路用改性沥青技术研究

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路用改性沥青技术研究

来源：发布日期：2006-12-27

摘  要     本文比较系统地介绍了路用改性沥青技术及其在国内外的发展状况。通过对改性沥青使用性能、标准及评价、制作工艺、应用及发展方向的分析研究，明确指出我国改性沥青技术应有的发展方向。

关键词    改性沥青  标准  评价  发展

绪  论    沥青是一种有机化合物的混合物，用沥青铺设的路面是一种无接缝的连续式路面，它以承受力强、无扬尘、防飘滑、噪音小等优越性能在全世界范围内得到广泛应用。但随着经济的发展，车流量不断增加，车速加快，载荷加重，对公路路面提出了更高的要求，而普通沥青路面在低温下容易脆裂，在高温下容易软化，在行车荷载的作用下容易出现车辙、推移、拥包等现象，严重影响了路面的使用寿命。针对普通沥青这种使用性能上的缺陷，西方发达国家从20世纪40年代开始发展了改性沥青技术。
改性沥青是指添加了橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细了的胶粉等改性剂，或采用对沥青进行轻度氧化加工，从而使沥青的性能得到改善的沥青混合物。用这种沥青铺设的路面具有良好的耐久性、抗磨性，实现了沥青路面高温不软化，低温不开裂的使用性能要求。

1、改性沥青的分类
改性沥青的优良性能来源于它所添加的改性剂，改性剂在温度和动能的作用下不仅可以互相合并，而且还可以与沥青发生反应，从而极大地改善了沥青的力学性质。从改性沥青定义来看，广义的改性沥青应该包括以下几种：
（1）掺加改性剂的改性沥青。
（2）物理改性沥青，如普通沥青中加入木质纤维素、沥青路面施工中使用玻纤格栅等。
（3）调和沥青，掺加天然沥青（湖沥青、岩沥青等）。
（4）采用特别生产工艺的改性沥青，如半氧化沥青、泡沫沥青等。
从狭义上来看，我们现在所讲的改性沥青一般是指掺加聚合物类改性剂的改性沥青，国际上简称为PMA、PMB或PmB。通常将其分为热塑性橡胶类改性沥青、橡胶类改性沥青及树脂类改性沥青三大类。
我国目前乃至今后相当长一段时间内，生产改性沥青可能使用的聚合物改性剂主要是SBS、SBR、EVA及PE。SBS属于热塑性橡胶类改性剂、SBR属于橡胶类改性剂，EVA及PE均属于树脂类改性剂。普通沥青经过掺加这些改性剂，对应地我们将其称为SBS改性沥青，SBR改性沥青，EVA改性沥青及PE改性沥青。

2、国内外常用的改性沥青
（1）热塑橡胶类改性沥青，它们的代表产品是SBS，这也是世界各国使用最多的道路改性沥青，国内代表工程是首都机场高速公路及八达岭高速公路。这种改性沥青的最大特点是它的高弹性，高温不软化，低温不发脆。SBS的合理剂量在3%—6%之间，在3%—5%之间，沥青软化点大幅度上升，在4%—6%之间抗车辙能力有较大提高。
（2）橡胶类改性沥青，使用最多的是丁苯橡胶（SBR）和氯丁橡胶（CR）改性沥青。它不仅是世界上最早出现并广泛应用的改性沥青品种，也是我国较早得到研究和推广的品种。代表产品是日本JSR株式会社产ROADEXU—II变性胶乳改性沥青，其特点是能全面提高高温抗车辙、低温抗裂、抗老化等各方面路面性能，还有接近于SBS改性沥青的性质，从改性剂剂量看，在3%—5%范围内比较合理。国内代表工程是青藏二级汽车专用公路、京石高速公路、南京环城高速公路。橡胶胶乳除了制作改性沥青外，用来制作改性乳化沥青的也越来越多。随着我国高速公路建设及使用年限的延长，高速公路的维修养护工作量增加，改性乳化沥青稀浆封层的使用将会越来越普遍。
（3）热塑性树脂类改性沥青，代表产品是PE及EVA改性沥青，热塑性树脂类改性剂的最大特点是使沥青结合料在常温下粘度增大，从而使高温稳定性增加，但不能使沥青混合料的弹性增加，而且加热后容易离析。EVA目前在国外仅大量应用于寒冷气候条件下的施工。我国浙江杭州钱江二桥采用ESSO公司的EVA改性沥青铺筑桥面铺装。PE对多蜡沥青的改性效果比较好，对高温稳定性有明显效果，EVA及PE的剂量通常采用4%—6%。
（4）掺加天然沥青改性。天然沥青是石油经过历史上长期的、长达亿万年的沉积、变化、在热、压力、氧化、触媒、细菌的综合作用下生成的沥青类物质，其性质特别稳定。根据生成矿床的不同，可分为湖沥青、岩石沥青、海底沥青等。世界上最著名的天然沥青是特立尼达湖沥青，简称为TLA。掺加TLA的混合沥青有良好的高温稳定性及低温抗裂性能，耐久性好，故在许多高速公路、机场跑道、钢桥面铺装，隧道中得到广泛应用。国内的代表工程是我国江苏江阴长江大桥桥面铺装。
（5）其他改性沥青。包括多价金属皂化合物、碳黑及玻纤格栅等。国内代表工程是江苏宁通高速公路2001年维修改善工程。
毫无疑问，沥青改性的目的是既要提高沥青路面高温稳定性，又要提高低温抗裂性及水稳性。通过对几种常用改性剂对基质沥青改性效果的综合比较分析。SBS的改性效果明显优于其他品种改性剂，SBS改性的优越性突出表现在使软化点大幅度提高的同时，又使低温延度明显增加，感温性得到很大改善，而且弹性率特别大。这是国外纷纷采用SBS作为改性剂的主要原因，也是我国改性沥青发展的一个主要方向。尤其是现在，SBS的价格比以前有了大幅度降低。仅成本一项，它也足以与PE、EVA竞争。

