沥青改性材料（精选10篇）
沥青改性材料 篇1
热固性环氧沥青材料是将环氧树脂加入沥青中,使沥青和环氧树脂经过物理共混,形成以沥青为分散相、环氧树脂为连续相的稳定体系,再经与固化剂发生交联反应,形成不可逆的固化物。热固性环氧沥青共混物中还包括了增韧剂、增容剂、促进剂、表面活性剂、消泡剂、偶联剂等助剂,其固化反应使共混物从热塑性转变为热固性,因此热固性环氧沥青材料具有比普通沥青优异得多的性能,如高强度、优良的抗疲劳性、良好的耐久性及抗老化性等。20世纪90年代,Gallagher[1,2,3]首次在专利中提出用环氧化合物制备“热固性沥青”的概念。近些年来,对于环氧沥青体系相容性[4,5]和固化剂固化性能的研究不断深入。国内研究者中,亢阳[6,7]等用马来酸酐改性沥青,提高了沥青和环氧树脂的相容性,并大大提高了环氧沥青的强度。为了避免马来酸酐高温升华带来的不良影响,贾辉[8]等采用加入脂肪族多元醇的方法,中和改性沥青中过量的马来酸酐。黄卫[9,10,11,12,13]等采用脂肪族二元酸和脂肪族多聚酸酐固化环氧沥青材料。王治流[14]等使用改性长链脂肪族二元酸如改性桐酸和改性蓖麻油酸作为固化剂,加入苄胺作为反应促进剂,用低分子质量聚醚作为消泡剂制备环氧沥青固化物。
热固性环氧沥青材料的出现是对铺装材料改性研究的一项重大突破。环氧沥青材料在欧美等发达国家特别是在美国,应用较早且技术先进,在道桥工程中应用广泛。在我国,南京长江二桥首先使用了这类材料,随后厦门跨海大桥、上海青浦大桥、天津沽口大桥、江苏润扬大桥、江苏锡澄高速江阴段、苏通大桥等工程均成功地使用了环氧沥青路面材料。从实际道桥工程应用来看,环氧沥青防水粘结材料主要使用于钢桥面铺装,随着人们对于环氧沥青防水材料优异的防水粘结特性的不断认识,目前,环氧沥青防水粘结材料开始逐渐在水泥混凝土桥梁中使用。作为一种新型高性能材料,环氧沥青正越来越多地受到国内研究者的重视,开展这方面的研究具有重要的理论意义和应用价值。
本文以石油沥青和环氧树脂为主要原料制备环氧树脂改性沥青材料,通过对配方进行调整,研究了固化剂、增容剂、增韧剂、环氧树脂的选择和配比对于环氧沥青材料离析、黏度、拉伸断裂强度和断裂延伸率的影响,并对实验结果进行了分析讨论,提出了优化配比。
1 实验
1.1 原理
制备热固性环氧沥青的原料主要有石油沥青、环氧树脂、固化剂和助剂(包括增韧剂、增容剂、促进剂、表面活性剂、消泡剂、偶联剂等)。固化组分也称A组分,包括石油沥青、固化剂和助剂;环氧树脂也称B组分。当两组分相混合时,环氧树脂两端的活性环氧基团被固化剂的活性基团打开,进而形成了空间网络结构,这种结构不溶于任何溶剂,也不会发生熔化,是一种极其稳定的化学结构,从而赋予沥青优良的物理力学性能。
1.2 主要原料
70#沥青(性能见表1)、环氧树脂E-51(性能见表2)、固化剂、助剂(增韧剂、增容剂、促进剂、表面活性剂、消泡剂、偶联剂等)。
1.3 制备流程
道桥用环氧树脂改性沥青材料的制备工艺流程见图1。
1)A组分原料的准备:将沥青、固化剂、助剂(增韧剂、增容剂、促进剂、表面活性剂、消泡剂、偶联剂)按照一定的顺序和配比在100～140℃温度下高速剪切混合60～120 min,得到A组分;
2)将预热至80℃的B组分环氧树脂按照一定的比例加入到A组分中,在120～140℃温度下共混10～15 min;
3)在120℃烘箱中固化4 h,即得到环氧改性沥青材料。
按照GB/T 528—1998测试方法,测定环氧改性沥青材料的拉伸断裂强度和断裂延伸率。按照JTJ052—2000测试方法,用布氏黏度计测定混合料在120℃试验条件下黏度增加至1 Pa·s的时间(min)。按照SH/T 0740—2003测试方法,通过测定环氧沥青的离析程度来表征其相容性。
1.4 基本配方
道桥用环氧树脂改性沥青材料的基本配方见表3。
2 结果与讨论
2.1 增容剂对环氧沥青性能的影响
环氧树脂和石油沥青由于在化学结构、极性、表面张力、分子量(黏度)上的巨大差异,两者混合时相容性较差,从而使环氧树脂在沥青中易离析,导致其力学性能降低。因此为了制备性能均一和稳定的环氧沥青混合料,改善环氧树脂与沥青的分散性,提高二者的相容性能,就需要在体系中加入一定比例的增容剂。本研究使用了自制的增容剂加入到环氧沥青中,考察了增容剂的不同配比对环氧沥青性能的影响,见图2。
图2表明,当体系中未加入增容剂时,密度较大的环氧树脂由于与沥青相容性差而在高温储存过程中沉降到底部,而环氧树脂的软化点比沥青的小,致使底部软化点远小于顶部,产生了较大的离析。而随着增容剂的加入,环氧沥青的相容性明显改善,当增容剂的添加量增加到1.5%时离析减小至8.5℃。图2还表明,随着增容剂用量的增加,环氧沥青的拉伸断裂强度也随之增加,在增容剂用量为1.5%左右时出现最大值,此后出现下降趋势。这是因为增容剂可以改善环氧树脂在沥青中的分散性,同时具有增塑剂的作用,所以过多地加入增容剂,反而使环氧沥青的拉伸断裂强度减小。因此,增容剂的配比应该为环氧沥青总质量的1.5%左右。
2.2 固化剂对环氧沥青性能的影响
环氧沥青最大的优势就是从根本上改变了沥青本身的热塑性,使得材料最终具有热固性产物的种种特性。而热固性材料的性能优劣取决于材料与固化剂发生固化之后所得到的产物,因此固化剂的选择尤为重要。固化剂的选取要考虑固化产物的性能、固化温度和时间,以及固化体系的相容性和黏度等。通常使用的固化剂为脂肪族多胺、脂环族多胺、芳香族多胺、酸酐类等。本研究中使用3种固化剂(胺类固化剂A,环状酸酐B,长链脂肪族酸酐C),研究了分别使用这3种固化剂的体系在120℃固化时黏度增至1 Pa·s的时间,见图3。
从图3中可以看出,使用酸酐固化剂B和C时,体系在120℃固化时黏度增至1 Pa·s的时间要明显长于胺类固化剂A,固化剂B和C都超过了40 min,而固化剂A约为10 min;而比较固化剂B和C我们可以看出,固化剂C的时间要长于固化剂B,约为60min。经过试验,我们还发现固化剂C与体系相容性较好,并且可以有效地增加固化产物的柔韧性。基于以上原因,本研究中使用了固化剂C,并考察了固化剂的不同配比对环氧沥青性能的影响,见图4。
从图4中看出,随着固化剂用量的增加,环氧沥青的拉伸断裂强度先缓慢上升;当比例大于50%后,环氧沥青的拉伸断裂强度迅速增大;而当比例超过70%后,环氧沥青的拉伸断裂强度又迅速减小。这是因为:当体系中固化剂不足时,环氧树脂上的环氧基反应效率低;而当体系中固化剂过量时,导致固化剂反应效率降低。这都导致体系交联密度降低,使固化物未能形成理想的网状交联状态,从而使环氧沥青拉伸断裂强度受到影响。因此,固化剂的配比应为环氧树脂的70%左右。
2.3 增韧剂对环氧沥青性能的影响
环氧树脂固化物较脆,因此国内外研究人员对其进行了大量的增韧改性研究;改性用弹性体主要是丁腈和聚硫橡胶,另外还有端胺基、端羟基、端乙烯基丁腈橡胶。近年来,采用聚氨酯、聚硅氧烷、聚丙烯酸酯类弹性体增韧环氧树脂的研究也在深入开展。此外,还有采用改性用热塑性树脂如聚砜、聚碳酸酯的。通过聚合物改性剂的使用,可以改善环氧树脂的柔韧性,从而提高环氧改性沥青的变形适应能力。但是在实际实验过程中,随着聚合物改性剂的加入,反应体系的黏度明显增加,这给反应体系的后续操作带来了困难。本研究使用了一种液态活性增韧剂,考察了不同配比增韧剂对环氧沥青性能的影响,见图5。
图5表明,增容剂的加入可以显著提高环氧沥青的断裂延伸率,但过量的增韧剂反而会使延伸率降低。当增容剂的添加量为15%时,环氧沥青的断裂延伸率达到了最大值;此后随着增容剂添加量的增加,环氧沥青的断裂延伸率呈下降趋势。原因是:液态活性增韧剂分子结构中含有高密度的活性反应基团,可以使固化物交联网络结构中醚网络的比例明显增加,固化过程中自行相分离,形成与主相连接紧密的“海岛”结构,从而增加固化物的柔韧性。而过量的增韧剂会影响环氧沥青的固化效果,致使其断裂延伸率降低。因此,增韧剂的配比应为环氧树脂的15%左右。
2.4 环氧树脂对环氧沥青性能的影响
环氧沥青材料是将环氧树脂加入沥青中,使沥青和环氧树脂经过物理共混,形成以沥青为分散相、环氧树脂为连续相的稳定体系,环氧树脂的掺量对环氧沥青材料的性能有很大的影响。本研究在环氧沥青中加入了不同比例的环氧树脂,考察了环氧树脂的配比对环氧沥青性能的影响,见图6。
图6表明,环氧沥青的拉伸断裂强度随着环氧树脂掺量的增加而增大。环氧树脂掺量低于30%时,拉伸强度随环氧树脂掺量的变化较小,当掺量高于30%时,拉伸断裂强度随环氧树脂掺量的增加而明显增大。而随着环氧树脂掺量的增加,环氧沥青的断裂延伸率逐渐减小,当掺量高于30%时,断裂延伸率随环氧树脂掺量的增加而明显减小。
