瀝青改性的方法及使用中存在的問題

瀝青改性的方法及使用中存在的問題第1頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月目錄一、改性瀝青使用的背景和歷史

二、瀝青改性劑的種類和性質(zhì)三、改性瀝青的改性機(jī)理和性能試驗(yàn)四、納米改性（NaNo-modified）瀝青技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展第2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、改性瀝青使用的背景和歷史

第3頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月改性瀝青的使用背景截止2013年底，我國高速公路的通車總里程已突破十萬公里。從長遠(yuǎn)的效益以及后期的運(yùn)營維護(hù)來看，瀝青路面已成為道路路面的首選。然而，隨著氣候變化與荷載的增加使得道路路面病害日益嚴(yán)重，對道路材料質(zhì)量的要求越來越高，改性瀝青的研究工作對提高路面使用性能與壽命具有重要的意義。第4頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月改性瀝青的歷史1873年，英國的SamuelWhiting申請了橡膠改性瀝青專利；1899年，法國修建了第一條摻有橡膠的改性瀝青路面；20世紀(jì)20年代，改性瀝青成為一項(xiàng)專門的技術(shù)；1945年，美國在機(jī)場道面修建中大量使用橡膠改性瀝青，并取得成效；在隨后的60多年間，改性瀝青技術(shù)發(fā)迅速，品種多樣化，使得改性瀝青的應(yīng)用取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。特別是20世紀(jì)60年代德國首先發(fā)明了SMA（瀝青瑪蹄脂碎石混合料），并成功修建了第一條SMA路面。SMA第5頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月SMASMA是由瀝青，纖維穩(wěn)定劑，礦粉和少量細(xì)集料拌合成的瀝青瑪蹄脂充填到間斷級配的粗集料骨架空隙中形成的一種特殊混合料，由于瀝青用量（油石比）在6.5%~7.5%左右，所以它要求瀝青粘度比較大（1000Pa·s左右），并且一般要求用改性瀝青。這種混合料鋪筑的路面，有較高的抗車轍能力，在冬季還有很好的抵抗抗滑輪胎釘?shù)哪p作用和重載交通的作用。

此外，多孔排水瀝青混合料(PA或OGFC)也要求采用高粘度瀝青（例如8~10萬Pa·s），顯然不用改性瀝青是不可能的。第6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月二、瀝青改性劑的種類和性質(zhì)

第7頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月一類是改變?yōu)r青性質(zhì)的，改性劑會與瀝青發(fā)生作用，從而改變它的性質(zhì)，如有機(jī)聚合物改性劑（SBS，SBR等)一類是改變?yōu)r青組成和物理性質(zhì)，如碳黑、摻加湖瀝青、巖瀝青（特里尼特湖瀝青等）

改性劑按機(jī)理可分為

一類是改善或提高瀝青的性能，如橡膠類（天然橡膠，再生橡膠）第8頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月表1目前應(yīng)用的瀝青改性劑類型摘自

NCHRP,Report459第9頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月表2美國各州最常用的改性劑的類型第10頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月對于聚合物改性劑又可分為兩大類一類是塑性改性劑，如聚丙烯，聚乙烯一類是彈性改性劑(橡膠/聚合物),包括SBS,天然橡膠,塊狀橡膠(原始或再生)還有一類納米改性瀝青值得大家關(guān)注，就是利用納米技術(shù)對瀝青進(jìn)行改性，這是一種新技術(shù)，后面專門進(jìn)行介紹。第11頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月聚合物改性劑的主要缺點(diǎn)大部分聚合物其熱動力性質(zhì)與瀝青不相匹配，這是由于其密度，極性，分子量，使聚合物與瀝青之間的相溶性等有很大差異所引起的，這就導(dǎo)致改性瀝青在熱儲存中出現(xiàn)離析分層的問題。第12頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月5）加載速率的依賴性和時間-溫度的等效性,改性結(jié)合料對加載速率的敏感性是有很大不同的,因?yàn)樗奈⒂^結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。因此在預(yù)估結(jié)合料在不同交通條件的路面性能時應(yīng)直接測量加載速率的依賴性。選用改性劑時要特別注意如下五點(diǎn)：2）粘性與剪切速率依賴性，非牛頓液，合適的攪拌剪切速率很重要；1）儲存的穩(wěn)定性，多相體系，有可能發(fā)生離析；3）流變與應(yīng)變的依賴性，改性劑一般都有明顯的非線性性質(zhì)，應(yīng)用線性粘彈性性質(zhì)來預(yù)估結(jié)合料對路面性能的影響時可能會出現(xiàn)誤導(dǎo)；4）車輛（力學(xué)）作用的影響，形變累積破壞，利用荷載整個加載過程來評價改性瀝青的影響；第13頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月瀝青改性技術(shù)方法大致可歸結(jié)為第14頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月三、改性瀝青的改性機(jī)理和性能試驗(yàn)

