摘 要

改性剂本身的物理和化学特性对沥青自身性质会产生影响，而改性剂本身对沥青抗老化性能进行改变的同时，由于其本身物理特征，如形貌特征也会对沥青的流变性能产生一定的影响。通过对具有不同物理和化学特性的改性剂进行分析，以及试用期其改性后的沥青进行流变性能分析，研究改性剂对沥青性能的改变，对选择合适的改性剂，改性后的沥青性能变化趋势有重要指导意义。论文主要研究了SBS改性沥青加入抗紫外添加剂和有机蒙脱土后SBS改性沥青流变性能和老化性能的变化趋势，选取最佳改性配比，以及使用该配比改性沥青后制作混合料，测定其物理性能，比较改性前、改性后沥青混合料的性能变化。

研究结果表明：抗紫外添加剂和有机蒙脱土对沥青的流变性能和抗老化性能有明显提高。制成混合料后，对混合料的基本物理性能有一定的良好提升。

关键词：SBS改性沥青；沥青混合料；沥青流变性能；沥青抗老化

Abstract

The physical and chemical properties of the modifier itself have an effect on the properties of the asphalt itself, while the modifier itself changes the anti-aging properties of the asphalt, and the rheological properties of the asphalt due to its physical characteristics, such as the morphology. Have a certain impact. Through the analysis of modifiers with different physical and chemical properties, and the rheological properties of the modified asphalt during the trial period, the change of the performance of the modifier on the asphalt is studied, and the suitable modifier is selected and modified. The post-asphalt performance trend has important guiding significance. The paper mainly studied the effect of SBS modified asphalt added anti-UV additive and organic montmorillonite on the rheological properties and aging properties of SBS modified asphalt, selected the best modified ratio, and used the modified asphalt to make the mixture. Materials, physical properties were measured, and the performance changes of the asphalt mixture before and after modification were compared.

The results showed that the anti-ultraviolet additive and organic montmorillonite had significantly improved the rheological properties and anti-aging properties of asphalt. After the mixture was made, the physical properties of the mixture were improved.

Key Words：SBS modified asphalt; asphalt mixture; asphalt rheological properties; asphalt anti-aging

目录

第1章 绪论 5

1.1 研究背景 5

1.2 国内研究现状 5

1.3 国外研究现状 6

1.4 研究目的和意义 6

第2章 实验方案及实验器材 8

2.1 实验原料 8

2.1.1 SBS改性沥青 8

2.1.2 有机蒙脱土（OMMT） 8

2.1.3 抗紫外添加剂 8

2.2 实验方案 8

2.2.1 复配方案设计 8

2.2.2 工艺技术路线 9

2.3 实验仪器 9

2.3.1 沥青样品的制备 9

2.3.2 沥青样品测试 11

2.3.2.1 动态剪切流变仪（DSR） 11

2.3.2.2 傅里叶红外光谱仪 12

2.3.2.3 粘度测试 12

2.3.2.4 软化点测试 12

第3章 沥青流变性能与老化实验 13

3.1 DSR频率扫描 13

3.1.1 老化指数与流变性能老化指数曲线 13

3.1.2 针入度分析 14

3.2 红外光谱测试 16

3.3 其他物理性能实验 17

3.3.1 软化点测试 17

3.3.2 粘度测试 18

第4章 混合料基本性能测试 19

4.1 集料的相对密度 19

4.1.1 粗集料的相对密度 19

4.1.2 细集料的相对密度 19

4.2 混合料配比的选择与设计 20

4.3 混合料性能测试 21

4.3.1 混合料的拌制及制作马歇尔试件 21

4.3.2 混合料的相对密度 22

4.3.3 马歇尔试件孔隙率、饱和度 22

4.4 马歇尔稳定度实验 23

4.5 冻融劈裂实验 25

4.6 车辙试验 26

4.7 弯曲试验 28

第5章 结论 31

5.1 沥青流变性能 31

5.2 混合料基本物理性能 31

5.3 展望 31

参考文献 32

致谢 34

附录1 35

附录2 36

第1章 绪论

1.1 研究背景

沥青是一种黑色的复杂混合物，由不同分子量的碳氢有机化合物及其衍生物组成。常温下为固体、半固体，温度升高则呈粘稠状乃至流体状。通常用于铺筑路面、防水防潮以及防腐等工程领域。多数情况下，沥青作为道路建筑材料，被大量使用于公路路面建设^[1]。

相较于其他路面，如水泥路面，沥青路面要比水泥路面耐久，可以提高行车时的平稳性和舒适性；能够提高车速，降低油耗，节省运输成本；延长车辆轮胎寿命，节省养护路面的人力和资源^[2]。

