑了摻有橡膠的瀝青路面。1910年又發(fā)明了在瀝青中添加煤油等輕油來改善瀝青的使用性能。約在1936年，荷蘭人從阿姆斯特丹至海牙鋪筑了一條橡膠瀝青路面，在使用坦克等重型機(jī)械的苛刻條件下，經(jīng)受了第二次世界大戰(zhàn)繁重的軍事運(yùn)輸，卻意外地良好，引起人們廣泛的興趣和較高的評價(jià)[16]。1937年，英國也鋪筑了摻有橡膠的碾壓式瀝青混凝土作表面磨耗層，在

17、其它一些路段瀝青表面層中，采用磨細(xì)的顆粒輪胎橡膠屑在瀝青中呈分散狀態(tài)，而不是與瀝青融合在一起，這種磨耗層使用了22年，到1959年仍處于良好狀態(tài)。二十世紀(jì)五十年代到六十年代，日本、美國、荷等國家也紛紛開始了膠粉改性瀝青和丁苯橡膠改性瀝青的研究工作，并鋪設(shè)了試驗(yàn)路段。1960年，國外已成功地運(yùn)用丁苯合成橡膠（SBR）改性瀝青，并按一定的比例摻和在混合料中使用；在1970年，國外開始大量運(yùn)用熱塑性樹脂（EVA，EEA，PE ）；1988年，

18、由于高性能面</p><p>　　在SBS改性瀝青的研究方面，1991年，瑞典國家實(shí)驗(yàn)與研究中心將改性瀝青在70℃環(huán)境下放置6個(gè)月模擬了15℃下使用15年的狀況，發(fā)現(xiàn)改性劑分子量下降，證實(shí)了改性劑發(fā)生了降解，并且這些變化主要發(fā)生在開始的三個(gè)月中。1992年，Linde和Johansson將SBS改性瀝青置于200℃的環(huán)境中進(jìn)行不同程度的老化，并采用傅里葉紅外光譜技術(shù)分析SBS改性瀝青老化前后結(jié)構(gòu)的變化，發(fā)現(xiàn)SBS

19、改性瀝青在老化過程中主要發(fā)生吸氧反應(yīng)，SBS中丁二烯的碳碳雙鍵含量下降，低溫性能下降。1998年，Gorden和Stephen通過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱和壓力老化實(shí)驗(yàn)分別模擬了SBS改性瀝青的短期和長期老化過程，認(rèn)為長期老化對瀝青結(jié)合料的性能影響不大，不能用短期老化后的性能預(yù)測混合料長期老化后的性能[18]。1999年，Lu．x等在研究SBS改性瀝青時(shí)，認(rèn)為SBS存在熱可塑交聯(lián)的聚苯乙烯區(qū)域和彈性優(yōu)良的聚丁二烯區(qū)域，使瀝青呈現(xiàn)出高彈性的特點(diǎn)，在高

20、溫下不軟化、低溫下不發(fā)脆。當(dāng)SBS分散到基質(zhì)瀝青中時(shí)，在飽和分和芳香分的作用下發(fā)生溶脹，無法達(dá)到分子水平的相容，這種溶脹作用破壞原來的膠體結(jié)構(gòu)而建立新的膠體結(jié)構(gòu)體系，在瀝青中形成</p><p><b>　　3.設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　查閱資料，了解國內(nèi)外SBS改性瀝青的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，了解SBS改性瀝青的水穩(wěn)定性能。</p><p&

21、gt;　　根據(jù)路段氣候條件與交通狀況合理選擇原材料，并對原材料進(jìn)行試驗(yàn)。</p><p>　　根據(jù)試驗(yàn)的要求進(jìn)行礦質(zhì)混合料配合比設(shè)計(jì)。</p><p>　　對8種不同的AC-13C型瀝青混合料分別進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)，分別測其最大破壞荷載和穩(wěn)定度，計(jì)算凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度。</p><p><b>　　4.實(shí)施方案</b>

22、</p><p><b>　　4.1原材料的選擇</b></p><p><b>　　4.1.1基質(zhì)瀝青</b></p><p>　　為了分析不同種類，不同標(biāo)號的瀝青對SBS改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響，本試驗(yàn)選用了五種基質(zhì)瀝青：盤錦50號基質(zhì)瀝青，盤錦90號基質(zhì)瀝青，盤錦110號基質(zhì)瀝青，茂名50號基質(zhì)瀝青，殼牌50號

23、基質(zhì)瀝青。</p><p>　　4.1.2SBS改性劑</p><p>　　SBS作為苯乙烯（S）和丁二烯（B）的嵌段共聚物，其性質(zhì)主要受聚合方式（線型和星型）的影響，研究采用了線型和星型兩種不同結(jié)構(gòu)類型：阿托菲納生產(chǎn)的Finaprene401（星型），F(xiàn)inaprene503（線型）。</p><p>　　4.1.3粗集料、細(xì)集料</p><p

24、>　　SBS改性瀝青混合料的內(nèi)摩擦角越大，集料之間的嵌擠作用就越強(qiáng)，就越不容易松散。集料嵌擠作用的好壞很大程度上取決于集料石質(zhì)的堅(jiān)韌性，集料的顆粒形狀和棱角性，同時(shí)，若SBS改性瀝青混合料作上面層時(shí)，對集料的抗壓碎能力也有很高的要求。因此粗集料必須采用錘擊式或者錐破式碎石機(jī)破碎的、堅(jiān)硬的，粗糙的，有棱角的優(yōu)質(zhì)石料，并嚴(yán)格控制集料針片狀含量；其質(zhì)量要滿足表3-1[26]。而細(xì)集料應(yīng)潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)，并有適當(dāng)?shù)念w粒級配，其質(zhì)

