微硅粉sbs复合改性沥青及其混合料的制备与性能研究

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学校代号：10731学号：112091704010密级：公开兰州理工大学硕士学位论文微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料的制备与性能研究 Thepreparationandperformancestudyofsilicafume／SBScompositemodifiedasphaltanditsmixtureLuoZixuanB．E．(AnhuiUniversityofScience&Technology)201AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringAppliedChemistryintheGraduateSchoolofLanzhouUniversityofTechnologySupervisorProfessorFengHuixiaMay,2014 兰州理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：罗奄暂日期：砂，眸6月，。日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密团。(请在以上相应方框内打“√")作者签名：错钎导师签名：瓣日期：加，甲年6月，．7日日期：伊，哗刍月f扫日 硕士学位论文目录目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．IAbstract⋯．．⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．II插图索引⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．III附表索引⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．Ⅳ第1章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l1．1研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．2改性沥青的分类和国内外发展状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．2．1改性沥青的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21．2．2国外改性沥青研究概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31．2．3国内改性沥青研究概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51．3本论文的目的、技术路线及主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7第2章微硅粉／sss复合改性沥青的制备与性能研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102．1实验部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．102．1．1原材料与相关技术指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．102．1．2仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。122．1．3制备工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122．1．4性能测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．132．2结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．142．2．1SBS改性剂掺量的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．142．2．2微硅粉改性剂掺量的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．162．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．17第3章微硅粉／SBS改性沥青的老化性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l93．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．193．1．1SBS改性沥青的老化性能评价方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．193．1．2老化性能评价指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯203．2实验部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．213．2．1旋转薄膜烘箱老化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．213．2．2压力老化箱老化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．213．2．3长期热氧老化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．213．3结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯213．3．1旋转薄膜烘箱与压力老化箱老化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．213．3．2长期热氧老化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．233．4小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。25 裂化催化剂用铝溶胶的制备与研究第4章微硅粉／SBS复合改性沥青混合料配合比设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯264．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯264．2设计依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．274．3矿料级配的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯274．4原材料及技术指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯284．4．1沥青⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．284．4．2集料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．284．5微硅粉／SBS复合改性沥青混合料配合比设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯294．5．1原材料筛分及合成级配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．294．5．2矿料合成级配曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯304．5．3微硅粉／SBS复合改性沥青混合料试件制作方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯304．5．4混合料最佳沥青用量的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯314．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯35第5章微硅粉／SBS复合改性沥青混合料性能研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯375．1微硅粉掺量对马歇尔稳定度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯375．2混合料温度稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯385．