直投式改性瀝青研究進展綜述

肖 鳳，肖春發，鄧星鶴

(1.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420；2.公路交通安全與應急保障技術及裝備交通運輸行業研發中心，廣州 510420；3.湖南省建筑科學研究院有限責任公司，長沙 410011)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，逐年增加的交通荷載以及全球變暖引起的極端氣候，目前道路鋪裝普遍采用SBS改性瀝青，它是一種在基質瀝青中摻入一定量熱塑性丁苯橡膠(SBS)以及助劑等制成的具有較高性能的瀝青[1-3]。目前主要采用兩種方式生產SBS改性瀝青，一是通過瀝青工廠生產SBS改性瀝青，再運送到施工工地現場使用。質量穩定是該方式的優勢，但是減少SBS改性劑用量、摻入其他價格低廉和性能較差的改性劑以及采用劣質基質瀝青等情況，亦會影響改性瀝青的質量，同時易受到運輸時間和施工現場儲存穩定性等因素限制。二是采用移動式生產設備，在施工工地現場進行生產。該種方式不用擔心儲存穩定性問題，生產過程可控，但是所需生產設備較多，投資較大，供應量小，性價比不高[4-5]。

針對上述問題，開展可直接投入拌合鍋的直投式改性劑制備改性瀝青的技術研究,對公路行業未來的發展具有重要意義。因此，本文主要圍繞直投式改性瀝青展開綜述和分析。

1 直投式改性瀝青

1.1 簡介

直投式改性瀝青，即將直投式改性劑顆粒直接投入到拌合鍋中與基質瀝青、集料以及礦粉等一起經過數十秒高溫拌和后，拌和出性能優異的直投式改性瀝青混合料。其中直投式改性劑顆粒與傳統的改性劑不一樣，其利用不同種類的高分子聚合物、無機納米材料、低熔點有機添加劑等材料各自的優點，通過直投式改性技術生產出改性瀝青混合料。該方式可根據現場施工進度生產改性瀝青混合料，減少了傳統生產改性瀝青耗時較長的缺點，省去了儲存和長途運輸改性瀝青的環節。此外，還避免了改性瀝青在高溫高速剪切生產過程中以及長時間運輸、儲存等環境下產生的瀝青老化、離析等現象。

1.2 作用機理

直投式改性劑投入拌合鍋后，主要有兩個過程，第一個過程是與集料進行拌和，裹附在集料表面，第二個過程是通過加入基質瀝青與集料等進行拌和，制備出改性瀝青。與集料進行干拌的過程中，直投式瀝青改性劑利用集料的高溫先熔化，再經過集料的擠壓、剪切作用，直投式改性劑顆粒裹附于集料表面，并逐漸變薄，開始出現具有一定流動性的熔融狀態。當加入基質瀝青后，瀝青將裹附于集料表面熔融狀態的改性劑包裹，利用直投式改性劑顆粒中具有促進直投式改性劑顆粒與瀝青互溶的相容劑等物質，更好地促進了基質瀝青中的芳香分、飽和分等組分與熔融狀態下的直投式改性劑相容，這一過程稱為瀝青改性過程。同時，在基質瀝青與直投式改性劑相容的過程中，集料攪拌、擠壓等外力作用更好地加快了熔融狀態的改性劑與基質瀝青互溶，形成均勻的改性瀝青并裹附在集料表面，最終在較短時間內形成性能優異的直投式改性瀝青混合料[4,7]。

1.3 技術優勢

與傳統的生產改性瀝青方式相比，直投式改性瀝青技術具有以下優勢：

(1)傳統的生產改性瀝青過程中，會加入硫磺等無機類穩定劑，其在160℃～180℃高溫下會揮發出含硫、氮氧化物，不僅影響現場車間人員身體健康，還會對環境造成一定污染[8-9]。另外改性瀝青在加工、儲存以及運輸過程中需要加熱和保溫，帶來一定的能源消耗。采用直投式改性瀝青技術，減少了瀝青生產廠家石化資源的使用，降低了瀝青生產設備投資、運輸以及能耗等成本，解決了傳統改性瀝青生產過程中存在的生產時間長、容易老化、長時間運輸以及質量不穩定等一系列問題。不僅節約了成本，同時積極響應了國家節能環保政策，有效改善了整個瀝青生產過程中帶來的環境污染問題。

