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1、2023/6/1,改性沥青及其加工技术,主讲人：张宏武 山西省交通科学研究院,主要内容,改性沥青类型及路用性能 改性沥青机理 改性沥青加工技术 改性沥青采购管理,一、改性沥青类型及路用性能,定义：掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、天然沥青、磨细的橡胶粉，或者其他材料等外掺剂（改性剂）制成的沥青结合料，从而使沥青或沥青混合料性能得以改善。,1改性沥青定义及类型,2国外改性沥青应用发展,1898年:法国开始在沥青中掺配天然橡胶1960年前：天然橡胶（NR）1960-1971：合成橡胶（SBR胶乳为主）1971-1978：合成橡胶为主，树脂（塑料）开始试用1978-1987：树脂（EVA、PE、PP等）
2、1987-1992：树脂、半氧化、天然沥青为主，SBS开始试用1995：热塑性弹性体SBS成为聚合物改性的主流材料 2011年世界聚合物改性材料统计 SBS：61%（大量用作高粘度、高弹性沥青）SBR：14%（主要用于法国，需掺硫5-10%，现已很少应用）EVA：19%（是树脂中少有的能形成三维网络结构的材料，但刚性大、影响沥青脆点）EEA:3%PE（聚乙烯）：3%,沥青结合料贡献：高温40 低温90,2国内改性沥青应用发展史,70年代:渣油吹氧稠化、掺配特立尼达（TLA）或阿尔巴尼亚稠沥青等改性 的方法，提高结合料稠度，解决推拥病害80年代末：掺丁苯、氯丁橡胶、废轮胎粉等改性沥青和掺金属皂（
3、早期）重载和渠化交通条件采用重交通标准进口基质沥青，仍出现流动 性车 辙问题 1992年：路安特 Novophalt 现场改性技术，使改性沥青从研究试验逐步发 展到大规模生产应用 青藏公路SBR改性沥青；1995年北京机场路、机场东跑道、八达 岭高速公路采用PE+SBS复合改性；1997年通顺路、北京东西长 安街采用SBS改性21世纪：SBS改性为主，SBR改性、橡胶沥青等,2国内改性沥青应用发展史,采用改性沥青后，高速公路工程成本增加不足1%，但对确保工程质量却有重要的作用。改性沥青不是需不需要的问题，而是认识不认识的问题，是早认识、早受益的问题。现在，SBS、SBR、PE等改性材料国内可满
4、足供应，由于胶体磨、高速剪切机的进口和国产化，只需配备适当的计量和储存装置，即可生产改性沥青成套设备。目前，一批具有国内独立知识产权的国和产进口设备已在生产中广泛使用，预混式改性沥青可工厂化生产，也可在工地现场加工。在现场加工的方式中，施工单位可自行生产，也可用招标方式委托加工，从而为保证工程质量、降低工程成本创造了条件。,3路面用改性沥青类型,3路面用改性沥青类型,橡胶沥青,橡胶粉吸收沥青中饱和分与芳香分轻质油分，重质组分增加，粘度增加,延缓反射裂缝 防水粘结 高温抗车辙能力 抗滑、低噪、耐老化 节约资源、循环利用,橡胶沥青（AR）是指沥青、回收轮胎橡胶和某些添加剂混合而成的胶结料，橡胶成分
5、最少占到总量的15,3路面用改性沥青类型,抗车辙改性剂,嵌挤、加筋、胶结作用 对基质沥青几乎没有选择性 添加生产工艺简单 抗车辙性能显著 沥青用量少、易摊铺碾压 抗油污性强,低密度PE 沥青混合料质量的0.30.5,（1）改性材料的改性效果因所用材料种类（沥青品质、改性材料类型）和用量而异，主要改性效果如下表,4改性材料的改性效果,沥青改性效果因素表,沥青改性效果因素续表,4改性材料的改性效果,5%相同掺配剂量时常用几种改性沥青的技术指标比较如下表,4改性材料的改性效果,5%相同掺配剂量时常用几种改性沥青的技术指标比较续表,4改性材料的改性效果,在相同掺量条件下，从改性沥青软化点、延度、低温脆
