國(guó)內(nèi)聚合物改性瀝青的現(xiàn)狀分析

1、國(guó)內(nèi)聚合物改性瀝青的現(xiàn)狀分析摘 要：本文分析了我國(guó)聚合物改性瀝青的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了我國(guó)十多年來(lái) 的聚合物改性瀝青的研究成果與應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)我國(guó)改性瀝青的研究工作 了進(jìn)行較深入的探討，提出了較為客觀實(shí)際的建議。關(guān)鍵詞：聚合物 改性瀝青應(yīng)用現(xiàn)狀 分析analysis on current application of polymer modified asphaltxianhua chen transportation institute,southeast university china abstractthis paper analyzed current application of p

2、olymer modified asphalt of china and summarized relative research and experiences of application. the paper also discussed what the countrys modified asphalt research work should do next and put forward some proposal.【key words polymer modified asphalt current applications analysis1、我國(guó)改性瀝青概述根據(jù)公路改性瀝青

3、路面施工技術(shù)規(guī)范(jtj036-98),所謂的改性瀝 青是指通過(guò)往瀝青中摻加”橡膠、樹(shù)脂、高分子聚合物、磨細(xì)的橡膠粉或其 它填料等外摻劑(改性劑)”或采取“對(duì)瀝青輕度氧化加工”等措施，“使 瀝青或?yàn)r青混合料的性能得到改善”而制成的瀝青結(jié)合料。改性劑則指的是 “在瀝青或?yàn)r青混合料中加入的天然或人工的有機(jī)或無(wú)機(jī)材料”，它應(yīng)“可 熔融、分散在瀝青中”、能夠“改善或提高瀝青路面材料性能”、“與瀝青 發(fā)生反應(yīng)或裹復(fù)在集料表面上”。從上面的敘述可以看出，瀝青改性可以分 為物理改性與化學(xué)改性兩大類。本文僅涉及狹義的改性瀝青，即化學(xué)改性瀝 青中的聚合物改性瀝青。我國(guó)對(duì)瀝青及瀝青混合料改性的技術(shù)研究已有近二十年

4、的歷史，范圍基 本上涉及到路面使用性能改善的每一方面，并且在許多方面取得了有較大實(shí) 用價(jià)值的成果，主要表現(xiàn)為：廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際的sbr橡膠改性產(chǎn)品，如重慶交通科研所研制的濕 法 sbr；sbs等熱塑性彈性體改性技術(shù)及pe等樹(shù)脂類復(fù)合改性技術(shù)，如國(guó)創(chuàng)一號(hào)、 二號(hào)；作為“八五”攻關(guān)項(xiàng)目的土工格柵、土工布等改善瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性 能的物理改性技術(shù)；sma (stone mastic asphalt)及相應(yīng)橋面鋪裝的研究；成套瀝青改性設(shè)備開(kāi)發(fā)研制，如北京國(guó)創(chuàng)改性瀝青有限責(zé)任公司的lg-8 型煉磨式設(shè)備等；總結(jié)我國(guó)改性瀝青的研究與應(yīng)用情況，主要呈現(xiàn)這幾個(gè)特點(diǎn)：我國(guó)關(guān)于 改性瀝青的研究工作起步較早，基本

5、上是與國(guó)際同步的；我國(guó)的改性瀝青研 究工作主要停留在實(shí)驗(yàn)室與試驗(yàn)路上，而且各研究工作幾乎是由各高等院 校、科研院所獨(dú)立完成的，缺乏象美國(guó)shrp那樣的大型系統(tǒng)工程；我國(guó)改 性瀝青的應(yīng)用規(guī)模很小，或者說(shuō)根本談不上應(yīng)用規(guī)模，相應(yīng)的瀝青改性設(shè)備 與成套生產(chǎn)-施工-管理工藝的研究工作顯得滯后。也正是由于此，改性瀝青 的成本與國(guó)外相應(yīng)改性瀝青的成本而言，無(wú)多少競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。2、國(guó)內(nèi)改性瀝青的技術(shù)水平2.1瀝青改性的關(guān)鍵技術(shù)瀝青作為一種復(fù)雜的高分子碳?xì)浠衔铮谝欢囟扰c荷載作用下表現(xiàn) 為典型的彈-粘-塑性，并且在高溫與紫外線照射下會(huì)產(chǎn)生老化現(xiàn)象。因此加 入改性劑的主要目的就是要改善瀝青混合料在高溫下的路用性

