接枝型改性沥青在杭州湾跨海大桥的应用研究.pdf

新型建筑材料圆园23援100引言随着车流量的急增，工程材料的性能提升迫在眉睫。高强、轻质、耐久、环保、可循环降解是当今材料发展的主要方向。杭州湾跨海大桥全长 36 km，由于跨海大桥长时间暴露于日照之下，所受紫外线辐射较高。同时海洋环境下，海水富含的盐分与氯离子对于桥面具有一定的侵蚀作用，日常维修也较为困难。以往研究表明1-2，由于大桥上车辆荷载的反复作用以及长期遭受氧气、雨水等气候变化的共同作用，路面通常储存水分而导致通过沥青面层中的孔隙不断对混合料进行冲刷与剥离，造成沥青路面发生老化。考虑到以上因素，如何提高桥面主要原材料即石料粘结剂沥青的内聚力是研究的主要任务。传统改性沥青胶结料的粘接力、力学流变性能相对较差3，因此制备的沥青混合料路用性能耐久性较差4。本研究针对接枝型改性沥青在杭州湾跨海大桥的应用研究洪峰1，汤薇1，孔德玉2，杨林江3（1.绍兴职业技术学院，浙江 绍兴312000；2.浙江工业大学，浙江 杭州310014；3.兰亭工程技术研究院，浙江 绍兴312000）摘要：利用接枝反应剂（TW-1）与高温分散偶联剂（TW-2）按一定比例混合为改性接枝剂（LTTW-1），以此制备接枝型改性沥青，其对石料的粘接性明显优于常规改性沥青。对于 LTTW-1 在改性沥青中的反应机理进行分析，同时对接枝型改性沥青的运动黏度、低温抗裂性与老化性能进行测试。结果表明：经 LTTW-1 接枝改性后，接枝剂的网状空间结构大大提升了沥青内聚力，其 60 益的动力黏度、流变学的内聚力相应提高，所制备的沥青混合料运动黏度、低温抗裂性与抗老化性能与 SBS 改性沥青混合料相比均有大幅提高，用于杭州湾跨海大桥作为桥面铺装材料，大幅提高了桥面铺装的耐久性。关键词：接枝型改性沥青；桥面铺装；空间网络结构；路用性能中图分类号：TU535文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）10-0072-04Research on the application of grafted special asphalt in Hangzhou Bay BridgeHONG Feng1，TANG Wei1，KONG Deyu2，YANG Linjiang3（1.Shaoxing Vocational and Technical College，Shaoxing 312000，China；2.Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China；3.Lanting Engineering Technology Research Institute，Shaoxing 312000，China）Abstract：A modified grafting agent（LTTW-1）was prepared by mixing grafting reaction agent（TW-1）and high-temperaturedispersion coupling agent（TW-2）in a certain proportion to prepare grafted modified asphalt.This asphalt has significantly betteradhesion to stone than conventional modified asphalt.This study analyzes the reaction mechanism of LTTW-1 in modified asphalt，and tests the kinematic viscosity，low-temperature cracking resistance，and aging performance of grafted modified asphalt.The resultsshow that after LTTW-1 grafting modification，the network space structure of the grafting agent greatly improves the cohesion of as原phalt，and its 60 益 dynamic viscosity and rheological cohesion are correspondingly