改性瀝青改性劑的應用

李紅星

摘要:影響瀝青混凝土路面早期損壞的因素很多,但是隨著交通量的增加,汽車荷載的增大,傳統意義上的瀝青的質量和品質遠不能適應這一要求,是值得重視的。為此改性瀝青已成為目前必須全新研究的課題,本文從改性劑類型、改性劑選擇、改性劑計量的確定三方面對改性瀝青改性劑應用進行詳細闡述。

關鍵詞:改性瀝青;改性劑;瀝青路面

隨著國民經濟的迅速增長,我國公路建設進入了良好的發展時期。高速公路建設成績令人震撼,但是瀝青混凝土路面的早期損壞問題越來越普遍。通過調查,目前國內絕大部分的瀝青混凝土路面在交付使用兩三年后就出現嚴重的路面質量問題,有的甚至當年通車即發生損壞,損壞主要表現在首先以局部小范圍出現,然后再擴展為大面積破壞,包括松散、網裂、裂縫、坑洞、局部車轍、局部泛油等等。

為了改善瀝青性能,通常采用工藝改性、結構改性和改性劑改性等方式來提高瀝青路面的服務水平。所謂工藝改性是指在瀝青生產工藝中適當調整工藝程序來改善瀝青性能,如除去瀝青中蠟的含量來改善石蠟基瀝青的感溫性、通過氧化工藝提高瀝青的高溫抗變形能力等。而結構改性技術是指在瀝青路面結構中增加結構層來改善瀝青路面的使用性能,如設置抗反射裂縫延伸的應力吸收膜、設土工格柵加鋪層以提高瀝青路面抗車轍和疲勞性能等措施。改性劑改性瀝青是指在瀝青中添加合適的改性劑以改善瀝青性能,是目前研究最豐富和深入的改性方法。對于改性瀝青,其改性劑類型的選擇和劑量的確定,對路用性能有重要的影響。

1 改性劑類型

自首次將橡膠粉加入瀝青以來,發展至今改性劑的選擇范圍越來越廣泛,目前已形成品牌的已有40多種。常用的改性劑種類有以下幾類:

1.1 礦物填充料

如碎石粉、石灰、水泥、粉煤灰、碳黑及硫黃等細粉,一般認為它們可以增強瀝青混合料的穩定性,增加骨料與瀝青的粘結力等多重效果。

1.2 擴善劑

由硫磺或木質素粉制成的擴善劑,可用以降低瀝青混合料中瀝青用量,以提高經濟性。

1.3 橡膠

包括有天然乳膠、合成乳膠、塊狀共聚體、再生橡膠,如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯(SIS)、苯乙烯-聚乙烯/丁基-聚乙烯(SE/BS)及丁苯橡膠(SBR)等等。

1.4 塑料

包括有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚乙烯醋酸乙酯(EVA)、聚氯乙烯(PVC)、無規則聚丙烯(APP)等等。

1.5 聚合物混合改性劑

組合不同的聚合物,提高瀝青混合料抗車轍、抗變形能力。

1.6 纖維

一般都是在熱拌瀝青廠拌合時加入,可提高瀝青用量,對瀝青混合料有增強作用,延緩反射裂縫產生,提高溫度穩定性,增加瀝青路面使用壽命。

1.7 氧化劑

氧化物主要用來增加瀝青的勁度,提高抗車轍能力。

1.8 抗氧化劑

抗氧化劑則是用來降低氧化速率,提升混合料的耐久性。

1.9 烴類等其他改性劑

一般來說,聚合物改性瀝青是目前研究最深入、成果最顯著、使用最普遍的一大類改性瀝青,大體可分成四大類:

①以聚乙烯為代表的熱塑性樹脂類,包括聚丙烯(PP)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)等。它們對瀝青的高溫性能有較大的改善,改性后軟化點大幅提高,但低溫延度不高;

②以丁苯橡膠(SBR)為代表的天然和合成橡膠類,此類改性劑使瀝青低溫性能得到明顯改善,低溫彈性好,但抗老化性能較差,改性后經老化試驗延度下降幅度很大;

③以苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)為代表的熱塑性彈性體,包括氫化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)和苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)。此類改性劑對瀝青的高、低溫性能均有較大程度的改善,改性后瀝青的高、低溫性能優良,彈性恢復好,抗老化能力和耐候性好,有較強的抗高溫變形和抗磨損性能,是目前國內外使用最廣泛的一種改性瀝青;

