西宁机场跑道不停航罩面工程改性沥青混凝土施工应用技术研究.pdf

摘要随着我国经济的高速发展，改建机场的任务十分繁重，预计到2009年底，全国要 新建40个民用机场，改、扩建的机场多大30多个，此外大机型的引进及机场航班数量 的增加，对机场跑道道面技术参数提出更高要求。我国民用机场跑道历来以水泥混凝土为主，大部分已使用了 30年以上，处于超期 服役状态，在旧的水泥混凝土或沥青道面上加铺新的沥青混凝土面层业已成为现在民用 机场道面主要的改造方式。本课题结合西宁机场跑道改造工程实例，针对机场不停航施 工要求，对改性沥青的机理以及基质沥青的选型、与改性剂的相容性、改性沥青混合料 使用性能、机场不停行条件下的设备选型、配置、施工工艺等定向进行评价与分析研究。结果表明，采用国产克拉玛依沥青制备成SBS改性沥青路用性能优良，可满足机场道面 技术要求。提出了适合不停航施工的机械配置方案，并优化了施工工艺参数，制定了各 种应急预案，形成了完整的不停航施工技术。关键词：改性 沥青 机理 技术性能 不停航 施工 工艺罩面AbstractSince 2000,the Civil Aviation of China sees a double-digit growth rate each year.The introduction of laie airplane models and the increase in the number of flights demand high technical parameters on the runway pavement.The old airport models no longer meet domestic and international demands.Reforming old and building new airports become a heavy task.It is estimated that 40 new civilian airports need to be constructed and more than 30 need to be remodeled across the country in 2009.By the end of 2009 there will be more than 200 civilian airports in operation.In China,civilian airport runway has been mainly in cement concrete.The majority airports have been in use for more than 30 years,in a state of extended active duty.We are facing an arduous and difficult task of adding new asphalt to the old concrete or asphalt runway pavement.Through the study of the chosen subject,combined with the engineering example of mechanism of modified asphalt,the matrix selection of asphalt,the compatibility of modifier,and the performance analysis of asphalt mixture,the equipment selection,configuration and construction techniques are all analyzed and explained under usual operating conditions of airports.The success of the Xining Airport Runway Overlay project has put an end to the history of heavily relying on importing asphalt for domestic pavement constructions.The project was not only the first one on