淺談改性瀝青的加工工藝及配合比設(shè)計(jì)

PAGE7-淺談改性瀝青的加工工藝及配合比設(shè)計(jì)摘要：以目前高速公路建設(shè)現(xiàn)狀及外部自然環(huán)境對(duì)高速公路耐久性的影響，闡述了改性瀝青的發(fā)展過程。文章探討改性瀝青在加工過程中，通過不同物料配比、不同溫度、不同預(yù)混和發(fā)育溫度，按照規(guī)范要求的檢驗(yàn)項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，最終確定出SBS改性瀝青生產(chǎn)配合比。對(duì)比瀝青改性前后各項(xiàng)指標(biāo)的變化，總結(jié)出改性瀝青的優(yōu)越性，并應(yīng)用于不同的路面結(jié)構(gòu)層中，以提高瀝青路面高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性，增強(qiáng)瀝青路面的柔性和彈性，達(dá)到有效抑制和減少路面裂縫、路面車轍、坑槽、擁包等病害的發(fā)生，達(dá)到延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命，降低養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的目的。關(guān)鍵詞：改性瀝青；加工工藝；配合比設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：U414文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A0引言隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，高速公路車流量大，車速快、貨車軸載重的特點(diǎn)日益明顯，尤其是在我國(guó)西北山區(qū)，大部分高速公路在山間穿行，因地域條件限制，山區(qū)間高速公路轉(zhuǎn)彎半徑小，長(zhǎng)陡坡道路多，并且由于高速公路實(shí)行分車道單向行駛，汽車在行駛過程中所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力、制動(dòng)力、側(cè)向力等對(duì)瀝青路面的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。另一方面春冬季節(jié)晝夜氣溫變化快，夏秋降雨量高，隨之造成路面產(chǎn)生早期強(qiáng)度破壞隱患大、路面抗滑性能差。針對(duì)以上問題，高速公路在建設(shè)過程中，急需解決瀝青路面在高溫條件下抗車轍能力，低溫條件下抗開裂能力的問題，增加瀝青路面的柔性和彈性，延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命，改善輪胎與路面之間的附著性能，減少交通事故。1改性瀝青的發(fā)展為了解決我國(guó)高速公路路面存在的以上問題，自上世紀(jì)90年代初直今，各高等院校、科研機(jī)構(gòu)以及大型企業(yè)通過大量的科學(xué)試驗(yàn)研究，在基質(zhì)瀝青中添加外加劑作為一種能夠有效提升瀝青品質(zhì)的途徑，成功應(yīng)用于高性能瀝青混凝土（Superpave）、瀝青瑪蹄脂（SMA）等級(jí)配的瀝青路面施工過程中，產(chǎn)生了高溫季節(jié)瀝青路面不易形成車轍、擁包等路面病害，低溫條件下有效預(yù)防或減輕瀝青面層開裂的能力，尤其是在冬春交際季節(jié)，其良好的粘結(jié)性及溫度敏感性能夠防止路面產(chǎn)生坑槽、松散等前期病害，增加路面摩擦系數(shù)，有效提高汽車車輪與路面之間的附著力，避免了交通事故的發(fā)生。2改性瀝青的配合比設(shè)計(jì)根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)地氣候條件、交通荷載、路面病害、道路石油瀝青品牌等，通過對(duì)道路石油瀝青、改性劑、外摻劑等各種材料相容性、適應(yīng)性完成的配伍性試驗(yàn)，確定改性瀝青各組分材料，并進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。2.1原材料及各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)（1）基質(zhì)瀝青：90#道路石油瀝青，各項(xiàng)指標(biāo)見表1所列。（2）改性劑：苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物T6302H線性改性劑，各項(xiàng)外委檢測(cè)指標(biāo)見表2所列。（3）穩(wěn)定劑：WD-5型。（4）橡膠油：熱拌用瀝青再生劑（RA5）。