沥青路面改性技术新进展

沥青路面改性技术新进展长安大学公路学院延西利教授办公：长安大学-交通科技大厦512室联系：18710360712，[e-mail]报告内容1.何为沥青路面2.沥青路面材料3.沥青路面病害4.改性技术发展5.沥青路面温度场6.沥青路面车辙7.实验结果分析8.结语1）定义：在路床上铺以垫层、基层、沥青混合料面层。多为半刚性基层沥青路面，也有柔性基层沥青路面。误区：沥青混凝土路面（实际有AC、SMA、OGFC、沥青表处、沥青贯式…）。1.何为沥青路面3）应用：路面类型及其使用率（高等级公路）欧美国家中国四川沥青路面＞95%＞90%85～90%水泥路面＜5%＜10%10～15%1.何为沥青路面2）范畴：路面工程道路工程土木工程。土木工程四大范畴：材料、结构、工艺、维修。路面材料范畴：路面材料土工材料1）土工材料（Geomaterials）：用于土木工程的主体材料，如砖、石、土、CC、BM等非金属材料。其物理结构有三大类：均质性材料水硬胶结性材料颗粒性材料土工材料多为颗粒性材料（Granularmaterials），其强度构成：2.沥青路面材料c-值2）基本力学性质：颗粒性与粘弹性。路面材料大多具有这样的二重性。2.沥青路面材料3）路面材料种类路面材料在使用中通常为混合材料。面层AC、SMA、OGFC（BBDr）、沥青表处、沥青贯入式…基层水泥稳定碎（砾）石、二灰稳定碎（砾）石、级配碎石柔性基层…垫层天然砂砾、级配碎石…4）路面材料的技术要求：（公路工程技术规范）。2.沥青路面材料混合材料：沥青混合料、水泥混凝土、稳定类材料、级配砂等。原始材料：砂、(碎)砾石、沥青、水泥、石灰、粉煤灰等；1）常见病害（归纳为三）：开裂、水损坏、车辙。2）技术标准（试验分析）：开裂低温弯曲破坏应变B、疲劳参数（k，n）水损坏残留稳定度MS0、冻融劈裂强度比TSR车辙动稳定度DS3.沥青路面病害3）我国沥青路面实践的三阶段及病害：年代路网结构沥青路面病害1988～1996第一代高等级公路通车反射裂缝1997～2001高等级公路逐渐成网水损坏2002～至今高等级公路网逐渐加密车辙病患改善沥青路面的重要手段改性沥青混合料。3.沥青路面病害水损害4.改性技术发展1）改性技术的历史延革1950s中1.萌芽阶段：改性技术萌芽（法国），简单掺拌，物理法，消石灰、炭黑、橡胶粉…1970s初2.研发阶段：石油危机爆发，专门研究改性沥青，物理法（专用设备，如胶体磨）…1980s中3.成品阶段：化学法改性沥青（Styrelf13）…1990s中4.单一外掺阶段：外掺式改性沥青混合料，单一改性，木质素纤维、聚酯纤维…2000s初5.复合外掺阶段：外掺式改性沥青混合料，复合改性，德国Duroflex、法国PRI，国内RadSpunrie车辙王、ExM改性剂、PS路面强力剂…4.改性技术发展2）国际前沿的沥青混合料改性技术：由“沥青的改性”发展为“混合料的改性”，改性方式由“内掺式”转变为“外掺式”。3）沥青混合料的改性技术及常用改性剂:4.改性技术发展改性技术沥青的改性（内掺式）混合料的改性（外掺式）工艺类别物理改性化学改性单一改性复合改性常用改性剂SBS、SBR、PE、炭黑等，以胶体磨工艺为主。以SBS、EVA、EMA等为主，加化学稳定剂。各类纤维、废旧橡胶粉和塑料粉、硅藻土等。国外PRI和Duroflex等添加剂，国产ExM外掺改性剂等。4）实例：早在1997年全球受调查的22个国家或地区改性沥青使用量改性沥青种类分类使用量使用量总计内掺式改性沥青热塑性类（塑料类）18万吨120万吨弹胶质类（橡胶类）12万吨热塑性弹胶质类90万吨外掺式改性沥青外掺聚合物160万吨320万吨外掺纤维160万吨特制沥青硬沥青13.5万吨18.3万吨复级沥青3万吨其它1.8万吨4.改性技术发展1）实体工程：四川省广元至巴中高速公路，2x2车道，路线长121Km；研究选择3种路段（微丘区、山岭区、过度区）。2）路面结构与传感器布设：①同时针对道路、桥梁；②超车道，距中央分隔带2m；③双传感器/测点（纵向间隔1m）。5.沥青路面温度场5.沥青路面温度场2）路面结构与传感器布设：3）测试数据采集技术：①蓄电池供电、自动数据采集仪；5.沥青路面温度场②软件自动管理；③测试1次/30min，采集1次/月、导入电脑。3）测试数据采集技术：5.沥青路面温度场4）测试数据分析：高温期代表性月份沥青路面的温度变化图（2010年7月9-28日，测试点D）2025303540455055600:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:00时刻温度/℃路床与底基层层间底基层与基层层间基层与下面层层间下面层与中面层层间中面层与上面层层面桥面铺装与中面层层间桥梁中面层与上面层层间5.