25、量標(biāo)準(zhǔn)要滿足表3-2[26]。</p><p>　　表3-1 粗集料技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　表3-2 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)</p><p><b>　　4.1.4礦粉</b></p><p>　　礦粉在瀝青混合料中的作用是吸附瀝青。瀝青依靠礦粉非常大的表面積與礦粉粘附，形成薄的瀝青膜。粗、細(xì)集料通過瀝青礦粉的結(jié)合料結(jié)

26、合成為一個(gè)整體。礦粉要適量，少了不足以形成足夠的比表面吸附瀝青，瀝青太多，混合料高溫抗車轍能力降低。礦料的質(zhì)量非常重要，要求礦粉與瀝青有良好的粘附性；因此瀝青混合料的礦粉必須采用石灰?guī)r或巖漿巖中強(qiáng)基性巖石等憎水性石料經(jīng)磨細(xì)得到的礦粉，原石料中的泥土雜質(zhì)應(yīng)除凈。本試驗(yàn)采用的礦粉均為干燥、潔凈的石灰?guī)r礦粉。其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要滿足表3-3[26]。</p><p>　　表3-3 礦粉技術(shù)指標(biāo)</p><

27、p>　　4.2SBS改性瀝青的制備</p><p>　　根據(jù)，余劍英，羅小鋒，朱夢良等學(xué)者的試驗(yàn)研究，他們將基質(zhì)瀝青加熱到170±5℃，按比例摻入SBS，利用高速剪切攪拌機(jī)恒溫剪切分散2h，然后加入穩(wěn)定劑和其他助劑，繼續(xù)高速攪拌30min，然后低速攪拌30min，這樣獲得的SBS改性瀝青均勻穩(wěn)定[27,28]。因此筆者也采用這種方法，且SBS改性劑的摻量為5%，制得的改性瀝青要滿足表3-4的質(zhì)量要

28、求，若不滿足則改變SBS改性劑的摻量重新制備。</p><p>　　表3-4 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo) </p><p>　　注：改性瀝青一為：用Finaprene401（星型）改性盤錦A-50瀝青。改性瀝青二為：用Finaprene401（星型）改性盤錦A-70瀝青。改性瀝青三為：用Finaprene401（星型）改性盤錦A-90瀝青。改性瀝青四為：用Finaprene503（線型）改性

29、盤錦A-50瀝青。改性瀝青五為：用Finaprene503（線型）改性盤錦A-70瀝青。改性瀝青六為：用Finaprene503（線型）改性盤錦A-90瀝青。改性瀝青七為：用Finaprene503（線型）改性茂名A-70瀝青。改性瀝青八為：用Finaprene503（線型）改性殼牌A-70瀝青。</p><p>　　4.3礦料配合比設(shè)計(jì)</p><p>　?。?）本試驗(yàn)采用密級配AC-1

30、3C型瀝青混合料。根據(jù)各組原材料的篩析試驗(yàn)資料，采用圖解法計(jì)算出靠近級配中值的礦質(zhì)混合料配合比。</p><p>　　表3-5 AC-13C瀝青混合料級配組成</p><p>　　4.4 確定瀝青混合料的最佳瀝青用量</p><p>　　取4.3%為油石比中值，按0.5%為間隔取5個(gè)油石比分別成型馬歇爾試件，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，測其密度、流值、空隙率、飽和度、馬歇爾穩(wěn)

31、定度。然后以油石比為橫坐標(biāo)，以馬歇爾試驗(yàn)的各項(xiàng)指標(biāo)為縱坐標(biāo)繪圖，按照公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范JTG F40-2004中規(guī)定的方法確定最佳瀝青用量；再根據(jù)交通情況、氣候條件適當(dāng)調(diào)整得到最終的最佳瀝青用量。 </p><p>　　4.5水穩(wěn)定性能研究</p><p>　　根據(jù)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程（JTG E20-2011）對八種不同的瀝青混合料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)

32、[29]。對于凍融劈裂試驗(yàn)，記錄破壞時(shí)的最大荷載，計(jì)算凍融劈裂抗拉強(qiáng)度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比；對于浸水馬歇爾試驗(yàn)，記錄其穩(wěn)定度，并計(jì)算殘留穩(wěn)定度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合所學(xué)知識分析出現(xiàn)該種現(xiàn)象的原因。</p><p><b>　　5.參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]郝培文，瀝青與瀝青混合料，人民交通出版社，2009，211-213。</p><

33、p>　　[2]丁烈梅，SBS改性瀝青混合料在道路施工中的應(yīng)用研究，碩士論文，同濟(jì)大學(xué)，2007。</p><p>　　[3] 梁乃興，廉向東，聚合物改性瀝青示差掃描量熱法（DSC）分析研究，西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（7），20（3）</p><p>　　[4] 李明國，梁乃興，聚合物SBS改性瀝青機(jī)理分析，重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2001（6），20（2）</p>&l

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35、p>　　[8] 任傳軍，施惠生，關(guān)函飛，SBS改性瀝青混合料耐海水侵蝕性能研究，中南公路工程，2006，31（6）</p><p>　　[9] 馮新軍，郝培文，薛航，SBS改性瀝青的相容性研究，長沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，23（2）</p><p>　　[10] 袁萬杰、陳忠達(dá)、孫長新，底劑量SBS改性瀝青的路用性能，長安大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（9），29(5)</p>&

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