6、能，提高其抗 車轍、抗疲勞、抗老化及抵抗低溫開(kāi)裂等方面的性能。瀝青改性效果的關(guān)鍵 在于解決改性劑與瀝青的相容性問(wèn)題1。所謂相容性，在熱力學(xué)上的含義 是指明兩種或兩種以上物質(zhì)按任意比例形成均相體系（或物質(zhì)）的能力。但 實(shí)際生活中能夠完全互溶的物質(zhì)幾乎是不存在的，因此道路工程上所指的相 容性是指“聚合物改性劑以微細(xì)的顆粒與基質(zhì)瀝青發(fā)生反應(yīng)或均勻、穩(wěn)定地 分散在基質(zhì)瀝青中，而不發(fā)生分層、凝聚或離析等現(xiàn)象”。改性劑與基質(zhì)瀝 青的相容性主要取決于兩者之間的界面作用、基質(zhì)瀝青的組分以及集合物的 極性、顆粒大小、分子結(jié)構(gòu)等因素。一般地，聚合物的極性愈強(qiáng)，分子結(jié)構(gòu) 與瀝青愈接近，則它與基質(zhì)瀝青的相容性越好，相

7、應(yīng)地改性效果也較好。國(guó) 內(nèi)的研究還表明聚烯烴類改性劑與高飽和分的瀝青相容性較好，而sbr、sbs 等則與高芳香分的基質(zhì)瀝青相容性較好2。比利時(shí)fina公司（國(guó)內(nèi)有其分 部）在對(duì)sbs改性劑進(jìn)行大量研究后發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青中瀝青質(zhì)含量對(duì)sbs改 性效果的影響極大，基質(zhì)瀝青中瀝青質(zhì)的含量越高，相容性越好。美國(guó)化學(xué) 家brule甚至還給出了相容性較好的基質(zhì)瀝青的組分比例：飽和分：（芳香 分+樹(shù)脂）：瀝青質(zhì)二（8-12%）：（85-89%）：（1-5%）。從這些研究中，我們可 以看出改性劑與瀝青的相容性與基質(zhì)瀝青的組分密切相關(guān)，但目前國(guó)內(nèi)國(guó)際 上對(duì)此尚無(wú)統(tǒng)一的看法，這里不再贅述。2.2瀝青的改性性能與改性

8、機(jī)理改性瀝青的主要功用之一是提高瀝青混合料在高溫下的抵抗變形能力，而在其他溫度下對(duì)瀝青或?yàn)r青混合料的特性無(wú)不利作用?？v觀國(guó)內(nèi)聚合物改 性瀝青的研究與應(yīng)用情況，改性瀝青通常具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性；較好的低溫抗裂和抗反射裂縫的能力；粘結(jié)力及抗水損害能力增強(qiáng)；具有較長(zhǎng)的使用壽命。不同種類的改性劑對(duì)瀝青性能的改善作用是不一樣的，一般地，樹(shù)脂類 材料改性后瀝青的針入度下降、軟化點(diǎn)上升，而延度變小。橡膠類材料改性 后，瀝青的針入度會(huì)有所降低，而延度與軟化點(diǎn)都會(huì)上升；熱塑性彈性體材 料則具有良好的雙向改性功能。對(duì)于瀝青的改性機(jī)理，目前尚無(wú)定論，總結(jié) 所搜集到的資料與觀點(diǎn)：聚合物與瀝青的共混體的最

9、佳狀態(tài)：聚合物以離散相狀態(tài)均勻分布在呈 連續(xù)相的瀝青介質(zhì)中，這種結(jié)構(gòu)類似于用級(jí)配理論中的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)；聚合物在瀝青中會(huì)產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象；聚合物在瀝青中的摻量存在一個(gè)臨界值(即美國(guó)科學(xué)家collins所稱的 臨界摻量)，達(dá)到臨界摻量時(shí)，聚合物形成一種穩(wěn)定而富有彈性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu); 當(dāng)超過(guò)此值時(shí)，改性體系發(fā)生相變，聚合物由非連續(xù)相轉(zhuǎn)化為連續(xù)相，瀝青 由連續(xù)相轉(zhuǎn)化為非連續(xù)；在另一方面過(guò)高的摻量會(huì)大大增加改性成本而顯得 不經(jīng)濟(jì))3。2.3國(guó)產(chǎn)改性瀝青的種類與加工方法一種聚合物能否作為改性劑，主要看它是否具備這幾個(gè)條件：與瀝青相容；（2）在瀝青的混合溫度下能夠抵抗分解；（3）易加工與批量生產(chǎn)；（4）在使用過(guò)程中