2．1混合料高温稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．385．2．2混合料低温抗裂性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．395．3微硅粉／SBS复合改性沥青混合料水稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯405．3．1浸水马歇尔试验性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．405．3．2冻融劈裂试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．425．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯44结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯46参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯48致访}⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51附录1攻读学位期间发表的学术论文目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．52 硕士学位论文摘要随着我国公路事业的高速发展，普通沥青已经难以满足高等级路面的需求，对沥青改性从而改善其路用性能已经必不可少。本论文在制备的SBS沥青中掺加不同量的微硅粉，研究其老化性能及路用性能，为无机材料在沥青路面的应用提供了理论基础。本文在参考改性沥青国内外研究的基础上，采用理论和试验相结合的方法，首先制备不同掺加量的SBS改性沥青并确定最优掺加量为4％SBS，然后在确定掺加量的SBS改性沥青中加入不同掺加量的微硅粉，制得微硅粉／SBS复合改性沥青，并对制备的改性沥青进行针入度、软化点、延度等测试，分析了微硅粉的加入对改性沥青的高低温性能、感温性能及弹性恢复能力的影响。并对复合改性沥青进行了老化性能的测试，发现微硅粉的加入可以明显改善沥青的老化性能。本文还通过对不同微硅粉添加量的SBS改性沥青进行了马歇尔配合比设计实验，并在最佳沥青用量下进行了马歇尔试验和其他路用性能试验，得到了沥青混合料马歇尔试验和路用性能指标随硅粉掺量的变化规律，提出了微硅粉的最佳掺量范围，并为马歇尔配合比设计提供了指标参考。最后通过微硅粉／SBS复合改性沥青与普通沥青及其他改性沥青的技术经济分析，说明掺加硅粉改性剂的沥青路面具有明显的社会和经济效益，具有较大的推广使用价值。关键字：改性沥青，微硅粉，SBS，老化性能，配合比设计，路用性能 微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料的制备与性能研究AbstractWiththerapiddevelopmentofChinesehighwaycause，orainaryasphalthasbeendifficulttomeettheneedsofhigh-typepavement．Ithasbeennecessarytoimprovethepavementperformanceofasphaltbyasphaltmaterialmodification．AccordingtopreparativeSBSasphaltwithadulteratingdifferentamountmicrosiliconpowder,thispaperresearchestheagingcharacteristicandpavementperformanceofasphalt，andprovidesatheoreticalbasisofinorganicmaterialusinginasphaltroad．BasedontheresearchprogressofmodifiedasphaltinChinaandabroad，plentyofexperimentsarecarriedoutincombination、)I，itlltheoryanalysisinthisarticle．First，preparingdifferentadulterationamountsofSBSmodifiedasphaltandconfirmingoptimaaladulterationis4％SBS．Second，addingdifferentadulterationamountsofmicrosiliconpowdertoeonfu'medadulterationamountsofSBSmodifiedasphalttomakemicrosiliconpowder／SBScompoundmodificationasphalt．Andthroughtestingneedlepenetration,softeningpoint，ductilityofpreparativemodifiedasphalt，thepaperstudiestheinfluenceofmodifiedasphalt’Sperformanceathi【ghandlowtemperature，thetemperaturesusceptibilityandelasticrecoverycapabilitiesbymicrosilicapowder．AnddiscoveringadulterationmicrosilicapowderCallobviouslyimprovetheagingcharacteristicofasphaltbytestingofcompoundmodificationasphalt’Sagingcharacteristic．OnthebasisofresearchofdifferentadulterationamountsofmicrosilicapowderSBSmodifiedasphalt，MarshallMi)(designiscarriedOut、)l，itllmodifiedasphaltwimthedifferentcontentofmicrosilicapowder．ThispapercarriesMarshalltestandotherkindsofpavementperformancetestsundertheoptimumasphaltcontent,summarizesthechangelawofMarshallandpavementperformanceindicatorsofasphaltmixtlEewiththedifferentcontentofsilicafilme，putsforwardtheappropriatecontentofsilicafume，andprovidesareferenceforMarshallmixdesign．FinallBthispaperthroughtechnicalandeconomicanalysisofmicrosilicapowder／SBScompoundmodificationasphalt，ordinaryasphaltandothermodifiedasphaltilluminateasphaltpavementwimadulteratingsilicafumemodifyingagenthasobvioussocialandeconomicbenefits，andithasagreatvalueofpopularizingandusing．Keywords：Modifiedasphalt；Microsiliconpowder；SBS；Agingperformance；Mixproportiondesign；TheperformanceoftheRoad 硕士学位论文插图索引图1．1道路改性沥青分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯_⋯⋯⋯⋯2图1．2研究步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。9图2．1星型SBS结果示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11图2．2SBS改性沥青制备工艺流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12图2．3SBS掺量与改性沥青性能的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15图2．4微硅粉SBS复合掺量与改性沥青性能的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17图3．1改性沥青老化后的粘度老化指数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22图3．