改性沥青制作中几个工艺问题的探讨

引言
　　道路修建材料的质量对于保证路面的修建质量和使用寿命是非常重要的，这是保证公路正常运作和使用寿命的重要保证。而能够达到国家规定的重交通道路沥青质量技术要求的材料目前已较为成熟和规模推广的主要是改性沥青，其中以SBS改性沥青为主。改性沥青主要用于公路的建设和养护，能够显著地提高路面承载能力和延长路面使用寿命。一般认为采用改性沥青可使路面寿命延长1/3～1/2。虽然采用改性沥青后，沥青混凝土的生产成本有所增加，但与延长路面寿命、节约或推迟巨额养护投资投入相比却微不足道，其经济效益非常巨大。因此改性沥青的生产和推广应用具有突出的经济及社会效益，自20世纪80年代以来，已在国内外高等级公路，尤其是高速公路施工中得到了广泛的应用。
　　国内外几十年的使用经验和工程实践表明，改性沥青在高等级公路中应用的主要特点有：
　　a）使路面具有良好的耐高温、抗低温能力。
　　b）提高路面的弹性、韧性和抗疲劳能力。特别是在大流量、重载严重的公路上具有良好的应变能力，可减少路面的永久变形及大大提高了抗车辙能力。
　　c）可减少因车辆轻油渗漏而造成的对路面的腐蚀作用。
　　d）路面的承载和抗滑能力得到了显著提高等。
　　自20世纪90年代以来，我国沥青路面施工工程应用改性沥青从无到有，由少到多，由局部到基本普及。由于改性沥青的应用，使沥青路面的热稳定性、冷稳定性和使用寿命都得到了较大的提高，尤其是道路病害的出现频率显著下降，日常养护工程量及工程成本大大下降。改性沥青在道路建养中的这些优越性，对于提高沥青的各项常规物化指标及服务质量具有重要的决定性的意义，已为国际公路交通学术界所公认。事实证明，改性沥青的出现和规模应用是20世纪公路学术界的主要技术进步之一。
　　改性沥青的制作质量直接关系到其路用性能，而制作质量的优劣除配方的合理性外，主要取决于制作工艺的合理性。众所周知，改性沥青的制作是一个比较复杂的工艺过程，不仅涉及机械设备的加工及配合精度，而且在制作过程中要求对加工温度、供料流量及系统压力、改性剂掺配比例、作业流程设置等物化反应及物理量进行合理设置和即时监控。
　　改性沥青自20世纪中叶在北欧国家瑞典出现发展到今天，已在全世界范围得到了广泛的应用，但其制作工艺不外下列几种：a）物理溶解法；b) 单纯掺配搅拌法；c) 机械剪切法。
　　由于物理溶解法和单纯掺配搅拌法制作过程较慢，而物理溶解法的制作工艺还拌有一定的易燃易爆危险性并因废气排放对周边环境一定的影响，故其应用范围受到了局限。目前应用最广泛的是机械剪切法。笔者自20世纪90年代中以来即投入改性沥青的制作工艺及专用机械设备的设计及作业工艺的研究，特别是参加了我国第一台以一次剪切完成制作为主要技术特征的40 t/h改性沥青成套设备的研发和推广应用。实践证明除了机械设备设计的合理性，改性沥青的制作质量主要取决于制作过程的工艺掌握。公路工程用改性沥青主要是以SBS为改性剂（其它如PE、EVA、SBR等改性剂使用较少）的改性沥青。其生产问题实际就是基质沥青与SBS改性剂的相容性问题，如果两者的相容性不好，则沥青与SBS难以相容并易于发生离析，使改性沥青成品的技术指标受到很大的影响。在改性沥青的制作过程中，尤其应注意以下几点工艺的掌握和控制。
　　 1 物化结构的影响
　　以SBS为代表的改性剂与沥青的相容性是由两者的化学结构及物理特征决定的，在SBS改性沥青的生产过程中，由于SBS在分子类型、分子量分布、结构、粘度等方面与基质沥青有明显的差异，将对改性沥青的使用产生影响。
　　具体地说线型的SBS相容性要比星型的相对要好。因为线型的SBS其分子量相对较小，所以对沥青的相容性要好，容易形成稳定的体系。如果改性剂SBS被分散地越细且溶胀程度越大，则表面吸附的沥青分子数越多，则质量越好。SBS改性剂与基质沥青的配伍性说明：同样条件下，沥青质含量少、芳香分含量高的沥青其相容要好。因此，同一种沥青，其90号应比70号有更好的相容性。SBS是丁二烯和苯乙烯的嵌段共聚物，其中丁二烯为软段弹性体，苯乙烯为硬段。软段作为连续相，使SBS呈弹性状态，硬段分布于丁二烯之间作为分散相起固定和补强作用。
　　SBS用于沥青改性时，苯乙烯区域被沥青中芳香分溶胀。丁二烯的链段被溶胀伸长作为弹性键，发生相转移变化。SBS在沥青中混溶时变成小颗粒后，表面能量增大，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，这种溶胀和吸附的形成，使得SBS稳定地分布在沥青中。