improved.The kinematic viscosity，low tempera原ture cracking resistance and aging resistance of the prepared asphalt mixture are significantly improved compared with SBS modi原fied asphalt mixture.The durability of bridge deck pavement is greatly improved when it is used as a bridge deck pavement mate原rial for Hangzhou Bay Sea Crossing Bridge.Key words：grafted modified asphalt，bridge deck pavement，space network structure，road performance基金项目：国家“863”计划项目（2008A070803）；浙江省建设科研项目（2020K160）收稿日期：2023-07-12；修订日期：2023-07-28作者简介：洪峰，男，1987 年生，硕士，从事工程材料的研究、应用与教学，E-mail：。通讯作者：孔德玉，博士，教授，E-mail：。中国科技核心期刊72晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂杭州湾跨海大桥桥面沥青混合料的高耐久性需求，开发一种复合接枝改性剂，对沥青进行接枝改性，同时对接枝型改性沥青的运动黏度、低温抗裂性与老化性能进行测试。1试验1.1主要原材料（1）基质沥青：70#重交沥青，分别采用中油牌，软化点46.3 益；中海牌，软化点 46 益；进口科威特牌，软化点 45.6 益；复配基质沥青，软化点 46.2 益；克拉玛依牌，软化点 46.1 益；韩国进口 SK 牌，软化点 45.2 益；进口埃索牌，软化点 46 益；台湾 CPC 牌，软化点 46.0 益。（2）聚乙烯蜡：白色，片状，相对分子质量 10004000，熔点 95 益左右。（3）RRM 再生剂：主要成分为二硫化二烯丙基（DADS）及环状一硫化物、多硫化物、各种二硫化物以及砜类化合物等。（4）聚合稳定剂：DOWFAX，陶氏化学。（5）SBS 改性沥青：I-D 级，软化点 85益，5益延伸度 25 cm；接枝反应剂（TW-1）：自制；高温分散偶联剂（TW-2）：有机硅类。（6）抗紫外线吸收剂：UV-32，白色粉末状，南京华立明。（7）集料：粗集料，粒径分别为 5耀10 mm、10耀15 mm、15耀20 mm 石灰岩；机制砂，粒径 0耀3 mm。1.2主要设备仪器SBS 改性沥青胶体磨：LT03-01，兰亭工程技术研究院生产；沥青动力黏度试验器（真空减压毛细管法）：上海土工实验仪器有限公司生产；基质沥青四组分分析仪：SYD-0618，上虞建科仪器有限公司生产。1.3接枝型 SBS 改性沥青的制备将接枝反应剂（TW-1）与高温分散偶联剂（TW-2）按一定比例混合，制得抗紫外线吸收剂，将聚乙烯蜡升温至 130益左右，然后加入 2%RRM 再生剂及 0.3%聚合稳定剂、0.3%0.5%抗紫外线吸收剂，即制得接枝剂（LTTW-1）。根据 JTG F402004 公路沥青路面施工技术规范 中沥青混合料配合比试验方法，以石灰岩集料、玄武岩集料和石灰岩矿粉配制沥青混合料（SMA-13 型）。同时利用接枝剂（LTTW-1）、SBS 改性剂对 70#复配基质沥青（简称基质沥青）进行改性。将基质沥青升温至 170 益，同时加入制备好的LTTW-1（基质沥青质量的 0.05%）及 SBS 改性剂（基质沥青质量的 4.5%），以 3000 r/min、170175 益剪切 5 min，继续以1000 r/min 搅拌 180 min，制得接枝型 SBS 改性沥青。1.4测试与表征所有测试方法及检测依据 JTG F402004、JTG E202011 公路工程沥青及沥青混合料试验规程。荧光显微镜分析：将沥青加热至流动状态，在载玻片上滴加少量沥青，使之形成薄膜，并采用日本 OLYMPUS BX51 型荧光显微镜（FM）观察沥青的微观结构。动力黏度分析：采用毛细管法，在控制真空度和温度的情况下，测试一定体积的液体流过毛细管所需的时间。低温抗裂性能：在 5 益下，采用延度仪测试，将沥青试样制成 8 字形标准试模，在规定的拉伸速度（5 cm/min）下拉断时延伸长度用以表征低温抗裂性能。