改性沥青质量控制措施

改性沥青质量控制措施河南省交通基本建设质量检测监督站王振华近年来，我省高速公路迅猛提升，今年我省高速公路通车里程已跃居全国第一位，已通车的高速公路大多是沥青路面。但随着公路建设事业的高速发展，交通及气候条件对高速公路路面使用性能的要求也越来越高。一方面高速公路交通量急剧增加，行使车辆的重载、超载现象严重，渠化交通加重了车辆轴载对路面的破坏（比如：京珠的安阳至郑州至漯河段，连霍的开封至洛阳段等）；一方面我省春夏秋冬四季分明，近年来的气候及温度变化较大，沥青路面经受着气候变化的严峻考验；显然尽快提高路面的良好性能和耐久性是非常必要的。改进沥青路面的使用性能，防止沥青路面的早期损害，提高沥青路面的高、低性能和耐久性，需要对路面铺筑材料和施工工艺加以改进，而沥青材料的性能又是关键的因素。实践证明使用外参剂改善普通沥青（即我们常说的改性沥青）的路用性能已取得了良好效果。一、了解改性沥青所谓改性沥青，按照我国《公路改性沥青路面施工技术规范》（JTJ036-98）的定义，是指“掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂（改性剂），或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得以改善而制成的沥青结合料”。改性剂是指在“沥青或沥青混合料中加入的天然的或人工的有机或无机材料，可溶融、分散在沥青中，改善或提高沥青路面性能（与沥青发生反应或裹覆在集料表面上）的材料”。二、改性沥青的使用现状在改性剂中，应用和研究得最为广泛主要是高分子聚合物改性剂。国内的改性沥青通常指的是聚合物改性沥青。采用聚合物改性沥青和混合料的原因有：1）在低温时获得较软的混合料并减少开裂；2）在高温时获得更硬的混合料并减少车辙；3）降低施工时的粘度；4）增加混合料的强度和稳定性；5）提高混合料的抗磨耗性能。美国的50个州及加拿大5个省的公路部门问卷调查结果显示，在公路上最常使用的聚合物改性剂是哪些时，其结果如表1。由于SBS有非常好的弹性和高1低温性能，现已成为美国最主要的改性剂品种。通过调查还了解到，公路部门使用改性剂主要目的是用来提高抗车辙的能力和抵抗低温开裂的能力。表1北美公路部门最常用的改性剂及改性效果类型种类使用部门数量改性效果（部门数量）永久疲劳低温水老变形开裂开裂损害化聚合物弹性体聚合物塑性体SBSSBSBR轮胎橡胶EVA2816173618131013854105413016221在日本，由于沥青混凝土路面的车辙变形等非常严重，近年来采用改性沥青提高路用性能的研究和应用越来越多。整体来说，SBS是国际上使用最多的改性剂，并常用来改善高温性能。我国沥青及沥青混合料改性的技术研究已有近四十年的历史，主要研究集中在：1）广泛应用于工程实际的SBR橡胶改性产品；2）SBS等热塑性弹性体改性技术及PE等树脂类复合改性技术；3）作为“八五”攻关项目的土工格栅、土工布等改善沥青路面结构力学性能的物理改性技术；4）沥青玛蹄脂碎石混合料SMA的研究；5）成套沥青改性设备开发研制。目前，在国内使用较多的主要有SBR、PE、EVA，SBS也因为其良好的双向改性性能（即同时改变基质沥青的高温与低温性能的能力）在近年来得到较广泛的应用。虽然我国关于改性沥青的研究工作较多，并且取得了不少成果，但实际应用于工程的比重远低于欧美国家，远没有达到规模应用的水平。我国的改性沥青的研究工作往往由各高等院校、科研院所独立完成，缺少象美国公路战略系2统（SHRP）这样的大型系统工程，研究的随机性大，配套工作滞后。此外关于改性剂的选择也没有统一的标准。在我省的沥青路面施工中，中、上面层已越来越多地使用改性沥青。三、改性沥青的种类道路改性沥青一般是指聚合物改性沥青，简称PMA、PMB。我国一般将其分为三类。①热塑性橡胶类：即热塑性弹性体，主要是苯乙烯类嵌段共聚物，如苯乙烯-丁二烯共聚物（SB），苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯（SIS）、苯乙烯-聚乙烯/丁基聚乙烯（SE/BS）等嵌段共聚物，由于它兼具橡胶和树脂两类改性沥青的结构与性能，故也称为橡胶树脂类。