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1、沥青与沥青混合料黄维蓉第3章 改性沥青和乳化沥青 所谓改性沥青，也包括改性沥青混合料，是指“掺和橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其它填料等外掺剂（改性剂），经过充分混熔，使之均匀分散在沥青中，或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得以改善而制成的沥青结合料”。 3.1 工程高聚物材料 一、高聚物材料的概念 高聚物是组成单元相互多次重复连接而构成的物质。 聚合物材料包括塑料 、橡胶 、纤维三类 。 1.高聚物的主要特征 1）具有巨大的分子量 2）复杂的链结构 3）晶态与非晶态的共存 4）同一种高聚物可加工为不同性质的材料 5）高的品质系数 2.高聚物的命名 和分类 命名
2、： 1）习惯命名 2）系统命名法 3）英文缩写 分类： 塑料 、橡胶 、纤维三类 。二、几种主要高聚物材料 1.塑料 1）聚乙烯(PE) 2）聚丙烯（PP） 3）聚氯乙烯(PVC) 4）聚苯乙烯(PS) 5）乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA) 二、几种主要高聚物材料 2橡胶(Rubber) 1）丁苯橡胶（SBR) 2）氯丁橡胶（CR） 3）高聚物合金（热塑性橡胶） SBS、SIS3.2 改性沥青的分类与技术标准 一、改性沥青的分类 见图3-1。 按改性剂分： 热塑性橡胶类SBS、SIS、SE/BS 橡胶类NR、SBR、CR、BR、IR、EPDM、ABR、TTR、SIR、SR、FR 树脂类EVA、
3、PE、APP、PVC、PS、EEA、PP、NBR、EP等二、改性沥青技术性质1.温度敏感性评价指标：针入度指数PI、针入度粘度指数PVN和粘温指数VTI等。PI由040的针入度变化决定，VTI由60135的粘度变化决定，PVN由25的针入度及60或135的粘度决定。2.高温稳定性评价指标：环球法软化点、软化点T800 3.低温柔韧性当量脆点（T1.2）、低温延度 （5，5cm/min) 4.弹性弹性恢复（15，30min，10cm，5cm/min） 5.粘韧性测力延度（10，5cm/min）%10010X10弹性恢复率二、改性沥青技术性质6.耐久性指标残留针入度比（25，100g，5s）残留针
4、入度比越大，说明沥青的抗老化性能越好。低温残留延度（10， 5cm/min）残留弹性恢复（15，30min，10cm，5cm/min） 7.贮存稳定性 离析试验：SBR、SBS类改性沥青，离析时表现为聚合物上浮，则采用的离析试验。（注入沥青的管垂直放在163烘箱中，保持48h）；上下软化点差热储存性试验：EVA和PE等聚合物改性沥青 8.低温粘结性 板冲击试验 9.施工指标 闪点 10.工作度指标135 的高温粘度三、改性沥青的评价技术 现行评价改性沥青性能的方法有三大类。 （1）采用沥青性能指标的变化程度来衡量，如针入度、软化点、延度、粘度、脆点的变化程度。变化值越大，改性效果越好。目前生产
5、上最常用的方法。 （2）针对改性沥青的特点开发的试验方法，如弹性恢复试验、测力延度试验、粘韧性试验、冲击板试验、离析试验等等。 （3）美国的SHRP沥青胶结料评价方法，该方法在一套全新的试验设备和观念的基础上，制定了既适用于普通沥青又适用于改性沥青的指标体系。四、改性沥青的技术标准 技术标准见表3-2。 改性沥青分类： 热塑性橡胶类改性沥青 橡胶类改性沥青 热塑性树脂改性沥青 改性沥青的选择1）改性沥青的选择必须考虑地理位置、气候条件、道路等级、路面结构等多方面因素SBS类改性沥青最大特点是高温、低温性能都好，具有良好的弹性恢复性能。显然热塑性橡胶类SBS改性沥青无论炎热地区、温暖地区，还是寒
