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1、,温拌沥青混合料施工技术研究,一、项目概况,二、温拌沥青混合料施工技术研究,1、基于表面活性技术的温拌沥青胶结料性能试验研究、,2、温拌沥青路面施工控制指标研究,3、路用性能试验控制指标研究,2.1基于表面活性技术的温拌沥青及沥青混合料路用性能研究,、基于表面活性技术的温拌沥青胶结料性能试验研究,沥青混合料的可压实温度主要取决于沥青，而加入温拌剂后沥青性能的变化趋势是我们所关心的主要方面。分别对SBS 改性沥青以及SBS 改性沥青添加 EvothermTM-DAT温拌剂的温拌沥青进行常规指标试验，以及SHRPPG(性能分级)试验(沥青胶结料性能分级与平均7 d 路面最高设计温度和路面最低设计温
2、度有关)。低温性能（1）延度 沥青混凝土路面的低温收缩裂缝主要与沥青的低温品质以及沥青混合料的温度收缩性能有关，表现为寒冷季节混合料的沥青膜拉伸破坏，进而导致集料的破裂。,沥青结合料的低温拉伸变形能力决定着沥青混凝土路面的低温抗裂性能。当前，低温延度、弯曲梁流变试验(BBR)和直接拉伸试验(DTT)等是测定沥青胶结料低温抗裂性能的主要方法。沥青胶结料的低温延度是影响沥青混凝土路面低温裂缝的重要因素。Kandhal 通过对宾夕法尼亚州10 条试验路的研究发现，延度是表征沥青混凝土路用性能的重要指标，延度小的沥青混凝土路面使用效果明显变坏。俄亥俄州对47 条公路调查研究结果也表明路表状态与回收沥青
3、的延度有关，延度小的沥青混凝土路面使用效果明显变坏，而且低延度对荷载引起的纵向裂缝也有很大影响。通过对SBS和添加EvothermTM后的沥青胶结料进行了延度试验，结果如表2.1 所示。表2.1 沥青胶结料延度试验,由试验结果可以看出，在添加Evotherm后，无论是5延度还是10延度，无论是原样还是经过RTFOT(旋转薄膜老化)后，胶结料的延度都有一定程度的增加，说明添加Evotherm后沥青胶结料的低温延度得到了改善。这对沥青混合料低温性能有利。（2）蠕变劲度模量试验(BBR)路面温缩开裂通常是由于沥青使用过程中不断老化，劲度模量不断增加，沥青的低温柔性逐渐转变为脆性。对SBS改性沥青以及
4、 SBS改性沥青添加Evotherm温拌剂的温拌沥青，经过RTFOT又经过压力老化试验(PAV)后，用弯曲梁流变仪(BBR)测定沥青胶结料的低温弯曲蠕变劲度模量S和斜率m(60s)时蠕变劲度对数与时间对数的双对数曲线的斜率如果蠕变劲度过高，沥青就会呈现脆性，裂缝发生的可能性就较大。为防止裂缝，要求60 s 时的低温弯曲劲度模量S不得大于300 MPa。斜率m 值是用来控制好低温下胶结料劲度随时间变化的速率，高的m值是所期望的值。m)，结果见表2。因为温度不断降低，热应力就会累积，劲度变化相对较快，而相对较快的劲度,变化意味着胶结料有松弛应力的趋势，否则此应力积聚到一定程度就会造成低温开裂。因此
5、，斜率m不得小于0.3。这些指标反映了沥青在路面中经过510年后的低温性能，是 SHRP PG(性能分级)的低温指标。表2.2 沥青胶结料弯曲蠕变劲度试验（BBR）通过添加温拌剂以及未添加温拌剂的 SBS 改性沥青试验结果可以看出，添加Evotherm温拌剂后的沥青劲度模量同未添加温拌剂的,沥青接近，但斜率m值发生了一定程度的降低，说明添加温拌剂Evotherm后，沥青低温变形性能产生了一定的削弱。但其影响较少，仍然在SHRP PG同一等级范围内。另外，对于改性沥青来说，弯曲蠕变劲度模量S和斜率m值同沥青胶结料的低温性能的相关性较弱，因此不能仅以此指标来评价改性沥青胶结料的低温性能。2.1.1
6、.2 高温性能(1)高温抗车辙因子及疲劳因子。利用动态剪切流变仪(DSR)，对老化前后的SBS改性沥青以及 SBS改性沥青添加Evot herm温拌剂沥青胶结料车辙因子G/sin及疲劳因子 G3sin进行试验，评价温拌剂对胶结料高温性能的影响以及老化因子的变化。G3/sin是高温劲度，用来评价结合料的抗车辙能力。G3/sin越大，表示沥青的抗车辙能力越强。原样沥青高温劲度要求不小于110 kPa，旋转薄膜老化(RTFOT)后不小于212 kPa。G3sin为中等温度劲度，表示沥青在变形过程中能量的损失，即变形中不可恢复的部分，为模量的黏性部分。,G3sin越大，表示荷载作用下的剪切损失越快，储
