聚合物改性沥青性能

2024-10-16

聚合物改性沥青性能（精选8篇）

聚合物改性沥青性能篇1

0前言

无论沥青路面还是水泥混凝土路面, 大部分路面早期破坏都与路面裂缝有密切的联系, 路面裂缝已成为最常见及最易发生的病害之一, 同时也是不可避免的路面主要病害, 它几乎伴随道路从建成到报废整个使用期。路面裂缝出现后, 在行车荷载和积水冲刷作用下, 裂缝会逐步向路面基层发展, 随着时间的推移, 路面容易形成坑槽[1], 造成道路服务等级下降, 对行车造成了较大的安全隐患。更为严重的是, 裂缝的存在使得路表积水可以顺利通过裂缝进入到道路内部, 导致路基的强度和稳定性衰减, 进而引发更为严重的道路破坏[2]。因此, 对路面裂缝进行修补很有必要: (1) 可以阻止雨水或雪水的侵入, 防止路面结构和路基承载能力的下降; (2) 避免因纵向裂缝所形成的行车方向的台阶对道路舒适性和安全性产生不利影响; (3) 阻碍路面因裂缝而发展成为网裂甚至坑槽, 影响路面的使用性能[3]。对于修补裂缝, 要考虑较多因素, 对修补材料的选择最为关键, 修补材料的性能优劣直接影响道路裂缝的延展趋势。然而目前大多数国产填缝料粘附强度低、高温稳定性差、低温易脆裂, 致使裂缝修补效果不明显, 国外产品价格昂贵, 施工工序复杂, 限制了填缝料的推广应用。鉴于此, 本文针对填缝料应具有高韧性、足够弹性恢复能力和延展性、良好的高低温性能和较高的粘附强度等特点, 研究探讨了聚合物改性沥青填缝料的温度敏感性、低温性能和界面粘附性等性能。

1 试验

1.1 试验主要材料

埃索基质沥青、SBS、橡胶粉性能指标见表1~表3。

1.2 试验方法

通过改性剂、相容剂、增黏剂和基质沥青制备聚合物改性沥青填缝材料, 测试填缝料的针入度和黏度来研究材料的感温性能;测试填缝料的测力延度曲线并通过BBR试验研究材料低温性能;室内模拟不同的界面环境, 研究填缝料的粘结性能。

2 试验结果和分析

2.1 填缝料的感温性能

沥青作为一种粘弹性材料, 其性能与温度和时间有关, 温度敏感性可以表征沥青随温度而发生性质变化的程度, 是测试从低温到高温全温度区域内的常规或非常规指标。对沥青感温性能的表达方式以及评价方法多种多样, 目前普遍采用的沥青感温性能指标主要有针入度指数PI、针入度黏度指数PVN、沥青等级指数CI和黏温指数VTS等[4,5,6]。本文主要采用针入度指数和针入度黏度指数评价聚合物改性沥青填缝料的感温性能。聚合物改性沥青填缝料性能指标见表4。

从表4可以看出, 聚合物改性沥青填缝料的针入度随着温度的上升逐渐变大。填缝料的针入度指数PI为1.9, 温度敏感性较强, 说明该材料是溶凝胶型胶体结构, 触变性较小, 作为裂缝修补材料是比较理想的。从黏度和温度的关系数据可以看出, 随着温度的升高, 黏度大幅度下降。以针入度黏度指数为评价指标, PVN25-135在0~-0.5, 表明聚合物改性沥青填缝材料具有低温度敏感性。

温度提高, 沥青形态发生变化, 逐渐由半固体状态转变为流体状态, 导致沥青黏度下降。主要原因是温度升高也破坏了改性剂在沥青中形成的网络结构, 改性剂分子链在外力作用下, 逐渐沿外力方向伸展。温度越高, 分子链伸展趋势越易实现。分子链向外力方向伸展, 会使处于弯曲或卷曲状态的分子链顺直, 大大减小了分子链之间通过相互缠绕而形成的物理结点, 导致改性剂所形成的网络结构发生破坏, 宏观表现为改性沥青黏度下降。

2.2 聚合物改性沥青填缝料的测力延度研究

测力延度试验[7]主要用于验证沥青在低温下的性质, 根据延度-拉力变化, 绘制出测力延度曲线, 不同的测力延度曲线代表不同的沥青性质, 可以通过对曲线的形状趋势分析, 研究聚合物改性沥青填缝料性质。本文对比了美国CARFCO公司的填缝料和制备的聚合物改性沥青填缝料的低温性能, 结果见图1。

峰值力的大小表征了低温下改性沥青中键长和键角的伸张所需要克服的阻力大小, 峰值力越小, 表明材料柔度越高。材料发生弹性变形阶段力与位移变化的关系可以通过曲线普弹形变阶段的力与位移的变化率k0表征, k0值越小, 表明沥青达到屈服应力所需距离越长, 沥青从可恢复的弹性形变转为不可逆转的粘性形变所需变形越大, 这样能够确保材料即使在裂缝的宽度有较大范围变动时也处于弹性变形阶段, 避免材料被拉裂[3]。

由图1可以看出, 聚合物改性沥青填缝料的测力延度曲线为典型的SBS改性沥青测力延度曲线, 由于新型填缝料中掺有橡胶粉, 故其曲线在发展大变形阶段内随着延度的增加, 应力没有较大的变化, 在发展大变形阶段后期, 随延度增加, 应力开始增大。而美国CARFCO公司的填缝料产品其测力延度曲线也为典型的SBR改性沥青测力延度曲线, 但由于沥青的黏稠度较大, 其测力延度曲线没有出现完整的发展大变形阶段, 在刚进入发展大变形阶段即断裂。

从图1还可以看出, 自制填缝料的峰值力出现在曲线的普弹形变阶段, 材料主要为弹性变形。峰值力达到100 N以上, 表明沥青经SBS和橡胶粉综合改性后, 并掺入增黏剂, 使材料高温性能得到提升, 但也使材料内聚力和稠度增加, 降低了材料的柔度;k0在7.5左右, 单从此数据可以看出, 填缝料的抗拉裂能力较好。

2.3 聚合物改性沥青填缝料的低温流变性

在低温环境下, 为防止填缝料因低温发生脆裂而使填封裂缝失效, 填缝料必须要有良好的低温柔韧性, 即在低温环境下填缝料仍能具有良好的变形能力。低温抗裂性能对填缝料在寒冷环境中是否保持其对裂缝的填封作用有至关重要的影响, 因此, 选用美国SHRP计划中的BBR试验来测试聚合物改性沥青填缝料的低温流变性能。BBR试验是通过测试不同温度下沥青小梁在荷载作用下的弯曲变形, 来评价沥青结合料的低温抗裂性, 主要指标为低温弯曲蠕变劲度模量s和蠕变速率m。低温弯曲蠕变劲度s表征沥青材料抵抗永久变形的能力, 蠕变劲度越大, 材料抵抗永久变形的能力越差, 即材料在低温下变脆;蠕变速率m表征蠕变劲度随时间的变化关系, 蠕变速率越大, 说明温度变化时材料的蠕变劲度能够较快发生转变, 降低了材料与集料的拉应力, 避免材料被拉裂。

