【论文】-刍议SBS改性沥青的延度性质-（word）可编辑

【 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 】-刍议SBS改性沥青的延度性质-（word）可编辑 刍议SBS改性沥青的延度性质 原健安 李玉珍 (长安大学) (深圳路安特沥青高新技术有限公司) 摘 要:本文中通过比较改性沥青与基质沥青延度的差异以及不同SBS改性沥青延度的 差异～说明了SBS改性沥青延度的意义。讨论了SBS改性沥青延度机理～并对影响SBS改性 沥青延度的几个因素进行了分析。 关键词:SBS改性沥青～延度～改性沥青机理 A Rustics opinion on Ductility of SBS modified Asphalts Yuan jianan Li Yuzhen (Chang’an University) (Shen Zhen tsing hua novophalt new materials (R&D) center) Abstract: In this paper, significance of ductility of SBS modified asphalts is explained through contrast difference in ductility of modified asphalts and asphalt. There is some discussion about SBS modified asphalts mechanism, and several factor that effect on ductility of SBS modified asphalts is analyzed in this paper. Key words: SBS modified asphalts ductility modified mechanism 用SBS对沥青进行改性，是目前已得到大量 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 应用的改性沥青方法。世界各国对不 同SBS改性沥青适用性及相应指标均有所要求，在我国按照交通部JTJ036-98中的规定:SBS 改性沥青分为四个等级，其5?延度最小值要求分别为:50 40 30 20(cm)。这种规定的 含义并没有在 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 中给出。而在实际应用中，一些延度差异较大的SBS改性沥青往往路用性 能相差并不大，而有一些延度相差不大的SBS改性沥青路用性能则往往有所差异。笔者在本 文中对SBS改性沥青及基质沥青延度性质的差异进行了比较，分析了SBS改性沥青延度机 理，并对延度的意义进行了讨论。 1(基质沥青与SBS改性沥青延度性质的差异 在延度测定中，基质沥青与SBS改性沥青表现出不同的延度特点，基质沥青的延度表 现为:在温度为25?的条件下(或15?)往往延度较大，通常大于100cm(5cm/min)，个别 甚至大于150,200cm。而在较低的温度下(5?)，往往延度较小。通常不大于10cm(5cm/min) 在环境温度仅有10,20?的温差变化时，延度指标变化如此之大，这也反映出基质沥青在温 度发生变化时，其微观状态变化也是很显著的，随着温度下降，胶团的形变能力，分子间相 互错位、滑动能力，都将明显下降。采用SBS对沥青进行改性后，改性沥青延度往往表现为 25?延度小于基质沥青，而5?延度则大于基质沥青，同时改性沥青延度对温度的敏感性明 显降低(其他指标的感温性也降低)，可见当SBS加入沥青并得到充分均匀分散后，沥青微观 状态得到明显变化，原有的微观结构在这一过程中得到了调整或改变。微观上的变化导致了 宏观性质相应改变，微观结构的变化，必然体现在宏观性质上与原有性质有所不同。 2(SBS改性沥青延度改变的机理分析 当SBS通过机械方法分散于沥青后，与SBS亲合性比较强的轻质油分，在高温、搅拌等 附助作用下，逐渐向SBS相中扩散，而SBS相则产生溶胀现象，体积逐渐增大。这一过程进 1 行的程度不仅取决于沥青自身性质，SBS自身性质，而且取决于二者的相互作用性质及外界条件。当SBS与沥青中油分的相互作用力比较强时，油分将能够比较多的进入SBS相，但又受到沥青中胶体平衡、结构等制约。