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土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用改性石油沥青俞开元开元张 超超土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 改性石油改性石油沥青（青（Modified Asphalt）广广义定定义：是指掺橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其它填料等外加剂，或采取对沥青进行轻度氧化等工艺措施，使沥青或沥青混合料性能得以改善而制成的沥青结合料。（参照JTJ F40-2004）狭狭义定定义：指聚合物改性沥青PMAPolymer Modified Asphalt PMB Polymer Modified Bitumen1.1.何何为改性改性沥青（青（whatwhat）土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 （1）交通的发展：交通量剧增，重载超载现象严重，某些路段超负荷运转，采用普通沥青不能满足要求。（2）气候条件：我国幅员辽阔，有些地方夏季酷暑、冬季严寒；有些地方潮湿多雨，沥青路面经受严峻考验。（3）建筑材料对沥青抗裂性能和粘附性能要求的提高。2.2.为什么什么对沥青改性（青改性（WhyWhy）土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 改性的目的改性的目的改善沥青的路用性质：高温稳定性低温抗裂性 耐疲劳性改善沥青的粘附性提高沥青的抗老化性土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 3.3.如何改性（如何改性（HowHow）改改进生生产工工艺 氧化、半氧化沥青，泡沫沥青，乳化沥青 掺加加矿质填料填料改善耐老化性改善耐老化性 碳黑、硫磺、硅藻土、纤维等 调和和沥青青改善改善稳定性定性 掺加湖沥青、岩沥青、海底沥青等天然沥青 掺加高分子聚合物加高分子聚合物改善力学性能改善力学性能 热塑性丁苯橡胶(SBS)、丁苯橡胶(SBR)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯(PE)、废旧橡胶粉等土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 沥青改性青改性剂（modifier）在沥青或沥青混合料中加入的天然或人工合成的有机或无机材料，可熔融或分散在沥青中，以改善或提高沥青的性能。土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 氧化改性沥青 氧化也称吹制，是在250300高温下向残留沥青或渣油吹入空气，通过氧化作用和聚合作用，使沥青分子变大，提高沥青的粘度和软化点，从而改善沥青的性能，得到的沥青为氧化（改性）沥青 我国工程中使用的道路石油沥青、建筑石油沥青均为氧化沥青 土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 矿物填充料改性沥青 在石油沥青中加入一定数量的矿物填充料进行改性的沥青。掺入填充料可提高沥青的粘结能力和耐热性，降低沥青的温度敏感性。常用的改性矿物填充料大多是粉状和纤维状的，主要有滑石粉、石灰石粉、硅藻土、水泥、生石灰粉和石棉等 土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 矿物填充料改性沥青的机理：由于沥青对矿物填充料的湿润和吸附作用，沥青成单分子状排列在矿物颗粒（或纤维）表面，形成结合力牢固的沥青薄膜，这部分沥青称为“结构沥青”，具有较高的粘性和耐热性 土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 聚合物改性沥青 将某些同石油沥青具有较好的相容性聚合物（包括橡胶和树脂），加入到沥青中而制成的沥青。加入聚合物可赋予石油沥青优良的性能，从而改善石油沥青的使用性能。聚合物改性的机理较复杂，一般认为聚合物改变了体系的胶体结构，当聚合物的掺量达到一定的限度，便形成聚合物的网络结构，将沥青胶团包裹。