众所周知，自1988年我国第一条高速公路——沪嘉高速建成以来，我国的高速公路建设进入迅猛发展阶段^[3]。根据交通部最新发布的《2018年交通运输行业发展统计公报》^[4]显示，截止2018年底，我国已建成公路484.65万公里，较2017年，增加了7.31万公里，公路总里程已牢牢占据世界首位。其中，高速公路达到14.26万公里，比去年增加了0.61万公里。

沥青路面在我国得到了充分的利用，然而我国地域面积广，海拔落差大，导致各地气候条件不同，因此普通道路沥青已经无法满足沥青道路建设需要^[5]。除此之外，由于沥青的老化而产生的裂缝、沉陷、坑洞等在已经建成的沥青路面中出现了较多的病害，严重影响了交通运输的畅通和道路行驶安全。尤其在一些高原地区，光照强度高，昼夜温差巨大，对沥青破坏更加剧烈。而且由于当地条件限制，制作沥青路面的基础材料不足或者运输成本较大，公路建设造成一定的困难^[6]。而在沥青中加入不同改性剂可以提升沥青的流变性能和抗老化性能，可以满足不同条件下道路建设对不同沥青的需求。因此，研究发展更多性能优良的沥青，如基质改性沥青中掺入SBS改性剂生产SBS沥青，对我国的公路建设具有重要意义^[7]。

此外，沥青的老化也会对沥青混合料的物理性能产生较大的影响^[8]。紫外老化后的沥青混合料动稳定度会有所增加，车辙位移深度减小。复配改性后的沥青混合料会不会也有同样的变化，如果不是，那么改性后的变化是怎样的？本文将根据这些问题，通过对沥青进行改性复配方案设计，针对其改性后沥青的基本性能，以及使用该沥青后混合料的基本性能进行研究，确定沥青最佳复配方案，混合料的最佳配合比。

1.2 国内研究现状

不同的改性剂具有不同的性质特点，如基质沥青中加入SBS改性剂^[9]，可以得到很好的耐高温、抗低温能力的SBS沥青，然而SBS沥青在高寒地区的抗低温能力还略显不足，且制备工艺复杂，经济成本较高^[10]。SBR则制备简单，经济成本低，但是其抗高温能力不足，在高温下不够稳定，易老化分解。故而，添加多种改性剂，综合其优点，是一重要方向^[11]。

乔建刚、李志刚等人的研究表明^[12]，在SBS沥青中加入加EC130温拌剂会使得SBS的施工温度降低，但会对沥青的流变性能产生不利影响；加入FRMAXTM阻燃剂则能提高SBS改性沥青的高温抗变形能力。两者同时加入时可使得沥青施工温度降低，实现节约能源保护环境的作用。

李淑琴、李亚飞等人采用用自制的 “紫外光与热老化模拟老化环境箱”^[13]，来进行室内加速老化实验，模拟紫外光对高原等高海拨地区沥青路面的老化作用。实验表明随着胶粉、 RET掺量增大，复合改性沥青老化后的低温性能提高，和纯SBS改性沥青相比，胶粉和RET与SBS改性沥青复合后的改性沥青具有较好的抗紫外和抗老化性能。

目前来看，沥青的改性材料主要分为三大类^[13]：：矿物质填料、添加剂以及高分子聚合物。矿物质填料主要有硅藻土、石灰、水泥、蒙脱土、膨润土等。添加剂主要有抗剥落剂和抗氧化剂等。高分子聚合物主要分为：橡胶改性材料，例如天然橡胶；热塑性弹性体，如SBS；树脂类改性沥青材料，如PVC。

1.3 国外研究现状

国外的研究表明^[14]，SBS三嵌段共聚物是最广泛使用的沥青改性聚合物。由于其不对称的组成，该聚合物具有分散在连续聚丁二烯（PB）基质中的圆柱形聚苯乙烯（PS）域的双相形态。在铺路沥青的通常使用温度下，PS块是玻璃状的（ T g，  PS≈90°C）并且有助于SBS的强度，而PB块是橡胶状的（T g，  PB≈-90°C）并且提供弹性。因此，SBS形成三维的网络结构，其中刚性PS块充当物理交联。当与沥青混合时，沥青和SBS之间发生一些相互作用。连续富含SBS的相的形成会引起SBS改性沥青的流变性质的大的变化。

有的学者试图用聚合物理论来解释与沥青相同的有关数据^[15]，但是由于沥青由几十万个分子组成，每个分子都可以在不同温度下做出单独转变，故而并没有沥青在分子水平上的理论解释。故而他们研究了C-H振动，采用FTIR光谱法以区分振动与结晶和无定形部分。FTIR光谱学可以捕获沥青中的特定峰，并将其作为温度的函数进行监测，这在其他测试技术中是无法做到的。但是，对于沥青，人们也不能明确地说明由C-H振动表现出的构象变化是否仅仅是由于结晶部分中存在的C-H或结晶部分和无定形部分中存在的C-H。