④以環氧樹脂為代表的熱固性高聚物,這類較少適用于路面鋪筑中。

2 改性劑的選擇

改性劑的選擇對保證路面優良性能是十分必要的,許多實踐經驗表明,如果改性劑選擇不當,可能使路面產生早期病害,造成不必要的損失,為此,合理選擇改性劑是相當重要的。改性瀝青改性劑的選擇應注意以下幾點:

依據不同的氣候條件和當地路面主要病害特點選擇。在現行的改性瀝青路面施工規范中,對改性瀝青的技術指標提出了嚴格的要求,其不同的指標要求實際上是根據我國“八五”攻關課題成果得到的瀝青路面氣候分區而建立的,因而不同的改性劑在不同地區使用時的適用性是不同的。在南方,采用SBS、PE、EVA等改性劑效果較好;而對低溫高寒地區,則選用SBR、SBS改性劑較好,但SBR耐老化性較差;在中部內陸地區、華北、中南、西北地區等地,高、低溫性能要求均較高,則宜于選擇SBS改性劑為妥。

根據不同的荷載作用特性選擇。在重載、超載作用嚴重地區,宜于采用抗車轍性能好的SBS、PE和EVA等改性劑;對行車舒適性要求較高的地區,則選擇抗裂性好、彈性作用強的SBS、SBR為好。

根據現場加工條件選擇。不同改性劑的改性工藝是不盡相同的,依據工地現有加工條件,選擇合適的改性劑。

進行經濟技術比較后確定合適的改性劑。根據改性劑成本、加工費用、改性設備和配套設施增加費用等,計算每噸改性瀝青增加的額外費用,在滿足路用性能需要的基礎上,選擇性能價格比優良的改性劑。

3 改性劑劑量的確定

劑量是影響瀝青改性效果的主要因素。但聚合物含量較低時,瀝青中的芳香酚可將聚合物幾乎完全溶解,使瀝青與改性劑形成為幾乎單一體,瀝青的性能變化不大;但聚合物劑量增加,則會出現瀝青與改性劑間的相的分離,表現為改性劑被瀝青中的輕組酚所溶脹,使得瀝青的路用性能得以改善,形成為聚合物的分散體系;改性劑量再增大,尤其是SBS等改性劑,則會形成相互連貫的網絡結構,形成兩相連續體系,在此劑量下瀝青路用性能變化幅度最大,由此得出改善性能最佳的改性劑量;當劑量再繼續增大時,瀝青相成為非連續相,聚合物則成為連續相,此時改性劑量變化對瀝青路用性能影響幅度很小,增加劑量對瀝青性能改善不經濟。

實際上,在確定合適改性劑量時,也并非必須采用最佳劑量,一般可以得到以下劑量:

依據規范或本地區改性瀝青所應達到的路用性能要求,由此技術性能指標和得到的性能指標與改性瀝青劑量間的關系曲線,得到滿足規范要求和本工程需要的改性劑量。

根據性能-劑量關系曲線,得到對性能改善效果最明顯的臨界劑量,或稱之為性能改善最佳劑量。

考慮改性劑量與改性瀝青存儲性能關系,在是否添加穩定劑、相容劑的情況下,選擇滿足工程需要的性能穩定的改性瀝青劑量。

綜合改性瀝青初期費用增加和改性瀝青路面服務水平提高、運營費用降低、使用壽命延長、養護維修費用大幅減少等路面使用過程中全過程投資與效益分析情況,得到一個全過程費用分析費用與改性劑量間的相互關系,得到一個合適的經濟劑量。

綜合以上幾種劑量,最后平衡路用性能、改性效果、經濟效益等情況,最后得出合適的瀝青添加劑量。

結語

改性瀝青技術隨著高速公路的建設突飛猛進的發展,其優良性能得到公路界普遍認可。但在使用過程中對改性劑選擇不當或劑量確定不佳,都會對瀝青路面性能產生不良影響,致使改性效果失敗,也會造成重大的經濟損失。因而在總結大量實踐經驗的基礎上,快速確定合理的改性劑類型及劑量是我們目前必須做的工作。