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沥青与沥青混凝土课程设计

学院：土木建筑学院

专业：材料科学与工程

班级： 09级01班

学号： 09140112

姓名：喻永强

指导老师：黄维蓉

二〇一二年六月十四日

不同掺量SBS改性剂对沥青胶结料和SMA-13沥青混合料性能的影响

1.概述

为了满足现代交通发展的需要，对沥青材料性能的要求大为提高，普通沥青胶结料已无法满足人们的要求；由于改性沥青的各项性能远远优于重交沥青，特别是SBS改性沥青的优越的高温稳定性、低温抗裂性能以及耐久性越来越受到人们的重视；近年来我过对SBS改性沥青的使用越来越多，因而选择合理掺量的SBS改性剂对于沥青混凝土的路用性能和经济性能有重要的意义。

SBS是一种热塑性弹性体, 是以丁二烯和1,3-苯乙烯单体，采用阴离子聚合制得的线型或星型嵌段共聚物。分子中间的每个丁二烯链段（B）的末端都连接一个苯乙烯嵌段（S），多个丁二烯链段偶联则形成这种热塑性弹性体的线型或星型结构。其中聚苯乙烯链段在两端分别聚在一起形成物理交联的硬段，也可以称为约束相。聚丁二烯链段软段作为连续相, 使SBS 呈高弹状态。硬段分布于丁二烯之间作为分散相起固定链段和补强活性填充剂的作用。SBS的两相分离结构决定了它具有两个玻璃化温度；温度升高到超过苯乙烯玻璃化温度( +80℃)时, 网状结构消失,塑料段开始软化和流动，有利于拌合和施工，在路面使用温度下为固体，产生高拉伸强度和高温下的抗拉伸能力，其中聚丁二烯具有较好的弹性和抗疲劳性能，其玻璃化温度极低（-80℃），有低温柔性；在-80～+80℃范围内, SBS兼具橡胶的弹性和树脂的热塑性, 因此具有很好的变形自恢复及裂缝自愈能力, 是理想的沥青改性剂。

最早的SBS是由美国菲利普公司与1963年开始工业化生产的，我国岳阳，燕山等石化公司均有生产，SBS的改性效果与SBS的品种、相对分子量密切相关，一般来讲，相对分子量越大，改性效果越明显，但加工越困难；目前SBS改性沥青已广泛地应用到新建高等级公路沥青路面的铺装，道路养护维修，特殊铺装（复合式路面，桥面铺装，机场路面以及其他特殊路段），特殊性路面（排水性路面，沥青玛蹄脂碎石路面），以及作为防水、填缝材料等特殊用途。

SBS之所以能被广泛地用于沥青的改性与它独特的结构有关, 在SBS 的结构中, 硬质的聚苯乙烯端链被聚丁二烯弹性体中央端连接起来, 聚苯乙烯和聚丁二烯在常温时有不相容性, 共聚物中分子链之间的聚苯乙烯内聚能密度较大, 家具附件其两端首先分别与另外的聚苯乙烯聚集在一起, 形成许多有约束成分的物理交联区域, 同时又因其嵌段是柔性的聚丁二烯, 可以形成网状结构。这种网状结构具有理想的弹性、塑性和延展性, 从而改变沥青的力学性能,但是只有当沥青中的油分使聚合物充分溶胀后才能形成连续网络。由聚合物引起的油流动, 可造成沥青胶体体系的不平衡, 即使沥青中的芳香分、胶质与沥青质不相容, 导致部分或全部沥青质絮凝。已有的试验表明各类改性沥青中, SBS改性沥青的抗永久变形能力最好。

聚合物改性沥青一般指物理改性, 即聚合物均匀分散沥青中形成聚合物与沥青的混和料。聚合物在沥青中分散均匀程度决定了改性的效果。由于改性道路沥青中SBS 的加入量较少, 可以理解为SBS是在沥青中发生溶解。这种溶解包括两个过程: 先是溶胀过程, 然后是扩散过程。即SBS高增益天线首先吸收沥青中低分子物质溶胀体积增加, 然后在热力或机械力的作用下以一定的状态分散在沥青中。当SBS加到热沥青中, 沥青开始渗透, 进入SBS粒子中, 引起SBS的苯乙烯团逐渐溶胀, 这时对溶胀的SBS加入强力剪切, 在理想的拌和时间内会得到令人满意的分散体系。如果SBS能够均匀分散在沥青中, 甚至形成相互交联的网状结构, 不但可以改善沥青的高温性能, 而且可以明显改善其抗低温变形能力。相反, 如果SBS在沥青中分散不均匀或出现凝聚,会出现由于应力集中而使延度降低, SBS 改性作用降到最小, 甚至有负作用。因此考虑SBS与沥青相容性和分散性可通过低温延度试验来确定。如果SBS在沥青中呈现高相容和高分散则沥青低温延度明显增加。总之, 基质沥青通过SBS 改性后, 高温稳定性有了大幅度提高, 低温抗裂性得到增强, 温度敏感性减弱, 弹性恢复能力提高。

改性剂的添加作用主要体现在: 提高沥青的软化点; 使沥青的25℃针入度下降; 使延度的温度敏感性降低, 5℃延度有很大提高。改性剂数量的多少直接决定改性的效果。手套编织机SBS掺量为4%左右时, SBS对沥青软化点的改善效果与基质沥青类型密切相关; SBS 掺量为6%时, 不