老化性能分析：通过低温吸氧试验测试沥青及其组分的吸氧性能和动力学，以此表征沥青的老化性能。2结果与分析2.1接枝型 SBS 改性沥青2.1.1重交沥青化学组分分析沥青在空气中长时间暴露，易吸收紫外线而失去黏弹性，即所谓的空气老化5。不同品牌 70#重交沥青化学组成及相容稳定性与反应活性见表 1。表 1不同品牌 70#重交沥青化学组成及相容稳定性与反应活性由表 1 可见，单一沥青均不能很好地满足接枝反应条件。应考虑沥青四组分活性联合应用，合理控制与分配四组份含量是接枝反应的基础。利用多种基质沥青复配复合基质沥青，其复配方法为，采用沥青四组分分析仪检测各种沥青的组分比例，复配芳香分高，沥青质与饱和分比例低的复合沥青，以达到满足接枝反应沥青中活性键比例。2.1.2接枝型 SBS 改性沥青荧光分析利用荧光显微镜分析，观察 170 益掺入 LTTW-1 与不掺入 LTTW-1 沥青在反应 30 min 过程取样分析荧光 400 倍的微观状态，如图 1 所示。沥青品牌化学组成/%相容稳定性与反应活性饱和分芳香分胶质沥青质中海17.933.243.85.1较差科威特8.252.432.17.3一般克拉玛依27.925.745.60.6差SK9.949.931.09.7一般埃索7.854.128.99.14一般CPC8.454.527.89.4一般中油16.742.226.914.1差复配8.252.634.54.7好洪峰，等：接枝型改性沥青在杭州湾跨海大桥的应用研究73新型建筑材料圆园23援10图 1SBS 改性沥青荧光分析照片由图 1 可以看出，基质沥青中 SBS 为连续相，但尚未形成网络结构；而加入 LTTW-1 的改性沥青 SBS 网络结构已基本形成。这表明在高针入度沥青中，SBS 易于溶解分散，LTTW-1 接枝剂的加入可以形成完善的网络结构，其空间网络结构大大提高了接枝型改性沥青与石料间的内聚力。2.2LTTW-1 对沥青动力黏度的影响60 益动力黏度与沥青的分子结构和组成密切相关，它不仅是沥青流动能力的物理参数，而且是评价沥青材料高温稳定性的关键性指标。以往研究表明6-7，利用高分子材料增大改性沥青 60 益动力黏度（分子间内聚力）的同时，易导致 135益运动黏度即施工黏度增大。这导致拌合均匀性与施工和易性受影响，需要提高施工拌合温度与摊铺温度来保证混凝土的和易性，增加能耗。LTTW-1 型改性接枝剂的加入可以克服60 益动力黏度与 135 益运动黏度相矛盾的难题。利用动力黏度分析，在不同反应时间（从加入 LTTW-1 开始计时）下接枝型改性沥青在 60 益下动力黏度和 135 益下运动黏度状态，结果如图 2 所示。图 2LTTW-1 对改性沥青 60 益动力黏度与 135 益运动黏度的影响由图 2 可以看出，随着反应时间的延长，接枝型改性沥青60 益动力黏度呈增大的趋势，而 135 益运动黏度则逐步减小。当反应时间小于 1.0 h 时，60 益动力黏度增长较为缓慢。随着反应时间的延长，其动力黏度迅速增大。2.5 h 时，60 益动力黏度最大，为 92 100 Pa s。对于 135 益运动黏度，当反应时间小于 2.0 h 时，沥青的动力黏度迅速减小，2.5 h 时动力黏度趋于稳定。这表明 LTTW-1 型改性接枝剂的加入可以克服 60 益动力黏度与135 益运动黏度相矛盾的难题，使得内聚力黏度增大的同时拌合黏度减小。LTTW-1 型改性接枝剂在拌合时有效改善沥青对集料的浸润速率，同时提高改性沥青在石料表面的黏聚力和覆盖率。2.3LTTW-1 对沥青低温抗裂性能的影响沥青混合料的低温抗裂性能是沥青混合料使用中最为关键的性能之一，是导致沥青路面在低温收缩时出现裂缝的主要原因。以往的研究表明8-9，沥青路面的低温开裂有 2 种形式：一种是温度急剧变化导致面层温度收缩，从而导致约束的沥青层内部产生的温度应力超过其抗拉强度，使压实的沥青混合料开裂；另一种原因则是在常温条件下，沥青混合料的劲度较低，在气温下降时其应变能力急剧降低，导致材料的劲度模量急剧增大，超过了开裂的极限劲度，从而导致材料开裂。因此，对于沥青混合料，在低温条件下达到高的强度、高抗变形能力和较强的应力松弛能力，是具有较好低温抗裂性能的基础。图 3 为 LTTW-1 对改性沥青低温延度的影响。图 4、图5 分别为反应 30 min 后每隔 30 min 测试 SBS 改性沥青及接枝型 SBS 改性沥青的延度、动力黏度、最大弯拉应变、弯曲劲度模量的关系曲线。