改性沥青及其加工技术(5.29).ppt
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1、2019/6/15,改性沥青及其加工技术,主讲人:张宏武 山西省交通科学研究院,主要内容,改性沥青类型及路用性能 改性沥青机理 改性沥青加工技术 改性沥青采购管理,一、改性沥青类型及路用性能,定义:掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、天然沥青、磨细的橡胶粉,或者其他材料等外掺剂(改性剂)制成的沥青结合料,从而使沥青或沥青混合料性能得以改善。,1改性沥青定义及类型,2国外改性沥青应用发展,1898年: 法国开始在沥青中掺配天然橡胶 1960年前: 天然橡胶(NR) 1960-1971:合成橡胶(SBR胶乳为主) 1971-1978:合成橡胶为主,树脂(塑料)开始试用 1978-1987:树脂(EVA、
2、PE、PP等) 1987-1992:树脂、半氧化、天然沥青为主,SBS开始试用 1995: 热塑性弹性体SBS成为聚合物改性的主流材料 2011年世界聚合物改性材料统计 SBS:61%(大量用作高粘度、高弹性沥青) SBR:14%(主要用于法国,需掺硫5-10%,现已很少应用) EVA:19%(是树脂中少有的能形成三维网络结构的材料,但刚性大、影响沥青脆点) EEA: 3% PE(聚乙烯):3%,沥青结合料贡献:高温40 低温90,2国内改性沥青应用发展史,70年代:渣油吹氧稠化、掺配特立尼达(TLA)或阿尔巴尼亚稠沥青等改性 的方法,提高结合料稠度,解决推拥病害 80年代末:掺丁苯、氯丁橡胶
3、、废轮胎粉等改性沥青和掺金属皂(早期) 重载和渠化交通条件采用重交通标准进口基质沥青,仍出现流动 性车 辙问题 1992年:路安特 Novophalt 现场改性技术,使改性沥青从研究试验逐步发 展到大规模生产应用 青藏公路SBR改性沥青;1995年北京机场路、机场东跑道、八达 岭高速公路采用PE+SBS复合改性;1997年通顺路、北京东西长 安街采用SBS改性 21世纪:SBS改性为主,SBR改性、橡胶沥青等,2国内改性沥青应用发展史,采用改性沥青后,高速公路工程成本增加不足1%,但对确保工程质量却有重要的作用。改性沥青不是需不需要的问题,而是认识不认识的问题,是早认识、早受益的问题。 现在,
4、SBS、SBR、PE等改性材料国内可满足供应,由于胶体磨、高速剪切机的进口和国产化,只需配备适当的计量和储存装置,即可生产改性沥青成套设备。目前,一批具有国内独立知识产权的国和产进口设备已在生产中广泛使用,预混式改性沥青可工厂化生产,也可在工地现场加工。在现场加工的方式中,施工单位可自行生产,也可用招标方式委托加工,从而为保证工程质量、降低工程成本创造了条件。,3路面用改性沥青类型,3路面用改性沥青类型,橡胶沥青,橡胶粉吸收沥青中饱和分与芳香分轻质油分,重质组分增加,粘度增加,延缓反射裂缝 防水粘结 高温抗车辙能力 抗滑、低噪、耐老化 节约资源、循环利用,橡胶沥青(AR)是指沥青、回收轮胎橡胶
5、和某些添加剂混合而成的胶结料,橡胶成分最少占到总量的15,3路面用改性沥青类型,抗车辙改性剂,嵌挤、加筋、胶结作用 对基质沥青几乎没有选择性 添加生产工艺简单 抗车辙性能显著 沥青用量少、易摊铺碾压 抗油污性强,低密度PE 沥青混合料质量的0.30.5,(1)改性材料的改性效果因所用材料种类(沥青品质、改性材料类型)和用量而异,主要改性效果如下表,4改性材料的改性效果,沥青改性效果因素表,沥青改性效果因素续表,4改性材料的改性效果,5%相同掺配剂量时常用几种改性沥青的技术指标比较如下表,4改性材料的改性效果,5%相同掺配剂量时常用几种改性沥青的技术指标比较续表,4改性材料的改性效果,在相同掺量
