（道路与铁道工程专业论文）硅粉作为沥青改性剂的室内试验研究.pdf

摘要 摘要 添加各种添加剂对沥青材料进行改性，提高沥青材料的路用性能，是适应 交通发展需要和改善沥青路面服务质量的有效途径之一。本文针对目前无机材 料类改性剂的应用现状，提出了利用硅粉作为改性剂对沥青进行改性。通过室 内试验研究，分析评价了硅粉改性沥青的路用性能，探讨了硅粉对沥青改性的 作用机理，为硅粉在沥青路面中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， 首先对不同硅粉掺量的改性沥青进行了针入度、软化点、延度、弹性恢复试验， 通过改性沥青与基质沥青的针入度指数、当量软化点、当量脆点等指标的比较 分析，研究硅粉对基质沥青高低温性能、感温性能及弹性恢复能力的影响。在 基质沥青改性研究的基础上，对不同硅粉掺量的改性沥青进行了马歇尔配合比 设计，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。从硅粉与沥青的相容性 方面分析了硅粉改性的作用机理，硅粉的性质使其与沥青良好相容，同时发挥 其吸附作用和增韧作用实现对沥青的改性。最后通过硅粉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。 关键词硅粉；改性沥青；路用性能；机理；经济分析 北京t 业大学t 学硕十学位论文 a bs t r a c t a d d i n gv a r i o u sa d d i t i v e sf o ra s p h a l tm a t e r i a lm o d i f i c a t i o nt oi m p r o v et h e p a v e m e n tp e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm a t e r i a l si so n eo ft h ee f f e c t i v ew a y st om e e tt h e n e e d so ft h ed e v e l o p m e n to ft r a n s p o r ta n di m p r o v et h es e r v i c eq u a l i t yo fa s p h a l t p a v e m e n t b a s e do nt h ec u r r e n ta p p l i c a t i o np r o g r e s so fi n o r g a n i cm a t e r i a lm o d i f i e r s ， t h i sp 印e rt a k e st h es i l i c af u m ea sam o d i f i e rf o ra s p h a l tm o d i f i c a t i o n 1 1 啪u g h i n d o o re x p e r i m e n tr e s e a r c h , t h ep a p e ra n a l y z e sa n de v a l u a t e sp a v e m e n tp e r f o r m a n c e o fs i l i c af u m e m o d i f i e da s p h a l t ，a n da l s od i s c u s s e st h em e c h a n i s mo fs i l i c af u m e m o d i f i c a t i o n t h es t u d yr e s u l t so ft h ep a p e rl a yat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e a p p l i c a t i o no fs i l i c af r m ei na s p h a l tp a v e m e n t b a s e do nt h er e s e a r c hp r o g r e s so fm o d i f i e da s p h a l ti nc h i n aa n da b r o a d ，p l e n t y o fe x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u ti nc o m b i n a t i o nw i t hm e o r ya n a l y s i si nt h i sa r t i c l e f i r s t ，t h r o u g ht h ep e r f o r m a n c et e s t so fm o d i f i e da s p h a l tw i t ht h ed i f f e r e n tc o n t e n to f s i l i c af u m ei n c l u d i n gp e n e 仃a t i o n ，s o f t e n i n gp o i n _ t ，d u c t i l i t y , a n de l a s t i cr e c o v e r y , t h e p a p e rp r o c e s s e st h ec o n t r a d i s t i n c t i v ea n a l y s i sa b o u tp e n e t r a t i o ni n d e x ，t s o o ，t 1 2 ，e t c ， a n ds t u d i e st h ei n f l u e n c eo fa s p h a l t sp e r f o r m a n c ea th i g l lt e m p e r a t u r ea n dl o w t e m p e r a t u r e ，t h et e m p e r a t u r es u s c e p t i b i l i t ya n de l a s t i cr e c o v e r yc a p a b i l i t i e sb ys i l i c a f u m e o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho fm o d i f i e da s p h a l t , m a r s h a l lm i xd e s i g ni sc a r r i e d o u tw i t hm o d i f i e da s p h a l tw i t ht h ed i f f e r e n tc o n t e n to fs i l i c af u m e t l l i sp a p e rc a r r i e s m a r s h a l lt e s ta n do t h e rk i n d so fp a v e m e n tp e r f o r m a n c et e s t su n d e rt h eo p t i m u m a s p h a l tc o n t e n t , s u m m a r i z e st h ec h a n g el a wo fm a r s h a l la n dp a v e m e n tp e r f o r m a n c e i n d i c a t o r so fa s p h a l tm i x t u r ew i t ht h ed i f f e r e n tc o n t e n to fs i l i c af u m e ，p u t sf o r w a r d t h ea p p r o p r i a t ec o n t e n to fs i l i c af u m e ，a n dp r o v i d e sar e f e r e n c ef o rm a r s h a l lm i x d e s i g n a tt h es a m et i m et h ep a p e ra n a l y z e sm o d i f i c a t i o nm e c h a n i s mo fs i l i c af u m e f r o mt h ec o m p a t i b i l i t y s i l i c af u m eh a st h ep r o p e r t yw h i c hm a k e si te a s yt ob e c o m p a t i b l ew i t ha s p h a l ta n da c h i e v e sa s p h a l tm o d i f i c a t i o nb e c a u s eo fi t sa d s o r p t i o n f u n c t i o na n dt o u g h e n i n ge f f e c t f i n a l l y , t h ep a p e ri l l u m i n a t e so b v i o u ss o c i a la n d e c o n o m i cb e n e f i t sa n db i g g i s ha p p l i c a t i o nv a l u eo fs i l i c af u m e - m o d i f i e da s p h a l t p a v e m e n tb yt e c h n i c a la n de c o n o m i ca n a l y s i so fs i l i c af u m e m o d i f i e da s p h a l t c o m p a r e dw i t ho r d i n a r ya s p h a l ta n do t h e rm o d i f i e da s p h a l t k e yw o r d ss i l i c af u m e ，m o d i f i e da s p h a l t ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，m e c h a n i s m ， e c o n o m i ca n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：确丛日期：龇 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 随着我国国民经济“十五 发展规划建设的结束，我国国民经济进入了“十 一五”建设发展时期。