2改性沥青老化后的软化点变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22图3．3改性沥青老化后的延度保留率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．23图3．4改性沥青不同老化时间的粘度老化指数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一23图3．5改性沥青不同老化时间的软化点变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24图3．6改性沥青不同老化时间的延度损失⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24图4．1矿料合成级配曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯30图4．2固化试件毛体积密度与油石比关系曲线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯33图4．3固化试件空隙率与油石比关系曲线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯33图4．4固化试件60℃稳定度与油石比关系曲线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯34图4．5固化试件流值与油石比关系曲线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯34图4．6固化试件VMA与油石比关系曲线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯35图4．7固化试件VFA与油石比关系曲线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．35图5．1马歇尔试件MS蝴硅粉掺量曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．42图5．2冻融劈裂比—微硅粉掺量曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯44 微硅粉／sBs复合改性沥青及其混合料的制备与性能研究附表索引表2．1SK．70号沥青性能与技术指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11表2．2微硅粉技术性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12表2．3针入度允许误差范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13表2．4SBS改性沥青试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15表2．5微硅粉SBS复合掺量与改性沥青性能的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．16表4．1AC．13C型密级配目标范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯28表4．2粗集料性能检测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯28表4．3细集料性能检测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯29表4．4矿粉性能检测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯29表4．5各种矿料筛分结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯29表4．6微硅粉／SBS复合改性沥青混凝土合成矿料级配组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．30表4．7马歇尔试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯32表5。1微硅粉掺量对改性沥青沥青混合料性能影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯38表5．2车辙试验结果(60"C)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39表5．3—10℃下不同微硅粉含量小梁弯曲试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一39表5．4浸水马歇尔试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4l表5．5不同微硅粉含量沥青混合料冻融循环劈裂试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯43V 硕士学位论文1．1研究背景及意义第1章绪论随着我国国民经济的高速发展，交通基础设施发展迅速，尤其是农村公路和高速公路的建设，沟通了边线地区与大城市、交通枢纽、工业中心的联系，从而使投资环境发生改善，累积了大量资金、技术、劳动力、人才等生产要素，逐步形成了地区优势，为我国国民经济和区域经济的可持续发展，构筑了新的一连串经济增长点，提高了农村生活水平，小城镇建设速度同时推进了社会进步与现代文明的发展，产生了十分广泛的社会效益与经济效益。公路交通的发展作为社会进步、国民经济和人民服务的公共基础设施，已经成为衡量一个国家现代化水平和经济水平的重要标志【lJ。我国的高速公路始建于1988年，时至今日，高速公路通车的总里程数已经超过8。5万公里，位居世界第二，鉴于我国国土的幅员辽阔，在不久的将来将会赶超美国的高速公路成为世界第一【2J。虽然我国公路建设获得了辉煌的成就，但是在公路建设中仍然存在着影响公路发展的重要因素，我国与发达国家在公路建设中仍存在相当大的差距。众所周知，沥青在公路路面中使用可以提高路面的行车舒适性和使用性能，并且兼具建设周期短、维修便利和易于回收利用等优点，因此沥青路面已经成为高级路面的主要用料类型而被广泛应用在国内外公路的建设中。相关材料表明【31，美国和日本的高速公路沥青路面在建成路面的使用率超过了90％；而我国在已建成的高速公路中沥青路面的使用率也占到了总公路里程的75％左右。但是由于沥青路面使用沥青材料作为与碎石的结合料，而沥青作为一种感温性的黏弹性材料，当路面温度升高时，沥青路面在车辆荷载作用下会产生车波浪推移、车辙等病害；当路面温度下降时，沥青路面又会产生裂缝，从而影响到路面的耐久性能和使用寿命。有关沥青路面质量问题的影响因素主要是设计、材料、施工【4’5J。而其中材料因素又是重中之重。由于沥青路面经常出现高温稳定性和低温抗裂性能不足以及水损害等现象，改善沥青材料的相关属性已成为必不可少的措施【6J。1．2改性沥青的分类和国内外发展状况当下通过对沥青的改性已经被广泛应用到道路建设中。改性沥青材料对低温抗裂性能、耐久性、高温稳定性以及低温抗裂性能都有明显的提高， 微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料的制备与性能研究不仅可以降低路面的损害，增强路面的使用性能和使用周期，而且在一定程度降低了沥青路面在后期投入的维护费用【7，3J。虽然前期投资费用会随着使用改性沥青而增多，但从长远利益角度考虑，采用改性沥青还是较为合适的选择。1．2．1改性沥青的分类SamueWgite等人在1873年首次使用1％的天然橡胶加入沥青中对沥青进行改性[9,10l，并在1899年获得了此项专利，从首次将橡胶加入到沥青中改性以来，公路技术人员一直不断的通过往沥青中加入不同的改性剂，从而改善某些特性。近些年来，世界范围内改性沥青的研究和应用进入了高速发展阶段。时至今日，改性剂的选择范围不断扩大。据JeanneSpaced统计，形成商品的就超过40种。从1973年开始，传统的供油方式发生了巨大的变化，炼油厂的多种油源逐渐取代了固定沥青生产油源，这种方式的变化直接影响到所生产的沥青能否达到规格要求的指标，因此多数炼油厂开始使用改性技术来达到对沥青的技术指标要求；同时经济的高速发展造成了交通量逐年增加，车载负荷越来越大，这类问题对道路建设提出了更多严格的要求。为防止引起车辙、收缩裂缝、疲劳开裂等病害，传统的沥青使用方式已不能满足各种公路的需要，所以改性沥青替代传统沥青已经成为了必不可少的发展趋势。所谓改性剂即在沥青或沥青混合料当中加入天然的或人工的有机无机材料，可分散、熔融分散在沥青中，从而改善或提高沥青路面性能(与沥青发生反应或裹覆在沥青表面上1的材料。根据不同目所采取的改性沥青及其混合料的分类如图1．1所示。