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        详细内容

        淄博科泉工贸有限公司谈改性沥青

        沥青是建设道路的重要材料,道路的路面质量很大程度上取决于沥青的质量。目前高等级公路中的沥青主要是由石油沥青构成,沥青自身的组成和结构决定了道路的感温性能,弹性以及耐老化性能。随着科技和现代交通的发展,道路需要适应大流量、重轴载、高速度的车辆运行发展趋势,普通的沥青难以满足公路的使用要求,尤其是在天气条件恶劣的时候,夏季的高温和冬季的严寒容易使道路出现车辙、龟裂、坑槽、裂纹等路面损害,造成安全隐患以及经济损失。为避免这些情况,就需要研究发展改性沥青的道路建设中的应用。本文将主要介绍生产改性沥青的工艺、改性原理以及生产技术。


        改性沥青是在基质沥青的基础上混合加入天然或人工合成的有机或无机材料,可熔融、分散在沥青中,改善沥青性能,能够使沥青适应极端恶劣天气和道路指标的变化。改性剂的原理是通过其结构、支链的作用改变沥青额成分和结构,从而改善沥青的使用性能,例如敏感性、弹性、抗老化性能、抗疲劳性能等。目前广泛应用的改性剂可大致分为三类,分别为橡胶类、树脂类、热塑性橡胶类。橡胶类的改性剂以合成橡胶应用于道路沥青最多,主要有丁苯橡胶(SBR)、氯丁橡胶(CR)、聚苯乙烯-异戊二烯(SIR)、乙丙橡胶(EPOM)等;树脂类的改性剂主要以聚乙烯(PE)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)应用于道路改性沥青中;热塑性橡胶主要有苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS),在制备道路用的改性沥青时,以SBS改性剂最为普遍。


        SBS、SBR是两种应用最为广泛的改性剂,SBS改性剂的成功应用与它的结构息息相关,在嵌段共聚物中,聚苯乙烯和聚丁二烯在常温下不相容,聚合分子链两端的聚苯乙烯会优先与另外的聚苯乙烯聚集在一起,形成物理交联区域,因为嵌段部分为柔性的聚丁二烯链段,整个分子链形成了一个网状结构,使得SBS有较好的稳定性和弹性;丁苯橡胶(SBR)改性剂的特点在于能够显著提高改性沥青的低温延展度,增加沥青的弹性并降低沥青的温度敏感性。

        下图是SBS改性剂和SBR改性剂的详细分子结构:

        图1. SBS改性剂分子结构


        图2. 丁苯橡胶(SBR)分子结构


        由于改性剂与沥青的组分中的胶质、沥青质特性不同以及分子量相差巨大,导致沥青与改性剂较难相溶,且改性剂产品在储存的过程中改性剂有自动凝聚的倾向,会导致改性剂上浮,造成离析分层,破坏改性沥青体系的稳定。为改善上述问题,提高改性剂对沥青的改性效果,需要加入相应助剂;对于相溶问题,需要在加入改性剂后加入助溶剂,并持续搅拌溶胀30-60分钟,以保证改性剂与基质沥青能够混合;对于产品出现离析的问题,需要加入稳定剂来增加改性沥青的热储存稳定性,经过大量的实验研究和生产实践,发现改性沥青在加入稳定剂后由珠状结构变成了网络结构,如图3所示,使得改性沥青具有了高弹性、高韧性、高强度等特性,显著的提高了改性沥青的使用性能。

        图3. 改性沥青微观结构【2】


        溶胀是提升改性剂改性效果的一个重要工艺,可以使颗粒状的改性剂均匀分散在沥青中。以SBS改性剂为例,SBS改性剂中的苯乙烯被沥青中的芳香分溶胀,丁二烯的链段被溶胀伸长作为弹性键,发生相转移变化。SBS在混溶时变成小颗粒后,表面积增大,表面能量升高,根据能量最低原理,SBS改性剂有降低表面能量的趋势,需要吸附沥青中结构相近的组分形成界面吸附层以降低表面能,正是这种溶胀和吸附的形成,使得SBS能够稳定地分布在沥青中。溶胀的过程本质上是一个物理共混的过程,SBS链因吸附了沥青中的烃类组分发生溶胀,体积变为原来的8倍左右,SBS变成伸长溶胀的网状连续相。图4展示了加入不同剂量的芳烃油(一种常使用的助溶剂)对改性沥青结构的影响,可以看出在助溶剂的影响下SBS逐渐变成了更长的网状结构。

        图4. 改性沥青加入0%,5%,10%芳烃油后的骨架图像【3】


        经过溶胀的工艺后,虽然改性剂在沥青中高度均匀分散,但是改性剂微粒和沥青组分的混合还是比较生硬,在显微镜下可以看到改性剂微粒与沥青界面很清晰,出现离析情况,如图5所示,浅色部分主要为SBS改性剂的网状连续相,而深色部分为基质沥青。为有效地防止离析的发生,需要加入稳定剂,并给予一定时间的搅拌。稳定剂加入后会与改性剂以及沥青硬组分的发生交联、接枝等反应,降低相界面的表面张力,增加两相之间的亲和力,从化学意义上提高改性剂与沥青硬组分的结合,形成稳定的相界面吸附层,增加改性剂和沥青之间的亲和力,改善改性剂和沥青的相容性和热储存性。

        图5. 基质沥青在加入改性剂后的离析现象【4】


        为研制出成本更低、改性效果更好的改性沥青,需要深入研究改性剂对基质沥青的改性机理。影响改性剂改性机理的因素主要有改性剂的结构、基质沥青的组成、改性沥青加工工艺等。改性剂分子链的柔韧性很大程度上决定了改性剂与沥青的混合程度,分子链越硬越不易于改性剂充分溶胀,导致改性沥青使用性能下降;基质沥青的组成对改性沥青性能的影响比较复杂,基质沥青的组分不同,其胶体结构、平均分子量以及分子量分布也会有较大的差异,最终影响到改性沥青的使用性能,需要通过检测手段确定基质沥青的结构参数、平均分子量、族类组成,通过这些性质表征基质沥青的组成,从而得到改性机理的规律;加工工艺是一个影响改性机理的关键因素,合理的加工工艺可以使改性剂以微小的颗粒均匀的分布在基质沥青中,促进改性剂的溶胀,提高改性效果。


        随着我国公路建设的高速发展,对于高性能沥青的需求也日益增加,通常的交通道路沥青已经渐渐不能满足现在的道路建设发展。改性沥青以其良好的高温稳定性、低温抗裂性和出色的粘附性、耐疲劳性逐渐出现在人们的视野当中,并逐渐受到了业内的重视,近年来,改性沥青在高速公路、城市干道、以及机场跑道的路面上应用极为广泛。但目前改性沥青的局限在于其性质很大程度上受到改性剂质量的影响,很难生产质量稳定的改性沥青,需要进一步的深入研究改性机理,让改性沥青更好地发挥在公路建设中的作用。


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