改性瀝青的類別及其改性機(jī)理

改性瀝青的類別及其改性機(jī)理摘要：改性瀝青以其優(yōu)良的性能受到越來越多人的青睞，并且SBS改性瀝青已得到普遍應(yīng)用?？偨Y(jié)了改性瀝青的類別，并闡述了改性瀝青的改性機(jī)理；說明了改性劑與瀝青相容性的問題，對SBS改性瀝青進(jìn)行具體的分析；提出了改性瀝青存在的不足以及所需要研究的內(nèi)容。關(guān)鍵詞：改性瀝青；類別；改性機(jī)理；相容性；Abstract：Modifiedasphaltisbecomingmoreandmorepopularforitsexcellentproperties,especiallytheSBSmodifiedasphalthasbeenwidelyused.Itintroducesthecategoryofthemodifiedasphalt，andanalysesthemechanismofmodifiedasphalt.Itillustratescompatibilityproblemsbetweenthemodifierandasphalt,alsostudytheSBSmodifiedasphalt.Finally,putforwardtheproblemofthemodifiedasphaltandtheneedtostudynext.Keywords：modifiedasphalt；category；modificationmechanism；compatibility；引言為了改善普通瀝青的高溫以及低溫性能，提高瀝青路面的使用性能和使用壽命，對瀝青進(jìn)行改性已經(jīng)成為了一種必然的趨勢。所謂改性瀝青（包括改性瀝青混合料）是指摻加橡膠、樹脂、高分子聚合物、磨細(xì)的橡膠粉或其它填料等外摻劑，或采取對瀝青輕度氧化加工等措施，使瀝青或瀝青混合料的性能得以改善而制成的瀝青混合料。近些年來，隨著公路等級的不斷提高，對瀝青材料提出了更高的要求，也促使了改性瀝青得到進(jìn)一步深入的研究。改性瀝青的類別目前，國際上并沒有統(tǒng)一的改性瀝青的分類標(biāo)準(zhǔn)，主要按使用的改性劑的品種進(jìn)行分類，可將其分為四類。無機(jī)填料類代表性品種有炭黑、玻璃纖維、木質(zhì)素纖維等。橡膠類代表性品種有丁苯橡膠（SBR）及其乳液。熱塑性樹脂類包括熱塑性樹脂與熱固性樹脂，前者有聚乙烯（PE）、乙烯-醋酸-乙烯共聚物（EVA）、聚乙氯烯（PVC）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚烯烴等；后者有近年來國外廣泛用做正交異性鋼橋面鋪裝的環(huán)氧樹脂（EP）。熱塑性彈性體代表性品種有苯乙烯-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（SBS）。早期主要用炭黑、玻璃纖維、木質(zhì)素纖維等無機(jī)材料作為填料用來改善瀝青材料的性質(zhì)，這類材料能夠改變?yōu)r青路面的抗永久變形能力，但無法改善其低溫抗裂性能和疲勞性能，因此聚合物改性瀝青迅速發(fā)展起來，橡膠類、熱塑性樹脂類及熱塑性彈性體都屬于聚合物改性瀝青[1]。目前，在眾多的高聚物改性瀝青材料中，SBS改性瀝青以其優(yōu)良的路用性能得到普遍重視和應(yīng)用。改性機(jī)理分析改性機(jī)理是指外添加劑對基質(zhì)瀝青的化學(xué)組成、物理化學(xué)性質(zhì)和膠體結(jié)構(gòu)性質(zhì)改性的作用原理以及基質(zhì)瀝青對外添劑的物理化學(xué)性質(zhì)改性的作用原理。對于改性機(jī)理的研究是對改性的作用原理的研究。由于瀝青成分復(fù)雜，對其改性機(jī)理的認(rèn)識非常困難。目前依據(jù)實驗現(xiàn)象推測機(jī)理較多，而通過實驗表征較少，隨著人們對瀝青成分的不斷深入認(rèn)識，相信對改性機(jī)理的認(rèn)識會不斷深入。橡膠類改性瀝青，其中使用最多的是丁苯橡膠(SBR)和氯丁橡膠(CR)，其本質(zhì)是橡膠首先分散于瀝青中，然后瀝青中飽和分與芳香分與橡膠結(jié)構(gòu)單元中的烷烴結(jié)構(gòu)與芳香結(jié)構(gòu)發(fā)生物理化學(xué)作用，使橡膠的鏈結(jié)構(gòu)在瀝青中溶脹、延展，從而使瀝青具有高分子物質(zhì)的性質(zhì)，改善了瀝青的路用性能[2]。