“十五”期间，我国交通事业保持了持续快速健康发展的 好势头，交通基础设施建设取得了瞩目成就。截止到2 0 0 5 年底，我国公路总里 程达到1 9 3 万公里，其中等级公路达到1 5 9 万公里，公路的技术等级和路面等 级不断提高。高速公路的建设更是迅速发展，总里程达4 1 万公里，仅次于 美国，稳居世界第二位。 虽然我国公路建设取得了辉煌的成就，但是公路建设的质量问题仍是影响 公路建设发展的主要因素，我国的公路建设质量与发达国家相比仍存在不小的 差距。众所周知，沥青路面具有良好的行车舒适性和优异的使用性能，以及建 设速度快、维修方便和便于回收利用等特点，因此在国内外公路建设中，沥青 路面作为高级路面的主要结构类型而得到广泛应用。有关资料表明，美国和日 本高速公路中沥青路面达到了9 0 以上；在我国已建成的高速公路中也有约7 5 采用了沥青路面。但是由于沥青路面使用沥青材料作为结合料，而沥青是一种 感温性的黏弹性材料，当环境温度升高时，沥青路面在车辆荷载作用下会产生 车辙、波浪推移等病害；当环境温度降低时，沥青路面又会产生裂缝，影响路 面的耐久性能和使用寿命。 。 关于沥青路面质量问题的影响因素是多方面的，如设计、施工、材料和管 理等方面。其中材料是最关键的影响因素之一。目前我国生产的沥青材料还不 能满足国内高等级公路建设市场的需要。这主要是由于我国大多数原油属于低 硫石蜡基和含硫中间基，以此生产的大部分国产沥青存在着含蜡量高，温度敏 感性大，热稳定性和低温抗裂性能差，水稳定性不够理想，耐久性欠佳，易使 沥青路面产生车辙、拥包、开裂、水损害等破坏，沥青路面的路用品质和使用 年限难以达到预期目标，因而难以应用于高等级路面。虽然近几年，石油部门 科技人员为提高沥青技术性能而对炼制工艺进行了大量的研究，采用适合生产 重交沥青的环烷基或中间基原油，国产沥青质量有了很大的提高。但国产沥青 的质量稳定性仍然受到许多的质疑，因而影响对国产沥青的使用。为了满足高 等级公路的建设发展需要，我国每年仍需进口一定数量的国外沥青，根据我国 海关总署的统计，2 0 0 6 年我国进口沥青3 4 5 万吨左右，按平均单价3 2 2 9 美元 吨计算口1 ，总计花费1 1 1 4 亿美元的外汇，大大增加了公路建设的成本。另一 方面，随着国民经济的发展，由于交通量迅速增长，车辆大型化、超载严重， 车辆渠化等原因，在一些特殊路段即使使用国产优质重交通沥青或进口沥青， 北京t 业大学t 学硕 j 学位论文 m !- l 曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼 仍不能满足目前交通的需要，许多路面远在设计使用年限之前，便不得不大规 模维修罩面，带来了大量直接或间接的经济损失。如何提高沥青及沥青混合料 的路用性能，以满足交通发展的需要，这是我国道路工作者所面临的重要课题。 因此，针对上述影响沥青路面质量的材料问题，在沥青中添加各种添加剂 进行多种沥青改性技术的研究和探索，研制改性沥青，改善道路沥青的使用性 能，大幅度提高沥青路面的力学行为，延长沥青路面的使用寿命，具有重要意 义。 1 2 改性沥青的研究和发展现状 改性沥青按照定义是指掺加橡胶、塑料等高分子聚合物、细磨的橡胶粉或 其他填料型外掺剂，并使其与沥青均匀混合，使沥青的性质得以改善而制成的 沥青混合物。按照改性剂的作用可以划分为以下几类，如图卜l 所示。 改性沥青 图1 - 1 改性沥青的分类3 1 f i g u r e1 - 1c a t e g o r i e so fm o d i f i e da s p h a l t 从上图中可以看出，目前应用于沥青的改性剂主要有有机物和无机物两大 类。 1 2 1 聚合物改性沥青研究现状 从狭义来讲，现在所指道路改性沥青一般是指聚合物改性沥青，对聚合物 改性沥青的应用和研究也最为广泛。欧洲从1 9 4 0 年就开始使用聚合物改性沥 青，目前已有余年的历史。从品种上看，8 0 年代初起欧洲曾经广泛使用过 e v a ，到8 0 年代中期认识到s b s 的优良性能，e v a 逐渐为s b s 所代替，1 9 9 1 年 欧洲使用改性沥青总量为5 2 5 万吨，其中s b s 占4 0 ，e v a 占1 9 ，s b r 占 1 4 ，n o v o p h a l t 占3 h 1 。近年来改性沥青应用的比例增长较快，在许多发达国 家中改性沥青使用已经占道路沥青总量的5 一1 0 以上。从世界范围来看，热塑 性橡胶类改性剂s b s 已成为近年来应用得越来越广泛且性能较好的一种聚合物 改性剂，它对沥青的高、低温性能均有明显的改善，对改善沥青的感温性能具 有良好的效果。 