因此在沥青中SBS不能够形成完全分散的分子分散状态，所以仍为多相分散体系，所不同的是分散相中含有一部分分散介质。这种体系比沥青中原有结构更为复杂，由于SBS在沥青中受到制约只能溶胀而不能完全溶解，因此这种相互作用的结果不仅改变了沥青相的微观结构，而且也改变了SBS相的微观结构。这是与通常的多相体系不同之处。由于结构发生了较大的改变，分散相、分散介质性质也有改变，因此宏观性质必然随之改变，延度性质也不例外。改性沥青与基质沥青延度性质差异较大，笔者认为主要有以下原因: (1)SBS改性沥青与基质沥青产生形变时在微观上存在差异:基质沥青在进行延度试验时，试件在外力作用下伸长，主要是通过胶团之间和分子之间的相对移动(滑动)产生形变并消散应力，这种变形实质上是蠕变，不可恢复的形变为主要的形变型式，形变的能力取决于分子之间相互作用力的大小，以及分子的大小，距离等因素。在较低的温度下，分子间距离减小，相互作用力增大，甚至一些小分子组成还会产生聚集态的变化或产生缔合，致使分子之间产生滑动等相对位移的能力减小，产生形变需要较大的外力，且形变量小，因此低温下表现为延度较小。而当升高温度后分子运动速度加快，分子间距离增大，相互作用力迅速减小，分子之间的移动滑动变得相对容易，在较小的外力下即可产生位移，形变能力增大，因此宏观上表现为25?延度较大。当沥青采用SBS进行改性后，随着SBS的溶胀，分子间相互扩散，以及沥青中的分子迁移等一系列作用的进行，沥青相中油分减小(增塑剂减少)，极性组分量相对增加，分子间力增大，形变能力下降。随着这一过程的进行，SBS相中原本属于沥青相中的油分增多，增塑的因素增加，形变能力增强。这样一来，在延度试验过程中的形变就包括两种微结构的变化。一类为沥青相的形变，主要来自于胶团之间以及沥青分子之间产生位移引起的形变，另一类为被溶胀的SBS分散相产生的形变。由于这种分散相粒径相对较大，属于粗分散体系，因此分散相的形变不能忽略。在SBS分散相微粒中，由于SBS为大分子、分子之间存在着相互缠绕，并且还有一些其他物理交联点，分子间力大，尽管有沥青中的轻质油分起到增塑作用也难以改变大分子的特点，在每一个SBS微团粒中，虽然大分子之间发生相对运动比较困难，但是大分子上个别柔性链段产生取向、伸长、弯曲等运动仍是可以进行的，当外力作用时产生移动，外力消除后形变将全部或部分恢复，因此SBS相内的形变不同于SBS相间及沥青相的形变，相内的形变比较多是可恢复的。而相间的形变则比较多的是不可恢复的滑动，因此改性沥青在外力作用下产生形变在微观上除了沥青相在外力作用下分子间有相对运动导致的形变外，还有SBS分散相内分子的相对运动及微粒之间发生的相对运动。因此改性沥青进行延度拉伸试验时，当沥青相的变形能力强时，则形变主要由沥青相分子运动以及SBS相间的相对运动来承担，而当沥青相的变形运动较差时，形变主要来自于SBS相内的变形。虽然改性沥青整体综合变形是由SBS相内相间沥青相三者共同产生，但不同改性沥青(基质沥青不同或SBS剂量不同)，三者之间的贡献是不相同的。 (2)改性沥青试件在不同温度下拉伸产生形变的微观运动现象不同。在温度相对较低时(如5?)沥青相中由于温度较低，分子间的相互作用力大大增强，况且由于油分的减少，分子间的相对移动变得很困难，而此时的SBS相则比较牢固镶嵌在沥青相中。虽然大分子之间的运动也困难，但分子链段、链节仍可自由运动，SBS分散相与沥青相相比，在该温度仍具有相当的变形能力，况且还有油分的增塑作用。所以此时被分散的SBS是形变的承载主体。当外力作用时SBS相变形，并在外力作用下取向伸长。当外力持续作用时，众多被分散的SBS微粒协同作用，可使试件达到相当的伸长率。尽管此时沥青相可能已经部分断裂，但试件仍能继续伸长，当形变量超过SBS微粒最大形变量或SBS相中聚集的应力超过了沥青相产生变形所需应力时，将导致沥青相中分子产生移动以及SBS相间产生较大的相对位移，这种位移削弱了SBS微粒相间的相互作用，而这种形变速度赶不上拉伸速度时，在试件的薄弱环节产生应力集中而断裂，试验中试件往往在较粗时发生迅速断裂，且具有明显的回弹收缩，这种 2 现象与基质沥青在该温度下形成的颈缩断裂现象明显不同。正是因为低温下SBS相的变形能力较强，因此低温下改性沥青的延度大于基质沥青，同时实验现象也反映改性沥青产生的形变其中包含有相当比例的弹性变形，这和基质沥青是不同的。当温度上升时，无论对沥青相还是SBS相，必然会使分子间距离增大、分子间力减小，自由度增大，分子相对运动变得比较容易。