6、点、弹性恢复、针入度指数PI、粘韧性等指标衡量，星型SBS均优于线型SBS 星型SBS是当今最好的沥青改性材料，而星型SBS改性乳化沥青的生产和应用，因其具有较高科技含量和良好的使用效果，因此是高速公路建、养工程中性能最好的乳化沥青改性材料。,4改性材料的改性效果,5.SBS掺配剂量对沥青技术指标的影响,（1）以90号A级壳牌沥青为例，掺配不同星型SBS后的改性效果比较见下表,6改性沥青的合理技术指标,现行规范(JTG F40-2004)改性沥青技术标准基本参照美国1991年AASHTO标准，但取消了60粘度、增加了PI指标，部分数值作了调整。标准是偏低的。,(1)规范标准未能反映道路等级(高
7、速和一般)、轴载(轻、重车)、地形(山岭和平原)、气候(不同气温)诸多外界因素影响，因此在2005年全国高温条件下，许多改性沥青采用规范标准的高速公路均出现车辙、推拥病害，实践证明现技术标准偏低。(2)美国SHRP计划研究成果提出的沥青PG指标，从对沥青胶结料抗车辙、抗疲劳和抗低温开裂能力考虑，对具体应用的沥青高低温指标分别作出规定。考虑到沥青面层温度可比实际气温高约20，因此提出PG分级标准后，一般地区宜用的PG标准为64-22(高温64，低温-22)，寒冷地区用58-28等级沥青。,PG标准高温等级一级为6，若在64基础上提高两个等级，则应满足平均7d最高路面设计温度76的要求。由于改性沥
8、青软化点温度一般应高于路面设计高温指标，因此用于有重载交通的山区高速公路改性沥青软化点至少应76，规范SBS改性软化点60标准是偏低的。,EASLS(18kPi轴载累计交通量)1000万次增加一个高温等级；EASLS3000万次增加二个高温等级；慢速交通(70km/h)和停滞交通(20km/h)分别增加1-2个高温等级，但不必同时考虑。,但实际应用时PG高温等级的确定还要考虑以下因素：,6改性沥青的合理技术指标,6改性沥青的合理技术指标,我国大部分地区夏季最高气温均较高，对改性沥青热稳定性要求非常高，考虑大型车(轴载100kN)交通量比仅考虑七月平均最高气温和气候分区因素更加合理，同时地形条件
9、(车速)也是重要因素，重载、地形、气温是形成车辙的三要素。不同地区改性沥青技术标准要求应因交通荷载条件（交通量、轴载）、地形（长大纵坡）、渠化交通条件及当地气温而定，建立切合实际的改性沥青地方标准。,山西省考虑到80%以上为山丘区，高速公路重车较多等特点，山西省地方标准（DB14）对SBS改性沥青采用下表技术标准：,山西SBS改性沥青的技术要求,与规范相比，对改性沥青针入度指标PI、5延度、软化点、弹性恢复、TFOT后残留物针入度比和5延度指标均有所提高，除此之外，还增加了对改性沥青SBS磨细度及在搅拌条件下储存稳定性的要求，从而进一步保证了改性沥青的使用质量。对改性沥青混合料热稳定性(DS)
10、要求如下：上面层DS5000(次/mm、60、0.7MPa)，中面层DS3000(次/mm、60、0.7MPa)。,6改性沥青的合理技术指标,近年来，特重载交通条件下的山岭重丘区长大纵坡段高速公路上中面层SBS改性沥青软化点、动稳定度指标要求值为：上面层：软化点90，动稳定度6000次/mm中面层：软化点85，动稳定度4000次/mm,6改性沥青的合理技术指标,70 动稳定度,7单层改性与双层改性问题,改性沥青面层原则上应采用10cm厚度内双层改性，具体原因如下：（1）沥青面层1-9cm深度内所受剪应力最大（右图）（2）早期单层改性山区高速公路开挖断面检查发现，4cm上面层厚度基本无变化，而6
