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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀……………3<

2、/p><p>　　2.1改性瀝青混合料在國(guó)內(nèi)的發(fā)展 …………………………3</p><p>　　2.2改性瀝青混合料在國(guó)外的發(fā)展……………………………4</p><p>　　2.3國(guó)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(jí)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(cè) …………………………………………………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(kāi)放以來(lái)，國(guó)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(zhǎng)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(chē)車(chē)輪動(dòng)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(chē)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(zhǎng)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　2.1改性瀝青混合料在國(guó)內(nèi)的發(fā)展</p><p>　　

8、我國(guó)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(píng)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(jī)。隨著我國(guó)高速公路的發(fā)展以及交通重載化的形成，路面車(chē)轍、松散、裂縫等病害越來(lái)越嚴(yán)重，在高等級(jí)道路上使用改性瀝青及其混合料技術(shù)的必要性越來(lái)越被人們認(rèn)識(shí)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(jiǎn)單機(jī)械攪拌，到今天的高速剪切和膠體磨，我國(guó)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(zhuān)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(kāi)發(fā)，1964年在低等級(jí)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(guó)范圍內(nèi)得到推廣。20世紀(jì)70年代初，我國(guó)開(kāi)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(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比有很大差距。20世紀(jì)80年代末，我國(guó)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(mén)內(nèi)小規(guī)模地推廣使用。直到首都機(jī)場(chǎng)高速公路首次引進(jìn)奧地利NOVOPHALT改性瀝青技</p><p>　　我國(guó)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(zhuān)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(guò)各種測(cè)試方法從微觀角度對(duì)SBS改性瀝青的結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)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(dòng)態(tài)黏彈儀對(duì)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(guò)對(duì)SBS改性瀝青動(dòng)態(tài)黏彈性能的測(cè)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(huì)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(píng)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(duì)較短，同時(shí)也受到研究測(cè)試手段的限制，目前對(duì)改

13、性瀝青試驗(yàn)方法和評(píng)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(jiǎn)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(lái)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(píng)價(jià)改性瀝青的方法有四大類(lèi)：</p><p>　　(1)采用瀝青性能指標(biāo)的變化程度來(lái)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(duì)于廣大工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，這些指標(biāo)測(cè)定方法簡(jiǎn)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(duì)改性瀝青的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)方法，如彈性恢復(fù)試驗(yàn)、測(cè)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(guó)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(dòng)態(tài)流變剪切(DSR)、彎曲流變儀(BBR)、直接拉伸試驗(yàn)(DDT)、測(cè)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(guó)外的發(fā)展</p><p>　　國(guó)外很早以前就開(kāi)始利用各種改性劑對(duì)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(zhuān)利的報(bào)道；187

16、3年英國(guó)公布了橡膠改性瀝青專(zhuān)利，但因當(dāng)時(shí)汽車(chē)數(shù)量較少，這一技術(shù)沒(méi)有得到足夠的重視。法國(guó)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(lái)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(píng)價(jià)[16]。1937年，英國(guó)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(guó)、荷等國(guó)家也紛紛開(kāi)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(guó)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(guó)外開(kāi)始大量運(yùn)用熱塑性樹(shù)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(guó)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(kāi)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(guò)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(guò)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(zhǎng)期老化過(guò)程，認(rèn)為長(zhǎng)期老化對(duì)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(cè)混合料長(zhǎng)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?xún)?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(wú)法達(dá)到分子水平的相容，這種溶脹作用破壞原來(lái)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(guó)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(duì)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(duì)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(cè)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(lèi)，不同標(biāo)號(hào)的瀝青對(duì)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(pán)錦50號(hào)基質(zhì)瀝青，盤(pán)錦90號(hào)基質(zhì)瀝青，盤(pán)錦110號(hào)基質(zhì)瀝青，茂名50號(hào)基質(zhì)瀝青，殼牌50號(hào)

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(lèi)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(duì)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(mǎn)足表3-1[26]。而細(xì)集料應(yīng)潔凈、干燥、無(wú)風(fēng)化、無(wú)雜質(zhì)，并有適當(dāng)?shù)念w粒級(jí)配，其質(zhì)

25、量標(biāo)準(zhǔn)要滿(mǎn)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(guò)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(chē)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(mǎn)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(mèng)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(mǎn)足表3-4的質(zhì)量要

28、求，若不滿(mǎn)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(pán)錦A-50瀝青。改性瀝青二為：用Finaprene401（星型）改性盤(pán)錦A-70瀝青。改性瀝青三為：用Finaprene401（星型）改性盤(pán)錦A-90瀝青。改性瀝青四為：用Finaprene503（線型）改性

29、盤(pán)錦A-50瀝青。改性瀝青五為：用Finaprene503（線型）改性盤(pán)錦A-70瀝青。改性瀝青六為：用Finaprene503（線型）改性盤(pán)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(jí)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(jí)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(jí)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(guó)，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

34、t;p>　　[5] 梁乃興，李明國(guó)，SBS改善瀝青路用性能及機(jī)理研究，長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22（2），17-19，</p><p>　　[6] 王仕峰，張玉軍，王迪珍等，SBS改性瀝青的老化行為，加工應(yīng)用，2003,26（5），301-304</p><p>　　[7] 劉祖廣，王仕峰，王迪珍，SBS改性瀝青的結(jié)構(gòu)與性能，合成橡膠工藝，2004，1</p><

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(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，23（2）</p><p>　　[10] 袁萬(wàn)杰、陳忠達(dá)、孫長(zhǎng)新，底劑量SBS改性瀝青的路用性能，長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（9），29(5)</p>&

36、lt;p>　　[11]梁曉莉，SBS改性瀝青試驗(yàn)特性研究，碩士學(xué)位論文，長(zhǎng)安大學(xué)，2005。</p><p>　　[12] 欒自勝，雷軍旗，屈仆等，SBS改性瀝青低溫性能評(píng)價(jià)方法，武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,32(2)</p><p>　　[13] 林江濤，樊亮，周海防，SBS改性瀝青離析試驗(yàn)影響因素及商榷，中外公路，2011，31 （5） </p><p>

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