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沥青流变学研究

沥青由原油蒸馏过程的残余物生成,它是包含许多不同石化组分的复杂混合物。沥青混合料是基质沥青和矿物成分的混合物,其中沥青作为黏合剂。然而,在一些国家/地区(例如美国),术语“沥青”和“沥青混合料”是同义词。

铺路材料或沥青混凝土由石头、砂砾、碎石、砂等矿物材料与黏合剂沥青(或沥青混合料)混合而成。铺路材料往往要接受各种气候条件和繁重交通的严峻考验。因此对于公路建设部门而言是一个相对可观的成本要素。典型损伤是由于材料疲劳或热应力而形成的车辙或裂缝。

车辙源于持续不断的交通负荷。它会造成混合物的结构强度变弱,进而可能导致路面永久变形越来越多。最终可能会导致类似打滑的后果。   

疲劳和热裂缝通常由季节性温度变化等造成。可能会出现微小裂纹,而且不能再“自愈”。由此,裂纹会变得更大,石头或柏油的碎片由于受轮胎的摩擦力而会被扯出路面——引起连锁反应,冬季渗透进去的水和冰会进一步加速这种损伤过程。  

公共行政、公路建设者、建筑材料制造厂和研究所的目标就是提高沥青混凝土的性能和寿命。这可以通过采用高品质的原材料,并寻找合适的结构以及沥青和矿物材料的混合比例来实现。由此可提高加工性能、尺寸稳定性和抵御气候变化能力、减少液体和灰尘的滞留,以及获得更好的抓地特性。

沥青和沥青混合料的流变特性

为了获得良好的产品质量,重点关注作为黏合剂的沥青,可使用流变仪进行测量。不同的加工和使用步骤需要不同稠度的沥青。在道路工程中,热沥青混凝土混合物是在不同的温度下生产和均质化的。用于连续加工这些混合物的沥青装置可以是固定式,也可以是移动式,所以混合物必须是可输送和可灌注的。在铺设之后的冷却阶段中,会连续地将混合物压实在路面上。沥青的性能可以通过测试其 黏度 及其他描述刚度和柔度的流变参数进行优化。沥青(或混合料)测试专用加热设备等各种测量装置和配件可确保获得高度精确的结果。

沥青

术语“沥青”起源于凯尔特语,意思是矿物树脂或“大地树脂”。这种棕黄色近黑色的易燃液体在室温下呈现出坚韧以及黏弹性。它是数千种高分子和低分子组分的混合物:包括烃类、树脂、石蜡油、蜡、脂肪、重油、木质素、蛋白质和沥青质。与沥青混合料相比,沥青中没有固体物质(例如矿物)。天然沥青由天然有机物质组成。

沥青主要作为道路路面混合物的黏合剂,用于黏合固体矿物掺料,如沙子或小石子。因此,它需要在高温下能抵抗分层并保持稳定。另一方面,在低温下不会轻易发生脆性断裂。

沥青流变测试

沥青的流变特性可以通过测试进行测定,例如在可变温度(在 T = 0 ℃ 至 70 ℃ 的范围内)条件下进行 振荡测试 。通常会使用合成聚合物来优化道路路面的 黏弹 特性。通常,纯沥青的组分对流变特性的影响小于合成聚合物掺料。在沥青行业中,一些由来已久的测试方法仅在单一温度下进行,对于像沥青这样的复杂流变热塑性材料,这是不够的。采用圆环法和圆球法 (R&B) 测定的软化点 (SP) 等传统特定值,或者通过针穿刺测试测定的渗透值,均只考虑到了粗略的分类,而未提供足够关于已交付产品的质量或对多数具体应用的适用性的信息。

该测试需要使用 沥青流变仪, 配备同心圆筒 帕尔贴温控设备。

聚合物改性沥青 (PMB)

为了使沥青或柏油黏合剂适合特殊要求,如道路路面,往往会在其中混入聚合物以形成所谓的聚合物改性沥青 (PMB)。相比于普通沥青,PMB 对矿物颗粒更具黏着力,并且软化点和脆点间的温度范围更宽。它在负荷解除后表现出更好的结构恢复性能,并且更耐材料疲劳。此外,PMB 具有更好的耐水性以及更高的刚性和耐用性。PMB 通常用于交通负载格外繁重的区域,以及桥梁和开孔沥青混凝土,这种材料可用于减小骑行噪声等。

聚合物改性沥青流变测试

在沥青中混入聚合物的主要目的是为了扩大其延展性范围,目的是使其在高温下更硬,在低温下更软。掺料与沥青 混合的比例可高达 7 %。常见的掺料是热塑性聚合物的共混物,如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯 (SBS)、乙烯-醋酸乙烯酯 (EVA) 或轮胎胶 (GTR)。流变测试可以用来测定 PMB 在加热或熔化时的温度依赖性,例如使用 振荡 流变仪进行温度测试。虽然加入的聚合物相对于沥青来说比例很小,但温度曲线清晰显示出,聚合物分子对于混合物获得极好的 黏弹 特性有着非常巨大的影响。

该测试需要使用配备帕尔贴温控同心圆筒系统 的 沥青流变仪 。

橡胶改性沥青

在工业化国家和发展中国家,随着道路上的车辆越来越多,每年产生的废旧轮胎达数百万个。道路建设的沥青生产中使用轮胎橡胶不仅有助于减少废旧轮胎对环境的影响,而且也有利于改善公路建设沥青的性能。好处包括延长路面使用寿命、减少道路维护、降低道路噪音和缩短损坏中断距离。而且意料之中,沥青橡胶成为最大的旧轮胎应用市场,每年约消耗 1200 万个轮胎。加利福尼亚和亚利桑那州在公路建设中使用的沥青橡胶最多(超过 80% 的沥青采用沥青橡胶),不过沥青橡胶经过设计调整可在任何类型的气候条件下使用。 

橡胶改性沥青流变测试

沥青制造商需要能够测量与温度相关的 黏弹 特性,以便对材料进行分类并预测其性能。可以使用动态剪切流变仪进行此类测量,可测量颗粒直径最大为 2 mm 的橡胶改性沥青。通常,添加轮胎橡胶可显著改善沥青的流变性能,与不添加橡胶的铺路沥青相比,其材料刚度和弹性有明显的提高。

该测试需要使用配备帕尔贴温控同心圆筒系统 的 沥青流变仪 。

其他材料和应用