6、冷地区都是适用的。橡胶类SBR改性沥青最大特点是低温柔软性好，主要适宜在寒冷气候条件下使用。EVA改性沥青除寒冷地区不宜使用外，炎热地区和一般温暖地区都可使用。PE改性沥青由于只是高温性能比较好，故主要适宜与炎热地区，寒冷地区肯定是不适用的，而一般温暖地区由于四季分明，夏季虽热，但冬季往往也很冷，所以一般来说也不宜采用PE改性沥青。而在西欧、北美地区以及日本PE的应用日趋减少，基本被淘汰。我国聚合物改性沥青适用地区：类是SBS热塑性橡胶类聚合物改性沥青：-A型及-B型适用于寒冷地区，-C型用于较热地区，-D型用于炎热地区及重交通路段。类是SBR橡胶类聚合物改性沥青：-A型用于寒冷地区，-B和-
7、C适用于较热地区。类是树脂类聚合物改性沥青：如乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、聚乙烯(PE)改性沥青，适用于较热和炎热地区。通常要求软化点温度比最高月使用温度的最大日空气温度要高20左右。改性沥青的选择2）根据沥青改性的目的和要求选择改性剂为提高抗永久变形能力，宜使用热塑性橡胶类、热塑性树脂类改性剂；为提高抗低温变形能力，宜使用热塑性橡胶类、橡胶类改性剂；为提高抗疲劳开裂能力，宜使用热塑性橡胶类、橡胶类、热塑性树脂类改性剂；为提高抗水损坏能力，宜使用各类抗剥落剂等外掺剂。3）改性沥青的选择还与制备的条件有关由于SBR改性沥青需要特殊的设备才能制备，所以一般使用单位都只能采购橡胶母体，使用时再将它掺
8、入热沥青中。这样就给使用单位提供了一种加工改性沥青的方法，尤其是养路部门感到有了提高沥青路面性能的办法。SBS、PE改性沥青的制备必须使用专门的加工设备，故一般只有大型工程才有条件采用。EVA与沥青有较好的相容性，在沥青中只要用对流式搅拌器或者简单的高剪切混溶机就能使EVA分散开来，因而制备比较方便，一般单位都可选用。用废旧轮胎磨细的橡胶粉制备改性沥青，设备简单，尤其适合道路养护部门使用。标准的使用问题具体对一个工程，使用改性沥青时，可参照以下步骤：（1）根据当地的气候条件和交通条件，选择适当的基质沥青。希望提高高温性能的路段，基质沥青的标号宜为当地同类公路使用的沥青标号；希望提高低温性能的路
9、段，基质沥青的标号宜为针入度大一个等级（软一些）的沥青。（2）根据改性目的和经济条件，在改性剂的合理使用范围内，选择一个初试剂量。各类改性沥青的合理范围，除特殊情况外，宜在下列范围内选择：对SBS改性沥青，SBS的剂量宜为3%6%；对SBR改性沥青，SBR的剂量宜为3%5%；对EVA或PE改性沥青，EVA或PE的剂量宜为4%6%。（3）按改性沥青的加工工艺，采用适宜的方法制作改性沥青样品，测定改性沥青的15、25、30针入度，计算针入度指数PI，再根据25针入度确定属于哪一个等级。例如针入度88的基质沥青采用4%SBS改性后，针入度为66，则属于I-C级。（4）按照各类改性沥青的关键性技术指标
10、，试验各项性质，对照相应的指标，评定其是否合格。（5）如果达不到要求的指标，或指标过高，可以适当调整改性剂剂量，以符合标准的要求。也可以一开始就试验几个不同剂量的改性沥青，从中选择一个适宜的剂量。（6）试验技术要求规定的其它指标，检验其是否合乎各自技术要求。3.3 改性沥青的生产技术 一、改性沥青的相容性 改性沥青的相容性是指沥青和改性剂在组成和性质上存在差别的组分，在一定的条件下能够相互兼容，并存并配伍，形成热力学相对稳定的具有混溶性的体系的能力。 聚合物分子量 ：当聚合物的分子量接近或大于沥青质的分子量时，就会破坏沥青相位的平衡。饱和分8%12%，芳香分与树脂85%89%，沥青质1%5%，