第1 币绪论 曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇i 一一一i i ；i 曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼皇曼曼曼鼍曼曼曼曼曼! 皇曼曼量曼曼曼鼍 使用聚合物改性剂对沥青进行改性主要是因为聚合物改性沥青在低温时具 有更好的延伸性可以减少沥青混合料的开裂，而在高温时具有更好的抗变形能 力可以减少路面车辙，同时还可以增加沥青混合料的强度和稳定性，提高沥青 混合料的抗磨损性。但是，聚合物改性价格昂贵，改性技术、设备以及施工工 艺比较复杂等原因，需专业人员操作，制约了聚合物改性沥青在实际工作中的 应用。此外，聚合物改性沥青是改性剂与基质沥青的物理混融体系，热贮存稳 定性不好，易产生离析现象，严重影响改性沥青的使用效果。目前研究人员主 要在聚合物改性沥青的制备工艺、聚合物改性剂与基质沥青的配伍性、聚合物 改性沥青储存的稳定性、聚合物改性剂的改性机理等方面做大量的研究工作。 1 2 2 无机材料作为改性剂的研究现状 对于无机材料类改性剂在沥青路面中的应用，其应用方法与聚合物改性剂 的方法有所不同，无机材料类改性剂最初只是作为沥青混合料中的填料来使用。 但与聚合物改性剂相比，无机材料类改性剂具有成本低廉、添加简便、环保高 效等特点。因此，研究人员一直致力于将不同种类的无机材料改性剂应用到沥 青路面上的研究。 1 9 5 2 年，c a r p e n t e r 研究认为添加粉煤灰的沥青混凝土具有良好的抗水损 害能力。1 9 7 4 年，h e n n i n g 通过研究认为添加4 粉煤灰的沥青混凝土稳定性好， 空隙率较低，水稳定性能出众。1 9 8 6 年，s u h e i b a n i 研究了粉煤灰作为添加剂 对沥青性能的影响，研究表明粒径在1 微米至4 4 微米范围的粉煤灰改善沥青性 能的作用十分显著，并通过相关试验验证了改性后沥青混合料的抗拉伸能力、 抵抗车辙能力、抗疲劳破坏能力提高晦1 。 水泥和消石灰是在混凝土行业中应用十分广泛的两种材料。目前研究人员 已对这两种材料作为改性剂应用于沥青路面做了大量的研究工作。其中我国公 路沥青路面施工技术规范( j t jf 4 0 - 2 0 0 4 ) 规定，“当粗集料与沥青的粘附性 不符合要求时，宜掺加消石灰、水泥或用饱和的石灰水进行处理后方可使用川6 | 。 公路改性沥青路面施工技术规范( j t j0 3 6 9 8 ) 规定了“水泥、消石灰粉作 为填料使用时，不宜超过矿料总量的2 ”口1 。从规范可以看出目前应用在沥青 路面中的无机材料类改性剂的数量十分有限，而且只重视其作为抗剥落剂提高 沥青与集料的粘附性的作用。因此应进一步扩大无机材料类改性剂的研究范围， 研究改性剂对沥青路面的多重改性作用。 近年来，随着材料加工业的不断发展，无机材料作为补强材料填充聚合物 材料，利用无机材料的分散增强、增韧作用，改善聚合物材料的流变性能、力 学性能在塑料、橡胶行业的应用十分广泛。因此，研究人员正在将这些新材料 作为改性剂应用到沥青路面中。 硅藻土( d i a t o m i t e ) 是一种生物成因的硅质沉积岩，主要由硅藻遗骸和软泥 北京t 业大学t 学硕十学位论文 固结而成的沉积矿。具有体轻、质软、多孔、耐酸，比表面积大、化学性质稳 定，热稳定性和吸附能力强等特性。我国长安大学对不同种类的硅藻土用作沥 青改性剂进行了系统的实验研究。研究中探讨了硅藻土应用沥青混合料的配合 比设计方法，并通过路用试验对比分析了内掺和外掺两种方法的改性效果；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曲1 。长沙理工 大学针对硅藻土与沥青的相容性问题，采用不同的稳定剂对硅藻土表面进行处 理，通过试验证明了表面处理过的硅藻土作为沥青改性剂，沥青混合料的抵抗 高温车辙、水损害、低温开裂的性能更佳p 1 。此外，硅藻土作为沥青改性剂在 云南大保高速公路中得到了实际应用，进一步研究了硅藻土改性沥青混合料的 设计、生产、施工、检测等方面的技术，积累了其在沥青路面中的适用性、经 济性和可操作性的经验n 引。 在塑料和橡胶行业，硫酸钙晶须由于具有尺寸稳定、强度高、韧性好、耐 高温、抗化学腐蚀的特点，常作为中等强度增强剂使用。东北大学、山东科技 大学已将硫酸钙晶须作为改性剂，应用到沥青材料中。其中东北大学从改性剂 与沥青的相容性、分散性以及改性剂形态与改性沥青性能的关系方面，探讨了 硫酸钙晶须改性作用机理叫。而山东科技大学从改性沥青制备工艺的角度，研 究分析了硫酸钙晶须掺加工艺对沥青性能的改性效果和改性作用机理h 2 1 。上述 资料只是研究了硫酸钙晶须对沥青性能的改善作用，而对沥青混合料路用性能 的改性效果没有进一步研究。 目前，纳米科学和技术发展迅速。将无机纳米粉体作为改性剂应用到工业 生产的各个领域提高产品性能和多功能性，已成为材料制造业发展的一大趋势。 纳米粉体一般是指粒径在l o o n m 或0 1 加以下的粒子或颗粒。由于纳米材料的 小尺寸，使其在结构、物理性质和化学性质等方面具有许多宏观、微观物体不具 备的奇特的特征，因此其作为改性剂在沥青路面材料中得到了应用。