(2)該技術不僅滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)技術標準，還可有效改善瀝青路面在高溫多雨、強紫外線地區的高溫性能，有效延長了瀝青路面的使用壽命[10]。

(3)該技術可根據現場施工進度靈活調整生產進度，不僅節省了拌合站儲存改性瀝青的成本，還避免了儲存過久導致的離析、質量不穩定等現象。另外，該技術可針對瀝青路面的交通量、氣候條件、施工環境等進行材料組成或比例的調整，以滿足不同路面的性能要求[6,10]。

2 國內外直投式改性瀝青研究的進展

2.1 國外研究進展

直投式改性瀝青技術的發展要追溯到20世紀90年代的歐洲，法國是最早研究直投式改性瀝青技術的國家，1992年，法國制定了直投式高模量瀝青混合料生產與施工規范[11]。英國在21世紀初開始研究并使用直投式改性瀝青技術。21世紀初，芬蘭、意大利、美國、葡萄牙等均開始研究并使用該技術[12-13]。其中，芬蘭通過對比分析，直投式高模量瀝青混合料在高溫環境下的抗老化和抗車轍性能優于其他常用的改性瀝青混合料；意大利通過觀測直投式高模量瀝青混合料路用性能與荷載之間的關系，提出了道路基層采用直投式高模量瀝青混合料的思路；葡萄牙結合國內氣候條件，修建了多條直投式高模量瀝青混凝土試驗路，經過長期觀測，具有良好的高溫性能；美國由于道路運輸荷載較大，路面車轍較為嚴重，采用直投式高模量瀝青混合料作為中下面層，提出長壽命路面設計方案[14]。

目前，法國的PR-Module、德國的Duroflex以及日本的TPS是國外使用較多的直投式改性劑。其中，PR-Module的技術指標見表1，該顆粒直接投入拌合鍋中可增大瀝青粘度，加強瀝青與集料的粘結力，使瀝青混合料之間形成更牢固、豐富的網狀結構。

表1 直投式改性劑技術指標

孫鳳[15]通過室內試驗提出了PR-Module瀝青混合料的設計參數，利用疲勞方程和疲勞曲線研究了PR-Module瀝青混合料疲勞壽命。王超[16]制備了PR-Module瀝青混合料，對其高溫穩定性、低溫抗裂性以及疲勞性能等進行了研究，并通過試驗路的鋪筑和觀測，分析了經濟社會效益。另外，PR-Module瀝青混合料的路用性能隨改性劑摻量的增大逐漸提高，當達到一定摻量時，性能最優；若超過最佳摻量，PR-Module顆粒在瀝青混合料中會出現分布不均勻的現象，導致混合料骨架出現部分松散等[17]。Duroflex的技術指標見表1，當加入拌合鍋中，Duroflex顆粒與瀝青膠結料接觸，利用攪拌產生的剪切、擠壓等作用促使Duroflex顆粒逐漸融化，變成細小顆粒，并伴隨著持續穩定的分散過程，直到瀝青完全裹附在集料表面，形成均勻的瀝青混合料。同時，礦料顆粒與瀝青膠結料之間會產生橋聯作用，可顯著提升瀝青混合料的路用性能[18]。另外，Duroflex顆粒中含有三維網狀結構纖維素，可提高瀝青混合料的穩定性，減少裂縫等出現[17]。趙玥等[19]對Duroflex瀝青混合料進行了配合比設計和路用性能評價，并對其改性機理進行了分析。劉子輝等[20]對添加Duroflex顆粒的改性瀝青及其混合料的路用性能進行了分析評價。