11、与聚合物相容性好。 聚合物分子结构 聚合物的分散度 溶解度参数 ：溶解度参数差异愈小，分子结构愈相近则相容性愈好。基质沥青与聚合物改性剂基本上遵循化学组成和结构相似相容的原则。 二、改性沥青制备方法1母体法母体法的原理是先采用一种适当的方法，制备加工成高剂量聚合物改性沥青母体，再在现场把改性沥青母体与基质沥青掺配调稀成要求剂量的改性沥青使用，所以又称为二次掺配法。母体法可以采用溶剂法和混炼法制备改性沥青母体。对与沥青相容性不好的SBR、SBS、PE等聚合物改性剂，都可以采用高速剪切等工艺生产高浓度的改性沥青母体。“熔剂法”生产SBR橡胶沥青2. 直接投入法直接投入法是直接将改性剂投入沥青混合料
12、拌和锅与矿料、沥青拌和制作改性沥青混合料的工艺。SBR聚合物改性沥青常采用此方法制作。室内试验的结果表明，采用直接投入法拌和的要比预混法的改性效果稍差些。3机械搅拌法聚合物改性剂与基质沥青通过机械拌制得到改性沥青。SBS、PE等相容性较差的改性剂，不适用于机械搅拌法加工，而对EVA以及某些相容性较好的聚合物，可以采用搅拌法加工。 二、改性沥青制备方法4.胶体磨法和高速剪切法 采用胶体磨或高速剪切设备，在高温高速运转状态下将聚合物研磨成很细的颗粒以增加沥青与聚合物的接触面积，使改性剂充分分散到基质沥青中，一般需要经过聚合物的溶胀、分散磨细、继续发育三个过程。改性沥青制造设备加工流程示意图M-胶体
13、磨；A、B-搅拌罐；C-成品罐；L1、L2、L3-两通阀门；F1、F2、F3、F4-三通阀门；B1、B2-沥青泵；S-沥青流量计；J-减速器二、改性沥青制备方法5.橡胶粉改性沥青的生产 1）湿法湿法橡胶粉改性沥青常用于填缝料、封层(应力吸收膜)，也可用于热拌沥青混合料。2）干法干法橡胶粉改性沥青仅用于热拌沥青混合料。 技术关键技术关键：废橡胶粉的制造工艺，橡胶粉有两种制造方法：一是将精炼过的橡胶用乙氮冷冻，使之脆化，再用球磨机磨成粉末；二是将预先制备的胶乳雾化，使它吸附在硅藻土上，经热风干燥除去水分而成粉末。通过废橡胶粉改性的沥青混合料的成本一般将增加20%100%的费用。3.4 乳化沥青乳化
14、沥青是粘稠沥青经热融和机械作用以微滴状态分散于含有乳化剂-稳定剂的水中，形成水包油(O/W)型的沥青乳液。乳化沥青可用于铺筑表面处治、贯入式、沥青碎石、乳化沥青混凝土等各种结构形式路面的面层及基层，也可用作透层油、粘层油以及用于各种稳定基层的养护，还可用于旧沥青路面的冷再生，防尘处理。 乳化沥青的优越性主要有以下几点：（1）可冷态施工，节约能源，减少环境污染；（2）常温下具有较好的流动性，能保证洒布的均匀性，可提高路面修筑质量；（3）采用乳化沥青，扩展了沥青路面的类型，如稀浆封层等；（4）乳化沥青与矿料表面具有良好的工作性和粘附性，可节约沥青并保证施工质量；（5）可延长施工季节，乳化沥青施工低
15、温多雨季节影响较少。一、乳化沥青的组成材料乳化沥青主要由沥青、乳化剂、稳定剂和水等组分所组成。沥青：易乳化性。针入度较大（大于100）的较软的沥青易于形成乳液。乳化剂：乳化剂有离子型和非离子型两大类，离子型乳化剂又分为阴离子型、阳离子型和两性离子型等。非离子乳化剂在水中不离解成离子状态而又具有亲油和亲水结构的化合物；如聚氧乙烯衍生物、多元醇酯和聚醚等。HLB值（即亲水亲油的平衡值）分：HLB值在46为油包水型乳化剂；HLB值在818为水包油型乳化剂。沥青乳化液与矿料接触后分解破乳恢复沥青的速度，可分为快裂型、中裂型、慢裂型沥青乳化剂。稳定剂：无机盐类和高分子化合物水 ：根据乳化剂类型的不同确定
16、对水质的要求。 酸碱助剂：调节PH值可增强乳化剂的活性，提高乳化稳定性和贮存稳定性，并可降低乳化剂用量。 聚合物改性剂 ：提高沥青的粘结力、弹韧性、耐候性、抗老化性等路面性能 。二、乳化沥青的形成机理 乳化剂降低界面张力的作用 界面膜的保护作用 双电层的稳定作用 三、乳化沥青的生产工艺 1原材料的品种和剂量的确定 2乳化工艺的主要流程 （1）乳化剂水溶液的调制 在水中加入需要数量的乳化剂和稳定剂，使其在水中充分溶解，水温一般控制在6080C； （2）沥青加热 沥青加热温度根据其品种、牌号、施工季节和地区而定。一般温度为120150C； （3）沥青与水比例控制 沥青与乳液通过流量计，严格控制加入