通过表5可知, 随着温度的降低, 填缝料的蠕变劲度s逐渐增大且变化幅度很明显, 而蠕变速率m逐渐变小;经老化试验后, s值与同等温度下未老化的相比有很大提高, 而m值降低了。在-12℃、-18℃和-24℃3个温度条件下, 无论是蠕变劲度还是蠕变速率都满足在SHRP设计体系和沥青结合料路用性能规范中对蠕变劲度s≤300 MPa, 蠕变速率m≥0.3的要求。结果表明, 聚合物改性沥青填缝料未老化时具有良好的低温抗裂性能, 但经薄膜烘箱老化后, 低温抗裂性能大幅下降。分析主要原因, 一是受热氧老化后沥青中的轻质油分不断挥发, 改变沥青组分的结构组成, 较高的温度还会造成沥青分子中不饱和双键消失[8], 改变沥青组分的结构链接, 导致沥青变质。二是改性剂可能本身发生分解或具有的性能发生变化, 不再具有原来的性质, 二者的综合作用导致材料的低温性能下降。

2.4 聚合物改性沥青填缝料的界面粘附性能

为了研究不同界面环境下 (见表6) 填缝料的粘结性能, 进行室内模拟, 采用拉伸试验对填缝料的粘结性能进行测试。

拉伸试验采用GF多功能道路层间力测试仪, 基层件为沥青混合料马歇尔试件, 试验拉伸速率为1.2 mm/min, 通过夹具将试件两端固定, 对试件两端进行拉伸, 直到材料被拉伸距离达到2 cm, 通过计算机输出试件拉伸过程中的荷载与位移。拉伸强度按公式P=F/A计算, 式中:P———粘附强度, MPa;F———最大荷载, N;A———拉拔面积, mm2。

对试件进行重复拉伸, 循环4次, 每次拉伸完成后将试件静置直至恢复到拉伸前状态再进行下次试验。不同处理方式下聚合物改性沥青填缝料与基体的粘结强度见图2, 填缝料受力拉伸效果见图3。

通过图2可知, 接触面的湿度、粗糙度, 重复拉伸次数, 连接层受腐蚀程度都会对填缝料与界面的粘结强度造成影响。界面越粗糙、越干燥, 粘附性越好;粘结层经受腐蚀和冻融后, 粘附强度大幅降低, 且经受重复荷载的能力极度减弱;经多次拉伸试验后, 粘结强度明显降低, 但并不一直下降, 随着次数的增多, 粘结强度基本稳定。分析主要原因, 界面潮湿, 形成的水膜降低了填缝料与界面的接触面积, 降低了彼此的粘附性;当粘结层受到腐蚀时, 腐蚀环境对填缝料造成巨大破坏, 使其丧失了粘附能力;当粘结层受到冷热交替的冻融循环时, 填缝料可能与界面粘结并不紧密, 残留的空隙经冻融后逐渐发展为细小裂纹并进一步扩展, 使粘结强度下降。

由图3可看出, 聚合物改性沥青填缝料粘结性优良, 且在拉伸过程中有较高的黏度和较好的韧性, 受力拉伸不易脆断。

3 结论

(1) 聚合物改性沥青填缝料的针入度随着温度的上升逐渐变大, 属于溶凝胶型胶体结构, 触变性较小;以针入度黏度指数为评价指标, PVN25-135在0~-0.5时, 聚合物改性沥青填缝材料温度敏感性较小。

(2) 沥青经聚合物改性后, 并掺入增黏剂, 使材料高温性能得到提升, 但也使材料内聚力和稠度增加, 降低了材料的柔度, 并且具有较好的抗拉裂能力。

(3) BBR试验表明, 聚合物改性沥青填缝料在-12℃、-18℃和-24℃3个温度条件下, 无论是蠕变劲度还是蠕变速率都满足在SHRP设计体系和沥青结合料路用性能规范中对s值和m值提出的要求, 具有良好的低温抗裂性能, 但经薄膜烘箱老化后, 低温抗裂性能大幅下降。

(4) 填缝料的界面粘附性能测试表明, 界面越粗糙、越干燥, 粘附性越好;粘结层经受腐蚀和冻融后, 粘附强度大幅降低, 且经受重复荷载的能力极度减弱;经多次拉伸试验后, 粘结强度明显降低。

(5) 聚合物改性沥青填缝料粘结性优良, 且在拉伸过程中有较高的的黏度和较好的韧性, 受力拉伸不易脆断。

摘要：采用聚合物改性沥青、增稠剂和相容剂等助剂为原料制备了适用于混凝土路面的填缝材料, 通过针入度、黏度试验等评价了填缝料的感温性, 通过测力延度试验表征了填缝料的低温性能, BBR试验研究了填缝料的低温流变性能, 通过设置不同的界面环境运用拉伸试验, 研究了填缝料的粘附性。结果表明, 聚合物改性沥青填缝料温度敏感性低、高温流动性小, 具有优良的低温延伸性和低温抗裂性, 且与基体粘附性好等优点。

关键词：聚合物改性,填缝料,感温性,粘附性

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聚合物改性沥青性能篇2

摘要：我国高速公路建设自改革开放以来，经历了从无到有，从起步到建设成高速公路网的翻天覆地变化。与此同时，传统的普通沥青已经很难适应现代对公路的高标准要求，而改性沥青的研制与应用则较好地解决了这一问题。本文主要通过介绍SBS改性沥青在高温、低温条件下的抗车辙、抗裂性能，与水稳定性，抗滑能力等内容，比较得出其对于传统沥青在工程、经济、社会各方面的优越性，探究了加强对SBS改性沥青的学习，开展对SBS改性沥青深入的研究与推广其广泛应用的长远意义。

关键词：SBS改性沥青；改性沥青性能；改性沥青应用；沥青施工；工程效益；应用前景 1 前言

随着交通流量的增长、车载质量的增加以及高温和低温的作用，为适应道路路面的使用性能的要求，保证路面良好的使用状态，延长路面的使用寿命，就必须探寻更高性能的路面材料。SBS改性沥青混凝土具有很好的高温抗车辙能力，低温抗裂能力，改善了沥青的水稳定性，提高了路面的抗滑能力，增强了路面的承载能力，提高了沥青的抗氧化能力，是比较优良的路面材料。自上世纪40年代以来，国内外学者对各类改性沥青的性能进行了大量的研究工作，改性沥青技术得到了越来越多的重视。现有研究结果表明，与其他改性沥青相比，SBS(苯乙烯一丁二烯一苯乙烯)改性沥青的综合性能[1]更为突出，SBS改性沥青必将在未来很长的一段时间内得到更深入的研究和更广泛的应用。2 SBS改性沥青简介

SBS属于苯乙烯类热塑性弹性体，是苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物，SBS改性沥青是以基质沥青为原料，加入一定比例的SBS改性剂，通过剪切、搅拌等方法使SBS均匀地分散于沥青中，同时，加入一定比例的专属稳定剂，形成SBS共混材料，利用SBS良好的物理性能对沥青做改性处理。在良好的设计配合比和施工条件下，用SBS改性沥青铺筑的沥青混凝土路面有着传统沥青路面无法比拟的优越性能，具有很好的耐高温、抗低温能力以及较好的抗车辙能力和抗疲劳能力，并极大地改善沥青的水稳定性，提高了路面的抗滑性能。SBS改性乳化沥青是以基质110#沥青[2]为基料，以SBS复合粘接剂为改性材料，而后添加乳化剂，在一定工艺流程下，经过掺配、混溶，制备成具有某种特性的改性沥青混合乳液。SBS改性乳化沥青因其良好的粘接性能、抗变形能力和温度稳定性在应用于道路沥青层间处理时取得良好的效果。以SBS改性乳化沥青代替普通沥青作透层、粘层，其防水、粘结、抗剪能力等方面都优于普通沥青，能有效地减少路面损坏，提高路面使用寿命。3 SBS改性沥青研究现状 3.1 改性沥青研究发展历程