making use of domestic asphalt modifier and adopting SBS to modify bitumen single,it has also provided a good theoretical basis for modified asphalt concrete overlay techniques.This project has set a good example for future airfield pavement construction which will be held fbr Harbin,Tianjin,Dalian,Qingdao,Kunming,Changsha and other airports.Keywords:Asphalt Modifier Mechanism Technical Performance Paver Road Roller Mixing Station Construction ResearchII长安大学硕士学位论文第一章绪 论1.1 研究目的及意义机场行业属于资金密集型交通基建行业，机场和航空公司为航空运输业的两大组成 部分。经过几十年的建设和发展，中国机场总量初具规模，机场密度逐渐加大，机场服 务能力逐步提高，现代化程度不断增强，初步形成了以北京、上海、广州等枢纽机场为 中心，以成都、昆明、重庆、西安、乌鲁木齐、深圳、杭州、武汉、沈阳、大连等省会 或重点城市机场为骨干以及其他城市支线机场相配合的基本格局，中国民用运输机场体 系初步建立。截至2006年底，中国（不含港澳台地区）共有民航运输机场147个，其中 军民合用机场45个，全国机场平均密度为每10万平方公里L 53个；按经济地理分布，东 部地区41个、中部地区25个、西部地区69个、东北地区12个；按地区划分，东北、华北、华东、中南、西南、西北6个地区的机场数量分别为12个、18个、37个、25个、31个和 24个。绝大多数机场的建设和发展是以航空运输市场需求为基础，初步形成了与我国国情 国力相适应的机场体系，为促进和引导国民经济社会发展、加强国防建设和保障国家安 全发挥着重要作用。若以地面交通100公里或L 5小时车程为机场服务半径指标，现有机 场可为52%的县级行政单元提供航空服务，服务区域的人口数量占全国人口的61%、国内 生产总值（GDP）占全国总量的82%。预计十一五末，全国民用机场将达到200个。改革开放前修建的大部分机场已经不适应国内外旅客运输的需要，新建、改建机场 的任务十分繁重，我国民用机场跑道历来以水泥混凝土为主，大部分已使用30年以上，处于超期服役状态。空客380、波音777等大机型的引进使用，每年平均两位数递增的旅 客吞吐量，民用机场日益繁忙，造成现有很多机场道面破损非常严重。机场管理当局面 临着如何安全保证航班的起降，道面如何满足适航要求的难题。飞行区旧道面进行沥青 混凝土罩面，既能保证道面快速修复，恢复道面的使用功能，同时也能保证机场的正常 运营。西宁曹家堡机场位于青海省互助县高寨乡境内，1991年底建成并通航，跑道磁方位 110 290,海拔2179m,跑道长300m,宽45m,两端防吹坪60mx60m,跑道道面为 沥青混凝土，飞行区等级指标为4D,站坪为270nlX 90m,两条联络滑行道长219.5m,宽 23m,道肩宽全部为7.5m,沥青道面厚18cm,由三层组成，上层为4cm中粒式沥青混凝第一章绪论,中层为6cm粗粒式沥青混凝土，下层为8cm沥青碎石。机场场区所处地区属高原性大陆气候，冬季寒冷，夏季凉爽，但气候变化较大，年 平均气温为6,根据近十年气象统计资料显示，最高气温37,最低气温-21.4,日最大温差22.8C,年平均降雨量361.5mm,并且降雨集中在六、七、八三个月份，多 为雷阵雨。由于机场温差变化大，日照长，紫外线强等，在进行道面加铺改造前道面已普遍老 化，致使机场混凝土面层出现了较严重的表面的松散脱落现象，1997年已对跑道两端两 处共800多米下沉较严重地段道面，采用了在其上加铺沥青混凝土的办法进行了修补，而对石子的脱落、裂脆等现象仅进行了小范围的维护，没有进行全面整修，1999年对道 面采取了喷洒乳化沥青临时灌缝等应急处理措施。鉴于这种情况，决定对跑道道面进行 SBS改性沥混凝土青罩面处理。1.2 国内外不停航罩面施工现状伴随着改革开放，中国经济的快速腾飞，中国的民用航空事业进入了建设高峰期。