7、存的部分(可以释放,恢复)越少，即耐疲劳性能越差，要求在相应温度下不大于5 000 kPa。由表2.3可以看出，SBS改性沥青添加 EvothermDAT 温拌剂的温拌沥青胶结料，高温等级同原样SBS改性沥青相同，同为 PG76-xx。但在 76 时的车辙因子G3/sin较 SBS改性沥青高，说明添加EvothermTM的温拌沥青的高温抗车辙能力略优于SBS改性沥青。表2.3,(2)添加 Evot hermTM后对老化因子的影响。,美国 NCHRP 研究表明，RTFOT 老化过程中树脂转化为沥青质，组分转化使得树脂和轻质油分减少、沥青质增加。在这个过程中表现为老化后G3/sin比老化前有所增加
8、，但同时也增加了路面开裂的可能性。通过比较 SBS及其添加 EvothermTM温拌剂的SBS胶结料的老化因子(老化后G3/sin同老化前G3/sin 的比值，老化因子越小，路面的寿命越长)发现，在温度为 70时，添加温拌剂 EvothermTM的胶结料较未添加温拌剂的SBS胶结料的老化因子略大，见表2.4。但在温度为76 以上时，添加温拌剂 EvothermTM的胶结料较未添加温拌剂的SBS胶结料的老化因子低。表2.4 沥青胶结料老化因子,通过性能分级(SHRP PG)试验，可知SBS胶结料同添加 EvothermTM温拌剂的SBS胶结料性能分级相同，均属于PG76-22。通过对以上沥青胶结
9、料高、低温性能分析可以看出，添加 EvothermTM温拌剂后，沥青的高温性能有所提高。虽然低温时添加温拌剂的沥青胶结料劲度变化的速率较原样SBS改性沥青略低，即m值小，但是影响不大。并且添加温拌剂的沥青胶结料的低温延度较原样SBS沥青大，说明其低温抗裂性能良好。2.1.1.3 DA T添加剂对SBS改性沥青粘度的影响2.3.1试验方案试验的目的是测定沥青三大指标与沥青布氏旋转粘度。沥青的高温性能主要是指沥青高温下的流变性，用粘度指标评价。沥青粘度是用来衡量沥青粘滞力大小的一个物性数。沥青的粘滞性是其技术性质中与沥青路面力学行为最为密切的一种性质。在现代交通状况下，为防止路面出现车辙等损害，沥
10、青粘度指标是首要考虑的参数。粘度试验采用美国 SHRP计划推出的布氏粘度仪，对 SBS 改性沥青以及添加DA T温拌剂的SBS改性沥青分别进行粘温曲线测定，从而对比各沥青的高温流变性能及沥青混合料的拌和与压实温度控制。,室内试验过程分为两组，一组为SBS 改性沥青，另一组为SBS改性沥青+温拌剂DAT。分别测试不同温度下的布氏旋转粘度，粘度结果见表3和图3。表2.5 布氏旋转粘度试验结果,从表3和图3可以看出，SBS改性沥青与加温拌剂DAT的SBS改性沥青粘度均随温度的升高而逐渐降低。从图3可以发现，温度在110140范围内，相比于SBS 改性沥青，添加 DA T的 SBS改性沥青的布氏旋转粘
11、度有所下降，但下降的幅度较低；当温度大于150 时，两者粘度接近。从添加DAT的SBS 改性沥青的制备过程来看，因为温拌剂DA T在常温下为液体，待加入温拌剂DAT的SBS改性沥青物理发泡完毕后，DAT温拌剂中水溶液已经基本挥发，只剩余少量表面活性成分，在少水的状态下，活性成分无法形成有效的水膜结构，对SBS改性沥青的粘度影响不大。,温拌沥青路面施工控制指标研究2.1.2.1 Eotherm温拌沥青混合料控制指标研究 由于基于表面活性平台的温拌沥青混合料和传统的热拌沥青混合料在各个方面都有所不同，而且国内也没有相应的规范标准和控制指标，因此采用 AC-13、AC-20、WMA的室内试验和生产施
12、工等各环节进行研究，探究适合温拌沥青混合料的质量控制指标。3.1.1 温度控制指标研究 研究思路是首先以美德维实伟克公司建议的拌合施工温度125，对 3 种级配进行配合比设计，3种级配如表3.1所示，确定各自的最佳沥青用量。以此最佳沥青用量，在不同温度下用马歇尔法成型试件，观察其空隙率变化规律，进而确定最佳拌合施工温度。表3.1 矿料级配,随成型温度改变，试件空隙率变化趋势如图 1 所示。3种级配的 E-WMA 有类似的变化规律。总的来说，在试验的温度区间内，随着成型温度的升高，空隙率呈减小的趋势。100 是一个分界点，成型温度100以上，空隙率变化趋缓，但100 以下，随着成型温度的降低，试
13、件空隙率急遽增大。成型温度90时，3 种级配E-WMA 的空隙率都达到了5%以上。这说明100以下，温拌添加剂起到的润滑作用已经不能抵消沥青工作性急遽降低带来的影响。在100140 内细分，115125是个稳定的区间，在此温度区间内成型的试件空隙率基本没有变化。125140，空隙率有所减小，但减小量只有0.1%左右。考虑 WMA相对 HMA的优势就在于拌合施工温度低，从而节能环保，因此没有必要为了追求非常小的压实功能改善而进一步提高施工温度。因此，建议施工温度在115125。室内试验的试件成型温度，取此区间的中值120，拌合温度取125。图3.1不同温度下E-WMA空隙率变化图,马歇尔配合比设
