层状硅酸盐改性沥青及其混合料 路用性能研究与应用

交通部西部交通建设科技项目

合同编号：200631800076

密级:

层状硅酸盐改性沥青及其混合料路用性能研究与应用

研究报告简本

内蒙古自治区交通厅赤通鲁公路建设监督管理办公室

武汉理工大学、长安大学

2010年3月

目录

1. 引言 (1)

2. 项目研究的技术路线 (2)

3. 项目完成的主要研究内容及取得的成果 (4)

4. 项目在依托工程中的推广应用及效益 (6)

5. 项目的技术创新点 (7)

1. 引言

尽管世界各国的气候条件相差十分悬殊，但数十年来各国在高等级公路上主要采用沥青路面，水泥混凝土路面仅占少数。其主要原因是：沥青路面行车舒适、噪音小，养护和使用性能恢复容易，对路基变形的适应性强等。然而，沥青路面也较易产生一些损坏现象，如高温车辙、温度裂缝、疲劳破坏等，从而影响其耐久性。导致沥青路面损坏的因素很多，除设计、施工和材料因素外，环境因素也是沥青路面损坏的主要原因。作为粘结材料的沥青，存在易于老化的缺点，不可避免地会加速路面的损坏。

层状硅酸盐(蒙脱土、累脱石等)已被广泛用于改善聚合物的性能。大量研究表明，少量层状硅酸盐与聚合物形成插层复合材料后，可以显著提高聚合物的力学性能、热性能、气体阻隔性和耐老化性能。利用层状硅酸盐对沥青改性，可以改善沥青的流变性能和耐老化性能。

近些年来，我国实施了西部大开发战略。而西部开发，首先要加快发展公路交通基础设施建设。但西部地区的气候条件对公路路面，尤其是沥青路面的耐久性提出了更为严峻的挑战，西部地区海拔高，紫外线辐射强，日照时间长，路面温度相对较高，导致沥青老化速度快，同时西部地区天气寒冷，使用过程中冷热循环次数多，极易导致已老化沥青路面的损坏。按照《国家高速公路网规划》，到2010年我国高速公路总里程将达到8.5万公里。到2002年底，我国高速公路已建成2.5万公里、在建1.6万公里、待建4.4万公里，分别占总里程的29%、19%和52%。待建里程中，东部地区0.8万公里、中部地区1.2公里、西部地区2.4万公里，今后建设重点将在西部地区。实际上到目前为止，我国高速公路已通车里程超过6万公里，但西部增加里程相对较少。西部地区公路建设普遍存在难度大，费用高的问题，无论从施工建设还是从经济角度考虑，都应努力延长其使用寿命。因此，研究新型改性沥青及其混合料路用性能以满足西部建设之需要，提高沥青路面的性能尤其是抗车辙能力和耐老化能力，不仅十分必要，同时也具有重要的社会经济意义和很大的市场应用前景。

“层状硅酸盐改性沥青及其混合料路用性能研究及应用”是2006年立项的交通部西部交通建设科技项目(项目合同编号：2006 318 000 76)。项目根据内蒙古地区海拔高，紫外线辐射强，日照时间长，昼夜温差大的特点，提出高温差、

高紫外辐照地区沥青路面耐久性问题，研究层状硅酸盐改性沥青的制备及其混合料路用性能，并应用于内蒙地区高速公路工程。

根据可行性研究报告和合同的要求，本项目的总体目标是：通过国内外调研、理论分析、室内试验和实体工程，提出层状硅酸盐改性沥青的制备工艺，建立相关评价指标，同时针对西部地区气候特点，制定层状硅酸盐改性沥青混合料的设计方法，编写层状硅酸盐改性沥青混合料施工技术指南，形成一整套层状硅酸盐改性沥青混凝土的应用技术，达到提高沥青路面的性能尤其是抗车辙能力和抗裂缝能力的目的。