楊建麗等[3]用共煉法制得廢舊輪胎改性劑，加入基質(zhì)瀝青中發(fā)現(xiàn)分散性很好，橡膠以大分子水平均勻分散于瀝青中，使瀝青的性質(zhì)得到改善。吳少鵬等[4]通過電鏡照片、顆粒分布、紅外光譜研究了橡膠一瀝青的改性機(jī)理。認(rèn)為橡膠改性瀝青以單相連續(xù)結(jié)構(gòu)存在，整個改性體系呈“海島型”結(jié)構(gòu)，摻量增大，橡膠顆粒密度增大。改性瀝青中無化學(xué)作用發(fā)生，只是部分混溶或溶脹。金鳴林[5]等研究了橡膠改性煤瀝青，認(rèn)為橡膠與煤瀝青發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。煤瀝青中含有S.N.O等官能團(tuán)的多環(huán)芳香烴嵌入橡膠的網(wǎng)狀組織，依靠分子間的化學(xué)力結(jié)合為一體。原建安[6]對丁苯橡膠改性瀝青的機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為改善低溫性質(zhì)在于增韌，而改善高溫性質(zhì)在于分子量增加和蠟分的相對減少。同時認(rèn)為瀝青的膠體體系平衡狀態(tài)的改變對改性瀝青的性質(zhì)產(chǎn)生重大的影響。熱塑性樹脂，如EVA、EPS、PE、APP、PVC、PS等，其改性機(jī)理是樹脂加入瀝青后，在熱力、機(jī)械力的作用下，聚合物以粒狀、微絲狀分散在瀝青中，形成部分交聯(lián)的彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，限制了瀝青膠體的流動性，同時蠟分溶脹于聚合物結(jié)構(gòu)中，其相對含量降低，提高了瀝青的粘度，降低了溫度敏感性。最常用的熱塑性彈性體是SBS、SIS、SE/BS等嵌段共聚物，其改性機(jī)理與樹脂類改性劑相似。目前國內(nèi)外聚合物改性瀝青研究主要集中在相態(tài)結(jié)構(gòu)、流變特性、組分變化、顯微結(jié)構(gòu)、計算機(jī)模擬幾個方面，隨著人們對瀝青組分的深入認(rèn)識，聚合物與瀝青組分相互作用的研究會成為熱點。高聚物改性劑與瀝青的相容性從熱力學(xué)意義上說，改性劑與瀝青相容，意味著改性劑與瀝青之間分子水平下的均勻。但實際上是改性劑在瀝青中分散程度的一種量度，是指在實際測定條件下所表現(xiàn)的改性劑在瀝青中分散的均勻性；若從瀝青聚集態(tài)研究的角度出發(fā)，改性劑與瀝青共混物中有兩種類型：一類是改性劑與瀝青二者若以溶一溶混合，能在分子水平互相混合而形成均相體系；另一類，若從瀝青的路用品質(zhì)研究角度出發(fā)，改性劑與瀝青之間達(dá)不到分子水平的混合，或者說是不相容的，瀝青與改性劑分別自成一相，瀝青與改性劑共混成為非均相體系，即所謂“兩相結(jié)構(gòu)”或“兩相體系”。在路用溫度下，高聚物改性劑與瀝青的共混主要是物理共混，二者不能形成分子級水平的共混，因而，二者是不相容的。然而，改性劑能否均勻地分散在瀝青中，對改性瀝青的性能有重要影響。若改性劑在瀝青中能夠分散均勻，我們就可稱為分散性好，就認(rèn)為改性劑與瀝青的相容性好。反之，改性劑在瀝青中的分散不均勻分散性差，就認(rèn)為改性劑與瀝青的相容性差。SBS改性瀝青目前，SBS改性瀝青以其優(yōu)良的路用性能得到廣泛運用和深入研究。SBSS是一種熱塑性彈性體[7]，它在高溫下呈塑性，易與瀝青共混[8]。它獨特的結(jié)構(gòu)使瀝青的韌性提高、軟化點上升、滲透性降低、延性以及回彈性。瀝青改性是一個物理共混過程，與瀝青具有良好相容性的大分子聚合物加入瀝青中，通過溶脹與吸附使瀝青的組分構(gòu)成發(fā)生一定的變化。當(dāng)SBS分散到基質(zhì)瀝青中時，原來的膠體結(jié)構(gòu)平衡被破壞，SBS吸附瀝青中的飽和分和芳香分，并發(fā)生溶脹現(xiàn)象，建立新的膠體結(jié)構(gòu)體系，在瀝青中形成彈性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有理想的彈性、塑形和延伸性，使瀝青的性能得到全面改善。