论文总字数：30557字

摘 要

近些年，改性乳化沥青在粘层和封层等方面得到了良好的应用，但是作为冷再生混合料的再生剂，相应的研究较少。本文先后采用了SBR、CR、水性环氧、丙烯酸、聚氨酯以及重庆和北京两地生产的两种胶乳对某成品乳化沥青进行改性，即采用了先乳化后改性的方法制备改性乳化沥青。

首先对比采用高温蒸发与低温蒸发的方式对获得蒸发残留物性质的影响，并研究其蒸发残留物的常规性能。其次，选择对于乳化沥青性能改善效果较好的改性剂进行流变性能的测试，同时对比分析改性乳化沥青与普通乳化沥青残留物流变性能的异同，旨在了解多种改性剂材料种类对于沥青性能改善的异同与侧重点，对比不同种改性剂对沥青性能的影响。流变性能试验包括对普通乳化沥青残留物在不同测试温度下进行LVE测试，即确定线性粘弹性范围，为TTS试验确定合适的剪切应变值；对改性后的沥青粘结剂进行高温分级；解决评价指标的局限性，研究各种改性后的沥青材料的粘弹性能；在线性范围内，对沥青材料进行时间温度扫描试验。

研究表明改性乳化沥青的制备方式与蒸发方式对于性能的测定有较大的影响，添加SBR和CR胶乳改性剂后乳化沥青材料的高温稳定性能提升，SBR和水性环氧两种改性剂有助于提升低温延展性；改性乳化沥青温度敏感性、高应力时的应力敏感性较低，体现出更好的抗永久变形能力。

关键词：蒸发残留物；线性粘弹性范围（LVE）；三大指标；流变性能；重复蠕变恢复试验；时间温度扫描

Abstract

In recent years, modified emulsified asphalt has been well used in sticky layer and seal layer, but as a regenerant of cold recycled mixture, the corresponding research is less. In this paper, seven modified emulsified asphalt binders were carefully prepared by adding Styrene–butadiene rubber (SBR) latex, chloroprene rubber (CR) latex, waterborne epoxy, acrylic acid, polyurethane and two kinds of latex from Chongqing and Beijing, respectively.

Firstly, the methods of high-temperature evaporation and low-temperature evaporation were compared. The routine performance of evaporation residue was tested. Second, comparative analysis of modified emulsified asphalt and common emulsified asphalt residual rheological properties of the similarities and differences, to understand various types of materials for asphalt binders and focus, as well as the similarities and differences of performance improvement and compared the same binders, and the effects of different doses to improve. Rheological property test includes LVE test of common emulsified asphalt residues at different test temperatures, linear viscoelastic range is determined, and appropriate shear strain value is determined for TTS test. The modified asphalt binder was graded. To solve the limitation of evaluation index, study the viscoelasticity various modified asphalt materials; The time temperature scanning test was carried out on asphalt material in linear range.

The results show that the preparation and evaporation methods of modified emulsified asphalt have great influence on the performance measurement. After adding SBR and CR latex modifiers, the elevated temperature capability of emulsified asphalt material is improved. SBR and waterborne epoxy modifiers are helpful to improve the low temperature ductility. The temperature sensitivity of modified emulsified asphalt are less at high stress, reflecting better resistance to permanent deformation.

Keywords: Evaporation residue; Linear viscoelastic range (LVE); Three indicator of asphalt; Rheological property; MSCR; Time Temperature Sweep

