改性沥青的类别及其改性机理

改性沥青的类别及其改性机理摘要：改性沥青以其优良的性能受到越来越多人的青睐，并且SBS改性沥青已得到普遍应用。总结了改性沥青的类别，并阐述了改性沥青的改性机理；说明了改性剂与沥青相容性的问题，对SBS改性沥青进行具体的分析；提出了改性沥青存在的不足以及所需要研究的内容。关键词：改性沥青；类别；改性机理；相容性；Abstract：Modifiedasphaltisbecomingmoreandmorepopularforitsexcellentproperties,especiallytheSBSmodifiedasphalthasbeenwidelyused.Itintroducesthecategoryofthemodifiedasphalt，andanalysesthemechanismofmodifiedasphalt.Itillustratescompatibilityproblemsbetweenthemodifierandasphalt,alsostudytheSBSmodifiedasphalt.Finally,putforwardtheproblemofthemodifiedasphaltandtheneedtostudynext.Keywords：modifiedasphalt；category；modificationmechanism；compatibility；引言为了改善普通沥青的高温以及低温性能，提高沥青路面的使用性能和使用寿命，对沥青进行改性已经成为了一种必然的趋势。所谓改性沥青（包括改性沥青混合料）是指掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其它填料等外掺剂，或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得以改善而制成的沥青混合料。近些年来，随着公路等级的不断提高，对沥青材料提出了更高的要求，也促使了改性沥青得到进一步深入的研究。改性沥青的类别目前，国际上并没有统一的改性沥青的分类标准，主要按使用的改性剂的品种进行分类，可将其分为四类。无机填料类代表性品种有炭黑、玻璃纤维、木质素纤维等。橡胶类代表性品种有丁苯橡胶（SBR）及其乳液。热塑性树脂类包括热塑性树脂与热固性树脂，前者有聚乙烯（PE）、乙烯-醋酸-乙烯共聚物（EVA）、聚乙氯烯（PVC）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚烯烃等；后者有近年来国外广泛用做正交异性钢桥面铺装的环氧树脂（EP）。热塑性弹性体代表性品种有苯乙烯-丁二烯=苯乙烯嵌段共聚物（SBS）、苯乙烯-异二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）。早期主要用炭黑、玻璃纤维、木质素纤维等无机材料作为填料用来改善沥青材料的性质，这类材料能够改变沥青路面的抗永久变形能力，但无法改善其低温抗裂性能和疲劳性能，因此聚合物改性沥青迅速发展起来，橡胶类、热塑性树脂类及热塑性弹性体都属于聚合物改性沥青[1]。目前，在众多的高聚物改性沥青材料中，SBS改性沥青以其优良的路用性能得到普遍重视和应用。改性机理分析改性机理是指外添加剂对基质沥青的化学组成、物理化学性质和胶体结构性质改性的作用原理以及基质沥青对外添剂的物理化学性质改性的作用原理。对于改性机理的研究是对改性的作用原理的研究。由于沥青成分复杂，对其改性机理的认识非常困难。目前依据实验现象推测机理较多，而通过实验表征较少，随着人们对沥青成分的不断深入认识，相信对改性机理的认识会不断深入。橡胶类改性沥青，其中使用最多的是丁苯橡胶(SBR)和氯丁橡胶(CR)，其本质是橡胶首先分散于沥青中，然后沥青中饱和分与芳香分与橡胶结构单元中的烷烃结构与芳香结构发生物理化学作用，使橡胶的链结构在沥青中溶胀、延展，从而使沥青具有高分子物质的性质，改善了沥青的路用性能[2]。杨建丽等[3]用共炼法制得废旧轮胎改性剂，加入基质沥青中发现分散性很好，橡胶以大分子水平均匀分散于沥青中，使沥青的性质得到改善。吴少鹏等[4]通过电镜照片、颗粒分布、红外光谱研究了橡胶一沥青的改性机理。认为橡胶改性沥青以单相连续结构存在，整个改性体系呈“海岛型”结构，掺量增大，橡胶颗粒密度增大。改性沥青中无化学作用发生，只是部分混溶或溶胀。金鸣林[5]等研究了橡胶改性煤沥青，认为橡胶与煤沥青发生了化学反应。煤沥青中含有S.N.O等官能团的多环芳香烃嵌入橡胶的网状组织，依靠分子间的化学力结合为一体。原建安[6]对丁苯橡胶改性沥青的机理进行了分析，认为改善低温性质在于增韧，而改善高温性质在于分子量增加和蜡分的相对减少。同时认为沥青的胶体体系平衡状态的改变对改性沥青的性质产生重大的影响。热塑性树脂，如EVA、EPS、PE、APP、PVC、PS等，其改性机理是树脂加入沥青后，在热力、机械力的作用下，聚合物以粒状、微丝状分散在沥青中，形成部分交联的弹性网络结构，限制了沥青胶体的流动性，同时蜡分溶胀于聚合物结构中，其相对含量降低，提高了沥青的粘度，降低了温度敏感性。最常用的热塑性弹性体是SBS、SIS、SE/BS等嵌段共聚物，其改性机理与树脂类改性剂相似。