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淄博科泉工貿(mào)有限公司談改性瀝青

瀝青是建設(shè)道路的重要材料,道路的路面質(zhì)量很大程度上取決于瀝青的質(zhì)量。目前高等級(jí)公路中的瀝青主要是由石油瀝青構(gòu)成,瀝青自身的組成和結(jié)構(gòu)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(xiàn)代交通的發(fā)展,道路需要適應(yīng)大流量、重軸載、高速度的車(chē)輛運(yùn)行發(fā)展趨勢(shì),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(shí)候,夏季的高溫和冬季的嚴(yán)寒容易使道路出現(xiàn)車(chē)轍、龜裂、坑槽、裂紋等路面損害,造成安全隱患以及經(jīng)濟(jì)損失。為避免這些情況,就需要研究發(fā)展改性瀝青的道路建設(shè)中的應(yīng)用。本文將主要介紹生產(chǎn)改性瀝青的工藝、改性原理以及生產(chǎn)技術(shù)。


改性瀝青是在基質(zhì)瀝青的基礎(chǔ)上混合加入天然或人工合成的有機(jī)或無(wú)機(jī)材料,可熔融、分散在瀝青中,改善瀝青性能,能夠使瀝青適應(yīng)極端惡劣天氣和道路指標(biāo)的變化。改性劑的原理是通過(guò)其結(jié)構(gòu)、支鏈的作用改變?yōu)r青額成分和結(jié)構(gòu),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(yīng)用的改性劑可大致分為三類(lèi),分別為橡膠類(lèi)、樹(shù)脂類(lèi)、熱塑性橡膠類(lèi)。橡膠類(lèi)的改性劑以合成橡膠應(yīng)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(shù)脂類(lèi)的改性劑主要以聚乙烯(PE)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)應(yīng)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(shí),以SBS改性劑最為普遍。


SBS、SBR是兩種應(yīng)用最為廣泛的改性劑,SBS改性劑的成功應(yīng)用與它的結(jié)構(gòu)息息相關(guān),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(huì)優(yōu)先與另外的聚苯乙烯聚集在一起,形成物理交聯(lián)區(qū)域,因?yàn)榍抖尾糠譃槿嵝缘木鄱《╂湺,整個(gè)分子鏈形成了一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使得SBS有較好的穩(wěn)定性和彈性;丁苯橡膠(SBR)改性劑的特點(diǎn)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(xì)分子結(jié)構(gòu):

圖1. SBS改性劑分子結(jié)構(gòu)


圖2. 丁苯橡膠(SBR)分子結(jié)構(gòu)


由于改性劑與瀝青的組分中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)特性不同以及分子量相差巨大,導(dǎo)致瀝青與改性劑較難相溶,且改性劑產(chǎn)品在儲(chǔ)存的過(guò)程中改性劑有自動(dòng)凝聚的傾向,會(huì)導(dǎo)致改性劑上浮,造成離析分層,破壞改性瀝青體系的穩(wěn)定。為改善上述問(wèn)題,提高改性劑對(duì)瀝青的改性效果,需要加入相應(yīng)助劑;對(duì)于相溶問(wèn)題,需要在加入改性劑后加入助溶劑,并持續(xù)攪拌溶脹30-60分鐘,以保證改性劑與基質(zhì)瀝青能夠混合;對(duì)于產(chǎn)品出現(xiàn)離析的問(wèn)題,需要加入穩(wěn)定劑來(lái)增加改性瀝青的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性,經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)改性瀝青在加入穩(wěn)定劑后由珠狀結(jié)構(gòu)變成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖3所示,使得改性瀝青具有了高彈性、高韌性、高強(qiáng)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(jié)構(gòu)【2】


溶脹是提升改性劑改性效果的一個(gè)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(zhǎng)作為彈性鍵,發(fā)生相轉(zhuǎn)移變化。SBS在混溶時(shí)變成小顆粒后,表面積增大,表面能量升高,根據(jù)能量最低原理,SBS改性劑有降低表面能量的趨勢(shì),需要吸附瀝青中結(jié)構(gòu)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(wěn)定地分布在瀝青中。溶脹的過(guò)程本質(zhì)上是一個(gè)物理共混的過(guò)程,SBS鏈因吸附了瀝青中的烴類(lèi)組分發(fā)生溶脹,體積變?yōu)樵瓉?lái)的8倍左右,SBS變成伸長(zhǎng)溶脹的網(wǎng)狀連續(xù)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(duì)改性瀝青結(jié)構(gòu)的影響,可以看出在助溶劑的影響下SBS逐漸變成了更長(zhǎng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖4. 改性瀝青加入0%,5%,10%芳烴油后的骨架圖像【3】


經(jīng)過(guò)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(xiàn)離析情況,如圖5所示,淺色部分主要為SBS改性劑的網(wǎng)狀連續(xù)相,而深色部分為基質(zhì)瀝青。為有效地防止離析的發(fā)生,需要加入穩(wěn)定劑,并給予一定時(shí)間的攪拌。穩(wěn)定劑加入后會(huì)與改性劑以及瀝青硬組分的發(fā)生交聯(lián)、接枝等反應(yīng),降低相界面的表面張力,增加兩相之間的親和力,從化學(xué)意義上提高改性劑與瀝青硬組分的結(jié)合,形成穩(wěn)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(chǔ)存性。

圖5. 基質(zhì)瀝青在加入改性劑后的離析現(xiàn)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(duì)基質(zhì)瀝青的改性機(jī)理。影響改性劑改性機(jī)理的因素主要有改性劑的結(jié)構(gòu)、基質(zhì)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(dǎo)致改性瀝青使用性能下降;基質(zhì)瀝青的組成對(duì)改性瀝青性能的影響比較復(fù)雜,基質(zhì)瀝青的組分不同,其膠體結(jié)構(gòu)、平均分子量以及分子量分布也會(huì)有較大的差異,最終影響到改性瀝青的使用性能,需要通過(guò)檢測(cè)手段確定基質(zhì)瀝青的結(jié)構(gòu)參數(shù)、平均分子量、族類(lèi)組成,通過(guò)這些性質(zhì)表征基質(zhì)瀝青的組成,從而得到改性機(jī)理的規(guī)律;加工工藝是一個(gè)影響改性機(jī)理的關(guān)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(zhì)瀝青中,促進(jìn)改性劑的溶脹,提高改性效果。


隨著我國(guó)公路建設(shè)的高速發(fā)展,對(duì)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(jīng)漸漸不能滿足現(xiàn)在的道路建設(shè)發(fā)展。改性瀝青以其良好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和出色的粘附性、耐疲勞性逐漸出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中,并逐漸受到了業(yè)內(nèi)的重視,近年來(lái),改性瀝青在高速公路、城市干道、以及機(jī)場(chǎng)跑道的路面上應(yīng)用極為廣泛。但目前改性瀝青的局限在于其性質(zhì)很大程度上受到改性劑質(zhì)量的影響,很難生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的改性瀝青,需要進(jìn)一步的深入研究改性機(jī)理,讓改性瀝青更好地發(fā)揮在公路建設(shè)中的作用。


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