改性瀝青老化及再生技術(shù)黃曉明課件

1、瀝青路面再生技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)- SBS改性瀝青的老化及再生技術(shù)Xiaoming Huang 黃曉明School of TransportationSoutheast University, Nanjing, C 主要內(nèi)容1. 背景2. 普通瀝青的老化特性3. SBS改性瀝青的老化特性4. 再生劑的研發(fā)5. 結(jié)論 1. 背景截止2009年底，我國公路里程： 全長約 38,608,000 km高速公路65,100km一級(jí)公路59,500km1. 背景穩(wěn)定基層穩(wěn)定底基層面層 路基 Structure 路面類型1. 背景瀝青穩(wěn)定基層 穩(wěn)定底基層面層路基級(jí)配碎石Structure 穩(wěn)定底基層面層路基Str

2、ucture 瀝青穩(wěn)定基層 瀝青穩(wěn)定基層 底基層面層路基Structure 級(jí)配碎石瀝青層厚度=16-20cm瀝青層厚度=20-22cm瀝青層厚度=28-30cm瀝青層厚度=28-30cm1. 背景上面層中面層下面層瀝青穩(wěn)定基層 SMA、OGFC 密級(jí)配瀝青混合料 Superpave35mm-45mm 最大公稱粒徑為13.2mm密級(jí)配瀝青混合料或 Superpave60mm-80mm 最大公稱粒徑為19mm 或 26.5mm密級(jí)配瀝青混合料或 Superpave70mm-80mm最大公稱粒徑為19mm 或 26.5mm瀝青穩(wěn)定基層 或 瀝青穩(wěn)定排水基層100mm-120mm最大公稱粒徑為26.

3、5mm 或 31.5mm路面結(jié)構(gòu)常用瀝青混合料類型包括SMA，OGFC，密級(jí)配瀝青混合料，瀝青穩(wěn)定基層和瀝青穩(wěn)定排水基層。1. 背景上面層中面層下面層瀝青穩(wěn)定基層 大部分使用改性瀝青部分使用改性瀝青基質(zhì)瀝青基質(zhì)瀝青SBS改性瀝青在上面層的使用率約為80%，而中面層的使用率也占了30%左右，由此可見，SBS改性瀝青路面得到了普遍應(yīng)用。1. 背景部分改性瀝青路面出現(xiàn)破壞，瀝青路面再生是大勢(shì)所趨。網(wǎng)裂車轍1. 背景我國公路的特點(diǎn)：我國路面結(jié)構(gòu)大部分屬于半剛性基層；道路超載、重載嚴(yán)重，路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞。半剛性基層和瀝青面層均有重復(fù)利用的價(jià)值；當(dāng)瀝青路面使用能能降低到一定程度時(shí)必須進(jìn)行舊路改造，再

4、生利用是其中的一種有效途徑。1. 背景瀝青路面設(shè)計(jì)與使用使用年限2006年規(guī)范我國瀝青路面的破壞特征與設(shè)計(jì)實(shí)踐表明：瀝青路面的結(jié)構(gòu)性養(yǎng)護(hù)改造必須引起大家的重視，而結(jié)構(gòu)性養(yǎng)護(hù)改造過程中材料再生利用和合理的結(jié)構(gòu)組合十分重要。1. 背景瀝青路面再生技術(shù)適用于處理半剛性基層瀝青路面的早期破壞。常見瀝青路面再生技術(shù):就地?zé)嵩偕夹g(shù)廠拌熱再生技術(shù) 就地冷再生技術(shù)廠拌冷再生技術(shù)瀝青路面再生是其老化的“逆過程”，瀝青的老化特性是其再生技術(shù)的基礎(chǔ)，因此有必要對(duì)瀝青老化特性進(jìn)行深入探討。1. 背景再生利用的必然性和必要性：按照瀝青的設(shè)計(jì)壽命（1015年），我國在上世紀(jì)90年代陸續(xù)建成的公路已進(jìn)入大修、中修期；從現(xiàn)

5、在起，每年有12%的瀝青路面需要翻修，舊瀝青廢棄量將達(dá)到每年220萬噸之巨；如能加以利用，每年可節(jié)省材料費(fèi)3.5億元人民幣，而這個(gè)數(shù)字將以每年15%的速度增長。 10年以后，瀝青路面的大修、中修產(chǎn)生的舊瀝青混合料將達(dá)到1000萬噸，屆時(shí)通過再生利用每年可節(jié)約材料費(fèi)15億元。 薄層再生處理厚層再生處理表面病害結(jié)構(gòu)整體病害1. 背景1. 背景兩種熱再生設(shè)備1. 背景瀝青路面再生利用規(guī)范進(jìn)展1966年，前蘇聯(lián)出版瀝青混凝土廢料再生利用技術(shù)；1981年，美國出版路面廢料再生指南1981年，德國出版熱拌再生瀝青混凝土施工規(guī)范1983年，英國出版熱拌瀝青混凝土基本規(guī)范1984年，日本出版路面廢料再生利用技

