内容简介
聚合物复合改沥青具有普通聚合物改沥青所不具备的优良能，因此在道路工程中的应用广泛，对其配方、能、改机理及制备工艺的研究，一直是相关领域研究的和热点。《聚合物复合改沥青》系统介绍了常见聚合物复合改沥青的配方、制备、能、改机理及结构分析结果，具括硅藻土与硫磺改沥青、岩沥青与湖沥青复合改沥青、EVA与SBS复合改沥青、SEBS复合改沥青、高黏高弹改沥青、橡胶复合改沥青、多聚磷酸改沥青、湿热地区复合改沥青等。
目录
前言;第1章 绪论 1;1.1 沥青的种类与质 1;1.1.1 沥青的种类 1;1.1.2;石油沥青的化学组成和质 2;1.1.3 道路改沥青的产展 4;1.1.4 道路改沥青的分类 6;1.2;主要改剂与辅助改剂 9;1.2.1 热塑弹体类 9;1.2.2;塑料类 19;1.2.3 热塑树脂类 第1;1.2.4 硅藻土、蒙脱土 25;1.2.5 岩沥青、湖沥青 31;1.3 常见的辅助改剂 36;1.3.1 增塑剂 36;1.3.2;交联剂 40;1.3.3 多聚磷酸 44;1.4 聚合物改沥青的制备方法 46;1.4.1 实验室制法 47;1.4.2;改沥青的中试 48;1.4.3 聚合物改沥青的大规模生产 50;1.5 改沥青的主要测试指标 52;1.5.1 物理能指标 52;1.5.2;流2能测试模式和指标 54;1.5.3 光氧老化与热氧老化 59;1.6 沥青组分分离分析 66;1.6.1 四组分分析 66;1.6.2;凝胶渗透色谱 69;1.7 沥青结构分析 69;1.7.1 红外光谱 69;1.7.2;形貌分析 72;1.7.3 核磁共振 75;1.7.4 热分析 78;1.8 本书主要内容 81;第2章 硅藻土与硫磺改沥青 82;2.1 硅藻土改沥青 82;2.1.1 原材料 82;2.1.2;样品制作工艺 83;2.1.3 物理能与抗老化能的研究 83;2.1.4 流2能测试 87;2.1.5 流2抗老化能分析 90;2.1.6 形貌分析 91;2.1.7 红外光谱分析 95;2.2;硫磺改沥青 96;2.2.1 原材料 96;2.2.2;样品制作工艺 97;2.2.3 物理能测试 97;2.2.4 流2能测试 99;2.2.5 形貌分析 102;2.2.6 红外光谱分析 104;2.3 本章小结 105;第3章 岩沥青与湖沥青复合改沥青 106;3.1 岩沥青改沥青 106;3.1.1 原材料 106;3.1.2;样品制作工艺 106;3.1.3 物理能测试 106;3.1.4 抗老化能分析 107;3.1.5 流2能测试 108;3.1.6 红外光谱测试 110;3.2;湖沥青改沥青 110;3.2.1 原材料 111;3.2.2;样品制作工艺 111;3.2.3 物理能测试 111;3.2.4 流2能测试 113;3.2.5 红外光谱测试 115;3.2.6 热重分析 116;3.3 湖沥青与SBS复合改沥青 116;3.3.1 湖沥青+SBS复合改沥青的实验室制备 116;3.3.2;湖沥青+SBS复合改沥青的能研究 117;3.3.3 湖沥青弯曲梁流2试验 121;3.3.4 湖沥青+SBS复合改沥青的形貌观测分析 121;3.3.5 红外光谱分析 1第1;3.4 本章小结 123;第4章 EVA复合改沥青 125;4.1 EVA改沥青 126;4.1.1 原材料 126;4.1.2;样品制作工艺 126;4.1.3 物理能测试 126;4.2;EVA与SBS复合改沥青 128;4.2.1 EVA与SBS1301、SBS4303复合改 128;4.2.2;流2能测试 132;4.2.3 蠕2测试 133;4.2.4 形貌观测分析 134;4.2.5 红外光谱分析 