r一高温稳定性’、r一橡胶类：SBR、CR、EPDMfI改善力学性能I耐疲劳性I聚合物l热塑性橡胶类：SBSl掺加改性刹L低温抗裂性一JL热塑性树脂类：EvA改倒l改善粘附性——抗剥离剂；金属皂(有机锰等)沥司、-耐老化性能——抗老化剂；受阻粉，耐阻氨等及涠I矿物填料：炭黑、硫磺、石棉、木质纤维等合刹物理改性I玻璃纤维格栅：塑料格栅、土工布等技州、．废橡胶粉l调和沥青——掺加天然沥青(湖沥青、岩石沥青、海底沥青)＼沥青工艺——半氧化沥青、泡沫沥青等图1．1道路改性沥青分类‘111Fig1．1Classificationofpavementmodifiedasphalt日常在道路建设中提到的改性沥青都指聚合物改性沥青，简称PMA、 硕士学位论文PMB。用于改性的聚合物种类主要有三类。第一类为热塑性橡胶类(SBS、SIS)；第二类为橡胶类(NR、SBR)；第三类为树脂类(EVA、PE)。1．2．2国外改性沥青研究概况随着现代交通的发展，改性沥青技术的不断进步必不可少，其原因有一下几点【5J：(1)公路发展到如今，世界范围内同时面临这怎么提高路面等级、增加路面寿命等实际问题。而使用改性沥青可以避免使用普通沥青路面中养护维修存在的一系列损害问题，同时增加了路面的耐性和养护周期，减少了公路的后期维护费用，一定程度减少了人员工作量。(2)改性沥青在增强路面的抗损害能力、提高沥青路面的使用水平、降低营运费用时，同时还创造了巨大的经济效益，不仅延长路面的使用寿命，延长养护、维修的周期，而且减少了二次投入，这对于道路的建设公司来说，特别是针对沥青价格容易见涨的情况更具有总体的经济效益。(3)改性沥青的技术也推动了沥青在整个施工建设中的应用范围，不同类型的改性沥青可以应用在不同的建设领域中，例如：桥面铺装、薄层磨耗层大孔隙排水沥青路面、机场路面、桥面伸缩缝、屋面及坝体防水等，这些领域中改性沥青的优势远远超过了普通沥青。正是由于以上原几点，改性沥青技术研究力度不断增大，研究深度不断加深。美国早在1947年前后就开始利用胶乳改性方式使用橡胶粉对沥青进行改性从而应用到公路建设中【l21。1968年，美国已经正式使用丁苯橡胶乳改性沥青来进行公路建设；同年的苏联，使用2％的丁苯橡胶加入沥青改性来铺了试验公路，发现四年后的路面状况仍然完好，证明其路面的抗裂性能突出，改性沥青的使用更加适应苏联寒冷的气候。在日本由于其国家的地理位置和气候的特点，沥青路面时常会发生损害问题，再加之当时日本的经济发展迅猛，公路运输量急剧增加，导致车辆多、荷载重、车速高等原因导致道路负荷巨大，路面易遭破坏，这些情况促使日本在改性沥青方面的研究中投入了大量的精力，也取得了较好的成果。东京率先使用天然橡胶粉改性沥青应用到铺筑公路，1983年的东京大学研制出高性能的丁苯胶乳改性沥青筑波1号。之后的三年内全国总共完成了43条沥青路面。在日本改性沥青已经被广泛应用在道路建设中。日本在l993年的橡胶沥青产量已高达20万吨，占改性沥青总量的70．6％。正是由于日本自身的发展需要，加快了对改性沥青的全面研究，推动了改性沥青的全面发展，同时制定出了改性沥青质量标准【l3’15】。高分子聚合物改性沥青具有优良的改性效果，橡胶类改性沥青是最早受到人们关注的[161，其中胶粉被最早被应用于沥青改性之中，美国作为汽 微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料的制备与性能研究车生产大国，废lEl汽车的轮胎剩余量也惊人，而橡胶是轮胎的主要成分，所以美国在研究废物再利用时做了大量的关于胶粉改性沥青方面的工作，并且取得了较好的效果。纤维类的材料例如：聚脂纤维、聚丙烯、石棉聚脂纤维等也常被应用到沥青的改性中，因为纤维类的材料具备优异的耐磨和耐久性，在沥青中加入纤维类改性剂可以很好的使用在薄层沥青路面中，这是其他改性剂所难以比拟的，纤维类的材料加入到沥青中在美国和欧洲等国家应用十分广泛，例如美国的聚脂纤维改性沥青和聚丙烯纤维改性沥青等，应用时间已经长达三十年。就塑料类改性沥青来说，奥地利生产的Novophalt改性沥青由于具备优异的性质已经享誉世界。法国的EVA作为主要沥青改性剂，曾占整个欧洲市场用量的60％左右【r71。此外，很多国家除了深入研究加热法改性沥青技术之外，还对冷却法改性沥青技术进行了探讨研究。曾有人总结了冷沥青技术的发展概况，因为其施工方便、节约能源。在道路罩面技术中橡胶乳化改性沥青的使用，不仅减小了道路的损害，而且节约了大量能源，具有很大的发展潜力。乳化改性沥青在南美和欧洲的成功应用已经具有三十年的历史。作为改性沥青的成套技术，改性沥青的试验方法与工艺都得到了不断深入地研究和发展。法国与日本的改性沥青技术不断的完善，并且都提出了改性沥青的相关评价指标体系。在美国SHRP计划的沥青混合料性能规范中，沥青与改性沥青被统称为沥青混合料，从而将两者归纳于一体，并采用相同的指标体系。德国、奥地利等国家也提出了改性沥青的相关技术标准。通过世界各国科学工作者的努力，改性沥青技术获得了日新月异的发展【l引。而其类别分为以改性剂为主和改性技术为主两方面，在改性剂方面上如Dopot公司以EVA改性剂生产的产品ESSO．EVA和TORONTO公司以PE生产的Polyphalt分散性都十分优异，可以均匀分散在基质沥青中，从而使改性沥青具有较好的相容性，大大提高了改性沥青的性能。在改性技术方面上如奥地利的Novphalt，其技术的关键在于一组精细加工从粗到细的胶体粉末，改性剂与沥青经胶体粉末的混合加工后，改性剂PE以极小的颗粒均匀稳定地分布于沥青中，使沥青性能得到了改善。国外不仅在常用到的聚合物材料中大力研究，在一些无机材料的研究中，也取得了重大的突破。美国科学家Eidt等[191最早使用蒙脱土，制备了高性能的复合材料，这种材料因为材料本身的特性，可以降低氧气渗入到沥青内部，从而阻挡太阳紫外线照射入沥青内部中，减缓沥青的老化速率，阻隔水分从表面渗入到混合相界面，同时还可防止路面被油渍污染，从而降低了路面损害，该沥青混合料具有较好的路用性能。美国人Simon[20J在剥离型环氧树脂／纳米层状硅酸盐复合材料的研究中发现，蒙脱土的加入可以大幅度提高复合材料的模量，往体系中加入多羟4 硕士学位论文基聚醚类改性剂可以一定程度的提高冲击韧性和模量。将蒙脱土有机化处理后均匀搅拌在沥青中，发现可以进一步加大改性沥青的韧性和强度。由于沥青分子量小于聚合物，所以高温状态下的沥青粘度低于聚合物粘度，从而促使沥青向蒙脱土片层扩散，形成蒙脱土的剥离，便于形成高强度、耐低温、高韧性的道路用改性沥青材料。通过此类复合技术可以提高复合材料的玻璃化温度。将纳米复合技术引入改性沥青中制备复合材料，可以有效阻碍氧气、水分以及有机溶剂对沥青内部的渗入，从而提高改性沥青的使用寿命和使用性能。Sasaki121】等在白炭黑改性沥青中对其老化和流变性进行了研究，实验表明：通过加入白炭黑，改性沥青的高温和低温性能都得到了明显的改善，增强了沥青的抗老化性能。Chebilt22】等在沥青中加入白炭黑和聚合物进行复合改性，并且采用不同种类的白炭黑对基质沥青进行改性，通过试验对比发现：热裂解炭黑材料的加入使改性沥青的高温性能明显提高，增强了沥青的韧性和弹性，十分具有研究潜力。Ahmedzade123】等人通过对炭黑加入到沥青混合料中能改善沥青混合料的力学性能做了大量研究。Lesueur，Didierl241等人废物再利用，通过在废旧轮胎中回收的炭黑进行沥青的改性，并与矿粉填充料进行改性的沥青的流变性能互相对比，得出所有填料对沥青低温性能的影响几乎相同，但是低温韧化效应只会发生在矿料改性沥青中，主要是由于集料沥青界面效应的影响。炭黑表现出了良好的低温流变特性。纵观改性沥青技术的发展，随着新型改性剂和改性工艺的出现，改性沥青的技术会日益提高。1．2．3国内改性沥青研究概况我国开展改性沥青技术的研究相对西方国家起步较晚，但随着经济和人民需求的不断增加，近些年也取得了不少的成果125,26]。研究范围也十分广泛，包括橡胶、塑料等聚合物改性剂，也有硅藻土，蒙脱土等无机材料改性剂和改性乳化沥青。改性沥青的用量也从初期小量的满足维修养护功能需要到高等级路面铺筑、道路的维修养护、桥面伸缩缝等路面中的广泛应用，研究也从过去的室内研究逐步向室外生产应用中转化，并获得了一定的成果。例如，1994年北京首次使用改性沥青对机场路面进行了铺筑。这在国内工程为改性沥青在全国公路和城市道路中推广使用，起到了良好的示范作用。近年来，改性剂的种类不断增多，例如：纳米碳酸钙、炭黑、硅藻土、 微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料的制备与性能研究蒙脱土等无机物成为研究的热点。长沙理工大学刘大梁【27】等在石油沥青中加入纳米碳酸钙进行改性，实验表明，改性沥青的高温性能得到了改善，降低了改性沥青的感温性，马歇尔稳定度、浸水马歇尔稳定度等高温性能得到明显增强，但是改性沥青的低温性能影响不显著。曾旋12副等通过在沥青中加入纳米碳酸钙来大幅度提高改性沥青的高温稳定性，从而改善路用性能；同时其老化性能也有明显变化，提高了改性沥青的抗老化能力。张登良等129】通过研制纳米层状硅酸盐改性沥青，对改性沥青的制备条件制备工艺进行了探讨，并对改性机理进行了研究。结果表明有机层状硅酸盐能够明显提高沥青的抗老化性能；使用纳米层状硅酸盐的改性沥青可以大幅度提高其相容性和热储存稳定性，并且在改性沥青中加入有机膨润土可形成稳定、均匀的共混体系。