3 结语
1)增容剂可显著提高环氧树脂与沥青的相容性,使分散在沥青中的环氧树脂颗粒更小、分布更为均匀,从而减小环氧沥青的离析;同时,适量的增容剂还可以提高环氧沥青的拉伸断裂强度,而过量的增容剂则使环氧沥青的拉伸断裂强度有所减小。
2)固化剂对于环氧沥青的性能有着至关重要的作用。当体系中固化剂不足或过多时都将导致体系交联密度降低,使固化物不能形成理想的网状交联状态,从而使环氧沥青的性能受到影响。其中,长链脂肪族酸(酐)类固化剂的黏度较低,在常温下多为液态,适宜与沥青拌和。这类固化剂与环氧树脂的固化反应可操作时间较长,而且加入促进剂后还可以调节可操作时间;此外,使用长链脂肪族酸(酐)固化环氧树脂,可以在交联网络中引入柔性链段,起到提高网链分子柔顺性的作用。
3)增韧剂可以改善环氧树脂固化物的脆性,适量的增韧剂可以提高环氧沥青的柔韧性。
4)环氧树脂的掺量对于环氧沥青的性能有着重要的影响。材料的拉伸断裂强度随着环氧树脂掺量的增加而增加,而断裂延伸率则随着环氧树脂掺量的增加而减小,并且这种趋势当环氧树脂的掺量大于30%后变化得尤为显著。
沥青改性材料 篇2
甲方：包头市公路工程股份有限公司（青乌线一级公路项目部）
乙方：
乙方承揽甲方青乌线一级公路透层油、粘层油工程，改性乳化沥青的供应与喷洒，根据《中华人民共和国合同法》及公路工程相关规定、规范及图纸说明等，经甲乙双方协商达成如下协议：
一、供应及喷洒范围
青乌线一级公路K0+000～K50+666.7
二、期限
2013年5月1日至2013年10月20日
三、产品及喷洒要求
1、乙方必须是巴彦淖尔市内稳定的、具有多年生产经验的、定型的生产企业。
2、乙方必须提供该产品生产的资质证书（复印件），提供原材剂、乳化剂的产品合格证和材质单，并符合青乌线一级公路施工要求：
①基质沥青为：②改性剂为：③乳化剂为：
3、生产工艺为快裂型：
透层油：①蒸发残留物不小于50%±3；②喷洒量为大于0.8kg/㎡；
粘层油：①蒸发残留物不小于50%±3；②喷洒量为0.3kg/㎡；
4、乙方必须使用全自动智能型沥青洒布机进行洒布；
5、喷洒程序：
洒布机到达→取样化验→过磅→含油率合格→到达现场预热，通管→按洒喷量喷洒→收车回程装乳化沥青。
胶粉改性沥青应用问题探讨 篇3
【关键词】胶粉改性沥青；性能研究；节能环保
1.概述
胶粉改性沥青即橡胶粉改性沥青，橡胶粉改性沥青是以道路沥青作为橡胶粉的分散剂，将高剂量的硫化胶粉与沥青在高温条件下加入活化剂和稳定剂混溶制成的一种沥青。生产中胶粉一般加入量为20%以上，由于橡胶粉是由废旧轮胎加工制成的，橡胶粉中含有大量的天然橡胶粉及填充补强的碳黑、抗老化的抗氧剂等参配剂，因此制成的改性沥青的性能是其他改性沥青无法比拟的，比重交沥青公路寿命延长1.5倍。沥青混合料及路用性能大部分指标高于SBS改性沥青。
1.1环保效应
如果将废旧轮胎胶粉用于沥青进行改性，如按15%的添加量的话，则每年可消耗胶粉30～45万吨，也就是说可以处理废汽车轮胎（每条轮胎8lg）5400～8100万吨（废旧轮胎出粉率约70%），这对黑色污染极其有利。
1.2经济效益
目前我国修建高速公路广泛采用SBS改性沥青，SBS价格昂贵，随着石油价格的飞涨，SBS的价格高达22000元/吨以上。然而废旧轮胎胶粉价格低廉，而且各项指标均达到标准。经推算，废旧轮胎改性沥青的成本比SBS改性沥青的成本低约30%左右，如果我国每年修筑公路用100万吨胶粉改性沥青替代SBS改性沥青即可降低成本7亿元，同时可耗费废旧轮胎胶粉15万吨，相当于2250万条轿车废轮胎，这对我国的修筑公路及维修公路采用改性沥青的意义是重大的。
1.3良好的使用性能
a、提高沥青的黏度。
黏性是沥青高温稳定性的重要指标，黏性高的沥青不仅抗变形能力增强，而且加强了沥青与碎石的黏结力，具有更好的封水性能。有资料显示，20%胶粉含量的橡胶粉沥青，在190℃时的动力黏度与4%SBS含量在135℃时的动力黏度值相当，约3pa.s；橡胶粉沥青的软化点较基质沥青提高约10℃，>55℃。如果在每吨橡胶粉改性沥青中添加0.2%-0.5%的SBS改性剂，软化点可达到70℃以上。
b、改善沥青的低温性能。
沥青的低温性能是指低温的脆性和抗裂性。根据试验比较，橡胶粉沥青的弗拉氏脆点与4%SBS改性沥青比较，降低约9℃，达-17℃-19℃。橡胶粉沥青良好的低温性能，在寒冷地区将会明显减少路面开裂，延长路面使用寿命。
c、抗老化、抗疲劳性能明显提高。
大量废轮胎胶粉的加入，不仅为沥青增加了抗老化、抗氧化和热稳定性，而且由于轮胎橡胶粉优异的弹性也在较大的温度区间为沥青路面提供了柔性以及耐疲劳和抗裂纹能力，从而延长路面的使用寿命。有资料显示，橡胶粉沥青路面可提高路面使用寿命1～3倍。
d、提高行车的舒适性和安全性。
由于橡胶粉路面的柔性，将缓冲路面局部不平整引起车辆的震动，改善轮胎与地面的附着性能，缩短制动距离，从而使车辆的舒适性和安全性都得到改善。
e、降低行车噪音低。
随着公路建设和汽车工业的发展，道路噪音已成为城市居民的一大公害，因此降低道路噪音成了人们关心的重要社会问题。根据一些实际数据分析，橡胶粉沥青的弹性加上配混合料和平整的路面可有效地降低车轮在路面上行驶的噪音。于是橡胶粉沥青的应用为城市道路建设点燃了一大亮点，被誉为“消音沥青”，它已列入一些城市的市政建设规划。有资料显示，橡胶粉沥青路面车速在50-100公里/小时，噪音将降低3-8分贝。
2.橡胶粉改性沥青的性能
高温性能：胶粉含量18%时车辙试验动稳定度达到7933次/mm，如增加到20%时，达到8000次/mm。
抗疲劳：由于交通量的增大及高负荷车辆的增多，公路的疲劳破坏成为了影响公路寿命的重要因素。由于CRM中含有大量的天然橡胶粉和各种参配剂，因而CRM沥青抗疲劳破坏的能力无论从理论上还是实践上均高于其他沥青。
耐久性：由于CRM中含有抗老化剂及光稳定剂，路面寿命大大提高。
黏附力强：由于CRM沥青黏附力较SBS沥青强，因此CRM铺筑的沥青路面飞石较其他路面少。
3.橡胶粉改性沥青的生产需选择合适的改性胶粉
（1）如用高温处理胶粉，胶粉中的硫交联键在再生活化剂、热、氧的作用下被破坏，表面产生较多的活性基团，有利于同胶料的化学键合，使胶粉在胶料中的分散性和硫化性改善。
（2）低温脱硫再生法能耗小且节约劳动力，对环境污染小；其改性方法是在胶粉中混入少量软化增塑剂和脱硫剂，主要化学成分为2、4、7、9四甲基-5葵诀-4、7-二醇，然后在室温或稍高的温度下，借助机械作用进行短时间脱硫再生得脱硫胶粉。
（3）生物表面脱硫技术为胶粉改性提供了一种新的途径。该方法不需高温、高压、催化剂，为常温常压下操作，操作费用低，设备要求简单，无二次污染，即利用微生物脱硫。
由于后两种脱硫改性的方法技术比较先进，环境污染较小，目前已被国内相关企业采用，适用效果较好。
4.橡胶粉改性沥青的生产工艺
4.1湿法
先将废旧胶粉（CRM）在特定温度的热沥青中拌和45min使胶粉充分溶胀，再经过高速剪切所得的混合物称为胶粉改性沥青。如果橡胶粉粉剂量太大，改性沥青的粘度太大，泵送有困难，所以从技术、经济的角度出发，橡胶粉粉的用量不能超过沥青质量的20%。当改性沥青用于应力吸收膜时，胶粉的用量可高达25%-35%。湿 法制备改性沥青的工艺比较简单，不过改性效果与胶粉的细度关系很大，粒度越细，越易拌和均匀，且不发生离析、沉淀现象，有利于管道输送或泵送。
4.2干法
将剂量为沥青混合料总量的2%-3%的胶粉喷入正在搅拌的热沥青拌和锅中，搅拌约20min即成为胶粉改性沥青混合料。重庆某研究所曾用此法制成的改性沥青铺设了一段试验路面。上海某交通轮胎翻修厂将废橡胶粉粉经活化处理制成活化胶粉，掺入沥青中，使之与沥青结合更为紧密，效果更好，但价格偏高，末在工程中使用。
5.橡胶粉改性沥青的可观前景
CRM沥青做为资源再生性综合利用是有效途径之一，同时有利于改善沥青路面的使用性能，降低建设成本，达到利国利民利路利企的“四利”效果，被世界各国广泛重视，CRM沥青已列为国家科技部重大研究课题，国家已出台了CRM沥青的相关推荐标准。国家标准及施工规范也在制定中，各省、市也出台了CRM沥青的施工规范，因此，CRM沥青的发展前景广阔。近几年随着高速公路的成功应用必将在业内产生重大影响，对CRM沥青的推广使用产生重大影响。交通部道路科学研究院于2009年4月10日在北京举办了《橡胶粉沥青产品标准》《路用橡胶粉粉产品标准》，橡胶粉沥青施工、验收规范等标准的讨论会及交流会。部分专家在会上介绍了橡胶粉沥青产品开发、生产及施工的经验对一些敏感的技术话题发表了独特的见解，特别是在高速公路的实际使用情况介绍，得到了同行业及专家的好评。
