改性沥青改性剂的应用

李红星

摘要:影响沥青混凝土路面早期损坏的因素很多,但是随着交通量的增加,汽车荷载的增大,传统意义上的沥青的质量和品质远不能适应这一要求,是值得重视的。为此改性沥青已成为目前必须全新研究的课题,本文从改性剂类型、改性剂选择、改性剂计量的确定三方面对改性沥青改性剂应用进行详细阐述。

关键词:改性沥青;改性剂;沥青路面

随着国民经济的迅速增长,我国公路建设进入了良好的发展时期。高速公路建设成绩令人震撼,但是沥青混凝土路面的早期损坏问题越来越普遍。通过调查,目前国内绝大部分的沥青混凝土路面在交付使用两三年后就出现严重的路面质量问题,有的甚至当年通车即发生损坏,损坏主要表现在首先以局部小范围出现,然后再扩展为大面积破坏,包括松散、网裂、裂缝、坑洞、局部车辙、局部泛油等等。

为了改善沥青性能,通常采用工艺改性、结构改性和改性剂改性等方式来提高沥青路面的服务水平。所谓工艺改性是指在沥青生产工艺中适当调整工艺程序来改善沥青性能,如除去沥青中蜡的含量来改善石蜡基沥青的感温性、通过氧化工艺提高沥青的高温抗变形能力等。而结构改性技术是指在沥青路面结构中增加结构层来改善沥青路面的使用性能,如设置抗反射裂缝延伸的应力吸收膜、设土工格栅加铺层以提高沥青路面抗车辙和疲劳性能等措施。改性剂改性沥青是指在沥青中添加合适的改性剂以改善沥青性能,是目前研究最丰富和深入的改性方法。对于改性沥青,其改性剂类型的选择和剂量的确定,对路用性能有重要的影响。

1 改性剂类型

自首次将橡胶粉加入沥青以来,发展至今改性剂的选择范围越来越广泛,目前已形成品牌的已有40多种。常用的改性剂种类有以下几类:

1.1 矿物填充料

如碎石粉、石灰、水泥、粉煤灰、碳黑及硫黄等细粉,一般认为它们可以增强沥青混合料的稳定性,增加骨料与沥青的粘结力等多重效果。

1.2 扩善剂

由硫磺或木质素粉制成的扩善剂,可用以降低沥青混合料中沥青用量,以提高经济性。

1.3 橡胶

包括有天然乳胶、合成乳胶、块状共聚体、再生橡胶,如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯(SIS)、苯乙烯-聚乙烯/丁基-聚乙烯(SE/BS)及丁苯橡胶(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)、无规则聚丙烯(APP)等等。

1.5 聚合物混合改性剂

组合不同的聚合物,提高沥青混合料抗车辙、抗变形能力。

1.6 纤维

一般都是在热拌沥青厂拌合时加入,可提高沥青用量,对沥青混合料有增强作用,延缓反射裂缝产生,提高温度稳定性,增加沥青路面使用寿命。

1.7 氧化剂

氧化物主要用来增加沥青的劲度,提高抗车辙能力。

1.8 抗氧化剂

抗氧化剂则是用来降低氧化速率,提升混合料的耐久性。

1.9 烃类等其他改性剂

一般来说,聚合物改性沥青是目前研究最深入、成果最显著、使用最普遍的一大类改性沥青,大体可分成四大类:

①以聚乙烯为代表的热塑性树脂类,包括聚丙烯(PP)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)等。它们对沥青的高温性能有较大的改善,改性后软化点大幅提高,但低温延度不高;

②以丁苯橡胶(SBR)为代表的天然和合成橡胶类,此类改性剂使沥青低温性能得到明显改善,低温弹性好,但抗老化性能较差,改性后经老化试验延度下降幅度很大;

③以苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)为代表的热塑性弹性体,包括氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)。此类改性剂对沥青的高、低温性能均有较大程度的改善,改性后沥青的高、低温性能优良,弹性恢复好,抗老化能力和耐候性好,有较强的抗高温变形和抗磨损性能,是目前国内外使用最广泛的一种改性沥青;

