浅谈改性沥青的加工工艺及配合比设计

王学武

摘要：以目前高速公路建设现状及外部自然环境对高速公路耐久性的影响，阐述了改性沥青的发展过程。文章探讨改性沥青在加工过程中，通过不同物料配比、不同温度、不同预混和发育温度，按照规范要求的检验项目及标准进行室内试验，最终确定出SBS改性沥青生产配合比。对比沥青改性前后各项指标的变化，总结出改性沥青的优越性，并应用于不同的路面结构层中，以提高沥青路面高温稳定性、低温抗裂性，增强沥青路面的柔性和弹性，达到有效抑制和减少路面裂缝、路面车辙、坑槽、拥包等病害的发生，达到延长沥青路面的使用寿命，降低養护费用的目的。

关键词：改性沥青；加工工艺；配合比设计

中图分类号：U414文献标志码：A

0引言

随着我国现代化建设步伐的加快，高速公路车流量大，车速快、货车轴载重的特点日益明显，尤其是在我国西北山区，大部分高速公路在山间穿行，因地域条件限制，山区间高速公路转弯半径小，长陡坡道路多，并且由于高速公路实行分车道单向行驶，汽车在行驶过程中所产生的驱动力、制动力、侧向力等对沥青路面的稳定性产生一定的影响。另一方面春冬季节昼夜气温变化快，夏秋降雨量高，随之造成路面产生早期强度破坏隐患大、路面抗滑性能差。针对以上问题，高速公路在建设过程中，急需解决沥青路面在高温条件下抗车辙能力，低温条件下抗开裂能力的问题，增加沥青路面的柔性和弹性，延长沥青路面的使用寿命，改善轮胎与路面之间的附着性能，减少交通事故。

1改性沥青的发展

为了解决我国高速公路路面存在的以上问题，自上世纪90年代初直今，各高等院校、科研机构以及大型企业通过大量的科学试验研究，在基质沥青中添加外加剂作为一种能够有效提升沥青品质的途径，成功应用于高性能沥青混凝土（Superpave）、沥青玛蹄脂（SMA）等级配的沥青路面施工过程中，产生了高温季节沥青路面不易形成车辙、拥包等路面病害，低温条件下有效预防或减轻沥青面层开裂的能力，尤其是在冬春交际季节，其良好的粘结性及温度敏感性能够防止路面产生坑槽、松散等前期病害，增加路面摩擦系数，有效提高汽车车轮与路面之间的附着力，避免了交通事故的发生。

2改性沥青的配合比设计

根据项目建设地气候条件、交通荷载、路面病害、道路石油沥青品牌等，通过对道路石油沥青、改性剂、外掺剂等各种材料相容性、适应性完成的配伍性试验，确定改性沥青各组分材料，并进行配合比设计。

2.1原材料及各项检测指标

（1）基质沥青：90#道路石油沥青，各项指标见表1所列。

（2）改性剂：苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物T6302H线性改性剂，各项外委检测指标见表2所列。

（3）稳定剂：WD-5型。

（4）橡胶油：热拌用沥青再生剂（RA5）。

2.2改性剂掺量设计

SBS改性剂作为一种热塑弹性体，其特点是高温和低温性能都很好，且兼具橡胶和塑料的特性，由于现行规范对改性沥青质量控制指标宽泛，改性剂掺量没有明确要求，当SBS改性剂添加量较低时，沥青中的芳香芬可将SBS完全溶解，对沥青改性作用不大，但随着改性剂掺量逐渐增加，当沥青与改性剂之间从相的分散到形成连续的网状结构，形成相的连续体系，就能够满足路用要求，如果持续加入后对改性沥青的各项性能指标提升不大，但成本持续增加，综合考虑成本等各方面因素，本研究在90#道路石油沥青中分别加入3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%5个不同SBS改性剂的掺量，对SBS改性沥青进行配合比设计，其配方见表3所列。

2.3试验过程及检验结果

传统意义上的改性沥青加工是采用现场改性的改性沥青加工模式，但是近几年，随着各地对改性沥青的加工设备、加工工艺、加工效率以及环境保护工作有了更高的要求，工厂化集中生产以其先进的设备及智能化工艺逐步取代现场改性，成为后期改性沥青加工的风向标。

工厂化改性沥青加工的流程是以高分子聚合物SBS改性剂和90#基质沥青基质沥青作为分散相，首先将90#基质沥青基质沥青快速加热至120℃～130℃，泵送至生产区，经热转换器加热至170℃～180℃进入高温罐，然后打开预混罐阀门，通过沥青流量计控制预混罐内基质沥青数量，开启搅拌装置后，向预混罐缓慢加入一定数量的SBS改性剂，搅拌3～5 min进行混合均匀，然后将物料导入胶体磨进行高速剪切、研磨，其目的是通过物理方法将改性剂打碎成小块后进入发育罐使其充分发育，发育罐温度为165℃～175℃，发育时间为5～6 h，在对流作用下，沥青中的软组分继续向改性剂细小微粒间扩散（在基质沥青和改性剂相容性不好的情况下，需添加不大于2%的相淀溶剂），改性剂小块被均匀地分散到沥青基质沥青中，改性剂被逐渐溶胀，待溶胀充分后达到共融状态。将样品导入发育机并将发育机搅动叶片转速调至500 r/min进行均匀搅拌，每隔0.5 h加入一定量稳定剂这两种物质达到暂时性的稳定混合，加入稳定剂，使改性剂与基质沥青之间发生交联、接枝等化学反应，直至稳定剂全部加完，再搅拌发育5 h，形成了改性沥青网络化的整体结构。根据SBS不同掺量进行相同试验，分析加入不同掺量SBS改性剂后，改性沥青的技术性能指标的变化情况，结果见表4所列。

