纳米改性沥青路面材料性能研究

发布时间：2016-08-09 07:16

第 1 章   绪论 

1.1   研究背景 
从结构特点来说，沥青路面无纵横缝、表面平整、车辆行驶震动小，上面层存在不同程度的构造深度，没有剧烈眩光，对车辆行驶安全有益；从施工工艺来说，沥青路面机械化使用程度高，不需要养护即可快速通行车辆，且能够原地修复破损、分段施工。由于这些独特的优点，沥青路面被广泛应用于各级道路，在高速公路上应用率甚至达到90%。从九八年起的十五年间，我国石油沥青消费由 3140000 t 增长到约 22500000 t，其中大部分应用在道路上。道路沥青的消费从 1991 年的 1.84×106t，增加到 2013 年的2.21×107t。2005 年改性道路沥青的使用额是 1.35×106吨，截止到 2013 年改性沥青使用量以每年百分之十四的比率增长。然而由于车辆保有量的急剧增长，行车超、过载，渠化交通，气候及降水量差异等因素的影响，沥青面层过早出现拥包、车辙、裂缝等初期破坏。试验和理论研究证明：沥青是影响路面路用质量的关键指标之一[1][2]。因此，如何增强沥青及混合料的性能已成为道路工作者面临的主要问题。 针对沥青路面出现的各种病害，国内外一部分道路工作者从材料方面进行了研究和探索，改性沥青便应运而生。改性沥青是通过在基质沥青中掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉、其他填料等外掺剂使沥青或混合料的性能得到改善[3]。常用的改性方法主要有：掺改性剂、物理改性、工艺改性以及调和沥青[4]。目前从沥青性能试验分析、改性剂研发、施工实际情形来看，沥青改性剂虽然多种多样，但鉴于材料价格高、性能不足、货源窄、制备过程难等原因，能够工业化生产、大范围用于路面施工的改性剂较少，应用较多的改性剂主要是高分子聚合物[5]。与基质沥青相比，聚合物改性沥青可以大幅度改善高温稳定性和低温柔性，特别是 SBS、SBR 改性沥青[6-8]。但添加聚合物后改性沥青仍然存在着很多不足：易老化、降解，降低了沥青的路用性能，从而缩短了沥青路面的使用寿命；聚合物与沥青相容性差，易发生分层与离析[9]。如传统的 SBS 改性沥青，SBS 是均匀地分散和吸附在沥青中，与沥青之间不存在化学反应，仅仅是物理意义上的混溶，很容易发生离析现象[10][11]。 
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1.2   国内外研究现状
纳米技术问世于二十世纪八十年代末，可以说欧洲是纳米科学技术的源头，1986年瑞士海因里希?罗雷尔和歌德?宾尼格因发明扫描式隧道效应显微镜获得诺贝尔物理奖，开启了纳米技术研究的先河[17]。最初提出纳米技术的是美国理论物理学家 Feydrman，他在 1955-1959 年提出了纳米技术的构想。1962 年日本上田良二首次提到“超微颗粒”，研究界开始逐渐接受、关注超微颗粒[18]。1974 年，“纳米技术”一词首次由日本的 Taniguchi使用，用来描绘细密机械加工[19]。 1971 年国际上首次出现了 2 项纳米催化剂专利申请，其后直到 1996 年在长达 16年的时间内全球原创专利申请不超过 10 件，这段时间属于纳米材料的提出、起步和探索阶段，大多研究都是在实验室中行的，实际应用程度非常低。自 1997 年开始，纳米催化剂专利申请量快速上升，从 1997 年 24 项到 2001 年首次突破一百项，达到 111 项，在短短的 4 年内增长了接近 5 倍。纳米催化剂专利申请的这种飞速增长态势，与进入新世纪以来世界各国政府尤其是发达国家，从国家层面对纳米材料发展的战略部署密切相关。到 2013 年 9 月，德温特 WPI 数据库中检索到涉及纳米催化剂的全球专利申请已达5202 项[20]。我国从 1985 年开始了扫描式隧道效应显微镜及纳米尺度的研究，从 80 年代后期展开了纳米技术的研究，90 年代后期，科学技术部拟定了数个纳米技术的国家研究项目。2001 年 7 月上海在全国率先建立了“纳米科技与产业发展促进中心”，加速了我国纳米技术的研究发展进程。 根据空间结构的不同，纳米材料可分为四种类型：零维，长、宽、高尺度全部在纳米级别，即纳米粒子；一维，有两个方向长度是纳米量级；二维，只有一维尺度处于1-100nm 之间；三维，由晶粒结构组成的块体。低维纳米物质是高维纳米物质的组成单元，具有特殊性能，对所组成的材料的根本性能有很大的影响[21][22]。 
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第 2 章   原材料 

