基本介紹
- 中文名：瀝青改性劑
- 外文名：Asphalt Modifier
- 目的：改善瀝青混合料在高溫下路用性能
- 分類：聚合類和非聚合類
- 關鍵：改性劑與基質瀝青的相容性
- 性質：在基質瀝青中摻加改性劑
瀝青簡介,改性劑簡介,改性瀝青目的,聚合改性劑,非聚合改性劑,瀝青改性技術,改性劑的選擇,劑量的確定,我國發展方向,
瀝青簡介
瀝青是一種分子量相對較小的、由眾多小分子物質組成的非高分子材料共混物，瀝青具有較差的彈性和耐老化性的特點。季節的變化對瀝青的路用性能影響很大，溫度高時，瀝青易熔化且易流淌。相反，溫度低時，瀝青更容易變脆，從而導致瀝青喪失流動性。這種性質往往使瀝青路面在夏天時出現車轍現象，在冬天時瀝青路面溫縮開裂，易造成人身和財產的損失。瀝青也是一種由天然形成的或者由人力加工的工程材料，主要套用於道路建設中。
隨著中國經濟的飛速發展，道路交通量的增加，傳統的瀝青鋪成的路面已經無法滿足發展的需求，因此，對瀝青進行改性，改善和提高其路用性能，以滿足不同惡劣環境下的使用需求和對高質量道路瀝青日益增長的需求。而瀝青改性劑的選擇對改性瀝青的路用和使用性能起著決定性因素。
改性劑簡介
改性瀝青是在基質瀝青中摻加改性劑，如橡膠、高分子聚合物，或其他填料等外摻劑，或採取對瀝青輕度氧化等方法，製成性能得到提高的瀝青結合料。 改性劑對瀝青的改性其機理有兩種，一種使瀝青化學組成改變的化學改性，另一種則是使改性劑均勻熔入瀝青中並且形成具有一定空間網路結構的物理改性。瀝青改性劑是指在瀝青加入天然的或人工合成的有機或無機材料，可熔融、均勻的分散在瀝青中，使瀝青路面性能得到提高。
瀝青改性劑大體上可分為聚合瀝青改性劑和非聚合瀝青改性劑兩類。聚合瀝青改性劑可分為熱塑性彈性體瀝青改性劑、塑膠與合成樹脂瀝青改性劑、橡膠瀝青改性劑和共混型高分子聚合物瀝青改性劑四類。而非聚合瀝青改性劑是由礦物質和添加劑改性劑兩類構成的。
改性瀝青目的
瀝青作為一種複雜的高分子碳氫化合物，在一定溫度與荷載作用下表現為典型的彈-粘-塑性，並且在高溫與紫外線照射下會產生老化現象。
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能，減少高溫時的永久形變，提高其抗車轍、抗疲勞、抗老化，以及抵抗低溫開裂或增加低溫時抗疲勞能力等方面的性能，使其滿足設計使用期間交通條件的要求。此外，還可以改善瀝青與礦料的粘附性和結合料的抗氧化能力。改性瀝青的主要功用之一是增強瀝青混合料在高溫下的抵抗永久變形並減小溫度敏感性的能力，而在其他溫度下對瀝青或瀝青混合料的特性無不利作用。從國內聚合物改性瀝青的研究與套用情況可見,一種聚合物能否作為改性劑通常具有如下條件：
(1)良好的抗高溫變形能力；(2)增強抵抗抗低溫開裂和抗反射裂縫的能力；(3)改性瀝青與集料有較好的粘附性和抗水損害能力；(4)具有抗長期老化能力和較長的使用壽命;(5)與基質瀝青具有良好配伍性;(6)在瀝青混合料拌和溫度下能夠抵抗分解;(7)改性瀝青容易加工並能批量生產;(8)在使用過程中能夠始終保持原有的優良性能;(9)經濟上合理，不顯著增加工程造價。
聚合改性劑
熱塑性彈性體瀝青改性劑