沥青改性材料 篇4
沥青垫层材料是一种黏弹性材料,具有滞回耗能特性且性价比高,作为垫层材料被广泛应用于道路工程建设、建筑基础隔震等方面,在防护工程的缓冲耗能结构中也有广阔的应用前景。与弹性材料不同,沥青垫层材料具有蠕变特性[1,2],这给工程应用带来了诸多问题。因此,对沥青垫层材料的蠕变性能进行试验研究是非常必要的。但蠕变试验需要用高精度仪器,且耗时较多。而数值仿真计算只需要代入蠕变模型参数,不仅能较好地实现蠕变试验过程的模拟,还能够用于沥青垫层材料的结构分析,是一种高效、实用的分析方法[3]。
描述黏弹性材料蠕变行为的模型有很多[4,5,6],其中,Burgers模型的参数较少,并且能够较好地反映沥青垫层材料在不同应力下的蠕变过程,因此,在实际中得到一定的应用。作者通过不同应力水平下SBS改性沥青与Ca(OH)2垫层材料的单轴蠕变试验,利用Origin8.0软件进行模型参数拟合[7],获得了Burgers模型蠕变柔量的表达式,并将模型参数代入有限差分法软件FLAC3D中进行数值模拟计算,取得了预期的效果。
1 黏弹性材料蠕变特性及模型
蠕变指在恒定荷载作用下材料变形随时间发展而逐渐增长的现象。根据应变速率的不同,蠕变过程可分为衰减蠕变、等速蠕变和加速蠕变[8]。
描述一般黏弹性本构关系时,最简单的数学模型是以弹簧代表虎克弹性,以黏壶代表牛顿黏性流动,通过两者不同的组合形式来表达材料的力学性能。最常用的模型包括标准线性固体模型、Burgers模型、广义Maxwell模型和广义Kelvin模型等。其中Burgers模型为4参数流体模型(见图1),其本构关系可表示为:
式中:ε——应变;
σ———应力,MPa;
EM、EK———弹性模量,MPa;
ηM、ηK——黏性系数,MPa·s。
为了讨论模型的蠕变行为,考虑突加应力σ(t)=σ0H(t)的作用:
将式(2)代入式(1)进行拉普拉斯变换,得蠕变方程为:
式中:J(t)———蠕变柔量。
方程中的4个参数可以通过拟合蠕变试验数据的方法获取。
2 改性沥青垫层材料蠕变试验
2.1 试样制备及试验设备
试验选用SBS改性沥青,并在其中添加质量比为20%的Ca(OH)2。利用Fisco-30L型改性沥青组套设备[见图2(a)]将2种材料在175℃下拌合均匀,并在高温硫化床[见图2(b)]上热压成型,硫化床热压温度设为70℃,压力设为1.5 MPa,保压时间15 min。试件尺寸为Φ100 mm×100 mm。为保证试件的均匀一致性,一次同时成型一批试件(8个),选择5个端面平度好的试件,在室温下冷却24 h备用。使用HYD-20高低温电子力学试验机[见图2(c)]进行蠕变试验。
2.2 加载方式
采用分别加载方式进行单轴蠕变试验。试验温度设定为18℃,试验开始前将试件在环境试验箱内保温1 h。5种试验荷载应力分别为2.53、4.18、6.79、8.19、9.37 k Pa。分别对5个相同的试件进行蠕变试验,试验时在试件两端各垫2张薄膜纸以减小端面摩擦。
2.3 试验结果及分析
18℃时5个不同加载应力下的单轴蠕变曲线见图3,蠕变时间为1200 s,根据试验数据作改性沥青垫层材料的应变-应力等时曲线,如图4所示。
从图3可以看出,曲线呈现出明显的非线性特征。应变随时间、应力的增长而增长。应变率随时间的增长而减小,随应力的增加而增加。应力水平较低时,曲线后部分近似为直线。从图4可以看出,应变与应力的比值(即蠕变柔量)随着时间的延长而增大。
3 Burgers模型参数拟合
对图4中每组应变-应力等时曲线做通过(0,0)点的线性拟合,所得直线的斜率即为该时刻这种材料的蠕变柔量。以时间t为横坐标,J(t)为纵坐标,作散点图。利用Origin8.0的自定义函数拟合功能,将Burgers模型的蠕变柔量方程编入软件中,并对试验数据进行非线性拟合回归,得到模型参数为:EM=124.34 MPa、EK=3.71 MPa、ηM=4108.65 MPa·s、ηK=384.04 MPa·s。拟合曲线如图5所示,相关系数为0.9960。
4 FLAC3D模拟蠕变试验
FLAC(三维快速拉格朗日法)[9,10]是一种基于三维显示有限差分法的数值分析方法。FLAC3D可以模拟材料的蠕变行为,软件中内置有Maxwell体、二分量幂函数、WIPP、Burgers等几种蠕变模型。
4.1 数值模型建立
FLAC3D所建模型为Φ100 mm×100 mm的圆柱体[见图6(a)],为了减小因网格尺寸相差较大而引起的应力不均匀,作者利用FLAC3D内嵌的fish程序语言编程,对模型的径向采用质量较好的蝴蝶形网格进行划分[见图6(b)]。材料属性按拟合参数代入Burgers模型中进行计算。对建立的模型施加边界条件:底部轴向固定;无侧限;顶端施加4.18 k Pa、8.19 k Pa荷载。
4.2 计算结果及分析
通过数值模拟,可以得到模型轴向应变-时间的关系,模型轴向应变试验数据与FLAC3D模拟结果的对比见表1。分析可知,FLAC3D数值模拟计算与蠕变试验得到的轴向应变-时间曲线的趋势相同;由于数值模拟建立的模型为连续均质体,这种假设与试验材料的实际情况不同,所以两者的结果有所偏差,但绝对误差维持在较低的水平(-0.1×10-3~0.5×10-3);由于试验初期材料应变小,所以两者的相对误差值比较大,在试验前期(600 s之前)最大为27.88%,但随着试验的进行,应变逐渐增大,相对误差不断减小,在试验后期相对误差不超过10%,说明利用FLAC3D模拟改性沥青垫层材料的长期蠕变过程是较为合理可行的。
5 结论
(1)对SBS改性沥青与Ca(OH)2垫层材料进行单轴静压蠕变试验,利用Origin8.0软件对试验数据进行非线性拟合,得到了Burgers模型蠕变柔量方程的参数。
(2)将材料参数代入FLAC3D软件,利用其自嵌的Burgers模型模拟蠕变过程,得到的轴向应变-时间曲线与蠕变试验结果的趋势相同。
(3)由于数值模型的均匀化假定与材料实际情况不同,所以两者轴向应变-时间曲线有所偏差。
(4)试验初期材料应变小,数值模拟与蠕变试验结果的相对误差值比较大,但随着试验的进行,应变逐渐增长,相对误差不断减小,在试验后期相对误差不超过10%。
(5)利用FLAC3D模拟改性沥青垫层材料的长期蠕变过程是较为合理可行的。
摘要：进行了18℃时不同加载应力下SBS改性沥青垫层材料的单轴蠕变试验,利用Origin8.0软件对试验数据进行回归分析,得到了Burgers模型的蠕变柔量表达式。将提取的模型参数代入FLAC3D的蠕变模型中,模拟蠕变试验进程,结果显示,FLAC3D软件能够较好地模拟改性沥青垫层材料的长期蠕变试验,计算结果与试验结果符合较好。
关键词：改性沥青,蠕变试验,Burgers蠕变模型,数值模拟
参考文献
[1]张肖宁.沥青与沥青混合料的粘弹性力学原理及应用[M].北京:人民交通出版社,2006.
[2]黄晓明,吴少鹏,赵永利.沥青与沥青混合料[M].南京:东南大学出版社,2002.
[3]牟瀚林,王顺洪,朱敏.沥青混合料蠕变试验的数值模拟研究[J].公路交通技术,2008,10(5):17-20.
[4]蔡峨.粘弹性力学基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,1989.
[5]周云.粘弹性阻尼减震结构设计[M].武汉:武汉理工大学出版社,2006.
[6]张久鹏,徐丽,王秉纲.沥青混合料蠕变模型的改进及其参数确定[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2010,34(4):699-702.
[7]肖信.Origin8.0实用教程-科技作图与数据分析[M].北京:中国电力出版社,2009.
[8]李晓军,江丽华.沥青砂浆粘弹特性试验与模型参数分析[J].武汉理工大学学报,2011,33(3):82-86.
[9]ITASEA CONSULTING GROUP Inc.FLAC3D User Manuals(Version2.1)[M].Minneapolis Minnesota:Itasca Consulting Group Inc.,2002.