土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 聚合物改性聚合物改性沥青青 1873年 英国人Samuel Whiting申请了橡胶改性沥青的专利 1902年 法国修筑了掺有橡胶（NR）的沥青路面 1937年 英国修筑了掺有橡胶的碾压式沥青混凝土作表面磨损层 1947年 美国也开始将合成橡胶改性沥青用于道路铺装试验 1954年 日本将橡胶改性沥青试铺于北海道国道36号 1975年 日本开始研究改性沥青技术规范 1988年 日本中将改性沥青技术规范列入铺装纲要 1987年 日本率先采用多空隙改性沥青路面 1995年 美国AASHTO及ASTM提出改性沥青规范 1995年 美国SHRP提出 Performance-based Gradation 沥青技术规范土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 80年代末：仍处于铺筑试验路阶段或小规模应用阶段 90年代：重庆公路科学研究所于广东成功地铺筑出第一条规模较大的橡胶沥青路面 1995 年：齐鲁石化公司丁苯橡胶改性沥青在北京地区的路用性能研究课题通过交通部技术鉴定 1992年：首都机场高速公路使用了NOVOPHALT改性沥青技术 （PE+SBS复合改性）1998年：我国交通部颁布了公路改性沥青路面施工技术规范（JTJ 03698）聚合物改性聚合物改性沥青青土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 我国聚合物改性我国聚合物改性沥沥青使用量青使用量我国高速公路发展预测我国改性沥青使用量预测土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 聚合物改性沥青的种类:用于沥青改性的聚合物很多，主要有：热塑性橡胶塑性橡胶类：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS)苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯（SIS)苯乙烯-聚乙烯/丁基-聚乙烯（SE/BS)土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 橡胶橡胶类：天然橡胶（NR)、丁苯橡胶（SBR)氯丁橡胶（CR）、异戊二烯橡胶（IR)等 树脂脂类：热塑性树脂：乙烯-乙酸乙烯共聚物（EVA)、聚乙烯（PE)、无规聚丙烯（APP）、聚氯乙烯（PVC)等 热固性树脂:环氧树脂（EP)等土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 EVAEVA改性改性土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 SBSSBS改性改性土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 聚合物改性沥青的特性：粘度增加、高温稳定性增加 塑性增大、低温抗裂性提高 耐老化性能提高 聚合物改性沥青性能的评价:常规指标：针入度、延度、软化点、粘度、脆点、针入度比等 专用指标：弹性恢复、测力延度、粘韧性试验、冲击板试验、离析试验等 用于混合料的指标：简支梁弯曲试验、动态剪切试验、直接拉伸试验、压力老化试验、约束温度应力试验等 土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 弹性恢复：性恢复：评价改性沥青在外力作用下产生变形的自动恢复能力。弹性恢复好，路面在荷载作用下产生的变形，能在荷载通过后迅速恢复，从而留下的残余变形就小，或者说路面具有良好的自愈性。原原长拉伸拉伸10cm中中间剪断剪断恢复恢复1h后，后，测试试件件长度度 Xcm土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 19761976年，年，沥青路面青路面铺筑技筑技术协会出版的年刊首次把会出版的年刊首次把测力延度力延度试验介介绍给沥青技青技术人人员。在当。在当时，人，人们用用测力延度力延度试验测定出定出沥青青胶胶结料在低温条件下延伸料在低温条件下延伸时对应的力来表征的力来表征沥青胶青胶结料的低温性料的低温性能。能。19851985年，前年，前沥青研究青研究协会主任会主任Dr.ScottShulerDr.ScottShuler在他的在他的论文中文中对测力延度的力延度的试验方法方法进行修改行修改,提高了提高了试验精度，并主要用于改精度，并主要用于改性性沥青。目前欧洲、美国以及南非都在加大力度青。目前欧洲、美国以及南非都在加大力度对测力延度力延度进行行深入研究。深入研究。测测力延度力延度试验试验是在是在进进行行沥沥青延度青延度试验试验的同的同时测时测出所施加的力出所施加的力,与直与直接拉伸接拉伸(DirectTension,DT)(DirectTension,DT)试验相似相似.测力延度力延度试验的的设备并没有并没有特殊的要求特殊的要求,只需在普通的只需在普通的标准延度准延度仪附附调温装置温装置)上加装上加装测力力传感器及数据采集系感器及数据采集系统即可即可.