14、计控制指标研究在拌合温度125，成型温度120下，对3种级配重新进行配合比设计，并同相同级配的 HMA进行对比。按照现行规范对E-WMA进行配合比设计，最佳沥青用量下的体积指标如表3.2所示。可以看到，在最佳沥青用量下，E-WMA所有指标均可以满足规范对HMA 的要求，,只有流值超出规范建议范围。经过大量试验，证明 E-WMA流值超标不是偶然现象。但流值超标会不会对E-WMA的性能造成影响。3种级配的E-WMA和相同级配的HMA对比，E-WMA最佳沥青用量普遍比HMA高0.2%0.3%，这说明温拌添加剂的润滑作用，仍不能完全弥补成型温度降低给混合料工作性带来的影响，不过已经可以达到现行规范对
15、HMA的设计要因此，在 E-WMA的配合比设计阶段，可以用现行规范对HMA的控制指标作为E-WMA的控制指标。表3.2 E-WMA混合料马歇尔体积指标,2.1.3 路用性能试验控制指标研究现行规范对 HMA的性能评价，主要包括高温稳定性和水稳定性2个方面。下面分别对3种级配的E-WMA和HMA在最佳沥青用量下进行性能试验，探究 E-WMA的控制指标。高温稳定性高温稳定性试验采用沥青混合料车辙试验，试验温度为60，轮压0.7 MPa。采用轮碾成型机成型长300 mm宽300 mm厚50 mm的板块状试件，然后用车辙试验机试验，计算得到3种级配的E-WMA动稳定度如下表所示。表2.4.1 车辙试验
16、结果2 种采用改性沥青的 E-WMA(AC-13和 AC-20)动稳定度跟相同级配的 HMA相差无几，但采用基质沥青的E-WMA(AC-25)则比同级配的。,HMA略逊但 3 种级配的E-WMA 动稳定度均远远超出规范对HMA 的要求限值。这说明 E-WMA 同样具有良好的高温稳定性，HMA 的规范标准可以作为E-WMA的控制指标。水稳定性试验 水稳定性试验包括浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。浸水马歇尔试验是将成型好的马歇尔试件放入60恒温水槽中，保温48 h，进行马歇尔稳定度试验，和常温放置48 h 的马歇尔试件稳定度相比，得到马歇尔残留稳定度。同时进行了E-WMA 和HMA 的马歇尔残留稳定
17、度试验，结果如下表所示。3 种级配的E-WMA 残留稳定度和HMA不相上下，远远超出规范对HMA的要求。,冻融劈裂试验按照现行规范要求进行，冻融试件冰冻温度为-182，保温 16 h；600.5恒温水槽保温24 h，试验结果如表5所示。表2.4.5 冻融劈裂试验结果 3种级配的E-WMA冻融劈裂比均可以满足现行规范对HMA 的要求，但超出规范限值并不多。同相同级配的HMA相比，则有一定差距。这从一个侧面反映冻融劈裂试验相较浸水马歇尔试验，更能反应E-WMA的水稳定性。因此建议以现行规范对 HMA水稳定性控制指标作为E-WMA的控制指标，以冻融劈裂比作为E-WMA水稳定性的主控指标，以残留稳定度
18、作为E-WMA的参考指标。,通过上面的性能试验可以发现，流值超标的E-WMA 性能试验仍可以满足规范对HMA 的要求，流值超标对E-WMA的性能影响并不大，因此建议不将现行规范对HMA 的流值建议控制指标作为E-WMA 的控制指标；或者通过大量试验研究，提出适合E-WMA的流值控制指标.,2.2 Sasobit温拌沥青及沥青混合料路用性能,Sasobit对沥青感温性能的影响,Sasobit性能测试,Sasobit沥青制备工艺的确定,Sasobit对沥青感温性能的影响,水稳定性能试验,2.2 Sasobit温拌沥青及沥青混合料路用性能 Sasobi t是德国 SasolWax公司的产品，是一种窄
19、分布的长链脂肪族烃,其主链分子中含有40 115个碳原子，使用 Fischer-Tropsch(费托,FT)方法从煤炭气化中获取，因此也称为FT石蜡。Sasob i t的外观呈片状或粉状，其熔点大于 100，高于普通石蜡，在超过 115时能完全溶解于沥青。2.2.1 Sasobit对沥青感温性能的影响 在沥青中加入 Sasobit对感温性能的影响，沥青感温性能与 Sasob i t剂量之间的关系，目前，国内外还没有对此进行系统的研究，针对以上问题进行初步的探讨。2.2.1.1 Sasobit性能测试试验采用德国 Sasol Wax公司生产的 Sasobit 其性能测试技术指标见表 1.表1 S