项目由内蒙古自治区交通厅赤通鲁公路建设监督管理办公室和武汉理工大学、长安大学共同承担。项目实施中，在内蒙古交通厅赤通鲁公路建设监督管理办公室领导下，以及各合作单位的密切配合下，进行了大量的试验研究、现场混合料铺筑、理论分析和系统总结。经过近3年的艰苦努力，最终顺利完成了合同和研究大纲规定的各项研究任务，并达到了预期的目标。

本项目以层状硅酸盐改性沥青的制备和层状硅酸盐改性沥青混合料路用性能与应用研究为核心，以提高沥青道路抗车辙性能、抗老化性能，提高路面耐久性为目标，在层状硅酸盐改性沥青的试验室制备、性能表征、现场制备技术以及层状硅酸盐改性沥青混合料级配优化设计、路用性能研究、施工技术等方面取得了一系列成果，提出了层状硅酸盐改性沥青现场制备技术指南和施工技术指南，为该课题研究成果的进一步推广奠定了基础。

2. 项目研究的技术路线

本项目依托内蒙古自治区省际通道支线赤峰至通辽高速公路、通辽至鲁北一级公路建设项目，基于材料科学的基本原理，充分借鉴国内外先进的研究成果和成熟的工程经验，采用微观与宏观相结合的研究方法，进行层状硅酸盐改性沥青及其混合料的路用性能及应用研究。

由于氧及紫外线的作用是引起沥青长期老化的主要原因，而紫外光的影响实际上也与氧的存在密切相关。如果能减少氧向沥青中的渗透扩散，不仅能避免沥青的氧化，而且也能有效减缓沥青的紫外线感光氧化。基于上述分析，本项目的研究思路为：

(1) 通过层状硅酸盐对沥青改性，形成层状硅酸盐/沥青插层复合结构，以改善沥青的流变性能和耐老化性能，提高沥青的高温抗车辙能力和气体阻隔性，减缓氧在沥青中的扩散，改善沥青耐热氧与紫外光氧老化的能力。

(2) 研究层状硅酸盐改性沥青的制备工艺及其结构与性能(流变性能、耐老化性能等)，同时针对西部地区气候特点研究沥青混合料的设计方法、路用性能和施工工艺，制备高耐候性沥青混凝土。

项目研究总体技术路线如图1所示。

图1 项目技术路线图

3. 项目完成的主要研究内容及取得的成果

3.1层状硅酸盐改性沥青的室内制备

通过对比不同层状硅酸盐改性剂改性沥青的性能，选择适合沥青改性的改性剂。采用针入度、软化点、粘度来评价改性沥青老化前后的物理性能，使用动态剪切流变仪(DSR)进行改性沥青的动态流变性能的测试，并对层状硅酸盐改性沥青的热储存稳定性进行研究，最后对该项目沥青的抗老化性能进行了研究，从微观角度提出了层状硅酸盐改性沥青的抗老化机理。

(1) 层状硅酸盐改性剂的选取。选取钠基蒙脱土、有机化蒙脱土和累托石等三种层状硅酸盐：a) 在1%、2%、3%、4%四种掺量下，对3种不同产地基质沥青(包括内蒙地区常用沥青)进行熔体插层改性；b) 改性温度分别为130℃、150℃、170℃；c) 改性时间分别为1h、2h、3h。在不同改性条件下：d) 采用X 射线衍射分析(XRD)，观测硅酸盐的层间距变化；e) 运用原子力显微镜(AFM)技术，表征硅酸盐片层在基质沥青中分布及排列状态。根据以上测试手段，选择和确定更易在沥青介质中形成插层或剥离结构的硅酸盐种类及试验条件。

(2) 层状硅酸盐改性沥青常规性能。通过以下评价指标：a) 软化点；b) 针入度；c) 延度；d) 粘度；e) PG分级。研究不同掺量下层状硅酸盐对基质沥青物理性能的影响。

(3) 层状硅酸盐改性沥青流变性能。研究包括：a) 改变剪切流变仪(DSR)的频率，研究层状硅酸盐对沥青剪切复合模量(G*)、相位角(δ)、车辙因子(G*/sinδ)等流变性能的影响；b) 采用动态机械分析仪(DMA)，测定改性沥青在不同温度、不同频率下的弹性复合模量；c) 采用BBR试验对沥青的低温流变性能进行评价。

