DE改性沥青及其混合料的路用性能研究

de改性沥青及其混合料的路用性能研究 摘要：研究了de改性剂的特点及其改性沥青混合料的路用性能，并从改性原理上进行了探索，发现该沥青混合料的疲劳耐久性、高温稳定性与水稳定性均有不同程度的提高，且通过工程实例得到了验证。表明de改性沥青混合料有着较好的研究价值与推广价值。 关键词：硅改沥青 de改性沥青 硅藻土 沥青混合料 路用性能 0 引言 关于沥青与沥青混合料性能的改善，已引起了世界各国的极大关注，采用橡胶类、热塑性橡胶类和树脂类等各种聚合物的改性沥青性能研究已成为当今沥青路面研究的一个热门课题。我国在“八五”期间对pe、sbs、以及丁苯橡胶等改性技术进行了广泛的试验研究。对于用无机物进行沥青改性我国的研究非常有限，本文的de是云南生产的复合型硅改性剂，是一种无机的沥青改性剂。硅改沥青是美国在20世纪80年代开发的，曾在美国的卡尔加里、休斯顿、洛杉矶等地进行了两次大规模的应用研究，当时是将精选的硅藻土作为填料使用，路用效果良好。后来，德国在美国的基础上作了进一步改善，他们发现，用水洗法提纯的硅藻土，许多对沥青有害的杂质，如粘土矿物、有机质、黄铁矿、方解石等无法全部除掉，于是发明了“火法”工艺，使硅藻土的提纯、活化、扩容一次完成，这已不是纯硅藻土，而是复合型的硅酸盐。de是以硅酸盐矿物为主要原料，采用德国下萨克森州v. d.k公司90年代的新技术与云南陆升的专利技术，通过对原料提纯、改性、活化、扩容、复合、偶联等多道工序加工而成的。本文就de改性沥青与沥青混合料的路用性能进行了试验研究，并对de改性的机理进行探索。 1 de及de改性沥青 1．1 de的物性及特点 de改性沥青分为ⅰ、ⅱ、ⅲ型，ⅰ型用于碱性沥青混合料改性；ⅱ型用于基质沥青改性；ⅲ型适用于酸性集料改性。本文所采用的de-ii型改性剂，即用于基质沥青改性，有如下特点：(1)呈粉红色粉末状，无辐射、无毒、无味、无腐蚀。堆积密度小，比表面积大，约为20~30m2/g，无团粒、不结块，活性好,用我校进口设备激光粒度分析仪-mastersizer2000得其颗粒分析结果见图1。（2）吸附性好。在炒拌沥青混合料时，能吸收沥青散发出来的酚、萘、蒽、氰化物等致癌的有毒气体，减轻了对人体健康的危害和环境污染。（3）复合、偶联了多种r4+、r3+、r2+硅酸盐功能材料。既有活性好、吸附性强的非晶体sio2,还有活性好，有红外光阻隔作用和高温抗蠕变、抗热震、耐腐蚀的硅酸盐。（4）使用非常方便，即拌即用。将沥青加热到160℃，掺入一定剂量的de改性剂，搅拌均匀即成de改性沥青。 1．2 de改性沥青 在广东茂名重交通道路石油沥青ah-90中加入10%de改性剂，改性沥青与基质沥青的试验结果比较见表1。从表1测定的各项数据可以看出：de改性沥青与基质沥青相比，①针入度下降，软化点升高，135℃粘度增大，说明高温稳定性有了改善；②当量软化点t800升高，当量脆点t1.2降低，说明高温与低温性能都有改善；③针入度指数增加，说明对温度敏感性降低；④薄膜加热试验的针入度比升高，说明抗老化性能有所改善。 2 de改性沥青混合料配合比设计 用与沥青混合料配合比设计相同的方法——马歇尔设计法确定出集料的合理级配与最佳油石比，然后以最佳油石比±0.3%作为沥青用量,以经验为依据改变de的掺加量(8-12%),制作马歇尔试件,测出相应的物理与力学指标,确定出最佳沥青改性剂de的掺加量。如用克拉玛依重交沥青ah-70，配制出ac-25i玄武岩沥青混合料，先确定出在不加de时的最佳用油量为4.5%,然后以4.5±0.3%作为沥青用量，根据表2确定出de改性剂的掺加量。从表2可以看出，油石比取4.2%时比较合适，而de掺量的影响不太明显，结合以往经验，取de掺加量为10%。表2中空隙率普遍偏小，与计算时采用的矿料密度与沥青混合料试件的密度测试方法有关，本次试件密度测试方法采用“水中重法”，矿料密度采用了表观密度。 所以推荐最佳油石比为4.2%，de掺量为10%。 3 de改性沥青混合料的路用性能研究 对于ac-20i型de（试验时de掺量为10%）改性沥青混合料,我们综合研究了其高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、疲劳耐久性，并与基质沥青混合料进行比较，以检验其路用性能，为进一步应用奠定基础。结合工程实际，试验时采用了不同产地与标号的沥青。 3.1 高温稳定性 用车辙试验所测的动稳定度来反映沥青混合料的高温稳定性。