sbs改性瀝青指標(biāo)體系研究綜述

sbs改性瀝青指標(biāo)體系研究綜述

1改性瀝青技術(shù)2018年末，中國公路總距離超過448萬公里。作為道路建設(shè)的最重要材料之一，瀝青路對道路質(zhì)量起著重要作用。傳統(tǒng)瀝青已在大多數(shù)公路路面、橋用路面的應(yīng)用中取得令人滿意的效果，但是隨著道路服役過程的開始及延展，在行車荷載的不斷作用下，特別是重載交通及渠化交通的作用，道路路面出現(xiàn)了裂縫、變形、坑槽等損害。這些病害大大降低了路面使用性能，甚至引起路面結(jié)構(gòu)破壞。因此，為了保障瀝青路面長期保存良好的服務(wù)性能，適應(yīng)不同行車環(huán)境、氣候環(huán)境等的使用需求，人們試圖通過在傳統(tǒng)瀝青的基礎(chǔ)上，采用添加外加劑的方法對傳統(tǒng)瀝青進(jìn)行改性，從而改善傳統(tǒng)瀝青在高溫性能等方面的不足。常見的瀝青改性方法有物理改性、化學(xué)改性等，其中物理改性方法由于所需添加改性劑含量少且改性效果明顯而備受青睞，其中以添加SBS改性劑生產(chǎn)SBS改性瀝青最為常見，同時(shí)，SBS改性瀝青加工工藝簡單，來源廣泛，因而成為江蘇省高速公路瀝青路面主要運(yùn)用的改性瀝青品種為了有效控制SBS改性瀝青的質(zhì)量，20年來江蘇省在課題研究與標(biāo)準(zhǔn)制定方面做了大量工作。從2006年開始至今，江蘇省交通工程建設(shè)局陸續(xù)主持完成了《瀝青膠結(jié)料路用性能關(guān)鍵指標(biāo)的研究》、《江蘇省高速公路SBS改性瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系優(yōu)化研究》等課題研究項(xiàng)目，形成了三階段的江蘇省改性瀝青技術(shù)指標(biāo)體系研究發(fā)展歷程：第一個(gè)階段從20世紀(jì)90年代開始到2008年，為成形期，該階段歸納總結(jié)了國內(nèi)外改性瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系并進(jìn)行了對比分析，在總結(jié)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)引入美國瀝青PG等級性能規(guī)范，結(jié)合省內(nèi)改性瀝青材料技術(shù)指標(biāo)體系的研究，制定了《江蘇省高速公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（簡稱08規(guī)范）；第二個(gè)階段從2009年到2016年，為應(yīng)用期，該階段結(jié)合近十年改性瀝青材料的檢測結(jié)果，不斷消化、吸收“08規(guī)范”；第三個(gè)階段從2017年開始，隨著改性瀝青材料自身的發(fā)展，應(yīng)用近20年的DB32地方標(biāo)準(zhǔn)逐漸呈現(xiàn)不適應(yīng)性，由此開展對改性瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的優(yōu)化研究。通過20年的研究歷程總結(jié)，結(jié)合對不同國家（地區(qū)）工程項(xiàng)目SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)體系的對比分析，明確當(dāng)前SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)體系仍然存在的問題，提出未來SBS改性瀝青指標(biāo)體系研究發(fā)展的思考。2性瀝青的制備瀝青改性是在基質(zhì)瀝青中加入改性劑，以制備性能優(yōu)良的改性瀝青。SBS改性瀝青的制備過程是：首先將SBS改性劑添加到基質(zhì)瀝青中；其次，將SBS改性劑與基質(zhì)瀝青的混合物進(jìn)行機(jī)械攪拌，在機(jī)械攪拌的過程中，SBS改性劑與基質(zhì)瀝青混合得更加充分，并發(fā)生物理溶脹作用，從而改善基質(zhì)瀝青的性能3性瀝青技術(shù)指標(biāo)的確定由于改性瀝青的特性與普通道路石油瀝青的特性有較大差異，因此，改性瀝青的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)不能簡單沿用普通道路石油瀝青的標(biāo)準(zhǔn)，為此，許多國家開始尋找新的技術(shù)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)。概括目前世界范圍內(nèi)具有代表性的改性瀝青指標(biāo)體系主要有3種：針入度體系、黏度體系和PG體系3.1交通改性瀝青在我國基針入度評價(jià)體系以25℃針入度作為標(biāo)準(zhǔn)，使用該體系的國家（地區(qū)）主要有中國、歐洲等。