(4) 层状硅酸盐改性沥青热储存稳定性。通过离析试验研究不同种类和不同掺量层状硅酸盐改性沥青的热储存稳定性。

(5) 层状硅酸盐改性沥青的抗老化性能。研究包括：a) 通过TFOT、RTFOT、PA V压力老化，结合沥青常规性能、流变性能试验，研究层状硅酸盐改性沥青抗热氧老化性能；b) 采用紫外线老化环境箱，改变紫外线强度及老化时间，通过老化后前沥青性能、组分变化，研究该改性沥青的抗紫外光老化能力；c) 借助傅立叶变换红外光谱(FT-IR)对沥青老化前后分子中的羰基、砜基、甲基、亚甲基、芳香环以及分子结构的总体特征变化进行分析。

3.2层状硅酸盐改性沥青混合料的制备和性能研究

应用SHRP级配设计方法和贝雷参数法对层状硅酸盐改性沥青混合料进行了级配优化设计，并在试验室制备了混合料，对其高温抗车辙能力进行了研究，采用万能试验机(UTM)对混合料的疲劳性能、低温抗裂性能进行了研究。

(1) 沥青混合料的级配优化与制备。结合Superpave技术与贝雷法，进行混合料配合比设计。采用旋转压实成型试件，改变贝雷法参数(CA、Fac、Faf)，研究其与混合料体积性能的关系，并通过路用性能试验，对不同公称粒径的级配曲线进行优化。

(2) 沥青混合料性能研究，研究包括：a）疲劳性能采用UTM动态伺服系统，改变四点弯曲疲劳试验中的控制方式(应力、应变)及参数，进行层状硅酸盐改性沥青混合料与基质沥青混合料疲劳性能对比研究；采用恒温烘箱对混合料进行热氧老化，然后采用紫外老化箱对混合料进行光氧老化，研究两种混合料在经历多重老化后的疲劳特性；b）抗高温变形性能采用车辙试验仪，研究对比基质沥青与改性沥青混合料抗高温变形能力；根据依托工程实际路面结构形式和厚度，制备全厚式混凝土试件，模拟层状硅酸盐改性沥青在实际路面中的抗高温变形能力。c）抗低温开裂性能采用UTM试验系统，测定沥青混合料的低温抗裂性能和动态模量；通过沥青混合料低温弯曲蠕变试验确定不同低温条件下的破坏能Wf。

3.3层状硅酸盐改性沥青的应用技术研究

在通辽市壳牌沥青公司的协助下，对层状硅酸盐改性沥青的工业制备技术进行了研究，提出了工业制备技术指南；在通下高速公路十四标段进行了长达两公里的层状硅酸盐改性沥青混合料试验路的铺筑，总结了施工中各个细节的经验，制定了层状硅酸盐改性沥青混合料现场施工技术指南，为层状硅酸盐改性沥青的实际推广应用提供指导。

(1) 层状硅酸盐改性沥青的工业制备技术。寻找一种简单、方便、实用的便于工业化生产的制备设备，使沥青分子扩散并插入到层状硅酸盐片层间；针对所选设备的机械性能和层状硅酸盐及沥青的材料特性确定层状硅酸盐改性沥青工业化制备过程中的机械参数、工艺参数和质量控制要求；研究层状硅酸盐改性沥青贮存和运输过程中的离析程度与控制措施。

(2) 层状硅酸盐改性沥青混合料的拌和技术。研究包括：a）影响搅拌设备拌和质量的因素；b）搅拌设备的配置与性能要求；c）对设备的结构要求与搅拌设备生产能力确定；d）混合料级配控制与生产配合比确定；e）质量检验与数据处理方法。

(3) 层状硅酸盐改性沥青混合料的摊铺与压实技术。研究包括：a）摊铺机系统配置要求；b）摊铺机工作特性；c）摊铺基准特性；d）调平系统配置；e）摊铺工艺；6)压实机械类型确定；7)振动参数确定；8)碾压规则与碾压工艺

