改性剂对沥青混合料性能的影响

沥青混合料高温稳定性试验检测方法及其影响因素

[摘要]本文介绍沥青混合料车辙试验方法，分析沥青混合料高温稳定性的影响因素。

【关键词】沥青混合料；高温稳定性；车辙；动稳定度

一、概述

沥青混合料是一种典型的流变性材料，它的强度和变形量随着温度的升高而降低。所以沥青混凝土路面在夏季高温时，在重交通荷载的重复作用下，由于交通的渠化，在轮迹带逐渐形成变形下凹、两侧鼓起的所谓“车辙”，这是高速公路沥青路面最常见的病害。众多研究表明，动稳定度能较好地反映沥青路面在高温季节抵抗形成车辙的能力。

二、沥青混合料高温稳定性的检测方法

检测沥青混合料高温稳定方法有很多，如：最常见马歇尔稳定度试验和三轴压缩试验。由于三轴试验较为复杂，所以马歇尔稳定度被广泛采用，并且已成为国际通用的方法。辽宁高速公路有着的多年经验，我省采用车辙动稳定度试验（以正式列入《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）来评价沥青混合料的抗车辙能力。

1、原理

沥青混合料的车辙试验是试件在规定温度及荷载条件下，测定试验轮往返行走所形成的车辙变形速率，以每产生1mm变行的行走次数即用动稳定度表示。

2、试件成型

车辙试件采用轮碾法制成，尺寸为300mm*300mm*50-100mm。（厚度根据需要确定）。也可以从路面切割得到需要尺寸的试件。碾压轮为与钢筒式压路机相似的圆弧形碾压轮，轮宽300mm，压实线荷载为300N/cm，碾压行程为试件宽度即300mm，经碾压后的试件的密度应为马歇尔试验标准击实密度的100±1%。

3、沥青混合料车辙试验方法

将试件连同试模一起，置于已达到试验温度60℃±1℃的恒温室中，保温不少于5h，也不得超过12h。之后，将试件连同试模移置于车辙试验机的试验台上，试验轮在试件的中央部位，其行走方向必须与试件碾压方向或行车方向一致。启动试验机，使试验轮往返行走，时间1h，记录仪自动记录变形曲线及时间温度。