2.2 國內研究進展

我國2003年從歐洲引進了直投式改性瀝青技術，隨后國內眾多研究機構、高校等針對該技術開展研究。汪紅兵[21]利用分子內潤滑原理，研發了一種直投式SBS改性劑的制備方法。崔紅兵[6]介紹了國內外直投式改性瀝青的作用機理和技術特點，并以阿拉善地區為案例，分析了直投式改性瀝青技術的優勢。馮海燕[10]進一步通過對比直投式改性瀝青混合料和傳統改性瀝青混合料的生產工藝，分析得出直投式SBS改性瀝青技術具有工藝簡單、質量穩定以及良好的經濟社會效益等優點。王正同等[22]從標準規范要求出發，對比分析了直投式SBS改性瀝青與傳統改性瀝青的各項技術指標。王淑華等[23]對不同摻量的直投式SBS改性瀝青及其瀝青混合料進行了分析評價。陳子敬等[24]以青海地區為例，對直投式改性瀝青的原材料質量選擇、配合比設計以及生產工藝進行了分析。Sen Han等[25]通過研究發現改性劑的類型和摻量影響著改性瀝青的性能。另外，一些其他類型的直投式改性瀝青也接連不斷，如劉寧等[26]對自制的MRPE直投式改性瀝青混合料的路用性能進行了分析評價。劉霞[27-28]對自制的直投式HVK-Ⅱ型高黏添加劑進行了拌和工藝研究。

另外，遼寧省交通科學研究院開發了“路寶”牌直投式高模量改性劑，其主要成分是聚烯烴類的熱塑性樹脂材料，技術指標見表2。當將其加入到拌合鍋中，一部分融化分散在瀝青膠結料中，增大瀝青的黏度，提高瀝青高溫性能；另一部分改性劑裹附在集料表面，起到加筋和膠結的作用，增大瀝青與集料的粘結力，提高瀝青混合料的抗車轍和抗老化性能等。張朝旭[29]通過對比分析，認為“路寶”牌直投式瀝青混合料在高溫穩定性、抗車轍性能以及抗疲勞性能等方面具有明顯的優勢，且采用綠色環保的回收聚乙烯，具有良好的應用前景。趙冬明[30]從原材料、生產工藝以及技術指標等方面介紹了“路寶”牌直投式高模量改性劑，并對其進行了經濟社會效益分析。吳耀東[33]通過動態模量和車轍試驗，對比分析了添加“路寶”牌直投式高模量改性劑的瀝青混合料和常規改性瀝青混合料的性能。

上海浦東路橋瀝青材料有限公司研發了RST直投式高黏度瀝青改性劑[32]，技術指標見表2。該直投式改性劑采用彈性復合技術，先將橡膠材料與增溶劑、助劑等共混，利用分子間力、鏈段接枝和交換等作用，形成以橡膠為連續相的穩定網狀結構。研究表明，生產1t RST瀝青混合料比生產1t傳統瀝青混合料節能率低一半左右，經濟效益顯著[7]。深圳市海川工程科技有限公司研發了SINOTPS高黏瀝青改性劑，技術指標見表2。該直投式改性劑最大的特點是既可以采用直投式也可以采用傳統制備改性瀝青的方式。研究表明，SINOTPS高黏瀝青改性劑具有優良的高低溫性能以及抗裂性能，對發展排水降噪路面具有很好的應用價值[33-34]。

表2 直投式改性劑屬性參數

3 直投式改性瀝青技術存在問題及發展趨勢

直投式改性瀝青技術不僅解決了傳統生產改性瀝青工藝中生產時間長、設備要求高、能耗高、運輸和存儲時間長以及易產生離析等技術難題,同時還可以根據現場施工情況調整生產進度，省去了瀝青存儲的環節，降低了瀝青混合料生產的綜合成本，是改性瀝青技術的一次創新突破。

直投式改性瀝青技術也面臨一些問題。國外直投式改性瀝青起步早，主要圍繞直投式高模量瀝青混合料展開，但價格較貴，性價比不高。國內針對直投式改性瀝青技術的研究雖較多，但大多仍局限于實驗室，未產業化或僅小范圍地區使用，缺少結合不同地區氣候特點研發與其匹配的產品。同時，對生產過程中存在的一些技術難題，如直投式改性劑與集料干拌過程中的作用機理、與集料干拌后的裹附效果對瀝青混合料性能的影響以及直投式改性劑在基質瀝青中的擴散機理等，還未形成完整的理論體系，缺乏成熟的實踐經驗。

4 結語

直投式改性瀝青技術應圍繞高性能、經濟型、節能環保為方向展開深入研究，建議結合直投式改性劑材料的物化特性和不同地區氣候特點，采用新材料、新工藝，針對性地研發適用于不同地區的直投式改性劑及成套生產技術。