直投式改性瀝青研究進(jìn)展綜述

肖 鳳，肖春發(fā)，鄧星鶴

(1.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420；2.公路交通安全與應(yīng)急保障技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，廣州 510420；3.湖南省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410011)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，逐年增加的交通荷載以及全球變暖引起的極端氣候，目前道路鋪裝普遍采用SBS改性瀝青，它是一種在基質(zhì)瀝青中摻入一定量熱塑性丁苯橡膠(SBS)以及助劑等制成的具有較高性能的瀝青[1-3]。目前主要采用兩種方式生產(chǎn)SBS改性瀝青，一是通過瀝青工廠生產(chǎn)SBS改性瀝青，再運(yùn)送到施工工地現(xiàn)場(chǎng)使用。質(zhì)量穩(wěn)定是該方式的優(yōu)勢(shì)，但是減少SBS改性劑用量、摻入其他價(jià)格低廉和性能較差的改性劑以及采用劣質(zhì)基質(zhì)瀝青等情況，亦會(huì)影響改性瀝青的質(zhì)量，同時(shí)易受到運(yùn)輸時(shí)間和施工現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)存穩(wěn)定性等因素限制。二是采用移動(dòng)式生產(chǎn)設(shè)備，在施工工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)。該種方式不用擔(dān)心儲(chǔ)存穩(wěn)定性問題，生產(chǎn)過程可控，但是所需生產(chǎn)設(shè)備較多，投資較大，供應(yīng)量小，性價(jià)比不高[4-5]。

針對(duì)上述問題，開展可直接投入拌合鍋的直投式改性劑制備改性瀝青的技術(shù)研究,對(duì)公路行業(yè)未來的發(fā)展具有重要意義。因此，本文主要圍繞直投式改性瀝青展開綜述和分析。

1 直投式改性瀝青

1.1 簡(jiǎn)介

直投式改性瀝青，即將直投式改性劑顆粒直接投入到拌合鍋中與基質(zhì)瀝青、集料以及礦粉等一起經(jīng)過數(shù)十秒高溫拌和后，拌和出性能優(yōu)異的直投式改性瀝青混合料。其中直投式改性劑顆粒與傳統(tǒng)的改性劑不一樣，其利用不同種類的高分子聚合物、無(wú)機(jī)納米材料、低熔點(diǎn)有機(jī)添加劑等材料各自的優(yōu)點(diǎn)，通過直投式改性技術(shù)生產(chǎn)出改性瀝青混合料。該方式可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度生產(chǎn)改性瀝青混合料，減少了傳統(tǒng)生產(chǎn)改性瀝青耗時(shí)較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，省去了儲(chǔ)存和長(zhǎng)途運(yùn)輸改性瀝青的環(huán)節(jié)。此外，還避免了改性瀝青在高溫高速剪切生產(chǎn)過程中以及長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸、儲(chǔ)存等環(huán)境下產(chǎn)生的瀝青老化、離析等現(xiàn)象。

1.2 作用機(jī)理

直投式改性劑投入拌合鍋后，主要有兩個(gè)過程，第一個(gè)過程是與集料進(jìn)行拌和，裹附在集料表面，第二個(gè)過程是通過加入基質(zhì)瀝青與集料等進(jìn)行拌和，制備出改性瀝青。與集料進(jìn)行干拌的過程中，直投式瀝青改性劑利用集料的高溫先熔化，再經(jīng)過集料的擠壓、剪切作用，直投式改性劑顆粒裹附于集料表面，并逐漸變薄，開始出現(xiàn)具有一定流動(dòng)性的熔融狀態(tài)。當(dāng)加入基質(zhì)瀝青后，瀝青將裹附于集料表面熔融狀態(tài)的改性劑包裹，利用直投式改性劑顆粒中具有促進(jìn)直投式改性劑顆粒與瀝青互溶的相容劑等物質(zhì)，更好地促進(jìn)了基質(zhì)瀝青中的芳香分、飽和分等組分與熔融狀態(tài)下的直投式改性劑相容，這一過程稱為瀝青改性過程。同時(shí)，在基質(zhì)瀝青與直投式改性劑相容的過程中，集料攪拌、擠壓等外力作用更好地加快了熔融狀態(tài)的改性劑與基質(zhì)瀝青互溶，形成均勻的改性瀝青并裹附在集料表面，最終在較短時(shí)間內(nèi)形成性能優(yōu)異的直投式改性瀝青混合料[4,7]。