3、改性沥青的标准及评价方法
在国外，大部分国家已经制订了改性沥青的标准或规范，但目前尚未有一个国际通用的标准。我国以前并没有改性沥青的标准。新编制的《公路改性沥青路面施工技术规范》（JTJ036）主要参考了国外的标准，并在我国近年来施工实践的基础上制订。各国改性沥青的标准都有一些共同的特点，都是先根据聚合物类型的不同进行分类，然后将每一种类型的聚合物改性沥青分成几个等级，每一个等级适用于不同的气候条件。关于改性沥青的路面性能一般只控制有限的几种性质，包括感温性、低温开裂、疲劳开裂、永久变形、老化、均匀性、纯度、安全、工作度（施工性）等。
我国的改性沥青技术标准有以下特点：（1）改性沥青分为SBS、SBR、EVA及PE三类。I类SBS改性沥青I—A型及I—B适用于寒冷地区，I—C型用于较热地区，I—D型用于炎热地区及重交通量路段。
II类SBR改性沥青，II—A型用于寒冷地区，II—B和II—C适用于较热地区。
III类树脂类改性沥青，如EVA、PE改性沥青，适用于较热和炎热地区。
（2）改性沥青的性能以改性后沥青感温性的改善程度，即针入度指数PI的变化为关键性评价指标。
（3）选择代表性的试验指标作为改性沥青性能的重点评价指标。
SBS类改性沥青最大特点是高温、低温性能好，且有良好的弹性恢复性能，所以采用软化点、5℃低温延度、回弹率作为主要指标。
SBR改性沥青最大特点是低温性能得到改善，所以以5℃低温延度作为主要指标。
EVA及PE类改性沥青的最大特点是高温性能明显改善，故以软化点作为主要指标。
（4）采用旋转薄膜加热试验（RTFOT）作为改性沥青老化试验的标准方法。
（5）采用60℃粘度作为改性沥青高温稳定性方面改善效果的评判指标。
（6）规定了改性沥青标准使用的基本步骤。

现行评价改性沥青性能的方法有三大类：
（1）采用沥青性能指标的变化程度来衡量，如针入度、软化点、延度、粘度、脆点的变化程度。变化值越大，改性效果越好。这是目前生产上最常用的方法。
（2）针对改性沥青的特点开发的试验方法，如弹性恢复试验适用于评价热塑性橡胶类（SBS）等聚合物改性沥青的弹性恢复性能；聚合物改性沥青的离析试验，用以评价改性剂与基质沥青的相容性；粘韧性试验用以评价沥青掺加改性剂后在粘韧性方面的改性效果；冲击板试验用以评价改性沥青与石料低温粘结力大小。还有测力延度试验、改性沥青和沥青混合料的老化试验及沥青与石料的粘附性试验（抗剥落试验）等。
（3）美国战略公路研究计划（SHRP）提出的沥青结合料性能规范。
美国公路战略研究计划（SHRP）对沥青材料进行了五年的研究，提出了一个沥青结合料的路面性能规范。由于它是在沥青材料各项路用性能模拟实际环境试验条件的基础上提出的评价指标，因此它不仅适用于普通沥青，也适用于改性沥青。实际上，正是因为美国提出了SHRP沥青结合料路用性能规范，而现在我们使用的沥青达不到规范规定的指标，所以才出现了前所未有的对改性沥青的重视，推动了世界范围的对改性沥青的研究与应用。