随着道路交通量越来越大，车辆轴载越来越重，对沥青的要求就越来越高，为了提高沥青的性能，我们给沥青中加入各种性能优良，价格适中的改性剂即形成了改性沥青。近50年改性沥青的发展大致经历了四个阶段：

（1）1950-1960年，直接在沥青中掺入橡胶粉或胶乳，拌合搅匀使用；（2）1960-1970年，把丁苯合成橡胶以乳胶的形式按比例现场掺配使用；

（3）1971-1988年，除了合成橡胶继续应用外，热塑性树脂得到了广泛的应用；（4）1988年至今，SBS逐渐成为主导改性材料。3.2 沥青改性剂的类型

沥青改性剂种类较多，但是不同的改性剂都有其固有的特点，通过研究和应用[3]，改性剂的使用品种和数量也在不断的变化。目前，国内外使用取得成牧并形成规模的主是要是各种聚合物，其他各类应用不多。用于道路改性的聚合物一般分为以下三类：橡胶类、树脂类和热塑性豫胶类。SBS属于热塑性橡胶类中应用最多的—种，SBS质轻多孔，既具有橡胶的弹性性质，又有树指的热塑性性质，因而兼有橡胶和树脂的特性，SBS改性沥青占据了聚合物改性沥青的65％以上。根据苯乙烯和丁二烯所含比例不同和分子结构差异，SBS分为线型结构和星型结构。SBS(星型)的改性效果最好，但在加工性能方面，线形要比星型加工容易得多。SBS的改性效果除了与SBS的结构相关外，还与SBS的分子量相关，分子量越大，改性效果越明显，但加工稍显困难。3.3 SBS改性沥青的各项性能

3.3.1 SBS改性剂对沥青力学性能影响

SBS橡胶的主要力学性能是黏性和韧性、蠕变性和回弹性。SBS 橡胶沥青的黏韧性或韧性都有很大的改善，说明SBS 橡胶沥青具有更好的抗冲击破坏能力和黏结力。并且随着SBS 橡胶掺量的增加，沥青的回弹性大大提高，经试验，SBS的掺量在1%-6%时回弹性增长幅度较大，掺量大于6%以后，回弹性增长趋于平缓。经试验，低粘度沥青比高粘度沥青制成的改性沥青弹性要好。

3.3.2 SBS改性剂对沥青低温性能的影响

SBS改性沥青的低温性能主要包括低温延伸度、当量脆化点、玻璃化温度。SBS沥青的低温延伸度随着SBS掺量的增大而增大，在3%-5%之间时，增加幅度最大，而超过5%以后增长较为缓慢。随SBS掺量的增加，SBS改性沥青的脆化温度和玻璃化温度都大大降低，说明SBS改性沥青的低温性能大大提高。3.3.3 SBS改性沥青感温性能

温度对沥青材料的影响至关重要，如果改性沥青混合料能承受温度变化的范围越宽，它就能承受夏季酷暑和冬季严寒，既不会高温软化发生永久变形，又不会在冬天发生开裂。，在SBS改性沥青的基础上，通过对不同辅助改性剂的复合使用进行辅助改性后，其改性沥青的延度和针入度大部分得到升高，提高了改性沥青在低温下的抗龟裂能力。改性沥青感温性能是以三种不同温度(15℃、25℃、30℃)之针入度，求取针入度指数(PI)来表示，PI值越低，温感性越高。一般的非改性沥青的PI值基本上不超过一0．8。而改性沥青要求的针入度指数PI应在—0．2以上，改性沥青实际测定PI值均大于一0．2以上，说明改性沥青感温性能得到进一步改善。

3.3.4 改性沥青的弹性恢复性能对于普通沥青来说，当沥青拉伸一定距离剪断后的恢复能力一般均很小，即拉伸长度无法恢复原状。而对于改性沥青，其弹性恢复能力关系到沥青路面受外力作用后变形是否恢复(或接近)原状，是否有效地抵抗外力的作用。当改性沥青弹性恢复均达到92％以上，远超过我国JTJ036—98规定的技术指标要求[5]，基质沥青掺加SBS改性剂后，弹性恢复性能达到了最好效果。SBS改性沥青的施工问题[3] SBS沥青是一种弹性塑胶类改性沥青，与AH-70基质沥青相比，其粘度、软化点明显增加，因此决定了SBS沥青与普通沥青在运输储存与面层施工等方面有不同的要求，只有正确使用才能达到预期效果。4.1 改性沥青运输要求

SBS沥青出厂装车温度≥160℃，采用有保温设施的沥青专用车运输，运到现场应大于14℃，温度过低将无法卸车。4.2 改性沥青储存要求

SBS沥青应使用单独的储存罐，避免与其它沥青混合，降低改性沥青的性能；储存温度不宜超过150℃，若高于150℃长期储存(1周或更长时间)，会破坏SBS结构，导致性能下降；如果因雨季或其它原因，需长期储存(1个月之内)，应降致130℃以下，使用时建议采用加热盘管或导热油加热，并加于搅拌；SBS沥青在正常贮存条件下，保质期—般为30天。4.3 改性沥青泵送要求

当生产沥青混合料时需要将沥青泵送到混合料拌和楼中，由于改性沥青粘性较大，为了确保过滤网眼不被堵塞，建议使用网眼较大的过滤器(95mm以上)，同时加强沥青管线的保温措施。

4.4 施工温度要求

根据改性沥青与基贡沥青的粘温曲线，SBS沥青比基质沥青的温度要提高15-20℃，及试验路的铺筑情况，建议出料温度185℃左右，前2车出料温度提高5℃，初压不低于165℃，碾压终了不低于120℃。4.5 碾压要求

初压：1台钢轮紧跟摊铺机碾压，复压：1台钢轮紧接着碾压2～3遍，胶轮1遍，终压：l台钢轮静压光面2遍。钢轮碾压时喷水量以保持钢轮湿润就行，不宜过大。坚持“紧跟慢压，高频低幅”的碾压八字方针，不少压漏压，力争在高温下碾压密实。SBS改性沥青混合料摊铺温度应控制在170℃~180℃，不得低于160℃。摊铺时应尽量连续不断施工，以减少摊铺机和压路机的停顿，应尽量减少横缝，提高其面层平整度。为提高路面的平整度，表面层宜采用摊铺前后保持相同高差的雪橇式摊铺厚度控制方式。由于SBS改性沥青粘度较大，粘附力强，用部分摊铺机的后雪橇是胶轮式结构[4]，胶轮易粘附混合料细颗粒，影响平整度，所以摊铺机后雪橇是胶轮式结构的必须改成钢滑靴式结构。摊铺速度应控制在2m/min，做到缓慢、均匀、连续不间断地摊铺，禁止随意变换速度或中途停顿。5 SBS改性沥青的工程效益 5.1经济效益[1] 高速公路的建设成本除了初期投资之外，还应包括使用阶段的维修养护费用和营运费用在内，即通常所说的全过程成本经济效益。如果使用SBS改性沥青的费用能在防止早期破坏，减少维修养护，延长路面使用寿命方面得以回报，总的费用不仅不会增加，反而会有很大的节省。有研究[6]表明，SBS改性沥青的高温性能明显优于普通沥青，同时，SBS改性沥青混合料的高温抗车辙、低温抗开裂以及疲劳性能都比普通沥青混合料有较大幅度的提高，从而减小了路面破损产生的概率，这样可以推迟路面维修周期。国外的研究资料表明，沥青路面使用改性沥青后，可以推迟路面维修周期至少3年以上，如果按照每千米高速公路每年的养护费用8万元计算，可以节省养护费用3 240万元，因此，总造价会节省976万元．另外，即使路面进入维修期，改性沥青路面出现坑槽、龟裂等病害的概率也要低于普通沥青路面，维修养护工作量要比同期的普通沥青路面减少很多，这样也可以节省大量的资金。5.2 社会效益[1] 由于减少了路面破损养护维修的概率，路面维修所造成的社会影响相应会减小，同时降低了由于维修路面需要封路而造成交通事故的机会，大大提高了高速公路运营的安全性，社会效益不可估量。SBS改性沥青的应用前景