熱塑性彈性體主要是由苯乙烯嵌段共聚物組成的，如 SBS，SEBS，SIS 等嵌段共聚物。SBS 是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物，常見的有直線型和星型結構。學術界普遍認為，SBS 星型結構對瀝青的改性效果要明顯優於線性結構。SBS 改性劑對瀝青具有提高剛度和改善韌性、抵抗疲勞能力、抗水損害能力、抗老化性能和抗剝離能力的特點。並且 SBS 改性劑還具有使瀝青的軟化點，延展度提高的能力。
對 SBS 改性劑對瀝青改性機理進行研究發現 SBS 對瀝青的改性通過物理共混和化學改性兩方面完成的。他們發現物理改性過程是瀝青中的油組分使 SBS 改性劑發生溶脹作用並均勻的分散在基質瀝青中，SBS 和基質瀝青之間並沒有發生化學作用，只是一種物理共混過程，SBS 和基質瀝青之間也只是一種分子之間的作用力。而化學改性過程是在基質瀝青和 SBS 之間加入添加劑，通過發生化學反應，形成較強的共價鍵或離子鍵，使瀝青的化學結構得到改變，進而使瀝青的化學性質得到改善。
橡膠瀝青改性劑
橡膠瀝青改性劑是指天然橡膠、丁苯橡膠及其他橡膠類作為瀝青改性的外摻劑。其中丁苯橡膠作為瀝青改性劑被最為廣泛的套用在瀝青改性中，膠乳形式是它套用的最主要方式。氯丁橡膠作為瀝青改性劑也廣泛的套用在瀝青的改性中。
塑膠與合成樹脂瀝青改性劑
塑膠與合成樹脂瀝青改性劑主要包括聚乙烯瀝青改性劑、呋喃樹脂瀝青改性劑、聚丙烯瀝青改性劑、聚醯胺瀝青改性劑、環氧樹脂瀝青改性劑等。
共混型高分子聚合物瀝青改性劑
共混型高分子聚合物瀝青改性劑指在瀝青中摻入 2 種或 2 種以上的高分子聚合物作為改性劑並對瀝青進行改性。摻入的高分子聚合物可以是單獨的高分子聚合物也可以是事先經過共混高分子合金。
非聚合改性劑
礦物質瀝青改性劑
礦物質改性劑包括硅藻土、胡瀝青、天然瀝青、硫磺、不溶性硫磺、石棉、岩瀝青等。自從 1980 年以後，國外的研究人員就已經開始研究硅藻土對瀝青的改性。進入新世紀，我國大量科研人員也開始了對硅藻土作為改性劑對瀝青的改性研究。硅藻土作為瀝青改性劑可以有效的提高瀝青的黏度、強度等性能。
添加劑瀝青改性劑
從現有的文獻報導，不管是我國還是國外，研究人員對添加劑改性瀝青的研究較少。有學者採用季胺鹽類：烷基苯磺酸鹽約為 5：1 的陰陽離子表面活性劑作為改性劑，製備 O/W 乳化改性瀝青，實驗結果表明，該瀝青具有熱穩定性好等優點。
瀝青改性技術
瀝青改性效果的關鍵在於解決改性劑與基質瀝青的相容性問題。所謂相容性，在熱力學上的含義是指明兩種或兩種以上物質按任意比例形成均相體系的能力。但實際能夠完全互溶的兩種物質非常少，因此在道路工程上所說的相容性是指：聚合物改性劑微細的顆粒與基質瀝青組分發生反應，或穩定、均勻地分散在基質瀝青中，不產生分層、凝聚或離析等現象。改性劑與基質瀝青的相容性主要取決於基質瀝青的配伍性。因此受瀝青的組分影響較大，芳香分越高，改性加工越容易，效果越好。大量的研究已經表明，改性劑在瀝青中並沒有發生明顯的化學反應，只是均勻地分散、吸附在瀝青中，僅是物理意義上的共存共融。改性劑與瀝青的相容性也就是，如何降低基質瀝青與改性劑之間的分子力，使其均勻分散是決定改性效果和改性瀝青製作工藝的關鍵因素。一般，聚合物的極性愈強，分子結構與瀝青愈接近，它與基質瀝青的相容性越好，相應地改性效果也就越好。對於聚合物來說，並不是所有的瀝青都可以採用同樣的聚合物改性劑和改性工藝達到相同的改性效果的，聚合物有許多品牌，它的改性效果不僅與劑量有關，還受改性劑品種與基質瀝青品種配伍性的影響。對於遼河瀝青而言，能否加工出效果良好的改性瀝青，主要取決於改性劑品種的選擇及配伍性的研究。