歐洲改性瀝青技術(shù)規(guī)范NFT65-031已被現(xiàn)行的歐洲改性瀝青技術(shù)規(guī)范EN14023所替代，主要包含一些常規(guī)的試驗(yàn)項(xiàng)目，包括針入度、軟化點(diǎn)、老化等，是改性瀝青的基本要求和分類依據(jù)我國以前并沒有改性瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，后來主要參考國外的標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)根據(jù)我國近些年來的施工實(shí)踐，編制了《公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ036）。根據(jù)聚合物類型將改性瀝青分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三類，按照針入度的不同，將Ⅰ、Ⅲ類聚合物改性瀝青分為A、B、C、D四個(gè)等級，將Ⅱ類分為A、B和C三個(gè)等級，以適應(yīng)不同的氣候條件。同一類型中的A、B、C或D主要反映基質(zhì)瀝青標(biāo)號及改性劑摻量的不同，由A到D表示改性瀝青針入度減小，黏度增加，即高溫性能提高，但低溫性能下降?？紤]到針入度、軟化點(diǎn)、延度等指標(biāo)在實(shí)際工程中應(yīng)用的方便性，2004年，在主要采用針入度體系思想架構(gòu)的基礎(chǔ)上，參考美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)，形成了我國SBS改性瀝青檢測指標(biāo)的要求標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004)由于我國地域廣闊，不同的地區(qū)其氣候條件、行車量大小、服務(wù)性能要求存在較大的差異，所以國內(nèi)部分省份在國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各省的氣候條件、性能要求等制定了適用于本省的地方標(biāo)準(zhǔn)使用針入度分級體系的國家及地方標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)對比情況見表1。3.2國外亞、日本等黏度體系的主要指標(biāo)為黏度，使用該體系的國家（地區(qū)）主要有澳大利亞、日本等。澳大利亞自1970年起采用黏度作為改性瀝青的評價(jià)指標(biāo)日本也是在公路建設(shè)中使用改性瀝青比較早的國家之一，在日本的改性瀝青標(biāo)準(zhǔn)使用黏度分級體系的國家（地區(qū)）標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)對比情況見表2。3.3pg目標(biāo)函數(shù)及瀝青膠結(jié)料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)針入度分級體系根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下針入度數(shù)值大小區(qū)分瀝青等級，黏度分級體系根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下轉(zhuǎn)子抵抗扭動(dòng)力數(shù)值大小區(qū)分瀝青等級，兩者試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值與道路使用性能相關(guān)性不密切，由此出現(xiàn)瀝青針入度或黏度測試結(jié)果不滿足要求，但實(shí)際工程使用情況滿足要求的情況。按照指標(biāo)體系的要求，該現(xiàn)象是無法解釋的。由此美國在1987年～1993年開展了公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃，目的是提出與瀝青路用性能相關(guān)性良好的技術(shù)指標(biāo)及要求由于早期建立PG分級體系時(shí)，美國道路工程使用的瀝青主要為基質(zhì)瀝青，所以研究提出的PG分級中的指標(biāo)及控制標(biāo)準(zhǔn)均是基于基質(zhì)瀝青的研究成果，當(dāng)將其沿用于檢測SBS改性瀝青時(shí)，大量的研究表明，早期提出的PG分級規(guī)范不能正確評價(jià)改性瀝青的性能，由此，PG規(guī)范也進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，在過去經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合新的研究成果推出了PGPlus(PG+或SHRP+）規(guī)范為了準(zhǔn)確評價(jià)非牛頓特性的改性瀝青在受力條件下的相應(yīng)，在SuperpavePlus規(guī)范的基礎(chǔ)上，引入了多應(yīng)力重復(fù)蠕變試驗(yàn)，由此PG規(guī)范進(jìn)入了PGMSCR的第三階段目前，美國各個(gè)州都有自己的瀝青膠結(jié)料規(guī)范。