武汉理工大学的吴少鹏等13o】使用有机化的硅酸盐加入到沥青中进行熔融插层改性，通过XRD观察发现普通蒙脱土和累托石在沥青中可以形成插层型结构，而有机化蒙脱土和有机化累托石主要形成了剥离型结构；通过DSR动态流变试验结果表明层状硅酸盐的加入，能够提高高温复数模量和车辙因子，说明可以提高沥青的高温性能和抗车辙能力；老化后的研究表明蒙脱土能够一定程度上减小沥青的老化程度，改善了抗老化性能。。张兴友13lJ研究了白炭黑在加入到改性沥青中对改性沥青以及其混合料的路用性能的影响。实验发现，白炭黑对与沥青混合料的高温和低温性能都有明显的改善，并且其抗老化性能也有所提高。我国长安大学李剑【32J通过对白炭黑与SBS按一定比例加入到沥青中进行复合改性沥青的制备，并对其物理性能做出了色是，结果表明，在SBS改性沥青中加入一定量的白炭黑可以降低了改性沥青的当量脆点，并且随着白炭黑的掺加量，改性沥青的脆点也曾大，这是由于白炭黑分散的不均匀导致，白炭黑的加入对改性沥青的高温及感温性能有所提高，但低温性能影响不大。彭波【33J使用不同种类的硅藻土对沥青进行改性并做出系统的研究。研究中对硅藻土在沥青混合料的配合比设计了方法，并通过路用实验对比分析了内外两种不同掺法的改性效果；同时结合实际工程，提出了硅藻土改性沥青路面的生产和施工技术。长沙理工大学采用各种稳定剂来对硅藻土进行加工处理，通过实验发现，处理过的硅藻土改性剂加入到沥青中后煤沥青的混合料的抗低温开裂、抗高温车辙以及抗水损害性能都得到明显的提高，且优于表面不处理的硅藻土改性沥青。此外，硅藻土改性剂被应用与云南大保的高速公路中，进一步为研究硅藻土改性沥青混合料的设计、生产、施工、检测等方面的相关技术积累了众多经验。 硕士学位论文1．3本论文的目的、技术路线及主要研究内容随着我国高速公路的猛烈发展，沥青路面因为具备噪音低、平稳舒适、易于养护和维修简便等优良特点，已经必不可少的成为公路发展的核心技术。但是普通的沥青路面其性能的发挥受到当地气候、时间的影响较大[34-361。在低温时期，沥青的劲度增大而韧性减小，变形能力减弱，容易发生路面开裂等损害，而在高温时期，其劲度变小，在行车荷载反复作用下产生塑性变形，时间长了，就累积形成了车辙。当形成一定的路面损害后，路表的积水渗入后又会导致路面损害加大，严重降低了路面的使用寿命，增加了维修难度。当下之际，对沥青的改性已成为一种必然趋势【371。沥青路面因具备一系列优点，而被广泛应用到高等级公路建设中，例如：沥青路面的行车平稳度高、噪声小、维护便利。然而普通沥青混凝土受到温度和时间的影响较深。在气候温度较高时，沥青路面的劲度会减小，在来回车载作用下产生塑性变形，时间一长，塑性变形导致路面形成车辙，在气候温度较低时，沥青路面的劲度会增大而柔韧性减小，变形能力减弱，当随着温度应力的累积超过其抗拉强度时，会发生路损，产生裂缝。荷载反复出现下，裂缝出现将越来越平凡，导致路面积水渗入到内部形成路损。为改善普通沥青的高低温性能，提高沥青路面的使用性能和使用周期，对沥青进行改性就必不可少了。改性沥青可以大幅度提高路面的质量，增强抗疲劳、抗病害的能力，在增长道路维修周期的同时降低了道路建设的费用，改性沥青应用于道路建设具有十分广阔的前景138]。目前，人们所指的改性沥青大多数为聚合物改性沥青。而聚合物改性剂中SBS改性剂使用总量尤其突出，超过了其他改性剂在改性沥青总量的50％。但是SBS改性剂也存在许多不足，例如相对高的操作工艺，在高温阳光作用下的降解加速了材料的老化，在老化工程中储存稳定性能差等。之前的研究，研究者们的重心放在工艺条件、设备和施工上较多，而近些年，越来越多的人们重视到改性剂本身的研究，对无机材料与聚合物复合改性沥青的研究成为一大热点，使用无机材料复合聚合物改性可以针对实际的情况，弥补改性剂之间的差异性，使改性剂之间取长补短，达到满意的效果。从上述国内外研究现状可以发现，种类的无机材料加入到了改性沥青中，等多数优点【391。已经有越来越多的科研者们把不同其形成了成本低廉，加工工艺简便尤其是随着科技水平的整体进步，加工无机矿物材料的技术得到了很大的提高，工作人员已经使用加工成纳米级的无机材料用作沥青的改性剂， 微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料的制备与性能研冗使其分散性得到提高，研究其对于沥青以及沥青混合料的改性作用，这种新技术的加入不仅可以进一步增加沥青改性剂的应用范围，而且对于研究人员从微观角度解释无机材料改性沥青具有重大的意义。从相关资料中得出，目前研究人员对无机材料的一些研究大多数停留在改性剂对沥青材料性能的改善上，而使用在沥青混合料路用方面的则不多，作为公路应用的主要方面，应当加强对沥青混合料的研究和探索。微硅粉也叫硅灰或凝聚硅灰，作为一种工业废料被回收再利用于许多行业，如化工、冶金、建筑等。在化工领域，微硅粉多用于油漆、涂料、树脂及其他高分子材料的填充物从而改善产品性能，用作橡胶填充物，可以大幅度提高橡胶的抗撕裂性、抗拉强度和延伸性。已经成为国内外高新技术领域中具有十分广阔应用前景的优良材料；在冶金领域，微硅粉用于耐火材料和陶瓷制品的生产，增强了产品的耐久性和强度；在建筑领域，微硅粉主要用于掺和料，加入到水泥和混凝土中从而配制成具有高强、高耐磨、高腐蚀、抗冻、抗渗特点的复合材料，用在了各行各业并且取得了优秀的成果。综上所述，本课题将选取一定量的微硅粉与SBS进行复合改性沥青，制备成微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料。并通过相关的试验方法，测试微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料的力学性能和路用性能的变化，并做出合理解释，从而促进推无机材料与聚合物复合改性沥青的推广应用。本文的研究步骤，如图1．2所示。 硕士学位论文I徽硅粉Il基质沥青lSBS’，lII疆s改性潲撤硅粉蹲Bs政黼I碎石、沙、矿粉Iifl土l三大指标改性沥青；甍合辩弹性悛复老化性能r⋯i工I性麓译价|路用性靛凇(马|骈瓣)(车辙谶)(冻融舞裂谶>土路胱揪|图1．2研究步骤Fig．1．2ResearchProcedures主要研究内容如下：(1)微硅粉／SBS改性沥青的制各及性能研究，包括原材料的选择、制备工艺、物理性能等；(2)通过不同的老化方式研究微硅粉／SBS改性沥青复合材料的老化性能。(3)选择优质的集料、矿粉、沥青、微硅粉等原材料。通过对比选确定本文研究所用的矿料级配和沥青用量。由此，完成微硅粉改性沥青混合料组成设计；(4)通过分别进行车辙试验与小梁弯曲试验，研究微硅粉的用量对沥青混合料高温稳定性和低温抗裂性的改性效果：(5)通过进行水稳定性试验来研究微硅粉的用量对沥青混合料抗水损坏能力的影响。 微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料的制备与性能研究第2章微硅粉／SBS复合改性沥青的制备与性能研究材料是影响路面使用性能的重要因素，在我国沥青路面的发展中，实际上是一部路面材料变革的历史。材料自身的性质在沥青路面的建设过程中起到了重要的作用。如果材料本身的性质不够优秀，那么沥青混合料的性质必然也达不到质量的要求。沥青结合料的性能、集料的质量、集料与结合料粘结效果等因素是影响混合料性质的主要方面。现阶段，随着我国经济的发展，公路建设作为社会进步的基础，提高经济的必然条件已经被国家大力重视，因而对沥青与集料都规定了更高的要求，沥青结合料更多得采用改性沥青来满足当地条件。通过试验各种材料对沥青进行改性，不仅可以提高工程质量，增长工程使用寿命，而且可以减少工程造价。2．1实验部分2．1．1原材料与相关技术指标2．1．1．1沥青沥青【40】主要由多种复杂的碳氢化合物组成，其含量大约是碳(80％．87％)，氢(10％．15％)，此外，沥青中还含有少量的氧、硫、氮的衍生物等，其含量大约是氧、硫、氮等元素(3％)，另外沥青中还有一些微量的金属元素，如镍、钒、铁、锰、钙、镁、钠等。不同厂家或同一厂家不同时间生产的沥青性能由于其组成、化学结构和结合形态不稳定会发生变化。但是沥青化学组成结构过于复杂，数千种的化学组成与沥青宏观的路用性能之间到底存在何种联系，一直困扰着业内人士。本文采用目前使用较广泛的基质沥青作为原材料(针入度等级为70的韩国SK．70基质沥青，具体性能指标如表2．1所示)进行沥青改性，通过选用合适的相容剂和其它助剂，制备出强度高、柔韧性好、热稳定性优良的改性沥青。10 硕士学位论文表2．1SK-70号沥青性能与技术指标技术要求．测试结果试验方法2．1．1．2SBSSBS是以1，3．苯乙烯和丁二烯为单体，通过阴离子聚合技术制得的嵌段共聚物，它按照结构的不同目前主要有嵌段线型结构和四臂星型结构【221。SBS结构式：线型：【CH2-CH(C6Hs)]。·[CH2一CH=CH-CH2]m一[CH(C6Hs)一CH2]n；星型：【CH5-CH(C6Hs)]。-[cn2一CH=CH—CH2]mSBS作为一种聚合物材料广泛被运用在橡胶制品、树脂改性剂、粘合剂和沥青改性剂中。SBS作为改性剂添加到建筑沥青和道路沥青中时表现出良好的耐候性和耐负载性。本文所用SBS改性剂为湖南岳阳石化总厂生产的YH．791型(SBS1301)，嵌段比为30／70，拉伸强度为18．