第15頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月改性機(jī)理改性瀝青在改性機(jī)理方面的研究還不深入，改性劑與瀝青在共混條件下并沒有發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，而是均勻地分散、吸附在瀝青中，僅是物理意義上的共存共融體，因?yàn)槟芡耆珴M足熱力學(xué)混融條件形成均相體系的改性瀝青很少，一般情況為微觀或亞微觀結(jié)構(gòu)的多相體系?？梢姡男詾r青材料是復(fù)雜的，改性劑顆粒通過與基質(zhì)瀝青微觀組分（圖1）的特性互相作用，從而使瀝青的性能得到改善并滿足相應(yīng)的路用要求。這可能是對改性瀝青改性機(jī)理的基本認(rèn)識。圖1瀝青質(zhì)分子結(jié)構(gòu)第16頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月評價改性瀝青和瀝青混合料的性能，一直是目前的研究重點(diǎn)。利用傳統(tǒng)的儀器設(shè)備由針入度試驗(yàn)，superpavePG分級等將導(dǎo)致誤差，不能很好反應(yīng)其實(shí)際條件下的性能，目前采用了一些新的方法，如用環(huán)與球法（RalB

法ASTME28

）測定軟化點(diǎn)確定高溫性能，利用DSR、BBR等對基質(zhì)瀝青與改性瀝青進(jìn)行對比試驗(yàn)，還有建議用零剪切粘度（ZSV）評價聚合物改性瀝青的粘度。此外，目前一般采用車轍、彎曲疲勞、凍斷試驗(yàn)、SPT試驗(yàn)等來研究改性瀝青混合料的路用性能，顯然利用這些方法測定的結(jié)果來評價改性瀝青混合料的性能還存在一定的問題。目前，雖然改性瀝青在國內(nèi)外都得到了廣泛的應(yīng)用與肯定，它對瀝青的抗疲勞性，抗老化性，高溫穩(wěn)定性都有明顯的改善，但對其機(jī)理的認(rèn)識，以及試驗(yàn)評價方面還存在一系列問題，需要繼續(xù)努力去解決。第17頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月四、納米改性（NaNo-modified）瀝青技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展第18頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（1~100μm），或以它們作為基本單元構(gòu)成的材料。納米的概念是由諾貝爾獲得者理查德·費(fèi)曼于1959年第一次提出，到了20世紀(jì)70年代末，相對微米加工技術(shù)，人們提出了精細(xì)機(jī)械加工的納米技術(shù)。納米技術(shù)的目標(biāo)是通過原子、分子水平上控制結(jié)構(gòu)來發(fā)現(xiàn)新特性，合成納米結(jié)構(gòu)，最終直接以原子和分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。目前，納米材料和技術(shù)正在滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，引起諸多技術(shù)的根本變革，帶動眾多的科技領(lǐng)域發(fā)展，同時在廣泛的應(yīng)用中帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。定義第19頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月一般納米材料分為兩大類，即功能材料和結(jié)構(gòu)材料

功能材料：納米尺寸的原子團(tuán)、納米線、納米帶等，用于制造催化、殺菌、清潔、隱身、燃料等材料和信息器件。結(jié)構(gòu)材料：納米粒子、納米線、納米帶等壓成塊體或加入其他材料中構(gòu)成復(fù)合體。第20頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月近年來，納米技術(shù)在交通領(lǐng)域也得到了應(yīng)用，道路工作者已開始應(yīng)用納米技術(shù)對瀝青進(jìn)行改性研究。眾所周知，瀝青路面的宏觀路用性能是由路面材料組成的微觀結(jié)構(gòu)，尤其是在微米和納米尺度下發(fā)生的作用。圖（2）說明了不同瀝青混凝土尺度演變的情況，從宏觀（macro）到細(xì)觀（meso）、微觀（micro）、納米（nano）和量子（quantum）尺度。圖2不同瀝青尺度的演變第21頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月納米材料的應(yīng)用歷史納米材料的特殊性質(zhì)來源于它的納米量綱。自從2003年，日本Toyoda研究中心研制出了聚酰胺6（polya-mide）/粘土納米復(fù)合材料之后，由于它由獨(dú)特的力學(xué)，熱，光,電，磁和絕緣方面的性能而引起了科機(jī)界極大的興趣。

