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改性乳化瀝青的生產與應用

2018-06-02 11:23:12 AM

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瀝青,包括乳化瀝青在內,作為路麵材料,在一定的溫度範圍內是以粘彈態存在。隨著溫度的逐漸降低,彈性也會逐漸下降,脆性不斷增加,硬度不斷加大。當溫度降至某一數值時,瀝青便沒有彈性,而轉變為脆硬狀態,稱為玻璃態。隨著溫度的逐漸升高,瀝青慢慢變軟,彈性逐漸降低。當溫度增加到某一數值時,瀝青就會軟化至流動狀態,完全失去彈性,稱為粘流態。瀝青隻有在粘彈態對應的溫度範圍內,才能發揮其正常的使用性能。而瀝青在粘流態和玻璃態對應的溫度範圍內,其使用性能迅速降低,若鋪築路麵,路麵將極易發生病害,不能滿足車輛行駛的要求。鑒於瀝青本身的粘彈態區間是非常小的,若把基質瀝青直接鋪築路麵,將很難滿足現代公路的性能要求。為了擴大瀝青本身的粘彈態區間,擴大有效使用範圍,現代人們用的最常見最普遍的方法便是對瀝青進行改性。經過改性後的瀝青不但能夠抗高溫、抗低溫,而且具有抗車轍等良好的使用性能,因此,現代的公路建設基本全部都是使用的改性瀝青。雖然改性瀝青具有諸多優點,但改性瀝青必須要在較高的溫度下才能達到拌和和碾壓的黏度要求(一般為160~170℃左右),對施工條件和施工周期有一定的局限性,並且對能源和資源消耗量大,而乳化瀝青可以很好的補充它的不足。乳化瀝青有諸多優點,其不但可以冷施工、提高拌和均勻性,而且可以節省近20%的瀝青原材料,同時還可以擴大施工周期、減小汙染等,因此已得到廣泛應用。但是乳化瀝青本質上隻是瀝青的另一種存在形式,因此瀝青自身的粘彈態區間小的這一弱點並沒任何改變。現代工程對乳化瀝青的高溫性能、低溫性能、抗老化性能、抗車轍性能以及耐勞性等性能都提出了極高的要求,這也就推動了改性乳化瀝青的產生和發展進程。


改性乳化瀝青可以通過對高分子聚合物改性瀝青進行乳化得到,也可以是以乳液狀高分子聚合物對乳化瀝青進行改性得到。改性乳化瀝青是一種集改性瀝青和乳化瀝青的優點於一體的新型路麵結合材料,具有非常好的高低溫性能、抗老化性能、抗裂性能和耐疲勞性能等。改性乳化瀝青可應用於瀝青路麵的裂縫治理、稀漿封層和微表處等許多方麵。


改性乳化瀝青的生產工藝


改性乳化瀝青的生產與製備必須經過兩個工藝過程:瀝青的乳化和瀝青的改性。根據對瀝青乳化和改性的順序不同,其生產和製備可以分為兩種方法:對乳化瀝青改性(先對瀝青乳化,然後對乳化後的瀝青進行改性)和對改性瀝青乳化(先對瀝青改性,然後對改性後的瀝青進行乳化)。


乳化瀝青的改性


對乳化瀝青改性的方法,是先將瀝青進行乳化得到乳化瀝青,然後以改性劑(一般為乳液


狀髙分子聚合物)對乳化後的瀝青進行改性,同時按需加入一定的分散穩定劑和其他添加劑製備而成。乳液狀高分子聚合物也常稱為膠乳。膠乳與乳化瀝青的存在狀態是相同的,在一定條件下,把兩者摻配並用,就能實現對乳化瀝青改性的目的。製備方法一般有三種:


第一種方法稱為二次熱混合法。首先將熱乳化劑水溶液與改良性劑膠乳在乳化機進混合,然後將該混合液與熱熔瀝青再次在乳化機中進行混合乳化。在第二次混合過程中,改性劑膠乳與熱熔瀝青在乳化機中混合並分散,最終得到改性乳化瀝青。