11、cm下面层因未改性而被挤至行车带两侧形成车辙。（3）重载交通长大纵坡路段（2.5%坡度）甚至采用三层改性,二、改性沥青 机理,1改性沥青机理,目前公认的改性机理有物理共混和化学共混改性机理两种。SBS改性机理主要为物理共混。,物理化学改性 在物理改性的基础上，引入化学稳定剂，使SBS与沥青发生交联反应，形成相对稳定的胶体体系，使SBS既不发生离析又不发生SBS降解，以实现产品长期储存、长距离运输。离析和降解是物理化学改性沥青的技术核心。离析：聚合物析出、分层 降解：聚合物降解性能衰减,1改性沥青机理,物理改性：SBS物理改性就是将SBS与沥青按一定的比例，在180 左右搅拌溶涨，通过剪切研磨，
12、使SBS颗粒达到5微米以下，与沥青混合的过程。所形成的沥青体系是非稳定体系，产品需要不停搅拌，停止搅拌SBS就凝聚成大胶粒从沥青中析出。在沥青中加入聚合物以后，聚合物分子受到沥青组分中芳香分、饱和分的作用发生溶胀和溶解，而均匀分散在沥青中形成共混体系。物理共混中没有化学作用发生，仅是物理作用。为达到较好的物理混合，要求聚合物与沥青之间具有较好的相容性、溶解性和分散性等。,1改性沥青机理,化学改性稳定剂组成:引发剂(A)+活化剂(B)+交联剂(C)稳定剂反应机理：在一定的温度下，将SBS粉碎到一定细度吸取沥青中的饱和烃、芳烃，体积溶胀，形成网状结构，在引发剂和活化剂的存在下，交联剂参与反应，形成
13、稳定的胶体体系，从而达到SBS改性沥青体系稳定和长期热储存的目的。,改性沥青的相容性是指改性剂以微细的颗粒均匀、稳定地分布在沥青中，不发生分层、凝聚或者相分离的现象。它取决于改性剂和沥青两种不同的相界面上的相互作用，两者的溶度参数或分子结构越是接近相容性越好。,1.1 相容性,聚合物在沥青中的均匀分散和充分溶胀提高相容性 一般认为，芳香分能够促进SBS苯乙烯嵌段在沥青中的溶胀，使聚合物分子间的距离增大，作用力降低，摩擦力下降，运动能力增强，从而增加SBS与沥青间的相容性。,1.1 相容性,关于溶解性：聚合物在沥青中应有较好的溶解性，溶解度参数是聚合物和沥青之间相容性量度的重要指标，为内聚能密度
14、的平方根；沥青与聚合物之间的溶解度参数相差越小，两者间的相容性越好。,聚合物加入到沥青后，在沥青中轻质组分的作用下发生溶胀,表现出区别于聚合物又不同于沥青界面的性质。溶胀是改性沥青稳定的保障。在高剂量聚合物情况下，聚合物在沥青中的溶胀程度降低，但可形成网状结构，使沥青性质发生显著的改善。,1.2 溶胀,1.3 分散性,关于分散性：聚合物在沥青中分散的越均匀，聚合物改性沥青的性能就越好，分散性的好坏与改性沥青中聚合物含量、分布状态、粒径大小和极性强弱有关。聚合物含量较少时，沥青为分散介质，呈连续相，聚合物为分散相；聚合物含量较大时形成反相。,5%SBS改性沥青,3%SBS改性沥青,2.1 改性剂
15、种类 不同种类的聚合物或同一类聚合物由于剂量、粒子大小的差异，均会产生不同的改性效果。基质沥青的溶度参数通常变动在89（卡/厘米3）1/2之间。因此，适合于改性沥青的改性剂应在这一范围内遴选。,2影响沥青改性效果的因素,1）SBS,2影响沥青改性效果的因素,可改善高温与低温 以丁二烯1.3苯乙烯为单体，通过离子聚合而成的嵌段聚合物 硬段（S段）聚苯乙烯段 软段（B段）聚丁二烯段 玻璃化温度有两个：Tg180（聚丁二烯）Tg2+80+100（聚苯乙烯）,1）SBS,2影响沥青改性效果的因素,型号 以四位阿拉伯数字表示 第一位：类型1线型 4星型 第二位：S/B 33/7 44/6 第三位：充油与