目 录

摘要 3

Abstract 4

第一章 绪论 7

1.1课题研究背景 7

1.2改性乳化沥青国内外研究现状 9

1.3本文主要研究内容 10

1.3.1试验方案 10

1.3.2技术路线 12

1.3.3论文难点 13

第二章 改性乳化沥青 13

2.1 乳化沥青 13

2.1.1从沥青到乳化沥青的发展 13

2.1.2从乳化沥青到改性乳化沥青的发展 13

2.2常见改性剂种类 14

2.3改性乳化沥青的制备 15

2.3.1先用改性材料将沥青改性，再将改性沥青乳化(a法) 15

2.3.2先制出乳化沥青然后再掺配胶乳的方法(b法） 15

2.3.3将改性材料掺入乳化剂溶液中，后与沥青进入乳化机进行乳化的方法(c法） 16

第三章 原材料与实验方法 16

3.1改性乳化沥青残留物的获取 16

3.1.1高温蒸发法 16

3.1.2常温低温蒸发法 18

3.1.3两种蒸发方式的对比 18

3.2实验仪器 20

3.2.1常规性能检测仪器 20

3.2.2动态剪切流变仪 21

第四章 改性乳化沥青残留物的常规性能研究 22

4.1针入度 22

4.2软化点 22

4.3延度 23

4.4数据与结果分析 23

第五章 乳化沥青的流变性能研究 24

5.1动态力学分析方法 24

5.2试验材料制备 25

5.3 LVE试验 26

5.4 PG分级 27

5.5重复蠕变恢复试验 28

5.5.1试验方法 28

5.5.2计算方法 28

5.5.3改性乳化沥青重复蠕变恢复试验分析 29

5.6时间温度扫描试验（TTS） 30

5.6.1动态模量与相位角 30

5.6.2复数剪切模量分析 31

5.6.3 相位角分析 33

5.6.4车辙因子分析 34

5.6.5疲劳因子分析 35

5.6.5流变模型 35

5.6.6主曲线拟合与分析 36

第六章 结论与展望 39

6.1主要研究结论 39

6.2展望 40

第一章 绪论

1.1本文研究背景

我国GDP快速增长，成为世界第二大经济体，这使得修好路建好桥成为推动经济发展的必需条件。中国高速公路从上世纪八十年代开始，经过规划约3.5万公里的公路网的建成，到今天约11.8万公里的“71118”公路网，高速公路在我国的建设逐年加速，中国是目前世界高速公路历程最多的国家。与此同时，逐年递增的机动车数量和与日俱增的交通荷载，公路基础设施正在老化，需要整修和养护以维持全国道路网继续保持良好的运行。并且以沥青路面为主的高等级城市道路和高速公路等，设计使用年限是15年，一般来说实际的使用年限只有10年左右，有的路段甚至3至5年就需要翻修。

随着城市道路和公路里程的增加，我国公路养护的需求进一步扩大，为了使道路为国家经济更快更好地发展提供服务，目前应该提高道路养护水平和养护质量。第一步，我们不应该在道路出现功能缺失或者严重破损时才进行路面养护工作，而是要考虑道路的全寿命周期费用，然而由于预防性养护理念较为薄弱，如今的大多数道路大多数采用的是“弥补性养护”方式。有数据表明，在使用功能较完善时对道路进行养护，比出现问题再解决问题更有利于节约成本，提高公路效益。第二步，经济的快速发展要求高速公路能够让货物快捷运输、人员平安到达、循环快速运转，如果公路出现病害时采取周期较长的应对措施，很有可能影响物流链的运转、产生不必要的经济损失，为了保证运输链效率和安全等级更高，快速有效的新型修补裂缝、坑槽的养护方式必不可少。据统计，我国每年的路面铺新产生的路面铣刨料数量可观，仅高速公路每年就有近2.3亿吨，如果废弃掉不仅不利于保护环境和节约资源，同时还会大幅度增加养护成本。沥青混合料的再生技术主要有热再生(Hot Recycling)和冷再生(Cold Recycling)两种方式，这是一种将需要产生病害或者破损的旧沥青路面，经铣刨、回收、处理、增加新材料，重新使结合料和混合料构成整体并发挥作用、满足标准的维修养护技术，可以最大限度地利用旧料的价值。冷再生沥青和热再生沥青形成强度的原理不同。热再生沥青要将沥青加热到一定温度使其液化，趁流动态进行拌合、摊铺、碾压等过程，待材料冷却塑性就会增强，作为粘结料产生强度。而冷再生沥青混合料的沥青一般是改性沥青，它的强度并不完全是热塑性的原因。冷再生混合料主要是靠再生剂（改性剂）对粘结料的性能进行改善，可以使其恢复本来的性能甚至超过原有的性能。

乳化沥青就地冷再生技术一般是用机械机具将旧路材料的基层或者以上部分铣刨并回收后破碎，如需要可按正确合适的比例加入新石料、沥青或者其他添加剂，在常规室外温度下进行路面重新铺装的一项工艺。它的优点有：

1.节省石油沥青和集料,减少环境污染。有关数据显示,由于冷再生技术可以再常温下进行施工，所以路面破损时如采用传统再生技术，会比乳化沥青冷再生技术多消耗热能70%以上,因此乳化沥青就地冷再生技术是一项绿色环保的技术。

