用于排水沥青路面的高黏度改性沥青的制备及性能_张增平.pdf
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1、收稿日期:基金项目:北京市重点实验室开放课题项目()作者简介:张增平(),男,陕西蓝田人,教授,工学博士,:。第 卷第期 年月长安大学学报(自然科学版)()张增平,陈俐企,黄婷,等 用于排水沥青路面的高黏度改性沥青的制备及性能 长安大学学报(自然科学版),():,(),():用于排水沥青路面的高黏度改性沥青的制备及性能张增平,陈俐企,黄婷,班孝义,刘浩(长安大学 教育部特殊地区公路工程重点实验室,陕西 西安 )摘要:为制备出适用于排水沥青路面的高黏度改性沥青,并降低使用成本,运用熔融共混工艺,将苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物()、天然增黏树脂()以及少量增塑剂混炼得到新型热塑性高黏度改性剂(),
2、用其制备新型高黏度改性沥青(),并对其改性效果进行研究。选用传统 、作为对照组进行对比分析。首先通过针入度、软化点、延度、动力黏度、布氏黏度、弹性恢复试验研究不同掺量对沥青常规物理性能的影响,确定出 的最佳掺量范围;其次通过黏度试验分析高黏度改性沥青的黏流特性,借助傅里叶变换红外光谱()试验、差示扫描量热()试验探析高黏度改性沥青的改性机理;最后利用动态剪切流变()试验和弯曲梁流变()试验评价高黏度改性沥青的高低温流变性能。试验结果表明:最佳掺量(质量分数,下同)范围为 ,制备的高黏度改性沥青常规物理性能 满足 规 范要求。的成 本 仅 为 市售 高 黏 改 性 剂 、的 、,能够显著降低高黏
3、度改性沥青的使用成本。基质沥青与 共混过程中既存在物理 改 性,同 时 伴 随 有 化 学 反 应 的 发 生。的 黏 流 活 化 能小 于 、,具有更好的温度稳定性及施工和易性。相比于 和 ,对沥青的高低温性能改善效果更为显著,改性后的沥青具有优异的高温抗车辙性能和低温柔韧性。关键词:道路工程;高黏度改性剂;改性机理;流变性能;高黏度改性沥青中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,()(),(),(),()(),()(),(,),:;引言随着“海绵城市”项目建设的提出与发展,排水沥青路面凭借优良的服务功能受到了越来越多的关注,在国外拥有“顶级功能路面”之称。排水沥青路面采用单一粒径
4、碎石为主、按照嵌挤机理形成的具有骨架空隙结构的开级配沥青混合料,这种结构的特点是空隙率大,压实后空隙率在 以上,具有迅速排除路表水,减小行车路面水膜厚度,提高路面与轮胎之间的摩擦力,吸声降噪,提高行车安全性和舒适性的特征。但大空隙率也导致沥青结合料与空气、水分、光等环境因素接触面积增大,在多种不利因素耦合作用下,容易引起沥青的老化或加速沥青从集料表面剥离,进而导致路面病害的发生。另外,排水沥青混合料中粗集料含量可达 以上,而细集料较少,结构强度主要来源于粗集料形成的嵌挤骨架和沥青结合料的黏结力,为此要求结合料对集料有高强的黏结性和抗剥离性,普通沥青无法满足实际应用要求。为保证沥青混合料具有良好
5、的耐久性能,保持路面的整体性,减少路面病害的发生,应选用高黏度改性沥青作为沥青结合料,增强对集料的裹覆能力及黏结强度。高黏度改性沥青可以显著提高排水沥青混合料的抗水损、抗车辙和抗飞散破坏,提高路面耐久性,被广泛应用于排水沥青路面中。其制备方法主要是通过物理剪切将一种或多种改性剂分散在沥青中。苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物()作为一种传统沥青改性剂,能显著提高沥青的高温抗车辙、低温柔韧性、耐老化等性能,是目前应用最为广泛的聚合物改性材料之一,其中利用 与其他聚合物复合改性制备高黏度改性沥青是提高沥青路用性能、降低施工成本的有效途径之一。等利用 、增塑剂、交联剂制备得到一种新型高黏度改性沥青,研究发
6、现交联剂的使用能促使聚合物网状结构的形成,提高改性沥青的抗老化性能,增塑剂能够促进 在沥青中的溶胀与分散,进一步提升交联剂的作用效果,但降低了改性沥青的抗车辙性能。丛玉风等利用 与 石油树脂对基长安大学学报(自然科学版)年质沥青进行复合改性,研究发现 石油树脂能显著提高 改性剂与基质沥青之间的亲和力,促使网状结构的形成,改性沥青的感温性能、高温性能相较于 改性沥青有显著提升,但低温性能、抗老化性 能 改 善 不 明 显。张 争 奇 等 利 用 聚 氨 酯()、基质沥青作为原材料,采用共混复合改性技术制备一种新型 高黏高弹沥青,研究发现 与 复合改性赋予沥青优异的黏弹性能,在沥青化学改性过程帮助