2.4确定最佳配合比

2.4.1SBS掺量对改性沥青温度敏感性的影响

针入度试验用于测试沥青在特定条件下的温度敏感性，是沥青在固态时分子作用力之间的宏观体现，能够反映出沥青的感温性能即抗车辙能力，抗低温开裂能力、耐久性。道路石油沥青加入改性剂后，从图1可以看出针入度明显降低，当掺量达到3%～5%时，改性沥青25℃针入度满足60～80 mm的技术规范要求。

2.4.2SBS掺量对改性沥高温稳定性能的影响

软化点试验测用于评价沥青的高温性能，表征的是一个等粘温度，是衡量沥青在条件硬化点和滴落点之间的粘滞流动状态的性能，从图2可以看出，道路石油沥青加入改性剂后，改性沥青软化点逐渐升高，在改性剂掺量达到4%时，改性沥青软化点已满足不小于75℃的技术要求。

2.4.3SBS掺量对改性沥青低温柔韧性的影响

改性沥青低温柔韧性通过延度指标进行控制，延度的大小，直接影响沥青的低温变形能力，由表4可以看出，道路石油沥青加入改性剂后，延度出现明显的上升，但当改性剂加入量达到3.5%时，延度出现缓慢下降的情况，这说明并不是改性剂添加量越多对沥青延度改变越大，而是改性沥青低温延度随着改性剂剂量的增大存在着一定的范围。微观显示为改性剂剂量的持续增大，使改性剂在沥青中由分散相变为连续相，分子之间变得更加的致密，导致分子之间的运动变得困难，最终使改性沥青的低温延度变小。试验表明，当SBS掺量达到3.5%～4.5%，改性沥青5℃延度不小于35 cm的技术规范要求。

2.4.4SBS掺量对改性沥青弹性性能的影响

弹性恢复试验主要测试沥青受到外力后恢复原样的能力，沥青作为一种黏弹性材料，其变形表现为弹性、延迟弹性和黏性变形，前两者在外力卸去后会马上恢复或逐渐完全恢复，而后者因不能恢复而成为永久变形。改性剂的添加会提高沥青的弹性和延迟弹性变形，降低黏性变形。当受到荷载作用后恢复变形的能力越好，表现为很好的耐久性。从图4可以看出，SBS掺量与改性沥青弹性恢复的关系，当SBS掺量达到3.5%，改性沥青25℃沥青弹性恢复满足不小于85%的技术要求。

2.4.5SBS掺量对改性沥青黏性的影响

通过SBS掺量与改性沥青135℃运动黏度的关系如图5所示，当SBS掺量达到3.5%，改性沥青135℃运动黏度满足1.8～1.3 Pa·s的技术要求。

SBS改性剂掺加数量对各项指标的影响

综上所属，SBS改性沥青按照3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%的配比要求，将SBS改性剂掺入90#基质沥青、SBS改性剂、橡胶油和稳定剂按照不同物料配比、不同温度、不同预混和发育温度进行室内改性样品制备，按照规范要求的检验项目分析，最终确定的SBS改性沥青配方见表5所列。

3改性沥青试生产

在配比试验完成后，严格按照配方设计确定的配方和工艺条件进行试生产，试生产量为50 t，试生产过程使用配有自动采集数据功能的改性沥青生产设备，研磨装置采用胶体磨，产能为40 t/h，以保证改性剂与沥青形成混溶的稳定体系，达到均匀共混的目的；SBS改性剂添加装置中增加电子动态称重系统，以控制SBS改性剂掺量。在成品罐、发育罐安装电子传感装备，保证了改性沥青发育、储存所需工作温度。采用信息化手段，对改性沥青物料配比、加工温度、发育温度、发育时间等关键参数进行远程终端连接实现远程监控。试生产完成后，经室内试验室对各项指标进行检测，与原道路石油沥青相比较，改性沥青针入度、软化点等各项指标都有明显提高，并且能够满足甘肃省地方标准《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求（如图5所示），可以指导后期改性沥青批量生产。

4结束语

本研究的改性沥青，主要用于沥青路面superpave-20中面层和沥青马蹄脂（SMA-13）上面层的施工，通过将基质沥青改性后，改善沥青的温度敏感性，提高高温的稳定性、低温弹性恢复能力和柔韧性，增加与集料的黏附性、增大了路面构造速度及抗滑系数。改性沥青以其优越性能，减少路面病害，延长路面寿命，节约养护成本，降低交通事故率，将是今后公路建设的重要方向之一。

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