沥青路面温度场低温期代表性月份沥青路面的温度变化图（2011年1月1-19日，测试点A）-20246810121416180:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:000:00时刻温度/℃路床与底基层层间底基层与基层层间基层与下面层层间下面层与中面层层间中面层与上面层层间桥面铺装与中面层层间桥梁中面层与上面层层层间4）测试数据分析：5.沥青路面温度场1）车辙已成为沥青路面最突出的问题。国内外、省内外；四川成雅、绵广、南广…。客观原因：重载化，山区高速公路，全球变暖？四川成雅高速公路车辙测试6.沥青路面车辙1）车辙已成为沥青路面最突出的问题。6.沥青路面车辙2）沥青面层的荷载应力与温度场。车辙产生：高温、渠化交通（应力场与温度场）；力学原因：外因（载荷、高温）内因（粘塑性）；6.沥青路面车辙3）车辙发生在沥青面层中的层厚范围。6.沥青路面车辙荷载应力场与温度场分析表明：1.荷载剪应力在路面深度5cm左右达到最大值；2.夏季沥青路面在路表0～10cm内为高温区域；3.研究表明，低车速会使荷载对路面的作用时间延长，即等价于对路面作用次数的增加。3）车辙发生在沥青面层中的层厚范围。重要认识：车辙处治应考虑在路面10cm范围内。6.沥青路面车辙1）试验研究目的：不同改性技术（内掺式、外掺式）对沥青混合料路用性能的改善效果。7.试验结果分析2）基本试验条件：沥青埃索70#基质沥青集料峨眉山玄武岩、成都草坝矿粉级配AC-13C、2.36mm筛孔通过率为29.2%油石比马歇尔试验确定油石比为5.0%试验内容马歇尔试验、车辙试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验、疲劳试验改性方式内掺式（5%SBS成品、3%Sasobit）外掺式（4‰PRI、PS路面强力剂）法国PRI美国硫磺沥青2）基本试验条件：德国Duroflex7.试验结果分析2）基本试验条件：PS路面强力剂7.试验结果分析3）不同改性技术的改性效果比较。4‰PSSasobitSBS基质4‰PRI1214161820MS（KN）4‰PSSasobitSBS基质4‰PRI100012001400160018002000εB（×10-6）4‰PSSasobitSBS基质4‰PRI03000600090001200015000DS（次/mm）4‰PS4‰PRISasobitSBS基质7580859095100MS0或TSR（%）MS0TSR7.试验结果分析3）不同改性技术的改性效果比较。基本认识：1.外掺式改性技术（PS、PRI）总体上优于内掺式改性技术（SBS、Sasobit）；2.外掺式改性技术能极大地改善高温稳定性，同时能兼顾水稳和低温抗裂，但内掺式SBS改善低温抗裂效果最好；3.在SBS、Sasobit、PRI、PS四种改性技术中，PS路面强力剂的综合改善效果最好。7.试验结果分析4）外掺PS不同剂量时的改性效果。1214161820012345PS外掺剂量（‰）MS（KN）03000600090001200015000012345PS外掺剂量（‰）DS（次/mm）7580859095100012345PS外掺剂量（‰）MS0或TSR（%）MS0TSR10001200140016001800012345PS外掺剂量（%）破坏应变（×10-6）基本认识：随着PS剂量的增加，改善效果更佳。我们推荐PS剂量宜为4‰（占混合料的比例）。7.试验结果分析1）我国当前沥青路面的首要问题是车辙，通过荷载应力场分析和温度场分析，油面层的10cm范围内均应改性（如中、上面层）。2）要高度重视现代改性沥青混合料技术的发展方向，即由“沥青的改性”发展为“混合料的改性”，改性方式也由“内掺式”转变为“外掺式”。3）外掺式改性沥青混合料的高温稳定性明显优于内掺式；内掺式SBS改性沥青对低温及水稳改善最佳。4）外掺式改性技术可以避免传统改性沥青的离析问题（真正的化学法改性除外），对于存储、配伍、养护具有明显优势。8.结语5）沥青路面的温度变化主要发生在油面层范围，而在基层顶面以下的温度变化较小；说明油面层的传热性能和（或）温度敏感性较强。6）其它研究成果：1.彩色路面技术；2.白加黑路面技术；3.沥青路面热再生改性技术;4.低能耗沥青路面铺装技术（RT沥青温拌剂）；5.沥青混合料的热传导与沥青路面温度场；6.材料的流变性能与路面的技术性能。8.结语关于路面设计与建设管理的建议1）结合实际、明确需求，应有“目标函数设计法”的理念。（到底需要解决什么问题？到底需要达到什么样的技术目标？）2）公路面对大自然，综合了众多的社会服务功能，应有“权重设计法”的理念。（主要技术问题是什么？若干问题的权重排序？）3）路面技术进步的过程，是一个技术成果不断沉淀的过程，应有“抛弃过去、倡扬先进”的理念。（不可能过去与现实同行，不可能若干种技术同用，形成“大杂烩”）4）路面新技术的应用，现行规范标准不一定匹配，应有“因地制宜、提炼标准”的理念。（通过新疆大幅度的交通建设，把路面技术提高到一个新的高度，是为创新！）