20、asobit的性能测试结果,2.2.1.2 Sasobit沥青制备工艺的确定 试验采用了人工搅拌和机械剪切两种方式，在不同混合温度(130，150，170)以及不同混合时间(15，30，45 m i n)下进行 Sasobit沥青的制备，其中机械剪切是采用小型高速剪切机。表3为添加3%Sasobit的沥青在不同制备工艺条件下的试验结果。,从表 3的试验结果可知，Sasobit沥青在不同加工工艺条件下,其软化点差均符合JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范6 规定的聚合物改性沥青贮存稳定性技术要求，说明在加工过程中的混合时间、混合温度以及混合方法对Sasobit沥青的性能影响不大，Sa
21、sobit与沥青有很好的配伍性。结合室内试验情况，试验采用了在130下人工搅拌 15 min的方法进行Sasobit沥青的制备。2.2.1.3 Sasobit对沥青感温性能的影响 沥青是一种典型的粘弹性材料，其任何性质都是温度和时间的函数，并且对于不同的沥青，即使温度变化相同，其针入度和粘度等的变化也可能不同，这种沥青性质受温度变化的影响程度(感温性)直接关系到沥青的使用性能。沥青是一种典型的粘弹性材料，其任何性质都是温度和时间的函数，并且对于不同的沥青，即使温度变化相同，其针入度和粘度等的变化也可能不同，这种沥青性质受温度变化的影响程度(感温性)直接关系到沥青的使用性能。目前表示沥青感温性能
22、的指标有很多，如针入度指数(PI)、粘温指数(V TS)、针入度粘度指数(PVN)等等。沥青的各个感温性能指标所反映的温度区域不尽相同，PI值是由沥青 0 40的针入度变化决定的，因此，PI,值更多体现的是沥青在0 40条件下的温度敏感性；V TS是由沥青60 135的粘度变化决定的，因此V TS更多评价沥青在60 135条件下的温度敏感性；PVN是由沥青25针入度及60或135粘度决定的，因此PVN更多反映沥青在25 60或25 135条件下的温度敏感性。试验在基质沥青中加入不同剂量的Sasobit(与沥青的质量比，剂量分别为 2%5%，每1%为一个间隔点)，分别测试其在不同温度下的针入度、
23、粘度等性能指标，计算不同剂量下的Sasobit沥青各个感温性指标，从而综合地评价Sasobi剂量对沥青在各个不同温度区域范围内的感温性能影响。(1)针入度指数 表4和图 1为加入不同剂量的Sasobit沥青在不同温度下的针入度及 PI计算结果。表4不同剂量的Sasobit沥青针入度指数计算结果（10-1mm）,从上述试验结果可知，沥青的 PI值随Sasob i t剂量的增加而增大，PI值越大，表示沥青的感温性愈低，表明沥青在0 40范围内的温度感温性得到了改善。(2)粘温指数表 5和图 2为加入不同 Sasobi t剂量的沥青在 60e 和 135e 的粘度及 VTS计算结果。从试验结果可知，
24、沥青的V TS值随 Sasobit剂量的增加而减小，V TS值越小，表示沥青的感温性愈低，表明沥青在 60 135范围内的温度感温性也得到了改善。,表5不同剂量的Sasobit沥青粘温指数测试结果,(3)针入度-粘度指数 图 3和表 6为加入不同 Sasobi t剂量的沥青在 25针入度和 135的粘度及针入度及 PVN测试结果。,表6不同剂量的Sasobit沥青的针入度粘度指数测试结果,从表 6试验结果可知，沥青的 PV N 值随Sasobit剂量的增加而减小,PV N 值越小表示沥青的感温性愈低，表明沥青在 25 135范围内的温度感温性也得到了改善。,(4)针入度-软化点指数 表7和图
25、4为加入不同 Sasobi t剂量的沥青在 25针入度、软化点及针入度)软化点指数(PIR&B)测试结果。表7不同剂量的Sasobit沥青的针入度软化点指数测试结果,从试验结果可知，Sasobit沥青的 PIR&B值随Sasobit剂量的增加而增大,沥青的 PIR&B值越大，表示沥青的感温性越低。35 沥青感温性能指标之间的关系 从Sasob i t沥青各个感温性指标的计算结果可知，在沥青中加入 Sasobit可以改善沥青的感温性能，Sasobit沥青各个感温性指标之间的关联性见图 5、图 6。,从图 5和图 6可以看出，Sasobit沥青各个感温性指标之间有很好的相关关系，因此，对于沥青在中