16、否 O未充油、1充油 第四位：分子量 110万 21416万 32328万选型 星型分子量大，高温效果好，但加工困难 S/B视改性目的而定，高温4/6，低温3/7,燕山石化4303,2影响沥青改性效果的因素,不同聚合物改性沥青技术性质比较表,随着聚合物剂量的增加，改性效果逐渐增强，而当剂量达到临界剂量时，即当一个连续的聚合物网状结构形成时，沥青的高、低温性能将会大幅度改善，随后改性效果的增长率将降低。通常，改性剂的剂量是通过技术经济比较确定的。,2.2 改性剂剂量,基质沥青对改性沥青的影响通过其与聚合物的相容性而体现出来。与聚合物具有良好相容性的沥青其改性效果就好。过多的沥青质含量对相容性有不
17、利的影响。表5为用SBS改性含有不同沥青质沥青的贮存稳定性的试验结果。可以看到，随着沥青质含量的增多，贮存稳定性变差。,2.3 基质沥青,注：表中S表示稳定性好，NS表示不稳定,SBS改性沥青的热贮存稳定性与沥青质含量的关系,2.3 基质沥青,为了保证相容性，饱和分和芳香分应占有一定的比例。常用的改性剂溶度参数如下：,2.3 基质沥青,根据美国化学家布尔（Brule）给出的相容性较好的基质沥青的组分比例为：饱和分：芳香分+胶质：沥青质=（8-12%）：（85-89%）：（3-7%）,2.3 基质沥青,克拉玛依沥青优点：蜡含量少、胶质含量高、沥青质含量少、粘附性好和高低温性能优异缺点：沥青中芳烃
18、、沥青质含量少，与SBS相溶性和配伍性差，采用常规改性方法的改性沥青分散不均匀、不稳定，易离析 掺交联剂、助溶剂等借助化学改性生产,沥青的标号对相容性和改性效果均有影响。在常年低温地区，宜采用针入度较大的沥青，选用低温性能好的改性剂（如SBR等）；在高温地区，宜采用针入度较小的沥青，选用塑料类（PE、EVA）或SBS等改性剂；对于高低温性能均有要求的地区，可选用SBS或复合改性剂。,2.3 基质沥青,要使聚合物发挥改性效果，就必须使聚合物均匀，充分地分布于沥青中。为了使聚合物与沥青之间发生更好的相互作用以形成稳定的新胶体结构，聚合物必须粉碎到一定的程度。(1)改性沥青设备的好坏是保证加工质量和
19、改性效果的关键。(2)工艺过程中的温度和搅拌时间也是影响改性效果的重要因素。在适宜的温度下随着搅拌时间的延长，聚合物颗粒逐渐变细，改性效果随之提高，但搅拌时间过长不仅降低生产效率，还会导致沥青的老化。搅拌温度太低，不仅增加搅拌时间，甚至不能使聚合物完全溶融于沥青中。,2.4 改性沥青加工工艺因素,可见，随着SBS粒度的减小，各方面性能均有不同程度的改善。,研磨遍数对SBS粒度大小及改性沥青技术性能的影响,2.4 改性沥青加工工艺因素,改性剂的溶胀和改性沥青的发育过程对沥青的改性效果亦有影响。改性剂的预先溶胀可减少加工时间与能耗，提高加工质量。改性沥青研磨后的发育过程，可使改性剂与沥青之间的相互
20、作用充分进行，对于橡胶类改性沥青（SBR、SBS）还有可能发生胶联，进一步形成网状结构。,2.4 改性沥青加工工艺因素,三、改性沥青 加工技术,改性沥青的生产分为成品改性和现场改性。综合比较其优缺点，现场改性较成品改性具有较好的质量保证。,3.1 加工工艺选择,3.1 加工工艺选择,SBS改性剂 SBS是苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物，外观呈白色爆米花状，质轻多孔。SBS改性剂分为线型和星型两种结构。在生产过程中应经过实验，根据胶体磨的研磨效果结合具体生产工艺选用相应的改性剂，使改性效果最佳。选择何种SBS改性剂以及掺量多少要经过室内配伍性试验、标准实验并结合工艺考虑，一般SBS改性剂掺量为基质
