直投式瀝青改性方案及其節能效果分析

李 交，閆國杰，赫振華，陳德珍，徐韻淳，胡 睿

（1.上海浦東路橋建設股份有限公司，上海市 201210；2.同濟大學，上海市200092）

0 前言

現在社會的發展面臨著資源短缺與環境污染等嚴重問題，如何提倡節能環保已經成為時下一個重要的研究課題。在這樣的背景下，一系列具有節能減排效果的道路工藝措施層出，比如溫拌技術、再生技術、廢渣回收再利用以及本文要研究的關于混合料生產工藝的直投式瀝青改性方案等。

1 直投式瀝青改性方案

目前國內道路行業常用的瀝青混合料生產工藝主要有兩種，一種是傳統預拌式SBS 成品改性瀝青方案，即將成品改性瀝青直接注入到集料中拌合生產改性瀝青混合料，因此亦稱為“濕法”工藝，如圖1；另一種是直投式改性方案，是指先將改性劑添加到集料中干拌，后再注入基質瀝青濕拌生產混合料，亦稱“干法”工藝，如圖2。

從圖1、圖2 中可以看出，直投式改性方案節省了傳統成品改性瀝青的生產和儲存環節。一方面節省了改性瀝青生產設備的成本，也無需對改性瀝青進行儲存；另一方面避免了在改性瀝青生產過程中因高溫高速剪切條件下產生的瀝青老化現象，對于瀝青混合料的低溫、疲勞性能都有正面貢獻。

直投式改性方案施工工藝簡單，可操作性強，同時直投式改性瀝青混合料與傳統成品改性瀝青混合料的性能幾無二致。

2 直投式改性機理分析（RST 例）

2.1 RST 介紹

直投式瀝青改性劑以上海浦東路橋建設股份有限公司生產的高粘度改性劑RST 為例，見圖3，物理性能見表1。

表1 RST 的物理性質

2.2 改性機理

RST 對瀝青改性過程為二階熱混方式的三元共混體系，即改性歷經兩個階段完成。一階熱混是RST 直投式改性劑成品的形成過程。先將橡膠材料與增容劑及輔料共混，通過鏈段交換和分子間力等作用，形成以橡膠為連續相的、穩定的網狀結構，如圖4 所示。RST 在與瀝青共混改性之前就已經形成了均勻致密的網狀結構，無需再進行長時間的高速剪切，為改性過程能夠容易完成創造了條件。

二階熱混是RST 直投式改性劑對瀝青的改性，由于RST 中所含橡膠等聚合物均保持了一定的溶脹狀態，使其進一步溶脹變得更加容易，所含相關輔料在改性過程較高的溫度狀態下，具有加速熔融及提高熔體流動性能的作用，使RST 在改性過程中能夠快速熔融、溶脹、稀釋、均勻分散，具備了在拌和過程中足夠短的時間內完成瀝青改性的熱力學條件。

3 RST 分散性研究

直投式改性方案分為兩個階段，一是干拌階段，二是濕拌階段。混合料拌合過程中，改性劑的熔融性與分散性均勻與否，決定混合料性能的優劣。下面就兩個拌合階段里改性劑的熔融性與分散性進行研究，（以RST 為例）。

3.1 干拌階段熔融性及干拌時間的確定

RST 在混合料拌和時直接投入攪拌缸，在干拌過程中RST 顆粒承受高溫集料強勁的攪動揉搓和剪切，與高于自身重量百余倍的高溫集料之間發生劇烈的機械能量交換和熱交換，極短時間內即可被熔融，成為極薄的液膜粘附在集料表面。由于RST 與熱集料之間的重量和熱量存在巨大的勢差，以及剪切揉搓作用，完成這一干拌過程只需10 s 左右，如圖5 所示。

鑒于RST 熔融后的液膜呈無色透明狀態，為了更加直觀地表征RST 干拌過程中不同時段的熔融狀況，在RST 原料中預先加入一定量的氧化鐵紅顏料作為示蹤劑，以熱集料表面色彩的覆蓋程度評價RST 隨不同時間的熔融規律，確定最佳干拌時間。

由圖5 可見，與熱集料干拌5 s 的RST 由圓柱形體轉變為不規則形體，雖已軟化但未完全熔融；在與熱集料的共同運動、接觸過程中, 不斷將表面熔融的液膜留在集料顆粒表面，干拌第8 sRST 不規則形體消失，熱集料呈現朦朧的紅色，但液膜厚度尚不均勻；干拌第10 s，熱集料基本上完全為紅色所覆蓋，液膜薄而均勻；干拌第15 s 與干拌第10 s 的狀態無明顯差別。為保證質量，選定15 s 干拌時間最為適宜。

3.2 濕拌階段改性劑分散性及濕拌時間確定

在RST 改性排水性瀝青混合料實際生產過程中，取不同濕拌時間的混合料，運用顯微結構分析方法，獲取不同拌和時段混合料顆粒表面的改性瀝青顯微結構，描述了RST 在濕拌過程中的變化歷程，如圖6 所示。由圖中可見，加入瀝青第20 s 改性劑在瀝青中已形成較均勻分散狀態，但改性劑網狀粗大，表明與瀝青間的相互作用未達到平衡，隨著濕拌時間的增加，改性劑網狀不斷細化。第35 s 與第40 s 改性劑網狀的粗細已相差不大，顯微鏡下測得濕拌到第40 s 時，改性劑網架尺寸不大于1.6 μm，遠遠優于預混成品改性結果。綜合考慮選45 s 濕拌時間為宜。

