SBR胶乳和纳米二氧化硅复合改性乳化沥青及其混合料性能分析毕业论文
2020-02-14 18:01:47
摘 要
沥青路面随着服役时间的延长，出现病害的几率大幅提升，对病害较重且不能满足使用条件的路面需要将其铣刨，然后进行加铺处理。本文选择冷再生的方式，将废旧沥青混合料（RAP）与乳化沥青等拌和，制备冷再生沥青混合料。为了使再生混合料的性能达到路用要求，采用先乳化再改性的方式，利用丁苯胶乳（SBR）和纳米二氧化硅溶胶（SiO2）对基质乳化沥青复合改性，以提高乳化沥青的性能，从而获得高性能冷再生沥青混合料。
本文首先将SBR胶乳和纳米二氧化硅溶胶分别加入基质乳化沥青中，制备单一改性乳化沥青。利用粘结强度试验和动态剪切流变试验（DSR）测量改性乳化沥青的粘结性能和流变性能，评价单一改性剂对乳化沥青的改性效果，从而确定SBR和纳米二氧化硅的最佳掺量。试验结果表明，SBR胶乳能提升乳化沥青的粘结性能和流变性能，最佳掺量范围在4%～8%，纳米二氧化硅能明显提升乳化沥青的粘结性能，但对流变性能改善不明显，最佳掺量在4%附近。
将最佳掺量范围内的SBR胶乳和纳米二氧化硅溶胶共同加入基质乳化沥青，制备出4%SBR 4%SiO2和8%SBR 4%SiO2两种复合改性乳化沥青，利用粘结强度试验和DSR流变试验测量复合改性乳化沥青的粘结强度和流变性能，并与单一改性乳化沥青进行对比，评价其复合改性效果。试验结果表明，复合改性剂能大幅提升乳化沥青的粘结性能和流变性能，且性能提升效果比两种单一改性剂好。
利用废旧沥青混合料与复合改性乳化沥青等拌和，制备出冷再生混合料。通过浸水马歇尔试验、高温浸水车辙试验和低温三点弯曲试验评价了冷再生混合料的水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性。试验结果表明，制备的冷再生沥青混合料的强度、水稳定性、动稳定度和破坏应变均达到路用标准，具备良好的路用性能。
关键词：冷再生；乳化沥青；单一改性；复合改性；再生混合料
Abstract
As the service time of asphalt pavement extends, the probability of occurrence of disease is greatly increased, The pavements with serious diseases are needed to be milled and resurfaced. This paper chooses the method of cold recycling to mix reclaimed asphalt pavement (RAP) with bitumen emulsion and new aggregate to prepare cold recycled asphalt mixture. In order to make the performance of the recycled mixture meets road requirements, this paper uses styrene-butadiene latex (SBR) and nano-silica (SiO2) to modify bitumen emulsion to improve the performance of cold recycling mixtures.
In this paper, SBR latex and nano-silica were first added to prepare a single modified bitumen emulsion. The bonding strength and rheological properties of modified bitumen emulsion were measured by bonding test and DSR rheological test. Based on the modification effect of single modifier on bitumen emulsion, the optimum dosage of SBR and nano-silica can be determined. The test results showed that SBR latex can improve the bonding performance and rheological properties of bitumen emulsion. The optimum dosage ranged from 4% to 8%. Nano-silica can significantly improve the bonding performance of bitumen emulsion, but can not improve the rheological properties obviously. The optimum dosage of nano-silica is around 4%.
The SBR and nano-silica at their optimal dosages were added to the bitumen emulsion to prepare 4%SBR 4%SiO2 and 8%SBR 4%SiO2 modified bitumen emulsion. The bonding strength and rheological properties of the modified bitumen emulsion were measured by bonding test and DSR rheological test. By comparing with single modified bitumen emulsion, the combined modification effect was evaluated. The test results showed that the combined modifiers can greatly improve the bonding performance and rheological properties, and the improvement was better than the effect of single modifier.
Finally, reclaimed asphalt pavement was mixed with the bitumen emulsion containing 8%SBR 4%SiO2 to prepare cold recycled mixture. The moisture stability, high temperature rutting resistance and low temperature cracking resistance of the cold recycled mixture were evaluated by water-immersion Marshall test, rutting test and three points bending test. The test results showed that the strength, Marshall stability, dynamic stability and failure strain of the prepared cold recycled mixture reached the related requirements and had good performances.