21、沥青的4%5%。,3.2 原材料准备,基质沥青 基质沥青应选用符合公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）技术要求、与SBS改性剂具有良好相容性的A级或B级道路石油沥青。SBS改性沥青的主要缺点是SBS改性剂对基质沥青选择性强，与基质沥青的配伍性对改性效果影响很大，对壳牌、埃索、韩国SK、加德士等进口沥青相容性好，改性效果好；对国产沥青如盘锦、中海、克拉玛依等相容性差，改性效果较差。应选择与SBS相容性优良的基质沥青，同时须确保基质沥青油源稳定，杜绝“贴牌沥青”,3.2 原材料准备,1）母体法：先加工成聚合物高剂量母体，在现场调稀使用。2）直接投放法：现场将改性剂投入拌合锅，与矿料
22、、沥青拌合制 备改性沥青混合料。3）机械搅拌法：EVA及某些与沥青相容性较好的改性剂用此法。4）胶体磨和高速剪切法：将改性剂剪切粉碎，促进溶胀。一般需要经过改性剂溶胀、分散磨细、继续发育三个阶段。SBS改性沥青主要生产设备分为胶体磨式设备和剪切机式设备两种。,3.3 改性沥青制备方法,成套生产装置：国外设备：美国道维施DALWORTH、德国SIEFER、意大利玛森萨MASSENZA、奥地利NOVPHLET等。国内设备：JKLG-40型改性沥青设备、锦州路安特装置、国创装置、兰亭高科装置、路翔装置、上海威宇装置、上海依路装置、天津海泰装置。,3.4 改性沥青生产设备,在SBS改性沥青成套设备中，
23、胶体磨是核心设备，而溶胀反应釜则是主导设备。SBS改性沥青成套设备，一般由以下五部分组成：（1）燃油导热油恒温自动控制系统；（2）SBS、沥青计量控制系统；（3）高速剪切胶体磨；（4）自动化控制系统；（5）存贮系统。,3.4 改性沥青生产设备,美国道维施（Dalworth）,美国DALWORTH改性沥青设备具有高产量、低成本、易操作等优点。其关键技术在于核心部件内齿型高剪切胶体磨，此胶体磨具有高速剪切及高度研磨的双重功能，并且一次性剪切研磨合格。,3.4 改性沥青生产设备,德国 SIEFER,德国SIEFER公司胶体磨是世界上公认的最先进的改性沥青胶体磨机，SBS通过胶体磨机实现三级碾磨，使S
24、BS在沥青种的细度降低，确保SBS达到较小的数量级而均匀分散到沥青介质中，形成空间网状结构，达到改性沥青效果。,3.4 改性沥青生产设备,JKLG-40型改性沥青设备,JKLG-40型改性沥青设备主要用于生产SBS改性沥青。设备核心部件采用山西省交通科学研究院研制的集成胶体磨技术。运用“单罐连续计量生产”和“一次性剪切完成”的生产工艺，具备高效、节能等特点。,3.4 改性沥青生产设备,一般工艺流程,3.5 SBS改性沥青生产,SBS改性沥青生产主要控制因素,溶胀时间 混溶温度 研磨细度 加工工艺,3.5 SBS改性沥青生产,不同溶胀时间下的试验结果,沥青中加人SBS后，受沥青中轻质组分的作用而
25、溶胀使SBS体积膨胀，完全溶胀后的SBS其体积可增加到原来的5倍左右。,3.5 SBS改性沥青生产,不同温度下SBS与沥青混溶的试验结果,SBS的加热温度宜在170-175，当超过190时，SBS就会被不同程度地氧化、焦化、分解、降解，造成使用性能下降。,3.5 SBS改性沥青生产,不同研磨细度下SBS与沥青混溶的试验结果,随着SBS粒度的减小，各方面性能均有不同程度的改善。,3.5 SBS改性沥青生产,加工工艺,改性沥青设备生产工艺流程图,3.5 SBS改性沥青生产,1）温度要求：基质沥青加热温度控制在160170，改 性沥青加工温度控制在165175。2）SBS溶胀时间：3040min。3