6.1 SBS改性沥青的主要应用范围

（1）新建高等级公路沥青路面的铺装；

（2）道路养护维修，特别是道路大修中的应用；

（3）特殊铺装，如复合式路面、桥面铺装、机场道面以及其他特殊地段；

（4）特殊性路面，如排水性路面、沥青玛蹄脂碎石路面SMA等高性能使用路面；（5）其他特殊用途，如水泥混凝土路面填缝材料。小桥梁无缝伸缩处理技术、层面防水、大坝防水等；

（6）生产建筑防水用沥青卷材；（7）生产沥青防水胶。

6.2 SBS改性沥青的推广与发展

随着SBS改性沥青在我国进一步推广，其必将在我国的道路建设中发挥重要作用。SBS改性沥青混凝土的配合比设计和生产施工尤其特殊性，成熟的施工工艺是必要的质量保证手段，总结SBS改性沥青施工技术与经验，有利于提高SBS改性沥青混凝土的使用效果，打造出优良的路面工程。

我国改性沥青的研究与应用尚处于初级阶段。在改性沥青的研究中，已经取得许多宝贵的经验，在推广中也取得了许多重要的成果。不断降低科研和应用成本，获得最优的性能价格比，注意环保与节能及可持续发展，是改性沥青研究与广泛推广应用的基本要素。及时掌握信息，认真学习国外经验，促进资源共享，进行系统性的合作研究是加快改性沥青研究与广泛推广应用的有效途径。7 结语

随着SBS改性沥青试验研究的不断深入，生产工艺和设备的不断完善，改性沥青路面施工技术的不断总结，SBS改性沥青在高等级公路、城市干道和机场跑道等的应用，显著提高了路面的使用性能，延长了路面使用寿命，大大降低了养护费用，收到了良好的社会与经济效益。SBS已经成为目前世界上最为普遍使用的道路沥青改性剂，也成为我国今后道路沥青改性剂的发展方向。而作为本专业未来的接班人，我们大学生有责任在学好专业知识的前提下不断丰富自己的课外学习，了解最新的道路材料科研进展。学在当下，积极参与身边的科学研究活动，推动对像SBS改性沥青一样的新型道路工程材料的研究发展，最终必将造福全人类。正文字数：4296 参考文献

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聚合物改性沥青性能篇3

中国建筑材料科学研究总院苏州防水研究院受A公司委托,对其生产的几种不同型号的石油沥青原料进行基础性能检测,并希望通过一系列试验探讨这组沥青原料在特定领域的适用性。本研究探讨了这组沥青原料在自粘卷材配方中使用的可行性。以这组石油沥青为原料,分别讨论了基质沥青、增塑剂、橡胶改性剂、增黏剂、填料、搅拌时间和搅拌速度对自粘卷材配方耐热性、低温柔性、持黏性和剥离性能的影响,分析了原因并总结出了合适的配比。

1 实验部分

1.1 原材料

基质沥青:样品1#—5#;橡胶改性剂:线性SBS与SBRS橡胶粉按比例混合而成;增塑剂:两种沥青软化油按比例混合而成;增黏剂:两种增黏树脂按比例混合而成;填料:滑石粉;聚酯胎。

1.2 制备方法

1)首先将沥青在110～120℃条件下加热脱水,直至目测无气泡产生;2)加入增塑剂,混合加热搅拌;3)待温度升至180℃时加入橡胶改性剂,温度保持在190～200℃之间,搅拌速度为600 r/min,搅拌约1.5h,待其溶解;4)加入增黏剂,维持速度搅拌0.5 h;5)加入填料,维持速度继续搅拌0.5 h,降温至160℃出料;6)在1.2 mm厚的聚酯胎两面分别刮涂0.9 mm厚的改性沥青层,用于检测耐热性、低温柔性、剥离性能和持黏性。

1.3 制样及检测方法

沥青软化点按照GB/T 4507—1999《沥青软化点测定法》检测;沥青针入度按照GB/T 4509—1998《沥青针入度测定法》检测;沥青延度按照GB/T 4508—2010《沥青延度测定法》检测;沥青蜡含量按照SH/T0425—2003《石油沥青蜡含量测定法》检测;沥青黏度按照SH/T 0739—2003《沥青黏度测定法(布如克菲尔德旋转黏度仪法)》检测;自粘卷材耐热性、低温柔性、剥离性能、持黏性能按照GB 23441—2009《自粘聚合物改性沥青防水卷材》检测。

2 结果与分析

2.1 基质沥青

基质沥青是生产自粘卷材最主要的原材料,对自粘卷材的粘附性、低温柔性、耐热性等起着决定性作用。不同牌号的沥青物理性能有所差别,其初黏性和内聚力也各不相同。一般说来,基质沥青针入度越小,体系相容性越差,初黏性越小;基质沥青所含蜡质越多,材料越硬,低温柔性和剥离性能越差;基质沥青所含油分越多,沥青分子间作用力越小,其内聚强度越小。一般选择具有低温柔性好、粘结性高、相容性好、蜡含量低等优点的基质沥青。本研究考察了5种沥青样品,分别检测了软化点、针入度、延度、蜡含量、黏度、低温柔性和剥离性能,结果如表1所示。

从表1可以看出,这5种基质沥青的物理性能有较大差别,样品1#的软化点最高;样品2#的低温柔性最佳;样品3#的蜡含量最低;样品5#的剥离性能最好。综合考察各因素,选择样品3#作为自粘卷材配方试验的基质沥青,对其进行改性试验。

2.2 增塑剂

增塑剂可以起到改善自粘卷材粘附力、初黏性、低温柔性,降低熔融黏度的作用。增塑剂应该选择挥发性小、黏度低、无毒害、耐老化的品种,此外还要考虑该增塑剂与体系的相容性。增塑剂的用量也有严格要求,适量的增塑剂能改善自粘卷材的性能,但使用过量会大大降低自粘卷材的耐热性能和粘结强度,并且可能会出现渗油现象。本研究选用的增塑剂是由两种沥青软化油按照一定比例混合而成的,考察了增塑剂的添加量为沥青质量的2%、5%、7%、10%时体系的物理力学性能,结果如图1—2所示。

从图1—2可以看出,随着增塑剂添加量的增加,基质沥青的软化点逐渐降低,低温柔性逐渐变好。基质沥青的剥离性能随着增塑剂添加量的增加先呈现上升趋势,在添加量为5%时达到最大值,而后呈现下降趋势。原因可能是随着增塑剂的加入,沥青层和被粘物在界面层上相互润湿,分子之间紧密接触而使吸附力增加,剥离强度逐渐增大;而随着增塑剂加入过量,沥青分子间的作用力逐渐下降,内聚强度降低,从而使剥离强度逐渐减小[3]。因此,在本研究中,增塑剂的添加量确定为基质沥青质量的5%左右。