1.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的生產(chǎn)改性瀝青方式相比，直投式改性瀝青技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)傳統(tǒng)的生產(chǎn)改性瀝青過程中，會(huì)加入硫磺等無(wú)機(jī)類穩(wěn)定劑，其在160℃～180℃高溫下會(huì)揮發(fā)出含硫、氮氧化物，不僅影響現(xiàn)場(chǎng)車間人員身體健康，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定污染[8-9]。另外改性瀝青在加工、儲(chǔ)存以及運(yùn)輸過程中需要加熱和保溫，帶來一定的能源消耗。采用直投式改性瀝青技術(shù)，減少了瀝青生產(chǎn)廠家石化資源的使用，降低了瀝青生產(chǎn)設(shè)備投資、運(yùn)輸以及能耗等成本，解決了傳統(tǒng)改性瀝青生產(chǎn)過程中存在的生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)、容易老化、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸以及質(zhì)量不穩(wěn)定等一系列問題。不僅節(jié)約了成本，同時(shí)積極響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策，有效改善了整個(gè)瀝青生產(chǎn)過程中帶來的環(huán)境污染問題。

(2)該技術(shù)不僅滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，還可有效改善瀝青路面在高溫多雨、強(qiáng)紫外線地區(qū)的高溫性能，有效延長(zhǎng)了瀝青路面的使用壽命[10]。

(3)該技術(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度靈活調(diào)整生產(chǎn)進(jìn)度，不僅節(jié)省了拌合站儲(chǔ)存改性瀝青的成本，還避免了儲(chǔ)存過久導(dǎo)致的離析、質(zhì)量不穩(wěn)定等現(xiàn)象。另外，該技術(shù)可針對(duì)瀝青路面的交通量、氣候條件、施工環(huán)境等進(jìn)行材料組成或比例的調(diào)整，以滿足不同路面的性能要求[6,10]。

2 國(guó)內(nèi)外直投式改性瀝青研究的進(jìn)展

2.1 國(guó)外研究進(jìn)展

直投式改性瀝青技術(shù)的發(fā)展要追溯到20世紀(jì)90年代的歐洲，法國(guó)是最早研究直投式改性瀝青技術(shù)的國(guó)家，1992年，法國(guó)制定了直投式高模量瀝青混合料生產(chǎn)與施工規(guī)范[11]。英國(guó)在21世紀(jì)初開始研究并使用直投式改性瀝青技術(shù)。21世紀(jì)初，芬蘭、意大利、美國(guó)、葡萄牙等均開始研究并使用該技術(shù)[12-13]。其中，芬蘭通過對(duì)比分析，直投式高模量瀝青混合料在高溫環(huán)境下的抗老化和抗車轍性能優(yōu)于其他常用的改性瀝青混合料；意大利通過觀測(cè)直投式高模量瀝青混合料路用性能與荷載之間的關(guān)系，提出了道路基層采用直投式高模量瀝青混合料的思路；葡萄牙結(jié)合國(guó)內(nèi)氣候條件，修建了多條直投式高模量瀝青混凝土試驗(yàn)路，經(jīng)過長(zhǎng)期觀測(cè)，具有良好的高溫性能；美國(guó)由于道路運(yùn)輸荷載較大，路面車轍較為嚴(yán)重，采用直投式高模量瀝青混合料作為中下面層，提出長(zhǎng)壽命路面設(shè)計(jì)方案[14]。

目前，法國(guó)的PR-Module、德國(guó)的Duroflex以及日本的TPS是國(guó)外使用較多的直投式改性劑。其中，PR-Module的技術(shù)指標(biāo)見表1，該顆粒直接投入拌合鍋中可增大瀝青粘度，加強(qiáng)瀝青與集料的粘結(jié)力，使瀝青混合料之間形成更牢固、豐富的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