同基质沥青制成的改性沥青软化点则差别不大。这主要是由于SBS 掺量为6% , SBS 已在基质沥青中形成了较完善的网络状结构, 改性沥青此时的软化点主要取决于分散的SBS数量及网络状结构的完善程度, 而与基质沥青关系不大。从国外研究结果来看, SBS 在沥青中形成网状结构的掺量应在4%～6%。因此, 国内在改性沥青生产中的SBS掺量取4% ～ 6%是比较合适的。随SBS掺量增大, 延度值有下降之后的回升趋势, 这是由于延度试验时改性沥青破坏形态上的差异或由于SBS 网络结构改变了基质沥青的变形特性的结果。同时, 随温度降低而延度下降比较明显,但在一定温度条件下(5～10℃ ), 随粉体SBS掺量的增大, 延度先减小, 后增大, 呈凹曲线变化的趋势。基质沥青在温度5℃左右时延度下降十分显著, 相比之下, SBS改性沥青在此温度区域内, 延度下降幅度较小。这主要是由于SBS在改性沥青中形成网络状结构, 同时SBS 网在5℃温度区域内具备很好的变形适应能力, 而SBS掺量较小时SBS网不够完整, 这种改性沥青(如SBS掺量2% 、4% ) 5℃延度相对基质沥青有所改善, 但比SBS 掺量大的改性沥青5℃延度要低得多。这充分证明, SBS网状结构对沥青变形性能的实质性影响。

随着我国经济的飞速发展，交通量日益增大，人们对于路面性能（结构性使用性能和功能性使用性能）的要求越来越高，同时车辆大型化和重载，超载等问题也使得沥青路面面临

严峻的考验；现阶段沥青路面存在的主要问题有高温车辙问题，水损以及低温脆裂问题；虽然改性沥青的使用能在一定程度上改善这些问题，但由于受改性沥青的价格昂贵，以及路面初期建设投资的限制，改性沥青大多仅使用在一般路面的表层或特殊路段，严重制约了改性沥青性能的发挥。因此，根据路面各结构层的受力特点和功能要求确定合适的SBS掺量改善其使用性能对于在有限的投资下充分发挥各结构层的服务性能，延长路面的使用性能和降低公路的养护投资具有重要的现实意义。

2.主要内容

2.1 选取合适的基质沥青，做不同掺量SBS改性剂（0%，2%，2.5%，3%，4%，6%）的改性后沥青针入度，软化点，延度和老化后沥青的质量损失，针入度比以及延度；

2.2 通过沥青胶结料性能试验结果初步分析不同SBS掺量对沥青的影响；

2.3 选用合适的粗细集料以及填料，做不同掺量SBS（0%，2%，2.5%，3%，4%，6%）改性沥青拌制而成的SMA-13混合料在最佳油石比下的马歇尔试验，浸水马歇尔试验，冻融劈裂试验，谢伦堡沥青析漏试验以及肯塔堡飞散试验；计算马歇尔稳定度及混合料的体

积指标，高温稳定性，水稳性，析漏和抗飞散性能对比研究不同掺量SBS对沥青混合料的性能影响；

2.4 确定SBS-SMA13最为经济的改性剂用量。

3详细方案

3.1材料的选取

3.1.1 沥青及沥青混合料

SBS改性剂：采用优质SBS改性剂，其物理力学性能指标满足表1。

表1 SBS改性剂物理力学性能指标

结构类型	嵌段比S/B	300%定伸应力Mpa	拉伸强度Mpa	扯断伸长率%	扯断永久变形%
星型	30/70	≥2.0	≥14	≥650	≤30

基质沥青：符合指标的壳牌公司70号A级重交沥青；

粗集料：为了发挥沥青玛蹄脂碎石混合料粗集料的嵌挤作用，必须使用坚韧，粗糙，有棱角的优质石灰岩,满足表2技术指标；

表2 粗集料技术指标（JTG F40-2004）

指标	技术要求	高效除雾器试验方法
石料压碎值%	≤26	T0316
洛杉矶磨耗值%	≤28	T0317
吸水率%	≤2.0	T0304
表观相对密度t/m³	≥2.60	T0304
针片状(＞9.5mm)%	≤12	T0312
颗粒含量（＜9.5㎜）%	≤18	T0312
水洗法＜0.075㎜颗粒含量%	≤0.3	T0310

细集料：要求石质坚硬、洁净、富有棱角、并有一定的表面纹理、软质含量少；本文采用石灰岩破碎机制砂；

填料：矿粉应干净，清洁能自由的从矿粉仓流出；本文采用石灰岩矿，掺量为10%；

纤维稳定剂：木质素纤维，剂量为沥青混合料的0.3%，在沥青混合料的生产过程中，纤维应由专用的纤维投放设备投入拌和机，投放时间应在喷入沥青之前喷入拌合机；各项技术指标如表3。

表3 木质素纤维技术要求

项目	指标	试验方法
纤维长度㎜	≤6	水溶液用显微镜观测
灰分含量% 造纸助留助滤剂	18±5	590-600℃燃烧后测定残留物
PH值	7.5±1.0	水溶液用PH试纸或PH计
吸油率%	纤维质量的5倍	用煤油浸泡后放在筛上经振敲后称量
含水率%	5	105℃烘箱烘2h后冷却称量