6MPa，断裂伸长率为850％。其星型结构为[CHs-CH(C6H5)]n-[CH2一CH=CH—CH2】m。结构展示图见图2．1。图2．1星型SBS结果示意图2．1．1．3微硅粉微硅粉在不同的地区有着不同的称谓，在美国被称作硅粉，又称硅尘、凝聚硅，在日本则称为活性硅[41]。它的产生是基于电弧炉生产硅金属或硅铁合金时产生的副产品。冶炼硅铁合金的工业工艺过程是以石英岩碎石、 微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料的制备与性能研究生铁为原料，焦炭为还原剂，在2000℃左右的高温下，石英被还原成硅，与电炉中的铁结合形成硅铁化合物，未被还原的一部分的硅(Si)则化为蒸汽进入烟道，并在管道内遇到氧分子结合生成一氧化硅(SiO)，逸出炉外，与冷空气中的氧再次发生反应生成Si02烟雾，再经过后期温度降低，Si02烟雾受冷凝结为细小的球状微珠，通过一定的设备手段将其收集，所收集到的产物就被称为微硅粉。本实验采用青海通达公司产的微硅粉，样品呈灰白色粉末状，具体技术指标见表2．2。表2．2微硅粉技术性质Table2．2PropertiesofMicrosiliea外观s102含量PH值白度％粒径分布比孝乒积／％IxmmZ／g灰白色粉末>906-840～5010．100>252．1．2仪器油浴锅，机械搅拌器，高速剪切乳化机，天平，玻璃棒，温度计等。2．1．3制备工艺微硅粉／SBS复合改性沥青是由沥青、SBS、微硅粉混合制备而成。本文采用制备改性沥青的加工工艺为反应性共混制备改性沥青。SBS改性沥青的制备方法：(1)将基质沥青加热到180℃，将称量好的SBS加入到沥青中，并加入溶剂油2％，机械搅拌1h。(2)将温度提高到l90℃，使用高速剪切机5000r／rain剪切60min。(3)将温度调整到l80℃，加入稳定剂(硫粉0．59)，机械搅拌1h即可制的SBS改性沥青。SBS改性沥青的制备工艺流程如图2．2．图2．2SBS改性沥青制备工艺流程Figure2．2PreparationTechnologyofSBSModifiedAsphalt微硅粉／SBS复合改性沥青制备工艺：(1)在l05+5℃的烘箱中烘干微硅粉后称取重量，将微硅粉和制备好 硕士学位论文的SBS改性沥青放置在烘箱中预热到180℃。(2)恒温至l80℃，将微硅粉加入SBS改性沥青，使用高速剪切机8000r／min剪切30min。值得注意的是在掺加微硅粉的过程中需得一边搅拌一边缓慢加入，避免微硅粉结块，降低其分散性。(3)停止搅拌后，用铁棒对改性沥青进行适当搅拌以便排除混入的空气，将基质沥青和制备完成的SBS改性沥青也在相同条件下进行对比研究。2．1．4性能测试方法(1)沥青针入度试验沥青针入度是指在规定的温度、时间和荷载下，将标准针垂直穿入试样的深度，以O．1mm为单位。恒温水槽规定的试验温度为25℃，维持稳定状态，将沥青试件缓慢放入水中2小时进行养护。将盛样皿放在试验温度士0．1℃平底玻璃皿中的三脚支架上。使针尖试样表面零距离接触，再缓慢拉下刻度盘的拉杆，使与针连杆顶端轻轻触碰，将刻度盘指针归零。打开秒表按钮规定时间范围为5s，启动按钮，使标准针自动下落穿入试样。拉下刻度盘拉杆使其与针连杆顶端接触，记录显示器读数，准确至0．5mm以内。同一试样至少完成3个平行样，各测试点之间的距离与盛样皿边缘的距离应保持10ram以上。同一试样针入度的最大值和最小值之差须在表2．3的允许误差范围之内，如果计算误差小于表2．3内数值，试验成功，否则，试验数据将作废。表2．3针入度允许误差范围针入度值(o．1衄)．：0--49p50--149015㈣9．，250一5060允许误差(o．1衄)．=和12p2∞(2)沥青延度试验沥青的延度试验即使用规定形状的沥青试样，将按照一定的速度、规定的温度拉伸直到断裂时的长度，以em表示。目前通常使用的标准试验温度为5℃、15℃、25℃，拉伸速度为5+0．25cm／min。试件安置于恒温水槽，养护30min后方能取出，用加热的刮刀刮去高出试模的沥青。将制作好的试样连同底板一同移入延度仪的恒温水槽中，水面距试件表面应超过25mm，开启延度仪，并注意观察试样的延伸情况。当试件拉断时，延度仪显示器所显示的读数为最终延度，记录下此时的数据，以cm表示。同一试样至少记录3个数据，记录格式为如果3个测定结果均大于l00cm，则记作“>100cm”．(3)沥青软化点试验(环球法)沥青的软化点试验指采用一定规格尺寸的金属圆环，缓慢将沥青浇注其 徽硅：rJ}／SBS复合改性沥首及冥混合料的制备与性能研冤内，放在恒温水槽中养护一定时间后取出，圆环上放置规定尺寸和质量的钢球，试样在溶液中以5+0．5℃／min的速度加热，沥青在加热过程中逐渐软化使钢球包裹在沥青内下垂到规定距离(25．4mm)，此刻显示器所显示的温度，以℃表示，此温度间沥青的软化点。同一组试样重复两组数据，取其平均值。当试样软化点小低于80℃时，重复性试验和复现性试验的允许误差分别为1℃和4。C。当试样软化点高于80。C时，重复性试验和复现性试验的允许误差分别为2℃和8℃。(4)弹性恢复弹性恢复能力是指沥青在一定荷载的作用下产生变形，通过解除荷载后恢复变形的能力。弹性恢复能力实验与延度测定实验的试模相似，主要区别在中间部分的端模换成直线侧模。实验时采取类似于延度实验方法在25℃试验温度下以5cm／min±O．25cm／min的速度拉伸试样到达10±0．25cm时停止拉伸，用剪刀在中间将沥青试样剪成两部分，不经任何处理在水中保持试样1h，然后将两个半截试样对至尖端刚好接触，测量试样的残留长度为下按式(2—1)计算弹性恢复率，即延度试验拉长至10cm后的可恢复变形的百分率。恢复率=(10。X)／10×100％(2．1)2．2结果与讨论改性剂掺加量的不同影响着改性沥青的各种性能。对于找寻适当的改性剂掺量，提高沥青性能的同时可以降低成本是研究改性沥青的根本目的。本文研究采用2％、4％、6％不同SBS掺杂量掺入基质沥青中制备得到SBS改性沥青，再将含量为7％、10％、13％的微硅粉掺量掺入SBS改性沥青中制备得到微硅粉／SBS改性沥青，通过对不同试样进行性能试验，确定各种改性剂在基质沥青的最优掺量。2．2．1SBS改性剂掺量的确定将烘干后的SBS按沥青质量的2％、4％、6％分别加入基质沥青中，依据2．1．3的方法制备得到SBS改性沥青。通过对SBS改性沥青和对比样基质沥青的研究，其试验结果见表2．4。14 硕士学位论文表z．4SBS改性沥青试验结果Table．2．4，nletestresultsofSBSpolymermodifiedasphalt图2．3SBS掺量与改性沥青性能的关系Fig．2．3TherelationbetweencontentofSBSpolymerandfunctionmodifiedasphalt(1)基质沥青在掺入SBS改性剂后各方面性能有了有较大幅度的提高。这主要是由于SBS改性剂的三维网状结构可以与基质沥青相混形成均匀质体，增加了改性沥青内部的凝聚力，提高了低温延度，高温时网状结构使软化点提高，从而使弹性恢复性能提高。(2)随着SBS改性剂掺加量逐渐增加，改性沥青的针入度逐渐降低，软化点缓慢高，但针入度指数、弹性恢复和低温延度都表现为先增大后降 微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料的制备与性能研究低的趋势，即有一个临界值。主要原因是因为改性剂达到临界掺量时，聚合物形成了一种稳定的网络结构；当超过此值时，改性体系的物相发生变化，聚合物和沥青分别由原来的非连续相和连续相转化为连续相和非连续相。(3)综合考虑SBS改性沥青的性能和经济成本，确定SBS改性剂的最优掺量为4％，以进一步研究SBS改性沥青的性能。2．2．2微硅粉改性剂掺量的确定将烘干的微硅粉改性剂按照质量分数7％、10％、l3％分别加入已经制备的4％SBS改性沥青中，制备得到微硅粉／SBS复合改性沥青，通过其和对比样基质沥青的研究，试验结果见表2．5。表2．5微硅粉SBS复合掺量与改性沥青性能的关系Table．2．5ThetestresultsofmicrosilicaandSBSmodifiedasphalt 硕士学位论文曼曼鼍量量曼曼曼曼曼量量曼鼍曼量曼皇量量量量曼置曼鼍暑曼曼曼曼曼曼!曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼!曼皇iiiiiInI曼图2．4微硅粉SBS复合掺量与改性沥青性能的关系Fig．2．4TherelationbetweencontentofmicrosilicaandSBSpolymerandfunctionmodifiedasphalt由表2．5和图2．4可以知道：(1)随着微硅粉用量的增大，复合材料的针入度逐渐减小，表明微硅粉的加入增大了材料的稠度，当微硅粉的含量超过10％时，针入度变化趋于平缓，可以说明添加微硅粉在改性沥青中提高了沥青的硬度，但添加量一般不应该超过10％。(2)微硅粉SBS复合改性沥青的软化点随微硅粉掺加量的增加而逐渐升高，这说明微硅粉可以一定程度上改善了SBS改性沥青的高温稳定性能，当掺加量超过10％时软化点又呈现出降低的趋势。