26、温区域(0 40)可以用针入度指数来表示其的感温性能，在高温区域(60 135)可以用粘温指数来表示其的感温性能。,综合考虑以上各个指标的变化，表明在沥青中添加 Sasobit存在一个最佳剂量，试验确定的最佳剂量为 3%。2 水稳定性能试验 为了对比分析 Sasob i t 沥青混合料和普通沥青混合料的水稳定性能,分别进行马歇尔残留稳定度试验、冻融劈裂试验以及汉堡车辙试验。本试验选取 2种不同的抗剥落剂改善和提高Sasobit沥青混合料的水稳定性能，一种为某液体抗剥落剂，掺量为沥青用量的3%；一种为消石灰，掺量为矿料总重的1.5%。应用上述3种试验方法分别对掺加液体抗剥落剂和消石灰的Sasob
27、it 沥青混合料进行试验，评价其水稳定性能，优选出最佳的改善措施2.1 常规水稳定性能试验2.1.1 马歇尔残留稳定度试验 浸水马歇尔试验测定的试件浸水 48 h后的稳定度与标准试验条件下测定的稳定度的比值，即为残留稳定度。为评价其长期性能，按照JTJ052-2005公路工程沥青及沥青混合料试验规程规定的方法对Sasob i t 沥青混合料和普通沥青混合料进行了短期老化和长期老化试验，测定不同沥青、不同试验条件和不同抗剥落剂的沥青混合料残留稳定度，具体试验结果见表 5。,表5马歇尔残留稳定度试验结果试验结果表明：与普通沥青混合料相比，Sasobit 沥青混合料的残留稳定度值偏低，尤其在短期和长
28、期老化后，该指标的差别更加明显，说明Sasobit 沥青混合料的长期水稳定性能较差；掺加液体抗剥落剂或者消石灰后，Sasobit沥青混合料的残留稳定度指标，都得到明显提高。2.1.2 冻融劈裂试验为更好地评价沥青混合料在严苛环境下的水稳定性能，冻融劈裂试验冻融循环的次数分别为1次、5次和10次。对不同沥青、不同试验条件和不同抗剥落剂的沥青混合料残留强度比指标进行测定，具体试验结果见表6。,表6冻融劈裂残留强度比试验结果 试验结果表明：在冻融循环次数为1次、5次和 10次的情况下，Sasobit 沥青混合料的残留强度比指标都较普通沥青混合料偏低；掺加某液体抗剥落剂或消石灰后，Sasobit 沥青
29、混合料的残留强度比指标提高明显，说明液体抗剥落剂或消石灰能明显改善Sasobit 沥青混合料的水稳定性能。,技术性能比较分析,经济性能比较分析,混合料施工性能比较分析,2.3技术经济比较分析,技术经济比较分析,2.3技术经济比较分析2.3.1 技术性能比较分析温拌剂的主要考察技术指标有：降温幅度、沥青技术性能的提高度或损失度和混合料性能的提高度或损失度。由对比结果可知：（1）DAT温拌剂对沥青及混合料的性能几乎没有影响，室内降温幅度能达25左右。但有研究表明对于液体类温拌剂，采用旋转压实成型比Marshall成型的降温幅度更大，这就说明现场碾压的搓揉作用能使降温幅度更大，这也是很多使用案例在更
30、低温度下能压实成功的原因。（2）Sasobit提高了沥青的软化点和混合料的抗车辙性能（但也可能存在损失抗低温性能的潜在风险），降温15左右。Sasobit属于合成蜡，对沥青的低温性能会有影响，通过SHAP计划的BBR试验能证明。,表17 温拌剂对沥青及混合料的影响,注：表中为显著提高，为显著降低，为基本无影响。2.4.2 经济性能比较分析经济性主要考虑三个因素：掺量x、进场单价p和降温幅度。降温能使集料的加热温度降低，这样就减少了因加热集料的能量损耗，减少的能耗便是产生的效益。设因混合料的拌合温度降低引起的集料加热降低温度为，则效益（减少的能耗）可用,式（1）表达；使用温拌剂产生的费用F可用式
31、（2）表达。效益费用比eera为：式中：K为常数。根据对三种产品的价格了解，计算三种温拌剂的效益费用比eera（越大越好），如表所示。由结果可知，HAPS具有更高的效益费用比。表18 效益费用比,2.3.3 混合料施工性能比较分析各种温拌剂及温拌混合料的施工性能简单对比如表19。表19 施工性能比较,三、阻燃沥青路面施工技术研究,阻燃沥青路面施工技术研究,3 阻燃沥青路面施工技术研究 阻燃剂是用以提高材料阻燃性能、阻止材料被引燃及抑制火焰的助剂，主要用于合成或天然高分子材料的阻燃，以减少火灾危险。毫无疑问，阻燃剂及其阻燃材料的研究、生产和应用，是关系到“环境和人类”的重大举措。但是，尽管关于阻