SBS 改性沥青防水施工方案 篇5
建筑物的功能有多方面，其中屋面防水是其一个重要功能，也是工程建设中重要的一项内容。目前，我国的房屋屋顶钢筋混凝土建筑中，常存在耐久性差、维修费用较高、漏雨等现象。针对这些问题，世界各国普遍采用SBS改性沥青防水卷材。SBS改性沥青防水卷材作为热塑性弹性体改性沥青防水卷材中的一种，是以聚酯毡或玻纤毡为胎基，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）热塑性弹性体为改性剂制成的沥青为涂盖料、两面覆以隔离材料制成的防水卷材。此类卷材具有很好的耐高温性能，有较高的弹性和耐疲劳性，低温柔性好，延伸性能好，使用寿命长，施工简便，污染小等特点，被广泛应用于各种防水工程中。本文对SBS改性沥青卷材屋面防水施工过程中的监理进行探讨。1 进入施工场地的相关要求
材料在高温环境下会出现受热变形，所以材料存放现场以及施工现场要严禁明火，同时要避免雨淋。卷材需要直立堆放，存放材料的地方一定要保持良好的通风。防水卷材进入场地后要按照相关规定进行取样复试。防水材料一定要有出厂检验报告、合格证以及使用说明书，而且需要标明材料的生产日期、批号以及材料规格。防水材料要符合相关的质量标准，如材料上不能有空皱折、断裂、剥离、涂盖不均匀、边缘不整齐等等质量问题。当材料所有外观质量指标都符合要求时，再对材料进行物理性能检测。2 屋面基层处理要求
在屋面防水层铺设之前，要保证基层没有凹坑、起鼓、掉灰、起砂以及松动等问题，而且基层表面要求干燥、干净、光滑、平整、均匀一致。可以用2m长的直尺来检
验基层的平整度，直尺与基层之间出现的空隙最大不能超过4mm，而且其空隙只能是平缓变化。基层表面的干燥度可以通过一定方法进行检验：把卷材干铺在找平层上，停留3～4h，如果铺设的卷材和找平层的铺盖部位没有出现水，那就证明基层表面是干燥的，适当延时后即可开始施工。下雨、刮风或者是雨后基层还没有干时不能进行施工。基层需要用一定比例混合的水泥砂浆找平，利用2m长的直尺对基层的平整度进行检验，其凹凸差异要小于5mm，并且要求平缓变化，没有比较明显的起坡现象。另外，找平层需要设置分格缝，同时用密封材料进行填实。分格缝需要设置在板端缝处，一般要小于6mm；沥青砂浆找平层的厚度不应超过4mm。在防水层与女儿墙交接处、防水层与突出屋面构件的交接处、屋面转角处、屋面板的支端等位置设置分隔缝，要求与板端缝对齐，均匀顺直，宽度为20mm，横向与纵向间距要小于6m，阴阳角的位置抹成半径大于150mm的圆弧形。找平层有断裂，如果裂缝小于0.5mm需要用密封材料涂刷，如果裂缝大于0.5mm的话需要沿缝凿开，填入密封材料。另外，排水口、阴阳角以及管道根等比较容易出现渗漏现象的位置可以选择同一卷材包封处理，之后再进行铺贴卷材。在内部排水的水落口周边位置，找平层需要设置成略低的凹坑。3 涂刷冷底子油的施工要求
在SBS改性沥青卷材屋面防水施工的过程中，选用的SBS改性沥青卷材冷底子油以及密封材料一定要符合国家相关质量标准。在干燥的基层上涂刷SBS改性沥青卷材冷底子油的时候要严格按照国家相关操作规范，先将节点、阴角，以及周边等位置清理干净，对于一些小细部可以利用毛刷蘸油涂刷。涂刷之前一定要把SBS改性沥青卷材冷底子油充分搅拌至均匀再进行涂刷，涂刷的时候一定要均匀，做到厚度一致，不能有气泡、空白、麻点或者是透底等等缺陷。然后根据天气情况，等到SBS改性沥青卷材冷底子油凉干且不黏脚的时候可以开始进行卷材铺贴。
利用热熔法铺贴卷材的相关要求 4.1 热熔条件下卷材的铺贴
在进行卷材铺贴工作时，要按照相关施工规定对卷材的宽度留出一定的搭接缝尺寸，然后设置好铺贴卷材的基准位置线，以便按照该基准线开展基层的铺贴工作。裁剪好要铺贴的改性沥青防水卷材的长度，卷好备用。利用30mm的管穿过卷材的卷心，弹出卷材的标准线，然后把卷材的端头摆在铺设的起始位置上对正，卷材的薄膜面要向下，长短方向上的搭接缝要对齐摆正，掀开已经展开的部分，点燃专业火焰喷枪或者是汽油喷灯，对卷材和基层的交接位置，卷材面距离火焰加热器的喷头大约300mm，与基层成30～40角。加热的时候要注意加热均匀，加热时间不能过长，也不能过短，待刚刚烤出沥青油的时候即可停止加热，然后慢慢放下卷材，铺贴于基层上，用手可控制着卷心两端开始向前滚动铺设。为了进一步确保卷材与基层之间粘结牢固，可以使用排汽辊进行压平、压实。如果屋面坡度太小，卷材的铺贴要与屋脊铺贴，而且上下层卷材不可以垂直铺贴。如果铺贴卷材时使用搭接法，上下层卷材的搭接缝以及相邻卷材的搭接缝需要错开三分之一的幅宽。4.2 搭接缝的施工要求
进行卷材铺贴时，热熔卷材的表面存在一层防粘隔离纸，当采用满粘法以保证搭接牢固时，首先一定要将热熔卷材表面的隔离纸烧掉。搭接宽度允许的最大偏差是10mm，满粘法搭接宽度是80mm，条粘法的搭接宽度是120mm。用密封材料将接缝口封严、填实，接缝口一般要超过10mm。卷材要铺贴平整，利用辊压确保基层与卷材之间粘贴牢固，排除其中的空气。铺贴好的卷材要平整、顺直，防水层要有超过250mm的上翻高度，利用热熔法对同一层上的卷材进行处理，平整焊缝。对屋面的一些复杂部位需要附加增强层的铺贴，为了更好地粘结增强层，要在需要增强的部位基层涂刷一层SBS冷底子油。要想加快冷底子油与基层的粘贴速度，可以在热熔前试贴，加强附加增强层卷材之后立刻粘贴。如果附加增强层的部位特别小，施工人员可以手拿汽油喷枪进行施工。在收头、穿墙套管、阴阳角以及天沟等接点位置一定要严格遵守相关施工规范，保证贴紧、压实、铺平、收头牢固可靠。利用喷枪对卷材的搭接缝部位进行加热，然后压合到边缘挤出沥青进行粘牢。5 施工注意事项
（1）工程施工要考虑到天气变化，气温低的情况下不宜施工；超过五级大风的环境下不能施工；雨雪天气里严禁施工。
（2）施工人员开始施工前先要对图纸进行认真核对，施工作业人员必须持有上岗证。
（3）施工前准备好高压吹风机、扫帚、汽油喷灯、手持压滚、压子、皮卷尺、小线绳、剪刀、消防器材以及铁棍等施工机具。
（4）施工人员必须严格遵循施工现场的各种文明施工和安全保卫相关规范制度，施工人员必须按照相关规定穿戴好施工保护用具，这样才能进入施工现场进行施工作业。
（5）为了消除安全隐患，选择没有人的环境点燃喷灯或者燃具，保证环境的良好通风。
（6）时刻具有保护成品的意识，施工人员不能穿帯钉的鞋在防水层上走动，不能在防水层上打孔。
（7）施工过程中多以平行作业与交叉作业工种为主，很容易造成已做好的防水材料被其他工种破坏的现象，所以需要对其严格管理。防水材料的管理和发放需要有
专人来负责，并且要进行分类保存。对于一些易燃易挥发的材料要保持安全距离，严格按安全材料管理要求进行管理。6 工程质量验收标准
（1）防水卷材铺贴完成之后要进行严格检查，不能出现渗漏和积水的现象，并且要进行闭水或者喷淋试验，如果24h不出现渗水漏水问题才算合格，如果出现渗漏或者积水的现象需要重新铺设。
（2）卷材要符合相关质量验收规范，要求顺直平整，卷材的搭接要粘结牢固，缝口处要封闭严实，不能出现翘边、鼓泡以及皱折等等缺陷。验收过程中每50m抽验一次，每处5m，验收抽验要在三处以上。
（3）防水层在女儿墙超出屋面处向上翻起的高度要超过250mm，防水层的收头需要和基层粘结牢固，两者之间的缝合处要封严实，不能出现翘边。
（4）檐口、檐沟、天沟、泛水和立面卷材的端头要裁整齐，塞入预先准备的凹槽里，然后利用金属压条进行定压固定，钉距最大不能超过900mm，还要利用密封材料填实、封严。
综上所述，SBS改性沥青卷材作为一种先进的建筑防水层材料，在很大程度上提高了建筑物防水层的质量和耐用性，是一种应用非常广泛的防水层材料。为确保屋面防水工程的质量，需综合考虑许多方面的因素，设计是前提，材料是基础，施工中的具体作业规范是关键。在SBS改性沥青卷材屋面防水施工过程中，应严格按照相关施工规范进行施工，严把施工质量关，并做好监理工作，才能保证屋面防水工程的质量，延长建筑的使用寿命，从而为住户提供一个良好的生活和工作环境。
沥青改性材料 篇6
1实验所用部分原料介绍
1.1油品
本文所使用的油品为:1)芳烃油;2)基础油;3)废机油;4)橡胶油。这4类基本涵盖了目前不同规模防水卷材厂家所使用的油品。
1.1.1芳烃油
芳烃油全称为芳香烃油,是一种分子中含有苯环结构的碳氢化合物,属于石油化工的基本产品和基础原料之一。芳烃油中芳香烃含量70%~87%,相对密度在0.95~1.02之间,闪点(开杯)170~200℃,是一种深色黏稠液体,能改善沥青胶料的粘合性。
1.1.2基础油
此处所指基础油,是一种对石化产品进行合成加工或对矿物油进行处理后获得的油品,并非直接来源于石油炼制。
1.1.3废机油
机油在使用中会混入水分、灰尘、其他杂油和机械磨损产生的金属粉末等杂质,同时机油在一定条件下也会变质生成有机酸、胶质和沥青状物质。废机油的再生就是用沉降、蒸馏、酸洗、碱洗、过滤等方法除去机油中的杂质和有害物质。改性沥青卷材生产中使用再生机油是一种普遍现象。本实验选用的是小型汽车上使用过的经过沉淀过滤的机油。
1.1.4橡胶油
橡胶油是一种软化剂,它本身与橡胶有着良好的相容性、亲和性,能够减少橡胶加工过程中混炼动力的消耗,促进各种辅料的均匀分散,提高硫化胶的伸长率、回弹性等性能指标。
1.2胶粉
本文所试验的胶粉有四种:1)YP03;2)YH-3;3)SBRS;4)轮胎胶粉。
1.2.1 YP03
YP03是一种活化胶粉,采用优质非再生橡胶边角料, 添加高分子功能材料和部分活化剂复配而成。该类胶粉对沥青的高低温性能改性效果好,黏性好。胶粉细度为60目。
1.2.2 YH-3
YH-3是一种采用内外轮胎为主要原材料,配以多种高分子添加剂复配而成,然后采用空气涡轮制冷低温粉碎法做成细度为60目的胶粉制品,具有易溶解、黏性好的特点。
1.2.3 SBRS
SBRS是一种采用独有的设备———超声聚能发生器把原料为30目的A2级硫化胶粉在常温下深度物理脱硫并精细粉碎,使其具有活化性能的再生橡胶粉,是一种性价比较高的道路沥青添加剂,在加工温度、黏度、抗车辙性、水稳定性等方面优于普通80目硫化胶粉。SBRS添加在改性沥青配方中,可改善改性沥青的高温流淌性和低温柔性。本试验所用SBRS细度为40目。
1.2.4轮胎胶粉
轮胎胶粉以废旧轮胎为主要原料,采用空气涡轮制冷低温粉碎法可以生产出40目(0.425 mm)到200目(0.075 0 mm)轮胎胶粉。本试验所用轮胎胶粉细度为40目。