特别是沥青相， 尽管改性过程中SBS吸收了油分，减少了增塑的作用，沥青分子间力随温度的变化而减小的程度仍是比较大的。而SBS相中分子间力虽然也受到温度的升高而减弱，形变能力也增大，但没有沥青相的变化大。因此在温度较高时(如25?)进行延度试验，试件在受到外力作用时，沥青相由于产生蠕变变形的能力比低温下增大了许多，因此对SBS相的嵌合力相应下降，SBS相与相之间产生相对运动的几率大大增加(尽管SBS的形变能力也增大)，这样一来，SBS的存在，不仅对试件整体的伸长没有多大贡献，反而它的存在成了沥青分子运动的障碍，因此25?下的延度小于基质沥青的延度。 3(材料性质对改性沥青延度的影响 SBS改性沥青的性质，随着改性过程中基质沥青的不同，SBS的不同以及工艺条件的不同都有着较大的差异，宏观指标也反映出在微观上的组成、结构、状态等存在着差异，而微观上性质的不同必然导致宏观性质的不同，延度也不例外。当SBS被采用机械方式分散于沥青中后，沥青中与SBS亲合性较强的分子或组分在热运动的促进下逐渐向SBS相中渗透扩散，相对应SBS相被溶胀，同时相体积增大，这一过程进行的程度取决于SBS，基质沥青的组成性质以及二者之间的作用性等。 沥青是改性沥青中的主体材料，不同的油源、工艺、产地的沥青性质差别较大，即使同一标号的沥青也有很大差异，沥青的微观组成、聚集状态等十分复杂，按照其胶体理论:极性最强的沥青质为核心，胶质为介质，胶溶分散于油分中，胶团的体积、数量、分散度，不仅取决于沥青质以及分散介质的性质数量，同时也取决于油分的性质及数量。即胶团为分散相，油分为连续相的分散介质。由于沥青微观上具有这样的特点，因此当SBS分散于沥青后，也为分散相。沥青组成中最有的可能扩散进入SBS相的组分为油分，这是由其性质所决定的。当油分进入SBS相，SBS被溶胀体积相应增大，其程度主要取决于连续相的油分的性质以及数量，同时也与沥青原有的胶团数量以及性质有关。当沥青质数量较高时，沥青中的油分将比较多的用以维持原有的胶体平衡，此时若有SBS加入其中，必然会形成两种不同结构竞争油分的情况，其结果必然导致沥青原有的胶体平衡发生移动，不仅SBS不能充分溶胀，而且沥青原有的胶体平衡也会破坏，沥青质产生聚集或沉降。因此文献[1]也认为沥青质含量较高的沥青不宜进行改性。适宜改性的沥青为油分含量相对较高的沥青。沥青中的油分，按组分分类法，又分为饱和分和芳香分两个族，族之间性质又有所差异。当油分中芳香分含量较高时，不仅可以使基质沥青胶团胶溶分散程度更高，延度更大，而且用于改性沥青时，由于芳烃含量高，可以使SBS大分子中的聚苯乙烯段得到充分的溶胀，同时也降低了聚苯乙烯段的物理交联能力，又进一步促进了聚丁二烯段的溶胀与分散，提高了链段运动的自由度，油分将会更多的进入SBS相，相体积增加的程度更大。由于溶胀程度大，因此所得改性沥青中SBS相的形变能力较大。低温延度也较大，贮存稳定性好。当芳香烃含量低，而饱和分含量相对较高时，SBS结构中的聚丁二烯段也能得到溶胀，但聚苯乙烯段的溶胀较差。由于聚苯乙烯段溶胀较差，致使聚苯乙烯易聚集，这样又妨碍了油分向SBS相中的扩散，总的结果是溶胀相对较差，所得改性沥青易离析，明显呈两相结构。SBS相的形变能力差，延度稍低(回弹率高)，拉伸应力大。因此基质沥青性质对改性沥青延度的影响，主要在于油分的含量和油分的性质。故通常采用标号相对较大，芳烃含量稍高的基质沥青或采用延度较大的基质沥青进行改性，可以获得延度较大的改性沥青。而采用标号低或性能差的基质沥青要获得改性沥青延度较大的结果，则比较困难，除非采取其他技术措施。 SBS的性质同样也对改性沥青的性质有着很大的影响。SBS为丁二烯——苯乙烯嵌段共聚物，其中的聚丁二烯段为柔性链段，俗称“软段”;聚苯乙烯段在室温下为刚性链段，俗称 3 “硬段”，在其中起着物理交联作用。其平均分子量、嵌段比，以及分子结构等均对改性沥青性质产生影响。当分子链中聚苯乙烯段比例增加(或提高)时，SBS强度增大，变形性及伸长率下降，要用于沥青改性只适合高芳烃含量的沥青，其改性沥青粘度大，抗高温流动性较强。但由于链段中苯环较多，旋转及移动比较困难，因此改性沥青弹性过高且柔性较差，反过来聚丁二烯段含量过高，则改性沥青的高温性能不佳，但延度往往较大。故通常多采用嵌段比(丁二烯/苯乙烯)为70/30的SBS进行沥青改性。SBS的化学结构有星型和线型之分。星型结构中有化学交联点，通常平均分子量也高，因此机械性能更优。