2.产生病害的路面铣刨出来的旧料能够得到二次利用，因此减少了新料的投入量和废弃石料的储存和运输成本。

3.乳化沥青常温下呈可流动的液体状态，方便施工，同时水溶性的性质可提高沥青路面的质量。

4.全部利用原路面与基层的沥青混合料，所以可以不计道路养护或改建时旧沥青混合料的丢弃成本，节约能源，可以大大节约养护的安置和采购成本。

5.对于待养护路段来说，冷再生技术可以实现分区段半封闭施工，设备轻便、施工密集且快捷方便，由此施工而造成的交通干扰可被降低，能及时提高路面的服务性能。

近些年来，为了提高路面的抗永久变形、抗裂缝、抗松散、抗水病害等能力，沥青材料的研究部门和应用部门提出了对道路沥青进行改性的想法，以此来提高沥青材料的综合性能。把特定种类和合适剂量的改性剂加入普通乳化沥青中可以增强乳化沥青的特定功能（如高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等），从而更好的满足如今越来越繁重的交通荷载需求。改性沥青的发展趋势可以总结为以下几个方面：

1.高性能，针对性强：不同的病害采用不同的改性材料和改性技术；

2.高性价比：同样的效果采用价格低低廉的改性材料，降低工程造价；

3.绿色环保：废旧材料的循环利用，废旧混合料再生技术的研发与推广应用；

4.节能低碳：温拌、冷拌技术的发展，乳化沥青的应用-微表处、稀浆封层、冷再生技术的研发与推广应用。

结合国内外现状来看，乳化沥青就地冷再生技术主要应用于二、三、四级公路的中下面层或高速、一级路面的上基层。由实际工程得到的路面数据来看，冷再生层适合于作为二、三、四级公路的中下面层，路面使用寿命较良好，还具有较好的工程性能和环境适应性。但是因为冷再生混合料的各项性能较热拌沥青混合料均有一定的差距，所以并未能大规模的运用到更高等级的道路和更高的层位中，对乳化沥青进行改性剂的添加，提高沥青的综合性能具有重要意义。本研究探究不同改性剂及其用量对乳化沥青各项性能的影响，并分析流变性能指标及其影响程度，从而为改性乳化沥青冷再生技术原材料的选择提供指导，具有重要意义。

1.2改性乳化沥青国内外研究现状

韩春来^[6]研究了SBS胶乳的制备方式，采取了用改性剂加入已经乳化的沥青中的方式，主要从化学层面分析解决了改性剂SBS胶乳对于乳化沥青的改性方式存在的问题。段利艳^[7]复配了一种沥青乳化剂，总结了先改性后乳化时，要获得稳定的SBS改性乳化沥青时应该采取的最合适pH值、乳化剂用量和温度条件。冯雷雷^[8]的研究包括乳化沥青的配制机理和乳化方式等，还有确定乳化沥青残留物的获取过程中酸碱度、乳化和改性的方式、是否添加稳定剂等因素是否会对残留物性质发生改变。通过添加SBR胶乳对乳化沥青进行改性，讨论并得到了几种影响改性乳化沥青常规指标和流变性能的相关方面。经过改性后的乳化沥青的水稳定性、高低温性能和弹性性能均得到了十分显著的提高。还以一种复合沥青乳化剂制备了满足标准的SBR改性乳化沥青，发现了按照复合乳化剂合适的掺量比例可以一定程度上减少乳化剂的用量，降低成本，提高收益。何会成^[9]等研究的改性剂种类为SBR胶乳与SBS胶乳，探索了制备SBS改性乳化沥青过程中的技术流程并提出改进建议，使得SBS改性乳化沥青的稳定性大幅提升，对两种改性乳化沥青进行试验测试其材料性能，可由数据对比得知， SBS改性乳化沥青有较差的低温抗裂性，SBR改性乳化沥青有较差的高温稳定性。弓锐^[10]对改性乳化沥青的针入度、软化点、延度这三大指标和蒸发固含量、筛上剩余量、储存稳定性进行了深入研究，还进行了微观机理试验分析解释了其原因。

