浅谈SBS改性沥青质量控制

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摘要：随着我国经济快速发展,公路建设也得到了迅猛的发展,现代交通发展的趋势是交通量不断增加,车辆大型化、行驶渠道化,超载运输情况越来越严重。提高路面的良好性能和耐久性是非常必要的,改进沥青路面的使用性能,防止沥青路面的早期损害,提高沥青路面的高低温性能和耐久性,需要从路面原材料和施工工艺进行改进,而提高沥青性能采用改性沥青是有效的措施之一,本文从sbs改性沥青原材料和生产工艺入手,阐述改性沥青的质量控制因素。

关键词:SBS改性沥青改性机理;相溶性机理;质量控制因素

一、使用SBS改性沥青原因

1.荷载因素。

随着交通量增加和轴载增大,为了减少疲劳损坏,应当使用粘结力和粘弹性较大的沥青,在沥青的指标中,针入度和不同温度条件下的延度反映了沥青对荷载因素的适应性。

2.温度因素。

沥青路面在设计荷载作用下,在高温时不产生塑性流动(拥包、车辙)、低温时不产生温缩开裂和温度疲劳。

二、改性沥青改性机理和相溶性机理

1.改性机理。聚合物在沥青中主要以微米级粒子存在,极少量分子及分子链以溶解状态分散于沥青中,一部分大分子以相互缠绕、联接的溶胀状态分散与沥青中,因此,聚合物改性沥青将有三种存在状态,这些状态可以相互转化,从而表现出不同的改性效果。影响转化的因素有改性剂结构性质、基质沥青组成、温度、加工工艺等。

2.相溶性机理。改性沥青是由高分子聚合物改性剂作为分散相用物理的方法以一定的粒径均匀地分散到沥青连续相中而构成的体系。聚合物与沥青之间仅仅存在部分地吸附、相容,而并非完全溶融,这种体系属于热力学不稳定体系,极易发生两相之间的分离,造成离析现象。相溶性好是指作为分散相的聚合物能以一定的径粒,均匀分布在沥青相中,改性效果显著。基质沥青与聚合物的混合物是微观的均相体系,沥青或聚合物分别形成连续相,在这种状态下,聚合物吸附沥青中的油分溶胀后形成与沥青截然不同的聚合物连续相,多余的油分分散在聚合物相中,或聚合物吸附沥青中的油分溶胀后分散在沥青的连续相中,沥青的性质得到最大限度的改善,这就是改性沥青的相容体系。相容性差就使得聚合物在沥青中分散不均匀,容易凝聚、离析,成为非均质体。

通过改性沥青改性机理和相溶性机理可以看出,聚合物与沥青是否相容,主要与沥青种类、聚合物分子量与结构、掺加剂量、制备工艺、储存温度、必要的稳定剂等多种因素有关。

三、质量控制因素―――原材料

1.基质沥青的选择

SBS改性沥青是在基质沥青中掺加少量的热塑性橡胶,通过一定的工艺加工而成。改性沥青的性质与基质沥青密切相关。因此,要生产符合规范要求的改性沥青,选择基质沥青必须考虑到以下三方面。

1.1选用合适的机制沥青标号。

改性沥青等级和基质沥青的等级均以25℃时的针入度进行分级,因此根据工程设计中要求的改性沥青等级( I-A、I-B、I-C、I-D)来选择合适的机制沥青标号。一般来说,基质沥青以通常工艺手段采用SBS改性后,其针入度要下降20~25。例如70-A级沥青改性后针入度一般在45~50左右,故只能符合I-D级要求,所以,加工I-D级一般选用70#沥青, I-C级一般选用90#沥青, I-B级一般选用110#沥青。

1.2所选基质沥青应根据公路等级选择适宜的等级。

目前沥青按照不同标号分为A、B、C三个等级,技术指标显示,重交沥青强调了15℃延度及含蜡量的要求, SBS改性沥青的突出优点是低温延伸性能的大幅度提高,因而对基质沥青的低温延度也有较高要求。同时,基质沥青中含蜡量高低跟改性沥青的感温性能有直接关系,蜡含量越高,其感温性能越差即感温性能指标Pi值也越小,另外基质沥青与SBS的相溶性差,改性效果不理想。

1.3充分进行试验,验证基质沥青与改性剂SBS的配伍性、相容性。

沥青是石油的提炼产物,其成分极其复杂,从化学组分来说,可分为沥青质、胶质、芳香分、饱和分,每个组分之间的比例直接影响配伍性。机制沥青通常所说的三大指标并不能完全反映沥青的内在组分性质。在生产实践中必须首先在试验室,采用模拟成套加工设备生产的小型试验设备,采用不同改性剂品种,对基质沥青进行改性取样试验,整理分析各项技术指标,最终选定合适的配伍及工艺。