测力延度力延度试验：土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 离析离析试验：由于聚合物与沥青之间的密度、极性、分子量、溶解度系数等性质差异较大，聚合物并不是溶解在沥青中，而是以微小颗粒的形式悬浮在沥青中，改性沥青在储存过程中，聚合物颗粒容易发生聚集，上浮，使改性沥青发生离析。离析试验就是用来评价改性沥青在热储存过程中的稳定性。163，48h软化点差化点差取上、下取上、下1/31/3部分部分 测试上下部分上下部分软化点化点土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 粘韧性试验是测定改性沥青在规定温度条件下（25）高速拉伸（500mm/min）时与金属半球的粘韧性和韧性，用于评价掺加改性剂后的改性效果。粘粘韧性：性：25C，500/mino土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 道路工程常用的聚合物改性沥青 SBS改性改性沥青：青：掺入3%5%的热塑性橡胶SBS 沥青的针入度减小、软化点升高、50C延 度增大、弹性恢复增大；SBR改性改性沥青：青：掺入3%5%的丁苯橡胶SBR 沥青的延度大幅度增加，特别是低温延 度增加较大，软化点提高、粘韧性和韧 性增加，但耐高温老化性能较差；土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 EVA改性改性沥青：青：掺入5%的乙烯-乙酸乙烯共聚物EVA EVA与沥青的相容性较好，掺入后沥青的针入度减小，软化点提高，针入度指数（PI）增加，但低温延度无明显改善；PE改性改性沥青：青：掺入5%以上的聚乙烯PE PE与沥青的相容性较差，掺入后沥青的针入度减小，软化点提高，针入度指数（PI）增加，但50C延度有所减小，低温性能改善不明显；土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 聚合物改性沥青的性能要求：1.低温下应有弹性和塑性，抗裂能力；2.高温下要有足够的强度和稳定性，抗车辙能力及抗变形能力；3.提高在加工和使用中抗老化能力；4.提高与矿物和结构表面粘附性；5.提高弹性性能，增强变形的适应性和耐疲劳性。土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 聚合物改性沥青的性能比较：综合性能合性能（针入度指数PI）：SBS沥青 EVA沥青 PE沥青SBR沥青 高温高温稳定性：定性：软化点:SBS沥青SBR沥青 EVA沥青 PE沥青 600C粘度:SBS沥青 PE沥青 EVA沥青SBR沥青 低温抗裂性低温抗裂性（低温延度）：SBR沥青 SBS沥青 EVA沥青 PE沥青（降低）弹性恢复：性恢复：SBS沥青 EVA沥青 PE沥青 SBR沥青 综合性能以SBS改性沥青最好土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 SBSSBS类改性改性沥青青：高温、低温性能都好。适用各类气候条件。SBRSBR类改性改性沥青：青：低温性能好。适宜在寒冷的气候条件使用。EVA EVA、PEPE类改性改性沥青青：高温性能好。适宜在炎热气候条件使用。土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 指 标单位SBS类(I类)SBR类(II类)EVA、PE类(III类)I-AI-BI-CI-DII-AII-BII-CIII-AIII-BIII-CIII-D25针入度dmm10080-10060-8030-6010080-10060-808060-8040-6030-40针入度指数PI，-1.2-0.8-0.40-1.0-0.8-0.6-1.0-0.8-0.6-0.45延度，cm50403020605040软化点 TR&B，4550556045485048525660135运动粘度，Pas3闪点，230溶解度，9925弹性恢复，55606575粘韧性，Nm5韧性，Nm2.5贮存稳定性离析度（48h），2.5无改性剂明显析出、凝聚TFOT(或RTFOT)后残留物质量变化，1.0针入度比25，5055606550556050555860延度 5，cm30252015302010JTJ F40-2004JTJ F40-2004聚合物改性聚合物改性沥青青标准准土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 根据我国聚合物改性剂的使用情况，将改性沥青分为SBS(热塑性橡胶类)、SBR(橡胶类)、EVA和PE(树脂/塑料类)三类：1）I类为SBS热塑性橡胶类：我国大部分地区高速公路宜选I-D级，西北和东北选I-C级，I-B级适用于非常寒冷地区，I-A级除特殊情况外较少使用。