32、燃科学的研究不少，并且取得的成果也很多，还是存在成果与应用严重脱节的现象。实际上，每一种或每一类材料对阻燃剂的匹配都是有选择性的，这是由高分子材料本身的结构与性能决定的。因此，确定高分子材料与阻燃剂的配伍性，或者开发综合性能优良的阻燃剂来满足具体某一类高分子材料的要求，乃是广大阻燃科技工作者们共同关注的课题。3.1 沥青阻燃剂的制备 根据阻燃协同增效的原理及沥青的组成，在分析复合阻燃剂相关文献的基础上选取了环保、价廉的无机阻燃材料为主要原材料，包括：氢氧化铝，合肥中科阻燃新材料有限公司；氢氧化镁，合肥中科阻燃新材料有限公司；,聚磷酸铵，济南泰星精细化工有限公司 将上述三种原材料按比例置于封闭的
33、高速搅拌设备中，剪切 5min 左右，即形成本实验的中间体，简称为BFR。BFR也是一种沥青阻燃剂，只是因为后面的研究工作将要对它进行表面改性，故此处称其为中间体。其他无机阻燃剂一样，中间体（BFR）也属于极性物质，即亲水性物质；而沥青的极性很小，即亲油性物质。根据相似相容原理，当中间体（BFR）分散于极性很小的沥青中时，因极性的差别，二者相容性很差，从而对阻燃沥青的贮存稳定性和力学性能带来不良影响。因此对中间体表面进行改性，通过化学或物理的方法使其表面极性接近于沥青而改善其相容性是十分必要的。目前，表面改性方法很多，有表面活性剂处理、偶联处理以及有机高分子处理等，但最常见、最有效的处理方法还
34、是偶联处理。用偶联剂对填料表面处理时，其两类基团分别通过化学反应或物理化学作用，一端与填料表面结合，另一端与高分子树脂缠结或反应，藉此使表面性质悬殊的无机填料与高分子两相较好地相容。,主要选取钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂以及硬脂酸钠活性剂对中间体进行表面改性，通过实验来确定改性剂的合理用量。并将通过钛酸酯偶联剂改性之后的阻燃改性剂简称为 BFR-Ti。2.2.1.2 钛酸酯偶联剂的表面改性（1）表面改性工艺 选用南京道宁化工有限公司生产的201型钛酸酯偶联剂，按如下工艺对中间体BFR进行表面改性：用乙醇作溶剂将钛酸酯偶联剂配制成10.0%的处理液；将中间体BFR置于100烘箱中恒温 2小时，以除去
35、其表面吸附的游离水，并冷却至室温；再将中间体用处理夜常温浸泡3小时；最后在105 110 下烘干 2 h，并冷却至室温。处理之后的产物称为沥青阻燃改性剂，简称 BFR-Ti。本次试验采用的 BFR 的粒度范围为 10001500目。（2）钛酸酯合理用量的确定 为了确定钛酸酯偶联剂用于表面改性 BFR 的合理用量，通过研究钛,酸酯用量对BFR-Ti/液体石蜡体系粘度的影响以及对改性后 BFR-Ti 的活化指数的影响来确定其合理用量。1）钛酸酯用量对BFR-Ti/液体石蜡体系粘度的影响 据文献报道，偶联剂处理无机填料的用量一般在 0.5%2.5%，这主要取决于填料自身的性质及粒度、偶联剂的种类等因
36、素。为了确定钛酸酯的最佳用量，通过降粘试验测定了经不同剂量钛酸酯处理得到的沥青阻燃改性剂 BFR-Ti 与液体石蜡（质量比1：1）混合体系粘度。分别用钛酸酯按中间体BFR质量的0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、1.8%、2.4%和2.8%处理中间体，然后将制备的活性阻燃剂BFR-Ti与液体石蜡按质量比l：l的比例组成混合体系，于 25下用旋转粘度计测定各体系粘度如图 2-1所示。,由图可见，当钛酸酯用量低于1.6%时，BFR-Ti/液体石蜡混合体系粘度随着钛酸酯用量的增加而急剧下降。当钛酸酯的用量超过 1.6%之后继续增大时，BFR-Ti/液体石蜡混合体系粘度下降趋势变缓，最后基本不变。
37、根据这一现象，可以认为，在降粘曲线陡直下降的区间，随着钛酸酯用量的增加，BFR颗粒表面逐渐被偶联剂分子覆盖，其表面的亲水性逐渐减小，亲油性逐渐增大，故体系粘度急剧下降；当钛酸酯添加到某一点时(即曲线的拐点处)，每个 BFR 颗粒表面己基本被钛酸酯偶联剂覆盖，这时钛酸酯用量即为理论最佳用量；在拐点之后，再继续增加的偶联剂只是分散在液体石蜡有机相中起稀释作用，对 BFR表面改性作用不大，故此之后体系粘度下降幅度很小，由拐点附近曲线取切线，切点的交点对应的偶联剂用量即为偶联剂最佳用量。据此，初步确定钛酸酯的合理用量范围应在为1.6%附近。（2）钛酸酯用量对BFR-Ti 的活化指数的影响 活化指数AI