SBS改性沥青改性剂掺量及改性效果评价鄂宇辉(辽宁省交通工程质量与安全监督局,沈阳󰀁110005)󰀁󰀁摘󰀁要󰀁SBS改性沥青在国内外已广泛应用,但由于缺乏改性剂掺量与改性效果的快速检测方法,无法对其质量进行有效控制。通过系统的室内试验及相关理论分析,最终确定检测与控制方法。󰀁󰀁关键词󰀁SBS改性沥青改性剂掺量改性效果1󰀁SBS改性沥青1.1󰀁SBS简介SBS(Styrene-Butadiene-Styrene)是一种热塑性弹性体,它是由苯乙烯(硬段S)和丁二烯(构成软段B)组成的,采用阴离子聚合制得的线型或星型嵌段共聚物。分子中间是聚丁二烯,两端是聚苯乙烯。其中丁二烯为软段即弹性段,苯乙烯段为硬段。软段作为连续相,使SBS呈高弹状态,硬段分布于丁二烯之间作为分散相起固定和补强作用。温度升高到超过苯乙烯玻璃化温度(+80󰀂)时,网状结构消失,冷却后又重新形成。由于SBS具有二相结构,因此具有两个玻璃化温度(-80󰀂相当于丁二烯的玻璃化温度)。在-80~+80󰀂范围内,SBS兼具橡胶的弹性和树脂的热塑性,因此具有很好的变形自恢复及裂缝自愈能力,是理想的沥青改性剂。国外的SBS最早是由美国菲利浦公司于1963年开始工业化生产的,随后全世界开始广泛应用。我国利用SBS改性沥青技术是在20世纪80年代初,到目前为止,SBS改性沥青已广泛地应用到高等级公路、市政工程和机场跑道。1.2改性基理SBS之所以能被广泛地用于沥青的改性与它独特的结构有关,在SBS的结构中,硬质的聚苯乙烯端链被聚丁二烯弹性体中央端连接起来,聚苯乙烯和聚丁二烯在常温时有不相容性,共聚物中分子链之间的聚苯乙烯内聚能密度较大,其两端首先分别与另外的聚苯乙烯聚集在一起,形成许多有约束成分的物理交联区域,同时又因其嵌段是柔性的聚丁二烯,可以形成网状结构。这种网状结构具有理想的弹性、塑性和延展性,从而改变沥青的力学性能,但是只有当沥青中的油分使聚合物充分溶胀后才能形成连续网络。由聚合物引起的油流动,可造成沥青胶体体系的不平衡,即使沥青中的芳香分、胶质与沥青质不相容,导致部分或全部沥青质絮凝。已有的试验表明各类改性沥青中,SBS改性沥青的抗永久变形能力最好。聚合物改性沥青一般指物理改性,即聚合物均匀分散沥青中形成聚合物与沥青的混和料。聚合物在沥青中分散均匀程度决定了改性的效果。由于改性道路沥青中SBS的加入量较少,可以理解为SBS是在沥青中发生溶解。这种溶解包括两个过程:先是溶胀过程,然后是扩散过程。即SBS首先吸收沥青中低分子物质溶胀体积增加,然后在热力或机械力的作用下以一定的状态分散在沥青中。当SBS加到热沥青中,沥青开始渗透,进入SBS粒子中,引起SBS的苯乙烯团逐渐溶胀,这时对溶胀的SBS加入强力剪切,在理想的拌和时间内会得到令人满意的分散体系。如果SBS能够均匀分散在沥青中,甚至形成相互交联的网状结构,不但可以改善沥青的高温性能,而且可以明显改善其抗低温变形能力。相反,如果SBS在沥青中分散不均匀或出现凝聚,会出现由于应力集中而使延度降低,SBS改性作用降到最小,甚至有负作用。因此考虑SBS与沥青相容性和分散性可通过低温延度试验来确定。如果SBS在沥青中呈现高相容和高分散则沥青低温延度明显增加。总之,基质沥青通过SBS改性后,高温稳定性有了大幅度提高,低温抗裂性得到增强,温度敏感性减弱,弹性恢复能力提高。2󰀁改性剂对改性沥青性能的影响影响改性沥青的因素有很多,如:基质沥青的质量、改性剂的质量、改性剂的掺量、改性沥青的加工工艺、改性沥青的储存及运输方法等。由于本文假 23 第8期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁北方交通定在基质沥青、改性剂均已进场,加工工艺、储存及运输方法一定的前提下,对改性沥青的改性效果进行研究,因此主要介绍改性剂对改性沥青性能的影响。