表1 直投式改性劑技術(shù)指標(biāo)

孫鳳[15]通過室內(nèi)試驗(yàn)提出了PR-Module瀝青混合料的設(shè)計(jì)參數(shù)，利用疲勞方程和疲勞曲線研究了PR-Module瀝青混合料疲勞壽命。王超[16]制備了PR-Module瀝青混合料，對(duì)其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及疲勞性能等進(jìn)行了研究，并通過試驗(yàn)路的鋪筑和觀測(cè)，分析了經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。另外，PR-Module瀝青混合料的路用性能隨改性劑摻量的增大逐漸提高，當(dāng)達(dá)到一定摻量時(shí)，性能最優(yōu)；若超過最佳摻量，PR-Module顆粒在瀝青混合料中會(huì)出現(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致混合料骨架出現(xiàn)部分松散等[17]。Duroflex的技術(shù)指標(biāo)見表1，當(dāng)加入拌合鍋中，Duroflex顆粒與瀝青膠結(jié)料接觸，利用攪拌產(chǎn)生的剪切、擠壓等作用促使Duroflex顆粒逐漸融化，變成細(xì)小顆粒，并伴隨著持續(xù)穩(wěn)定的分散過程，直到瀝青完全裹附在集料表面，形成均勻的瀝青混合料。同時(shí)，礦料顆粒與瀝青膠結(jié)料之間會(huì)產(chǎn)生橋聯(lián)作用，可顯著提升瀝青混合料的路用性能[18]。另外，Duroflex顆粒中含有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)纖維素，可提高瀝青混合料的穩(wěn)定性，減少裂縫等出現(xiàn)[17]。趙玥等[19]對(duì)Duroflex瀝青混合料進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)和路用性能評(píng)價(jià)，并對(duì)其改性機(jī)理進(jìn)行了分析。劉子輝等[20]對(duì)添加Duroflex顆粒的改性瀝青及其混合料的路用性能進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。

2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

我國(guó)2003年從歐洲引進(jìn)了直投式改性瀝青技術(shù)，隨后國(guó)內(nèi)眾多研究機(jī)構(gòu)、高校等針對(duì)該技術(shù)開展研究。汪紅兵[21]利用分子內(nèi)潤(rùn)滑原理，研發(fā)了一種直投式SBS改性劑的制備方法。崔紅兵[6]介紹了國(guó)內(nèi)外直投式改性瀝青的作用機(jī)理和技術(shù)特點(diǎn)，并以阿拉善地區(qū)為案例，分析了直投式改性瀝青技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。馮海燕[10]進(jìn)一步通過對(duì)比直投式改性瀝青混合料和傳統(tǒng)改性瀝青混合料的生產(chǎn)工藝，分析得出直投式SBS改性瀝青技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量穩(wěn)定以及良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益等優(yōu)點(diǎn)。王正同等[22]從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求出發(fā)，對(duì)比分析了直投式SBS改性瀝青與傳統(tǒng)改性瀝青的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。王淑華等[23]對(duì)不同摻量的直投式SBS改性瀝青及其瀝青混合料進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。陳子敬等[24]以青海地區(qū)為例，對(duì)直投式改性瀝青的原材料質(zhì)量選擇、配合比設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)工藝進(jìn)行了分析。Sen Han等[25]通過研究發(fā)現(xiàn)改性劑的類型和摻量影響著改性瀝青的性能。另外，一些其他類型的直投式改性瀝青也接連不斷，如劉寧等[26]對(duì)自制的MRPE直投式改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。劉霞[27-28]對(duì)自制的直投式HVK-Ⅱ型高黏添加劑進(jìn)行了拌和工藝研究。