2.3 橡胶改性剂

热塑性弹性体SBS具有热可塑交联的PS区域和弹性优良的PB区域,呈微观两相分离状态,常温下为橡胶态,高温下呈黏流状。将其加入沥青中,既能改善加工性又能显著提高沥青的高、低温性能和粘结性能,是聚合物改性沥青的最佳改性剂。SBS按分子结构可分为线型和星型,线型SBS的相对分子质量较低,溶解性好,剥离强度高;星型SBS虽然能使改性后的沥青内聚强度更大,但其低温柔性和粘结力较差。本研究选择了线型SBS作为主改性剂,嵌段比(S∶B)为40∶60。另外加入了一种SBRS橡胶粉作为辅助改性剂。在基质沥青和增塑剂确定的情况下,考察了橡胶改性剂的添加量对体系软化点、低温柔性、剥离性能和持黏性的影响规律,见图3—5。

从图3—5可以发现,随着橡胶改性剂添加量的增加,体系的软化点逐渐增加,低温柔性逐渐变好;而剥离强度和持黏性均呈现出先上升后下降的趋势,当橡胶改性剂添加量为40%时达到最大值。主要原因为:开始阶段,改性剂的加入使得改性沥青内聚强度增加,从而使剥离性能和持黏性逐渐增加,达到最大值;而后再继续加入改性剂,内聚强度的增加阻碍了沥青分子与基面的分散与润湿,从而使得剥离强度和持黏性大幅下降。本研究中,橡胶改性剂的合适添加量为沥青质量的40%左右。

2.4 增黏剂

增黏剂的加入可以提高自粘沥青与被粘物的润湿性,使得自粘沥青具有良好的初黏性、持黏性和抗剥离性能。常用的增黏剂有松香、萜烯树脂、石油树脂、古马隆树脂等。综合考虑体系粘结性能、高低温性能以及相容性等因素,选择了上述树脂中一种作为主增黏剂,另一种作为辅助增黏剂。在基质沥青、增塑剂和橡胶改性剂确定的前提下,增黏剂用量与体系性能的关系如图6—8所示。

从图6—8可以发现,适量加入增黏剂后,对体系高低温性能的影响并不显著,对体系的抗剥离性能和持黏性有所改善。但是这种改善有一定的限度,加入过量的增黏剂后反而会影响体系的低温柔性,降低抗剥离性能和持黏性。本体系中,增黏剂的合适添加量为沥青质量的10%左右。

2.5 填料

填料可以改善材料的硬度、刚度以及储存稳定性,并且可以降低生产成本。自粘卷材中所添加的填料主要为滑石粉、碳酸钙等无机填料。本研究选择滑石粉作为填料,在基质沥青、增塑剂、橡胶改性剂和增黏剂确定的前提下,考察了滑石粉的添加量对体系性能的影响,结果如图9—11所示。

从图9—11可以发现,随着填料的加入,体系的软化点逐渐增加,低温柔性逐渐变差,剥离性能和持黏性也呈现下降趋势,特别是当添加比例超过20%后,变化尤为明显。原因可能为:填料的加入增加了沥青分子间的作用力,增大了沥青的内聚强度;过量的填料会吸附体系中的油分,减弱沥青与被粘物的润湿,从而降低了体系的剥离强度和持黏性。综合考虑性能和成本因素,本体系中填料的添加量不宜超过沥青质量的20%。

2.6 操作因素

在分别考察了基质沥青、增塑剂、橡胶改性剂、增黏剂、填料对自粘卷材配方性能的影响后,接着考察操作因素的影响。在配方等其他条件确定的前提下,不同的搅拌时间或搅拌速度对体系性能的影响见图12—17。

从图12—17中可以看出,不同的搅拌时间或搅拌速度下,体系的性能有所差异。随着搅拌时间或搅拌速度的增加,体系的软化点逐渐降低、低温柔性逐渐变好;而剥离强度和持黏性都是先增加后减小。可能的原因为:搅拌时间过短或搅拌速度过慢,体系未能充分混合均匀,相容性较差,影响了体系性能;搅拌时间过长或搅拌速度过快,体系发生降解,从而使体系性能有所降低。综合考虑产品性能和能耗成本,确定搅拌时间为2.5 h,搅拌速度为600 r/min。

3 配方比例与性能

综上,本研究制备的自粘卷材的配方和性能见表2—3。

4 结语

本研究分别考察了基质沥青、增塑剂、橡胶改性剂、增黏剂、填料、操作条件这几个因素对于自粘卷材配方性能的影响,并得出了以下结论:

1)既要考虑基质沥青的基础性能,又要考虑沥青改性后的粘结力和内聚强度。一般选择低温柔性好、粘结性高、相容性好、蜡含量低的基质沥青。

2)增塑剂的加入可以增加沥青层和被粘物在界面层上的润湿性,分子之间紧密接触而使吸附力增加,剥离强度随之升高;但如果加入过量的增塑剂,会使沥青分子间的作用力逐渐下降,减弱内聚强度,剥离强度随之降低。

3)橡胶改性剂的加入使得改性沥青内聚强度增加,从而使剥离强度增加;但加入过多的改性剂,内聚强度的增加会阻碍沥青分子与基面的分散与润湿,反而使得剥离强度大幅下降。

4)增黏剂的加入能改善体系的抗剥离性能和持黏性,但这种改善有一定的限度,过量加入增黏剂会影响体系的低温柔性,降低抗剥离性能和持黏性。

5)填料的加入增加了沥青分子间的作用力,增大沥青的内聚强度,提高了材料的硬度、刚度以及储存稳定性,并且可以降低生产成本。但过量的填料会吸附体系中的油分,减弱沥青与被粘物的润湿,从而降低体系的剥离强度和持黏性。

6)操作条件也是影响自粘卷材性能的一个重要因素,试验中应该严格控制搅拌时间和搅拌速度。

参考文献

[1]陈建华,张广彬,尚华胜.自粘聚合物改性沥青聚酯胎防水卷材的研制[J].石油沥青,2007,21(2):22-25.

[2]王志华,柴凤琴,毛新菊,等.自粘聚合物改性沥青防水卷材胶粘剂[J].粘接,2004,25(1):25-27.

聚合物改性沥青性能篇4

关键词：改性沥青,聚合物,共混母料,溶胀,热解,稳定剂

我国早期使用溶剂法制备聚合物改性沥青,但溶剂法对所选溶剂要求十分苛刻,与沥青混合后还不能达到理想的效果,例如溶剂难以完全回收问题,不但造成溶剂大量耗费,还会影响改性沥青产品品质。此外,溶剂一般有毒又易挥发,易造成污染环境及火灾的隐患。之后,随着诸如高速剪切机、胶体磨等“湿法”分散设备的普及应用,溶剂法逐渐被淘汰。采用“湿法”分散虽能使改性剂在强力剪切作用下破碎,但其弊端也显而易见:(1)剪切少量改性剂的同时需将所有基质沥青全部也剪切数次,其能耗大、设备磨损快,而设备关键部件又由国外生产,使用不便,成本增加;(2)基质沥青有其稳定的胶体结构,反复剪切和循环加热会使其破坏,品质下降;(3)强力破碎的改性剂仍需要数小时溶胀,而且改性剂仍未与沥青形成化学连接。为防止离析而必须在现场制备改性沥青(即使添加稳定剂也难以长时间保存),给使用者增加技术及经济负担。目前,许多沥青生产厂家都在积极开发新的改性沥青生产技术。

