改性乳化沥青分析

改性乳化沥青 陈先华 东南大学交通学院 摘 要:本文分析了我国聚合物改性沥青的应用现状，总结了我国十多年来的聚合物改性沥青的研究成果与应用的经验，并对我国改性沥青的研究工作了进行较深入的探讨，提出了较为客观实际的建议。 关键词:聚合物 改性沥青 应用现状 分析 Analysis on Current Application of Polymer Modified Asphalt Xianhua Chen Transportation Institute,Southeast University China Abstract This paper analyzed current application of polymer modified asphalt of China and summarized relative research and experiences of application. The paper also discussed what the country’s modified asphalt research work should do next and put forward some proposal. Polymer Modified Asphalt Current Applications Analysis 【Key Words】 1、我国改性沥青概述 根据《公路改性沥青路面技术规范》(JTJ036-98)，所谓的改性沥青是指通过往沥青中掺加”橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其它填料等外掺剂(改性剂)”或采取“对沥青轻度氧化加工”等措施，“使沥青或沥青混合料的性能得到改善”而制成的沥青结合料。改性剂则指的是“在沥青或沥青混合料中加入的天然或人工的有机或无机”，它应“可熔融、分散在沥青中”、能够“改善或提高沥青路面材料性能”、“与沥青发生反应或裹复在集料表面上”。从上面的叙述可以看出，沥青改性可以分为物理改性与化学改性两大类。本文仅涉及狭义的改性沥青，即化学改性沥青中的聚合物改性沥青。 我国对沥青及沥青混合料改性的技术研究已有近二十年的历史，范围基本上涉及到路面使用性能改善的每一方面，并且在许多方面取得了有较大实用价值的成果，主要表现为: (1) 广泛应用于工程实际的SBR橡胶改性产品，如重庆交通科研所研制的湿法SBR; (2) SBS等热塑性弹性体改性技术及PE等树脂类复合改性技术，如国创一号、二号; (3) 作为“八五”攻关项目的土工格栅、土工布等改善沥青路面结构力学性能的物理改性技术; (4) SMA(Stone Mastic Asphalt)及相应桥面铺装的研究; (5) 成套沥青改性设备开发研制，如北京国创改性沥青有限责任公司的LG-8型炼磨式设备等; 总结我国改性沥青的研究与应用情况，主要呈现这几个特点:我国关于改性沥青的研究工作起步较早，基本上是与国际同步的;我国的改性沥青研究工作主要停留在实验室与试验路上，而且各研究工作几乎是由各高等院校、科研院所独立完 成的，缺乏象美国SHRP那样的大型系统工程;我国改性沥青的应用规模很小，或者说根本谈不上应用规模，相应的沥青改性设备与成套生产-施工-管理工艺的研究工作显得滞后。也正是由于此，改性沥青的成本与国外相应改性沥青的成本而言，无多少竞争优势。 2、国内改性沥青的技术水平 2.1沥青改性的关键技术 沥青作为一种复杂的高分子碳氢化合物，在一定温度与荷载作用下表现为典型的弹-粘-塑性，并且在高温与紫外线照射下会产生老化现象。因此加入改性剂的主要目的就是要改善沥青混合料在高温下的路用性能，提高其抗车辙、抗疲劳、抗老化及抵抗低温开裂等方面的性能。沥青改性效果的关键在于解决改性剂与沥青的相容性问题[1]。所谓相容性，在热力学上的含义是指明两种或两种以上物质按任意比例形成均相体系(或物质)的能力。但实际生活中能够完全互溶的物质几乎是不存在的，因此道路工程上所指的相容性是指“聚合物改性剂以微细的颗粒与基质沥青发生反应或均匀、稳定地分散在基质沥青中，而不发生分层、凝聚或离析等现象”。改性剂与基质沥青的相容性主要取决于两者之间的界面作用、基质沥青的组分以及集合物的极性、颗粒大小、分子结构等因素。