SBS由于具有良好的弹性（变形的自恢复性及裂缝的自愈性），已成为目前世界上最为普通使用的道路沥青改性剂。②橡胶类：如天然橡胶（NR）、丁苯橡胶（SBR）、氯丁橡胶（CR）、丁烯橡胶（BR）、异戊二烯（IR）、乙丙橡胶（EPDM）、丙烯腈丁二烯共聚物（ABR）、异丁烯异戊二烯共聚物（IIR）、苯乙烯异二烯橡胶（SIR）等。其中SBR是世界上应用最广泛的改性剂之一，尤其是它胶乳形式的使用越来越广泛。氯丁橡胶（CR）具有极性，常掺入煤沥青中使用，已成为煤沥青的改性剂。③树脂类：热塑性树脂，在整个加工过程中不伴有化学反应，可反复受热软化（熔化）和冷却凝固的树脂，一般是线型高分子化合物。如乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、聚乙烯（PE）、无规聚丙烯（APP）、聚氟乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚酰胺等。热固性树脂也可作为改性剂使用，如环氧树脂（EP）等。EVA由于其醋酸乙烯的含量及熔融指数MI的不同，分为许多牌号，不同品种的EVA改性沥青的性能有较大的差别。无规聚丙烯APP由于价格低廉，用于改性沥青油毡较多，其缺点是与石料的粘结力较小。四、改性剂的种类及选择3.1改性剂的种类在聚合物改性剂中，目前最常用的弹性体主要有苯乙烯--丁二烯类嵌段共聚物（主要指SBS三嵌段共聚物和SB两嵌段共聚物）和丁苯橡胶SBR以及塑性体EVA树脂和PE（聚乙烯）。1．SBSSBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)是国外应用最为广泛的一种改性3剂。SBS所以能被广泛地用于改性沥青是与客观存在独特的结构有关：在SBS的嵌段共聚物中，聚苯乙烯与聚丁二烯在常温时的不相容性，共聚物中分子链之间的聚苯乙烯内聚能密度较大，聚苯乙烯能聚集在一起，形成许多约束成分的物理交联区域，因其嵌段是柔性的聚丁二烯链段，这就形成了网状结构。对于SBS改性沥青的研究成果，归纳起来有以下几个结构得到基本的认同：a)SBS的掺量有一临界值，一般认为临界掺量在6%左右，当然随原样沥青的性质不同而有所不同。在临界掺量前后改性沥青会出现很大的不同。b)原样沥青中的沥青质含量对改性沥青的性质有较大的影响，有研究者采用参数Ic=（沥青质=饱和分）/（芳香族+树脂）来评价这种性质，一般认为Ic小，则沥青与SBS相容性好。c)SBS改性沥青的优越性为：脆点温度很低，低温性能好；在常温下粘度很大，能低抗车辙，而在高温时则粘度迅速降低，具有良好的施工和易性；这些性质都正是人们理想中的沥青所应具有的性能。d)混合料试验也证明了沥青胶结料的试验结果:z抗车辙能力大大提高；z低温开裂温度降低；z抗疲劳性能也得到提高；z粘附性能也得到提高。正是因为SBS所拥有的这些优良性能，再加之SBS与沥青混掺比PE和SBR方便，因此它成为聚合物改性沥青中的佼佼者也就不足为怪了。2．聚乙烯（Polyethylene,PE）聚乙烯常用于改性沥青的是低密度聚乙烯（LDPE）和线型低密度聚乙烯（LLDPE）。低密度聚乙烯树脂是密度为0.910∽0.925的白色蜡状物，结晶度（55%∽65%）低，结晶熔点（108∽126）也较低，熔体指数范围（MI=0.2∽30）较宽。线型低密度聚乙烯的密度一般为0.920∽0.930，在结构、结晶度、密度等方面介于高密度聚乙烯和低密度聚乙烯两者之间，与HDPE比，短支链多，与LDPE比，长支链少，可以看成是线型结构。另外，LLKPE熔点比LDPE高（10∽20），熔体粘度高，熔体弹性小，热变形温度高。研究表明：41）聚乙烯能显著改善沥青的高温性能，是由于聚乙烯均匀布于沥青胶体中，许多聚乙烯链相互褶叠，在沥青空间形成一张密密麻麻的大网，从而限制了沥青胶体体系的流动性，增加了抵抗外力的能力，所以使其高温时的强度和抗变形能力都得到了提高。