长沙理工 大学、长安大学通过室内试验研究了纳米碳酸钙改性沥青和改性沥青混合料的 路用性能，研究表明采用纳米碳酸钙对沥青改性，不仅改善了沥青的温度敏感 性，而且使沥青混合料的马歇尔稳定度、动稳定度、残留稳定度及抵抗低温开 裂的性能都得到了不同程度的提高u 习1 3 4 1 。 从以上资料可以看出无机材料作为沥青改性剂，应用也是广泛的。随着新 的无机材料的不断出现，道路研究人员正在进行不断的尝试和探索，将这些材 料作为改性剂，应用到沥青路面材料中。 1 3 本课题的提出和主要研究内容 1 3 1 本课题的提出 从上述改性沥青的研究现状可以看出，无机材料类改性剂由于其具有成本 第1 章绪论 低廉、添加工艺简便等特点，已经引起越来越多的道路研究人员的重视。尤其 是随着无机矿物材料加工技术的提高，研究人员正在将新的纳米材料用作沥青 改性剂，研究其对于沥青及沥青混凝土的改性作用，这不仅进一步扩大了改性 剂的应用研究范围，而且对于进一步从微观角度研究沥青路面材料的性能具有 重要的意义。虽然目前研究人员对无机材料改性沥青进行了一些研究，但有些 只是研究了改性剂对沥青材料性能的改善作用，而没有将这些材料应用到沥青 混合料上，作为道路工作者更重视改性剂对沥青混合料性能的改善作用，所以 应进一步对无机材料作为沥青路面材料改性剂进行系统研究。 硅粉是生产硅铁或金属硅的工业粉尘，经回收制成。由于生产硅铁或金属 硅使用温度很高的电炉，挥发的硅在空气中氧化成二氧化硅，在空气中形成微小 的颗粒( 直径在l o l o o n m 之间) ，通过除尘设备回收，打包后制成硅粉产品( 俗 称硅灰) 。其主要成份是s ；0 2 ，具有耐化学腐蚀、热稳定性及尺寸稳定性良好、 力学性能及电性能优良以及具有补强作用等优点u 5 j 。 硅粉是国内外高新技术领域中具有广阔应用前景的优良材料，广泛用于建 筑、化工、冶金等行业。在建筑领域，硅粉主要用作水泥或混凝土掺合料，改 善水泥或混凝土的性能，配制具有超高强、耐磨、耐冲刷、耐腐蚀、抗渗透、 抗冻、早强的特种混凝土或复合水泥，在大型水利、水电、海港码头、铁路桥 梁、高速公路、飞机场跑道、隧道及城市高层建筑等工程上得到了较好的利用。 在化工领域，硅粉用于油漆、涂料、树脂及其他高分子材料的填充物以改善产 品性能；用于橡胶填充物，可以提高橡胶的延伸性、抗撕裂性和抗拉强度。在 冶金领域，硅粉用于耐火材料和陶瓷制品的生产，可有效提高产品的强度和耐 久性能。 鉴于上述情况，本课题以硅粉作为沥青改性剂，通过有关试验方法，对硅 粉对于沥青和沥青混合料路用性能的改善作用进行系统研究，并提出硅粉作为 沥青改性剂应用的技术要求，促进硅粉在沥青路面材料中的应用。 1 3 2 本课题的主要研究内容 本文将硅粉作为沥青改性剂，制备改性沥青。通过实验手段，对硅粉改性 沥青和沥青混合料的路用性能进行系统研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 硅粉对基质沥青性能改性效果的研究。 通过按不同比例掺配的硅粉对基质沥青改性后的常规室内试验，包括针人 度、延度、软化点、弹性恢复试验，分析评价硅粉对基质沥青性能的改性效果， 确定硅粉改性剂的合适掺量范围。 ( 2 ) 硅粉改性沥青混合料路用性能的研究。 用制备好的硅粉改性沥青进行沥青混合料路用性能试验，包括马歇尔试验、 浸水马歇尔试验、车辙试验、冻融劈裂试验，研究分析硅粉改性沥青的路用性 北京t q p 大学t 学硕十学位论文 能效果； ( 3 ) 分析探讨硅粉对基质沥青的改性作用机理。 硅粉对沥青混合料路用性能的改善主要是硅粉对基质沥青改性作用的结 果。本文从沥青和硅粉的微观结构方面，分析探讨硅粉对基质沥青的改性作用 机理。 ( 4 ) 研究硅粉改性沥青混合料实际应用的配合比设计和施工方法。 主要针对硅粉改性沥青混合料的实际应用，提出了混合料目标配合比设计 的方法、改性沥青现场加工工艺和混合料的施工方法，并对硅粉改性沥青路面 的技术经济效益进行了分析，促进硅粉改性沥青在实际工程中的应用。 第2 章试验方案、试验方法和原材料性质 第2 章试验方案、试验方法及原材料性质 2 1 试验方案 本研究采用硅粉作为沥青改性剂，按四种掺加量( 7 ，1 0 ，1 3 ，1 6 ) 制备 改性沥青。通过对基质沥青、四种掺量的改性沥青进行针入度、软化点、延度 等室内实验，对比分析硅粉对基质沥青路用性能指标的改善效果。采用制备好 的四种改性沥青和基质沥青进行沥青混合料试验。粗集料为石灰岩，细集料、 填料符合规范技术指标要求，级配类型为a c 一2 0 c 型。沥青混合料试验包括马 歇尔试验、车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验，通过试验结果分析评 价硅粉对沥青混合料路用性能的改善效果。具体的技术方案见图2 - 1 。 图2 - 1 技术方案流程图 f i g u r e2 1f l o wc h a r to ft e c h n i c a ls c h e m e 7 一 22 试验方法 2 21 改性沥青的制备方法 关于改性沥青的制各方法，研究广泛的是聚合物改性沥青的制备工艺。