另外，遼寧省交通科學(xué)研究院開發(fā)了“路寶”牌直投式高模量改性劑，其主要成分是聚烯烴類的熱塑性樹脂材料，技術(shù)指標(biāo)見表2。當(dāng)將其加入到拌合鍋中，一部分融化分散在瀝青膠結(jié)料中，增大瀝青的黏度，提高瀝青高溫性能；另一部分改性劑裹附在集料表面，起到加筋和膠結(jié)的作用，增大瀝青與集料的粘結(jié)力，提高瀝青混合料的抗車轍和抗老化性能等。張朝旭[29]通過對(duì)比分析，認(rèn)為“路寶”牌直投式瀝青混合料在高溫穩(wěn)定性、抗車轍性能以及抗疲勞性能等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，且采用綠色環(huán)保的回收聚乙烯，具有良好的應(yīng)用前景。趙冬明[30]從原材料、生產(chǎn)工藝以及技術(shù)指標(biāo)等方面介紹了“路寶”牌直投式高模量改性劑，并對(duì)其進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析。吳耀東[33]通過動(dòng)態(tài)模量和車轍試驗(yàn)，對(duì)比分析了添加“路寶”牌直投式高模量改性劑的瀝青混合料和常規(guī)改性瀝青混合料的性能。

上海浦東路橋?yàn)r青材料有限公司研發(fā)了RST直投式高黏度瀝青改性劑[32]，技術(shù)指標(biāo)見表2。該直投式改性劑采用彈性復(fù)合技術(shù)，先將橡膠材料與增溶劑、助劑等共混，利用分子間力、鏈段接枝和交換等作用，形成以橡膠為連續(xù)相的穩(wěn)定網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。研究表明，生產(chǎn)1t RST瀝青混合料比生產(chǎn)1t傳統(tǒng)瀝青混合料節(jié)能率低一半左右，經(jīng)濟(jì)效益顯著[7]。深圳市海川工程科技有限公司研發(fā)了SINOTPS高黏瀝青改性劑，技術(shù)指標(biāo)見表2。該直投式改性劑最大的特點(diǎn)是既可以采用直投式也可以采用傳統(tǒng)制備改性瀝青的方式。研究表明，SINOTPS高黏瀝青改性劑具有優(yōu)良的高低溫性能以及抗裂性能，對(duì)發(fā)展排水降噪路面具有很好的應(yīng)用價(jià)值[33-34]。

表2 直投式改性劑屬性參數(shù)

3 直投式改性瀝青技術(shù)存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

直投式改性瀝青技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)改性瀝青工藝中生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備要求高、能耗高、運(yùn)輸和存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)以及易產(chǎn)生離析等技術(shù)難題,同時(shí)還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況調(diào)整生產(chǎn)進(jìn)度，省去了瀝青存儲(chǔ)的環(huán)節(jié)，降低了瀝青混合料生產(chǎn)的綜合成本，是改性瀝青技術(shù)的一次創(chuàng)新突破。

直投式改性瀝青技術(shù)也面臨一些問題。國(guó)外直投式改性瀝青起步早，主要圍繞直投式高模量瀝青混合料展開，但價(jià)格較貴，性價(jià)比不高。國(guó)內(nèi)針對(duì)直投式改性瀝青技術(shù)的研究雖較多，但大多仍局限于實(shí)驗(yàn)室，未產(chǎn)業(yè)化或僅小范圍地區(qū)使用，缺少結(jié)合不同地區(qū)氣候特點(diǎn)研發(fā)與其匹配的產(chǎn)品。同時(shí)，對(duì)生產(chǎn)過程中存在的一些技術(shù)難題，如直投式改性劑與集料干拌過程中的作用機(jī)理、與集料干拌后的裹附效果對(duì)瀝青混合料性能的影響以及直投式改性劑在基質(zhì)瀝青中的擴(kuò)散機(jī)理等，還未形成完整的理論體系，缺乏成熟的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

直投式改性瀝青技術(shù)應(yīng)圍繞高性能、經(jīng)濟(jì)型、節(jié)能環(huán)保為方向展開深入研究，建議結(jié)合直投式改性劑材料的物化特性和不同地區(qū)氣候特點(diǎn)，采用新材料、新工藝，針對(duì)性地研發(fā)適用于不同地區(qū)的直投式改性劑及成套生產(chǎn)技術(shù)。