第二種方法稱為一次熱混合法。首先將熱熔瀝青與熱乳乳化劑水溶液經乳化機乳化得到乳化瀝青,然後立即將該乳化瀝青送人乳化機與改性劑膠乳進行混合,從而生產出改性乳化瀝青。


第三種方法稱為一次冷混合法。在常溫下將瀝青乳液送入乳化機與改性劑膠乳進行混合並分散,從而得到改性乳化瀝青,其工藝流程圖與一次熱混合法基本相同。


由於二次熱混合法具有很多優點,該方法不但製備效率髙、操作方便、過程易控製,而且生產的改性乳化瀝青分散性好、存儲穩定性好,具有較好的改性效果,因此在實際生產中該工藝應用比較廣泛,但該工藝的不足之處在於工藝流程長、能耗高。在一次熱混合工藝中,膠乳和瀝青顆粒在乳化機中機械混合,且混合時顆粒尺度較大,同時青顆粒和膠乳中聚合物改性劑顆粒的沉降速度不同,這將對改性乳化瀝青的儲存穩定性和分散的均勻性產生較大影響,而且生產的改性乳化瀝青改性效果不佳,所以該工藝一般不被采用。一次冷混合法雖然在常溫下進行,不需加熱,可以減少能耗,而且工藝流程相對簡單但是製備的改性乳化瀝青,顆粒間的吸附、滲透和分散程度有限,分散效果和改性效果比前兩種方法也較差,因此一般不被使用。


由於一種膠乳改性乳化瀝青往往不能達到理想的改性效果,因此,往往采用兩種或多種膠乳複合改性的方法生產複合式改性乳化瀝青,以滿足更高的質量要求。複合改性乳化瀝青的生產工藝要比普通改性乳化瀝青的生產工藝複雜,它需要考慮諸多的影響因素,如兩種或多種改性劑膠乳和瀝青乳化劑微粒離子相互之間的電荷相一致和相匹配問題。


改性瀝青的乳化


對改性瀝青乳化的方法,是先以橡膠、熱塑性彈性、熱塑性樹脂等高分子聚合物為改性劑,通過溶劑溶解或機械剪切作用,使其以細小打微粒均勻分布在瀝青中,製得改性瀝青,然後以生產出的改性瀝青成品為基料,對其進行乳化而生產出改性乳化瀝青。對改性瀝青進打乳化的一般生產工藝流程。


在改性乳化瀝青的生產過程中,由於改性瀝青中聚合物改性劑以各種形式形成網狀結構,黏度相對較大,乳化難度加大,因此在乳化過程中,需要乳化性能極優的乳化劑和剪切力足夠大的乳化機。


在技術方麵,改性瀝青的乳化存在許多難題,具體如下:(1)在改性瀝青中,聚合物改性劑呈網狀結構,黏度較大,需要剪切力足夠大的膠體磨才能將其乳化。膠體磨強度大又會破壞聚合物的網狀結構,使改性效果變差。(2)由於對改性瀝青乳化難度大,因此對乳化劑的乳化效果要求極高。(3)改性後的瀝青黏度增大,需要在較高的溫度下(一般16℃以上)貯存,較高溫度的改性瀝青直接與皂液(60~70℃)混合,將使皂液迅速沸騰汽化,致使乳化困難。如果改性瀝青的混合溫度太低,則瀝青黏度太大,也很難乳化。(4)經乳化後得到的改性乳化瀝青的溫度(100 ℃以上)仍然很高,乳液很容易破乳,穩定性很差。(5)瀝青經過改性後,密度增大,致使乳化後的改性乳化瀝青中顆粒容易聚沉、離析,貯存穩定性差。