目 前聚合物改性沥青的制备和使用方式主要为现场拌和法和预混合法，现场拌和 法是采用专用的改性沥青制造设备在铺路现场制作，然后直接送入拌和机使用。 改性设备主要有胶体磨和高速剪切机两大类。预混合法是在沥青生产场所，采 用特殊的l ：产工艺技术，将改性剂与基质沥青混合，制得储存稳定性好的改性 沥青成品，包括直接法和问接法工艺。 以上主要为工厂或生产现场制备改性沥青的生产工艺。而实验室制备改性 沥青的工艺必须与工厂或生产现场的实际加工工艺尽可能一致，加工的产品必 须能够模拟实际的情况。目前实验室使用的一种代表性的专用改性沥青制作设 各是高速剪切乳化机。它能使聚合物均匀分散在基质沥青中。其工作原理是把 普通的高速搅拌机的搅拌叶换成了高速剪切搅拌器，剪切搅拌器由带孔的转子 和定子组成。当高速剪切机开动后，在剪切头的下方造成一个真空区。吸入改 性剂与沥青的混合物，通过转子与定子上的小孔将改性剂强迫剪切，分散。同 时使粉碎的流体介质形成高速液流。在高速剪切过程中将改性剂剪切的同时， 还会引入大量的空气气泡到沥青中，因此在对沥青进行试验以前，必须驱赶沥 胥中的气泡。 正b 丽_ 鬯? ，娑l ：；- 山i 翟 图2 - 2 高速剪切乳化机国2 - 3 搅拌头内部构造 f i g u r e2 - 2h i 曲s p e e ds h e a f i n ge m u l s i f i e rf i g u r e2 - 3i n t e r n a ls t r u c t u r eo f b l e n d e r 本研究采用的硅粉改性剂为无机非金属材料，其与沥青材料的性质有较大 差别。为了保证改性沥青具有较好路用效果，必须使硅粉改性剂在沥青中达到 良好的相容和分散，使两种材料在微观上能够良好结合和适应，使二者融为一 体，减少硅粉在沥青中的团聚现象，尽量使两种材料组成的复合材料成为均匀 体。为此本研究借鉴审内聚合物改性沥青的制备工艺来制备改性沥青。采用的 第2 辛试验方案、试验方法和原材科性质 设备为上海威宇设备公司生产的高速剪切乳化机( 图2 2 、2 3 ) ，调速范围0 11 0 0 0 转分，定子直径3 5 衄，转子可以更换。 本研究改性沥青的制备方法是首先将硅粉改性剂在1 0 5 5 c 的烘箱中烘干 至恒重，之后提高温度至1 6 0 c ，同时将基质沥青也加热到1 6 0 。c 。然后开动 高速剪切乳化机转速设定为4 0 0 0 转分左右，一边搅拌一边加入硅粉改性剂。 为了降低搅拌过程中温度升高对沥青性质的影响，应在5 分钟内加入所需比例 的硅粉改性剂，同时适时地调整剪切乳化机搅拌头在沥青中的位置，以使加入 的硅粉改性剂完全被吸入搅拌头中，得到高速剪切分散。提高转速到8 0 0 0 转 分，高速剪切1 5 分钟。停止搅拌后，用铁棒对改性沥青进行适当搅拌，检查硅 粉分布的均匀程度，并排出混入的空气，即制得硅粉改性沥青。 2 2 2 改性沥青的试验方法 ( 1 ) 关于如何评价改性沥青的路用性能，目前国际上还没有统一方法和标 准，仍处于不断的探讨之中。虽然我国已有公路改性沥青路面施工技术规范 ( j t j 0 3 6 9 8 ) 可供参考，但该规范主要是针对聚合物改性沥青提出的，与无机材 料作为改性剂的实际状况相差较大。现行的评价改性沥青的方法主要是通过测 定基质沥青与沥青改性后的性能指标的变化来评价改性剂的改性效果。目前有 三种试验方法用于测试沥青性能指标。 常规试验方法，包括测试基质沥青和改性沥青的针入度、延度、软化点、 粘度等性能指标； 通过针对改性沥青的特点开发的特殊试验方法，如弹性恢复试验、测力 延度试验、冲击板试验、离析试验等； 按照美国战略公路研究计划( s h a p ) 提出的关于沥青结合料的试验方法， 如动态剪切流变仪试验、弯曲流变仪试验、直接拉伸仪试验等，采用相关性能 指标的变化来评价改性剂的改性效果； ( 2 ) 本研究主要采用和有关的试验方法，包括针入度、软化点、延度、 弹性恢复试验，通过试验指标和相关计算指标来评价硅粉对基质沥青的改性效 果。 针入度试验 沥青的粘滞性是沥青在外力作用下抵抗破坏的能力，是与沥青路面力学性 能联系最密切的一种性质。沥青的粘性通常用粘度表示，同时粘度也是沥青等 级划分的主要依据。工程上通常采用针入度仪来测定沥青的相对粘度，采用针 入度值来间接反映沥青在等温条件下的粘度。一般情况下，测定的针入度值愈 大，表示沥青愈软，其在该温度下粘度愈低。 试验方法：制备好的试样冷却后，将其浸入试验要求温度的水浴中，恒温 1 1 5 小时。水浴的水面应高于试样表面l o i m 以上。调整自动针入度仪的标 北京t q p 大学t 学硕f j 学位论文 准针，使针尖与试样表面恰好接触。按下按钮，标准针自动下落贯入试样，在 标准针落下贯入试样时开始记时，5 s 时自动停止，读取刻度盘指针的读数，精 确到0 1 m m 。同一试样重复测定至少3 次，在每次测定前都应检查并调节玻璃 皿内水温使其恒定在试验温度。 软化点试验 软化点试验按现行规范采用环与球法测定。由于沥青材料是一种非晶质高 分子材料，它由液态凝结为固态，或由固态熔化为液态时没有明确的固化点或 液化点，通常采用条件的硬化点和滴落点来表示。