本章对试验研究用原材料进行技术指标检测。基质沥青采用盘锦 90#重交通石油沥青，试验用的纳米材料分别是北京嘉安恒科技有限公司生产的氧化物纳米 Ti O2、纳米Si O2、纳米 Zn O；吉林大学化学学院开发研制的复合纳米 Ti O2/Ca CO3；灵寿县永鑫矿物粉体厂制备的纳米蒙脱土和纳米硅藻土。并对沥青混合料所用的石料与矿粉进行技术指标检验。 

2.1   基质沥青 
基质沥青采用盘锦 90#重交通石油沥青，其基本技术指标如下表 2.1 所示。由试验结果可以看出：AH-90 沥青的各项指标均能够满足《公路沥青路面施工技术规范》要求。纳米氧化物指的是粒径达到纳米级的氧化物，具有独特的物理和化学性质，国际上把其称为第四代催化剂。鉴于能够借助机械控制粒径的长短、粒径小、比表面积大、材料内部和表面的键态各异、表面原子配位不足等优点，使纳米氧化物颗粒表面产生更多的活性部位。此外，当减小粒径时，颗粒表面产生更差的表面光滑度以及更多坑坑洼洼的原子台阶，与其他物质发生化学反应的反应面更大。
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2.2   纳米材料 

纳米材料的种类多种多样，但在纳米级别上的特征存在很多不同之处。当纳米材料粒径变小时，表面原子数目随粒径的减少急剧增加，晶体表面原子数占总原子数之比迅速上升，比表面积增高，材料性质发生根本的改变。选择纳米材料时，主要按照以下原则： （1）纳米材料应具有广泛的应用前景，否则，研究就不存在现实意义； （2）优先选择粒径小、比表面积高的纳米材料，它们的表面原子配位严重不足，容易与其他物质结合生成新的化学键； （3）考虑到能否有利于大面积推广使用，优先选择现已工业化生产的纳米材料； （4）优先选用原材料储量丰富的纳米材料，储量越大，应用前景越好，越能为社会创造更多的经济效益。 根据以上原则，本文选用纳米氧化物（纳米 Ti O2、纳米 Si O2、纳米 Zn O）、复合纳米 Ti O2/Ca CO3、纳米层状硅酸盐（纳米蒙脱土、纳米硅藻土）六种纳米材料。其中，纳米 Ti O2、纳米 Si O2、纳米 Zn O 粒径小、比表面积大；纳米 Zn O、纳米 Ti O2/Ca CO3 现都已工业化量产，特别是纳米 Ti O2/Ca CO3 是吉林大学化学院研发的新材料，生产厂家位于长春市，使用非常方便；纳米蒙脱土是现阶段研究应用最多的层状材料；硅藻土属于非金属矿产资源，吉林省现已探明发现了 70 余处的硅藻土矿，仅长白山地区储存量就高达 6×107t，应用前景巨大。 

 

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第 3 章  纳米改性沥青材料比选和制备工艺 .... 13 
3.1  改性沥青的制备与比选 ...... 13 
3.1.1  纳米改性沥青制备 ...... 13
3.1.2  试验结果分析与纳米材料比选 ...... 14 
3.2  改性沥青实验室最佳制备工艺 .......... 22 
3.2.1  最佳制备工艺 .......... 23 
3.2.2  纳米材料最优掺量 ...... 29 
3.3  改性沥青制备过程中各因素的影响程度分析 ........ 32 
3.4  本章小结 ........ 34 
第 4 章  纳米改性沥青改性机理分析 .......... 35 
4.1  激光共焦扫描电子显微镜分析 .......... 35
4.2  红外光谱分析 .... 36 
4.3  X 射线衍射图谱分析 ........ 39 
4.4  复合纳米 Ti O2/Ca CO3改性机理分析 ...... 41 
4.5  本章小结 ........ 42 
第 5 章  复合纳米改性沥青的路用性能及工程应用 ........ 43 
5.1  AC-13C 沥青混合料配合比 ............. 43 
5.2  最佳油石比 ...... 44 
5.3  沥青混合料的路用性能 ...... 49
5.4  实际工程的铺筑及施工 ...... 55
5.5  效益分析 ........ 59 
5.6  本章小结 ........ 60 

第 5 章   复合纳米改性沥青的路用性能及工程应用 

本论文依托国道珲乌公路安图至哈尔巴岭段工程项目，将纳米 Ti O2/Ca CO3 改性沥青用于其上面层，采用 AC-13C 型沥青混合料，厚度 4cm。基于珲乌公路所处的地理位置、气候条件和公路等级，在进行上面层 AC-13 沥青混合料实验室性能分析时，主要考虑沥青混合料的抗高温、低温及抗水损害的能力，同时作为直接受力层，其抗滑能力也是需要重点考虑的路用指标。 