瀝青改性劑和瀝青乳化劑


在生產和製備改性乳化瀝青的過程中,瀝青改性劑和瀝青乳化劑起到非常重要的作用,也是把改性瀝青和乳化瀝青的優異性能充分發揮的關鍵因素。


瀝青改性劑


瀝青改性劑主要指摻加的橡膠、塑料等高分子聚合物,聚合物改性劑也是應用最廣泛、研究最深入的一大類改性劑。按照聚合物的性質,可以分為兩大類:橡膠及熱塑性彈性體類、塑料與合成樹脂類。


橡膠及熱塑性彈性體類改性劑。


1)天然橡膠:天然橡膠(Natural Rubber),具有高伸長率、高彈性、耐低溫和高機械強度等優點,是一種性能優良的天然可再生資源,廣泛地應用於飛機輪胎、瀝青混合料等領域,在我國國民經濟建設中占有非常重要的地位。NR主要是由順1,4-聚異戊二烯構成的天然高分子化合物,分子量分布在10~180萬之間。NR通常形狀為片狀固體,彈性模量約為2~4MPA,在常溫和低溫條件下具有較好的彈性,隨溫度的升高,逐漸變粘軟,彈性變差,至200℃時開始降解。NR的耐堿性較好,但不耐強酸。NR是非極性橡膠,在非極性溶劑(如四氯化碳、三氯甲烷等)中都能溶脹。由於天然橡膠中含有不飽和的雙鍵,因此其抗老化性能較差,這使NR在某些特殊的應用場合有一定的局限性。經過天然橡膠改性的乳化瀝青可有效增強彈性,顯著改善低溫抗裂性和脆性。


2)嵌段共聚物SBS:SBS是苯乙烯-丁二稀-苯乙烯的嵌段共聚物。在生產改性瀝青的聚合物材料中,SBS是目前世界上應用最為廣泛的瀝青改性劑。SBS是一種熱塑性彈性體,根據其結構特點的不同,可以分為線型結構和星型結構。在SBS高分子鏈中,聚丁二烯鏈段的末端都與聚苯乙烯鏈段相連,聚丁二烯鏈段(PB)間的相互偶聯則會形成SBS的星型結構或線型結構。在SBS的嵌段結構中,兩端的聚苯乙烯鏈段(PS)相互交聯,形成硬段,叫做微區;而聚丁二烯鏈段相互交聯,形成軟段,具有很高的彈性。硬段與軟段是互不相容的,因此SBS具有兩相結構。位於端部的硬段(PS)分子相互交聯締合,且這種締合比較穩定,它能夠與中間的軟段(PB)進行化學結合,這就是SBS的微觀兩相分離結構。SBS的微觀兩相分離結構使其表現出熱塑性彈性體的特性,即高溫下具有塑料的流動性,常溫下具有橡膠的彈性。瀝青經過SBS改性後,具有更高的高溫穩定性,有利於提高瀝青路麵的抗車轍性能;同時具有更好的低溫性能、抗水損害性能、抗老化性能和抗蠕變性能等。


3)丁苯橡膠(SBR):丁苯橡膠是由丁二烯和苯乙烯共聚得到,它是世界上生產量最高、消費量最大的通用合成橡膠品種。在SBR分子中含有柔性鏈段,易被拉伸,且穩定性好,綜合性質優良,其很多性能接近天然橡膠,因此在很多情況下可以代替天然橡膠使用。丁苯橡膠改性瀝青的低溫抗裂性和耐久性都很好,但是其高溫性能較差。由於丁苯橡膠的常規形態是非硫態化的,因此常溫狀態下儲存很容易凝結成團,所以在SBR改性瀝青生產時,前期預處理相對比較麻煩,且存在能耗高的問題。


除此之外,氯丁橡膠、順丁橡膠、廢橡膠和再生橡膠、乙丙橡膠(EPM)、丁腈橡膠等也是可以用於瀝青改性的橡膠及熱塑性彈性體類的改性劑。


塑料與合成樹脂類改性劑。


乙烯-乙酸乙烯酯聚合物(EVA)是一種常用的典型合成樹脂,EVA樹脂是以乙烯和乙酸乙烯醋為單體共聚得到的。經EVA改性製得的改性瀝青,其低溫性能和耐熱性能都得到很好的改善。由於EVA改性瀝青的黏度相比基質瀝青不會增大很多,因此能夠降低改性瀝青的拌合和施工溫度。EVA改性瀝青的性能主要取決於乙酸乙烯的含量,乙酸乙烯的含量越高,改性瀝青溶體越容易流動,柔軔性增加。EVA與瀝青的相容性比較好,是非常好的瀝青改性材料,但是EVA的價格較高,使EVA改性瀝青的應用和推廣受到一定的限製。