2试验过程
2.1试验器具与设备
玻璃烧杯;电子分析天平(精度0.000 1 g);电炉及加热搅拌装置;500 m L的索氏萃取器。
2.2试验方法
试验条件:温度(23±2)℃,相对湿度50%~70%。
采用相同的工艺条件、原材料、配比对不同的油品或胶粉进行试验,得到改性沥青胶料;然后各称取质量为100 g的4种胶料,分别标识好,放入500 m L的索式萃取器中;同时开启4套萃取试验设备,采用相同的试验时间和试验温度、相同的萃取剂(四氯化碳)进行萃取试验。
2.3试验配方及工艺
2.3.1油品对可溶物含量的影响试验
试验配方:100# 沥青:40%;油品:12%;SBS:4%。
试验工艺:先加入沥青和油品,升温并控制在135~145℃之间脱水0.5 h,然后升温至180~190℃溶解SBS 1.5~2 h,待溶解完全后,降温至160℃出料。
注:本试验配方不加入胶粉,是为了排除胶粉对可溶物含量的影响。
2.3.2胶粉品种对可溶物含量的影响试验
试验配方:100# 沥青:40%;基础油:12%;SBS:4%;胶粉:20%。
试验工艺:先加入沥青和基础油,升温控制在135~145℃脱水0.5 h,再升温控制在180~190℃溶解SBS 1.5~2 h,然后加入胶粉溶解1.5~2 h,降温至160℃出料。4种胶粉均以上述配方、工艺进行试验。
本研究只采用基础油进行对比试验,也可采用其他3种油品进行对比试验。
3试验结果及分析
3.1油品试验结果及分析
图1为试验温度不超过190℃时,采用同一配方、同一工艺制备得到的改性沥青可溶物含量试验对比数据(注:纵坐标表示的是采用不同原材料进行试验测得的改性沥青可溶物含量的相对比值,并非实测值,下同)。从图1中可以看出,用橡胶油制备的改性沥青可溶物含量相对较高,橡胶油与沥青的相容性相对较好,其次为芳烃油,接下来为基础油,最差为废机油。
图2为试验温度在190~210℃之间,同一配方、同一工艺制备的改性沥青可溶物含量试验对比数据。从图2数据可以看出,可溶物含量均低于图1中数据,主要原因是SBS改性剂、沥青在高于190℃以上溶融、融化,会逐渐分解;温度如果继续升高至220℃,还会出现炭化的现象。
图3为图1和图2中每组5个平行试验的改性沥青可溶物含量平均值。其中数据较高的一组(浅色)为图1中不同油品试验数据平均值,数据较低的一组(深色)为图2中不同油品试验数据平均值。
从图3可以看出,经过高温溶解以后可溶物含量都相应减少了一些;采用废机油的配方可溶物含量相应减少较多,采用芳烃油的配方可溶物含量相应减少较少。
图 3 不同油品在不高于 190 ℃(浅色)与 190~210 ℃(深色)下两组试验可溶物含量比值的平均值对比
由上述分析可得出:不同油品对改性沥青可溶物含量的影响是不一样的,试验温度对可溶物含量的影响也不可忽视,所以在生产配料过程中,要注意温度对配方胶料可溶物含量的影响情况。
3.2胶粉品种试验结果及分析
由图4可以看出,采用胶粉SBRS配制的改性沥青可溶物含量相对较高,其次是轮胎胶粉和YP03,最差是YH-3胶粉。
由此可以看出,不同胶粉品种对改性沥青可溶物含量的影响是不同的,在进行配方设计时要根据不同指标要求选择不同的胶粉类型。
4结论
1) 不同油品对改性沥青可溶物含量的影响是不同的,在基础油、橡胶油、废机油和芳烃油四种油品中,废机油对可溶物含量的贡献度最差。
2) 不同胶粉对改性沥青可溶物含量的影响也是不同的,活化过的胶粉与沥青和油品的相容性相对较好,且易溶解,对可溶物含量的贡献也相对较大。
3) 在实际生产中要注意温度对可溶物含量的影响;制定正确合理的生产工艺参数,可减少可溶物含量的损失。
4)采用同样的配方和工艺,实际生产与实验室得出的可溶物含量数据有一定的差别,一般是生产上的小于实验室的数据(大约相差10%左右)。
5) 生产时要尽量选择同样拉力指标而相对薄一些的长丝聚酯胎,使得单位面积沥青胶料质量增加,可以相应提高可溶物含量的数值。
沥青改性材料 篇7
关键词：沥青路面,改性沥青,开级配排水性沥青磨耗层
开级配排水性沥青磨耗层(OGFC)是一种孔隙连通的沥青混凝土结构,是为解决公路路面积水问题而设计出来的[1,2]。OGFC可以使路面积水通过内部孔隙垂直到达下面的不透水层,然后从侧面排出路面。OGFC的主要特点是孔隙率较大(18%～25%),这就要求沥青混合料具有足够的强度、耐久性;并且混合料内部长期遭受雨水侵蚀,这对混合料的抗水损害能力也提出了更高要求。影响OGFC沥青混合料性能的因素很多,如原材料的性能,混合料的级配,成型的工艺等。大量研究表明影响OGFC沥青混合料路用性能的关键指标是沥青的60 ℃粘度[3],随着沥青60 ℃粘度的增大,混合料的强度和水稳定性明显增加。因此选用60 ℃粘度大的沥青作为OGFC沥青混合料的结合料就显得尤为重要。
OGFC于20世纪60年代首次在德国出现,随后在欧美、日本及澳大利亚等国家引起了广泛的重视[4]。日本对OGFC的研究虽较欧美晚,但从一开始就将研究的重点放在高粘度改性沥青的研究上,开发出一种高粘度沥青改性剂TPS[5]。近些年来,OGFC沥青混合料在我国也越来越受到重视,已铺筑了一些试验路段[6],许多单位对采用TPS制备的高粘度改性沥青进行了研究。然而,由于使用的基质沥青不同,导致使用相同的改性剂制备的改性沥青具有不同的性能。
采用TPS作为改性剂制备高粘度改性沥青,研究了TPS对不同基质沥青的改性效果及TPS掺量对改性沥青性能的影响。
1试验
1.1原材料
基质沥青:选用3种不同产地的针入度等级为70的沥青为基质沥青(分别记为S-70、Z-70和T-70),3种沥青的物理性能与化学组成如表1所示。
TPS改性剂:日本大有建筑株式会社生产。
1.2试样制备
将基质沥青加热到(175±5) ℃,缓慢加入改性剂TPS,恒定温度下用高速剪切乳化机剪切45 min,然后置于搅拌器下继续低速搅拌2 h,即制得高粘度改性沥青。
1.3性能测试
1.3.1 常规物理性能
高粘度改性沥青的软化点、延度和针入度分别按GB/T 4507—1999、GB/T 4508—1999和GB/T 4509—1998进行测试。
1.3.2 粘度
高粘度改性沥青最重要的一个指标就是60 ℃粘度,在日本道路协会标准中规定高粘度改性沥青的60 ℃粘度应大于20 000 Pa·s。由于粘度太高,现有粘度计不易直接测量。该文利用Brookfield粘度计分别测试t=135 ℃、120 ℃、110 ℃、100 ℃、90 ℃下的粘度η(Pa·s),然后按lnη-1/T作图(T=273+t),拟合曲线多项式,外推得到60 ℃粘度。经对多种SBS改性沥青实验验证,按照上述方法得到的计算值与实测值之间的差异均在10%以内。
2结果与讨论
2.1TPS对不同基质沥青物理性能的影响
固定TPS掺量,分别对3种基质沥青进行改性,改性沥青的物理性能见表2。由表2可见,3种沥青采用TPS改性后,针入度和5 ℃延度相近,软化点和15 ℃延度有较明显的差异,而60 ℃粘度的差异则十分显著。3种基质沥青中,以S-70沥青改性效果最好,其60 ℃粘度大于20 000 Pa·S,各项指标均符合日本道路协会高粘度改性沥青的标准。TPS对不同基质沥青改性,改性沥青在性能上表现出这种差异与基质沥青的组成有较大关系。在表1中,3种基质沥青的化学组成的主要差异是芳香份含量和胶质含量。比较表1和表2,可以发现基质沥青的胶质含量越高,改性沥青的60 ℃粘度越大。因此在制备高粘度改性沥青时,应对基质沥青进行优选,以使改性剂用量小,改性沥青性能优。
2.2TPS掺量对高粘度改性沥青性能的影响
选取S-70为基质沥青,研究了TPS掺量对改性沥青软化点、延度、针入度和60 ℃粘度的影响。
2.2.1 TPS掺量对改性沥青软化点的影响
图1反映了TPS掺量对改性沥青软化点的影响。图1表明,随着TPS掺量的增加,改性沥青的软化点逐渐增大,TPS掺量从14%～16%,软化点增加较为明显,当TPS掺量大于16%以后,软化点的增加很小。
2.2.2 TPS掺量对改性沥青针入度的影响
图2是改性沥青针入度随TPS掺量的变化曲线。由图2可知,随着TPS掺量的增加,沥青针入度不断减小;TPS的掺量在14%～16%之间时,针入度变化比较明显,但当TPS掺量大于16%以后,针入度变化越来越小。
2.2.3 TPS掺量对改性沥青延度的影响
图3反映了改性沥青5 ℃延度随TPS掺量的变化规律。图3表明,随TPS掺量的增加,改性沥青的5 ℃延度逐渐增大。但总体而言,在TPS掺量大于14%以后,增加TPS掺量,改性沥青的延度增加不大。
2.2.4 TPS掺量对改性沥青粘度的影响
图4是改性沥青60 ℃粘度随TPS的变化曲线。由图4可见,当TPS掺量在14%～15%之间时,改性沥青的粘度变化很小,而当TPS掺量大于15%以后,改性沥青的粘度显著增大,在TPS掺量为16%时,改性沥青的60 ℃粘度大于20 000 Pa·s,达到日本高粘度改性沥青标准。由此也表明,以S-70为基质沥青制备高粘度改性沥青时,TPS掺量不应低于16%。TPS掺量在大于15%以后,改性沥青的60 ℃粘度显著增大,可能原因是TPS在沥青中逐渐形成了较完善的网络交联结构。
3结论
a.TPS对不同沥青改性,其改性效果与基质沥青的组成密切相关。在相同TPS掺量下,基质沥青的胶质含量越多,改性沥青的60 ℃粘度越大。
b. TPS对相同沥青改性,TPS掺量对改性沥青的软化点、针入度和延度的影响较小,但对其60 ℃粘度影响显著。
c. 采用TPS对S-70沥青改性,当TPS的掺量为16%时,改性沥青的各项性能指标可以满足日本高粘度改性沥青标准。
参考文献
[1]沈金安.开级配多空隙排水型沥青路面[J].国外公路,1994,14(6):15-20.
[2]Richard Field,Hugh Masters,Melvin Singer.Status ofPorous Pavement Research[J].Water Research,1982,16(6):849-858.
[3]倪富健,徐皓,冷真,等.沥青性质对排水性沥青混合料性能的影响[J].交通运输工程学报,2003,3(4):1-4.
[4]李闯民.开级配沥青磨耗层(OGFC)的研究[J].公路,2002,3:70-75.
[5]倪富健,覃勉,刘清泉,等.TPS改性剂在排水型沥青混合料中的应用研究[J].公路交通科技,2004,10(21):17-21.