图 3LTTW-1 对改性沥青低温延度的影响由图 3 可以看出，LTTW-1 加入后 1.0 h 内，接枝型改性沥青低温延度快速增大，随着反应时间的进一步延长，其低温延度增幅逐渐减小。在低温状态下，改性沥青具有良好的柔韧性，5益延度达到 38cm，这印证了材料具有优异的耐低温性能。图 4改性沥青低温延度与动力黏度的关系洪峰，等：接枝型改性沥青在杭州湾跨海大桥的应用研究74晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂图 5改性沥青 60 益动力黏度与最大弯拉应变、弯曲劲度模量的关系由图 4、图 5 可以看出，随着低温延度的增大，60 益动力黏度增大，两者之间具有较好的相关性。随着动力黏度的增大，改性沥青的最大弯拉应变与弯曲劲度模量增大，成正比关系。2.4LTTW-1 对改性沥青耐久性能的影响国产石油沥青在使用中大多存在早期开裂和早期老化等问题。石油沥青的耐久性能是研究关注的重点。其中，抗老化性能是影响路面寿命的主要因素之一。以往研究表明10-13，沥青吸收空气中氧发生氧化反应是引起沥青老化变质的主要原因。图 6 为 LTTW-1 对改性沥青抗老化性能的影响。图 6LTTW-1 对改性沥青抗老化性能的影响由图 6 可以看出，与常规 SBS 改性高黏沥青相比，加入LTTW-1 的接枝型改性沥青吸氧量明显降低，老化时间为 85min 时，较常规 SBS 改性高黏沥青相比降低了 78.2%。这表明接枝剂 LTTW-1 中的抗紫外线吸收剂可有效减缓改性沥青的吸氧速度，防止沥青吸收氧而加速老化。其吸入少量的氧气后改性沥青中的不饱和分在接枝剂 LTTW-1 中微量交联剂的作用下发生聚合反应。由试验得知，SBS 改性沥青的平均抗剪强度为 0.487MPa，接枝型改性沥青的抗剪强度为 1.319 MPa，与 SBS 改性沥青相比提高了 170%。此外，SBS 改性沥青的高温软化点通常在 60 益左右，而加入 LTTW-1 的接枝型改性沥青其高温软化点大于 80 益。超强的抗高温能力可以提高路面的耐久性能，在（70依1）益，（0.7依0.05）MPa 条件下进行动稳定度试验，结果如表 2 所示。表 2接枝型改性沥青混合料的动稳定度由表 2 可以看出，试验条件温度提高 10 益，高温条件下内聚力大幅度提高，路面抗车辙能力提升显著。这表明LTTW-1 接枝剂明显提升路面抗老化性能、抗剪切性能与抗车辙能力，对于沥青的耐久性能具有良好的改善作用。2.5接枝改性沥青在杭州湾跨海大桥的应用为了满足杭州湾跨海大桥铺装层的设计要求，采用LTTW-1 接枝剂改性沥青。杭州湾跨海大桥沥青原设计指标与实际工程指标对比如表 3 所示。表 3杭州湾大桥沥青原设计指标与实际工程指标对比由表 3 可以看出，LTTW-1 接枝型改性沥青的粘结度与耐久性能显著提高。LTTW-1 接枝型改性沥青 60 益动力黏度与技术要求相比提高了 173%。此外，其软化点、5 益延度、135益运动黏度与 RTFOT 后残留延度均能够满足实际供应的技术要求。LTTW-1 接枝型改性沥青在杭州湾跨海大桥中得以成功应用，实践表明，其具有优良的抗车辙、抗水害和抗裂性能。3结语（1）荧光显微镜分析表明，通过接枝剂与沥青反应，沥青的空间网络结构中沥青化学分子活性最低，分子结构最稳定，在紫外线的强光照射下因无化学活性键而减少氧化的机会，从而提高耐久性能。（2）LTTW-1 型改性接枝剂的加入克服沥青 60 益动力黏度与 135 益运动黏度相矛盾的难题，LTTW-1 使其内聚力增大的同时拌合黏度减小。在 60 益动力黏度在高达 110 000 Pa s（下转第 107 页）动稳定度/（次/mm）变异系数/%SMA-136.058278.49混合料类型油石比/%项 目招标技术要求修改后技术要求实际供应技术要求LTTW-1接枝剂改性沥青针入度（25 益 100 g 5 s）/mm 306030604742软化点 TR&B/益逸60逸7582915 益延度（5 cm/min）/cm逸30逸303842.960 益动力黏度/（Pa s）逸800逸10 000 40 247110 000弹性恢复率（25 益）/%逸75逸759995135 益运动黏度/（Pa s）臆3臆32.12.2RTFOT 后残留延度（5 益，5 cm/min）/cm逸20逸2022.828洪峰，等：接枝型改性沥青在杭州湾跨海大桥的应用研究75晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂（上接第 75 页）情况下，可以用常规施工工艺进行作业，改变了传统高黏沥青施工难的问题。