6、術(shù)指南1997年，澳大利亞出版瀝青混凝土路面再生指南1. 背景2007年，中國制定瀝青路面再生應(yīng)用技術(shù)規(guī)范；2007年12月，東南大學(xué)負(fù)責(zé)編寫了就地?zé)嵩偕夹g(shù)指南。2. 普通瀝青的老化特性老化因素：溫度、氧氣、紫外線、水分、空氣流速老化時(shí)間：TFOT短期老化、PAV長期老化（520h）、紫外線加速老化（7202880h）老化指標(biāo)：常規(guī)指標(biāo)、SHRP指標(biāo)、組分分析2. 普通瀝青的老化特性普通瀝青老化的常規(guī)表現(xiàn)為變硬、變脆2. 普通瀝青的老化特性水和空氣流速具有明顯的加速老化作用2. 普通瀝青的老化特性紫外線是引起瀝青老化的重要原因2. 普通瀝青的老化特性紫外線是引起瀝青老化的重要原因2. 普通瀝

7、青的老化特性造成瀝青老化的根本原因是其組分的變化瀝青的老化過程即是輕質(zhì)組分的減少和瀝青質(zhì)的增加過程。3. SBS改性瀝青老化特性SBS改性瀝青和普通瀝青的宏觀試驗(yàn)比較SBS改性瀝青的老化規(guī)律與基質(zhì)瀝青基本相同，即主要表現(xiàn)為瀝青膠結(jié)料的粘度增加和變形能力的下降。 現(xiàn)有的瀝青膠結(jié)料常規(guī)指標(biāo)側(cè)重于評(píng)價(jià)瀝青材料的宏觀路用性能，因此難以細(xì)致區(qū)分改性瀝青中的瀝青相和SBS兩種材料的各自老化特性。 引入微觀方法分析SBS改性瀝青的老化特性3. SBS改性瀝青老化特性主要采用的微觀分析方法介紹傅里葉紅外光譜分析：鑒定瀝青的原子化合物及聚合物中特征官能團(tuán) ，判別老化前后瀝青中特征官能團(tuán)的變化情況；測(cè)定聚合物改性

8、瀝青中聚合物含量。凝膠滲透色譜分析：得到改性瀝青分子量的連續(xù)分布，從老化前后分子量變化情況，進(jìn)行SBS改性瀝青老化的定量評(píng)價(jià)。3. SBS改性瀝青老化特性傅里葉紅外光譜儀3. SBS改性瀝青老化特性凝膠滲透色譜儀3. SBS改性瀝青老化特性SBS改性劑的介紹SBS改性劑全稱聚苯乙烯（S）-丁二烯（B）嵌段共聚物，化學(xué)式為：苯乙烯丁二烯苯乙烯丁二烯中C=C鍵不穩(wěn)定，在老化過程中，易發(fā)生斷裂。SBS改性劑中S段主要改善瀝青基體的高溫穩(wěn)定，B段主要改善瀝青的低溫抗裂性能。SBS改性瀝青的老化不僅包括瀝青基體的老化，還包括SBS改性劑的老化。改性瀝青不僅包括了基質(zhì)瀝青的所有特征峰，而且還在指紋區(qū)966

9、cm-1、723cm-1處存在特征峰。 2920cm-1處譜峰對(duì)應(yīng)C-H鍵的伸縮振動(dòng)，C-H鍵的變形振動(dòng)發(fā)生在1460cm-1處，1600cm-1處譜峰對(duì)應(yīng)苯環(huán)上C=C鍵和C-H鍵的骨架振動(dòng)，非苯環(huán)的C=C鍵所對(duì)應(yīng)的譜峰出現(xiàn)在966cm-1處。 推斷966cm-1處譜峰為丁二烯中C=C鍵所對(duì)應(yīng)的特征峰，700cm-1處為苯乙烯所對(duì)應(yīng)的特征峰。 SBS改性瀝青的紅外光譜分析29201600146013809667234000350030002500200015001000500020406080100TransmitanceWavenumber改性瀝青基質(zhì)瀝青400035003000250020