(4) 设备之间合理匹配技术研究。在沥青路面施工中，搅拌设备，摊铺设备，运输车，碾压设备的性能和协调工作能力直接影响施工质量，各机型之间既相互联系又相互制约，只有正确的选择各机型的工作参数，并保证机型之间有合理的匹配关系，才能充分发挥各机型的总体效能，从而获得较高的技术经济指标和较高的施工质量。

4. 项目在依托工程中的推广应用及效益

本项目依托工程为内蒙古自治区省际通道支线赤峰至通辽高速公路、通辽至鲁北一级公路建设项目。省际通道支线赤峰至通辽至鲁北全长515.09公里，其中：高速公路351.921公里，一级公路163.169公里，连接线全长125.923公里。赤通鲁高速公路建设沿线温差大，紫外线辐射强度高，依托工程不可避免的会发生沥青路面的耐久性和高温车辙问题。进行“层状硅酸盐改性沥青及其混合料路用性能研究与应用”项目的研究，能有效解决沥青路面的耐久性、开裂及高温车辙问题，提高路面质量。

在内蒙赤通鲁高速公路路面建设中，铺筑了2公里的层状硅酸盐改性沥青混凝土路面试验段。本项目的实施，为内蒙赤通鲁高速公路的长寿命沥青路面的建设提供了技术支撑，有利于促进层状硅酸盐改性沥青混凝土在西部高速公路沥青路面建设中的推广应用。

（1）在依托工程实践中研究合理的施工工艺，探讨施工设备改进措施与质量控制手段，沥青面层施工质量明显改善，跟踪观测结果表明，试验段历经3年的运营，外观良好，没有出现高温车辙、水损害和裂缝等早期病害。

（2）在沥青路面工程建设中，采用层状硅酸盐改性沥青取代SBS改性沥青，

每公里可节省沥青费用5.18 万元，技术经济性能良好。

（3）目前普通沥青混合料高速公路设计年限按15年计算，层状硅酸盐改性沥青的路面可延长使用寿命30％，即与普通高速公路路面相比，可多使用4~5年。而普通沥青路面需大修一次才可达到同等使用寿命。减少大修一次，每公里可节省费用约71万元。

5. 项目的技术创新点

(1) 采用熔融共混插层的方法成功地制备了层状硅酸盐改性沥青。普通层状硅酸盐在沥青中主要形成插层型结构，而有机化层状硅酸盐在沥青中可形成剥离型结构。

(2) 层状硅酸盐改性沥青流变性能研究表明，层状硅酸盐的加入会显著增大沥青的车辙因子(G*/sinδ)，提高沥青抗车辙变形的能力。当OMMT用量为4%时，可使沥青的最高设计温度提高一个PG等级。层状硅酸盐的加入，基本上不影响沥青的低温劲度模量S与蠕变速率m，而抗疲劳性能有明显的提高。

(3) 层状硅酸盐与基质沥青之间相容性很好，层状硅酸盐改性沥青具有优良的高温存储稳定性。

(4) OMMT的加入明显降低了沥青在热氧和光氧老化过程中软化点和粘度的增加。PA V老化后，改性沥青的粘度增加率降低了21%，残留针入度比达到了61%，显著提高了沥青的抗老化能力。

(5) 层状硅酸盐改性沥青抗高温变形能力较基质沥青明显提高，动稳定度提高了37%。此外，其马歇尔稳定度和残留劈裂强度均优于基质沥青混合料。

(6) 热氧和光氧老化后，层状硅酸盐改性沥青混合料的疲劳寿命较基质沥青混合料平均提高了38%。

(7) 层状硅酸盐改性沥青实现了工业化生产，采用层状硅酸盐改性沥青制备的沥青混合料成功地应用于内蒙古自治区省际通道支线赤峰至通辽高速公路、通辽至鲁北一级公路建设中，取得了显著的社会经济效益，推广应用前景广阔。