改建机场的任务十分繁重，预计到2009年底，全国要新建40个民用机场，改、扩建的 机场多达30多个。我国民用机场跑道历来以水泥混凝土为主，大部分已使用了30年以上，处于超期服 役状态，很多机场跑道道面出现了道面裂缝、板块错台拱起、露石等病害，因为石子脱 落吸入飞机发动机划伤叶片、扎破起落架轮胎等现象时有发生，严重威胁到飞行器的安 全，直接对旅客的人身安全构成了威胁。板块的错台也影响到飞机的起降的舒适程度。大机型的引进及机场航班数量的增加，对机场跑道道面技术参数也提出更高要求。目前 解决这一问题的主要方式就是在旧的水泥混凝土或沥青道面上加铺新的沥青混凝土面 层即进行跑道不停航罩面施工。民用机场跑道不停航罩面施工是指在不影响机场正常运营或者在夜间航班结束后 进入飞行区，对需要改造的道面进行罩面，是今后民用机场改造建设的发展趋势。不停 航施工工期紧，有效作业时间短，工艺复杂、技术要求高、难度大、安全保障责任重大,必须确保机场在施工完成后即投入正常运营。1988年上海虹桥国际机场首创加铺沥青混 凝土面层，在使用10年后，于1998年加铺了第二次。继此之后，北京、广州、厦门、兰 州、桂林、等机场都进行了加铺，大多采用PE、EVA改性沥青，1996年北京首都国际机 场东跑道加铺沥青混凝土面层，采用SBS+PE复合改性沥青技术，计划今年进行第二次 长安大学硕士学位论文沥青混凝土罩面。自2000年以来，哈尔滨、天津、昆明、合肥、青岛、大连、长沙、厦 门、嘉峪关、西宁等二十多个机场跑道都实施了跑道沥青混凝土罩面，跑道的适航条件 得到较大提高。其他一些机场也计划进行不停航沥青混凝土罩面，预计2009年将有十个 机场进行这样的专业改造。美国早在80年代末90年代初，曾经对10多个民用机场进行了沥青混凝土罩面，并由 美国运输部联邦航空局出台了相应的操作指南。德国法兰克福机场是欧洲最为繁忙的机 场枢纽之一，年吞吐量达6000万人次，该机场曾经于2003年对其中一条跑道进行了罩面。非洲的安哥拉、坦桑尼亚、莫桑比克等国家的首都机场都将陆续进行跑道沥青混凝土罩 面。欧美发达国家民用机场数量众多，覆盖密度大。美国的机场密度是每10万平方公里 6.4个，中国的是L53个，而中国和美国国土面积相当，美国有近600个民用航班机场，我们则只有160多个。美国大多数城市都有2个机场，甚至有些城市拥有3个机场，其中 一个机场跑道在进行沥青混凝土罩面时，会分流部分航班到另一个机场，以增加施工时 间，减轻机场的安全压力，减少不安全的隐患。因此美国运输部联邦航空局出台的不停 航施工操作指南，不适用于我国的国情。除了上海外，我国所有通航城市都只有一个民 用机场，在进行跑道不停航沥青混凝土罩面时，有效作业时间短，不但给机场当局在运 营和安全上造成了很大压力，也对施工承包企业提出了更高的要求。按照不停航施工的 要求，在机械设备上需进行特殊配置，即多台/套、大产量，关键设备全部选用最先进的 进口设备，以确保施工期间设备的高可靠性和低故障率。必须制定详细的施工组织计划，完备的紧急预案，以及具备成熟的技术手段。西宁曹家堡机场跑道沥青混凝土罩面工程施工于2000年，当时全国已经完成了几个 机场的沥青混凝土罩面，但像首都机场东跑道加盖，并不是真正意义上的不停航施工，当时首都机场有两条跑道，是在全面关闭了东跑道的情况下进行了罩面。正是在这种情 况下，西宁曹家堡机场的不停航沥青混凝土罩面做了一次有益的尝试，第一次全面系统 的总结并解决了以往不停航罩面当中存在的问题，为日后其他机场的跑道罩面提供了很 好的工程实例。1.3 本文主要研究内容机场道面与公路路面不同，它的荷载比汽车大得多，波音747客机在跑道上的最大 滑行重力可达3883轮压达到L 4Mpa,起飞降落速度超过200km/h,起飞时的空气吸力、3第一章绪论排气的高温、下降时的冲击，起落架轮径较小，转弯时扭矩较大，这些在公路上都是所 没有的。在2000年前，机场罩面多采用多采用PE、EVA改性沥青采用或SBS+PE复合改性沥 青技术，使用效果观察，能够达到设计的预期效果，但是耐久性等方面还不尽人意。而 且由于施工设备的不配套、施工技术措施不完善，很多机场在罩面时间不久后，又进行 了局部的大修。为了解决存在的问题，本课题依托西宁机场的工程实例，进行了评价分 析与研究。