一般地，聚合物的极性愈强，分子结构与沥青愈接近，则它与基质沥青的相容性越好，相应地改性效果也较好。国内的研究还表明聚烯烃类改性剂与高饱和分的沥青相容性较好，而SBR、SBS等则与高芳香分的基质沥青相容性较好[2]。比利时FINA公司(国内有其分部)在对SBS改性剂进行大量研究后发现，基质沥青中沥青质含量对SBS改性效果的影响极大，基质沥青中沥青质的含量越高，相容性越好。美国化学家Brule甚至还给出了相容性较好的基质沥青的组分比例:饱和分:(芳香分+树脂):沥青质=(8-12%):(85-89%):(1-5%)。从这些研究中，我们可以看出改性剂与沥青的相容性与基质沥青的组分密切相关，但目前国内国际上对此尚无统一的看法，这里不再赘述。 2.2沥青的改性性能与改性机理 改性沥青的主要功用之一是提高沥青混合料在高温下的抵抗变形能力，而在其他温度下对沥青或沥青混合料的特性无不利作用。纵观国内聚合物改性沥青的研究与应用情况，改性沥青通常具有如下几个特点: (1) 优良的高温稳定性; (2) 较好的低温抗裂和抗反射裂缝的能力; (3) 粘结力及抗水损害能力增强; (4) 具有较长的使用寿命。 不同种类的改性剂对沥青性能的改善作用是不一样的，一般地，树脂类材料改性后沥青的针入度下降、软化点上升，而延度变小。橡胶类材料改性后，沥青的针入度会有所降低，而延度与软化点都会上升;热塑性弹性体材料则具有良好的双向改性功能。对于沥青的改性机理，目前尚无定论，总结所搜集到的资料与观点: (1) 聚合物与沥青的共混体的最佳状态:聚合物以离散相状态均匀分布在呈连续相的沥青介质中，这种结构类似于用级配理论中的骨架密实结构; (2) 聚合物在沥青中会产生溶胀现象; (3) 聚合物在沥青中的掺量存在一个临界值(即美国科学家Collins所称的临界掺量)，达到临界掺量时，聚合物形成一种稳定而富有弹性的网络结构;当超过此值时，改性体系发生相变，聚合物由非连续相转化为连续相，沥青由连续相转化为非连续;在另一方面过高的掺量会大大增加改性成本而显得不经济)[3]。 2.3国产改性沥青的种类与加工方法 一种聚合物能否作为改性剂，主要看它是否具备这几个条件: (1) 与沥青相容; (2) 在沥青的混合温度下能够抵抗分解; (3) 易加工与批量生产; (4) 在使用过程中能够始终保持原有的优良性能; (5) 经济上合理，不显著增加工程造价。 目前，国内用于沥青改性的聚合物品种繁多，归纳起来，大致可分为三种类型: (1) 橡胶改性类:如天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、氯丁橡胶(CR)、丁二烯橡胶(BR)、乙丙橡胶(EPDM)、废旧的汽车轮胎等; (2) 热塑性弹性体:如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯-异二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS); 类:包括热塑性树脂与热固性树脂。前者有聚乙烯(PE(3) 树脂)、乙烯-醋酸-乙烯共聚物(EVA)、聚乙氯烯(PVC)，后者有近年来国外(美国)广泛用作正交异性钢桥面铺装的环氧树脂(EP)(注国内首次使用在正交异性钢桥上的工程为南京长江二桥)。 目前，在国内使用较多的主要有SBR、PE、EVA，SBS也因为其良好的双向改性性能(即同时改变基质沥青的高温与低温性能的能力)在近年来得到较广泛的应用。影响改性沥青在国内应用的因素主要表现为沥青改性后的路用性能、生产施工的难易程度与改性成本。我国现有的几种改性沥青的质量水平基本上与国际上用同类型改性剂的改性沥青大体相当，因此加工方式的难易成了国内改性沥青与同类国际产品竞争的主要方面而在这一方面我国与欧美国家存在较大的差距。目前，国内外生产改性沥青时，除了极少一部分(如SBR胶乳、磨细的橡胶粉)采用直接拌和的方式外，大部分改性剂与路用沥青的相容性并不太好，必须采取高速剪切、胶体磨、混炼等特殊加工方式，才能使改性剂均匀分散于混合料中。归纳起来，国内改性沥青的制作方式有以下几种(见图1)。 图1 改性沥青的制作方式(请作者见文后，将图片email给本站。)