2.2SBS改性剂

选择SBS改性剂原则:与沥青配伍性、相容性好;易与沥青混合并在混合料摊铺时易于施工;在与沥青混掺,储藏过程中及在路面的使用年限内均能保持其原有的优良性能。

SBS是苯乙烯―丁二烯―苯乙烯嵌段式聚合物,它具有橡胶的弹性,又有树脂的热塑性两种性能,因而具有弹性好、抗拉强度高、低温变形性能好等优点。

SBS的命名用四位数,第一位1表示线形, 4表示星型;第二位表示S与B的比例;第三位表示是否充油, 0表示非充油, 1为充油;第四位表示相对分子量的大小, 1为不大于10万, 2为14~26万, 3为23~28万。根据苯乙烯和丁二烯所含比例的不同和分子结构的差异, SBS分为线型结构和星型结构两种。SBS星型的改性效果最好,但在加工性能方面,线型要比星型加工容易得多。SBS的改性效果除了与其结构相关外,还与其分子量相关。分子量越大,改性效果越明显,但加工稍有难度。总之在选用时,必须在生产加工过程中结合试验、基质沥青、加工工艺综合评定技术指标后,选择合适的SBS改性剂。

3.稳定剂的选用

伴随着高速公路发展,高产量(320 t/h)的大型沥青拌合楼成为主流,对改性沥青生产储存提出了稳定性的要求。结合改性机理和材料特点,由于沥青中含有较多的极性化合物, SBS则属于非极性化合物, SBS的粘度大,易集中在上部,而沥青则沉在下部,即产生离析现象。考虑成品改性沥青需要存储、运输,采用加入稳定剂可以降低沥青相与SBS之间的界面能,阻止SBS相的凝聚,强化相间的粘和。同样,稳定剂的选用也需考虑其相容性和生产工艺、运距等情况,通过试验选用适宜的稳定剂和掺加适宜的比例。

四、生产过程控制

1.原材料数量控制

目前加工改性沥青多采用成套设备,对于沥青和SBS改性剂,一般配有电脑自动计量设备,注意定期检校设备即可保证其精度;对于改性剂,因其比例较小,多根据每次溶胀罐中沥青数量人工称重。

2.工艺布置

改性沥青的性能不仅受内因(原材料的化学组成、结构、配伍性和相容性)的影响,还取决于外因加工工艺的影响。加工工艺是一个影响改性效果的关键因素,合理的加工工艺使改性剂以微小的颗粒均匀分散于基质沥青中。因此从工艺角度控制,必须采用高速剪切机将其细化,使改性沥青均匀。改性沥青的工艺流程一般包括改性剂溶胀、磨细分散、发育三个阶段。溶胀是改性沥青加工工艺的一个重要环节,要使改性剂高度粉碎并均匀分散,大颗粒的改性剂必须与基质沥青均匀地混合在一起,一般成套设备设置一个配料罐,三个溶胀罐,在沥青达到一定温度后,在配料罐中加入基质沥青,然后投入改性剂进行充分搅拌,然后进入1、2号溶胀罐循环充分溶胀,待下一次配好的改性沥青进入3号溶胀罐,此时1、2号溶胀罐通过三级剪切机计入成品储存罐进行发育。在加工过程中按照三个阶段设置,溶胀罐个数设置要结合溶胀时间,以保证设备的连续生产。

3.温度控制

在影响改性沥青质量外在因素中,最重要的就是温度。

3.1在溶胀阶段, SBS的熔点在180℃左右,基质沥青的温度越高, SBS越容易被溶化,并能加快沥青的溶解速度。但是,沥青的温度越高沥青自身也容易老化,所以基质沥青的温度控制要考虑其自身老化问题,另一方面SBS的溶化。一般温度应控制在165~180℃之间, SBS具有较好的柔韧性,并易于加工。如果SBS加热温度超过190℃时, SBS就会被不同程度的氧化、焦化、分解、降解,造成使用性能下降。

3.2在研磨细化阶段,在研磨过程中强力的摩擦可使改性沥青的温度上升,且研磨的遍数越多,上升的温度越多,造成沥青的老化,因此在磨细前后应检测温度,根据情况调整磨的间隙,降低加工过程中沥青的老化。

3.3另外改性沥青孕育存储阶段的温度也要重视,根据现场应用表明, SBS改性沥青长时间在高温条件下存储时,使用性能会有所下降,一般在150~160℃存储时,各项指标变化量不大。

4.成品改性沥青的存储

因为改性沥青中含有较多的极性化合物,尽管改性沥青中已加入一定比例的稳定剂,但是因SBS属于非极性化合物,并且SBS的粘度大,易聚集在上部,而沥青则沉在下部,产生离析现象,考虑到储存时间长短不同,存储罐不仅要设置加热和保温装置,还必须具备上下搅拌和循环搅拌装置,以达到上下均匀不产生离析的目的。

另外,从现场应用来看,改性沥青宜结合供货要求,合理安排生产,尽可能减少存储时间,不宜超过48 h,因延度在存储2 d后下降较多,同时SBS改性沥青长时间在高温状态下,沥青会硬化变脆,针入度降低,软化点提高。

结论：

要根据设计要求选择相应等级的基质沥青以及基质沥青和SBS改性剂的配伍性、相容性,并通过大量的试验和检测,比对数据选择适宜的原材料是质量控制的源头。

影响改性沥青质量因素还有加工工艺、运输、储存等多方面,每一个方面都影响改性沥青的质量,因此改性沥青的生产和使用各个环节都要严格控制。