SHRP提出的各种路用性能指标包括：
（1）高温稳定性（高温时抵抗永久变形的能力）；
（2）低温抗裂性（低温时抵抗路面温缩开裂的能力）；
（3）耐疲劳性（抗疲劳破坏的能力）；
（4）抗老化性能；
（5）施工安全性、可操作性。
通过对各类改性沥青性能评价指标的对比分析，可以肯定的是，目前，对于不同的改性沥青，该用哪些指标来衡量其品质，至今也没有统一的观点和试验方法，上述三类方法也各有利弊，具体实施时要注意结合起来使用。

4、改性沥青的制作
除了少量可以采用直接投入法加工的改性剂，如SBR胶乳外，大部分改性剂与道路沥青的相容性很不好，所以必须采用特殊的加工方式，将改性剂完全分散在沥青中，才能生产改性沥青。归纳起来，改性沥青的加工制作及使用方式，可以分为预混法和直接投入法两大类。
预混法又可分为：（1）母体法：先加工成聚合物高剂量母体再在现场调稀使用。（2）现场制法法：对EVA以及某些相容性较好的聚合物，可以直接采用搅拌法加工；对SBS、SIS等热塑性橡胶类改性剂，由于它们与沥青相容性较差，必须通过胶体磨或高速剪切设备的专用机械的研磨和剪切力强制将改性剂打碎，使改性剂充分分散到基质沥青中。这是目前国际上生产改性沥青最先进的方式，这一加工技术在国内也发展得较为成熟。
所谓直接投入法是直接将改性剂投入沥青混合料拌和锅与矿料、沥青拌和制作改性沥青混合料的工艺。从严格意义上来讲，这不是制作改性沥青的方法。

至于选用何种改性剂进行改性沥青生产，现在一般的原则是：
（1）根据不同的气候条件选择
对夏季炎热地区，高温稳定性要求较高，SBS、PE、EVA等的改性效果较好；而对低温寒冷地区，对抗裂性能的要求较高，SBS、SBR的改性效果较好。
（2）根据不同的荷载条件选择
对主要供轻型车行驶的道路，主要考虑行车舒适和气候因素，对抗裂性能的要求是重点，可选择SBS、SBR等；而对以重车比例大、超载车多的干线道路，主要目的是抵抗车辙、拥包等永久变形，则可考虑采用SBS、PE、EVA等改性剂。
（3）根据现有的加工能力
（4）经过技术经济分析确定改性方案
对任何一个工程，都必须从技术性能及经济成本两方面分析，选择成本低、性能好、效果好的改性剂和制作方式。

5、改性沥青技术的发展方向
到目前为止，改性沥青及其混合料还没有现成的设计方法和准则，很多研究基本上还是沿用传统的方式方法，虽然美国SHRP提出了模拟实际环境的沥青混合料设计规范，但对改性沥青混合料、设计方法，对改性剂、基质沥青的选择、剂量的确定还没有理论依据。尽管欧洲从20世纪40年代始，就发展了改性沥青技术，但从改性沥青品种上看，20世纪80年代欧洲广泛使用EVA改性沥青，一直到80年代中期才认识到SBS改性沥青的优良性能，EVA逐渐为SBS代替。据壳牌公司介绍，现在全球改性沥青总量中SBS/SIS（热塑橡胶类）占44%、EVA占11%、PE占3%、EPDM（乙丙橡胶）占12%等等。但是这些改性沥青每年的总用量仅占全部道路沥青用量的约4%。这里必须指出的是除特殊情况和特殊场合的路面工程中，为满足某种特殊要求才使用改性沥青外，一般重交通道路（含高速公路）的路面工程，非改性沥青是完全能满足路用功能要求的。世界各国几十年的道路工程实践充分说明了这一点。
西欧一些国家使用改性沥青有其客观原因。这些国家的公路国道网早已形成，新建高等级公路不多，主要是老路面的性能改善。这些老路面的共同特点是：路基和路面结构层是稳定的，仅沥青面层辙槽过深，裂缝过多，表面平整度达不到要求和抗滑性能不满足要求等。为了改善这些老路面的使用性能，同时延长其使用寿命，在老路面上加铺一新面层时，在部分特殊高等级公路上或局部重要路段上使用改性沥青是完全可以理解的。特别是使用薄面层和超薄面层或表面处治时，常需要用改性沥青。即使是进入21世纪的今天，国外新建高速公路一般也不使用改性沥青。这样做，一方面是技术上没有必要，另一方面可以节省很多宝贵的投资。
“十五”期间，我国交通技术创新有两个重点，一是公路建设以新材料和新工艺的开发为重点。二是实施交通智能化管理，以提高公路网运营管理水平。前者主要是指开发改性沥青及生产设备，研究改性沥青路面的设计方法、评价指标及施工工艺，提高沥青路面的使用性能和使用寿命。这一重点的立足点是针对国产沥青大多存在性能上的缺陷，如基质沥青品质不好，含蜡量高，高温软化，低温脆裂。采用改性沥青技术某种程度上是个不得已的方法，这一点是应该必须明确的。对国产沥青的改性研究我国起步较晚，到目前为止，还缺乏一个统一的认识。笔者认为，我国的改性沥青技术应与国外的改性沥青技术严格区别开来。我国进行改性沥青的研究，最重要的目的是使不符合“重交通道路石油沥青技术要求”的、不能用于高等级公路的国产次质沥青用到高等级公路上，而不是简单地照搬别人已有的东西、重复试验。有了这种认识，我们国家发展改性沥青技术就有了两条明确的主线，一是学习和借鉴国外改性沥青技术，利用国外优良基质沥青对沥青的使用性能进行改善，在此基础上，可以参照美国SHRP规范在