2.2改性劑摻量設(shè)計(jì)SBS改性劑作為一種熱塑彈性體，其特點(diǎn)是高溫和低溫性能都很好，且兼具橡膠和塑料的特性，由于現(xiàn)行規(guī)范對(duì)改性瀝青質(zhì)量控制指標(biāo)寬泛，改性劑摻量沒有明確要求，當(dāng)SBS改性劑添加量較低時(shí)，瀝青中的芳香芬可將SBS完全溶解，對(duì)瀝青改性作用不大，但隨著改性劑摻量逐漸增加，當(dāng)瀝青與改性劑之間從相的分散到形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成相的連續(xù)體系，就能夠滿足路用要求，如果持續(xù)加入后對(duì)改性瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)提升不大，但成本持續(xù)增加，綜合考慮成本等各方面因素，本研究在90#道路石油瀝青中分別加入3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%5個(gè)不同SBS改性劑的摻量，對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，其配方見表3所列。2.3試驗(yàn)過程及檢驗(yàn)結(jié)果傳統(tǒng)意義上的改性瀝青加工是采用現(xiàn)場(chǎng)改性的改性瀝青加工模式，但是近幾年，隨著各地對(duì)改性瀝青的加工設(shè)備、加工工藝、加工效率以及環(huán)境保護(hù)工作有了更高的要求，工廠化集中生產(chǎn)以其先進(jìn)的設(shè)備及智能化工藝逐步取代現(xiàn)場(chǎng)改性，成為后期改性瀝青加工的風(fēng)向標(biāo)。工廠化改性瀝青加工的流程是以高分子聚合物SBS改性劑和90#基質(zhì)瀝青基質(zhì)瀝青作為分散相，首先將90#基質(zhì)瀝青基質(zhì)瀝青快速加熱至120℃～130℃，泵送至生產(chǎn)區(qū)，經(jīng)熱轉(zhuǎn)換器加熱至170℃～180℃進(jìn)入高溫罐，然后打開預(yù)混罐閥門，通過瀝青流量計(jì)控制預(yù)混罐內(nèi)基質(zhì)瀝青數(shù)量，開啟攪拌裝置后，向預(yù)混罐緩慢加入一定數(shù)量的SBS改性劑，攪拌3～5min進(jìn)行混合均勻，然后將物料導(dǎo)入膠體磨進(jìn)行高速剪切、研磨，其目的是通過物理方法將改性劑打碎成小塊后進(jìn)入發(fā)育罐使其充分發(fā)育，發(fā)育罐溫度為165℃～175℃，發(fā)育時(shí)間為5～6h，在對(duì)流作用下，瀝青中的軟組分繼續(xù)向改性劑細(xì)小微粒間擴(kuò)散（在基質(zhì)瀝青和改性劑相容性不好的情況下，需添加不大于2%的相淀溶劑），改性劑小塊被均勻地分散到瀝青基質(zhì)瀝青中，改性劑被逐漸溶脹，待溶脹充分后達(dá)到共融狀態(tài)。將樣品導(dǎo)入發(fā)育機(jī)并將發(fā)育機(jī)攪動(dòng)葉片轉(zhuǎn)速調(diào)至500r/min進(jìn)行均勻攪拌，每隔0.5h加入一定量穩(wěn)定劑這兩種物質(zhì)達(dá)到暫時(shí)性的穩(wěn)定混合，加入穩(wěn)定劑，使改性劑與基質(zhì)瀝青之間發(fā)生交聯(lián)、接枝等化學(xué)反應(yīng)，直至穩(wěn)定劑全部加完，再攪拌發(fā)育5h，形成了改性瀝青網(wǎng)絡(luò)化的整體結(jié)構(gòu)。根據(jù)SBS不同摻量進(jìn)行相同試驗(yàn)，分析加入不同摻量SBS改性劑后，改性瀝青的技術(shù)性能指標(biāo)的變化情況，結(jié)果見表4所列。2.4確定最佳配合比2.4.1SBS摻量對(duì)改性瀝青溫度敏感性的影響針入度試驗(yàn)用于測(cè)試瀝青在特定條件下的溫度敏感性，是瀝青在固態(tài)時(shí)分子作用力之間的宏觀體現(xiàn)，能夠反映出瀝青的感溫性能即抗車轍能力，抗低溫開裂能力、耐久性。道路石油瀝青加入改性劑后，從圖1可以看出針入度明顯降低，當(dāng)摻量達(dá)到3%～5%時(shí)，改性瀝青25℃針入度滿足60～80mm的技術(shù)規(guī)范要求。2.4.2SBS摻量對(duì)改性瀝高溫穩(wěn)定性能的影響軟化點(diǎn)試驗(yàn)測(cè)用于評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能，表征的是一個(gè)等粘溫度，是衡量瀝青在條件硬化點(diǎn)和滴落點(diǎn)之間的粘滯流動(dòng)狀態(tài)的性能，從圖2可以看出，道路石油瀝青加入改性劑后，改性瀝青軟化點(diǎn)逐漸升高，在改性劑摻量達(dá)到4%時(shí)，改性瀝青軟化點(diǎn)已滿足不小于75℃的技術(shù)要求。2.4.3SBS摻量對(duì)改性瀝青低溫柔韌性的影響改性瀝青低溫柔韌性通過延度指標(biāo)進(jìn)行控制，延度的大小，直接影響瀝青的低溫變形能力，由表4可以看出，道路石油瀝青加入改性劑后，延度出現(xiàn)明顯的上升，但當(dāng)改性劑加入量達(dá)到3.5%時(shí)，延度出現(xiàn)緩慢下降的情況，這說(shuō)明并不是改性劑添加量越多對(duì)瀝青延度改變?cè)酱?