2006年8月美國NSFWorkshop舉行了“粘結(jié)材料的納米改性技術(shù)”討論會，并制定了“水泥混凝土和瀝青混凝土采用納米技術(shù)”的“RoadmapforResearch”。從此，美國許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開展了許多的納米改性瀝青對的研究，并取得了初步成果

Galooyale等研究了蒙脫土（MMT）和其他納米粘土對SBS改性瀝青和瀝青流變性能的影響。Goh等制作了納米粘土和碳-微纖維（carbon-microfiber）改性瀝青，并研究了其混合物的力學(xué)性能和抗水性等等。第22頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月由于制作方法的復(fù)雜性,用普通技術(shù)難于獲得納米尺度的有機(jī)材料,所以用聚合物改性劑作為納米改性瀝青劑有時是不可行的。但是，金屬氧化物納米可以用普通方法制作，所以它們更有可能用作基質(zhì)瀝青的添加劑，這種方法目前很有前景。由于費(fèi)用的原因，目前大量采用非有機(jī)金屬氧化物制作納米級的材料，并用于基質(zhì)瀝青改性,其關(guān)鍵是分散性的表面活性劑，以使納米添加劑與基質(zhì)瀝青能兼容。目前已廣泛采用的有:

層狀粘土納米材料（thelayeredclaynanomaterials）原生蒙脫土（MMT）有機(jī)蒙脫石（OMMT）納米改性瀝青劑的類型第23頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月武漢理工大學(xué)采用納米層狀硅酸鹽（nano-layeredsilicate）和SBS復(fù)合改性瀝青；長安大學(xué)采用納米SiO2，TiO2和CaCO3與SBS結(jié)合進(jìn)行基質(zhì)瀝青改性；山東交大，重慶交通大學(xué)，長沙理工大學(xué)，湖南大學(xué)等也開始采用無機(jī)蒙脫石，以及納米Fe3O4，ZnO直接進(jìn)行瀝青改性，或與SBS，SBR結(jié)合使用對瀝青進(jìn)行改性；另外，還介紹了高嶺土（KaolinClay）對SBS和SEBS（以聚苯乙烯為末端段，以聚丁二烯加氫得到的乙烯-丁烯共聚物為中間彈性嵌段的線性三嵌共聚物）改性瀝青性能的影響。納米改性瀝青在國內(nèi)的研究情況第24頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月下面列舉揚(yáng)州大學(xué)的一個試驗(yàn)結(jié)果，他們應(yīng)用納米氧化鋅（Zn0）和SBS復(fù)合在室內(nèi)制備了改性瀝青，采用高速剪切法和攪拌法制備。其技術(shù)指標(biāo)分別如表3、表4所示。表3高速剪切法指標(biāo)下列納米ZnO摻量（%）下高速剪切法（5%SBS）結(jié)果03456針入度/0.1mm15℃19.620.120.121.820.325℃49.159.554.850.152.230℃70.289.888.787.585.3PI-0.100-1.000-0.6250.714-0.164T800/℃55.349.051.558.453.9軟化點(diǎn)/℃78.872.071.471.070.8延度（5℃）/cm44.266.475.382.383.1彈性恢復(fù)/%96.196.897.398.5

95.8粘度（135℃）/（Pa·s）1.6751.8931.1390.9270.875離析（163℃，48h）/℃47.543.042.341.240.5第25頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月表4機(jī)械攪拌指標(biāo)下列納米ZnO摻量（%）下機(jī)械攪拌法（5%SBS）結(jié)果03456針入度/0.1mm15℃22.12324.125.326.025℃5760.460.660.660.830℃89.095.897.5100101.4PI-0.066-0.228-0.0660.0840.169T800/℃53.652.252.753.153.3軟化點(diǎn)/℃85.183.282.881.080.0延度（5℃）/cm42.481.383.289.492.1彈性恢復(fù)/%95.498.498.598.698.8粘度（135℃）/（Pa·s）2.0132.8752.0351.8251.652離析（163℃，48h）/℃27.525.321.820.321.2第26頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月從表中可以看出納米改性瀝青的效果，采用納米Zn0和SBS復(fù)合改性的瀝青，其低溫5℃的延度比未用納米ZnO時增加了近一倍，而軟化點(diǎn)基本不變，應(yīng)該說這是一個很好