采用SBS改性瀝青的優(yōu)點[9]：提高瀝青混合料抵抗低溫變形的能力；改善密集配路面抵抗疲勞裂紋的能力；改善路面的抗水損壞能力；改善瀝青混合料的抗老化性能；改善抗剝離能力；相對降低蠟含量。盡管SBS的價格相對昂貴，但由于其改性瀝青效果優(yōu)于其它聚合物，目前歐美已經(jīng)大量使用，我省高速公路也普遍運用，以全面提高道路瀝青的性能。在影響SBS改性瀝青路用性能的因素中主要有改性劑（SBS）的品種和劑量、反應(yīng)添加劑（穩(wěn)定劑、交聯(lián)劑、表面活性劑等）的類型、基質(zhì)瀝青的性質(zhì)和與改性劑的配伍性、改性瀝青的加工工藝等。而改性瀝青的改性效果又與其評價體系有關(guān)，因此其性能評價也是SBS改性瀝青研究的重點。綜合近年來的研究狀況，個人覺得最主要的研究還是對改性劑的研究。SBS改性劑的型號品種很多，主要分成星型和線型兩大類，其性能對瀝青的改性效果影響很大，以往我國生產(chǎn)的SBS性能不穩(wěn)定或生產(chǎn)成本太高，致使SBS改性瀝青難以普遍使用。為此，對SBS改性劑展開研究是非常必要的。以往的研究認(rèn)為，就瀝青的改性效果而言，星型SBS改性效果要好于線型SBS，星型SBS改性加工困難，且易引起相容性不良等問題。為此對SBS改性劑的研究重點在于提高SBS與基質(zhì)瀝青的相容性上，這通常是通過SBS改性技術(shù)實現(xiàn)，其改性途徑主要有以下幾類：化學(xué)交聯(lián)改性技術(shù)，即通過單質(zhì)硫、有機(jī)硫化物、過氧化物、酚醛樹脂等實現(xiàn)接枝[10][11]、環(huán)氧化、硫化，以促使改性劑與基質(zhì)瀝青間達(dá)到穩(wěn)定的互溶共混目的；物理改性技術(shù)比如與其他高聚物共混以及表面改性[12]等。結(jié)語改性瀝青的應(yīng)用已經(jīng)成為一種主流趨勢，改性瀝青的生產(chǎn)工藝也日趨成熟，SBS改性瀝青更是得到了普遍應(yīng)用。雖然改性瀝青在實際的應(yīng)用中存在一些問題，比如改性瀝青熱儲穩(wěn)定性和抗抗老化性的問題。但是相信隨著研究的深入以及技術(shù)的發(fā)展，這些問題可以得到完善的解決。未來改性瀝青的發(fā)展方向一定會是發(fā)展新型的改性劑，將納米復(fù)合材料應(yīng)用于改性瀝青，能更好的提高改性瀝青的性能；并且隨著環(huán)保的觀念深入人心，新的技術(shù)將廢材料應(yīng)用于改性瀝青，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益以及社會效益。因此，對于改性瀝青的研究，我們還有很長一段路要走。參考文獻(xiàn)：[1]譚憶秋.瀝青與瀝青混合料[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.[2]薛永兵，楊建麗，劉振宇.聚合物用作道路瀝青改性劑[J].公路，2001(11)：120-123.[3]楊建麗，劉振宇，王志杰.一種道路及表面涂層瀝青的制備方法[P].中國專利，99107872.[4]吳少鵬.橡膠-瀝青改性機(jī)理的研究[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1997，19(3):7.[5]金鳴林，姚伯元，馮安祖.以煤瀝青為原料制取高質(zhì)量筑路油，燃料與化工，1999，30(4):183-184.[6]原建安.聚合物改性瀝青機(jī)理研究[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報，2001，21(3):21-22.[7]NingjianAo，QiWang，AiminZhang.ModificationstudyandappelicationofSBS[J].Petroleumchemistryindustry，2001，30(11):874-878.[8]JianboXu，HaianZhu.TheapplicationofSBSinmodificationrodasphalt[J].Balingpetrochemicalindustryscienceandtec