2）当掺量超过5%时，由于PE相的粘度过大，混合物在高速搅拌过程中，PE较难分散。随着PE分子量的不同，在同样掺量下，粘度会随分子量增大而增大。3．EVA树脂EVA树脂是乙烯和醋乙烯脂单体共聚合而得，是一种热塑性聚合物。由于在乙烯支链上引入了极性的醋酸基团组成的短支链，打乱了原有的结晶状态，并增加了聚合物链之间的距离，导致共聚物EVA比聚乙烯PE更富有柔韧性和弹性。EVA借助于胶体磨的强外力的作用，使其断链形成细小的分散相，由于EVA有两种不同的基团，这就使选择吸附有着更大的范围，同时微粒粗糙表面提供了更大的吸附表面和空间，因此EVA与基质沥青的混溶性较好。研究表明，EVA能够改善高温性能。在改善沥青的高温稳定性方面，EVA的作用效果与PE相当，在改善低温柔韧性方面，EVA优于PE，在施工工艺难易方面，EVA明显优于PE，但基质沥青用EVA改性后，其延度反而有所下降。3.2改性剂的选择一种聚合物能否选作沥青改性剂，它应当满足如下几个条件：z与沥青相容；z与沥青相混合时的高温下能够抵抗分解；z易与沥青混合和在混合料摊铺时易于施工；z在与沥青混掺、储藏过程中及在路面的使用年限内均能保持其原有的优良性能；z在经济上应该合算。实际工程上选择改性剂的品种和剂量是个技术性很强的工作，很难简单地说哪个品种的改性剂就一定好或不好，只能根据所在地区的气候条件、交通条件、经济实力、改性沥青设备条件，以及当地沥青路面的主要破坏形式、改性的真正目的综合确定。（1）根据不同的气候条件选择不同地区的气候条件有很大的差异。我国“八五”国家科技攻关专题《道路5沥青及沥青混合料路用性能的研究》已经按照气温、雨量等指标，提出了我国沥青路面使用性能的气候分区，而且对不同的气候区提出了非改性沥青的技术要求。对改性沥青也是一样的，不同的改性剂在改性效果上有很大的差别。对南方夏季炎热地区，高温稳定性要求较高，SBS、PE、EVA等的改性效果较好；而对低温寒冷地区，抗裂性能的要求较高，SBS、SBR的改性效果较好。在我国许多内陆地区和华北、中南、西北地区，夏季炎热，冬季寒冷，高低温要求都很高，选择SBS能两方面都兼顾到，是首选改性剂。（2）根据不同的荷载条件选择不同的道路所承受的汽车荷载亦不一样。对旅游道路等主要供轻型车行驶的道路，产生车辙的可能性较小，主要考虑进行车舒适和气候因素，对抗裂性能的要求是重点，可选择SBS、SBR等；而对以载重汽车为对象的高速公路、一级公路，尤其是重车比例大、超载车多的某些干线道路，如运煤干线，主要的目的是抵抗车辙、拥包等永久性变形，则可考虑采用SBS、PE、EVA等改性剂。（3）根据现有的加工能力改性沥青的加工是非常重要的。根据改性剂的种类，可以采用直接加入法，即将改性剂直接投入拌和机与混合料一起拌和。对于橡胶粉，由于其分子结构紧密，因此把它分散到沥青中很困难，必须在高温下与沥青混凝土拌和才能使橡胶颗粒溶胀，这种方法称为湿法，干法则把橡胶粉当作集料加入到沥青中去。大部分改性剂，包括SBR胶乳都可以采用预混法制作改性沥青，对许多改性剂，如SBS、PE、EVA等，必须采用高速剪切、胶体磨、混炼等特殊的加工方式，才能使改性剂达到分散均匀的目的。因此，都必须根据实际情况选择适宜的改性剂及其加工方式。（4）经过技术经济分析确定改性方案改性沥青的成本由以下几部分组成：①改性剂的成本。包括改性剂的单价、用量，有的改性剂尽管价格较低，但剂量较高，应该特别注意。例如，EVA和PE的合理剂量宜为4%-6%，SBS和SBR的合理剂量宜为3%-6%。②加工费。如改性沥青设备费、沥青加热用的柴油、电力费，有的还需要必要的管道、阀门、配件以及人工费等。③采用改性沥青后因增加沥青用量而增加的费用。与普通的非改性沥青相6比，沥青用量大体要增加0.3%-0.5%左右。对任何一个工程，都必须从技术性能及经济成本两方面分析，选择成本低、性能好、效果好的改性剂和制作方式。五、基质沥青的选择改性沥青的性质与基质沥青密切相关。一种沥青不一定适用所有的改性剂，一种改性剂也不一定适用于所有的沥青。沥青种类的选择应从沥青的组分构成及原始物理性质出发，考虑沥青的组分构成主要针对沥青与改性剂的兼容