SBS改性沥青复合改性研究进展 篇8
关键词：SBS改性沥青,复合改性,分类,性能
1 引言
苯乙烯-丁二烯-苯乙烯 (SBS) 改性沥青具有全面改善沥青高低温、疲劳和老化性能被广泛应用于道路建设中[1]。随着复合改性技术的发展应用, 对SBS改性沥青二次复合改性已成为研究热点, 复合改性技术可以改善SBS改性沥青的不足, 进一步提高它的各项使用性能, 研究人员通过实验研究了不同改性剂下SBS改性沥青复合改性的性能并取得多项成果。在已有研究成果上可以根据不同地区不同使用要求, 使用不同改性剂对SBS改性沥青复合改性提高SBS改性沥青的性能, 使之满足环境使用要求, 扩大SBS改性沥青的使用范围。本文在已有相关研究基础上对SBS改性沥青复合改性添加剂分类, 归纳总结不同类型SBS复合改性沥青的性能。
2 改性沥青
现在道路改性沥青一般是指聚合物改性沥青, 在沥青或沥青混合料中加入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, 使沥青或沥青混合料的性能得以改善[2]。按照改性沥青改性剂的不同一般可分为3类[1]: (1) 热塑性橡胶类, 即热塑性弹性体; (2) 橡胶类; (3) 树脂类。其中热塑性弹性体SBS可以全面改善沥青高低温、疲劳和老化的性能, 成为目前应用最为广泛的改性剂。据国外资料表明, SBS改性沥青占改性沥青使用总量的60%[3], 在我国SBS改性沥青使用比例更高。
然而单一改性剂的改性沥青普遍存在问题, 为了改善和提高SBS改性沥青的使用性能, 国内外研究人员对SBS改性沥青进行了大量复合改性研究。复合改性技术使各改性剂之间互补, 充分发挥各自的优势, 改善普通改性沥青的性能。复合改性技术的应用也将改性沥青技术的发展推向了新的高度, 相信未来更多的SBS复合改性沥青混合料会广泛应用于道路建设。
3 SBS复合改性沥青添加剂的分类
国内对于SBS复合改性的研究很多, 其中杨丽[4]对SBS复合改性添加剂进行了分类, 她从改善SBS改性沥青存储稳定性角度将复合改性添加剂分为4类: (1) 含硫化合物; (2) 聚烯烃类; (3) 无机酸及无机金属氧化物; (4) 无机黏土类。本文在归纳总结SBS复合改性沥青研究的基础上对复合改性添加剂进行了重新分类。
SBS复合改性沥青添加剂共分为七类: (1) 树脂类, 包括EVA、PE、SBR和PS; (2) 橡胶类包括橡胶粉; (3) 无机酸及无机金属氧化物类, 包括多聚磷酸、Ca CO3、Zn O; (4) 聚烯烃类, 包括聚低密度聚乙烯、聚丙乙烯; (5) 无机黏土类, 包括蒙脱土、有机蒙脱土、纳米蒙脱土; (6) 新型改性剂, 包括LDHS、Superflex、TPS (tafpack-super) ; (7) 其他类包括炭黑、特尼达湖沥青 (其他类是复合改性中不能划归类别的独立一类) 。
接枝改性是通过化学键结合SBS适当的支链或功能性侧基形成的接枝共聚物。有效提高了改性沥青软化点、粘度、针入度, 改善了SBS改性沥青的热贮存稳定性和相容性[5]。接枝改性是在SBS中加入将甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、马来酸酐等接枝后再加入到沥青中制备成SBS改性沥青。因SBS复合改性沥青接枝改性不属于改性剂改性, 本文没有将接枝改性划分到SBS复合改性沥青添加剂类别中。
4 不同添加剂与SBS改性沥青复合改性性能
4.1 树脂类/SBS复合改性沥青性能
董允、王铁宝等人[6,7,8]研究发现EVA复配SBS改性沥青可以明显改善沥青的高温性能, 并且SBS和EVA的含量不同对改性沥青的各项性能指标影响较大, EVA比例越大高温性能改善越明显, 但低温性能有所降低。在SBS复配EVA基础上加入稳定剂, 可以改善沥青的高温储存性能, 提高改性沥青的感温性能、弹性恢复性能、粘弹转变温度和低温性能。于祥、张宝昌[9,10]对EVA复配SBS改性沥青动态硫化, 研究发现SBS/EVA复合改性沥青不仅提高了物理机械性能、高温弹性、热稳定性能和高温动态力学性能, 也降低了沥青试样的温度敏感性。随着硫磺用量的增大, 高温弹性和抗车辙变形能力增强, 温敏性下降。
杨朋, 郑雷[11,12]研究发现PE和SBS改性沥青复合改性后, 沥青混合料的高温性能、力学性能和抗水损害能力有较大提高, 而低温性能和抗疲劳性能有所降低, 而随着SBS和PE掺加量的增加对混合料路用性能的影响逐渐减弱。
李祝龙[13]研究发现SBR和SBS改性沥青复合改性后可明显提高沥青的高、低温性能和温度敏感性。
张鹏[14]研究发现PS和SBS改性沥青复合改性后其高温性能得到明显改善, 扛车辙能力增强。
4.2 橡胶类/SBS复合改性沥青性能
胡苗、杨平文等人[15,16]研究发现加入SBS可以显著改善橡胶沥青的感温性, 高、低温性能, 从黏度指标看, 复合改性橡胶沥青黏度值偏低。涂娟研究发现[17]加入胶粉可以提高沥青的耐热老化性能, 抗紫外线老化性能得到很大程度的提高。杨光、宋家楠[18,19]研究表明橡胶粉/SBS复合改性沥青具有良好的热稳定性;橡胶粉/SBS复合改性沥青混合料比SBS改性沥青混合料具有更优的高温稳定性能、低温抗塑性变形能力和疲劳性能, 适用于在季冻地区路面工程应用。
4.3 无机酸无机金属氧化物类/SBS复合改性沥青性能
马爱群、康爱红等人[20,21,22]研究发现纳米Zn O/SBS复合改性沥青的温度敏感性、高温性能和抗老化性等性能均优于SBS改性沥青, 表现出较佳的低温韧性与延展性。在一定程度上改善了SBS改性沥青热储存稳定性, 但是效果甚微。
游金梅、毛三鹏[23,24]研究发现多聚磷酸/SBS复合改性沥青可以改善沥青的高温性能、高温稳定性和抗老化性能, 但会降低SBS改性沥青的低温性能。而随着多聚磷酸掺量的增加, 复合改性沥青混合料的高温抗车辙能力增强, 水稳定性变差, 疲劳性能增强。
刘大梁、常海洲[25,26]研究发现纳米Ca CO3/SBS复合改性沥青的高温稳定性能、动态力学性能和低温抗裂性能得到显著提高。
4.4 聚烯烃类/SBS复合改性沥青性能
高光涛、牛冬瑜[27,28]研究发现低密度聚乙烯LDPE/SBS共混物的加入提高了原始沥青的高温性能, 并且随着共混物用量的增加, 沥青的高温性能也随之提高, 温度敏感性显著减弱。LDPE/SBS复合改性沥青混合料的高温性能、低温性能与抗水损坏能力都有所提高, 因其具有良好的力学性能, 可以提高路面使用寿命。
蒋元海[29]研究发现聚丙乙烯APP/SBS复合改性沥青具有较好的相容性能, 且复合改性沥青性能稳定, 具有较好的耐老化性能。
4.5 无机黏土类/SBS复合改性沥青性能
于祥、刘东明等人[30,31]研究发现蒙脱土MMT/SBS复合改性沥青复合改性有效地提高SBS改性沥青的高温弹性、高温抗车辙变形能力、耐热氧老化能力以及贮存稳定性, 但降低了其温度敏感性, 对其低温性能不利。唐新德[32]研究发现纳米蒙脱土Na-MMT/SBS复合材料加入沥青中, 形成稳定、均匀的网络结构, 使沥青在韧性、强度与热稳定性方面具有明显改善。纪轶来、余剑英等人[33,34]研究发现有机蒙脱土OMMT/SBS复合改性明显改善了SBS改性沥青耐热氧老化性能、高温稳定性能、低温性能, 同时储存稳定性能也有一定的改善。有机蒙脱土的加入对SBS改性沥青流变性能有显著影响, 在长期使用过程中有较好的抗疲劳开裂性能。
4.6 新型改性剂/SBS复合改性沥青性能
水滑石类化合物 (LDHs) 是一类具有层状结构的新型无机功能材料, 付建红[35]将新型改性剂水滑石LDHs加入SBS改性沥青中, 研究发现LDHs的加入提高了沥青的弹性成分, 减小了沥青的粘性成分。微观结构分析表明, LDHs基本均匀地分散在沥青中, 没有形成插层或改变分子结构等化学变化, 不会损害沥青分子结构。
Superflex (福莱斯) 是一种高分子聚合物改性沥青, 具有抗高温、抗水损、耐疲劳、制作简单等优点。曾理[36]比较了Superflex改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料以及Superflex/SBS复合改性沥青混合料性能, 结果表明Superflex/SBS复合改性沥青混合料有良好的高温性能、水稳定性以及抗滑性能, 但其低温性能较SBS改性沥青差。而良好的高温稳定性和水稳定性对于南方高温多雨地区来说是不错的选择。
TPS (全称TAFPACK-Super) 是日本一种专为排水性沥青路面OGFC而生产开发的沥青改良添加剂。它以热塑性橡胶为主要成分, 再配以粘结性树脂和增塑剂等其他成分, 用机械搅拌混合方式使普通沥青改良成为排水性沥青路面用的高粘度粘结剂[37]。郭铄[38]研究发现SBS/TPS复合改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性能都有很大提高 (尤其是抗疲劳性能) , 水稳定性略有增加。因此, 该种复合改性沥青可用于交通量较大的高温重载路段, 也可用于钢桥面等特殊路段。
4.7 其他类/SBS复合改性沥青性能
严家伋、王仕峰等人[39,40]研究发现炭黑CB加入SBS复合改性沥青中不仅可改变其力学性质, 而且可提高沥青的耐久性。随着炭黑用量的增加, 高温稳定性提高, 改性沥青趋于高温贮存稳定, 但炭黑用量太多反而低温性能下降, 改性沥青也不稳定。