38、(activation index)是表征无机粉体表面改性效果的一项重要指标。从理论上讲，未改性的 BRR表面是强极性的，在水中自然迅速沉降，改性后的 BFR-Ti表面极性大大降低，甚至接近于非极性，因此具有较强的憎水性，由于巨大的表面张力使其在,水面上漂浮而不下沉，或者部分缓慢下沉，所以活化指数在一定程度上反映无机填料表面改性效果的好坏。活化指数的测定方法：取 200mL 的烧杯，倒入 150mL 的蒸馏水，称取 10gBFR 置于烧杯中，搅拌1min 后静置50min（至液面澄清），将沉入杯底的BFR 过滤并烘干后称重，质量为 m，活化指数，AI可表示为：活化指数的值越大，表明无机分体有机
39、化改性的效果越好。不同钛酸酯用量下的BFR-Ti活化指数测试结果见图2-2。,从图2-2可以看出，钛酸酯的用量对表面改性效果有明显的影响。沥青阻燃剂的活化指数先随钛酸酯的用量的增加而迅速增加，当用量达一定值后，活化指数不再增大。这是因为当钛酸酯用量较小时，BFR-Ti的表面包覆不完全，此时的 BFR-Ti尚有相当大的亲水性，大部分 BFR-Ti 不能飘浮在水面上，故,活化指数较小；随着钛酸酯用量的逐渐增加，BFR-Ti 表面慢慢被钛酸酯达到单分子层覆盖，钛酸酯改性剂的疏水基朝向外侧，活化指数达到最大值，这无疑有利于 BFR-Ti 粉体在非极性的沥青基体中的均匀分散；当钛酸酯的用量进一步增大，过
40、量的钛酸酯分子在 BFR-Ti 的表面形成的多层物理吸附，部分极性基团朝外，粒子之间可能搭桥导致絮凝，使得稳定性变差，改性效果变差，活化指数小幅下降。从图 2-2可知，当钛酸酯偶联剂的用量为1.6%时，活化指数为84.1%，继续增加钛酸酯的用量，活化指数稍有下降，当其用量再增加到2.0%以上时，活化指数几乎不再变化，表明钛酸酯的用量对 BFR-Ti 的改性效果有一个最佳值，超过这一值后，钛酸酯的量对其改性效果影响不大。即绝大部分BFR-Ti表面已由“亲水性”完全变为“疏水性”。综合钛酸酯的用量对 BFR-Ti/液体石蜡体系粘度影响以及对 BFR-Ti 活化指数影响的试验结果，可以得出：钛酸酯表
41、面改性沥青阻燃剂中间体 BFR，其合理的用量应为BFR的1.6%。2.2.1.4 改性前后吸水吸油性能对比将适量BFR和BFR-Ti在100烘箱中恒温5小时，充分除去其表面吸附的微量水份，并真空冷却至室温，称重，并设此时初始质量为 m0，在相对湿度为 90%,左右的空气气氛中进行10天连续观察，记录第一天、第五天和第十天的质量，分别表示为 m1、m5 和 m10，则第一天的吸水率可表示为：Xv=（m1-m0）/m0100%，以此类推。测试结果列于表2.1。表2.1BFR和BFR-Ti的吸水性能对比由此可知，经钛酸酯偶联剂表面改性之后的 BFR-Ti，其吸水率明显低于未经改性的BFR，表明 BF
42、R-Ti表面的亲水性明显低于BFR。吸油值的测定方法：准确称取一定量的 BFR-Ti（BFR），置于玻璃板上，用已知重量的盛有邻苯二甲酸二辛脂（简称 DOP）的滴瓶滴加 DOP，同时用调刀不断进行翻动研磨，起初试样成分散,状，后来逐渐成团直至全部被 DOP 浸润，并形成一整团即为终点，精确称取滴瓶质量。以每 100gBFR-Ti（BFR）吸收 DOP 的质量(g)表示吸油值 X2，按下式进行计算：中：m1滴加 DOP 之前滴瓶和 DOP 的质量，g m2滴加 DOP 之后滴瓶和 DOP 的质量，g m试样质量，g也可用邻苯二甲酸二丁醋(DBP)代替邻苯二甲酸二辛醋(DOP)重复上述试验，所得测
43、定结果如表2.2所示。表2.2 BFR和BFR-Ti的吸油性能对比,由于吸油量不仅受填料颗粒表面性能和比表面积等因素影响，,而且还取决于填料颗粒之间的空隙容积，即填料粒子的聚集程度。由表 2.2 可知，与 BFR 相比，BFR-Ti 的吸油量明显下降，这表明经改性后，BFR-Ti 聚集态颗粒减少，比表面积增大，颗粒间的空隙容积减少，更多 BFR-Ti颗粒的分散成低聚态或原生态，分散程度得以提高。3.2 阻燃改性沥青的制备工艺 为了保证沥青阻燃剂在沥青介质中的充分有效分散，本研究采用高速剪切机制备阻燃沥青。先将基质沥青（或SBS改性沥青）在 110下脱水30 min，升温到170左右，加入阻燃剂
44、剪切 23 min，制成阻燃改性沥青。具体工序为：取 2.0kg 左右的基质沥青（或 SBS改性沥青）升温至110并恒温2050 min 进行脱水，继续升温到170；启动高速剪切机，控制转速在500r/min以内；将沥青阻燃剂按比例加入其中同时将剪切速率升至 5000r/min以上，剪切23 min，即形成阻燃沥青。阻燃改性沥青的制备及性能。3.2 沥青阻燃剂合理粒度范围的确定 作为一种无机粉末状的添加剂，沥青阻燃剂的加入，必然会对,沥青的综合性能产生一定程度的影响，主要是燃烧性能、低温延展性以及沥青阻燃剂在沥青中的分散性等。而沥青阻燃剂的粒度对这些性能将产生显著的影响，因此可以通过研究这些性