如果采用星型SBS与配伍性较好的基质沥青组合，往往能得到综合性能较优的改性沥青，但由于SBS的结构特点所决定，被分散的SBS微粒形变能力稍差，故延度都不大，在对同一沥青进行改性时不如线型SBS改性沥青延度大，但回弹率较高。原因是改性沥青延度测定时温度较低，在低温下沥青的形变能力已经很差，试件的变形，主要来自于被分散的SBS微粒，星型SBS由于分子量大分子间相互作用力也大，且有化学交联，分子之间的相对运动比较困难，在相同外力作用下形变量小，因此在延度试验中拉伸时，在微粒之间产生的滑动变形相对容易。而微粒之间聚集的应力导致微粒之间产生早期位移，导致应力集中而断裂，而线型SBS，由于分散在沥青中后，微粒的形变能力较大，产生同样形变量时外力较小，因此伸长率大延度相对大。 4(SBS改性沥青延度性质所提供的信息 延度是指规定形状的试样在规定温度下，以一定的速度进行拉伸至断裂时所伸长的距离。这意味着沥青在一定温度下断裂前扩展或伸长的能力，也反映出沥青在给定条件下的变形能力。在测定温度为5?条件下，基质沥青的试件，由于沥青形变速度赶不上拉伸速度以致于试件产生颈缩断裂，而采用改性沥青制备的试件，拉伸时颈缩不明显往往在试样还比较粗时发生突然断裂，并产生明显回缩(弹)。试验所出现的现象表明两种不同试样在延度试验中样品内部的微观结构产生的变化明显不同。基质沥青延度所反映的是沥青分子之间胶团之间发生位移产生形变(永久变形)，而SBS改性沥青往往达90%以上的回弹率，因此延度所反映的主要是SBS分散相产生形变的能力(弹性形变)。延度对沥青的路用性能会产生怎样的影[2]响，文献通过实际路面使用情况调查后认为;沥青的延度大、抗裂性好，显然在温度下降时路面集料由于温度下降而产生收缩发生位移时，沥青的延度大则反映了其蠕变能力强。延度大的沥青能够适应这种由于温缩而产生的形变，因此表现出抗裂性能较好。SBS改性沥青延度通常延度大于基质沥青(5?)是不是也能够反映其显著提高路面的低温抗裂能力呢,通过前述对延度机理的分析，笔者认为:改性沥青低温延度大于基质沥青，并不能充分说明低温抗裂性能一定优于基质沥青。其原因有以下几点: (1)SBS改性沥青在低温下的形变特点与基质沥青不同，前已述及改性沥青低温拉伸时更多的为弹性变形，而蠕变只是其中的一部分，虽然从表面上来看，SBS改性沥青低温变形能力似乎增大了，能够满足温缩变形的要求，但是这种拉伸形变聚集了比较多的应力，这种应力最终要得到释放，才能稳定。释放应力，将通过SBS分散相的相对移动，沥青的蠕变或SBS中分子间的移动甚至断链来消散。在这一过程中不可避免会出现局部薄弱环节上的断裂。因此SBS改性沥青延度大于基质沥青显示出其抵抗短时间快速可恢复形变的能力仍是比较强的，或者抵抗荷载反复作用的能力是较强的，也能在一定范围内适应不大的形变，而抵抗形变量较大的永久形变的能力得到提高的观点，其理论依据尚显不足。 (2)SBS与沥青存在相容性优与差的区别，两种不同改性沥青，虽然实验结果延度均会大于相应的基质沥青，但两者的微观结构存在着很大不同。相容性差的改性沥青由于微观上不均匀程度更大一些，因此更易造成应力分布不均，这样的改性沥青更明显的呈两相，回弹性大。在低温下产生形变时，相间位移的可能性增加，加之薄弱环节较多，易产生应力集中，一但产生破坏反而不易愈合，因此低温性能不及相容性好的改性沥青，即使是相容性好的改性沥青，也存在着薄弱环节，应力分布不均的问题仍没有解决，抗裂性反而不及标号较高，组分合理的基质沥青，除非采用增塑的方法。 4 (3)SBS改性沥青总归是一种粗分散体系，由于微观结构差异较大，因此延度性质所反映的内在性质不能完全等同，而不同改性沥青延度所反映的性质也不是完全一致的。不能一概而论。 结论: 1(SBS改性沥青微观结构与基质沥青微观结构有明显差异，因此其延度的意义不能完全等同。 2(SBS改性沥青理论上能适应因温缩、荷载等造成的快速可恢复形变，但其抵抗形变量较大的永久形变的能力还有待于实验验证。 3(SBS改性沥青延度只是共众多性质之一，过分强调延度性质将会对其他性质产生影响。 4(SBS改性沥青延度与沥青、改性剂性质以及二者相容性均有关。不同的改性沥青表现出延度有较大差别。 参考文献: [1] Nahas modified Asphalts for High Performance Hot mix pavement Blends AAPT Vol,56,87 [2] 沈金安. 高级公路沥青路面的低温开裂问题，石油沥青，1992.(1). 5