④以环氧树脂为代表的热固性高聚物,这类较少适用于路面铺筑中。

2 改性剂的选择

改性剂的选择对保证路面优良性能是十分必要的,许多实践经验表明,如果改性剂选择不当,可能使路面产生早期病害,造成不必要的损失,为此,合理选择改性剂是相当重要的。改性沥青改性剂的选择应注意以下几点:

依据不同的气候条件和当地路面主要病害特点选择。在现行的改性沥青路面施工规范中,对改性沥青的技术指标提出了严格的要求,其不同的指标要求实际上是根据我国“八五”攻关课题成果得到的沥青路面气候分区而建立的,因而不同的改性剂在不同地区使用时的适用性是不同的。在南方,采用SBS、PE、EVA等改性剂效果较好;而对低温高寒地区,则选用SBR、SBS改性剂较好,但SBR耐老化性较差;在中部内陆地区、华北、中南、西北地区等地,高、低温性能要求均较高,则宜于选择SBS改性剂为妥。

根据不同的荷载作用特性选择。在重载、超载作用严重地区,宜于采用抗车辙性能好的SBS、PE和EVA等改性剂;对行车舒适性要求较高的地区,则选择抗裂性好、弹性作用强的SBS、SBR为好。

根据现场加工条件选择。不同改性剂的改性工艺是不尽相同的,依据工地现有加工条件,选择合适的改性剂。

进行经济技术比较后确定合适的改性剂。根据改性剂成本、加工费用、改性设备和配套设施增加费用等,计算每吨改性沥青增加的额外费用,在满足路用性能需要的基础上,选择性能价格比优良的改性剂。

3 改性剂剂量的确定

剂量是影响沥青改性效果的主要因素。但聚合物含量较低时,沥青中的芳香酚可将聚合物几乎完全溶解,使沥青与改性剂形成为几乎单一体,沥青的性能变化不大;但聚合物剂量增加,则会出现沥青与改性剂间的相的分离,表现为改性剂被沥青中的轻组酚所溶胀,使得沥青的路用性能得以改善,形成为聚合物的分散体系;改性剂量再增大,尤其是SBS等改性剂,则会形成相互连贯的网络结构,形成两相连续体系,在此剂量下沥青路用性能变化幅度最大,由此得出改善性能最佳的改性剂量;当剂量再继续增大时,沥青相成为非连续相,聚合物则成为连续相,此时改性剂量变化对沥青路用性能影响幅度很小,增加剂量对沥青性能改善不经济。

实际上,在确定合适改性剂量时,也并非必须采用最佳剂量,一般可以得到以下剂量:

依据规范或本地区改性沥青所应达到的路用性能要求,由此技术性能指标和得到的性能指标与改性沥青剂量间的关系曲线,得到满足规范要求和本工程需要的改性剂量。

根据性能-剂量关系曲线,得到对性能改善效果最明显的临界剂量,或称之为性能改善最佳剂量。

考虑改性剂量与改性沥青存储性能关系,在是否添加稳定剂、相容剂的情况下,选择满足工程需要的性能稳定的改性沥青剂量。

综合改性沥青初期费用增加和改性沥青路面服务水平提高、运营费用降低、使用寿命延长、养护维修费用大幅减少等路面使用过程中全过程投资与效益分析情况,得到一个全过程费用分析费用与改性剂量间的相互关系,得到一个合适的经济剂量。

综合以上几种剂量,最后平衡路用性能、改性效果、经济效益等情况,最后得出合适的沥青添加剂量。

结语

改性沥青技术随着高速公路的建设突飞猛进的发展,其优良性能得到公路界普遍认可。但在使用过程中对改性剂选择不当或剂量确定不佳,都会对沥青路面性能产生不良影响,致使改性效果失败,也会造成重大的经济损失。因而在总结大量实践经验的基础上,快速确定合理的改性剂类型及剂量是我们目前必须做的工作。