f 2.4国产改性沥青的制造工艺 我国现有的改性沥青加工工艺，能形成规模化生产的成熟技术为数不多，其中较有影响力的有北京市国创改性沥青有限责任公司生产的国创一号、国创二号的工艺以及重庆交通科学研究所研制的“溶剂法生产工艺。根据Sam Maccarrone的观点，聚合物在沥青-聚合物共混体系中的理想状态是细分布而非完全至溶状态。因此制造改性沥青的关键在于能将改性剂磨细，并使其均匀地分散天沥青胶体中。沥青改性设备一般包括七个子系统:沥青外掺剂供给系统、炼磨搅拌系统、加热保温系统、控制系统、称量称重系统、液压站及成品贮存罐。胶体磨是整个改洚设备的核心，它应能在高温、高压环境下长时间高速旋转，同时还应能控制物料的均混粒度以及胶溶效果。胶体磨式、高速剪切等专用设备我国都已经有产品，其中北京市国创改性沥青有限责任公司的LG-8型炼磨式改性沥青设备已通过交通部科技司与公路司的联合鉴定，性能达到国际先进水平，另外重庆交通科研所、西安筑路机械厂等单位也研制出了相应的设备，河南省交通厅等省公路部门还从国外引进了相应的设备。 3、国内改性沥青研究中存在的问题与可能的对策 (1) 我国关于改性沥青的研究工作多，并且取得了不少成果，但实际应用于工程的比重远低于欧美国家，远没有达到规模应用的水平。另外我国的改性沥青的研 究工作往往由各高等院校、科研院所独立完成，缺少象美国公路战略系统(SHRP)这样的大型系统工程，研究的随机性大，配套工作滞后。由于各部门的利益关系，沥青改性的关键技术往往是秘而不宣的在一定程度上造成人财物力的巨大浪费。这方面的问题实际与我国公路部门的体制有关，超出了本文的范围，不予深究。 (2) 改性沥青的相容性问题。纵观国内的大多数改性沥青，聚合物与基质沥青之间并未发生明显的化学反应，它们仅仅靠微弱的界面作用物理联结。因此改性效果受加工设备、加工工艺等因素影响很大，并且，贮存时间稍长即发生分层离析等现象，降低了改性效果。另外，改性沥青在应用于路面工程时，往往要使用加强材料如硅质集料、纤维等。这些材料一般是亲水性的，而沥青与聚合物都是憎水性的，这样也使得改性沥青不容易与加强材料牢固地结合。一种研究思路就是往改性沥青中加入一些含反应性基团的化学组分，使沥青与聚合物之间形成化学键联结，而改性沥青与加强材料也形成化学键联结，提高了改性效果[4]。在这一方面，美国与日本都有相应的专利技术成果值得借鉴。另一种研究思路就是寻找新的改性剂，如SBS与热固性材料–环氧沥青混凝土(EP)。特别是EP，由于其优秀的耐疲劳性能与耐久性以及接近于水泥混凝土的强度与刚度，近年来在国外被广泛用作正交异性钢桥的桥面铺装。国内关于环氧沥青的研究工作目前还只有东南大学与同济大学两所高校在开展，国内第一次在大跨径正交异性钢桥桥面上使用环氧沥青混凝土的应用工程则是在新建的南京长江二桥，这是从美国直接引进的成品，具体路面性能如何还有待实际的进一步验证。 (3) 无统一的性能体系[5]。现有关于改性沥青的实验比较大多通过改变聚合物的掺量或改变基质沥青的种类进行比较的。作为前者，对于同种沥青尚有一定的可比性，能够说明不同改性剂对该种基质沥青的改性效果的差异;但对于后者，则无多少科学依据。因为沥青是一种成分极其复杂的有机高分子化合物，采用不同原油炼制而成的沥青其组分显然是不同的，即便是同一种原油，因炼制工艺的不同所得沥青的组分比例也不尽相同。因此这种通过比较同种改性剂对不同基质沥青的改性效果的方法存在很大的缺陷。正确的思路应该是对同一种沥青进行的:先按一定方法将基质沥青的各组分分离提纯出来，再根据实验目的将所得的组分按一定比例来配制成试验用的基质沥青，然后再采用相同的制备工艺来制备改性沥青及其混合料，进行性能评价或研究。 结 论 相容性问题是改性沥青的关键性问题。对于我国改性沥青的研究工作，一方面应继续寻找新的改性剂，另一方面则应尽可能打破现有的思路，建立新的评价体系 参考文献 【1】黄卫东等?国外聚合物改性沥青的研究与应用?《国外公路》(4/1999) 【2】沈金安?论聚合物改性沥青的发展方向?《公路交通科技》(3/1998) 【3】张争奇等?改性沥青室内及试验路研究?《西安公路交通大学学报》(1/2000) 【4】周进川?聚合改性沥青的试验与评价?《石油沥青》(3/1998) 欢 迎 阅 读～