10、能夠始終保持原有的優(yōu)良性能；（5）經(jīng)濟(jì)上合理，不顯著增加工程造價(jià)。目前，國(guó)內(nèi)用于瀝青改性的聚合物品種繁多，歸納起來(lái)，大致可分為三 種類型：（1）橡膠改性類：如天然橡膠（nr）、丁苯橡膠（sbr）、氯丁橡膠（cr）、T 二烯橡膠（br）、乙丙橡膠（epdm）、廢舊的汽車輪胎等；（2）熱塑性彈性體：如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（sbs）、苯乙烯- 異二烯-苯乙烯嵌段共聚物（sis）；（3）樹(shù)脂類：包括熱塑性樹(shù)脂與熱固性樹(shù)脂。前者有聚乙烯（pe）、乙烯-醋 酸-乙烯共聚物（eva）、聚乙氯烯（pvc），后者有近年來(lái)國(guó)外（美國(guó)）廣泛 用作正交異性鋼橋面鋪裝的環(huán)氧樹(shù)脂（ep）（注國(guó)內(nèi)首次使用在正交

11、異性鋼 橋上的工程案例為南京長(zhǎng)江二橋）。目前，在國(guó)內(nèi)使用較多的主要有sbr、pe、eva，sbs也因?yàn)槠淞己玫碾p 向改性性能（即同時(shí)改變基質(zhì)瀝青的高溫與低溫性能的能力）在近年來(lái)得到 較廣泛的應(yīng)用。影響改性瀝青在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的因素主要表現(xiàn)為瀝青改性后的路 用性能、生產(chǎn)施工的難易程度與改性成本。我國(guó)現(xiàn)有的幾種改性瀝青的質(zhì)量 水平基本上與國(guó)際上用同類型改性劑的改性瀝青大體相當(dāng)，因此加工方式的 難易成了國(guó)內(nèi)改性瀝青與同類國(guó)際產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的主要方面而在這一方面我國(guó) 與歐美國(guó)家存在較大的差距。目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)改性瀝青時(shí)，除了極少一部 分（如sbr膠乳、磨細(xì)的橡膠粉）采用直接拌和的方式外，大部分改性劑與 路用瀝青的

12、相容性并不太好，必須采取高速剪切、膠體磨、混煉等特殊加工 方式，才能使改性劑均勻分散于混合料中。歸納起來(lái)，國(guó)內(nèi)改性瀝青的制作 方式有以下幾種（見(jiàn)圖1）。圖1改性瀝青的制作方式（請(qǐng)作者見(jiàn)文后，將圖片email給本站。）2.4國(guó)產(chǎn)改性瀝青的制造工藝我國(guó)現(xiàn)有的改性瀝青加工工藝，能形成規(guī)?；a(chǎn)的成熟技術(shù)為數(shù)不 多，其中較有影響力的有北京市國(guó)創(chuàng)改性瀝青有限責(zé)任公司生產(chǎn)的國(guó)創(chuàng)一 號(hào)、國(guó)創(chuàng)二號(hào)的工藝以及重慶交通科學(xué)研究所研制的“溶劑法生產(chǎn)工藝。根 據(jù)sam maccarrone的觀點(diǎn)，聚合物在瀝青-聚合物共混體系中的理想狀態(tài)是 細(xì)分布而非完全至溶狀態(tài)。因此制造改性瀝青的關(guān)鍵在于能將改性劑磨細(xì)， 并使其均勻

13、地分散天瀝青膠體中。瀝青改性設(shè)備一般包括七個(gè)子系統(tǒng)：瀝青 外摻劑供給系統(tǒng)、煉磨攪拌系統(tǒng)、加熱保溫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、稱量稱重系統(tǒng)、 液壓站及成品貯存罐。膠體磨是整個(gè)改滌設(shè)備的核心，它應(yīng)能在高溫、高壓 環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)還應(yīng)能控制物料的均混粒度以及膠溶效果。膠 體磨式、高速剪切等專用設(shè)備我國(guó)都已經(jīng)有產(chǎn)品，其中北京市國(guó)創(chuàng)改性瀝青 有限責(zé)任公司的lg-8型煉磨式改性瀝青設(shè)備已通過(guò)交通部科技司與公路司 的聯(lián)合鑒定，性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，另外重慶交通科研所、西安筑路機(jī)械 廠等單位也研制出了相應(yīng)的設(shè)備，河南省交通廳等省公路部門(mén)還從國(guó)外引進(jìn) 了相應(yīng)的設(shè)備。3、國(guó)內(nèi)改性瀝青研究中存在的問(wèn)題與可能的對(duì)策（1