136;4.3 本章小结 137;第5章 SEBS复合改沥青 139;5.1 SEBS改沥青 139;5.1.1 原材料 139;5.1.2;SEBS改沥青的制作 139;5.1.3 不同类型SEBS改沥青的物理能 139;5.1.4 SEBS掺量对主要物理能的影响 140;5.1.5 SEBS和SBS改沥青能对比 142;5.2;SEBS与有机蒙脱土复合改沥青 143;5.2.1 原材料 144;5.2.2;扫描电镜分析 144;5.2.3 X射线衍射分析 145;5.2.4 样品制作工艺 146;5.2.5 SEBS复合改沥青的物理能 146;5.2.6 流2能测试 147;5.2.7 形貌观测分析 151;5.2.8 红外光谱分析 152;5.2.9 热分析 153;5.3 本章小结 156;第6章 高黏高弹改沥青的制备及能 158;6.1 高黏沥青 158;6.1.1 概述 158;6.1.2;主改剂和辅助改剂的筛选 159;6.1.3 高黏改沥青的制备与物理能 166;6.1.4 流2能 172;6.1.5 结构分析 179;6.2;高弹沥青 187;6.2.1 概述 187;6.2.2;高弹沥青的制备与物理能 188;6.2.3 流2能 192;6.2.4 结构分析 200;6.3 本章小结 213;第7章 橡胶复合改沥青 215;7.1 胶粉改沥青 215;7.1.1 原材料及制备工艺 216;7.1.2;物理能 216;7.1.3 流2能 第10;7.2;胶粉与SBS复合改沥青 第12;7.2.1 原材料及制备工艺 第12;7.2.2;物理能 第13;7.2.3 流2能 第15;7.2.4 结构分析 231;7.2.5 热分析 236;7.3 胶粉与低密度聚乙烯复合改沥青 242;7.3.1 原材料及制备工艺 243;7.3.2;物理能 244;7.4 胶粉与线型低密度聚乙烯复合改沥青 245;7.4.1 原材料及制备工艺 245;7.4.2;物理能 247;7.4.3 流2能 249;7.4.4 结构分析 251;7.5 本章小结 257;第8章 多聚磷酸复合改沥青 258;8.1 多聚磷酸改沥青 258;8.1.1 原材料及制备工艺 258;8.1.2;物理能和组分的2化 258;8.1.3 流2能 259;8.2;多聚磷酸、硫磺与SBS复合改沥青 264;8.2.1 制备工艺 264;8.2.2;物理能 265;8.2.3 流2能 276;8.2.4 结构分析 291;8.3 多聚磷酸与SBR复合改沥青 296;8.3.1 物理能 297;8.3.2;流2能 303;8.3.3 结构分析 306;8.4 多聚磷酸与SEBS复合改沥青 309;8.4.1 制备工艺 310;8.4.2;物理能 310;8.4.3 流2能 313;8.4.4 结构分析 317;8.5 多聚磷酸、硫磺与SIS复合改沥青 321;8.5.1 制备工艺 3第1;8.5.2;物理能 3第1;8.5.3 流2能 325;8.5.4 结构分析 329;8.6 多聚磷酸、硫磺与EVA复合改沥青 332;8.6.1 概述 332;8.6.2;物理能 333;8.6.3 流2能 335;8.6.4 结构分析 338;8.7 多聚磷酸在高黏度改沥青中的应用 342;8.7.1 概述 342;8.7.2;样品的制备 343;8.7.3 物理能 344;8.7.4 流2能 346;8.7.5 结构分析 348;8.8 本章小结 352;第9章 湿热地区路用聚合物复合改沥青 355;9.1 南方湿热地区路用沥青技术特点 355;9.2;不同改沥青能对比评价 356;9.2.1 改沥青常规能比较 356;9.2.2;改沥青流2学能比较 358;9.2.3 综合比较与加工机理分析 360;9.3 南方湿热地区改沥青指标建议 361;9.4 本章小结 365;第10章 研究展望 366;参考文献 369;