，而是改性瀝青低溫延度隨著改性劑劑量的增大存在著一定的范圍。微觀顯示為改性劑劑量的持續(xù)增大，使改性劑在瀝青中由分散相變?yōu)檫B續(xù)相，分子之間變得更加的致密，導(dǎo)致分子之間的運(yùn)動(dòng)變得困難，最終使改性瀝青的低溫延度變小。試驗(yàn)表明，當(dāng)SBS摻量達(dá)到3.5%～4.5%，改性瀝青5℃延度不小于35cm的技術(shù)規(guī)范要求。2.4.4SBS摻量對(duì)改性瀝青彈性性能的影響彈性恢復(fù)試驗(yàn)主要測(cè)試瀝青受到外力后恢復(fù)原樣的能力，瀝青作為一種黏彈性材料，其變形表現(xiàn)為彈性、延遲彈性和黏性變形，前兩者在外力卸去后會(huì)馬上恢復(fù)或逐漸完全恢復(fù)，而后者因不能恢復(fù)而成為永久變形。改性劑的添加會(huì)提高瀝青的彈性和延遲彈性變形，降低黏性變形。當(dāng)受到荷載作用后恢復(fù)變形的能力越好，表現(xiàn)為很好的耐久性。從圖4可以看出，SBS摻量與改性瀝青彈性恢復(fù)的關(guān)系，當(dāng)SBS摻量達(dá)到3.5%，改性瀝青25℃瀝青彈性恢復(fù)滿足不小于85%的技術(shù)要求。2.4.5SBS摻量對(duì)改性瀝青黏性的影響通過SBS摻量與改性瀝青135℃運(yùn)動(dòng)黏度的關(guān)系如圖5所示，當(dāng)SBS摻量達(dá)到3.5%，改性瀝青135℃運(yùn)動(dòng)黏度滿足1.8～1.3Pa·s的技術(shù)要求。SBS改性劑摻加數(shù)量對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的影響綜上所屬，SBS改性瀝青按照3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%的配比要求，將SBS改性劑摻入90#基質(zhì)瀝青、SBS改性劑、橡膠油和穩(wěn)定劑按照不同物料配比、不同溫度、不同預(yù)混和發(fā)育溫度進(jìn)行室內(nèi)改性樣品制備，按照規(guī)范要求的檢驗(yàn)項(xiàng)目分析，最終確定的SBS改性瀝青配方見表5所列。3改性瀝青試生產(chǎn)在配比試驗(yàn)完成后，嚴(yán)格按照配方設(shè)計(jì)確定的配方和工藝條件進(jìn)行試生產(chǎn)，試生產(chǎn)量為50t，試生產(chǎn)過程使用配有自動(dòng)采集數(shù)據(jù)功能的改性瀝青生產(chǎn)設(shè)備，研磨裝置采用膠體磨，產(chǎn)能為40t/h，以保證改性劑與瀝青形成混溶的穩(wěn)定體系，達(dá)到均勻共混的目的；SBS改性劑添加裝置中增加電子動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，以控制SBS改性劑摻量。在成品罐、發(fā)育罐安裝電子傳感裝備，保證了改性瀝青發(fā)育、儲(chǔ)存所需工作溫度。采用信息化手段，對(duì)改性瀝青物料配比、加工溫度、發(fā)育溫度、發(fā)育時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程終端連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。試生產(chǎn)完成后，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)室對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，與原道路石油瀝青相比較，改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)等各項(xiàng)指標(biāo)都有明顯提高，并且能夠滿足甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求（如圖5所示），可以指導(dǎo)后期改性瀝青批量生產(chǎn)。4結(jié)束語(yǔ)本研究的改性瀝青，主要用于瀝青路面superpave-20中面層和瀝青馬蹄脂（SMA-13）上面層的施工，通過將基質(zhì)瀝青改性后，改善瀝青的溫度敏感性，提高高溫的穩(wěn)定性、低溫彈性恢復(fù)能力和柔韌性，增加與集料的黏附性、增大了路面構(gòu)造速度及抗滑系數(shù)。改性瀝青以其優(yōu)越性能，減少路面病害，延長(zhǎng)路面壽命，節(jié)約養(yǎng)護(hù)成本，降低交通事故率，將是今后公路建設(shè)的重要方向之一。參考文獻(xiàn)：[1]李繼業(yè)，劉延忠，高勇.道路工程實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2022.[2]胡松山，覃潤(rùn)浦，魏密，等.基于全套檢測(cè)指標(biāo)的改性SBS摻量分析[J].公路，2022，63（2）：196-202.[3]郭云楓，劉洋，陳兵.SBS改性瀝青現(xiàn)場(chǎng)路用性能研究[J].城市道路，2022，6（6）：24-28.[4]鄧國(guó)