沥青材料在硬化点至滴落点 之间的温度阶段时，呈粘滞流动状态，在工程实践中为保证沥青不致由于温度 升高而产生流动的状态，取滴落点与硬化点之间温度间隔的8 7 2 1 作为软化点。 通常认为软化点是反映沥青材料热稳定性的一个指标，也是沥青条件粘度的一 种量度。 试验方法：从5 c 0 5 的恒温水槽中，取出盛有试样的黄铜环模具并放 置在环架中层板上的圆孔中，把整个环架放入烧杯内，调整水面至深度标记， 并保持水温为5 0 5 c ，环架上任何部分均不得附有气泡。将温度计由上层板 中心孔垂直插入，使水银球与铜环底面齐平。移烧杯至加热装置上，然后将钢 球放在试样上立即加热，使烧杯内水温在3 m i n 内保持每分钟上升5 0 5 c 。 试样受热软化逐渐下坠，至与下层底板表面接触时，立即读取温度，准确至0 5 。此刻的温度即为试样的软化点。 延度试验 沥青的延度是通过在规定的速度和温度下，拉伸标准试件的两端直到断裂 的长度。它反映了沥青材料的延伸性能，通常用来评价沥青路面抵抗低温开裂 的能力。测定的温度条件为5 、1 0 、1 5 。特别是5 c 和1 0 延度，与混 合料在低温条件下的变形有很大的相关性。试验中采用沥青延度仪对沥青试样 进行延度试验，拉伸速率为5 c m m i n ，当试件被拉断时读取标尺上的读数，即 为沥青的延度，试验过程中还应注意观察试样的延伸情况和断裂部位。 弹性恢复试验 弹性恢复能力是指沥青在荷载的作用下产生变形，荷载解除后恢复形变的 能力。弹性恢复能力试验采用沥青延度仪进行测试，试模与延度试模相似，但 中间部分的端模换成直线侧模。试验时按延度实验方法在2 5 c 0 5 c 温度下 以5 c m m i n 的规定速度拉伸试样达l o 0 2 5 c m 时停止，用剪刀在中间将沥青试 样剪成两部分，保持试样在水中1 h ，然后将两个半截试样对至尖端刚好接触， 测量试样的长度为石计算弹性恢复率，即延度试验拉长至l o c m 后的可恢复变 形的百分率。 2 2 3 改性沥青混合料的试验方法 第2 章试验方榘、试验方注和原材f ： 性质 ( 1 ) 沥青混合料试件成型方法 混合料的拌和 本研究将硅粉用作填充剂对沥青进行改性，利用制备好的硅粉改性沥青进 行混合料试验。同常规沥青混合料的拌和方法相同，但应注意改性沥青的拌和 温度。按试验规程规定，一般沥青混合料以沥青的运动粘度为( 1 7 0 4 - 2 0 ) m m 2 s 时的温度作为沥青的拌和温度，相当于温度在1 4 0 。c , - - 1 6 0 。c 。掺加硅粉后，沥 青拌和温度应比普通沥青的提高，粗细集料和矿粉的加热温度还应比沥青的拌 和温度高1 5 以上，又不宜太高。综合分析，在试验中基质沥青加热温度为1 6 0 ，硅粉改性沥青的拌和温度取1 6 5 。c ，矿料加热温度为1 7 5 。c ，沥青混合料拌 和温度为1 6 5 。 试件成型 采用马歇尔方法确定最佳沥青用量时，试件双面击实7 5 次；在讨论不同硅 粉掺量对马歇尔指标的影响时，马歇尔试件均为双面击实7 5 次；进行冻融劈裂 试验时，所用马歇尔试件按规范要求双面击实5 0 次。 根据已确定的矿料级配和最佳沥青用量，按马歇尔法确定的毛体积密度， 用轮碾法成型3 0 0 m m x3 0 0 咖5 0 嘲的车辙板。成型时应对沥青混合料装模后 立即碾压，一般碾压次数为往返1 2 次，碾压至混合料与试模平齐，保证碾压密 实度达到马歇尔标准击实密度的1 0 0 1 。 ( 2 ) 沥青混合料的马歇尔试验 马歇尔试验是沥青混合料配合比设计的主要试验方法，按照我国公路工程 沥青及沥青混合料试验规程进行马歇尔稳定度试验和浸水马歇尔试验。将成型 的标准马歇尔试件( 直径1 0 1 6 2 5 r a m ，高6 3 5 1 3 m m ，双面各击实7 5 次) 置 于6 0 1 的恒温水槽中保温3 0 m i n - - - 4 0 m i n 。然后，把试件置于马歇尔试验仪 上，以5 0 _ + 5 m m m i n 的速度加荷，至试验荷载达到最大值，此时的最大荷载即 为稳定度m s , 以k n 计，准确至0 o l k n ；相应于荷载最大值时的变形( 经过原点 修正) 为流值尼，以m m 计，准确至0 i m m ：稳定度和流值之比为马歇尔模数。 ( 3 ) 沥青混合料的车辙试验 研究表明，马歇尔稳定度和流值指标与路面的长期路用性能相关性不大， 对于控制路面的高温稳定性更是相去甚远，不能全面评价沥青路面在高温条件 下承受反复车轮荷载作用的变形特性。因此，目前许多国家已把车辙试验作为 评价沥青混合料高温稳定性的一项重要技术指标，美国s h r p 计划已把它作为沥 青混合料分析系统( a a m a s ) 不可缺少的指标。 根据马歇尔试验确定的矿料级配、最佳沥青用量及沥青混合料密度，用轮 碾仪制成3 0 0 r a m x3 0 0 锄5 0f i l m 板，成型时混合料碾压温度为1 5 0 ，碾压次 数控制到混合料与试模齐平为止，试件成型密度达到马歇尔标准密度1 0 0 1 ， 北京t 业大学t 学硕f ：掌1 市论文 并连同试模一起在室内静置1 2 h 以后脱模，方可进行车辙试验。 ( 4 ) 沥青混合料的水稳性试验 所谓沥青混合料的水稳定性，即抗水损坏的能力，是指沥青混合料在水存 在的条件下，经受荷载和温度胀缩的反复作用，一方面水分逐步浸入到沥青与 集料的界面上，同时由于水动力的作用，沥青膜渐渐地从集料表面剥落，并导 致与集料之间的粘结力丧失而使混合料整体力学强度降低的过程。 本研究主要采用浸水马歇尔试验残留稳定度和冻融劈裂试验劈裂强度比来 评价硅粉改性沥青混合料的抗水损害能力。 浸水马歇尔试验 按我国沥青混合料浸水马歇尔试验规程的规定，一组马歇尔试件在6 0 水 槽中恒温3 0 m i n 4 0 m i n 后测定其马歇尔稳定度施另一组试件在6 0 。c 水浴中 恒温4 8 h 后测定马歇尔稳定度施，用二者的比值残留稳定度来评价混合料的水 稳性。 冻融劈裂试验 冻融劈裂试验按改进的方法制备马歇尔试件，正反双面击实5 0 次，对试件 的高度和偏差进行严格控制，高度为6 3 + - - 1 3 m m ，试件高度偏差不得大于2 m m 。 对符合条件的试件分成两组，每组不少于4 个试件。将第一组试件放在室内保 存备用，第二组试件经过浸水，抽真空，冰冻等方法处理。将第一组和第二组 试件一并置于2 5 0 5 c 的水中恒温保存2 h ，用劈裂试验仪或在马歇尔测试仪 进行试验。分别测出第一组和第二组试件的劈裂强度，得出劈裂强度比t s r 。 2 3 原材料技术性质 ( 1 ) 硅粉改性剂的技术指标 硅粉，在美国叫硅粉( s i l i c af u m e ) ，又称硅尘( s i l i c ad u s t ) 、凝聚硅灰 ( c o n d e n s e ds i l i c af u m e ) ，在日本则叫做活性硅。硅粉是用电弧炉生产硅金属 或硅铁合金的副产品。冶炼硅铁合金时，以石英岩碎石、生铁为原料，焦炭为 还原剂，在电炉中近2 0 0 0 。c 的高温下，石英成份还原成硅，随即与铁生成硅铁 合金。此时，约有1 0 , - - - 1 5 的硅( s i ) 化为蒸汽进入烟道，并随气流上升遇氧结 合成一氧化硅( s i o ) ，逸出炉外，与冷空气中的氧结合成s i 0 2 烟雾，受冷凝结为 细小的球状微珠，以粉尘形式从烟囱排入大气，或用适当收尘设施收集起来， 这种粉尘即为硅粉n 钉。 硅粉的化学成份主要是s i o ：，含有少量的a 1 。0 。、f e ：0 。、c a o 、b l g o 等。 其中s i o ：通常占8 0 以上，最高可达9 6 。一般s i o ：是评价硅粉质量中最重要 的一个参数，其含量越多说明质量越好。 按碳含量的不同，硅粉颜色可由白到黑，一般为灰色。球形硅粉颗粒极 细，最细颗粒小于o o l 娜，平均粒径0 1 o 3 姗，约为水泥粒径1 1 0 0 。硅 雄2 十试验a 、试验 m 羊u m # n 质 粉的真密度约为2 1 23g c m l ，松装密度为2 0 0 3 0 0 k g 一，约为水泥的1 3 ， 因此，硅粉在运输中占很大体积。 颗粒是硅粉的基本单兀，托径是硅粉的主要特性之一。木研究使用的硅 粉粒径在1 0 2 0 0 纳米之间。粒径细小，有利于硅粉均匀的与沥青寿h 混合，具 有很好的分散作用。 堆密度 堆密度又称松密度，指粉体质最除以该粉体所占容器的体积，求得的密度。 其所用的体积包括粒子本身的孔隙以及粒子之间空隙在内的总体秘。堆密度越 小，硅粉质量越好，一般为02 03 9 c m 3 。可见其密度较小，密度是反映填料 颗粒堆砌状态的种性质，密度小史利于其填充沥青材料。 比表面 填料的许多性质都与颗粒的比表面有关，比表面是另一个重要的特性。硅 粉具有较大的比表而积，因此硅粉具有的液体吸附能力和附着强度，能够大幅 度的降低沥青材料的流动性。 本研究采用的硅粉改性剂的主要技术指标见表2 1 ，硅粉外观见图24 。 表2 - 1 硅粉技术指标 t a b l e2 - 1s p e c i f i c a t i o mo f s i l i c a f u m e s 0 2 白度粒径分布比表面积堆积崭度 类型外观含晕p h 值 烧失量 m 倡g k m 硅粉灰白色鹭 图2 4 硅粉外观图片 f i g u r e 2 4 p h o t oo f s i l i c a f u m e a p p e a r a n c e ( 2 ) 基质澌青技术指标试验 本研究使用的结合料为滨州7 0 号道路石油沥青，按照公路沥青及沥青混 北京t 业大学t 学硕l j 学位论文 合料试验规程( j t g0 5 2 2 0 0 0 ) 的试验方法和公路沥青路面施工技术规范 ( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 对道路石油沥青的技术指标要求，对7 0 号沥青进行了各项指 标测试，结果见表2 - 2 。 表2 - 27 0 号沥青性能试验结果 t a b l e2 - 2r e s u l t so fp e r f o r m a n c et e s t so f7 0 # a s p h a l t 技术要求 项目单位试验结果试验方法 1 3 针入度 0 1 m m6 0 - 8 07 1 4t 0 6 0 4 ( 2 5 c ，1 0 0 9