摘要与插图
1.1 沥青的种类与质;
1.1.1 沥青的种类;
沥青主要是指由高分子的烃类和非烃类组成的黑色到暗褐色的固态或半固态黏稠状物质，以固态或半固态存在于自然界或在石油炼制过程制得。沥青按其来源可分为石油沥青、天然沥青及煤焦油沥青等。沥青是人类应用*古老的建筑材料之一。人类在认识石油之前便开始使用沥青。早在5000多年前人们发现了天然沥青(主要是湖沥青与岩沥青)，并且利用其良好的黏结能力、防水特、防腐能等特征，以不同的形式用作铺筑石块路的黏结剂，例如，为宫殿等建筑物做防水处理，用作制作木乃伊的防腐剂，作为船体填缝料等[1]。;
目前，石油沥青专指在原油加工过程中制得的一种沥青产品，主要含有可溶于三氯乙烯的烃类和非烃类衍生物，其质和组成随原油来源和生产方法的不同而□化，在石油产品中属非能源产品。按胶体理论，石油沥青主要由油分、胶质、沥青质三种物质组成，油分作为分散介质，使胶质和沥青质分散于其中，从而形成稳定的胶体结构。技术成熟的石油沥青生产方法大致有以下六种：蒸馏法、溶剂沉淀法、氧化法、调和法、乳化法及沥青的改生产。这些方法工艺易定型，对大多数炼油厂来说容易操作。沥青按其生产加工方法可分为直馏沥青、溶剂脱油沥青、氧化沥青、调和沥青、乳化沥青、改沥青等[1]。直馏沥青是指由原油用常减压蒸馏方法直接得到的产品，在常温下是黏稠液体或半固体；溶剂脱油沥青是指由减压渣油经溶剂沉淀法得到的脱油沥青产品或半成品，在常温下是半固体或固体；氧化沥青是以减压渣油为原料经吹风氧化法得到的产品，在常温下是固体。由上述生产方法得到的沥青再加入溶剂稀释，或用水和乳化行乳化，或加入改行改，可以分别得到稀释沥青、乳化沥青和改沥青[1]。;
经过100多年的展，石油沥青作为工程材料已在国民经济各部门广泛使用，成为许多领域不可替代的工程材料，而且应用领域还在不断拓宽。目前我国沥青生产能力已达到□000万t/a，可以生产道路铺装、防水防潮、油漆涂料、绝缘材料等数十个品种和上百个牌号的沥青产品。我国不仅大量生产和使用沥青，而且高度重视沥青生产技术的发展、产品质量的和新品种的开发，以及在各工业部门的应用。目前公路建设和建筑业的持续发展对石油沥青的需求愈发强劲，市场容量大。展望未来，石油沥青产品仍将持续发展。;
1.1.□ 石油沥青的化学组成和质;
石油沥青的质取决于油源与生产方法，而石油沥青质量的差异，归根到底是化学组成的差异。组成、化学结构和结合形态的任何□化都会改□沥青的物理质。沥青是石油中分子量*大，组成和结构*为复杂的部分。只有对沥青的化学组成与结行分析，才能从本质上了解影响沥青抗老化能、路用能及使用能的内在原因，正确地指导沥青的生产与使用[1]。;
沥青是石油中*重的部分。沥青的元素组成，是碳、氢含量和H/C原子比对沥青的物理及化学质影响很大。除碳、氢元素外，沥青中还含有少量的硫、氮、氧等元素，这些元素主要存在于沥青质和胶质中，对沥青的质也有的影响。石油沥青中还含有其他微量元素，如铁、锑、镍、钒、钠、钙、铜等，也大多集中在沥青质和胶质之中，但因其数量甚微，对沥青质和使用能的影响不显著。沥青富集了原油的大部分微量金属元素，其种类、含量和分布取决于油源。沥青的碳和氢含量与其物理质的关系并不密切，但元素的存在对沥青的界面质、电能和加工能有重大影响[1]。;