17、比例。 （4）乳化常用设备 胶体磨或其它同类设备。 （5）沥青乳液贮存 贮运过程注意沥青乳液稳定性，避免产生破乳。 用胺类乳化剂进行乳化的工艺图 乳化设备 乳化机结构示意图a）搅拌式乳化机；b）高压均化器（1-出口；2-锥形座；3-阀头；4-进口）；c）胶体磨的结构原理（1-转子；2-定子） 乳化设备 连续式乳化沥青生产设备流程图 四、乳化沥青的分裂机理 为发挥乳化沥青粘结的功能，沥青液滴必须从乳化液中分裂出来，聚集在集料的表面而形成连续的沥青薄膜，这一过程称为“分裂”。1水的蒸发作用 乳液中的水分蒸发，破坏乳液的稳定性造成分裂、破乳。2集料的吸附作用 由于多孔、粗糙、干燥的集料易吸收乳液水分
18、，破坏乳液的平衡，加速破乳。 3电荷的吸附作用沥青乳液与集料接触后，乳液中沥青微粒所带电荷与集料表面所带电荷的相互吸附作用，是乳液破乳的主要原因。4酸碱中和作用阳离子沥青乳液有一定的游离酸，pH值小，游离酸与碱性集料起作用，生成了氯化钙和带负电荷的碳酸离子，它与裹覆在沥青微粒周围的阳离子中和，因此沥青微粒能与集料表面紧密相连，形成牢固的沥青膜，乳液中的水分很快分离出来。5机械的激波作用 在施工过程中压路机的碾压和开放交通后汽车的行驶，各种机械力对路面的振颤而产生激波作用，也能促使乳化沥青稳定性的破坏和沥青薄膜结构的形成。 五、乳化沥青的技术性质与技术标准 1筛上剩余量：1.18mm筛2蒸发残留
19、物含量及残留物性质乳液加热（不超过160）脱水后，求出其蒸发残留物占乳液的百分比；蒸发残留物的性质以针入度、延度和软化点表征，比较沥青乳化后与原沥青相比在技术性能上有何变化。3粘度标准粘度计或恩氏粘度计测定乳液的粘度。测试条件为：温度60，流孔直径3mm。4粘附性观察乳液与石料表面的粘附情况。5储存稳定性将乳液在容器中置放规定的储存时间后，检测容器上下乳液的浓度变化。一般采用5d的贮存稳定性，也可用1d的稳定性。6低温储存稳定性 7微粒离子电荷性8破乳速度9水泥拌和试验与矿料拌和试验技术标准P-喷洒型乳化沥青，主要用于透层、粘层、表面处治或贯入式沥青碎石路面；B-拌和型乳化沥青，主要用于沥青碎
20、石或沥青混合料路面。C-阳离子型乳化沥青，A-阴离子型乳化沥青，N-非离子乳化沥青；13表示不同用途。类 别代 号用 途喷洒贯入用PA1、PC1层铺贯入式路面及表面处治用PA2、PC2透层油及稳定用表面养护用PA3、PC3结合层油层用拌和用BA1、BC1拌制粗粒式沥青混凝土及黑色碎石用BA2、BC2拌制中粒式及细粒式沥青混合料用BA3、BC3拌制稳定土及稀浆封层用 种类品种及代号试验项目PC1PC2PC3BC1BC2BC3PA1PA2PA3BA1BA2BA3筛上剩余量(%)0.3粒子电荷阳离子带正电(+) 阴离子带负电(-)破乳速度快裂慢裂快裂中裂或慢裂慢裂粘沥青标准粘度计C25，3 (s)1
21、2458201210040100度恩格拉粘度E25315163401540蒸发残留物含量(%)6050556062蒸发残留物性质25C针入度(0.1mm)802008030060160602006030080200与原沥青的延度比(25C) (%)80溶解度（三氯乙烯）(%)97.5贮存稳定性(%)5d51d1与矿料的粘附性试验，裹覆面积2/3粗粒式集料拌和试验-均匀-细粒式集料拌和试验-均匀水泥拌和试验，筛上剩余量(%)-5低温贮存稳定度(-5)无粗颗粒或结块六、改性乳化沥青 改性乳化沥青是以乳化沥青为基料，以高分子聚合物(一般为橡胶乳)为添加改性材料，同时掺入适量的分散稳定剂或其它微量配合剂，在一定的工艺条件下，经过掺配混溶制备成具有某种特性的稳定沥青橡胶混合乳液，这种混合乳液被称为橡胶改性乳化沥青。 六、改性乳化沥青 1.改性乳化沥青的制备方法 二次热混合法、一次热混合法、一次混合法 2.改性乳化沥青稳定机理