主要的技术路线和工作思路如下；(1)改性沥青技术及性能分析结合该项工程，采用不同牌号与型号的沥青，采用不同的改性剂剂量以及不同的加 工方法，对试验结果进行了分析，并总结了影响改性效果的现场的因素，即加工温度、磨细遍数、溶胀发育时间等因素，分析了改性效果。(2)SBS改性沥青混合料路用性能的研究选用经过第一阶段制备的改性沥青，进行了混合料配合比设计，并验证了混合料的 水稳性、抗车辙能力等路用性能。(3)施工工艺的研究依托西宁机场的工程实例，研究分析了不停航条件下施工工艺(包括设备配置、现 场工艺)和方法。4长安大学硕士学位论文第二章改性沥青技术及性能机理研究本研究根据西宁曹家堡机场的特点，以及所处的气候区位，结合以往加铺面层的实 线，采用SBS改性剂制成改性沥青，在此基础上，研究SBS改性沥青的技术性能，以验 证其用于机场道面工程的可行性。2.1 西宁机场所处的气候特点及改性剂选择的原则2.L1西宁机场的气候特点由于沥青混合料的路用性能受温度、水份的影响较大，我国在“八五”科技攻关项 目中，通过对全国600多个气象站30年的气象数据进行统计分析，对三个气候因素：高温、低温、降雨量指标进行了研究，提出了分区指标的界限及气候分区如图2.1、图 2.2所示。图2.1沥青气候分区图（温度）5第二章改性沥青技术及性能机理研究图2.2沥青气候分区图（降雨量）沥青气候分区为二级区划，如1表示夏炎热冬严寒，混合料气候分区用III级区划，如1-表示夏炎热冬严寒潮湿地区，每个因素数字越小，表示气候越严重。由图2.1、图2。2可以看出，西宁曹家堡机场处于2-2-3区，即处于年极端最低气 温-215-37.0,月最高平均气温2030,平均降雨量在500250mm之间的地区，在 这种特定的气候环境下，用一般的沥青混合料难以满足飞机飞行的要求，采用改性沥青 技术以提高沥青混合料的性能势在必行。2.1.2 基质沥青确定改性沥青改性效果的优劣与基质沥青性能密切相关，相容性是改性沥青的首要条 件，但化学意义上相容是不存在的，作为改性剂的聚合物性质相对稳定，而沥青性质很 重要，所以相容性受沥青性质影响较大，当然相应的改性设备、工艺对相容性也会有影 响，一般认为沥青粘度较大，与聚合物相容性越差。考虑到西宁机场的具体气候特点，基质沥青选用AB-110#的克拉玛依沥青。2.1.3 改性剂的选择及其改性方案表2.1至表2.5所示的沥青改性剂基本代表了目前国内外生产和使用的热拌沥青混 合科的添加剂，并较为清楚地给出了其使用方案和不同作用，这对于合理选择和正确使 用沥青改性剂有一定的参考价值。改性剂选择的原则6长安大学硕士学位论文a根据不同的气候条件选择不同地区的气候条件有很大不同，我国“八五”国家科技攻关专题道路沥青及沥 青混合料路用性能的研究已经按照气温、降雨量等指标，提出了我国沥青路面使用性 能的气候分区，而且对不同的气候区在改性沥青路面施工技术规程JTJ030-98中提 出技术要求，如表2.6所示，表中不同等级的技术要求实际上是根据不同的气候区进行 选择的依据，从不同改性剂标准可以看出，不同的改性沥青类型其指标本身就有明显区 别。对南方炎热地区，高温稳定性要求较高，SBS、PF、EVA等改性效果好。而对低温寒 冷地区，抗裂性能要求较高，SBR、SBS改性效果好。在我国许多内陆地区和东北、中南、西北地区，夏季炎热、冬季寒冷，高低温要求很高，选择SBS为宜。表2.1液态、热塑性聚合物改性剂 类型品名用量（占拌和料）拌和时间拌和 温度作用苯乙烯基 聚合物Ducilad D10023%标准 时间标准 温度 或稍低改善老化前后的延伸性 能，改善低温柔韧性石油聚 合物Ductilad D10043%标准 时间标准 温度改善老化前后的延伸性及 温柔韧性表2.2有机表面活性剂改性剂 类型品名用量（占拌和 料）拌和时间拌和温度作 用有机聚胺PaveBond0.25%-2.0%预先混合 于沥青中未注明提高路面耐久性聚 胺 混 合 物Kling-bet a LV(HM)沥青的0.25%-1.0%预先混合 于沥青中标准 温度提高路面耐久性,使骨料去 湿Penna-Tac沥青的0.5%-1.0%预先混合 于沥青中标准 温度对于不同的沥青、骨料配合 比有三种产品可供选择Kling-Bet a-Ky Kling-pet a-XX沥青的0.25%-L 0%预先混合 于沥青中标准 温度专用于石灰石、砂砾石拌和 料，降低对水分的敏感性，减少病害7第二章改性沥青技术及性能机理研究表2.3抗老化性改性剂 类型品名用量（占拌和料）拌和时间拌和温度作用沥青质 胶溶剂RedicoteAP0.2%-l.0%未注明121-177X?