6、条件下,从改性沥青软化点、延度、低温脆点、弹性恢复、针入度指数PI、粘韧性等指标衡量,星型SBS均优于线型SBS 星型SBS是当今最好的沥青改性材料,而星型SBS改性乳化沥青的生产和应用,因其具有较高科技含量和良好的使用效果,因此是高速公路建、养工程中性能最好的乳化沥青改性材料。,4改性材料的改性效果,5. SBS掺配剂量对沥青技术指标的影响,(1)以90号A级壳牌沥青为例,掺配不同星型SBS后的改性效果比较见下表,6改性沥青的合理技术指标,现行规范(JTG F40-2004)改性沥青技术标准基本参照美国1991年AASHTO标准,但取消了60粘度、增加了PI指标,部分数值作了调整。标准是偏低
7、的。,(1)规范标准未能反映道路等级(高速和一般)、轴载(轻、重车)、地形(山岭和平原)、气候(不同气温)诸多外界因素影响,因此在2005年全国高温条件下,许多改性沥青采用规范标准的高速公路均出现车辙、推拥病害,实践证明现技术标准偏低。 (2)美国SHRP计划研究成果提出的沥青PG指标,从对沥青胶结料抗车辙、抗疲劳和抗低温开裂能力考虑,对具体应用的沥青高低温指标分别作出规定。考虑到沥青面层温度可比实际气温高约20,因此提出PG分级标准后,一般地区宜用的PG标准为64-22(高温64,低温-22),寒冷地区用58-28等级沥青。,PG标准高温等级一级为6,若在64基础上提高两个等级,则应满足平均
8、7d最高路面设计温度76的要求。由于改性沥青软化点温度一般应高于路面设计高温指标,因此用于有重载交通的山区高速公路改性沥青软化点至少应76,规范SBS改性软化点60标准是偏低的。, EASLS(18kPi轴载累计交通量)1000万次增加一个高温等级; EASLS3000万次增加二个高温等级; 慢速交通(70km/h)和停滞交通(20km/h)分别增加1-2个高温等级,但不必同时考虑。,但实际应用时PG高温等级的确定还要考虑以下因素:,6改性沥青的合理技术指标,6改性沥青的合理技术指标,我国大部分地区夏季最高气温均较高,对改性沥青热稳定性要求非常高,考虑大型车(轴载100kN)交通量比仅考虑七月
9、平均最高气温和气候分区因素更加合理,同时地形条件(车速)也是重要因素,重载、地形、气温是形成车辙的三要素。 不同地区改性沥青技术标准要求应因交通荷载条件(交通量、轴载)、地形(长大纵坡)、渠化交通条件及当地气温而定,建立切合实际的改性沥青地方标准。,山西省考虑到80%以上为山丘区,高速公路重车较多等特点,山西省地方标准(DB14)对SBS改性沥青采用下表技术标准:, 山西SBS改性沥青的技术要求,与规范相比,对改性沥青针入度指标PI、5延度、软化点、弹性恢复、TFOT后残留物针入度比和5延度指标均有所提高,除此之外,还增加了对改性沥青SBS磨细度及在搅拌条件下储存稳定性的要求,从而进一步保证了
10、改性沥青的使用质量。 对改性沥青混合料热稳定性(DS)要求如下:上面层DS5000(次/mm、60、0.7MPa), 中面层DS3000(次/mm、60、0.7MPa)。,6改性沥青的合理技术指标,近年来,特重载交通条件下的山岭重丘区长大纵坡段高速公路上中面层SBS改性沥青软化点、动稳定度指标要求值为: 上面层:软化点90,动稳定度6000次/mm 中面层:软化点85,动稳定度4000次/mm,6改性沥青的合理技术指标,70 动稳定度,7单层改性与双层改性问题,改性沥青面层原则上应采用10cm厚度内双层改性,具体原因如下: (1)沥青面层1-9cm深度内所受剪应力最大(右图) (2)早期单层改