5.1   AC-13C 沥青混合料配合比 
论文采用的集料由珲乌公路项目部提供，集料粒径规格分别为 9.5～16mm、4.75～9.5mm、2.36～4.75mm 和 0～2.36mm 四档，分别对应于 1#料-4#料，其中石料为福兴采石场出产的玄武岩，矿粉则是由安图石灰岩矿粉厂生产，复合改性剂来自长春双阳天成高新纳米复合材料有限公司。为了便于比较，论文采用施工项目部配合比作为实验室配合比进行沥青混合料路用性能试验。相应的矿料筛分结果和混合料配合比如下表 5.1、图 5.1 所示。依据上面层 AC-13C 的合成级配，计算各种材料用量以拌制混合料。其中，试验材料在高温烘箱中保持以下温度：90#石油沥青 155℃左右、Ti O2/Ca CO3/AH90#复合改性沥青 165℃左右、矿料 175℃、拌合时拌合锅 165℃上下、马歇尔试件成型 145℃-155℃。 实验室纳米 Ti O2/Ca CO3 改性沥青混合料拌合 方案为：方案Ⅰ - 将复合纳米Ti O2/Ca CO3 加入到熔融的基质沥青中高速剪切制备改性沥青，然后用此改性沥青拌沥青混合料。考虑到项目施工现场地理位置及机械设备情况，现场无改性用高速剪切仪器，不能按实验室方案Ⅰ拌混合料。论文提出了解决方案：方案Ⅱ-不用高速剪切机制备改性沥青，而是在混合料拌合时，将复合纳米粉体与矿粉同时加入到集料中进行搅拌。为了判断方案Ⅱ中混合料的路用性能能否达到实验室方案Ⅰ的水平，按照上述两种方案，分别计算最佳油石比，以此成型马歇尔试件、车辙试件，完成马歇尔、车辙、低温弯曲、冻融劈裂及浸水马歇尔试验，综合比选两方案混合料路用性能。若方案Ⅰ和方案Ⅱ性能相当，则在铺筑试验路过程中采用方案Ⅱ工艺作为混合料拌合工艺；若两者相差较大，方案Ⅱ成型的试件性能较方案Ⅰ混合料降低较多，则说明方案Ⅱ不能够满足需要，则需提出新的解决方案，再进行相关的对比分析。 
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结论 

本论文通过对六种纳米改性沥青试验指标的对比分析，优选了适合季冻区沥青路面的纳米改性剂，对所选纳米改性沥青的性能、制备工艺、混合料配合比设计以及混合料路用性能进行了全面的研究，结合实体工程铺筑了试验路段，论文主要结论如下： 
（1）对六种纳米粉体制备的改性沥青展开试验研究，对比 3%和 5%纳米 Ti O2、纳米 Si O2、纳米 Zn O、复合纳米 Ti O2/Ca CO3、纳米蒙脱土、纳米硅藻土六种纳米改性剂的针入度、延度、软化点和抗老化能力，结合不同纳米材料的比重、在沥青中分散的难易程度、施工中的可行性、经济性以及吉林省的气候特点，优选复合纳米 Ti O2/Ca CO3作为季冻区沥青路面改性剂。 
（2）考虑不同制备工艺下纳米改性沥青的性能指标，并依据材料自身的物理力学性质和实验室实际条件，推荐高速剪切法作为基本的制备仪器，并根据试验和理论分析敲定了纳米改性沥青制取步骤中的反应温度、剪切机搅拌转动速度、剪切时间和改性剂掺量等制备工艺参数，提出了复合纳米 Ti O2/Ca CO3 改性沥青最优实验室制备过程：熔融反应温度为 160-170℃，高速剪切机转动速度在 5000-6000 转/分之间，，剪切转动时间30-40 分钟，纳米含量为沥青用量的 5%；同时分析了保温时间及冷却时间对改性沥青的影响，通过对比 165℃保温 2h 和自然冷却 24h 后复合纳米 Ti O2/Ca CO3 改性沥青性能，发现并没有良好的改善作用；最后运用邓氏关联理论分析了各因素的影响程度，得出在纳米 Ti O2/Ca CO3 改性沥青制备工艺中，纳米 Ti O2/Ca CO3 用量最为重要，其次为熔融反应温度、剪切时间，最后为剪切机转速。 
（3）纳米 Ti O2/Ca CO3 的添加对 AH-90 沥青性能指标的改善具有显著的效果，如针入度减小、软化点上升都说明了其良好的高温稳定性；温度敏感性降低，老化性能提高说明纳米材料可以增强沥青的稳定性；而不同纳米改性剂对基质沥青低温性能的影响差异显著。以空白基质沥青试样作为对比，最佳工艺条件下制备的 5%复合纳米改性沥青将 25℃针入度降低 19%，TFOT 老化后的 10℃残留延度提高了 83%，25℃残留针入度比则达到原来的 140%，老化点前后的软化点变化值仅为基质沥青的 43%，但 10℃的延度则有所降低，却仍达到 84.7cm，能够满足要求。
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参考文献(略) 

本文编号：89307