對于改性瀝青規(guī)范，有的州即在原有的普通鋪路瀝青規(guī)范的基礎(chǔ)上增加了一些附加指標(biāo)，例如：相位角、彈性恢復(fù)、多應(yīng)力重復(fù)蠕變試驗(yàn)等，也有一些州改性瀝青規(guī)范和普通道路石油瀝青規(guī)范一致，各個(gè)州都不完全一樣。表3分別列出了美國幾個(gè)州（德克薩斯州、佐治亞州和路易斯安那州）的瀝青膠結(jié)料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。從表3中可以看出，不同州都是根據(jù)不同地區(qū)的氣候條件，劃定不同的PG等級，然后對PG等級對應(yīng)的原樣瀝青、旋轉(zhuǎn)薄膜老化后的瀝青、PAV老化后的瀝青的相關(guān)PG性能指標(biāo)提出要求。有些州還在PG性能分級的基礎(chǔ)上增加了部分PGplus指標(biāo)（彈性恢復(fù)、黏韌性、離析值等指標(biāo)）和PGMSCR的指標(biāo)。3.4pgib產(chǎn)品分級通過對比各個(gè)國家（地區(qū)）的改性瀝青指標(biāo)體系發(fā)現(xiàn)：歐洲、中國、澳大利亞、日本等采用的針入度體系及黏度體系指標(biāo)都屬于經(jīng)驗(yàn)型指標(biāo)，使得指標(biāo)檢測結(jié)果與實(shí)際路用性能的相關(guān)性較差，不能有效控制瀝青路面的路用性能。因此，針入度體系和黏度體系也引起了越來越多的質(zhì)疑。PG分級存在的問題在于其研究模型是建立在基質(zhì)瀝青的基礎(chǔ)上，在應(yīng)用時(shí)有很多地方不適合改性瀝青。美國國家合作公路研究項(xiàng)目的研究結(jié)果表明改性瀝青的PG性能結(jié)果與試驗(yàn)室測得的改性瀝青混合料性能不一致，仍有待進(jìn)一步研究完善。4江蘇省改性瀝青技術(shù)體系發(fā)展歷程回顧為了破解SBS改性瀝青質(zhì)量管控存在的機(jī)理不明確、指標(biāo)體系不盡合理、信息化監(jiān)管手段缺失、質(zhì)量波動(dòng)性大、早期路用性能衰減快等技術(shù)難題，江蘇省交通工程建設(shè)局組織相關(guān)單位開展了20年的科研攻關(guān)和工程實(shí)踐，基于4100km高速公路的SBS改性瀝青檢測數(shù)據(jù)及監(jiān)管經(jīng)驗(yàn)，對SBS改性瀝青指標(biāo)體系及信息化監(jiān)管平臺進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究的發(fā)展歷程大致經(jīng)歷了3個(gè)階段。4.1外改性瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的分析與制定從20世紀(jì)90年代開始到2008年，為SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)體系的成形期，該階段歸納總結(jié)了境內(nèi)外改性瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系并進(jìn)行了對比分析，在總結(jié)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)引入黏度體系的60℃黏度指標(biāo)及PG體系的SHRP性能等級指標(biāo)，同時(shí)，結(jié)合夏熱區(qū)的氣候特點(diǎn)，重點(diǎn)針對瀝青材料的高溫性能進(jìn)行深入研究，制定了“08規(guī)范”。成形期省內(nèi)建成通車的代表性高速公路有：滬寧、京滬、沿江、通啟、沿海等高速公路。4.2瀝青的使用情況從“08規(guī)范”形成之后，省內(nèi)高速公路瀝青材料的質(zhì)量控制即按照此標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。從2009年～2016年，“08規(guī)范”使用情況良好，對瀝青材料的質(zhì)量起到了有效的把關(guān)作用。應(yīng)用期省內(nèi)建成通車的代表性高速公路有：滬蘇浙、寧常、鎮(zhèn)溧、江海、寧揚(yáng)、臨連、鹽靖高速公路三期、錫張、機(jī)場、疏港、蘇通大橋等高速公路，累計(jì)超過2000km。4.3建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的瀝青質(zhì)量評價(jià)體系，確保了改性瀝青改性瀝青技術(shù)指標(biāo)體系從成形到應(yīng)用到現(xiàn)階段已經(jīng)走過了近20年的歷程，隨著時(shí)間的推移，原油開采技術(shù)及石油加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，市場上出現(xiàn)了種類繁多的瀝青產(chǎn)品，且質(zhì)量不穩(wěn)定、變異性較大，從而導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)了如松散、開裂等早期病害。