特立尼达湖沥青 (TLA) 可以作为一种沥青改性剂添加到石油沥青中。熊刚[41]研究表明TLA掺量对SBS复合改性沥青的性能有很大影响, 随TLA掺量的增加, 复合改性沥青高温性能和疲劳性能提高, 高温稳定性上升, 其抵抗永久变形的能力也得到增强, 低温性能稍有下降。TLA/SBS复合改性沥青的疲劳寿命随着TLA掺量的增加先增大后减小。王伟[42]研究发现TLA的加入能提高SBS沥青抵抗热老化和紫外老化的能力, TLA/SBS复合改性沥青具有更强的抗老化性能。陈一帆、蔡春华[43,44]研究表明SBS/TLA复合改性沥青混合料在实际应用的过程中表现出非常好的高温稳定性、低温性能、耐久性能和水稳定性等路用性能。适用于重交通和特重交通下的沥青路面。
5 结论与展望
SBS改性沥青复合改性可以有效改善SBS改性沥青的各项性能: (1) 树脂类添加剂可以有效改善SBS改性沥青的高温性能和物理性能, 比较适用于南方高温地带使用; (2) 橡胶类添加剂可以有效改善SBS改性沥青的高、低温性能和疲劳性能, 适用于在季冻地区路面工程应用; (3) 无机酸无机金属氧化物类添加剂有较强的高温稳定性和抗老化能力, 其中Zn O/SBS复合改性沥青表现出较佳的低温韧性与延展性, 可以在北方寒冷地区试用; (4) 聚烯烃类添加剂低密度聚乙烯LDPE与SBS改性沥青复合具有良好的力学性能, 可以提高路面使用寿命; (5) 无机黏土类添加剂表现出较好的高温存储稳定性、流变性和抗疲劳开裂性, 可用于南方高温重载路段; (6) 新型改性剂Superflex+SBS复合改性沥青混合料有良好的高温性能, 水稳定性以及抗滑性能, 但其低温性能较SBS改性沥青差, 对于南方高温多雨地区来说是不错的选择; (7) TPS/SBS复合改性沥青高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性能都有很大提高, 可用于交通量较大的高温重载路段, 也可用于钢桥面等特殊路段。其他类添加剂中炭黑CB可以提高SBS改性沥青力学性质和耐久性;特立尼达湖沥青 (TLA) 可以提高SBS改性沥青各项性能, 具有更强的抗老化性能。
道路改性沥青及改性剂的选择 篇9
随着国民经济的发展,道路交通量的大量增加,大型车辆以及重载、超载车辆所占交通量比例的不断增加,大交通量、重载交通,使路面质量面临着新的严峻考验。许多高速公路沥青路面建成不久就出现早期破坏现象,不能适应现代交通的需要。为保证现代公路在高速、安全、经济和舒适四方面的功能要求,对于某些气候条件恶劣和交通负荷特别大的道路工程,使用常用的重交通道路沥青仍不能满足使用要求,需要有改善性能的结合料以维持路面的使用寿命。采用改性沥青铺筑路面,可获得长久良好的使用效果已逐渐被工程界认同。正是在这样的背景下,改性沥青的应用越来越多,在我国的有些省份规定凡高速公路等重要公路都采用改性沥青。使用改性沥青已成为不可阻挡的潮流。针对气候特点和交通荷载要求使用性能良好的改性沥青不仅可以显著延长沥青路面的使用寿命,同时可以显著地改善沥青路面的使用功能,降低维修养护工作量与养护成本,有效地保证沥青路面为公路交通提供安全、舒活、经济的运行服务能力。
2 改性沥青的目的
沥青作为一种复杂的高分子碳氢化合物,在一定温度与荷载作用下表现为典型的弹- 粘- 塑性,并且在高温与紫外线照射下会产生老化现象。因此加入改性剂的主要目的就是要改善沥青混合料在高温下的路用性能,减少高温时的永久形变,提高其抗车辙、抗疲劳、抗老化,以及抵抗低温开裂或增加低温时抗疲劳能力等方面的性能,使其满足设计使用期间交通条件的要求。此外, 还可以改善沥青与矿料的粘附性和结合料的抗氧化能力。改性沥青的主要功用之一是增强沥青混合料在高温下的抵抗永久变形并减小温度敏感性的能力,而在其他温度下对沥青或沥青混合料的特性无不利作用。从国内聚合物改性沥青的研究与应用情况可见,一种聚合物能否作为改性剂通常具有如下条件:
(1)良好的抗高温变形能力;
(2)增强抵抗抗低温开裂和抗反射裂缝的能力;
(3)改性沥青与集料有较好的粘附性和抗水损害能力;
(4)具有抗长期老化能力和较长的使用寿命;
(5)与基质沥青具有良好配伍性;
(6)在沥青混合料拌和温度下能够抵抗分解;
(7)改性沥青容易加工并能批量生产;
(8)在使用过程中能够始终保持原有的优良性能;
(9)经济上合理,不显著增加工程造价。
2.1 我国改性沥青的种类
改性沥青是指在普通沥青中添加高分子聚合物、橡胶、树脂、磨细的橡胶粉等外掺剂,使沥青或沥青混合料的性能得以改善而制成的沥青结合料。目前,国内用于沥青改性的聚合物品种繁多,归纳起来可分为三种类型:
(1)橡胶类:
NR(天然橡胶)、SBR(丁苯橡胶及其乳液)、CR(氯丁橡胶)、BR(丁二烯橡胶)、EPDM(乙丙橡胶)、SD(硅橡胶)、废旧的汽车轮胎等。
(2)树脂类:
分为热塑性树脂与热固性树脂。常用的PE(聚乙烯)、EVA(乙烯-醋酸-乙烯共聚物)、PVC(聚乙氯烯)为热塑性树脂。EP(环氧树脂)为热固性树脂。
(3)塑性橡胶类:
也称嵌段共聚物, 如SBS(苯乙烯- 丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)、SIS(苯乙烯-异二烯-苯乙烯嵌段共聚物)等。近年来在国内得到广泛应用的沥青改性剂有SBS、SBR、PE、EVA。
2.2 沥青改性的关键技术
沥青改性效果的关键在于解决改性剂与基质沥青的相容性问题。所谓相容性,在热力学上的含义是指明两种或两种以上物质按任意比例形成均相体系的能力。但实际能够完全互溶的两种物质非常少,因此在道路工程上所说的相容性是指:聚合物改性剂微细的颗粒与基质沥青组分发生反应,或稳定、均匀地分散在基质沥青中,不产生分层、凝聚或离析等现象。改性剂与基质沥青的相容性主要取决于基质沥青的配伍性。因此受沥青的组分影响较大,芳香分越高,改性加工越容易,效果越好。大量的研究已经表明,改性剂在沥青中并没有发生明显的化学反应,只是均匀地分散、吸附在沥青中,仅是物理意义上的共存共融。改性剂与沥青的相容性也就是,如何降低基质沥青与改性剂之间的分子力,使其均匀分散是决定改性效果和改性沥青制作工艺的关键因素。一般,聚合物的极性愈强,分子结构与沥青愈接近,它与基质沥青的相容性越好,相应地改性效果也就越好。对于聚合物来说,并不是所有的沥青都可以采用同样的聚合物改性剂和改性工艺达到相同的改性效果的,聚合物有许多品牌,它的改性效果不仅与剂量有关,还受改性剂品种与基质沥青品种配伍性的影响。对于辽河沥青而言,能否加工出效果良好的改性沥青,主要取决于改性剂品种的选择及配伍性的研究。因此,在此方面有必要开展深入细致的研究工作。
3 橡胶类改性沥青
橡胶类改性沥青, 称为橡胶沥青, 其中使用最多是 SBR(丁苯橡胶)。按加工工艺, 橡胶改性沥青可分二种:
(1)用溶剂法将固体 SBR溶解, 再与沥青混拌和制成 SBR沥青母体, 使用时,按要求的 SBR含量将母体与沥青在高温下混拌均匀。
(2)直接使用SBR胶乳。
SBR 改性沥青为橡胶类改性沥青当中应用最为广泛的一种,SBR掺入基质沥青,可在沥青中形成一种共轭结构,而使沥青具有新的力学性能。与普通沥青相比其软化点及低温延度等技术指标均有很大提高,SBR改性沥青混合料则较普通沥青混合料有着更为优良的高温抗车辙性、低温抗开裂性能及自然气候影响下的抗老化性能。
SBR 改性沥青的性质:
(1)针入度: SBR 改性沥青的针入度随着加入的 SBR 掺量的不断增加而降低,在SBR 掺量为4%时,针入度最低。以后随着SBR 的继续增加,针入度又有所回升,但总体上针入度的变化幅度不是很大。说明其高温性能,也得到了一定改善,但是效果不是很明显。SBR掺量达6%时温度敏感性最小, 则它的高温性能就好。因为 SBR 达到此含量时,形成了橡胶网络。
(2)软化点: 基质沥青的软化点随着加入的 SBR 掺量的不断增加而升高,但是升高幅度不大。掺量从0%到6%逐渐增加过程中, SBR 改性沥青的软化点从45.6℃提高到51.8℃,说明 SBR 的加入改善了沥青的高温性能,但是效果不明显。
(3)延度:改性沥青的延度随着 SBR 掺量增加而增加, 掺2%以上 SBR的改性沥青低温延度就有明显提高,5℃延度大于150cm 。经RTFOT后的改性沥青延度随着SBR掺量增加而增加,老化后的5℃延度大幅度上升,SBR 改性剂掺量在3%以上时,其老化后延度就达到了80cm以上。掺量在4%及以上时,其老化后延度达到了150cm以上,低温延度得到了明显的改善。说明 SBR 改性沥青具有良好的低温抗裂性能和高温抗老化性能。
4 树脂类改性沥青
树脂改性剂的特点是它们在沥青中的溶解性能不同, 但改性后沥青的粘韧度、粘附性、强度、弹塑性、抗冲击性及抗高温变形、耐低温磨耗等性能均好, 但延伸性差。目前,通常采用高标号低粘度的沥青进行改性。如常用的热塑性树脂聚乙烯PE,只有高压低密度聚乙烯才可用于改性道路沥青。研究表明PE的良溶剂是芳香分类溶剂,芳香分含量高的沥青与PE的混融性好、离析作用也小、稳定性高, 因此,它与国产多蜡沥青有较好相容性,既可改善沥青高温稳定性,又可改善低温脆性,并且价格低廉,在我国使用范围较广。
PE 改性沥青的性质:
(1)改性沥青感温性:由试验数据可以看出,PE的掺量对改性沥青的针入度最敏感,随着 PE 剂量的增加,针入度降低,剂量在5%以下时针入度降低幅度较平缓,超过5%以后针入度降低幅度稍有增大。改性沥青的软化点随着 PE 剂量增加,有所升高,粘度增大, 剂量在5%以下时,软化点以较大幅度提高,当剂量增至5%之后,变化趋于平缓。说明聚合物 PE 的加入不同程度地提高了沥青的高温性能,在高温条件下具有较强的抗剪切能力。针入度和软化点在一定程度上也表征了沥青材料的高温稳定性。从试验数据对比来看, 6%PE改性沥青的软化点提高了11.8℃, 而改性沥青的15℃、10℃延度从> 100cm 减小到只有9.3cm 和2.8cm ,延度指标反映了沥青的低温性能,延度大幅下降,而且下降幅度随剂量的增加而增大。这显然对沥青路面的低温抗裂性能不利。
(2)沥青老化性能:改性沥青经RTFOT老化后的质量损失、软化点增加量、针入度降低量都较基质沥青小,表明 PE 改性沥青的耐老化性能有所增强。这对于提高沥青路面的耐久性无疑是有利的。