（3）LTTW-1 型改性接枝剂的加入使得改性沥青的低温延度与抗老化性能有明显的提升。内聚力 60 益动力黏度与低温抗裂性的弯曲劲度模量、弯拉应变指标成正比关系。参考文献：1蒋凯.SBS 改性沥青混合料水稳定性和高温稳定性试验研究D.西安：兰州理工大学，2012.2王元.集料-沥青胶浆界面粘结特性研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.3张争奇，王永财.沥青胶浆对沥青混合料高低温性能的影响J.长安大学学报（自然科学版），2006（2）：1-5.4汤薇，杨林江.微波脱硫裂解废旧轮胎橡胶粉复合改性沥青J.新型建筑材料，2017，44（6）：119-121.5亓玉台，范耀华，丁国靖.温度和氧压对沥青吸氧老化性能的影响J.石油学报（石油加工），1992（4）：9-16.6陈华鑫，陈拴发，王秉纲.SBS 改性沥青低温黏度的动态剪切流变测试方法J.同济大学学报（自然科学版），2009，37（4）：505-509.7张庆，郝培文，白正宇.水性环氧树脂改性乳化沥青性能表征及机理研究J.公路工程，2016，41（2）：109-112.8郭乃胜，赵颖华，李刚.聚酯纤维沥青混凝土的低温抗裂性能分析J.沈阳建筑工程学院学报（自然科学版），2004（1）：1-3.9詹小丽，张肖宁，谭忆秋，等.改性沥青低温性能评价指标研究J.公路交通科技，2007，24（9）：42-45.10范耀华，丁国靖，刘国祥.石油沥青抗老化性能研究J.石油沥青，1997（1）：4-15.11丁国靖，范耀华，汪新平.道路沥青吸氧老化性能的研究（一）国产道路沥青吸氧的研究J.石油炼制与化工，1990（5）：42-49.12陈波，徐成桂.热氧老化对油砂沥青公路承载性能的影响J.化学与粘合，2020，42（3）：202-205.13袁春丽，王锦腾，束裕，等.高速公路沥青层老化后动态模量变化规律研究J.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2023，47（1）：169-174.蒉度低于80 kg/m3的膨胀珍珠岩。要生产出高涂布率、性价比高、工作性能好的轻质抹灰石膏，不仅要控制建筑石膏、膨胀珍珠岩和其他助剂的质量，还要从合理的配比、施工工艺等方面进行优化。通过系统研究，对轻质抹灰石膏砂浆配比进行优化，确定各组分适宜掺量：建筑石膏 88%90%，普硅水泥 2%4%，膨胀珍珠岩8.0%，采用 EH 纤维素醚，控制其黏度为 50 000 mPa s 左右，掺量约为 0.30%。按照确定的配比，制得的轻质抹灰石膏砂浆涂布率在 190 m2/cm 以上，物理性能符合 GB/T 286272023中轻质底层抹灰石膏砂浆指标要求。对制备的轻质抹灰石膏砂浆进行试应用，施工过程发现，该轻质抹灰石膏砂浆具有优良的施工性能，且硬化后的石膏砂浆层表面光洁，可节约后续施工中的界面剂和建筑腻子的消耗量。3结论（1）生产高涂布率的轻质抹灰石膏应当选择脱硫建筑石膏和低堆积密度的膨胀珍珠岩。（2）EH 纤维素醚能具有保水、增稠、引气功能和良好的气泡稳定性，为生产高涂布率的轻质抹灰石膏提供了可能。从施工和物理性能综合考虑，EH 纤维素醚的黏度宜为50 000 mPa s，在轻质抹灰石膏中的用量为 0.30%左右。（3）氨基酸类缓凝剂能明显延长轻质抹灰石膏砂浆的凝结时间，给轻质抹灰石膏提供足够的可操作时间，在保证轻质抹灰石膏物理性能的条件下，用量宜为 0.015%0.020%。（4）普硅水泥能给轻质抹灰石膏提供好的塑性强度和最终强度，减少抹灰石膏层开裂的风险，用量宜为 2%4%。参考文献：1王兰英，朱伟中，窦正平，等.脱硫石膏在内墙抹灰石膏中的资源综合利用J.砖瓦，2017（1）：28-29.2吴开胜，张传顺.轻质高强抹灰石膏的配制与性能研究J.砖瓦，2008（4）：27-29.3林如涛.轻质抹灰石膏砂浆的研制及性能研究J.福建建材，2018（5）：8-10.4叶蓓红，施嘉霖，谈晓青，等.用于外墙内侧、分户墙及顶棚补充节能的轻质石膏砂浆J.新型建筑材料，2011（5）：1-5.5李洪伟，习海平.轻质抹灰石膏砂浆性能影响机制研究J.江西建材，2022（7）：20-23.蒉赵守佳，等：高涂布率轻质抹灰石膏的研制107