除此之外,聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、A-烯烴類無規聚合物、環氧樹脂等也是可以用於瀝青改性的塑料與合成樹脂類改性劑。


瀝青乳化劑


乳化劑也是改性乳化瀝青生產的關鍵原材料之一,雖然用量不大,但是起著非常重要的作用。在改性乳化瀝青中,瀝青之所以能夠以微小的顆粒分散在水中,這主要是由於乳化劑能夠降低瀝青-水體係的表麵張力,這也是瀝青乳化劑的最基本作用。瀝青乳化劑分子既有親水基團,又含有親油基團,根據分子中親水基團在水中的電離情況,可將乳化劑分為非離子型和離子型兩大類。若根據離子型乳化劑電離出來的官能團電性,又衍生為陽離子型、陰離子型和兩性離子型三類。


陰離子型乳化劑類型主要有羧酸鹽類、磺酸鹽類、硫酸酯鹽類、磷酸酯鹽類,常用的是硬脂酸鈉。羧酸鹽類乳化劑表麵活性高,但是不耐硬水。硫酸酯鹽類乳化劑,乳化能力很強,並具有良好的滲透性。磺酸鹽類乳化劑主要有烷基苯磺酸鹽、燒基磺酸鹽、烷基萘磺酸鹽,其水溶性好,表麵活性高,且耐硬水。


陽離子型乳化劑的種類很多,主要有季銨鹽類、烷基胺類、釀胺類、咪哇啉類和胺化木質素類。根據乳化瀝青的破乳速度,陽離子型乳化劑可分為慢裂、中裂和快裂三種。與陰離子型瀝青乳化劑相比,陽離子型瀝青乳化劑具有乳化能力強、使用劑量小等優點。與陰離子型瀝青乳化劑製備的瀝青乳液相比,陽離子型瀝青乳化劑製備的瀝青乳液也表現出許多優點,其不但儲存穩定性好,而且與集料通過嵌入粘附的物理-化學作用,粘附效果非常好,且對酸堿骨料都能適用。由於陽離子型瀝青乳化劑具有如此諸多優點,因此,在瀝青乳化劑中,它已經占主導地位。


兩性離子型瀝青乳化劑在水中可發生電離,並且乳化劑分子中的親水基團,同時帶有正負電荷。根據兩性離子型乳化劑的分子結構和性能特點,可將其劃分為三種:咪唑啉型、氨基酸型和甜菜堿型。


非離子型瀝青乳化劑在水中不能發生電離,它是靠分子中的弱親水基(如羥基、醚基)而溶於水中。根據非離子型乳化劑的分子結構和特點,可將其分為兩大類:聚乙二醇型和多元醇型。


後兩種乳化劑很少單獨使用,一般和陰離子或者陽離子複配使用。乳化劑複配技術就是在一種乳化劑中加入另一種或者幾種乳化劑或者添加劑,所形成的新溶液性質會發生顯著變化,新溶液表現出來的性質並不是各組分性質的簡單疊加,很多性質都是原組分所不具備的,即表現出一加一大於二的特性。複配後的乳化劑具有:乳化力強、乳液穩定性高、改善稀漿封層混合料的和易性、降低成本等優點。黃小勝等通過對比試驗發現,單一的陽離子乳化劑對SBS的乳化效果不佳,而如果把某陽離子型乳化劑、非離子型乳化劑和陰離子型乳化劑按照3:1:1的比例複配後,則乳化效果明顯提高。