石油沥青组成复杂，且随原油及加工条件不同而不同，对于沥青这样复杂的体系，要分离为单体组分几乎是不可能的。*常用的方法是借助各种液相色谱，将沥青按照其中所含化合物的类型行分离，例如，利用液固吸附色谱可以地按照极的不同实现饱和分、芳香分、胶质的分离；借助离子交换色谱，可以按照组分的酸碱行分离；而凝胶色谱则大致是按照分子体系的大行分离的。采用液相色谱和溶剂分离，可以将沥青大致分为饱和分、芳香分、胶质、沥青质四个组分。此外，沥青化学结构的研究方法还有化学降解法和超临界流体精密分离技术。可按分子量大小连续地分成多个馏分，或分子似而极不同的混合物按极大小连续分成多个馏分，所得的馏分可用一步研究化学组成与结构以及使用能的关系[1]。;
现代胶体理论认为，石油沥青以沥青质为核心，胶质吸附于其周围形成胶束，作为分散相分散在由芳烃和饱和烃组成的分散介质中。沥青的质在很大程度上取决于四种组分的组合比例和沥青质在分散介质中的胶溶度或分散度。各种沥青的饱和烃的H/C原子比在□.0左右，分子量为500～800，芳碳率几乎为0，环烷碳分率为10%～□0%，其他均为烷基碳。沥青中的饱和烃主要由正构和异构的烷烃所组成，在分子上还带一些环烷烃。?存在于饱和烃中的正构烷烃(蜡)，对沥青的使用能影响很大，是对胶体结构、流□、低温延度、黏附都有很大的影响。对于道路沥青，一般含蜡量应在3%以下。芳烃的分子量为800～1000，H/C原子比为1.56～1.67。胶质也称极芳烃，其H/C原子比为1.40～1.47均分子量为1300～1800，它的芳构化程度比芳烃还高，胶质在沥青胶体体系中作分散剂，在常温下呈半固体状态。它的存在可使沥青具有很好的塑和黏附，还能改善沥青的脆裂并提高延度。其化学质不稳定，易于氧化转□为沥青质。沥青质是石油沥青中*重的部分，均分子量可达数千到10000，H/C原子比仅为1.16～1.□8，其芳碳率、芳环数均较其他组分高。沥青质没有固定的熔点，加热时通常首先膨胀，然后到达300℃以上时，分解生成气体和焦炭。沥青质是沥青胶体体系的核心物质，它的多少和结构对沥青胶体结构能的影响很大。由于沥青质分子的缔合作用，沥青质分是几个分子结合在一起，含沥青质高的沥青，其软化点高，针入度小，延度小，低温易脆裂[1]。;
要生产一种道路沥青，沥青中的饱和分、芳香分、胶质、沥青质应有一个合理配比。单独存在时，饱和分和芳香分的针入度极大，软化点很低，黏度也小，可以认为它们是沥青中的软组分，起塑化剂作用；而胶质、沥青质的针入度为0，软化点很高，胶质的黏度比饱和分和芳香分大三四个数量级，因此可认为它们是硬组分，在沥青中起稠化作用。化学组成与沥青的胶体能存在密切的关系。;
解释石油沥青结构的理论有胶体理论和高分子理论两种。现代胶体理论认为，按四组分解释，固态微粒的沥青质是分散相，散态的油分(饱和分和芳香分)为分散介质，胶质使分散相很好地胶溶在分散介质中，沥青质是核心，一些沥青质聚集在一起，胶质吸附在表面，逐渐向外扩散，而使沥青质的胶核溶于油分介质中，这种结构是胶体的组成结构单元，即胶团。各个组分在沥青中可以形成不同的胶体结构，通常按它们的化学特及各种组分的比例和流□学特，可以分为溶胶、溶胶-凝胶和凝胶三种结构。;
□□类沥青为溶胶型结构，沥青中沥青质含量很少，同时由于胶质作用，沥青质胶溶分散于油分介质中。胶团没有吸引力或吸引力很小。这类沥青符合牛顿流体的特点，剪切力与剪切应□速率呈直线关系，弹效应很小或没有[1]。;
类沥青为溶胶-凝胶型结构，沥青中沥青质含量适当，并有很多胶质作为保护物质。它所形成的胶团相互有的吸引力。这类沥青在常温时，在□形的*初阶段，表现为明显的弹效应，但在□形增加到数值后，则表现为牛顿流体。大多数的路用沥青都属于溶胶-凝胶型沥青，它具有黏弹和触□，也称弹溶胶[1]。;
第三类沥青为凝胶型结构，沥青中沥青质含量很高，形成空间网格结构，油分分散在网格结构中，这种沥青具有明显的弹效应[1]。;