1 聚合物改性沥青工艺原理

聚合物改性沥青工艺原理见图1。

图1中:(1)——按剪切力强、弱分为2类:高速剪切机、胶体磨施加强剪切力,强力剪切可使改性剂细化分散,比表面积增大,而易于吸收溶剂(或沥青轻质组分)而溶胀;搅拌器施加弱剪切力,可使细化的改性剂加速溶胀,或使已溶胀改性剂的部分链段扩散到沥青中;(2)——稳定剂分为2类:一类与沥青和改性剂皆有较好的亲和性,可以降低沥青-改性剂界面张力,增加相容性;另一类为过氧化物、硫[1]等自由基引发剂,在改性剂与沥青混合过程中形成少量接枝物而产生化学增容作用。前者具有专一性,如PE-G-M只能对PE改性剂增容,试验表明,此类稳定剂效果不佳,所以后者是稳定剂的主要类型;(3)——可使用沥青轻组分作溶剂或其它有机溶剂。轻质组分一般为脱沥青油、芳香分油等;有机溶剂溶胀能力强,但价格高,且难以回收;(4)——改性剂溶胀后黏度下降,沥青-改性剂黏度差异减小理论上有助于提高相容性,但相容性受分子量、分子结构等多因素影响,仅仅是黏度差异减少对提高相容性效果可能不大;(5)——改性剂溶胀后体积膨胀数倍,改性剂颗粒间联合作用增强,使沥青-改性剂胶体体系结构性增强,力学性能得以改善;若溶剂为沥青中轻质组分,则基质沥青的轻质组分含量降低,力学性能增强。

各种聚合物改性沥青的生产工艺一般由上述剪切、添加溶剂和稳定剂等3个工序组合而成,如溶剂法即先用有机溶剂将改性剂溶胀制成母体后再与沥青搅拌剪切混合[(3)+(1)],如图判断改性剂的稳定分散难以保证,若基质沥青-改性剂配伍性差时则改性剂难以稳定分散,可能产生离析,应随配随用。

现场剪切法即直接利用剪切力使改性剂分散细化,利用基质沥青的轻质组分使其溶胀[(1)]。在基质沥青具有足够的起溶剂作用的轻质组分时,对于低内聚能密度改性剂且仅用搅拌器即能使改性剂分散并溶胀,若改性剂内聚能密度较高可强力剪切促使细化以利溶胀。若沥青轻质组分含量较低,可掺加溶剂保证溶胀[(1)+(3)],但改性剂稳定分散仍难以保证,宜随配随用。

成品改性沥青的生产过程是利用强力剪切将改性剂在热态待改性沥青中细化分散,然后保持低速搅拌并添加稳定剂[(1)+(2)]或同时添加稳定剂和溶剂[(1)+(2)+(3)]。为充分利用溶胀对改性剂稳定分散的有利影响[(4)],还改变工序步骤开发了预混合法,即先将改性剂强力分散至溶剂中(沥青轻质组分),再与沥青混合并同时掺入稳定剂[(1)+(3)+(2)]。

目前的改性沥青普遍存在存放时间短、二次加热易离析等缺点。优点是不需要特殊制作设备而直接使用,如果可以将本来难以细化分散的改性剂作适当处理,制备成仅现场搅拌即可溶入基质沥青的改性剂母料,则其使用也与成品沥青相当。

2 改性沥青技术的工艺原理及其先进性

2.1 定义

先将改性剂与少量沥青在高温、强力剪切作用下共混制备复合母料,再将复合母料直接与沥青搅拌混合成改性沥青的技术,即聚合物-沥青反应性共混母料改性沥青(RM-PMA)技术,其工艺流程见图2。制备复合母料的过程即反应性共混过程是整套工艺的核心。

2.2 工艺原理

聚合物改性剂分子量大,内聚能高,部分还极易成晶,使分子链紧密排列(如LDPE),这对其在沥青中的溶胀十分不利。此外,改性剂化学性质较为稳定,一般环境中难以与沥青牢固结合,导致改性剂发生聚沉(或聚集上浮)[2]。对改性剂进行共混母料处理的目的是:(1)使改性剂易被沥青的轻质组分溶胀;(2)增进改性剂与沥青的亲和性,促使改性剂在沥青中稳定分散。目标实现的机制是:改性剂在共混设备中受高温作用,分子链剧烈振动,链间相互作用力减弱,间距增大,即实现扩容,沥青轻质组分易于渗入改性剂;高温、剪切联合作用使改性剂、沥青分子链断裂形成自由基,自由基反应形成一定数量改性剂接枝沥青组分(改性剂-G-沥青组分),则由相似相容原则,改性剂-沥青亲和性得以增强。

沥青组成复杂,其分子链断裂后生成多种自由基,但并非所有自由基都能增进改性剂-沥青的亲和性。试验显示,聚合物更易于被与其极性相近的沥青组分溶胀,说明极性相近对提高改性剂-沥青亲和性也有重要作用。PE为非极性改性剂,相对于沥青SBS、SBR也呈弱极性,为有效提高改性剂-沥青亲和性,我们希望改性剂接枝沥青组分后能够使极性增强。在较低温度时,沥青中长链饱和分即能在薄弱的链中部断裂生成自由基,但饱和烷烃自由基不能赋予改性剂极性。若改性剂与极性组分产生联系则有很好的效果。沥青组分中包含有芳香烃,苯环自身虽具有较高热稳定性,但其侧链上与苯环共轭的C—C健(见图3)容易断裂生成芳烃自由基,芳烃侧链赋予改性剂极性,增进了改性剂-沥青的亲和性。改性剂与沥青极性组分反应机理如下:

式中:Ar——芳烃基;n=k+m;N=K+M;k=1最易发生;K与M接近

2.3 先进性

沥青与大分子改性剂虽难以实现分子级共混,但在实验室内早已能使改性剂以微小颗粒稳定分散于沥青中。即使对不具备活性官能团的聚乙烯改性剂,也可通过接枝极性官能团的方式解决其相容性问题[3,4,5]。但现场生产往往要求工艺简单,RM-PMA技术将复杂的增溶工艺步骤转移至实验室或工厂,而使用者只需将颗粒母料投入带搅拌器的沥青储存罐即可。

当沥青中起溶剂作用的轻质组分含量偏低时,需要外加溶剂,通常在改性剂分散于沥青之后添加。由于溶剂在大量沥青中稀释,其溶胀能力不但大大降低,还影响到沥青的品质。若在共混母料时加入溶剂,则可高效发挥溶剂作用,促使改性剂加速溶胀。

改性剂用量仅占沥青质量的4%～6%,但生产时必须对所有待改性沥青进行加工(对熔融指数较小的改性剂还要事先浸泡待其变软),大量沥青被反复加热、剪切,既耗费电能又排放大量沥青烟气,属于粗放型生产。RM-PMA技术的加工量则很少,室内烟气易于回收,是集约化生产方式。

3 母料设计

3.1 母料用沥青的选择

判断标准是沥青的组分比例是否有利于促进反应与溶胀。就促进反应而言,要求共混母料的沥青含有较多的热不稳定的极性组分,在共混时提高极性组分自由基浓度,促进改性剂-G-极性组分生成。同时又要求沥青中含有足够的能对改性剂起溶胀作用的组分。遵循极性相近原则,对于SBS、SBR等改性剂,选用芳香分含量高的沥青;对于PE改性剂,却不宜只考虑提高沥青饱和组分含量,还必须照顾反应的要求综合考虑,最理想情况是沥青饱和分与热不稳定极性组分含量高而热稳定的极性组分含量低。