以下几个方面使用这些改性沥青：
（1）表面处治（含重交通道路路面性能改善）；
（2）薄面层和超薄面层密实沥青混凝土；
（3）多孔隙（或开级配）沥青混凝土磨耗层（含水泥混凝土路面）；
（4）防水层或应力吸收膜中间层，后者主要用于减轻或延缓老路面的裂缝反射到薄沥青面层上，简称SAMI；
（5）特重交通高速公路和特重交通城市道路的特殊路段，城市道路交叉口和公共汽车站等特殊路段；
（6）大桥桥面和隧道中的路面；
（7）封缝。
另一条主线就是立足于国内沥青品质，另辟蹊经，通过掺加外掺剂，使用特殊工艺，生产符合重交通道路沥青要求的国产改性沥青，这才是我们的最终目的。目前，这方面的研究已有了突破性进展，这就是云南省交通厅“九五”科技攻关项目——硅藻土改性沥青路面应用研究。大量的试验表明，硅藻土改性沥青应用技术对于改善路面的抗高温、低温和抗老化，提高路面强度都有明显作用。路面中试结果，在不同负荷、不同气候条件的路面铺设应用后，沥青的高温软化性和低温抗裂性有明显改善，水稳定性得到大幅度提高，沥青混合料疲劳寿命提高50%以上。与普通沥青路面相比，在铺设厚度相同的条件下，每平方米（一厘米厚）仅增加成本0.23—0.33元。与国内常用的SBS改性沥青相比，增加成本只是其1/5—1/10。

6、结论
改性沥青是一种发展前景看好的高技术产品。在特定情况下，为使沥青混凝土达到某一更高的使用性能，以满足客观要求，需要采用改性沥青。
至今，我国对改性沥青的研究还很不够，离国际水平有相当大的距离。尤其是改性沥青国产化方面，仍有很多工作需要各方面关注及努力。
初步研究表明，根据沥青改性的目的和要求选择改性剂时，可做如下初步选择：
   （1）为提高抗永久变形能力，宜使用热塑性橡胶类、热塑性树脂类改性剂。
   （2）为提高低温抗裂能力，宜使用热塑性橡胶类、橡胶类改性剂。
   （3）为提高抗疲劳开裂能力，宜使用热塑性橡胶类、橡胶类、热塑性树脂类改性剂。
   （4）为提高抗水损害能力，宜使用各类抗剥落剂等外掺剂。
我国的改性沥青技术发展应以借鉴国外已有技术及研究国内普通沥青改性技术两条主线发展为方向，尤其后者更具有广泛的社会效益与经济效益。

目前需要着重解决的几个主要问题：
（1）合适基质沥青和合适改性剂的选择；
（2）要正确使用改性沥青，避免滥用；
（3）研究改性沥青混凝土的使用性能和使用寿命。
     通过以上三个问题的研究解决，将使我国的改性沥青技术不断向前推进，从而建立起适合我国具体情况的规范、标准、完善的改性沥青技术体系。

参   考   文   献

1、汤林新、刘治军等编著  高等级公路路面耐久性  北京：人民交通出版社  1996
2、JTJ036—98  公路改性沥青路面施工技术规范  北京：人民交通出版社  1998
3、沈金安编著  改性沥青与SMA路面  北京：人民交通出版社  1999