26、）磨细度：改性剂颗粒均匀分布，形成网状，细度控制在 5m以下。4）发育时间：45min。,SBS改性沥青生产要求,3.5 改性沥青生产,SBS改性沥青加工生产及储存注意事项,(1)现场改性 a、宜随配随用，防止离析；b、储存时间不宜超过24h，若因特殊情况，在有搅拌器搅拌和SBS无离析条件下，可延长储存时间，但不宜超过72h；c、临时储存罐顶设置两个搅拌器，进行不间断搅拌，在罐与罐之间进行循环，必要时须添加适量的稳定剂等助剂；d、储存温度一般为160170。(2)工厂改性 a、存储温度严格控制，一般在150160；b、存储罐中需要搅拌和循环，罐与罐之间须具有循环系统；c、改性沥青进场后，储存稳
27、定性不少于72h。,3.5 改性沥青生产,SBS改性沥青加工生产及储存注意事项,(3)改性沥青加工设备在启动时需特别注意电力负荷。(4)改性剂必须存放在室内，注意防火防潮。(5)必须严格控制沥青加热温度和现场加工温度。(6)生产操作时要定期检查各关键部件。(7)对于SBS改性沥青加工生产工艺要求，一般都需要经过改性剂溶胀、研磨、发育三个阶段，但对于不同的改性剂和基质沥青不能有一成不变的模式，在改性剂和沥青发生变化时，都必须进行调试。,3.5 改性沥青生产,四、改性沥青 采购管理,改性沥青应通过公开招标的方式进行选择采购。供应的改性沥青必须具有齐全的质保书证明，并按相应的标准和试验规程进行材料性
28、能试验或质量检验。对运输到工地现场的改性沥青，加工商应随车提供每一生产批次检验的全套指标试验和PG分级试验结果。改性沥青每批次单一品种规格不得少于10吨。在沥青改性加工厂家安装改性沥青生产的质量监控仪（黑匣子）。采购方、总监办应派专人长驻改性沥青加工厂，全面监督沥青改性加工的生产、质量及抽检。,总则,供应管理,供应厂商不得更换中标品牌，特殊情况下如需更换品牌必须经过业主、承包人书面批准。供应商应提前一周通知采购方运输车抵达日期，届时采购方派人全过程监控并对已注满的贮存罐进行铅封进口，记录编号、贮存数量等相关资料。监理、采购方会同供应商在车上按交通部颁标准方法取样试验。只有各试验机构的试验项目全
29、部符合相关合同文件的技术要求，供应商才可以将改性沥青材料送往有关工地。改性沥青的中转存放和运输，必须在监理、采购方监督下，采用“分类存放，先进先出”的原则进行。,材料的运输及装卸,材料供应商承诺并保证项目所用改性沥青是在由采购方、监理封存的贮存罐中装运，并负责将改性沥青运到指定的沥青罐。供应商对运输车装完改性沥青后用专用封条进行封闭。在装车之前必须通知采购方、监理，装车过程必须有采购方、监理旁站。装车完毕后须在车辆的进料口(上)和出料口(下)处用带编码封条封口，并把封条号码填写在运送单上。采购方、监理将对供应商的改性沥青运输车的运输过程进行GPS定位全程监控：运送车辆在一般情况下必须按规定路径、时间内到达指定的卸车地点。承包人须为供应商提供符合施工要求的沥青储罐。,材料的现场签收及外观鉴定,现场验收应有供应商的交货人员、采购方的材料管理员、驻地监理共同参与。采购方会同监理工程师按交通部颁标准方法对每车取样，对于每天抽取的样品，采购方对改性沥青进行四大指标试验（针入度、延度、软化点、弹性恢复）；监理按照20的频率对改性沥青进行四大指标试验。只有采购方及监理的试验项目全部符合相关合同文件的技术要求，才可以使用到路面工程中。各承包人每半个月对进场改性沥青记录进行汇总，总监办审查后送业主一份，以作宏观监控。,谢谢大家！,
