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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(zhì)量很大程度上取決于瀝青的質(zhì)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(zhù)科技和現代交通的發(fā)展,道路需要適應大流量、重軸載、高速度的車(chē)輛運行發(fā)展趨勢,普通的瀝青難以滿(mǎn)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寒容易使道路出現車(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中的應用。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)瀝青的基礎上混合加入天然或人工合成的有機或無(wú)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(guò)其結構、支鏈的作用改變?yōu)r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(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(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)區域,因為嵌段部分為柔性的聚丁二烯鏈段,整個(gè)分子鏈形成了一個(gè)網(wǎng)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(diǎn)在于能夠顯著(zhù)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(zhì)、瀝青質(zhì)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(chǎn)品在儲存的過(guò)程中改性劑有自動(dòng)凝聚的傾向,會(huì )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(wèn)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(wèn)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(zhì)瀝青能夠混合;對于產(chǎn)品出現離析的問(wèn)題,需要加入穩定劑來(lái)增加改性瀝青的熱儲存穩定性,經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗研究和生產(chǎn)實(shí)踐,發(fā)現改性瀝青在加入穩定劑后由珠狀結構變成了網(wǎng)絡(luò )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(zhù)的提高了改性瀝青的使用性能。

圖3. 改性瀝青微觀(guān)結構【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(cháng)作為彈性鍵,發(fā)生相轉移變化。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(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(cháng)溶脹的網(wǎng)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(cháng)的網(wǎng)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(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,需要加入穩定劑,并給予一定時(shí)間的攪拌。穩定劑加入后會(huì )與改性劑以及瀝青硬組分的發(fā)生交聯(lián)、接枝等反應,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(zhì)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(zhì)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(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,導致改性瀝青使用性能下降;基質(zhì)瀝青的組成對改性瀝青性能的影響比較復雜,基質(zhì)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(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)檢測手段確定基質(zhì)瀝青的結構參數、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,從而得到改性機理的規律;加工工藝是一個(gè)影響改性機理的關(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(zhù)我國公路建設的高速發(fā)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(jīng)漸漸不能滿(mǎn)足現在的道路建設發(fā)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(yè)內的重視,近年來(lái),改性瀝青在高速公路、城市干道、以及機場(chǎng)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(zhì)很大程度上受到改性劑質(zhì)量的影響,很難生產(chǎn)質(zhì)量穩定的改性瀝青,需要進(jìn)一步的深入研究改性機理,讓改性瀝青更好地發(fā)揮在公路建設中的作用。


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