14、）我國(guó)關(guān)于改性瀝青的研究工作多，并且取得了不少成果，但實(shí)際應(yīng)用于 工程的比重遠(yuǎn)低于歐美國(guó)家，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到規(guī)模應(yīng)用的水平。另外我國(guó)的改性 瀝青的研究工作往往由各高等院校、科研院所獨(dú)立完成，缺少象美國(guó)公路戰(zhàn) 略系統(tǒng)(shrp)這樣的大型系統(tǒng)工程，研究的隨機(jī)性大，配套工作滯后。由 于各部門(mén)的利益關(guān)系，瀝青改性的關(guān)鍵技術(shù)往往是秘而不宣的在一定程度上 造成人財(cái)物力的巨大浪費(fèi)。這方面的問(wèn)題實(shí)際與我國(guó)公路部門(mén)的體制有關(guān)， 超出了本文的范圍，不予深究。改性瀝青的相容性問(wèn)題?？v觀國(guó)內(nèi)的大多數(shù)改性瀝青，聚合物與基質(zhì)瀝 青之間并未發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，它們僅僅靠微弱的界面作用物理聯(lián)結(jié)。因 此改性效果受加工設(shè)備、加工工藝

15、等因素影響很大，并且，貯存時(shí)間稍長(zhǎng)即 發(fā)生分層離析等現(xiàn)象，降低了改性效果。另外，改性瀝青在應(yīng)用于路面工程 時(shí)，往往要使用加強(qiáng)材料如硅質(zhì)集料、纖維等。這些材料一般是親水性的， 而瀝青與聚合物都是憎水性的，這樣也使得改性瀝青不容易與加強(qiáng)材料牢固 地結(jié)合。一種研究思路就是往改性瀝青中加入一些含反應(yīng)性基團(tuán)的化學(xué)組 分，使瀝青與聚合物之間形成化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)，而改性瀝青與加強(qiáng)材料也形成化 學(xué)鍵聯(lián)結(jié)，提高了改性效果4。在這一方面，美國(guó)與日本都有相應(yīng)的專利 技術(shù)成果值得借鑒。另一種研究思路就是尋找新的改性劑，如sbs與熱固性 材料一環(huán)氧瀝青混凝土(ep)。特別是?，由于其優(yōu)秀的耐疲勞性能與耐久 性以及接近于水泥混

16、凝土的強(qiáng)度與剛度，近年來(lái)在國(guó)外被廣泛用作正交異性 鋼橋的橋面鋪裝。國(guó)內(nèi)關(guān)于環(huán)氧瀝青的研究工作目前還只有東南大學(xué)與同濟(jì) 大學(xué)兩所高校在開(kāi)展，國(guó)內(nèi)第一次在大跨徑正交異性鋼橋橋面上使用環(huán)氧瀝 青混凝土的應(yīng)用工程則是在新建的南京長(zhǎng)江二橋，這是從美國(guó)直接引進(jìn)的成 品，具體路面性能如何還有待實(shí)際的進(jìn)一步驗(yàn)證。無(wú)統(tǒng)一的性能評(píng)價(jià)體系5?，F(xiàn)有關(guān)于改性瀝青的實(shí)驗(yàn)比較大多通過(guò)改 變聚合物的摻量或改變基質(zhì)瀝青的種類進(jìn)行比較的。作為前者，對(duì)于同種瀝 青尚有一定的可比性，能夠說(shuō)明不同改性劑對(duì)該種基質(zhì)瀝青的改性效果的差 異；但對(duì)于后者，則無(wú)多少科學(xué)依據(jù)。因?yàn)闉r青是一種成分極其復(fù)雜的有機(jī) 高分子化合物，采用不同原油煉制而成的瀝青其組分顯然是不同的，即便是 同一種原油，因煉制工藝的不同所得瀝青的組分比例也不盡相同。因此這種 通過(guò)比較同種改性劑對(duì)不同基質(zhì)瀝青的改性效果的方法存在很大的缺陷。正 確的思路應(yīng)該是對(duì)同一種瀝青進(jìn)行的：先按一定方法將基質(zhì)瀝青的各組分分 離提純出來(lái)，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶⑺玫慕M分按一定比例來(lái)配制成試驗(yàn)用的基 質(zhì)瀝青，然后再采用相同的制備工藝來(lái)制備改性瀝青及其混