改性劑的選擇
改性劑的選擇對保證路面優良性能是十分必要的，許多實踐經驗表明，如果改性劑選擇不當，可能使路面產生早期病害，造成不必要的損失，為此，合理選擇改性劑是相當重要的。
改性瀝青改性劑的選擇應注意以下幾點：依據不同的氣候條件和當地路面主要病害特點選擇。在現行的改性瀝青路面施工規範中，對改性瀝青的技術指標提出了嚴格的要求，其不同的指標要求實際上是根據我國“八五”攻關課題成果得到的瀝青路面氣候分區而建立的，因而不同的改性劑在不同地區使用時的適用性是不同的。
在南方，採用SBS、PE、EVA等改性劑效果較好；而對低溫高寒地區，則選用SBR、SBS改性劑較好，但SBR耐老化性較差；在中部內陸地區、華北、中南、西北地區等地，高、低溫性能要求均較高，則宜於選擇SBS改性劑為妥。
根據不同的荷載作用特性選擇。在重載、超載作用嚴重地區，宜於採用抗車轍性能好的SBS、PE和EVA等改性劑；對行車舒適性要求較高的地區，則選擇抗裂性好、彈性作用強的SBS、SBR為好。根據現場加工條件選擇。不同改性劑的改性工藝是不盡相同的，依據工地現有加工條件，選擇合適的改性劑。進行經濟技術比較後確定合適的改性劑。根據改性劑成本、加工費用、改性設備和配套設施增加費用等，計算每噸改性瀝青增加的額外費用，在滿足路用性能需要的基礎上，選擇性能價格比優良的改性劑。
劑量的確定
劑量是影響瀝青改性效果的主要因素。但聚合物含量較低時，瀝青中的芳香酚可將聚合物幾乎完全溶解，使瀝青與改性劑形成為幾乎單一體，瀝青的性能變化不大；但聚合物劑量增加，則會出現瀝青與改性劑間的相的分離，表現為改性劑被瀝青中的輕組酚所溶脹，使得瀝青的路用性能得以改善，形成為聚合物的分散體系；改性劑量再增大，尤其是SBS等改性劑，則會形成相互連貫的網路結構，形成兩相連續體系，在此劑量下瀝青路用性能變化幅度最大，由此得出改善性能最佳的改性劑量；當劑量再繼續增大時，瀝青相成為非連續相，聚合物則成為連續相，此時改性劑量變化對瀝青路用性能影響幅度很小，增加劑量對瀝青性能改善不經濟。
實際上，在確定合適改性劑量時，也並非必須採用最佳劑量，一般可以得到以下劑量：依據規範或本地區改性瀝青所應達到的路用性能要求，由此技術性能指標和得到的性能指標與改性瀝青劑量間的關係曲線，得到滿足規範要求和本工程需要的改性劑量。根據性能-劑量關係曲線，得到對性能改善效果最明顯的臨界劑量，或稱之為性能改善最佳劑量。考慮改性劑量與改性瀝青存儲性能關係，在是否添加穩定劑、相容劑的情況下，選擇滿足工程需要的性能穩定的改性瀝青劑量。
綜合改性瀝青初期費用增加和改性瀝青路面服務水平提高、運營費用降低、使用壽命延長、養護維修費用大幅減少等路面使用過程中全過程投資與效益分析情況，得到一個全過程費用分析費用與改性劑量間的相互關係，得到一個合適的經濟劑量。
綜合以上幾種劑量，最後平衡路用性能、改性效果、經濟效益等情況，最後得出合適的瀝青添加劑量。
我國發展方向
（1）新型瀝青改性劑的研究，研究新型節能環保的瀝青改性劑，提高瀝青的性能指標，提高在惡劣環境下瀝青的路用性能，從而提高社會效益和經濟效益。（2）對現有的 SBS，環氧樹脂等仍然存在一些問題的主流改性劑繼續進行研究，並解決這些問題。（3）對向不溶性硫磺，添加劑瀝青改性劑等這種研究稀少的瀝青改性劑做重點研究，通過大量實驗和各種分析手段研究其改性機理，分析改性劑對瀝青常規性能和使用性能的影響。