(3)改性沥青在加入微硅粉后，复合改性沥青的延度比SBS改性沥青的延度下降较多，且随着微硅粉掺量的增加，延度呈进一步下降的趋势。这表明加入微硅粉后，沥青承受塑性变形的能力有所下降。在延度试验过程中发现，有的试样在拉伸过程中中央部位成为比较均匀拉长的细丝，最终在拉伸中部断裂，这是一种粘性破坏；有的试样在延度仪开动一段时间后，就发生了破坏，破坏断面不在试样中部，而是靠近试样端部，且与拉伸方向垂直，这是一种非常规的破坏模式。这说明在试验温度下，沥青试样已由粘性向脆性转化，发生了脆性断裂。原因可能是微硅粉的加入，由于掺配不均匀，导致沥青材料的不均匀点增加，这些不均匀点在拉伸过程中成了应力集中点，容易出现破坏，致使沥青试样拉伸时呈现脆性破坏。2．3本章小结本章通过试验，确定了微硅粉／SBS复合改性沥青的制备工艺；分别通过对不同掺量SBS改性沥青、微硅粉SBS复合改性沥青进行了物理性能的测试，结果表明，随着SBS掺加量的增加，针入度明显减小，软化点逐渐升高，SBS的加入改善了沥青的高温性能，而将微硅粉加入到SBS改性沥 微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料的制各与性能研究青中，针入度和软化点又形成明显变化，但是因为微硅粉的加入，沥青的粘性向脆性转化，原因可能是因为分散不均匀导致，最终确定了SBS的最优掺加量为4％，微硅粉的掺加量为1O％。 硕士学位论文第3章微硅粉／SBS改性沥青的老化性能3．1引言高分子聚合物的老化通常指在长期使用和储存过程中，受到了热、氧、机械应力、光、高能射线等外界作用，以及发生的化学物质侵蚀，会发生聚合物逐渐降解、龟裂等现象。沥青的老化是造成沥青路面损害的主要原因，其中不仅有沥青的老化还包括了沥青改性剂的老化，尤其聚合物的老化对改性沥青的性能影响最为重要14引。沥青老化的过程发生在改性沥青生产、贮存、运输、施工及路面使用，贯穿整个流程，由于沥青暴露于空气中，在环境因素如热、氧、阳光和水的作用下发生的挥发、氧化、分解、聚合等物理化学作用，导致沥青内部分子结构与化学组分产生变化，促使沥青发生物理化学性质变化。从而降低了沥青路面的耐久性，减少了沥青路面的使用寿命。沥青老化通常表现为变硬、变脆，路面过早的出现裂缝。影响改性沥青路面的使用性能的最重要两个因素为粘度和老化【4引。本章内容通过对微硅粉／SBS改性沥青复合材料进行短期和长期的老化性能测试，研究出微硅粉／SBS改性沥青耐老化性能的差异性，从而进一步推广无机材料与聚合物复合改性沥青在道路中的使用。3．1．1SBS改性沥青的老化性能评价方法在应用范围内来说，施工和应用是改性沥青生产到使用过程中必不可少的两个阶段，这两阶段中很多因素的作用都可使改性沥青的性质发生变化，并最终影响到改性沥青在道路中的使用性能。改性沥青的老化大致分为两个阶段，第一阶改性沥青制备后与混合料拌和、存储和碾压过程中沥青的老化，也被称为短期老化。由于沥青中加入改性剂，使其在很多地方不同于基质沥青的老化，改性沥青的老化可以认为是基质沥青和聚合物改性剂在老化因素作用下的结果，与沥青的老化和聚合物改性剂的老化有关。改性沥青的老化试验，多数地区都将沥青的短期老化当作实验标准，如薄膜烘箱(TFOT)和旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)等。第二阶段即沥青路面在使用过程中，因为环境因素及荷载因素，特别是热、氧、水、辐射等作用下发生的老化，这是一个比较缓慢的过程，在道路开放交通初期稍快一些，之后逐渐缓慢。路面发生低温开裂和疲劳开裂的原因一般是由于沥青在经历长期老化后性能劣化的结果，这种变化称为长期老化。所以对改性沥青性能的合理评价还应考虑长期老化对改性沥 微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料的制各与性能研究青的影响。很长时间来，由于试验条件不具备的原因，国内外对沥青的长期老化研究相对较少。美国SHRP计划首先推出采用PAV(压力老化箱)模拟气候环境、交通等对沥青的长期老化作用，模拟沥青在5～7年后的老化过程，从而开辟了研究改性沥青长期老化性能的先河【441。本文通过RTFOT模拟微硅粉／SBS改性沥青复合材料的短期老化，通过PAV和长期热氧老化来模拟微硅粉／SBS改性沥青复合材料的长期老化，探讨出微硅粉及SBS对改性沥青耐老化性能的诸多影响。3．1．2老化性能评价指标为了更好的反映沥青老化后性能的衰变程度，评价沥青的老化性能，本文采用老化前后各性能的变化幅度来对沥青样品的老化性能进行分析，即：粘度老化指数、软化点变化和延度保留率。(1)粘度老化指数热空气老化后改性沥青的粘度都有所增加，这是因为在热氧老化过程中，游离氧进入SBS改性沥青发生氧化，导致沥青相对分子质量变大[281，而且加热的环境加速了沥青中轻组分的挥发，使得分子运动受阻，没有足够的空间让它振动或移动，宏观表现就是流动性差，所以老化后沥青的粘度会有一定程度的增大。粘度是反应沥青性质的窗口，沥青老化前后粘度的变化能反应沥青老化的过程。采用粘度老化指数(VAI)用来表征沥青老化的程度，用以下式(3．1)计算：呱嗡=掣一⋯。限。，粘度老化指数越高，代表沥青材料老化程度越大。反之，则越小。(2)软化点变化沥青软化点的变化也反应了沥青样品对老化的敏感程度，用老化后的软化点与老化前的软化点的差值表示。软化点变化(℃)=老化后的软化点(℃)．老化前的软化点(℃)(3)延度保留率延度表现沥青的柔韧性方面，延度高，沥青的柔韧性越佳，如在低温下延度越大，则代表沥青的抗裂性能越好。但是仅仅通过延伸度不能有效的评价沥青老化前后的变化趋势，而采用沥青老化前后的延度保留率，可将这种衰变规律量化，是评价沥青老化性能的一种被认可的途径【451。沥青的延度保留率计算方法如下式(3．2)： 硕士学位论文3．2实验部分黼鼎嘟=糕⋯0．㈦2，3．2．1旋转薄膜烘箱老化旋转薄膜烘箱(RTFOT)老化：按照GB／T061O．1993的规定，在意大利CONTROL公司生产的B1．86旋转薄膜烘箱上进行。老化后样品进行相关性能测试。3．2．2压力老化箱老化压力老化箱(PAV)老化：按照ASTMD6521．00的规定，在美国PRENTEX公司生产的PR9300沥青压力老化仪上进行。沥青在lOO℃，2．1MPa空气环境，20h的条件下进行加速老化(氧化)。本试验使用的样品为RTFOT试验得到的产物。老化后样品进行相关性能测试。3．2．3长期热氧老化沥青路面在使用过程中最高温度可达约70℃，为模拟在这种情况下，热氧对沥青性能的影响，本文设计了这个实验，称之为长期老化实验。分别取熔化好的沥青50士lg，到入中140mmx9．5ram的平底圆盘中，膜厚约3．2mm。把圆盘放入温度己达75℃的烘箱内，样品在烘箱内的恒温时间分别为10d、20d、30d，老化后的样品进行物理性能的分析与测试。3．3结果与讨论3．3．1旋转薄膜烘箱与压力老化箱老化3．3．1．1粘度老化指数图3．1表示了改性沥青样品在经过RTFOT和PAV老化后的VAI值。可以看出，两种改性沥青在经过老化后粘度都有所增加，表明在老化过程中，沥青的稠度增加。与SBS改性沥青相比，微硅粉／SBS改性沥青复合材料的VAI值有明显的降低，表明微硅粉可以改善SBS改性沥青的抗老化性能。因为微硅粉的均匀分散可以有效的阻止过多的氧分子渗透入沥青的内部，同时一定程度的限制了沥青小分子的运动，在高温下沥青的组分挥发量相 微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料的制备与性能研究对变少，从而提高了沥青的抗老化能力。图3．1改性沥青老化后的粘度老化指数Fig3．1Modifiedasphaltafteragingviscosityagingindex3．3．1．2软化点变化图3．2表示了各沥青样品经过老化后软化点的变化情况。可以发现，改性沥青经RTFOT老化后，软化点升高，老化后的残留物再经过PAV老化，软化点反而降低。软化点的变化情况与两方面因素有关；一方面由于氧化老化，沥青的分子量增加，这使得沥青的软化点升高：另一方面，沥青经长期的PAV老化后，SBS降解成小分子，破坏了SBS改性沥青的网状结构，导致软化点降低。在RTFOT老化过程中，改性沥青样品中的沥青分子量增加的效果逐渐超过了SBS降解的影响，促使各样品的软化点升高。而在PAV老化过程中，SBS分子降解的影响要大于沥青分子量的增加，从而导致样品的软化点降低。从图3．2可以看出，SBS改性沥青在加入微硅粉后，老化后软化点的变化量都有所减小，表明微硅粉的加入降低了SBS改性沥青对老化的敏感程度，从而起到抵抗沥青老化的效果。42p塑。制《基一2墨-4图3．2改性沥青老化后的软化点变化Fi醪．2Modifiedasphaltafteragingchangesofsofteningpoint 硕士学位论文3．3．1．3延度保留率从图3．3可以看出，微硅粉／SBS复合改性沥青老化后，延度明显减小。改性沥青在经过RTFOT老化后，两个样品的延度保留率变化不大，而经PAV老化后，微硅粉／SBS改性沥青复合材料的延度保留率要明显比SBS改性沥青的高。表明微硅粉的加入减小了SBS改性沥青因老化而引起的低温性能的衰变。臣勿SBS区图徽硅粉-sss．縻粪IrI'FOYP瞄图3．