　　根据能量最低原理，SBS体系有自动降低表面能的趋势，一是通过缩小表面积而降低表面的自由能，二是吸附某些结构相似的物质来降低表面能。
　　相容性差的体系，SBS呈大粒子或絮状，缩小表面积以降低表面能。
　　SBS经高速剪切后与沥青形成连续网状结构，沥青与SBS形成微观混合相容状态。SBS链因吸收沥青中的烃类组分发生溶胀，因此，SBS变成伸长溶胀的网状连续相，沥青则成为分立的球状体。不同溶胀时间下，SBS改性沥青的针入度、PI指数、软化点等指标均呈现较大的差异。
SBS沥青改性总的来说是一个物理共混的过程。沥青中加入SBS后，受沥青中轻质组分的作用而溶胀。也就是沥青中的溶剂分子渗透到SBS内部，使SBS体积膨胀。完全溶胀后的SBS其体积可增加到原来的8倍左右。
　　2 制作温度的影响
　　SBS在不同品质的沥青中溶胀程度是不同的，而且同一改性剂在相同沥青中，不同的温度下的溶胀程度也是不同的。
　　温度升高，溶胀程度加快和增大；低温条件下，SBS被溶胀的程度也低且速度慢。这是因为相容性主要是由沥青的组分决定的，芳香分多时，则相容性要好。沥青质越多，相容性越差。沥青的针入度减少，相容性便降低，这说明饱和分对SBS改性沥青的改性效果起较大作用。SBS的熔点在180 ℃左右，基质沥青的温度越高，SBS越易被熔化，并能加快SBS的溶解速度。但沥青的温度越高，沥青自身也容易老化。所以，掌握沥青的加热温度也是个关键问题。不同温度下的SBS改性沥青其针入度、软化点及5 ℃延度差异较大。一般讲，由于石油青和SBS改性剂均为典型的高分子物质，它们对于温度均呈非常敏感的特性，为了保证它们在制作过程中不致降低常规指标，其加热温度要严格掌握。工程实践证明，SSB沥青改性的加热温度应掌握在175～185 ℃为宜。
　　3 沥青与改性剂的比重差异需要以专用机械强制搅拌方式改善二者的相容性
　　石油沥青的比重大致为0.97左右，而SBS改性剂的比重为0.4左右。二者比重的差异也使之难以相容在一起。所以必须以专用机械强制搅拌方式改善二者的相容性。图1是一种典型的SBS改性沥青成套设备作业工艺流程图，它包括了改性沥青制作工艺的整个过程。

　　可以看到整个工艺流程中，搅拌作业伴随着整个工艺流程，这对于提高沥青的相容性是十分重要的。为了提高沥青与改性剂更好更快地结合，有必要对传统的搅拌结构进行必要的改进设计。
　　作为一种高黏度液体，沥青在搅拌罐内通常都处于层流状态。高黏度液体在层流下难以形成明显的流动，而流体离开搅拌叶后其能量很快释散。因此需采用大面积的搅拌桨才能推动流体使之达到与SBS改性剂混合的目的。
　　基质沥青的黏度较大，它与SBS改性剂混合搅拌属高黏度液体的低速搅拌。为增大搅拌范围，充分推动流体移动，搅拌桨下端应为浆式斜叶，其上为框式锥形叶，旋转半径和端线速度应以搅拌罐的几何外形及有效容积来具体设计。通常容积为10 t的搅拌罐拌桨的端线速度为0.5～0.6 m/s为宜。另外，为消除罐体内液体的打旋现象，使罐内物质能上下轴向流动形成均匀混合，需在罐壁加设挡板。不加挡板时，罐内中部液体在离心力作用下涌向罐壁并上升，中心部分液面下降形成旋涡，旋涡中心可下降到与拌叶接触位置，降低混合效率，而且中部空谷占用相当容积。罐壁设挡板后，中空旋涡清除，搅拌平稳均匀。液体在搅拌作用下形成湍流，效果十分明显。为了达到较好的搅拌效果，进行这样的设计是十分必要的。
　　4 结语
　　沥青改性制作过程中的工艺合理性及其严格控制是十分重要的，尤其是沥青与改性剂的相容性是影响沥青改性制作质量的关键因素。在生产实践中一定要做好改性剂与沥青的配伍研究，不能简单地认为符合质量标准的重交通沥青都能用某一改性剂达到很好的改性效果。要精心选择基质沥青的品种，并对改性剂聚合物的分子量、分子结构、分散状态加以选择，使它们能形成较好的配伍。同时，要特别注意在较为理想的温度下作业。另外，沥青改性制备设备结构设计的合理性也是十分重要的。如由于沥青是一种比较典型的高分子物质，对温度的敏感性很强，其黏度和流动性受瞬时温度高低的左右。为了消除其对制作质量的影响，应设计成品（或养生）罐与磨前融涨罐的回流管路及其阀闸系统，以便在发现制作质量问题时能够尽快回流重新制作以达到要求的指标。