1.4 研究目的和意义

随着国家道路建设的发展，普通沥青已经不能满足道路建设的需要^[16]。此外，由于沥青的老化而产生的裂缝、沉陷、坑洞等在已经建成的沥青路面中出现了较多的病害，严重影响了交通运输的畅通和道路行驶安全。同时，道路建设和维护都需要大量的经济成本，路面过早病变，使得维护成本提高，造成资源浪费。

前面已经提到过，我国幅员辽阔，西部地区海报较高，昼夜温差较大，所受阳光照射时间长，强度大。这些因素对沥青路面都有着较大的损害，更容易造成沥青路面的低温开裂、高温车辙变形、水稳定性不良等破坏，对道路畅通和行车安全造成极大的安全隐患。研究改性沥青以及沥青混合料，提高沥青在极端环境下的抗老化性能，可以有效延缓沥青路面的老化，降低路面开裂、变形等病变概率，从而提高行车安全系数，保证道路畅通。也可以减少后期道路维修成本，节约资源，符合可持续发展战略要求。

第2章 实验方案及实验器材

2.1 实验原料

2.1.1 SBS改性沥青

SBS改性沥青来自实验室，由基质沥青加入一定比例的SBS改性剂，通过剪切、搅拌等方法使SBS改性剂均匀地分散在沥青中，同时，加入一定量的稳定剂，与SBS一起形成共混材料。是一种具有良好的耐高温抗低温、抗车辙、抗疲劳的改性沥青。

2.1.2 有机蒙脱土（OMMT）

有机蒙脱土OMMT 作为一种层状的硅酸盐物质，具有独特的一维纳米结构特性，形态特性。由于其具有超大的比表面积和长径比，可以使单体或者聚合物进入层间，使得聚合物与硅酸盐层结合得更加紧密，对材料的性能有明显的影响。

2.1.3 抗紫外添加剂

抗紫外添加剂是Tinuvin 770光稳定剂双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯，具有良好的光稳定作用和催化作用。

2.2 实验方案

2.2.1 复配方案设计

抗紫外添加剂和OMMT对SBS改性沥青的性能都有不同的改变，分别单独添加抗紫外添加剂和OMMT作为实验基础。实验方案基础设计如表2.1所示。根据此方案来进行复配方案设计，考虑到经济成本和性能需求，具体的复配方案如下表2.2所示。

表2.1 基础方案

为了方便描述，本文以A代表抗紫外添加剂，B表示有机蒙脱土OMMT，

加入0.6%抗紫外添加剂则表示为A，加入0.3%抗紫外添加剂表示为0.5A。B和0.5B表示的含义与之类似。

表2.2*单一改性及复配改性方案

2.2.2 工艺技术路线

将SBS改性沥青通过实验室高剪切乳化机剪切后，取一定质量剪切后沥青置入薄膜烘箱中，进行短期老化实验；之后再将老化后的沥青样品放入紫外老化烘箱中，进行紫外老化，在5天和10天时取少量样品进行测试分析。

2.3 实验仪器

2.3.1 沥青样品的制备

（1）剪切：将SBS沥青先置入135±5℃的烘箱中加热3h使沥青软化，后取300±50g的沥青样品倒入剪切桶中，加热至160±5℃，后放下剪切头，使其没入沥青，开始预剪切30min，剪切速率控制在4kr/min-5kr/min。预剪切完成后，加入改性剂，由于不同改性剂所需要的剪切工艺不同，具体的剪切速率和时间如表2.3所示。剪切实物图如图2.1所示：

图2.1 剪切工艺实物图

表2.3 .1剪切工艺

（2）短期老化（TFOT）：薄膜烘箱具有双层壁，主要用于保温，电热系统附有温度调节器，烘箱门上有一双层耐热玻璃窗，可以借此观察烘箱内部试验情况。加热元件位于烘箱顶板的下方，呈水平状态。样品台可以转动，使得样品受热老化更加均匀。具体实物图如图2.2所示

。

图2.2 薄膜烘箱实物图

主要老化工艺过程为：取剪切完成后的沥青样品50±0.5g，置于标准老化盘中，测定其质量总重。根据《JTGE20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0608-2011规定，提前预热薄膜烘箱，使温度达到163±0.5°C，迅速放入老化盘，关门，使得样品台以15r/min±0.2r/min速度转动。同时进行保温，等温度达到163.5±0.5℃时开始计时，5h后迅速取出样品，测定总重，待样品冷却后，以保鲜膜封存。

（3）紫外老化实验：紫外老化工艺采用紫外老化烘箱进行，其实物图如图2.3所示，箱体内部主要由一个放置样品盘的转盘和四只紫外光灯组成；紫外光灯提供稳定强度的紫外辐照，而转盘在试验过程中匀速转动从而保证每个样品的辐照量均匀。采用紫外辐照测量仪测量了其试验时的辐照强度为26W/m²，测量仪的测试波长为365nm。

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