沥青感温能指标针入度指数(peration index， PI)与沥青的胶体结构、化学组分有密切的关系。用PI值表示沥青的胶体类型是现在*常用的方法。壳牌公司根据沥青的针入度指数将沥青分为三类：当PI□时，为凝胶型沥青，有很强的弹和触□，大部分的氧化沥青属于这一类，而且氧化程度越高，沥青质的浓度越大，PI值越大[1]。;
也有研究人员采用高分子溶液理论来研究沥青。这种理论认为，沥青是一种以高分子量的沥青质为溶质，以低分子量的软沥青质为溶剂的高分子溶液。沥青质的含量以及沥青质与软沥青质溶解度参数的差异，很大程度上决定了高分子溶液的稳定。通常沥青质含量很低，且沥青质与软沥青质溶解度参数差值很小，能形成稳定溶胶。随着沥青质含量的增加，由溶胶逐渐转化为稳定的凝胶。若沥青质含量很高，且沥青质与软沥青质溶解度参数差值又较大，则可形成沉淀型凝胶。凝胶是一种过渡状态。高等级道路沥青按照相容理论应满足以下准则：①一种沥青能否形成稳定的溶液，不取决于沥青颗粒的大小，而是取决于溶质(沥青质)在溶剂(软沥青质)中的溶解度和溶剂对溶质的溶解能力；②软沥青质与沥青质均化学结构越相似，溶解度参数越，所形成的沥青结构越稳定；③高等级道路沥青的软沥青质和沥青质的浓度应有一个合理的范围[1]。;
在沥青高分子浓溶液中，沥青质分子是以扩散运动和沉降运动的综合结果而显示不同质的，前者是分子间作用力的作用结果，而后者是分子重力的作用结果，可由沥青质分子的扩散状态间接地了解沥青的相容。在常温下，由于软沥青质的黏度较大，沥青质分子的沉降效应较小，很难观察出沥青质分子的扩散状态。当加入稀释剂后，即可降低软沥青质的黏度，增加沥青质的沉降效应，因而可根据沉降速度的不同，判定沥青的相容。相容较好的沥青，沥青质分子的扩散效应较大，沉降速度较慢；相反，相容较差的沥青，沥青质分子的沉降速度较快。沥青的相容与沥青的耐久、流□和延度存在显著相关。沥青的相容是沥青内部分子相互作用的结果，它们反映在宏观上即为沥青的物理质，沥青的抗老化能随相容增加而提高；沥青的流□指数值随相容的提高而更趋牛顿流体；同样，相容好的沥青具有较大的延度[1]。;
1.1.3 道路改沥青的产展;
在国外，很早有通过掺加改剂对沥青材料的行提高的相关研究的报道，尤其是聚合物改沥青在19世纪初有相关应用。英国人Whiting在1873年申请了橡胶改沥青的专利，并在1845年采用橡胶改沥青铺筑了路面，□□在□0世纪初也用橡胶沥青铺筑了路面。通过在沥青中掺加少量聚合物，能够显著提高沥青材料的路用能。1936年，荷兰人在从阿姆斯特丹通往海牙的道路上用橡胶沥青修筑了一条路面，该路面在经历次世界大战中的重型机械碾压后，仍然保持着良好的路面状况，这引起了人们的广泛关注；1937年，英国以橡胶改沥青作为磨耗层铺筑了碾压式沥青混凝土路面。1947年，美国研究了丁苯橡胶(styrene-butadiene rubber，SBR)胶乳和胶粉改沥青，采用1.5%～3%的丁苯橡胶改沥青铺筑的道路今已超过5000km年来，美国对正交异钢桥行了铺装，铺装材料为环氧树脂；奥地利理查德 费尔辛格集团从□0世纪70年代开始研究改沥青，历经□0年后研制出了路福沥青[□]。;
在亚洲，□□是使用改沥青路面*多的国家。195□年，□□人在东京的祝田桥用橡胶沥青铺筑了试验路，1983年，又铺设了本洲—四国大桥的钢桥桥面，采用的材料是橡胶沥青和热塑树脂，1985年，由□□建设省建筑□□□研究开发了橡胶沥青“筑波Ⅰ号”，行了试验路铺筑，试验结果表明其路用能能够达到预期的目标年来，□□又结合多种技术研制出了苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolymer，SBS)、韧聚苯乙烯(toughened polystyrene，TPS)等多……