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    淄博科泉工貿有限公司談改性瀝青

    瀝青是建設道路的重要材料,道路的路面質量很大程度上取決于瀝青的質量。目前高等級公路中的瀝青主要是由石油瀝青構成,瀝青自身的組成和結構決定了道路的感溫性能,彈性以及耐老化性能。隨著科技和現代交通的發展,道路需要適應大流量、重軸載、高速度的車輛運行發展趨勢,普通的瀝青難以滿足公路的使用要求,尤其是在天氣條件惡劣的時候,夏季的高溫和冬季的嚴寒容易使道路出現車轍、龜裂、坑槽、裂紋等路面損害,造成安全隱患以及經濟損失。為避免這些情況,就需要研究發展改性瀝青的道路建設中的應用。本文將主要介紹生產改性瀝青的工藝、改性原理以及生產技術。


    改性瀝青是在基質瀝青的基礎上混合加入天然或人工合成的有機或無機材料,可熔融、分散在瀝青中,改善瀝青性能,能夠使瀝青適應極端惡劣天氣和道路指標的變化。改性劑的原理是通過其結構、支鏈的作用改變瀝青額成分和結構,從而改善瀝青的使用性能,例如敏感性、彈性、抗老化性能、抗疲勞性能等。目前廣泛應用的改性劑可大致分為三類,分別為橡膠類、樹脂類、熱塑性橡膠類。橡膠類的改性劑以合成橡膠應用于道路瀝青最多,主要有丁苯橡膠(SBR)、氯丁橡膠(CR)、聚苯乙烯-異戊二烯(SIR)、乙丙橡膠(EPOM)等;樹脂類的改性劑主要以聚乙烯(PE)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)應用于道路改性瀝青中;熱塑性橡膠主要有苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS),在制備道路用的改性瀝青時,以SBS改性劑最為普遍。


    SBS、SBR是兩種應用最為廣泛的改性劑,SBS改性劑的成功應用與它的結構息息相關,在嵌段共聚物中,聚苯乙烯和聚丁二烯在常溫下不相容,聚合分子鏈兩端的聚苯乙烯會優先與另外的聚苯乙烯聚集在一起,形成物理交聯區域,因為嵌段部分為柔性的聚丁二烯鏈段,整個分子鏈形成了一個網狀結構,使得SBS有較好的穩定性和彈性;丁苯橡膠(SBR)改性劑的特點在于能夠顯著提高改性瀝青的低溫延展度,增加瀝青的彈性并降低瀝青的溫度敏感性。

    下圖是SBS改性劑和SBR改性劑的詳細分子結構:

    圖1. SBS改性劑分子結構


    圖2. 丁苯橡膠(SBR)分子結構


    由于改性劑與瀝青的組分中的膠質、瀝青質特性不同以及分子量相差巨大,導致瀝青與改性劑較難相溶,且改性劑產品在儲存的過程中改性劑有自動凝聚的傾向,會導致改性劑上浮,造成離析分層,破壞改性瀝青體系的穩定。為改善上述問題,提高改性劑對瀝青的改性效果,需要加入相應助劑;對于相溶問題,需要在加入改性劑后加入助溶劑,并持續攪拌溶脹30-60分鐘,以保證改性劑與基質瀝青能夠混合;對于產品出現離析的問題,需要加入穩定劑來增加改性瀝青的熱儲存穩定性,經過大量的實驗研究和生產實踐,發現改性瀝青在加入穩定劑后由珠狀結構變成了網絡結構,如圖3所示,使得改性瀝青具有了高彈性、高韌性、高強度等特性,顯著的提高了改性瀝青的使用性能。

    圖3. 改性瀝青微觀結構【2】


    溶脹是提升改性劑改性效果的一個重要工藝,可以使顆粒狀的改性劑均勻分散在瀝青中。以SBS改性劑為例,SBS改性劑中的苯乙烯被瀝青中的芳香分溶脹,丁二烯的鏈段被溶脹伸長作為彈性鍵,發生相轉移變化。SBS在混溶時變成小顆粒后,表面積增大,表面能量升高,根據能量最低原理,SBS改性劑有降低表面能量的趨勢,需要吸附瀝青中結構相近的組分形成界面吸附層以降低表面能,正是這種溶脹和吸附的形成,使得SBS能夠穩定地分布在瀝青中。溶脹的過程本質上是一個物理共混的過程,SBS鏈因吸附了瀝青中的烴類組分發生溶脹,體積變為原來的8倍左右,SBS變成伸長溶脹的網狀連續相。圖4展示了加入不同劑量的芳烴油(一種常使用的助溶劑)對改性瀝青結構的影響,可以看出在助溶劑的影響下SBS逐漸變成了更長的網狀結構。

    圖4. 改性瀝青加入0%,5%,10%芳烴油后的骨架圖像【3】


    經過溶脹的工藝后,雖然改性劑在瀝青中高度均勻分散,但是改性劑微粒和瀝青組分的混合還是比較生硬,在顯微鏡下可以看到改性劑微粒與瀝青界面很清晰,出現離析情況,如圖5所示,淺色部分主要為SBS改性劑的網狀連續相,而深色部分為基質瀝青。為有效地防止離析的發生,需要加入穩定劑,并給予一定時間的攪拌。穩定劑加入后會與改性劑以及瀝青硬組分的發生交聯、接枝等反應,降低相界面的表面張力,增加兩相之間的親和力,從化學意義上提高改性劑與瀝青硬組分的結合,形成穩定的相界面吸附層,增加改性劑和瀝青之間的親和力,改善改性劑和瀝青的相容性和熱儲存性。

    圖5. 基質瀝青在加入改性劑后的離析現象【4】


    為研制出成本更低、改性效果更好的改性瀝青,需要深入研究改性劑對基質瀝青的改性機理。影響改性劑改性機理的因素主要有改性劑的結構、基質瀝青的組成、改性瀝青加工工藝等。改性劑分子鏈的柔韌性很大程度上決定了改性劑與瀝青的混合程度,分子鏈越硬越不易于改性劑充分溶脹,導致改性瀝青使用性能下降;基質瀝青的組成對改性瀝青性能的影響比較復雜,基質瀝青的組分不同,其膠體結構、平均分子量以及分子量分布也會有較大的差異,最終影響到改性瀝青的使用性能,需要通過檢測手段確定基質瀝青的結構參數、平均分子量、族類組成,通過這些性質表征基質瀝青的組成,從而得到改性機理的規律;加工工藝是一個影響改性機理的關鍵因素,合理的加工工藝可以使改性劑以微小的顆粒均勻的分布在基質瀝青中,促進改性劑的溶脹,提高改性效果。


    隨著我國公路建設的高速發展,對于高性能瀝青的需求也日益增加,通常的交通道路瀝青已經漸漸不能滿足現在的道路建設發展。改性瀝青以其良好的高溫穩定性、低溫抗裂性和出色的粘附性、耐疲勞性逐漸出現在人們的視野當中,并逐漸受到了業內的重視,近年來,改性瀝青在高速公路、城市干道、以及機場跑道的路面上應用極為廣泛。但目前改性瀝青的局限在于其性質很大程度上受到改性劑質量的影響,很難生產質量穩定的改性瀝青,需要進一步的深入研究改性機理,讓改性瀝青更好地發揮在公路建設中的作用。


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