增进沥青质的胶溶，改善沥青 和乳液的性能特征抗氧化Ductilad D1000.3%-4%预先加 入沥青标准温度延缓沥青的氧化，减轻聚合物 改性沥青的硬化过程石灰Lime1%-1.5%可变可变减缓硬化过程表2.4固性聚合物改性剂 类型品名用量（占拌和 料）拌和时间拌和温度作用苯乙烯丁 二烯橡胶?LBitpmalvs 175,198,120117,1341.5%-3%5-10s163抗车辙和裂纹聚氯丁烯氯丁橡胶1.5%-3%标准 时间93T49c提高拌合料路面的弹性、刚 度、韧性,拓宽耐温范围苯乙烯丁 二烯橡胶 乳R-504R-5503%-5%5-10s146c 以上提高抗车辙能力UIterapare70,65,65 K-VC2%5%标准 进间可变降低沥青的温度敏感性，减 轻车辙和拥包，防止裂纹，减缓老化表2.5热塑性聚合物改性剂 类型品名用量（占拌和料）拌和时间拌和温度作用乙烯-醋酸乙 烯共聚物（EVA）Elvax2%-4%可变135T49C提高耐久性、刚度和韧 性，抗裂纹苯乙烯丁二烯（高温硫化）粘 结剂Styeil代替沥青未注明未注明现场备用，无需混合设备聚乙烯基醋酸 酯（EVA）Polybilt2%5%可变138T77c提高抵抗永久变形能力，降低使用状态下的温度 敏感性8长安大学硕士学位论文表2.5热塑性聚合物（续）改性剂 类型品名用量（占拌和料）拌和时间拌和温度作用聚乙烯改性沥 青粘结剂Novophalt沥青的 4.5%-6%准间 标进149-163C提高道路强度，耐久性、抗水害能力，减少路面变 形及其他病害，对热拌料 的生产、摊铺和压实要求 不变热塑性 聚合物Rosphlt 5020kg/t60-90S218C增大防水层密度,扩大耐 湿范围，提高抗滑性苯乙烯嵌 段聚合物KratonDDratonG6%-9%15min 或更长D160-193G160-275减小永久变形以及温度、疲劳裂纹，对拌和料的设 计、摊铺、压实无特殊要 求表2.6不同气候条件改性剂适用性改性剂种类炎热温暖寒冷SBRXVVSBSVVPEXXEVAVVXb、根据不同的荷载条件选择不同的道面所承受的荷载是不一样的，对旅游道路等主要供轻型车行驶的道路，产 生车辙的可行性较小，主要考虑行车舒适和气候因素，对抗裂性能要求是重点，可选择 SBS、SBR等；而对以载重汽车、飞机为对象的高速公路、一级公路、飞机场跑道，主要 目的是抵抗车辙、拥包等变形，则可考虑SBS、PE、EVA等。c、经过技术经济分析确定改性方案改性沥青成本由以下几部分组成：改性剂成本，包括改性剂的单价和用量；加工费，改性沥青设备费，沥青加热用的柴油、电力费，有的还需要必要的管道 等配件费；由于采用改性沥青后有可能增加沥青用量而增加的费用。2.1.4 改性方案根据西宁机场所处气候区域（2-2-3）,从气候特点来看，本地区高温低温均有，宜 选用SBS；从荷载大小来看，飞机的荷载极大，尤其是冲击力较大，改性剂适用SBS、PE、EVA；从改性剂成本来看，SBS、PE价格相对便宜一些，SBR价格相对高一些。9第二章改性沥青技术及性能机理研究鉴于上述特征，本研究选用SBS作为改性剂，通过试验来评价其技术性能。2.2 不同改性剂剂量对改性效果的影响改性剂剂量是影响改性效果的重要因素，当聚合物含量很少时，且沥青具有高的芳 香性时，聚合物是可溶的，聚合物沥青呈单相体系，表现为聚合物相分布在呈连续相的 沥青中，此时聚合物相被沥青中的轻质组分所溶胀，沥青性能得到改善，剂量继续增大,特别是对于橡胶类则形成相互贯通的网络，体系表现为双连续相，在此区域性能指标大 幅度变化，可以将此区的剂量上限称为临界含量，如剂量再增大，沥青相成为非连续相 而分布在呈连续相的聚合物相中，在此区性能指标变化幅度明显较小，如图2.3所示。不同聚合物沥青改性体系的聚合物临界含量各不相同，从技术上看，改性剂用量为 临界含量时最好，但是限于经济和施工等原因不可能采用临界剂量，在进行具体设计时,应综合考虑总造价，尽可能取一个经济、技术合理的改性剂用量。本课题在研究过程中，首先针对克拉玛依90#、110#,日本90#沥青，采用线型SBS、星型SBS等改性剂进行了大量试验，以探讨改性剂的合理剂量。2.2.1 SBS改性克拉玛依90#沥青合理剂量的确定针对克拉玛依90#基质沥青，分析掺加不同剂量的SBS（线型），然后进行各项技术 性能指标测定，测定结果见表2.7及图2.4图2,7所示。