7、复合改性沥青获得良好的储存稳定性和高温稳定性。等采用干拌法将橡胶粉投入 改性沥青混合料中制备橡胶多孔沥青混合料,研究发现橡胶粉的加入显著提高沥青与集料之间的黏结力,提高了混合料低温抗裂性能,并且在不掺加纤维的情况下能保证混合料具有良好的透水性。为进一步简化高黏度改性沥青的制备工艺,直投式高黏改性剂的发展引起众多学者的关注。日本大有株式会社研制的高黏度改性剂 ,不仅普遍应用在日本排水沥青道路的实际工程中,还被中国和韩国等一些亚洲国家引入使用,均取得了较好的使用效果。广东化学工业研究院利用橡胶、增塑剂以及增黏剂研制出新型高黏度改性剂 ,用其制成的高黏度改性沥青高低温性能以及储存稳定性能良好,且改性
8、剂熔点较低,易于施工拌和。深圳市海川实业股份有限公司开发出一种新型高黏度改性剂 使沥青结合料的高低温性能及耐久性能得到了明显改善。综上所述,中国对于高黏度改性沥青的研究虽然取得了明显的进步,但大部分高黏度改性沥青的制备工艺复杂,阻碍了其在实际工程中的推广应用,且生产的高黏度改性剂改性效果良莠不齐,综合性能平衡性较差。高性能的高黏度改性剂仍需从国外大量进口,然而进口价格昂贵且难以适应中国独特的交通环境与气候条件,因此,排水型沥青路面在中国的发展和推广倍受制约。如何在降低改性成本、简化制备工艺的同时保证高黏度改性沥青的性能要求,成为目前研究的热点和难点。因此,有必要研制一种性能优异且价格低廉的高黏
9、度改性剂。天然增黏树脂()具有增塑、疏水、耐稀酸稀碱、耐热、耐光、增黏和抗老化等良好性能,与橡胶、各类弹性体如 、苯乙烯异戊二烯苯乙烯嵌段共聚物()等相容性良好且价格低廉。等利用天然增黏树脂、增塑剂以及稳定剂对基质沥青进行复合改性,获得的高黏度改性沥青具有优良的高温抗车辙性能和抗永久变形能力,改性剂在沥青中充分溶胀并均匀分散,有效提高了改性沥青的高温稳定性。但其制备工艺复杂,不利于工程推广应用。因此,本文采用熔融共混工艺将 、以及少 量 增 塑 剂 混 炼 得到 热 塑 性 高 黏 度 改 性 剂(),并 用 其 制 备 新 型 高 黏 度 改 性 沥 青(),旨在满足高黏度改性沥青性能要求的
10、前提下,降低改性成本并简化制备工艺。本文首先通过常规物理性能试验对不同掺量的 性能进行研究,并确定 最优掺量。其次通过动态剪切流变()试验、弯曲梁流变()试验、黏度试验、傅里叶变换红外光谱()及差示扫描量热()技术探究 的高低温流变性能、黏流特性及改性机理,并与传统 、对比分析,综合评价 的路用性能,以期为 应 用 于 排 水 性 沥 青 路 面 提 供 试 验支撑。试验材料和试验方法 原材料基质沥青采用山东京博 级 号沥青,其主要性能指标见表,改性剂为山东济南鲁文昊化工 有 限 公 司 研 发 的 线 形 ,嵌 段 比为 ,选用广东东莞大树橡胶有限公司生产的天然增黏树脂,软化点为 ,增塑剂为
11、一种有机酯类化合物,纯度达到 ,稳定剂选用一种粉末状固体,其主要成分为硫磺。此外,还选用传统 、进行对比分析。表基质沥青主要性能指标 测试项目测试值技术指标针入度(,)延度(,)软化点(环球法)密度()实测记录旋转薄膜烘箱试验(,)质量损失 残留针入度比 残留延度比 试验样品制备 的制备基于课题组前期试验,参考已有研究成果,确定 制备工艺如下:首先用粉碎机将线形 、粉碎成粉末,倒入搅拌容器中,用玻璃棒搅拌 ,之后加入增塑剂,搅拌混合均匀后倒入双螺第期张增平,等:用于排水沥青路面的高黏度改性沥青的制备及性能杆挤出机,挤出成型,剪切成粒即得到,制备流程如图所示,、形貌如图所示。图 制备流程 图改性
12、剂形貌 高黏度改性沥青的制备拟定掺量(外掺,质量分数,下同)为、,稳定剂掺量为(外掺),制备工艺如下。溶胀阶段:将基质沥青加热至 ,将少量多次加入到沥青中,慢速搅拌溶胀。剪切分散:升温至 ,使用剪切机在转速 下剪切 ,之后加入定量的稳定剂继续剪切搅拌 。发育阶段:制备好的试样置于 的烘箱中保温发育,备用。制备 流 程 如 图 所 示。按 商 家 推 荐,拟 定 、掺量均为(外掺),在上述相同制备工艺下制备 、。图新型高黏度改性沥青制备流程 试验方法 常规物理性能测试研究不同 掺量对沥青针入度、软化点、延度、动力黏度、布氏黏度、弹性恢复性能的影响,确定 最佳掺量范围。黏度试验使用 型旋转黏度计,
13、采用 黏度法评价高黏度改性沥青黏流特性,测试温度范围为 ,温度间隔为。试验采用 型动态剪切流变仪,对不同沥青结合料进行温度扫描试验,扫描频率固定 ,温度扫描范围为 ,升温速率为 。试验使用 弯曲梁流变仪对经 老化后的沥青结合料进行弯曲蠕变劲度试验。试验温度为 、,加载时长 ,选择 的弯曲蠕变劲度模量和蠕变速率作为评价沥青低温性能指标。试验采用 型红外光谱仪对沥青结合料进行 试验,扫描频率为 次 ,波数为 。试验利用差示扫描量热仪观察沥青结合料聚集态随温度变化的情况,测试温度范围为 ,升温速率为 ,保护气体选用氮气。结果与分析 最佳掺量不同掺量制备的高黏度改性沥青常规物理性能试验结果如表所示。由
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