11、性山区高速公路开挖断面检查发现,4cm上面层厚度基本无变化,而6cm下面层因未改性而被挤至行车带两侧形成车辙。 (3)重载交通长大纵坡路段(2.5%坡度)甚至采用三层改性,二、改性沥青 机理,1改性沥青机理,目前公认的改性机理有物理共混和化学共混改性机理两种。 SBS改性机理主要为物理共混。,物理化学改性 在物理改性的基础上,引入化学稳定剂,使SBS与沥青发生交联反应,形成相对稳定的胶体体系,使SBS既不发生离析又不发生SBS降解,以实现产品长期储存、长距离运输。 离析和降解是物理化学改性沥青的技术核心。 离析:聚合物析出、分层 降解:聚合物降解性能衰减,1改性沥青机理,物理改性: SBS物理
12、改性就是将SBS与沥青按一定的比例,在180 左右搅拌溶涨,通过剪切研磨,使SBS颗粒达到5微米以下,与沥青混合的过程。所形成的沥青体系是非稳定体系,产品需要不停搅拌,停止搅拌SBS就凝聚成大胶粒从沥青中析出。 在沥青中加入聚合物以后,聚合物分子受到沥青组分中芳香分、饱和分的作用发生溶胀和溶解,而均匀分散在沥青中形成共混体系。物理共混中没有化学作用发生,仅是物理作用。 为达到较好的物理混合,要求聚合物与沥青之间具有较好的相容性、溶解性和分散性等。,1改性沥青机理,化学改性 稳定剂组成: 引发剂(A)+活化剂(B)+交联剂(C) 稳定剂反应机理: 在一定的温度下,将SBS粉碎到一定细度吸取沥青中
13、的饱和烃、芳烃,体积溶胀,形成网状结构,在引发剂和活化剂的存在下,交联剂参与反应,形成稳定的胶体体系,从而达到SBS改性沥青体系稳定和长期热储存的目的。,改性沥青的相容性是指改性剂以微细的颗粒均匀、稳定地分布在沥青中,不发生分层、凝聚或者相分离的现象。它取决于改性剂和沥青两种不同的相界面上的相互作用,两者的溶度参数或分子结构越是接近相容性越好。,1.1 相容性,聚合物在沥青中的均匀分散和充分溶胀提高相容性 一般认为,芳香分能够促进SBS苯乙烯嵌段在沥青中 的溶胀,使聚合物分子间的距离增大,作用力降低,摩擦 力下降,运动能力增强,从而增加SBS与沥青间的相容性。,1.1 相容性,关于溶解性: 聚
14、合物在沥青中应有较好的溶解性,溶解度参数是聚合物和沥青之间相容性量度的重要指标,为内聚能密度的平方根; 沥青与聚合物之间的溶解度参数相差越小,两者间的相容性越好。,聚合物加入到沥青后,在沥青中轻质组分的作用下发生溶胀,表现出区别于聚合物又不同于沥青界面的性质。 溶胀是改性沥青稳定的保障。 在高剂量聚合物情况下,聚合物在沥青中的溶胀程度降低,但可形成网状结构,使沥青性质发生显著的改善。,1.2 溶胀,1.3 分散性,关于分散性: 聚合物在沥青中分散的越均匀,聚合物改性沥青的性能就越 好,分散性的好坏与改性沥青中聚合物含量、分布状态、粒径大小 和极性强弱有关。 聚合物含量较少时,沥青为分散介质,呈
15、连续相,聚合物为分 散相;聚合物含量较大时形成反相。,5%SBS改性沥青,3%SBS改性沥青,2.1 改性剂种类 不同种类的聚合物或同一类聚合物由于剂量、粒子大小的差异,均会产生不同的改性效果。 基质沥青的溶度参数通常变动在89(卡/厘米3)1/2之间。因此,适合于改性沥青的改性剂应在这一范围内遴选。,2影响沥青改性效果的因素,1)SBS,2影响沥青改性效果的因素,可改善高温与低温 以丁二烯1.3苯乙烯为单体,通过离子聚合而成的嵌段聚合物 硬段(S段)聚苯乙烯段 软段(B段)聚丁二烯段 玻璃化温度有两个: Tg180(聚丁二烯) Tg2+80+100(聚苯乙烯),1)SBS,2影响沥青改性效果
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