5 热塑性弹性体类改性沥青
应用最多的是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)。由于 SBS 具有二相结构, 因此具有良好的粘弹性, 在 SBS 剂量较低时, SBS 在沥青中分散后, SBS与沥青间还没形成连续相, 这时 SBS 吸附沥青产生自身的溶胀, 当二者达到一种溶胀平衡,基质沥青性质发生改变,小分子组分减少, 沥青温感性下降, 高温稳定性提高。随着SBS剂量增加,在溶胀的同时, 相互间已形成网络状交联,沥青的高温性能和感温性得到进一步改善,同时低温柔韧性增强, SBS 的网络化作用对荷载与温度疲劳作用的应力消散和能量的消解起到了很大作用,提高了沥青的抗疲劳破坏能力。较高剂量的 SBS 改性沥青的粘度较高, 增强了改性沥青与石料间的粘附作用,提高了沥青的抗水害能力。在实际工程中SBS最佳剂量一般在4%～6% 左右, 如果增加剂量, 会出现二个问题: 一是沥青和 SBS 的相容性问题;一是较高剂量会增加改性沥青的成本。
在离析试验条件下,随着SBS剂量的增大,沥青上下部软化点差别也逐渐增大。剂量低于4%时,改性沥青上下部软化点差小于2.5℃,如果用改性沥青的标准判断,即不产生离析,剂量加大到4%以后上下软化点差剧加大,此时开始离析。SBS剂量从6%增加到7%时,软化点差出现很大的跳跃增长,说明剂量增加到6%时,沥青中的油份,即饱和份和芳香份,已经完全渗透到SBS中,再加入聚合物,已没有多余的油份可与聚合物分子进行溶胀,这时聚合物就更难在沥青中分散。所以工程中应根据实际情况来确定其合适的改性剂量。
SBS改性沥青的性质:
(1)软化点和针入度:评价改性沥青高温性能的指标为改性沥青的软化点和针入度, 软化点是评价沥青塑性流动的物理量。90号沥青的软化点(45℃)低,塑性流动大,所以用它铺筑的路面,在高温季节易产生流动变形,形成路面车辙及推移。在沥青中加入 SBS后,改性沥青的软化点可达60℃以上,提高了改性沥青塑性流动温度。针入度是表示沥青粘性的物理量,改性沥青随着 SBS用量的增加,混合物的粘度增大,针入度值下降。相溶性好的改性沥青,在试验温度下,沥青混合料中的 SBS呈柔软的弹性状态,所以针入度值比较小。从改善温度敏感性出发, 希望在提高软化点的同时, 针入度不要降低太多。由试验结果可以看出: 改性沥青的软化点随 SBS剂量增加而增高,改性沥青的针入度则随 SBS剂量增加而减小。掺加4%～5% SBS的辽河改性沥青与90#基质沥青相比, 软化点增加了21.5～27.5℃,针入度的减小在26.5～29.3(0.1mm)。说明改性沥青感温性能得到进一步改善,抗高温性有明显提高。
(2) 延度和弹性恢复:沥青的延度与其流动能力有关,在较高温度时, 聚合物的延伸跟不上基质沥青的延伸, 改性沥青延度不会由于增加聚合物而改善。在较低温度时, 基质沥青不能承受大的延伸, 而改性沥青的延度会随聚合物含量增加而增长。我国 SBS 改性沥青标准中, 用5℃延度来表征改性沥青的低温抗开裂性能, 5℃延度越大, 表示 SBS 改性沥青的低温抗开裂性能越好。掺加4%～ 5% SBS辽油改性沥青的5℃延度为44.8、47.4cm,弹性恢复值为93%、97%,均超过聚合物改性沥青的技术要求。说明改性后, 低温抗缩裂的能力均有大幅度提高,进一步证明 SBS对沥青具有优越的改善性能。
6 改性剂的选择
改性沥青优良性能得到普遍公认,但使用过程中改性剂选择不当或剂量确定不佳, 都会对沥青路面性能产生不良影响,使改性失败,也会造成重大的经济损失。根据不同的情况,选择不同改性剂是十分重要的。首先要明确改性的目的,是以提高高温性能为主,还是以提高抗裂性能为主,或是以提高与石料的粘附性、增强抗剥离性能为主,或是为了延长路面的使用寿命等。并结合根据所在地区的气候条件、交通状况、改性沥青设备条件、改性目的综合考虑,最好是对不同改性剂的使用效果进行实验比较, 再通过技术经济分析来确定。
根据现有加工能力选择改性沥青的加工方法是非常重要的,同种类改性剂的加工方法不同,有直接加入法,即将改性剂直接投入拌和机与混合料一起拌和,如 SBR胶乳;预混法, 即事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。但有些改性剂必须使用高速剪切、胶体磨、混炼等特殊的加工方式,才能达到改性剂分散均匀的目的。因此,必须根据实际情况选择适宜的加工方式。
TLA湖沥青改性沥青的性能研究 篇10
1 基质沥青与TLA的性能
本研究基质沥青选用秦皇岛70#沥青, 其性能指标见表1, 采用的TLA的性能指标见表2, 技术要求均参照JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[8]。由表1、表2可见, 秦皇岛70#道路石油沥青和TLA的各项技术指标均符合JTG F40—2004的要求。
我国参照英国BS 3690—3—1990《建筑与土木工程用沥青第3部分:沥青与硬沥青、焦油和特立尼达湖地沥青混合料规范》、美国ASTM D5710—2003《特立尼达湖改性沥青规格》、特立尼达和多巴哥TTS590:2002、TTS 593:2002及日本沥青路面设计指南等, 制订了湖沥青改性沥青的质量要求, 具体指标见表3。
2 TLA改性沥青的基本性能
参照目前国内的应用情况, 采用TLA对秦皇岛70#沥青进行改性, TLA的掺量为0%~30%。不同TLA掺量的改性沥青的性能指标见表4。
表4数据表明, 与基质沥青相比, TLA改性沥青在针入度、软化点等物理性能方面有显著改善, 掺加30%TLA可以使基质沥青的软化点从46℃上升到71.5℃。软化点的提高, 表明改性沥青的高温稳定性得到了较好的改善。TLA的掺加使基质沥青的针入度下降, 针入度指数增加, 表明TLA改性沥青对温度的敏感性降低。加入TLA后, 改性沥青的延度下降, 这主要是由于TLA的沥青质含量较高, 导致改性沥青的胶体结构由溶胶型结构转变为溶胶-凝胶型结构;但是TLA掺量达到20%以后, 改性沥青延度下降的趋势变缓。TFOT老化后, TLA掺量较小时, 改性沥青的残留针入度比略有降低;但是随着TLA掺量的增加, 改性沥青的残留针入度比也增加, 这说明TLA的加入可以改善沥青的抗老化性能。
3 TLA改性沥青的流变性能
3.1 TLA对沥青黏度的影响
图1为不同TLA掺加比例的改性沥青的黏度变化。结果表明, 随着TLA掺量的增加, 改性沥青的黏度呈现指数增大。这表明TLA的加入使得沥青的高温稳定性能得到了显著的提高。
3.2 TLA改性沥青的动态流变性能
动态剪切流变试验主要用于评价沥青胶结料的高温稳定性以及耐疲劳性能。动态剪切 (DSR) 试验通过测量沥青胶结料的复数剪切模量 (G*) 和相位角 (δ) 来表征沥青胶结料的黏性和弹性。表5列出了不同TLA掺加比例的改性沥青的DSR试验结果。
对沥青的抗车辙因子试验结果作线性回归进行分析, 回归方程为:
式中, T为温度, ℃;A、B为回归常数。
图2是不同TLA掺加比例的改性沥青抗车辙因子与温度的关系。由图2可以看出, 随着温度的升高, 改性沥青的抗车辙因子逐渐变小;掺加30%TLA的改性沥青的抗车辙因子远大于基质沥青, 说明TLA改性沥青表现出了较高的抵抗车辙变形的能力。
按线性方程进行回归分析, 相位角的回归方程为:
式中, T为温度, ℃;A、B为回归常数。图3是不同TLA掺加比例的改性沥青相位角与温度的关系。相位角反映了沥青材料中黏弹性成分的比例, 相位角变大, 说明沥青材料中黏性成分增多。随着温度的升高, 改性沥青的相位角逐渐变大, 说明改性沥青的黏性成分增多。从图3可以看出, 相位角对温度的敏感性大小顺序为:掺加30%TLA沥青>掺加20%TLA沥青>掺加10%TLA沥青>基质沥青。
4 结论
1) 已有的研究与应用表明, 湖沥青改性沥青表现出优良的抗车辙性能, 在基质沥青中添加一定比例的湖沥青, 能显著改善沥青的高温抗车辙性能。
2) 湖沥青及基质沥青的性能对湖沥青改性沥青的性能有较大影响, 应引起高度重视。不同湖沥青与不同基质沥青具有不同的配伍性, 需要进行试验研究。
3) 湖沥青对沥青的低温性能改善效果也很好, 对于寒冷地区或对低温抗裂性要求较高的地区, 可以采用湖沥青与其他改性剂复配改性, 如将TLA与SBS、SBR配合使用, 可以使沥青混合料在高低温性能方面均能得到较好的改善。
摘要：从特立尼达湖沥青 (TLA) 对基质沥青的改性试验出发, 分析说明掺加湖沥青可以改善基质沥青的性能;通过对比试验表明, 随着湖沥青添加量的增大, 改性沥青的针入度、软化点等基本物理性能以及高、低温稳定性都有了明显的改善。
关键词：特立尼达湖沥青,改性沥青,软化点,黏度
参考文献
[1]沈金安.特立尼达湖沥青及其应用前景[J].国外公路, 2000, 20 (2) :28-31.
[2]沈金安.特立尼达湖改性沥青的性能[J].国外公路, 2000, 20 (3) :30-32.
[3]查旭东, 陈定.TLA改性沥青混合料Ac-13C配合比及性能研究[J].长沙理工大学学报 (自然科学版) , 2008, 5 (3) :8-14.
[4]王琪.TLA改性沥青的研究和应用[J].石油沥青, 2006, 20 (5) :7-11.
[5]潘放, 徐伟, 胡志涛.特立尼达湖改性沥青在开阳高速公路中应用的初步研究[J].公路, 2003 (8) :113-116.
[6]梁辉如.TLA改性沥青在广韶高速公路处治中的应用[J].中外公路, 2005, 25 (4) :182-184.
[7]柳浩, 王建国, 石效民.千里达湖沥青改性国产重交通沥青的路用性能研究[J].石油沥青, 2001, 15 (2) :41-42.