Key Words：cold recycling；Bitumen emulsion；Single modification；Combined modification；Recycled mixture
目录
摘 要 I
Abstract II
目录 IV
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2废旧沥青混合料冷再生研究现状 2
1.3 改性乳化沥青研究现状 3
1.4研究内容与目的 3
第二章 原材料与试验方法 5
2.1 原材料 5
2.1.1 乳化沥青 5
2.1.2 SBR胶乳 5
2.1.3 纳米二氧化硅溶胶 6
2.1.4 废旧沥青混合料 6
2.2 制备方法 7
2.2.1 改性乳化沥青 8
2.2.2 冷再生沥青混合料 8
2.3 试验方法 10
2.3.1 改性乳化沥青 11
2.3.2 冷再生沥青混合料 13
第三章 改性乳化沥青性能分析 17
3.1 SBR改性乳化沥青 17
3.1.1 粘结试验 17
3.1.2 DSR流变性能试验 18
3.2 纳米二氧化硅改性乳化沥青 24
3.2.1 粘结试验 24
3.2.2 DSR流变性试验 25
3.3 SBR与纳米二氧化硅复合改性乳化沥青 30
3.3.1 粘结试验 30
3.3.2 DSR流变性试验 32
3.4 本章小结 37
第四章 冷再生沥青混合料性能研究 38
4.1 马歇尔性能研究 38
4.2 高温浸水稳定性研究 39
4.3 低温三点弯曲性能分析 40
第五章 结论 41
参考文献 42
致谢 43
第一章 绪论
1.1 研究背景
改革开放以来，我国公路现状发生了极大的改善。截至2018年，全国公路总里程达近500万公里，高速公路总里程突破14万公里[1]，分别居世界第二位和第一位。当前我国公路主要以沥青路面为主，实用性较强，养护维修方便，但是由于我国公路交通量大和重载车多，沥青路面老化问题也随着服役时间延长而越来越严重，出现病害的概率大幅提升。沥青路面目前主要病害包括在行车载荷反复作用下，产生的车辙病害；由于外界温度变化，而产生的温缩开裂；集料与沥青界面之间因水分的渗入产生的水损害。对于病害较轻的沥青路面，可以采取预防性处治的方式进行维修和处理，但对于病害较重，不能再满足使用要求的沥青路面，需要将其铣刨进行加铺处理。沥青路面设计年限为15～20年，我国在上世纪90年代建设的高速公路已经步入大中修阶段。近年来，我国加大了对沥青路面再生技术的研究力度，预计在2020年，废旧沥青路面材料（RAP）利用率要达到95%以上[2]。在对废旧沥青混合料的处理上，目前主要研究方法是利用轻质油分再生与软化废旧沥青混合料，使用经过处理的废旧沥青混合料来铺筑路面。经过施工和检测的结果表明，再生后的沥青路面路用性能良好，达到了原有沥青路面的相关性能水平。沥青路面再生技术不仅具有良好的经济效益，还能提高沥青路面的路用性能，因而得到了广泛的关注。当前沥青路面大中修产生大量废旧沥青混合料，同时加铺又要消耗大量优质石料和沥青，因此对废旧沥青路面材料的再生利用，是坚持可持续发展理念下的必然途径。
沥青混合料再生技术是指使经过各种措施处理后沥青路面废料达到路用要求，并重新利用的技术，其包括对旧沥青路面进行铣刨，将得到的废旧沥青混合料筛分，再与新集料和新沥青等重新混合，形成满足路用性能要求的混合料，可用来铺筑沥青路面的结构层。沥青再生技术主要分为冷拌、温拌和热拌再生，图1.1为各种再生方式的能耗对比。热再生混合料强度高，路用性能好，但能源消耗高，施工工艺复杂，对工作条件的要求苛刻，对环境产生一定程度的污染。冷再生混合料便于施工，避免了环境污染的问题，但使用一般乳化沥青形成的混合料成型期长，且混合料中的旧沥青已经老化变硬，导致再生混合料的低温抗裂性能和抗疲劳性能较差，使其铺筑的路面耐久性差，因此需要在乳化沥青中加入改性材料，来提高混合料的路用性能。
图1.1 冷拌、温拌和热拌的能耗对比
1.2废旧沥青混合料冷再生研究现状
沥青路面的冷再生是指将旧沥青路面进行铣刨，在无需加热的条件下，将废旧沥青混合料与新材料拌和得到冷再生混合料，经压实成型后，重新应用于路面的结构层，如低等级公路面层和高速路下面层或基层中。
季节等利用击实试验，确定了水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的最佳击实方式为首先击实50次，然后在110℃的条件下养护24小时，再次击实25次，最后在室温的条件下静置24小时，并将水性环氧树脂改性乳化沥青混合料和热再生沥青混合料的性能进行对比，发现水性环氧树脂改性乳化沥青的疲劳寿命和低温性能只达到相应热拌沥青混合料的10%和80%[3]。刘进祥检测了施工后的冷再生结构层相关性能，发现在严格控制原材料性能和施工工艺的情况下，再生结构层的压实度为了92%，达到了ge;90%的技术要求，平整度在4mm左右，达到了le;8mm的技术要求，具有良好的路用效果[4]。孙斌等利用灰色关联度方法进行数学建模，发现总液体用量、水泥用量和乳化沥青用量对乳化沥青冷再生混合料模量影响较大 [5]。杨太涯对不同水泥掺量、RAP掺量和乳化沥青用量的冷再生沥青混合料的性能进行了对比研究，发现了乳化沥青冷再生混合料中RAP掺量为80%，乳化沥青掺量为4.0%，水泥掺量为2.0%，水3.1%时是各组分的最佳配合比，且再生混合料能满足沥青路面中下面层的使用要求[6]。
目前，将废旧沥青混合料与乳化沥青和新集料等拌和，形成的乳化沥青冷再生混合料能满足沥青路面中下面层的使用要求，但是部分性能与热拌沥青混合料相比较差。考虑到原料中乳化沥青对冷再生乳化沥青混合料的性能影响较大，本文希望通过改善乳化沥青的改性方式，提升乳化沥青冷再生混合料的性能。
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