10、001500100050002040608010012029201450966700TransmitanceWavenumber原樣SBS 3. SBS改性瀝青老化特性瀝青在老化過程中主要發(fā)生了吸氧反應(yīng)，1650-1700cm-1處產(chǎn)生的C=O鍵為瀝青組分中不飽和碳鏈吸氧所致，1030cm-1處對(duì)應(yīng)的亞砜基為瀝青中的硫元素吸氧產(chǎn)生。根據(jù)Lambert Beer定律可知，官能團(tuán)的吸收峰大小可以表征該基團(tuán)的含量，因此也能借此對(duì)SBS改性瀝青的老化程度進(jìn)行定量分析。 SBS改性瀝青老化的紅外光譜分析16501700103096672340003000200010000020406080100Tran

11、smitanceWavenumber 原樣 短期老化 長期老化3. SBS改性瀝青老化特性將上述各瀝青樣的透射譜轉(zhuǎn)化為吸收譜，并通過積分計(jì)算羰基、亞砜基、丁二烯中C=C鍵以及飽和C-H鍵的吸收峰面積，同時(shí)引入羰基指數(shù)(CI)、亞砜指數(shù)(SI)、B鏈指數(shù)(BI):BI指數(shù)減少，說明SBS中丁二烯的C=C鍵含量不斷減小，即丁二烯段含量逐漸減小，改性劑對(duì)瀝青低溫性能的改性效果顯著下降。老化類別CISIBI原樣0.0000.0110.281短期老化0.1490.0410.192長期老化0.6470.0460.064隨著老化程度的增加，CI、SI上升，而BI指數(shù)卻在減少。羰基的產(chǎn)生伴隨著整個(gè)老化過程，瀝

12、青中的不飽和碳原子在氧氣的作用下發(fā)生吸氧反應(yīng)，產(chǎn)生C=O鍵；而亞砜的產(chǎn)生則集中于短期老化階段，這說明硫原子比碳原子具有更強(qiáng)的奪氧能力 3. SBS改性瀝青老化特性SBS改性瀝青的凝膠滲透色譜分析改性瀝青的GPC圖譜明顯存在雙峰 。根據(jù)凝膠滲透色譜的原理，最先淋出的應(yīng)為SBS高分子物質(zhì)，后淋出的為瀝青中的小分子物質(zhì)。 可以從圖譜中區(qū)分出SBS相和瀝青相 SBS相瀝青相樣品名稱d原樣SBS改性瀝青833.31484217.81短期老化SBS改性瀝青943.41274613.51長期老化SBS改性瀝青980.41107311.29數(shù)均分子量往往反映小分子物質(zhì)的變化趨勢(shì)。重均分子量則反映大分子的變化情

13、況。 16182022242628303234-0.000020.000000.000020.000040.000060.000080.000100.000120.000140.00016分子濃度體積（ml） 原樣 短期老化 長期老化MwMnSBS改性瀝青老化的凝膠滲透色譜分析數(shù)均分子量在不斷增加即小分子物質(zhì)在不斷向大分子靠攏，而重均分子量在不斷減小，說明高分子物質(zhì)的分子量有變小的趨勢(shì)。 這也證明了SBS改性瀝青老化過程中部分輕質(zhì)油分等小分子不斷揮發(fā)，瀝青質(zhì)增加，SBS高分子則發(fā)生降解，生成小分子物質(zhì)。 分散度16182022242628303234-0.000020.000000.00002

14、0.000040.000060.000080.000100.000120.000140.00016R.I.U.V(ml) 原樣 短期老化長期老化3. SBS改性瀝青老化特性1.5911007369147SBS長期老化1.29153462118941SBS短期老化1.17186120159312SBS原樣dMwMn樣品名稱SBS改性瀝青老化過程中SBS改性劑的分子量減小趨勢(shì)明顯 ，即SBS高分子在老化過程中發(fā)生了明顯的降解，從分散度角度分析，SBS高分子在改性瀝青老化過程中分散度在變大，即SBS高分子不僅發(fā)生了降解，也有部分了交聯(lián)反應(yīng) 。取1622ml段為SBS相分子量分布，單獨(dú)計(jì)算161718

15、192021220.0000000.0000020.0000040.0000060.0000080.0000100.0000120.000014原樣 短期老化長期老化R.I.U.V(ml)3. SBS改性瀝青老化特性SBS本身的抗老化性能遠(yuǎn)低于瀝青本身SBS老化時(shí)間(h)質(zhì)量增加（%）10.7720.9531.3851.65101.83公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中對(duì)基質(zhì)瀝青在老化過程中允許的質(zhì)量變化的上限為0.8% 3. SBS改性瀝青老化特性 SBS的隔氧老化表明，隔氧老化1h的SBS分子中丁二烯中C=C鍵的含量約為原樣的97.3%，表明引起老化的主要因素是氧氣。SBS隔氧老化1hSBS改性劑