2）II类为SBR橡胶类：II-A级用于寒冷地区，II-B和II-C适用较热地区。3）III类为EVA、PE树脂/塑料类：适用于较热和炎热地区。PI作为可选指标被列入规范；现场用改性沥青可以不要求储存稳定性；135粘度用布洛克菲尔德粘度计法测得。土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 规范要求范要求对SBR类改性沥青材料的韧性和黏韧性做出了要求，离析度则没有要求；因PE、EVA类改性沥青主要用于较热或炎热地区没有给出5延度要求；其它未列入改性剂，可根据性质，参照相应类别。各项试验参照JTJ 052-2000；溶解度测定存在问题。土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 指标SBS类SBR类EVA、PE类I-AI-BI-CI-DII-AII-BII-CIII-AIII-BIII-CIII-DIII-E针入度(25,100g,5s)/0.1mm min100755040100708030 max1501007575130针入度(4,200g,60s)/0.1mm min403025254835261812运动粘度(60)/cSt min-150 max200020001500软化点TR&B/min4349546052545760-闪点/min218232232218溶解度/%min 99.099.0离析,软化点差/max 2.2黏韧性(25)/in-1bs min75110韧性(25)/in-1bs min5075RTFOT或TFOT后残留物质量损失/%max1.0弹性恢复(25)/%min4550针入度(4,200g,60s)/0.1mm min2015131324181396动力粘度(60)/Pas min40008000延度(4,5cm/min)/cm min258黏韧性(25)/in-1bs min110韧性(25)/in-1bs min75美国美国AASHTO-AGC-ARTBAAASHTO-AGC-ARTBA改性改性沥青建青建议标准（准（19951995年）年）土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 日本道路日本道路协会改性会改性沥青青标准：准：土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 各国各国规范分析范分析对比比 国外对聚合物改性沥青的要求有所差别，但各国标准具有一定的相同点：根据聚合物的种类进行分类，根据适用温度进行分级。我国标准与美国AASHTO-AGC-ARTBA建议标准较为接近；分类和分级的方式基本相同；日本标准与美国标准有所不同，不仅分类不同，指标要求也有很大差别。日本标准中I类为SBR橡胶改性沥青，II类为EVA树脂类和SBS热塑性橡胶类，此外还对高粘改性沥青、提高粘附性改性沥青以及超重交通改性沥青的技术指标提出了要求。土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 聚合物改性沥青的生产：母体法 直接投入法 机械搅拌法 胶体磨法 高速剪切法土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 1）母体法：先加工成聚合物高剂量母体在现场调稀使用。2）直接投放法：现场将改性剂投入拌合锅，与矿料、沥青拌合制备改性沥青混合料。如SBR胶乳、纤维及磨细胶粉等。SBR胶乳可直接喷入拌合锅中。3）机械搅拌法：EVA及某些与沥青相容性较好的改性剂用此法。4）胶体磨和高速剪切法：为防止改性沥青离析导致性质不均匀，宜在现场边制作边使用。将改性剂剪切粉碎，促进溶胀。一般需要经过改性剂溶胀、分散磨细、继续发育三个阶段。SBS、SBR、EVA等。土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 改性改性沥青的青的发展展趋势（1）研制开发高效能的改性剂；（2）研制开发高效能的稳定剂；（3）充分利用沥青与聚合物的反应改性机理，提高改性效果；（4）废料的开发利用，如废橡胶粉和废旧聚乙烯改性沥青；（5）改进与完善改性沥青的加工工艺，一方面提高搅拌设备的加工效能，另一方面可考虑在沥青改性过程中，加入相应的催化剂，以加速沥青与聚合物的反应历程，以提高改性效果和改性沥青的稳定性；另外还需对工艺过程进一步优化；（6）改性沥青的评价方法与技术标准尚有待进一步深入研究。土木工程材料新技术及其应用土木工程材料新技术及其应用 欢欢 迎迎 交交 流流谢谢 谢谢