通过用克拉玛依ah-70对ac-20i沥青混合料试验发现，其基质沥青混合料动稳定度为1300～1600次/mm,而de改性沥青混合料的动稳定度提高为2423～2625次/mm。说明de 改性沥青混合料的高温稳定性有显著提高。 3.2 水稳定性 用残留稳定度以及冻融劈裂比来评价de改性沥青混合料的水稳定性。残留稳定度试验结果可以参照表2，基质沥青混合料的残留稳定度为88.9%（表中未列出）。可以看出，de改性沥青混合料有着良好的水稳定性。另外，在我校大型设备mts——材料试验系统上进行了冻融劈裂试验。表中沥青混合料类型为：ac-20i, 从表3中可以看出，虽然冻融前劈裂强度相当但掺加de改性后对冻融劈裂比有明显的提高。 3.3 低温抗裂性能 按照《公路工程沥青于沥青混合料试验规程》jtj052-2000，对沥青混合料用低温弯曲应变来反映其低温抗裂性能。试验在-10℃，以50mm/min的加载速率将40mm×40mm×250mm的弯曲小梁破坏，计算出破坏时的最大弯拉应变、强度与劲度模量。试验时，沥青为埃索ah-90,混合料为ac-20i,比较加与不加de改性剂两种沥青混合料的低温性能，见表4。 3.4 疲劳耐久性 为了便于比较，对加与不加改性剂2种沥青混合料采用相同的应力水平进行疲劳试验。试验时，沥青为埃索ah-90,混合料为ac-20i。加载波形:半正弦波;频率:10hz；试件尺寸：50mm×50mm×250mm的弯曲小梁。试验结果见表5，对该表试验结果用疲劳的标准方程nf=k(σ1)n 对曲线回归，回归方程标在图2中，用双对数坐标进行回归可以得一直线。 从表5可看出，在相同的应力下，改性沥青混合料的疲劳寿命有一定的提高，尤其是在低应力水平下，提高幅度显著。从图2可看出，改性沥青混合料的线位高于基质沥青混合料，即疲劳回归方程中k值增大，抗疲劳性能提高，但n值也相应增大，即曲线陡于基质沥青混合料，说明疲劳寿命对应力水平的变化也较敏感。 4 de改性机理探索 4.1 物理吸附作用 de改性剂中,含有60%以上的非晶质sio2,它具有大量有序排列的纳米微孔,比表面积20~30m2/g。它对沥青中的油分，有很强的吸附能力，能吸收自身重量1.3倍的油分,储存于纳米微孔中。沥青中通常含有40%~60%的油分。沥青与改性剂混合后，便有一部分油分被吸收到改性剂的纳米微孔中，这样沥青的4大组分比例关系发生了变化，对温度敏感的饱和分减少，对改善高温稳定性有贡献的沥青质增加，沥青的粘度、软化点提高，针入度下降，流动性降低，所以高温不会泛油。由于这种吸附属于物理吸附，所以是可逆的。一旦集料表面沥青膜中的油分逐渐减少，它又会解吸，释放出油分，所以能有效延长路面服务质量。 4.2 化学吸附作用 除了物理吸附外, de改性剂与沥青也存在着化学吸附。在普通沥青混合料中，凝胶材料通常是“沥青+矿粉”的混合物，而矿粉细度远远小于de粉，所以与沥青的粘附性能要差得多，当油石比较高时，沥青表面的沥青膜偏厚（大于8~11微米）时，会出现较多的自由沥青，成为集料产生相对位移的润滑剂，路面会产生推移、拥抱等病害。加入de后，由于其独特的微孔结构，能够与沥青结合形成结构沥青膜，而不是像与矿粉结合形成的粉胶沥青膜，即使有富余沥青，也不是自由沥青,而是微粒结构沥青，使沥青与de之间进行了化学吸附。微粒结构沥青，润滑性不好，流动性差，这样就不容易产生高温下的推移、拥抱等病害。 从上述机理分析可以看出，de改性剂能有效改善沥青混合料的高温性能，要改善低温性能还有待于进一步研究，这与我们的试验结果是吻合的。 5 de改性沥青混合料的工程应用 de改性沥青至2004年已经推向市场5年了。5年来，已铺各种de改性沥青混凝土路面40多条，所建路面当地气候基本上都是属于夏炎热冬温区或者夏热冬温区。2003年在元江-磨黑高速公路上使用后，经检查验收，路面工程总分为96.06分，评为优良工程。硅改沥青在高速公路上，有用作上面层、也有用作中、下面层。效果都不错。元磨高速公路上k216+500~k218+500处世界第一高桥——元江大桥，全长801m,面层ak-16a全部采用硅改（de）改性沥青，效果良好。几年来，对已铺的de 改性沥青混合料路面都进行了观察和抽样，共采集抽样1061件，测试结果表明：集料粘结牢固，密实度好，空隙率低，强度高，流值比较低。通车已4年的高速公路无任何早期损坏的痕迹。 6 结语 de改性沥青混合料不论是从室内试验研究还是从工程应用上，都有着良好的效果，能明显改善基质沥青混合料的高温抗车辙、水稳定性、疲劳耐久性。对于炎热区是一种较为理想的新型的硅改沥青混合料，经济、科学。对于提高工程质量，节约工程投资是较为理想的。具有广泛的推广价值与研究价值。