3.2 结构设计

改性剂与沥青形成两相互穿连续结构,能促进母料在大量沥青中分散。两相连续结构的形成首先由两相材料各自体积比例决定。按照最密实填充,一般是当其中一相体积分数大于76%时此相就成为连续相,小于24%即成分散相,所以若要成为两相连续则通常应使一相的体积分数在24%～76%。由于沥青与改性剂黏度相差悬殊,使得沥青成为连续相的能力大大增强,即使沥青的体积分数小于24%时也会成为连续相。笔者曾将PE与沥青按85∶15进行共混,发现沥青仍然趋于连续相。所以在对某种改性剂进行共混之前,应通过调整配比、选用助剂和改变工艺参数(如温度、时间等)等办法对母料结构进行设计,以使母料成为或趋于两相连续结构。一般说来,对于黏度较高的改性剂,其体积应占整个母料体积的80%以上,为避免沥青用量过少,可利用沥青与改性剂的不同黏温特性(当沥青温度高于180℃后其黏度对温度敏感性减弱),通过提高共混温度以减小改性剂-沥青的黏度比,降低改性剂含量;对黏度稍低的改性剂,其体积分数应适量下降,但均保持在70%以上。

4 母料稳定性分析

规范规定母体法制备的母体不能离析[6],现对其稳定性作简要分析。根据改性剂-沥青的比例不同把母料分为低浓度母料(改性剂占母料总质量的50%～70%)和高浓度母料(改性剂占母料总质量的70%～90%)。低浓度母料中沥青为连续相,改性剂为分散相。根据溶胶形成条件,分散相浓度应保持很低或很高(见图4)。低浓度母料中改性剂虽为分散相但其比例甚高,在共混结束后大量改性剂微粒的聚集成团很快发生,大量聚团的形成迅速降低改性剂浓度使起聚团不会长大,母料形成稳定的溶胶结构而不会发生离析。高浓度母料中改性剂则已经成为连续相,含量较少的沥青被大量的改性剂充分吸收,同样不会产生离析。

5 母料生产

5.1 共混温度设计思路

共混温度是RM-PMA生产工艺的关键参数,其优化过程需综合考虑改性剂扩容程度、改性剂-沥青极性组分反应程度和生产成本等因素。就改性剂扩容而言,由内聚能的定义[7]:

式中:△E——内聚能,J;

△Hv——摩尔蒸发热,J;

R——摩尔气体常数,8.314 J/K;

T——温度,K。

即温度越高改性剂内聚能越小,扩容程度越高。就反应程度而言,根据改性剂热解TG曲线(见图5),以改性剂起始失重温度T1’(对含杂材料应注意辨别)为起点,考虑分子断链(自由基形成)温度低于起始失重温度,考虑实际生产与试验升温速率、恒温时间差异,考虑生产时强力剪切的促进作用,将T1’折减至T1作共混温度下限;沥青极性组分中,芳香分、胶质属于热不稳定组分,受热向沥青质转化,为促使极性组分自由基大量形成,提高改性剂与极性组分反应,以沥青质热分解温度T2’为起点,同样考虑生产上述情况,将温度折减为T2作共混温度上限;沥青质热解生成的小分子迅速蒸发,直接反映出质量损失,而改性剂为长链分子,持续受热链长逐渐减小至蒸发,则可判断(T1’—T1)<(T2’—T2);综合考虑扩容、成本等要求确定共混温度T3∈[T1,T2]。此方法具有很强的经验性,T3是否合理,应以母料改性沥青的储存稳定性和路用性能为检验标准。表1是笔者按上述方法设计了几种改性剂的共混温度,其中T1’参考文献[8-12],T2’参考文献[13-14]。

℃

5.2 共混设备

按共混温度、剪切能力需求选用各类聚合物共混设备,若共混温度要求很高,则可使用裂化设备。螺杆挤出机加工温度高,剪切混合能力强,又能连续生产,是较理想的共混设备。选用螺杆长径比较大而螺旋角较小的挤出机,以保证改性剂-沥青的充分混合、反应;保证生产原料含水量低于0.5%;生产前应在设计配比基础上进行生产配比试验;挤出条状母料应用水冷却,并提高切粒速度;块状母料应冰冻处理后再用破碎机粉碎。

6 结语

聚合物改性乳化沥青研究进展综述篇5

1 改性乳化沥青的发展

乳化沥青,就是沥青熔化后经过机械剪切的作用,以细小的微粒状态分散于含有乳化剂的水溶液中,形成油状的沥青乳液[2]。使用乳化沥青时不用加热,可以在常温状态下施工。沥青乳化剂的基本作用是降低表面张力,其分子带有亲水性的极性基团和憎水性的非极性基团。在沥青-水体系中,乳化剂分子的憎水基团吸附于沥青的表面,并使其带有电荷,而亲水基团则进入水相,从而将沥青颗粒与水连结起来,降低了两者之间的界面张力。同时,由于沥青粒子带有同样电荷而互相排斥,阻止了它们之间的互相凝聚,使沥青乳液一定时期内保持均匀和稳定[3]。乳化沥青虽然具有能冷施工、增强沥青与集料的黏附性及拌和均匀性、节约10%~20%的沥青原料、延长施工季节、减少环境污染等优点,但由于它只是沥青的另一种形式,因此也无法摆脱沥青本身所固有的易老化、温度敏感等弱点[4]。现代工程对乳化沥青在低温条件下应具备的弹性和塑性、在高温时应具备的强度和热稳定性、在使用条件下的抗老化能力、与各种工作结构表面的粘结力以及耐疲劳性等,均提出了更高的要求,因此改性乳化沥青应运而生。

改性乳化沥青是以乳液状高分子聚合物对乳化沥青进行改性或者以高分子聚合物改性沥青进行乳化所得到的产品[5]。改性乳化沥青也是一种新型沥青路面结合料,它具有改性沥青和乳化沥青的优点,如热稳定性较高,软化点有所提高;成膜性、黏附性、回弹性能、低温性能提高,脆点下降;在比乳化沥青适用温度低很多的温度范围内,具有较好的抗裂性能,耐疲劳性能明显提高;可节约沥青用量[6]。此外,改性乳化沥青应用范围更宽,特别是结合稀浆封层技术对路面进行微表处理[7],可消除路面的开裂、光滑、车辙、松散、老化等病害,提高路面平整、耐磨、防滑、防水等性能。

2 聚合物改性剂

在众多沥青改性剂中,聚合物改性剂是应用最广泛、也是研究最深入的一类。目前,国内外常用的聚合物改性剂可分为三类:热塑性树脂类、热塑性弹性体类和橡胶类。

2.1 热塑性树脂

常用的热塑性树脂包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、乙烯乙酸乙烯共聚物(EVA)等。这类材料对沥青的高温性改善较大,改性后沥青的软化点大幅度上升。但热塑性树脂的加入,并不能使沥青混合料的弹性增加,而且加热后容易离析,再次冷却时会产生众多的弥散体,且其对沥青的低温性改善也不明显。热塑性树脂共同的特点是加热后软化,冷却时固化变硬。

Burak Sengoz等[8]用荧光光学显微镜和Qwinplus图像分析改性沥青,得出当聚合物含量为4%时EVA改性分散得最好的结论。EVA改性沥青可以改善沥青的永久变形和热裂解性能,但更易受薄膜烘箱老化试验的影响,这是因为薄膜烘箱老化试验加速了其存储阶段的硬化。