綜上所述，RST 高粘度改性瀝青的形成依賴于混合料的拌和過程，在這特定的體系和狀態中，通過熱能、機械能的交換，不僅使參加共混改性的各聚合物之間相互作用速率加快，更重要的是大幅度地減小了體系的相疇，改性劑網狀結構更加細微，分布更加合理均勻，決定了RST 高粘度改性瀝青優異的宏觀物理力學性能。

4 結合料與混合料的性能

從之前結論得知，直投式改性劑RST在干拌15s、濕拌45 s 即總拌和時間1 min 的情況下，均勻地分散在基質瀝青中，改性劑網狀結構與成品改性瀝青下并無區別，具有良好的相容性，其性能見表2、表3。

顯然，RST 直投式改性方案下瀝青和混合料的性能幾乎全方位優于SBS 成品改性方案。這消除了直投式改性方案中對改性劑分散性的質疑。表中數據至少能夠證明一點，對直投式改性方案下改性瀝青與混合料的性能的質疑是完全多余的。事實上，RST 改性瀝青混合料具有優異的高低溫性能和抗水損、飛散能力。

因此直投式改性方案適合于廣泛的應用領域，包括排水性瀝青路面鋪裝、鋼橋面鋪裝、GSOG應力吸收層等。

表2 RST 改性瀝青與SBS 改性瀝青性能對比

表3 直投式RST 與成品SBS 改性瀝青混合料性能對比（OGFC 瀝青混合料）

5 節能效果

5.1 計算范圍

直投式：RST 改性劑生產能耗；混合料生產能耗。

預拌式：SBS 成品改性瀝青生產、儲存、運輸能耗；混合料生產能耗。

其余產生能耗的環節，因兩種方案皆有，且能耗很小，對計算結果影響甚小，因此未包括在此次計算范圍內。

5.2 計算指標

各計算指標見表4～表6。

5.3 計算方法

以排水路面為例，采用直投式改性方案下改性劑RST 摻加量為12%（占瀝青）；預拌式改性方案下成品改性瀝青中SBS 摻加量為9%（占瀝青）。參照表4～表6 數值，計算方法如下：

表4 直投式瀝青改性劑（RST）生產能耗計算指標

表5 3000 型混合料拌合機能耗計算指標

表6 成品改性瀝青的生產過程能耗計算指標

（1）RST 生產能耗：

（2）SBS 成品改性瀝青生產能耗：

（3）SBS 成品改性瀝青儲存能耗：

以上公式中，kgce/t 指生產每噸目標所消耗的千克標準煤；k1 為電力折算標準煤系數；k2 為柴油折算標準煤系數。

（4）混合料生產過程能耗：

（5）直投式改性瀝青混合料生產能耗：

（6）預拌式改性瀝青混合料生產能耗：

那么，生產一噸混合料，直投式改性方案比成品改性方案節省了17.1 kg 標準煤。節能率為：

直投式改性方案因節省了改性瀝青單獨生產和儲存的環節，導致混合料的生產成本大為降低。從計算結果來看，前者只消耗了相當于前者一半的標準煤，而后者單改性瀝青儲存環節的能量損耗就達到11.66 kgce/t，幾乎相當于直投式改性方案的整個能量損耗。因此直投式改性方案具有十分明顯的節能效果。

5.4 實例節能效果分析

在2010 年上海世博會配套項目中環線浦東段高架和浦東國際機場北通道高架路面工程中，均采用直投式工藝生產的RST 排水性瀝青混合料。兩段高架各自長達15.5 km，相連總長達到31 km，攤鋪面積超過100 萬m2，混合料8 萬多噸，是國內單體最大的排水路面工程。

結合上述計算方法，生產8 萬t 的混合料，直投式改性方案相比預拌式改性方案共節省了17.1×80 000=1.368×106kgce。根據標準煤與電能的換算系數，即1 kg 標準煤相當于29.27 兆焦熱能，對于中環線北通道高架排水路面項目，采用直投式方案比預拌式改性方案節省了29.27×1.368×106=4×107兆焦熱能，相當于3.9×106度電。

6 結語

（1）通過分析直投式改性劑RST 的改性機理，直投式改性劑具備完全熔融并在瀝青中均勻分散改性的條件。

（2）采用顯微方式，從微觀分子力學方面分析并確定濕拌時間。顯微結果得出直投式改性瀝青的微觀分子網狀結構與成品改性瀝青并無二致，測試結果同樣證明性能優異。

（3）直投式改性方案在生產環節上相比傳統成品瀝青改性方案具有先天的優勢，無需單獨生產、儲存改性瀝青，顯著降低了成本。

（4）直投式改性方案生產每噸混合料消耗17.1 kgce，比傳統預拌式改性方案減少了一半，節能率超過50%，節能效果明顯。