改性剂的添加作用主要体现在:提高沥青的软化点;使沥青的25󰀂针入度下降;使延度的温度敏感性降低,5󰀂延度有很大提高。改性剂数量的多少直接决定改性的效果。SBS掺量为4%左右时,SBS对沥青软化点的改善效果与基质沥青类型密切相关;SBS掺量为6%时,不同基质沥青制成的改性沥青软化点则差别不大。这主要是由于SBS掺量为6%,SBS已在基质沥青中形成了较完善的网络状结构,改性沥青此时的软化点主要取决于分散的SBS数量及网络状结构的完善程度,而与基质沥青关系不大。从研究结果来看,SBS在沥青中形成网状结构的掺量应在4%~6%或6%左右。因此,国内在改性沥青生产中的SBS掺量取4%~6%是比较合适的。随SBS掺量增大,延度值有下降之后的回升趋势,这是由于延度试验时改性沥青破坏形态上的差异或由于SBS网络结构改变了基质沥青的变形特性的结果。同时,随温度降低而延度下降比较明显,但在一定温度条件下(5~10󰀂),随粉体SBS掺量的增大,延度先减小,后增大,呈凹曲线变化的趋势。基质沥青在温度5󰀂左右时延度下降十分显著,相比之下,SBS改性沥青在此温度区域内,延度下降幅度较小。这主要是由于SBS在改性沥青中形成网络状结构,同时SBS网在5󰀂温度区域内具备很好的变形适应能力,而SBS掺量较小时SBS网不够完整,这种改性沥青(如SBS掺量2%、4%)5󰀂延度相对基质沥青有所改善,但比SBS掺量大的改性沥青5󰀂延度要低得多。这充分证明,SBS网状结构对沥青变形性能的实质性影响。3控制指标的研究3.1改性剂质量及掺量控制的现状当前,由于受行业的限制,道路部门还无法对改性剂的质量进行检查,只能通过厂家的出厂合格证明予以确认,因此只能充分相信改性剂生产厂家并通过妥善的保管来确保SBS的质量不受影响。改性剂必须存放在通风条件良好的室内,并且注意防火;码垛不要太高,避免成团结块;生产时随用随时搬到现场,避免紫外线照射引起发黄变质;不用的要及时搬回室内避免雨淋受潮。而SBS改性剂含量的检测技术目前是一项空白,由于无法检查出改性沥青中SBS的含量,因此只能通过有效控制生产时SBS的掺量这一关键环节,这样就要求现场监理每天都应该对控制室的数据设置进行检查,认真核实操作人员是否按照给定的配比进行生产,确实保证改性剂的掺量,除此之外还可以通过改性剂每天的实际用量与当天的沥青混合料的实际数量进行校核来判断改性剂的掺量是否满足设计要求。即使通过这样的双控,我们由于没有任何检测手段,仍无法对改性沥青的掺量进行真实、有效的控制。因此,只能通过改性沥青性能对改性剂掺量进行控制并对改性效果进行评价。然而,仅规范规定的改性沥青的检测指标就有10多项,进行全套检验最少需要3d,这必然会影响工程进度,而且如果进行事后检验,必然会造成很大的经济损失。因此选取决定改性沥青路用性能的关键指标做室内试验,通过指标随改性剂掺量变化趋势及敏感性分析,来确定改性剂掺量控制及评价改性沥青改性效果的指标。3.2各检验指标的比较分析及室内试验根据辽宁省路面工程中应用改性沥青的实践经验,改性剂的最大掺量为内掺5%,因此主要是通过检测不同改性剂掺量的改性沥青的各项主要指标(针入度、软化点、延度、135󰀂运动粘度及60󰀂动力粘度),来研究改性剂掺量变化对沥青性能的影响。并通过各种试验操作难易程度、精度、操作所需时间及费用等方面的综合分析,最终确定检验指标。改性剂掺量变化范围从1.0%到5.5%,以体现性能指标的变化趋势。考虑到普通公路应用改性沥青时,改性剂掺量较小。因此在较常用的应用范围(3%~5%)以0.5%为步长,以便通过性能指标的检测对改性剂掺量进行精确控制。根据试验结果绘制各指标随改性剂掺量变化图。