将改性乳化沥青中的水分移除的产物为蒸发残留物，通常对残留物进行性能测试来评价改性乳化沥青的性能。郭咏梅^[11]采用非常规的重复蠕变试验（较宽应力范围），试验样本为制备的不同种类改性沥青，同时用一组基质沥青作为对照组，得到不可恢复蠕变柔量后可评价各组改性剂对于基质沥青粘弹性能与流变性能的改善程度。崔东霞^[12]着眼于乳化沥青冷再生技术，研究了由阳离子和非离子复配而成的乳化剂与阳离子乳化剂对残留物材料性质的作用。分析数据可知：使用单一乳化剂时，只有材料的复合模量、复合粘度等流变性能数据随着温度的变化而变化较为明显；使用复合乳化剂时，复合模量、复合粘度还有相位角等流变性能数据随着温度的变化而显著变化。畅润田^[13]等测定蒸发残留物的针入度、软化点、延度由绘制的流变行为曲线，分析改性剂SBR胶乳添加百分数对乳化沥青材料性能的改善情况。由数据可得到以下结论：添加改性剂SBR胶乳会使普通乳化沥青的流变性能发生改变，随着添加百分数的增加，复合粘度随频率和相角的温度敏感性和时间敏感性增强，在高温和低频区沥青的弹性得到的一定程度的改善。Jiang^[14]选用的三种改性剂种类为SEBS、SBR和CR胶乳，采用先乳化后改性的方式制备改性乳化沥青，使用动态剪切流变仪进行MSCR试验。分析数据可知3种胶乳对高温性能均有提升作用，并且CR胶乳最为显著。Khadivar^[15]选用SBR和NR两种胶乳分别对乳化沥青进行改性，研究了这两种改性乳化沥青的蒸发残留物进行常规的沥青实验和流变性能试验。试验表明两种改性剂均增加其粘度并降低了它们的温度敏感性。SBR改善高低温性能较明显，NR胶乳未能改善其低温性能。

1.3本文主要研究内容

1.3.1试验方案

以下试验方案为结合课题组试验室已有条件与本课题的研究目标所定，主要分为4个部分：

1.改性乳化沥青的制备方法

对于SBR、CR和聚氨酯乳液，由于乳液在室温下呈液态，因此选择改性前的乳化混合工艺制备改性乳化沥青。将乳胶添加到成品乳化沥青中混合，然后使用高速剪切装置将改性剂和乳化沥青进行搅拌，即可制得表面带有大量泡沫的 SBR 改性沥青，呈褐色乳液状液体，静置一段时间后，泡沫消失。

对于水性环氧树脂，先将一定量的普通乳化沥青乳液进行十分钟的充分搅拌,再加入水性环氧树脂乳液和水性环氧固化剂，二者的比例为2：1,进行二十分钟的充分均匀搅拌, 然后静止二十分钟到三十分钟。

2、对比高温蒸发法与低温蒸发法获得的同种改性乳化沥青的性能，从而选用更为合理的方式获得蒸发残留物进行后续试验。

3．乳化沥青的常规性能测试有：沥青三大指标（针入度、软化点和延度）测试、乳化沥青蒸发残留物含量试验。

蒸发残留物含量试验可以测试出乳液中的沥青含量，实际修筑道路过程中把蒸发残留物含量作为确定改性乳化沥青用量配比的重要依据。

针入度指数PI反映沥青对于高温低温变化的敏感程度；软化点可以再在一定程度上反映沥青高温性能的优劣，是评判指标之一；延度体现沥青材料的延伸能力，可以在温度5℃、10℃、15℃下进行试验，评价沥青路面抵抗低温开裂的能力。

4.改性乳化沥青残留物的流变性能研究

运用力学分析的方法，使用DSR仪器，对普通乳化沥青和改性后的乳化沥青进行LVE试验确定沥青线粘弹性范围，进行多应力蠕变恢复(MSCR)测试分析抗车辙性能与弹性，采用处于线粘弹性范围内的剪切应变值对各组沥青进行TTS实验，即Time Temperature Sweep（时间温度扫描试验）。

1.3.2技术路线

1.3.3论文难点

1．由于实验中使用的大型仪器大四前的本科阶段未接触过，如用于制备改性乳化沥青的高速剪切仪及评价乳化沥青流变性能的DSR仪器等，这些仪器的操作需要进一步学习。

2．多种改性乳化沥青制备条件选择、各种乳化剂、基质沥青的确定等需要经过大量实验来优选，以及对多种改性剂制备的改性乳化沥青的性能评价涉及实验多，数据处理复杂。

3．综合众多因素影响，给发现优良的改性乳化沥青配方带来困难。

第二章 改性乳化沥青

2.1 乳化沥青

2.1.1从沥青到乳化沥青的发展

沥青是一种有机胶凝材料，在常温下为液态、半固态或者固态，颜色为黑色或者褐色，其具有良好的粘结性能、耐水性能和塑性，可用于铺筑路面。半固态与固态沥青必须经过加热，处于流动状态才能进行喷洒和拌制混合料。而沥青乳化剂解决了这一难题的出现，使得在常温条件下进行道路铺筑成为可能。

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