16、的隔氧老化SBS改性劑隔氧老化1hSBS隔氧老化1h的紅外光譜3. SBS改性瀝青老化特性紅外光譜微觀分析紅外光譜分析（面積）AC=CAC=O原樣自制SBS(8%)0.1760.5611基質(zhì)瀝青5h+原樣SBS(8%)0.1790.5591原樣自制SBS(8%)老化5h0.1670.6411基質(zhì)瀝青老化5h+SBS老化5h(8%)0.0740.7524SBS改性劑與瀝青基體相互作用特性瀝青基體對(duì)SBS的保護(hù)作用試 樣 編 號(hào)總 面 積 (NCM)延 度 (cm)最大拉力 (N)70#A基質(zhì)瀝青原樣868317.21原樣自制SBS(8%)441310038.12基質(zhì)瀝青老化5h+原樣SBS(8%

17、)452272.275.22原樣自制SBS(8%)老化5h244975.848.23基質(zhì)瀝青老化5h+SBS老化5h(8%)2778.252.09測(cè)力延度試驗(yàn)分析表征斷裂能4. 再生劑的研發(fā)再生劑研發(fā)的初始思想 將老化瀝青和原瀝青的組分進(jìn)行比較后，向老化瀝青中加入所缺少的那部分組分，使組分重新協(xié)調(diào) ，從而恢復(fù)其原有性能。 然而，瀝青化學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得企圖以化學(xué)組分為指標(biāo)來控制老化瀝青再生是不現(xiàn)實(shí)的。提出以瀝青路用性能恢復(fù)為控制指標(biāo)的再生劑研發(fā)4. 再生劑的研發(fā)再生劑應(yīng)滿足的要求再生劑應(yīng)具有的組成滿足再生劑的技術(shù)要求恢復(fù)老化瀝青性能提高再生路面性能滿足施工要求改性組分抗剝落組分滲透組分再生組分

18、目的原則研發(fā)思路4. 再生劑的研發(fā)再生劑的研發(fā)再生組分的優(yōu)選滲透組分的優(yōu)選改性組分的優(yōu)選抗剝落組分的優(yōu)選選取多種不同再生組分，通過對(duì)不同老化程度的改性瀝青再生效果進(jìn)行優(yōu)選。控制滲透組分閃點(diǎn)，選擇滲透性強(qiáng)的滲透組分。提高再生路面的抗低溫開裂和抗高溫車轍的性能。提高再生路面的抗水損害性能，抗剝落劑種類為AS-P，摻量約占老化瀝青的0.4%。4. 再生劑的研發(fā)攪拌并冷卻40-60 再生組分改性組分抗剝落組分組分滲透組分預(yù)熱80-120 150-180 高速剪切30-60min剪切均勻后，逐漸冷卻至80-100 攪拌并冷卻至室溫產(chǎn)品工藝流程4. 再生劑的研發(fā)檢驗(yàn)項(xiàng)目12#3#60粘度(cSt)512.

19、142039.361598.10閃點(diǎn)()227242244薄膜烘箱試驗(yàn)前后粘度比1.161.051.20薄膜烘箱試驗(yàn)前后質(zhì)量變化(%)-0.22-0.13-0.15密度0.970.990.99改性再生劑的基本性能4. 再生劑的研發(fā)試樣編號(hào)總面積（Ncm)延度(cm)第三階段對(duì)應(yīng)延度(cm)第三階段延度所占比例(%)SBS改性瀝青老化15h+8%專用1#再生劑781.1111.94.437.0SBS改性瀝青老化15h+8%專用2#再生劑946.0113.97.856.1SBS改性瀝青老化15h+8%專用3#再生劑1104.6815.410.165.6SBS改性瀝青老化15h+8%普通再生劑C56

20、0.4510.62.624.5SBS改性瀝青老化15h+8%普通再生劑B554.008.3004. 再生劑的研發(fā)瀝青種類S (Mpa)mSBS改性瀝青老化15h115.70.201C#再生劑再生瀝青71.40.317 1#再生劑再生瀝青50.30.3623#再生劑再生瀝青39.30.401再生瀝青低溫劈裂性能4. 再生劑的研發(fā)再生瀝青再度老化后的5延度再生瀝青再度老化總 面 積 (NCM)延 度 (cm)第三階段對(duì)應(yīng)延度（cm）最大拉力 (N)C403.396.10.0100.771#673.488.93.0128.123#833.2410.45.1154.37DSR(52）G*（kpa）G*/sin()SBS改性瀝青原樣63.829.87333.294 老化SBS改性瀝青5971.62783.562 老化SBS瀝青+C號(hào)再生劑擴(kuò)散1小時(shí)60.130.6163