45、能的变化并结合现行道路沥青的相关规范来确定沥青阻燃剂的合理粒度范围。为了便于对比分析，本研究将BFR、BFR-Ti阻燃剂做平行对比试验，分别研究它们的粒度变化对相应阻燃沥青的技术性能、燃烧性能及其在阻燃沥青中的分散效果的影响。本研究中所有提及的各种粒度范围下的沥青阻燃剂 BFR-Ti，都是采用经相应的最佳用量的钛酸酯偶联剂表面处理3.2.1 沥青阻燃剂粒度对阻燃沥青三大指标的影响 粉末状沥青阻燃剂的加入，必然会对阻燃沥青的技术性能（三大指标）产生一定影响。研究在沥青阻燃剂用量为 7.0%的情况下，不同粒度范围的 BFR和BFR-Ti对阻燃沥青三大指标的影响。测试结果见表3.1、表 3.2和表3
46、.3。,表3.1不同粒度范围沥青阻燃剂对应的阻燃沥青25针入度测试结果（0.1mm）表3.2不同粒度范围沥青阻燃剂对应的阻燃沥青软化点测试结果（0.1mm）表3.1不同粒度范围沥青阻燃剂对应的阻燃沥青5延度测试结果（0.1mm）,为了更直观地反映沥青阻燃剂的粒度范围对阻燃沥青三大指标的影响，取阻燃剂粒度范围的中值作为横坐标，将上表数据分别绘制成“针入度粒度”、“软化点粒度”及“延度粒度”曲线关系图，见图3-1、图3-2和图3-3。,从以上试验结果可以看出：（1）沥青阻燃剂的粒度对阻燃沥青的三大指标都有一定的影响，只是程度不同。相对而言，沥青阻燃剂的粒度对阻燃沥青低温延度的影响比较明显，而对针入
47、度和软化点的影响较小。（2）比较针入度的变化情况发现，各种粒度范围下阻燃沥青的针入度相当接近，相对于 SBS 改性沥青，阻燃沥青的针入度都有所下降，且这种下降趋势随着沥青阻燃剂粒度的减小而略有增大。（3）比较软化点的变化情况发现，阻燃,沥青的软化点均高于 SBS 改性沥青，最大差值在 4左右。BFR-Ti的粒度对阻燃沥青软化点的影响，随着沥青阻燃剂粒度的减小，BFR-Ti阻燃沥青的软化点呈现出先升高后降低的变化趋势，且略高于BFR阻燃沥青。当BFR-Ti的粒度在一定范围之内时，其软化点的测试数据规律性较好，且平均值的波动不大，说明此时BFR-Ti的分散性较好；当超过该范围时，测试数据重现性较差
48、且离散性大，这可能是因为此时BFR-Ti发生了团聚现象而导致其在沥青中分散效果不佳，试样不够均匀所致；又比较 BFR、BFR-Ti对阻燃沥青软化点的影响规律不难发现，尽管变化的大致趋势有些相近，但 BFR-Ti出现测试结果的离散和波动基本都出现在它们的粒度为25003500 目范围之内的样品，而 BFR 出现测试结果的离散和波动在 BFR 粒度为10001500目范围之内的样品中就已经出现了。（4）比较低温延度的变化情况，分别添加了7.0%的 BFR、BFR-Ti之后的阻燃沥青的延度相对于SBS改性沥青（5延度为 33.4cm）都有着不同程度的降低，但这种降低程度是随着沥青阻燃剂粒度减小呈现先
49、缓和再,加剧的趋势。阻燃剂粒度对阻燃沥青延度的影响同样有着相近的变化趋势，即都呈现先上升后下降的变化趋势，只是相同粒度范围的 BFR-Ti阻燃沥青的延度明显优于BFR阻燃沥青的延度。这是因为当沥青阻燃剂的粒度在一定范围之内时，沥青阻燃剂能够较均匀地分散在沥青中，并随着粒度的减小，低温延度增加；当粒度进一步减小到一定程度时，部分沥青阻燃剂由于团聚现象在沥青中分布不均，在沥青介质的某些区域形成应力集中点，容易脆断，故延度降低。但又由于 BFR 和BFR-Ti自身的表面性能的差异导致它们与沥青相容性的较大差异，反映出低温延度的优劣。BFR-Ti阻燃沥青明显高于 BFR阻燃沥青。从拟合曲线分析，BFR
50、阻燃沥青的低温延度在 1250 目附近达到峰值（24.2mm），BFR-Ti阻燃沥青的低温延度均在 2000 目附近达到峰值。而 2000 目是粒度范围为 1500 2000目沥青阻燃剂与粒度范围为2000 2500 目沥青阻燃剂沥青阻燃剂的临界点。从低温延度的测试结果看，粒度范围为1500 2000目沥青阻燃剂的低温延度稍好于粒度范围为2000 2500目沥青阻燃剂。相对于BFR阻燃沥青的延度曲线，BFR-Ti 阻燃沥青的延度曲线的峰值向右、向上移动，“向右”增大了沥青阻燃剂最大允许的目数，“向上”则是增大了低温延度值，即低温延展性。3.2.2 沥青阻燃剂粒度对阻燃沥青氧指数的影响沥青阻燃是