采用早期形成的指標(biāo)體系已經(jīng)很難適應(yīng)新階段改性瀝青質(zhì)量的評價(jià)，該問題不僅是境內(nèi)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系遇到的問題，同時(shí)也是境外標(biāo)準(zhǔn)遇到的問題。為此2017年江蘇省交通工程建設(shè)局開展了“江蘇省高速公路SBS改性瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系優(yōu)化研究”，重點(diǎn)解決新時(shí)期改性瀝青出現(xiàn)的質(zhì)量變異性大、質(zhì)量優(yōu)劣難以甄別、檢測方法不統(tǒng)一、檢測結(jié)果與路用性能相關(guān)性差的問題。提出了以短期老化后指標(biāo)為主的SBS改性瀝青質(zhì)量評價(jià)體系構(gòu)建思路，增加了RTFOT軟化點(diǎn)差、彈性恢復(fù)差和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃孔鳛樵u價(jià)改性瀝青質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，取消了RT-FOT+PAV后的質(zhì)量損失等6個(gè)非有效指標(biāo)，控制質(zhì)量評價(jià)檢測指標(biāo)總數(shù)為13個(gè)，使得高速公路瀝青檢測費(fèi)用每公里節(jié)省20萬元，指標(biāo)評價(jià)結(jié)果與實(shí)際路用性能相關(guān)性提升至90%。此外，開發(fā)了軟化點(diǎn)、針入度、延度等參數(shù)的自動(dòng)化實(shí)時(shí)采集方法與裝置，制定了標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)元結(jié)構(gòu)與物聯(lián)網(wǎng)接口協(xié)議，建設(shè)并運(yùn)營了“江蘇省高速公路瀝青路面質(zhì)量數(shù)據(jù)中心”，形成了以瀝青路面質(zhì)量數(shù)據(jù)中心為依托，以嚴(yán)格的蘇交建質(zhì)[2018]77號文瀝青及瀝青混合料技術(shù)要求為質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以瀝青紅外光譜指紋識別為現(xiàn)場快速檢測手段，以瀝青供應(yīng)單位接受生產(chǎn)全過程的監(jiān)督、路面施工單位全面檢測驗(yàn)收、路面技術(shù)服務(wù)單位駐廠檢測監(jiān)控為質(zhì)量管控方法。該體系包括三大內(nèi)容：檢測體系、指標(biāo)體系、信息化監(jiān)管體系。5苯二甲酸鈉的質(zhì)量檢測方法在改性瀝青檢測中的應(yīng)用進(jìn)展改性瀝青的宏觀性質(zhì)是由其微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成決定的，同時(shí)，其宏觀性質(zhì)與瀝青路面的路用性能密不可分。前期受限于微觀測試設(shè)備、方法匱乏的影響，國內(nèi)外普遍采用的針入度體系、黏度體系、PG體系，均致力于構(gòu)建瀝青宏觀測量指標(biāo)與瀝青路面性能的關(guān)系，其次通過測試瀝青的宏觀指標(biāo)，對瀝青質(zhì)量進(jìn)行控制，指導(dǎo)工程選擇優(yōu)良質(zhì)量的瀝青。但是隨著原油開采技術(shù)及石油加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，市場上出現(xiàn)了種類繁多的瀝青產(chǎn)品，采用原有的瀝青宏觀測試指標(biāo)很難測試甄別瀝青質(zhì)量的好壞，即當(dāng)前的宏觀測試指標(biāo)用于控制瀝青質(zhì)量會(huì)失效。此外，改性瀝青生產(chǎn)、銷售和道路施工等過程中的必檢指標(biāo)，均為宏觀物理力學(xué)指標(biāo)，但是，改性瀝青的質(zhì)量檢測長期存在著：（1）宏觀指標(biāo)的檢測周期長，檢測過程需要多種檢測設(shè)備，操作過程復(fù)雜，一方面造成不同的檢測設(shè)備所測試的結(jié)果甚至不具備可比性，另一方面長期存在著檢測結(jié)果滯后于需求的情況，嚴(yán)重影響著過程中對SBS改性瀝青質(zhì)量的監(jiān)控；（2）目前的檢測指標(biāo)僅關(guān)注了瀝青宏觀物理力學(xué)性能的測試，而對瀝青細(xì)微觀分子成分及組成，從細(xì)微觀角度研究瀝青化學(xué)性能等的測試研究還處于初步階段，相關(guān)研究成果也未成熟；（3）宏觀力學(xué)指標(biāo)測試過程中，部分操