表2.7克拉玛依90#沥青掺加不同剂量SBS性能指标测定结果项 g克-90#+1%SBS+3%SBS+5%SBS+7%SBS+9%SBS针入度(100g.5S、0,1mm)2588775958555415282524252423510911111213延度,cm 107576.378.279.280.581.3软化点48.849.453.656.268.586.1”.2-14.4-14.0-21.3-22.2-25.2-25.6Tsoo C45.947.456.557.164.863.3p.I.-1.1290-0.90820.65940.78451.35061.588810长安大学硕士学位论文结果分析如下:温度敏感性由图2.4可以看出，对于克90#沥青，随SBS掺量增加，其温度敏感性变好。图2.4改性沥青的针入度温度指数随SBS掺量变化关系图2.5改性沥青筋.2随SBS掺量的变化关系H3-超微0010 2 4 6 8 10改性剂SBS掺量(%)图2.6改性沥青10C延度随SBS掺量的变化关系低温抗裂性从九2和10延度结果可以看出，克90#沥青经SBS改性后，随SBS掺量增加，其 低温抗裂性得到了大幅度改善，掺加3%SBS,已使原沥青的当量脆失有了明显提高，当 SBS掺量达7%左右时，沥青低温性能改善更加显著，超过7%后增加幅度变缓。高温稳定性从丁皿和软化点测定结果（见图2.7）可以看出，高温稳定性随着SBS掺量增加而 逐渐得到了改善。第二章改性沥青技术及性能机理研究图2.7改性沥青T800和软化点随SBS掺量的变化关系从性能和经济双重作用来考虑，掺加3%-5%SBS较合适，本研究采用5%SBS。2.2.2 SBS改性克拉玛依110#沥青合理剂量的确定针对克拉玛依110#沥青分别掺加不同剂量的星型SBS,然后进行各项技术指标测定,结果见表2.8所示。表2.8 SBS改性沥青技术指标测定结果沥青品种克拉玛依 110M.5%SBS克拉玛依 110#+5%SBS克拉玛依 110#技术要求针入度（100g、5s、0.limn）30C135131/*8025c8784106154240/软化点56.55843.2450Taoo53.352.3/-13P.I.1.21500.792-0.65延度,cm529306.5弹性恢复,154458/455薄膜加热质量损失，%0.050.0320.241%试验（163,5h）针入度比，%617272.8*5510延度3034100*30闪点259262/100100107579.349.579.256.5309.34314长安大学硕士学位论文表2.10沥青指标试验结果（续）项目克90#克90#+5%SBS克 110#克 110#+5%SBS日90#日90#+5%SBS软化点48.856.243.25845.356.2薄膜加热质量损失%0.140.0290.240.0320.120.03试验，163,5h针入度比%74.581.67272.878.088.5蜡含量%1.60/1.59/2.6/TsooC45.957.139.852.345.657.1Ti.2C-14.4-22.2-16.00-27.1-15.5-22.1弹性恢复%/83/581785p.I-1.12900.7845-1.160.792-0.9410.7845由上述试验结果可以看出:1、高温稳定性，从Tsoo软化点等指标分析，克90#沥青经5%SBS改性后，软化点升 高了 7.4,T80c升高了 1L2C；克110#沥青掺加5%SBS改性后，软化点升高了 14.8C,T80c升高了 12.5C；日本90#沥青经5%SBS改性后，软化点升高了 10.9C,Tsoo升高了 11.5 C。这表明三种基质沥青掺加SBS后，高温稳定性均得到了改善，星型的SBS改性沥青 比线型SBS改性沥青软化点提高幅度大。2、低温抗裂性，从可以看出，克90#沥青经SBS改性后，兀2降低了 7.8;克 110#沥青经SBS改性后几2降低了 11.1,日90#沥青经SBS改性后.2降低了 6.6。这说明三种沥青经SBS改性后，其低温抗裂性也有了明显改善。3、温度敏感性，从P.I值可以看出，三种基质沥青经SBS改性后，均表现为P.I 值增大，而P.I值增大说明沥青对温度的敏感性越小。