目前国内外聚合物改性沥青研究主要集中在相态结构、流变特性、组分变化、显微结构、计算机模拟几个方面，随着人们对沥青组分的深入认识，聚合物与沥青组分相互作用的研究会成为热点。高聚物改性剂与沥青的相容性从热力学意义上说，改性剂与沥青相容，意味着改性剂与沥青之间分子水平下的均匀。但实际上是改性剂在沥青中分散程度的一种量度，是指在实际测定条件下所表现的改性剂在沥青中分散的均匀性；若从沥青聚集态研究的角度出发，改性剂与沥青共混物中有两种类型：一类是改性剂与沥青二者若以溶一溶混合，能在分子水平互相混合而形成均相体系；另一类，若从沥青的路用品质研究角度出发，改性剂与沥青之间达不到分子水平的混合，或者说是不相容的，沥青与改性剂分别自成一相，沥青与改性剂共混成为非均相体系，即所谓“两相结构”或“两相体系”。在路用温度下，高聚物改性剂与沥青的共混主要是物理共混，二者不能形成分子级水平的共混，因而，二者是不相容的。然而，改性剂能否均匀地分散在沥青中，对改性沥青的性能有重要影响。若改性剂在沥青中能够分散均匀，我们就可称为分散性好，就认为改性剂与沥青的相容性好。反之，改性剂在沥青中的分散不均匀分散性差，就认为改性剂与沥青的相容性差。SBS改性沥青目前，SBS改性沥青以其优良的路用性能得到广泛运用和深入研究。SBSS是一种热塑性弹性体[7]，它在高温下呈塑性，易与沥青共混[8]。它独特的结构使沥青的韧性提高、软化点上升、渗透性降低、延性以及回弹性。沥青改性是一个物理共混过程，与沥青具有良好相容性的大分子聚合物加入沥青中，通过溶胀与吸附使沥青的组分构成发生一定的变化。当SBS分散到基质沥青中时，原来的胶体结构平衡被破坏，SBS吸附沥青中的饱和分和芳香分，并发生溶胀现象，建立新的胶体结构体系，在沥青中形成弹性的网状结构，这种网状结构具有理想的弹性、塑形和延伸性，使沥青的性能得到全面改善。采用SBS改性沥青的优点[9]：提高沥青混合料抵抗低温变形的能力；改善密集配路面抵抗疲劳裂纹的能力；改善路面的抗水损坏能力；改善沥青混合料的抗老化性能；改善抗剥离能力；相对降低蜡含量。尽管SBS的价格相对昂贵，但由于其改性沥青效果优于其它聚合物，目前欧美已经大量使用，我省高速公路也普遍运用，以全面提高道路沥青的性能。在影响SBS改性沥青路用性能的因素中主要有改性剂（SBS）的品种和剂量、反应添加剂（稳定剂、交联剂、表面活性剂等）的类型、基质沥青的性质和与改性剂的配伍性、改性沥青的加工工艺等。而改性沥青的改性效果又与其评价体系有关，因此其性能评价也是SBS改性沥青研究的重点。综合近年来的研究状况，个人觉得最主要的研究还是对改性剂的研究。SBS改性剂的型号品种很多，主要分成星型和线型两大类，其性能对沥青的改性效果影响很大，以往我国生产的SBS性能不稳定或生产成本太高，致使SBS改性沥青难以普遍使用。为此，对SBS改性剂展开研究是非常必要的。以往的研究认为，就沥青的改性效果而言，星型SBS改性效果要好于线型SBS，星型SBS改性加工困难，且易引起相容性不良等问题。为此对SBS改性剂的研究重点在于提高SBS与基质沥青的相容性上，这通常是通过SBS改性技术实现，其改性途径主要有以下几类：化学交联改性技术，即通过单质硫、有机硫化物、过氧化物、酚醛树脂等实现接枝[10][11]、环氧化、硫化，以促使改性剂与基质沥青间达到稳定的互溶共混目的；物理改性技术比如与其他高聚物共混以及表面改性[12]等。结语改性沥青的应用已经成为一种主流趋势，改性沥青的生产工艺也日趋成熟，SBS改性沥青更是得到了普遍应用。虽然改性沥青在实际的应用中存在一些问题，比如改性沥青热储稳定性和抗抗老化性的问题。但是相信随着研究的深入以及技术的发展，这些问题可以得到完善的解决。未来改性沥青的发展方向一定会是发展新型的改性剂，将纳米复合材料应用于改性沥青，能更好的提高改性沥青的性能；并且随着环保的观念深入人心，新的技术将废材料应用于改性沥青，具有很好的经济效益以及社会效益。因此，对于改性沥青的研究，我们还有很长一段路要走。参考文献：[1]谭忆秋.沥青与沥青混合料[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.[2]薛永兵，杨建丽，刘振宇.聚合物用作道路沥青改性剂[J].公路，2001(11)：120-123.[3]杨建丽，刘振宇，王志杰.一种道路及表面涂层沥青的制备方法[P].中国专利，99107872.[4]吴少鹏.橡胶-沥青改性机理的研究[J].武汉工业大学学报，1997，19(3):7.[5]金鸣林，姚伯元，冯安祖.以煤沥青为原料制取高质量筑路油，燃料与化工，1999，30(4):183-184.[6]原建安.聚合物改性沥青机理研究[J].西安公路交通大学学报，2001，21(3):21-22.[7]NingjianAo，QiWang，AiminZhang.ModificationstudyandappelicationofSBS[J].Petroleumchemistryindustry，2001，30(11):874-878.[8]JianboXu，HaianZhu.TheapplicationofSBSinmodificationrodasphalt[J].Balingpetrochemicalindustryscienceandtec