3改性沥青老化后的延度保留率Fi93．3Modifiedasphaltafteragingductilityretentionrate3．3．2长期热氧老化3．3．2．1粘度老化指数图3．4表示了各改性沥青样品经不同时间热氧老化后的VAI值。由图发现，老化时间的逐渐延长，各改性沥青样品的粘度逐渐增大。在相同的老化时间条件下，微硅粉／SBS改性沥青复合材料具有较低的VAI值，表明微硅粉／SBS改性沥青复合材料具有较好的耐长期老化性能。r'。，⋯n’匕2勿3盼．醛图徽硅扮-S酷；糜．冀20老化时间(d)图3．4改性沥青不同老化时间的粘度老化指数Fi醪．4Modificationofasphaltwithdifferentagingtimeviscosityagingindex∞绚∞加mO承锝盟举避域∞衢趵坫m0o水籁霉晕稍毯榘 微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料的制备与性能研究3．3．2．2软化点变化图3．5看出在老化的前期，改性沥青的软化点升高，沥青的氧化占具主导地位。当老化时间到20D后，各样品的软化点反而减小了，表明在老化过程中沥青中的SBS发生了降解，这与之前分析的结果一致。由图可知，在相同的老化时间下，微硅粉／SBS改性沥青复合材料的软化点变化量要小于SBS改性沥青的变化量，说明在老化条件下，微硅粉／SBS改性沥青复合材料具有更好的保持原有性能的能力，微硅粉改善了SBS改性沥青的耐老化能力。图3．5改性沥青不同老化时间的软化点变化Fi93．5Modifiedbitumenatdifferentagingtimesofteningpointchange3．3．2．3延度损失图3．6显示随着老化时间的延长，各样品的延度保留率逐渐减小。在相同的老化时间下，微硅粉／SBS改性沥青复合材料的延度保留率要比SBS改性沥青的大，表明微硅粉的加入降低了延度衰变的趋势。囫SBS区§微硅粉一SBS霪心霾鋈102030老化时间(d)图3．6改性沥青不同老化时间的延度损失Fi93．6Modificationofasphaltwithdifferentagingtimeductilityloss242l0l23p棚睾戳峨晕群加∞mO誉*鼬举型域 硕士学位论文3．4小结(1)通过对沥青的老化试验，发现无论是短期老化还是长期老化后，改性沥青的延度都减小，粘度都增大。但是短期老化后，改性沥青的软化点升高，而长期老化后软化点降低，这主要是因为SBS在长期老化后发生了降解的缘故。(2)通过热氧老化试验发现，微硅粉／SBS改性沥青复合材料相比于SBS改性沥青表现出较高的延度保留率、较小的粘度老化指数和软化点变化量，具有更强的抗老化能力，这是因为微硅粉均匀分散在沥青中一定程度的减小了氧气向沥青内部的渗入，从而减小了沥青老化和SBS降解的程度。 微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料的制各与性能研究第4章微硅粉／SBS复合改性沥青混合料配合比设计4．1引言沥青混合料由沥青与矿质集料组成。矿质集料通常包括碎石、砂和矿粉，矿粉又常称作填料。由于微硅粉／SBS复合改性沥青混合料的物理力学性质受温度、荷载大小和荷载作用时间的影响，这些影响因素对微硅粉／SBS复合改性沥青混合料有较高的性能要求。因此不仅要求有优质的改性沥青，更要求有较合理的混合料配合比设计。微硅粉／SBS复合改性沥青混合料设计的主要工作是选择合适的矿料与其级配、沥青及其用量，从而设计出性能优良的微硅粉／SBS复合改性沥青混合料，以满足道路建设过程中出现的问题。改性沥青混合料常见的设计方法主要有：马歇尔设计法、Superpavc沥青混合料设计法、旋转压实剪切试验(GTM)设计法等。Supcrpavc沥青混合料设计法【46】是美国国家公路战略计划的重要成果。它根据沥青混合料的空隙率(VV)、矿料间隙率(VMA)、沥青饱和度(VFA)等体积特性进行热拌沥青混合料设计，设计过程包括材料选择、集料结构选择、沥青含量确定、沥青混合料的抗水损坏性能评价四部分。但是该方法作为一套设计体系还有待完善。旋转压实剪切试验(GTM)设计法【47】是美国在军用飞机跑到问题上研究开发的一种方法。GTM采用了和应力有关的推理方法进行混合料的力学分析和设计，可以较真实地模拟实际路面材料的受力状况以及预测材料到服役期限末的应力应变性质。根据该法设计出的沥青混合料抗剪强度高，抵抗塑性变形能力强，抗车辙性能好，比较适用于重载交通和高温地区。但是存在设备费用高昂，应用面不广泛等缺点，难以大范围利用。马歇尔设计法不存在上述方法的确定，具有试验方法简便、费用低等优势，从而得到了广泛的应用。我国现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)规定，热拌沥青混合料配合比设计采用马歇尔试验配合比设计方法，因此本文选用马歇尔设计法来设计微硅粉／SBS复合改性沥青混合料配比。本章首先结合我国的天气和地理等外部条件从矿料的级配比研究入手，提出本文研究所采用的级配范围。根据微硅粉／SBS复合改性沥青以及所选用矿料的性能指标参数，进行沥青混合料试验室配合比设计，再通过马歇尔试验，确定矿料组成比例和最佳沥青含量，以保证微硅粉／SBS复合改性沥青混合料设计能够满足公路建设中的需求。 硕士学位论文4．2设计依据本章设计依据为：1、《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2006)2、《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40．2004)3、《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTJ052．2000)4、《公路工程集料试验规程》(JTGE42．2005)4．3矿料级配的确定沥青混合料铺装使用的矿料首先必须满足《公路沥青路面施工技术规范》中对应于“高速公路”的所有要求。同时比如洛杉矶磨耗值、针片状含量以及矿料密度等关键指标的标准应进一步提高。集料应采用干净、坚硬、耐磨的矿料，表面100％为破碎面，形状以正方体为主。矿料级配的选择对于形成的沥青混合料物理、力学指标以及路用性能有着至关重要的影响。一般来讲，级配越密，混合料的强度和疲劳寿命就越大。然而，如果矿料级配过于密实，矿料颗粒之间排列十分紧密，将导致粗细集料之间的空隙很小，其中难以填充进一定量的沥青，这种情况应该避免，因此在考虑最大密实度的同时，也应该保证有足够的矿料间隙率(VMA)。此外，普通沥青混合料细料较多的级配会导致其较差的高温稳定性，在轮载作用下有可能会出现泛油、车辙等破坏现象。不过对于沥青混合料来说，由于其热固性的特殊性能，较细的级配对其高温稳定性影响很小。但是，在考虑桥面铺装层的时候，较细的级配对于其抗滑性能是不利的。在细级配中，粗骨料形成的框架空隙过多的被细集料所填充，减小了路面的宏观粗糙度，铺装层表面没有一定的构造深度，在雨天容易造成表面过多的积水，影响轮胎和路面之间积水排除的速度，从而影响了潮湿路面摩擦系数随车速变化曲线的斜率，因此，减小了潮湿状态下路面的抗滑能力。不过，当采用较粗级配时，铺装层表面宏观粗糙度较大，表面凹凸不平诱发裂缝产生的可能性也将增大，这将会更容易使铺装层表面在加劲肋项部负弯矩作用下产生开裂，从而导致疲劳破坏。从这一点来说，采用较细的级配可以延长铺装层的疲劳寿命。以上两点对于级配的要求是矛盾的，因此，在确定改性沥青混合料级配的时候，需要综合分析各方面因素，达到合理的统一。由于我国目前汽车超载、超限运输现象极为普遍而又严重，而超载货车对桥面铺装的疲劳性能影响很大，因此钢桥面铺装层的抗疲劳性能是需要重点考虑的因素，在此基础上再合理的兼顾桥面层抗滑性能的要求148][491。鉴于微硅粉／SBS复合改性沥青材料的特殊性，根据我国公路建设中注 微硅粉／SBS复合改性沥青及其混合料的制各与性能研究重的防水等特性，改性沥青材料主要采用于矿料较细的密级配。因此本文采取了公称粒径较小的AC．13C型密级配。目标级配范围如表4．1所示：表4．1AC-13C型密级配目标范围Table4．1GradationrangeofAC．13Ctype粒径13．29．54．752．361．18O．60．30．150．075矿粉范围92．10080．9058．7342．5330-4021．3015．2211．176．104原材料及技术指标4．4．1沥青采用本文第二章制备的微硅粉／SBS复合改性沥青。4．4．2集料集料及矿粉均由甘肃省高速公路养护研究院提供，集料为玄武岩，填料为石灰石磨细矿粉。各种集料和矿粉的技术性能见表4．2．4．4。表4．2粗集料性能检测结果Table4．2Propertiesofcoarseaggregate。。。’。‘。。。。。。‘。。。。。I·_-____·_-_-__--_--·_一a$757$7________··___-____-．．_--____一性能指标试验结果规范要求28 硕士学位论文表4．3细集料性能检测结果性能指标试验结果规范要求表4．4矿粉性能检测结果性能指标试验值规范要求视密度，含水量粒度范围<0．6mm％<0．15mm2．5<110090~10075—90无团粒结块亲水系数O．81