第３８卷第２３期　２　０　１　２年８月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏｌ＿３８　Ｎｏ．２３　Ａｕｇ．　２０１２　・１２３・　

文章编号：１００９—６８２５（２０１２）２３—０１２３—０３　

改性剂对高模量沥青混凝二　二水稳定性影响研究　

杨步高　

（１．山西远方路桥（集团）有限责任公司，山西大同　陆　飞　

０３７０００；　２．中交路桥技术有限公司，北京１０００００）　

摘要：指出高模量沥青混凝土（ＨＭＡＣ）具有优异的抗车辙性能，但是其：水稳定性受改性剂影响很大，通过残留稳定度和冻融劈　

裂强度试验，测试两种不同的改性剂及掺量的ＨＭＡＣ的水稳定性，研究了ＨＭＡＣ的水稳定性受改性剂种类及掺量影响的规律，为　

ＨＭＡＣ的设计提供一定的理论依据。　

关键词：高模量沥青混凝土，改性剂，水稳定性，残留稳定度，冻融劈裂强度　

中图分类号：ＴＵ５２８．４２　文献标识码：Ａ　

高模量沥青混凝土（ＨＭＡＣ）最早出现于２０世纪８０年代的法　

国，并申请了专利。对ＨＭＡＣ的应用最初是在旧路面补强时，作　

为基层使用。随着技术的成熟，通过改变沥青种类及含量、掺加　

改性剂，或调整混合料级配，发展出了很多种类的ＨＭＡＣ，它们都　

具有很高的模量和良好的抗车辙性能。近年来，我国对ＨＭＡＣ开　

展了一定的研究，并铺筑了一定的试验路，取得了阶段性的成果，　

且开发出了自己的ＨＭＡＣ外掺剂（ＰＥ／ＰＰ）…。众所周知，ＨＭＡＣ　

具有良好的抗车辙性能，但是对比几条试验路发现，ＨＭＡＣ路面　

的抗水损害性能表现不一，很多因素都可能导致ＨＭＡＣ水稳定性　

则稍小。　

图６剪切试验夹具及试件　

表３剪切试验数据汇总表　

混合料　试验温度６０℃　试验温度２０℃　试验温度一１０　剪切力／ｋＮ　剪切力／ｋＮ　剪切力／ｋＮ　类型　测定值　平均值　测定值　平均值　测定值　平均值　２．２　７．５　４０．４　７０号　３．０　２．８　８．０　８．２　３６．２　３７．Ｏ　沥青正常　３．２　９．０　３４．４　３　８　９．６　３６．６　５Ｏ号　４．４　４．２　９．４　９．７　３２．２　３４．７　沥青富油　４．４　１０．０　３５．２　的不足　。本文主要探讨改性剂的影响，选用不同掺量的改性　

SEAM硫磺改性沥青性能概述

硫磺是性能优良的沥青改性剂，硫磺改性沥青混合料的强度和高温稳定性远高于普通沥青混合料和大部分改性沥青混合料，同时拌合温度低于普通沥青混合料20~30。C，是一种适用于重载交通且节能环保的路面材料。

一、 硫磺沥青对材料的要求，为保证硫磺改性沥青的水稳定性，基质沥青应选用90#沥青，且掺量不宜大于40%。使用石灰岩集料的硫磺改性沥青混合料的水稳定性要好于使用玄武岩集料的硫磺改性沥青混合料，分析表明，硫化沥青与碱性集料的黏附性较好，若使用中性或酸性集料时，应同时采取抗剥落措施，并应进行水稳定性检测。胺类和非胺类抗剥落剂都能提高硫化沥青的水稳定性，以非胺类抗剥落剂更好。

二、 水稳定性随着孔隙率的降低而提高，因此在一定条件下可通过降低孔隙率来提高硫化沥青的水稳定性而不必担心硫化沥青出现波动变形，硫化改性沥青混合料路面压实度应控制在98%以上。

三、 SEAM硫磺改性沥青对沥青混合料的低温性能的改善不明显。

四、 硫磺掺量在15~25%之间时，硫磺与沥青发生化学反应形成硫化沥青，减少了基质沥青的油份，提高了黏附性，超过这一限量值，将不再提高沥青的黏附性。

五、 硫磺掺量为10%时，改性沥青的各项力学性能均不及普通沥青混合集料，掺量为15%时水稳定性最佳；掺量超过30%，硫化沥青的抗车辙和抗疲劳（动稳定度和60min位移指标）性能增长变缓甚至会出现下降(主要与基质沥青性能有关)；在掺量为40%以下时，掺量越大，抗高温变形能力越强。

改性沥清的作用机理

硫磺能与沥青发生化学反应，减少沥青的油份（芳香分和胶质），增加饱和分和沥青质。超量掺加的硫磺会以非常细的晶体均匀分布在沥青中，结晶硫会在混合料中形成晶体网状结构，增加沥青混合料的结构强度和稳定性，掺量大于30%的沥青混合料的高温稳定性较低掺量的好。硫化沥青混合料的施工温度应不大于150。C