改性乳化瀝青的應用


改性乳化瀝青可在公路工程中廣泛應用,可以通過噴灑、貫人和拌和攤鋪的方式,應用於稀漿封層和微表處以及結構路麵的基層和麵層,也可以應用於瀝青路麵粘層油和透層油。使用改性乳化瀝青鋪路時,在常溫下即可施工,不需將瀝青和礦料加熱,不但簡化了操作工序,而且節約能源,同時對已損壞的瀝青路麵進行及時養護和維修具有重要作用。


改性乳化瀝青在稀漿封層和微表處上的應用


所謂稀漿封層,就是將規定級配的細石料、水泥和乳化瀝青拌和成的混合料鋪於路麵,然後經過乳化瀝青混合料的破乳、析水、蒸發和固化過程,而形成厚度為3~10mm的封層。若以改性乳化瀝青取代乳化瀝青進行稀漿封層,則稱為微表處。微表處和稀漿封層在使用性能和技術要求上的差別較大,例如微表處對原材料有十分嚴格的要求。


20世紀70年代,德國首先對聚合物改性乳化瀝青稀漿封層的技術進行研究,並逐漸形成精細表麵處治技術,該技術以“可對深度較大的車轍進行修複”的顯著優點而被迅速推廣和應用,1980年該技術引人美國。現在微表處已經成為很多國家和地區高等級公路的主要養護手段之一,其不僅可以修複路麵車轍,而且對路麵出現的各種裂縫、鬆散、老化等病害也能進行修補。中國早期建設的高速公路路麵,由於違章施工和長期超載使用等原因,已經出現車轍、鬆散和開裂等多種病害,改性乳化瀝青稀漿封層技術能夠有效緩解和解決該問題,因此該技術受到越來越多的人們的關注。為了加快對稀漿封層和微表處技術的研究和應用進程,在京石、杭甬等高速公路和北京、上海的養護工程試驗路段也都采用了該項技術。


改性乳化瀝青在瀝青路麵透層油和粘層油上的應用


中國高等級公路瀝青路麵的底基層和基層普遍采用半剛性結構形式,以水泥碎石作為基層,遍采用半剛性結構形式,以水泥碎石作為基層,麵層則采用瀝青混凝土的形式。為了使基層和麵層之間有效過渡而形成連續狀態,一般要在基層上要噴灑透層油,透層油對瀝青路麵能夠起到固結、穩定、防水等作用,可有效防止瀝青路麵的早期破壞。改性乳化瀝青可以作為一種非常好的透層油材料,灑布在基層後,能夠滲透到基層的水泥碎石中-定深度(約為5~10mm),在該深度內,水泥碎石間的空隙由瀝青填充,於是形成了特殊的偶合層;這種具有特殊結構的偶合層能夠與柔性麵層很好的粘結,而偶合層又屬於半剛性結構的基層,於是水泥穩定碎石的半剛性基層與瀝青混凝土的柔性麵層的粘結問題將得到很好的解決。


改性乳化瀝青也是一種非常好的粘層油材料,可提高瀝青路麵兩結構層之間的粘結效果。在高等級公路建設中,改性乳化瀝青已作為粘層油應用於京秦高速公路,並表現出很好的性能,與未改性的乳化瀝青相比,使用聚合物改性的乳化瀝青更能夠提高瀝青路麵的抗變形和抗剪切能力以及結構層之間粘結性,改善瀝青路麵的使用性能,延長路麵養護與維修周期。


總結


改性乳化瀝青以其優異的使用性能,已經成為當前公路建設研究的重點。雖然我國對改性乳化瀝青的研究已經取得了一些成績,並且在某些地區已經得到了初步的應用,但是由於我國對其研究起步較晚,與國外的技術水平還有一定差距。在改性瀝青的乳化技術、乳化劑複配技術、新型改性劑和乳化劑的開發、改性乳化瀝青生產工藝的改進與創新等方麵的研究都將成為改性乳化瀝青的研究重點,也將為改性乳化瀝青在公路建設中的應用帶來新的突破。

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