2.4 改性沥青机理分析运用现代沥青化学和化学热力学的研究成果，假定沥青是以固态的沥青质为溶质相 和液态软沥青质为溶剂相所组成的混合体系，这两相相容性的优劣与沥青技术性质有直 接的关系，根据这一观点，改性沥青可以看成是某种聚合物与沥青质、软沥青质的混合 体系，在这个体系中，沥青的相容性、聚合物与沥青相容性、以及聚合物在沥青中的分 散性决定着体系的改性效果。两种或两种以上的聚合物相混合时有三种情况：呈两相或多相体系，呈单相均质物,有可能呈单相也可能呈多相。混合体系呈单相或多相状态的推动力源于热力学的相容性 而不取决于混合程度或混合强度，每一种聚合物在别的任何一种聚合物中都有一定的溶 15第二章改性沥青技术及性能机理研究解性，从工艺学角度来看，大多数聚合物的混合体系呈现为性能稳定的多相体系，这种 体系常常具有比各自纯组分优越的使用性能，这种现象称为工艺上的相容性，然而物质 之间只有具备适当的热力学相容性，才有可能有工艺学相容性。2.4.1 相容性对聚合物改性沥青影响许多从事改性沥青课题的研究者认为：聚合物在沥青中几乎不能溶解，而主要是在 沥青的软沥青中溶解并扩散。为此在考虑聚合物与沥青的相容性时，可以把改性沥青看 作是从软沥青质为溶剂相，聚合物作为溶质相的混合体系，不同沥青中软沥青质的溶解 度参数是不同的，在一般情况下它的值约为8.3左右，按照相似相容原则，溶解度参数 值在此附近的聚合物应能产生相容性好的聚合物改性沥青。SBS是苯乙烯一丁二烯嵌段共聚物，苯乙烯段溶解度参数为9.1,与软沥青质的溶 解度参数相差较大，丁二烯的溶解度参数为8.4,与软沥青质比较接近，所以从热力学 角度综合考虑，SBS同沥青的相溶性较差，SBS改性沥青为亚微观结构上的多相体系，沥青本身就是一个多相体系，其中沥青质是分散相，油分是连续相，而树脂起保护作用。当把沥青作为一种材料，在与SBS进行混合时，由于沥青本身结构十分复杂，只有部分 与聚合物有相亲作用，能与沥青均匀分散，而大部分组分与SBS是不相容的，但是由于 沥青材料的分子量分布很宽，可以采用一定的加工工艺使SBS与沥青相容，因此从工艺 角度来讲，仍然有一定的工艺相容性。2.4.2 聚合物在沥青中的分散状态在改性沥青中，聚合物的比例较小（一般少于10%）,因此它们之间的相容性可以理 解为聚合物在基质沥青中的溶解，这种溶解包括两个过程：先是溶胀过种，然后是扩散 过程或是溶胀团粒的分散，如果聚合物掺量少，易分散且又可溶胀于沥青的软沥青中。二是从沥青中析出胶质和油分并吸附于聚合物的表面，形成类似沥青本身的另一种胶体 结构。用SBS类热塑性体改性沥青时，如果聚合物能够与沥青形成相互交联的网状结构，不但能在一定程度上改善沥青的高温性质，而且能够提高沥青的低温变形能力，表现在 改性沥青的低温延度的提高。从流变学角度来讲，沥青材料在一定的形变速率下，流动 速度大于变形速度时，材料作均匀流动延伸为细丝而不断裂，当其允许流动速度低于形 变速度时，沥青则产生颈缩而断裂。低温下沥青的流动速度很慢，但由于受到均匀分散 呈交联式部分交联状的橡胶丝扭结作用的增强，通过剪切力的传递，仍由弹性的橡胶承 受拉力，从而可使改性沥青表现出较大的变形弹力。当聚合物在沥青中分散不均匀或出 16长安大学硕士学位论文现凝聚时，哪怕是速度很低，也会由于应力集中而使延度降低。聚合物能否在沥青中很好地分散，取决于它与沥青的相容性，并与加工工艺条件有 关。2.43加工工艺对聚合物分散状态的影响要使聚合物发挥改性效果，就必须使聚合物充分分散均匀地分布于沥青中，这是工 艺所必须要解决的问题。可以初步认为聚合物与沥青的混溶改性是以物理改性为主，聚 合物首先吸收沥青中的低分子物质溶胀，体积增加，然后在热力和机械力下以一定状态 分散于沥青中，如果忽视聚合物的分散状况，聚合物的改性作用就会降低到最小，甚至 产生负面作用，本文采用高速剪切改性机和小型胶体磨来研究日本90#和克拉玛依110#改性沥青的工艺条件。a、搅拌时间对SBS改性沥青性能的影响针对日本（RB）AH90*沥青采用5%的SBS改性（线型），搅拌温度控制在180,在不 同时间下测试改性沥青技术性能，结果见表2.11所示。表2.11 RB沥青及不同搅拌时间SBS改性沥青性能指标试验结果项目日本沥青RBRB+5%SBS,180 0C,IhRB+5%SBS,180 C,2hRB+5%SBS,180,3hRB+5%SBS,180,4hRB+5%SBS,180,5hRB+5%SBS,180,6h针入度(0.1mm)25c90.859.258.357.856.356.356.315c29.528.526.525.024.624.023.65 c10.810.711.211.211.010.911.0延度(cm)1049.563.778.579.282.683.583.55c9.343.345.551.552.453.053.6软化点（C）45.353.654.556.256.456.656.9R0.99950.99650.99970.99990.99980.99980.9992TsooCC)45.655.056.657.157.457.557.7T12eo-15.5-21.1-22.2-22.1-22.1-21.8-21.9PI-0.94110.49930.76830.77450.78050.78090.8194粘弹域（七）61.176.178.879.279.579.379.6试验结果分析如下：1）感温性改性沥青路面施工技术规范对PI作出了相应要求。按照我国不同地区的气候-17第二章 改性沥青技术及性能机理研究条件，应有不同的PI要求，考查日本基质沥青及其相应的SBS改性沥青，均能满足极 端不利气候高温大于30C和低温小于-37.0区域的要求值。SBS改性沥青的感温性随搅拌时间的增加得到逐步改善见图2.12所示，日本改性沥青在 搅拌2小时后，继续增加搅拌时间，PI值变化不大，其感温性没有得到更进一步明显改 善。图2.12日本改性沥青的P.I随搅拌时间的变化关系从感温性分析，日本改性沥青的合理搅拌时间分别为2小时。2）高温稳定性SBS改性沥青的T皿随搅拌时间的增加而逐渐增大见图2.13,所以延长搅拌时间可 以增加改性沥青的的高温稳定性，日本改性沥青在搅拌3小时后，继续增加搅拌时间，其Tsoo的增长变化幅度明显减少，所以从高温稳定性考虑，日本改性沥青的搅拌时间为 3小时。图2.13日本现状沥青的T800和软化点随搅拌时间的变化关系3）低温抗裂性随搅拌时间的增加，日本改性沥青在2小时前Tc变化不大。见图2.14o18长安大学硕士学位论文图2.14日本改性沥青的Tn随搅拌时间的变化关系日本SBS改性沥青的10C延度及5延度随搅拌时间的增加而逐渐增大,见图2.150 日本、改性沥青搅拌2小时后，继续延长搅拌时间，其低温延度的增幅明显减小。综合考虑改性沥青的感温性、高温稳定性及低温抗裂性三项指标，在搅拌温度180 C条件下，日本沥青用SBS进行改性时的合理搅拌时间分别为3小时。10080604020(5二眄微0 1 2 3 4 5 6 7时间(小时)图2.15日本改性沥青的延度随搅拌时间的变化关系b.搅拌温度对SBS改性沥青性能的影响日本沥青掺加5%SBS,在不同温度下均搅拌1小时制成改性沥青，其技术性能指标 测定结果见表2.12所示。表2.12 RB沥青其不同搅拌温度SBS改性沥青性能指标试验结果项目RBRB+5%SBS 160clhRB+5%SBS 180,IhRB+5%SBS 200clhRB+5%SBS 220,Ih针入度(0.1mm)25*C90.861.559.258.557.51529.528.528.526.525.5510.811.010.811.011.2延度(cm)1049.557.663.769.578.559.340.543.346.549.8软化点(C)45.352.853.654.755.7R0.99950.99810.99670.99960.9999T800()45.654.555.056.157.2Tl2()-15.5-21.1-21.1-21.7-22.3PI-0.94110.45770.53650.65940.8064粘弹域()61.175.676.178.879.519第二章改性沥青技术及性能机理研究1）感温性从表中数据和图2.16可以看出，随搅拌温度的升高，日本改性沥青的P.I值均有明 显提高，这说明提高搅拌温度有利于改善改性沥青的感温性。对于日本改性沥青，随着 搅拌温度的提高，其P.I值增幅相对较小，考虑到搅拌温度过高改性沥青的老化严重，因此日本改性沥青搅拌温度定为180C较合适。关于这一点与欧洲研究结果相类似，在 高温混合时为了避免沥青老化，应充惰性气体保护以共混体氧化降解，当然混合温度以 适用实于为原则，尽量低些为好，混合温度一般以不超过204c左右为宜。图2.16日本改性沥青的P.I随搅拌温度的变化关系2）高温性能提高搅拌温度，改性沥青的Tsoo均可有所提高，从表中和图2.17可以看出，Tsoo的 变化规律P.I几乎一致。6)但娼图2.17日本改性沥青的T800和软化点随搅拌温度的