原健安[9]以EVA作改性剂,用DSC对改性前后的沥青作比较,发现改性沥青的吸热峰比原沥青的吸热峰面积减小,曲线相对平坦。他认为这是由于在改性过程中掺入改性剂和机械共混的作用,使其结晶组分、数量及组分的相发生转化,从而引起沥青微观的变化。沥青的共混过程不光是一个镶嵌共混的过程,也是沥青自身性质改善的过程。

2.2 热塑性弹性体

常用的热塑性弹性体以SBS为代表,它是20世纪60年代发展起来的一种新型高分子材料,是一种嵌段共聚物。SBS在常温下具有橡胶弹性,而在高温下又能像塑料那样熔融流动,也就是说具有橡胶和塑料的双重特性。SBS改性剂最大的特点就是它的高弹性,高温下不软化,低温下不发脆。用它做改性剂,不仅使沥青的高温性能得到改善,而且其低温性能也同时得到改善。由于SBS具有良好的高弹性,使其变形后的自恢复性及裂纹的自愈性得到极大的提高,所以它也成为目前世界上普遍使用的道路沥青改性剂[10]。由于SBS黏度大,难以乳化,为了便于制备改性乳化沥青,国内外都将SBS的乳化作为研究重点。

专利[11]采用两步法:先加入乳液至装有搅拌混合器的高速分散器,再加入改性沥青预分散,分散器终端装有胶体磨,胶体磨与分散器循环衔接,分散至改性乳化沥青乳液微珠直径为2~20μm。

美国专利[12]提出将沥青倒入带有一个搅拌器和一个回流冷凝器的反应器中,再添加改性剂,制得黏度为1.8~2.0 Pa·s(140℃)的改性沥青,与乳化剂(溶液)一起加入到胶体磨,乳化得到阳离子型快凝改性乳化沥青。并且提出所选用的基质沥青的黏度最好在40~60 Pa·s(60℃)。

2.3 橡胶类

常用的橡胶改性剂有天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶等。橡胶改性道路沥青的机理,可认为是橡胶首先分散于沥青中,然后沥青中的饱和分和芳香分与橡胶结构单元中的烷烃结构和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,最终改善了沥青的路用性能[13]。

徐安花等[14]通过对ROADEX U-Ⅱ改性剂掺配兰州炼油厂的重交110号沥青混合料进行试验研究,发现两者具有较好的相容性,沥青混合料具有较好的低温性能,很适合在高寒区沥青路面中推广使用。

郑秀华等[15]在氯丁胶乳改性沥青乳液中加入防冻剂后,制得耐寒型氯丁胶乳改性沥青乳液,而该乳液具有很好的低温柔韧性,且综合性能优良,可以在-40~80℃的环境中使用,生产工艺与施工均较简便,适合于三北地区使用。

徐立等[16]用氯丁胶乳改性沥青采用二次热混合法制备工艺,配合硫化剂和复合增强剂的使用,使防水涂料的成膜效果更好,拉伸强度、延伸率、不透水性提高,适应桥梁结构变形的需要。

3 沥青乳化剂

沥青乳化剂就是能将沥青乳化的表面活性剂。其分子结构由相对集中的极性基团(亲水基团)和非极性基团(疏水基或亲油基团)组成,形成一端亲水、另一端亲油疏水的不对称两亲结构[17]。

3.1 沥青乳化剂的作用

乳化剂的基本作用是降低沥青-水体系的界面张力,利于沥青在水中的分散而形成水包油型(O/W)沥青乳液。其特点是乳化剂分子很快被吸附在沥青微滴表面,且部分动态平衡的乳化剂胶团分解开来,也被吸附到沥青微滴液面。这样沥青微滴被乳化剂分子所包覆,形成乳化剂分子的非极性基团伸向沥青微滴、极性基团伸向水中的沥青乳液胶团[18]。

3.2 沥青乳化剂的分类

乳化剂的分类有多种[19],按离子类型分有阴离子乳化沥青、阳离子乳化沥青、两性离子乳化沥青、非离子乳化沥青等几种。

3.2.1 阴离子乳化剂

此类乳化剂原料便宜易得,工艺简单,技术成熟,不必调节p H值就可直接使用,在乳化沥青的发展初期受到了重视[20]。主要包括羧酸盐类、磺酸盐类、硫酸脂盐类、磷酸脂盐类等。

3.2.2 阳离子乳化剂

此类乳化剂发展较晚,但实践发现它与各种矿料有更好的黏附性,用量也可以较少,因此得到了更广泛的应用[21]。阳离子乳化剂主要有烷基胺类、酰胺类、咪唑啉类、季铵盐类、环氧乙烷双胺、胺化木质素等。其中二烷基或三烷基胺类一般没有乳化性,含有C12~C22的单烷基胺类乳化剂效果较好。由于烷基单胺缺乏足够的乳化能力,所以现在常用有C12~C22烷基、2~4个亚甲基的N-烷基聚亚甲基二胺盐类乳化剂[22]。

3.2.3 两性离子乳化剂

它的分子结构与氨基酸相似,即分子中同时存在酸性基和碱性基,易形成“内盐”。主要有甜菜碱型、氨基酸型、咪唑啉型等,也有杂元素代替N、P的,如S为阳离子基团活性中心的两性表面活性剂。其耐硬水、钙分散能力较强,与其他各类型的乳化剂有良好的配伍性,但价格较高。除甜菜碱型乳化剂外,表面活性剂的性质一般与溶液的p H值有关。

3.2.4 非离子乳化剂

非离子乳化剂大多是由环氧乙烷与带活泼氢的化合物(如酚、醇、羧、酸、胺等)反应得到的,其活性不仅与疏水烷基有关,还与聚氧乙烯链的长短有关[23]。它具有高表面活性、稳定性以及良好的乳化能力,与其他乳化剂及其助剂的配伍性较好,并对金属离子有一定的螯合作用。它的活性与溶液的p H值无关,在转相点形成的乳液最稳定。一般有C12~C18的脂肪醇和C8~C10的烷基酚的环氧乙烷加成物的是优良的乳化剂,环氧数低于5~6的为油溶性的[24]。常用的烷基酚聚氧乙烯醚的烃基一般含有C8~C20,氧化乙烯的含量在85%~99%左右,并且常与其他类型的乳化剂复合使用。

3.3 沥青乳化剂的选择[25]

1)优先选用阳离子型乳化剂。因为通常石料表面是带阴离子电荷的,选用阳离子乳化剂制备成的沥青乳液在与石料表面接触时容易破乳,从而达到与石料很好粘结的目的。而且,采用离子型乳化剂也可使乳液中的分散粒子带电,其静电斥力相互排斥使沥青乳液避免发生絮凝和聚集等破坏现象,从而有利于沥青乳液的稳定。

2)选择和沥青具有类似结构的乳化剂,并且乳化剂分子和沥青有很好的相容性,这样可以获得较好的乳化效果。

3)将离子型乳化剂和非离子型乳化剂配合使用常常会取得良好的乳化效果,使得到的乳液更加稳定。一般认为,在配合使用时,两种乳化剂分子将交替地吸附于乳液粒子表面,相当于在离子型乳化剂分子间又嵌入了非离子型乳化剂分子,这样就降低了同一乳液粒子表面上电荷间的静电斥力,增强了乳化剂分子在乳液粒子的吸附牢度,从而使乳液的稳定性得到提高。

4 制备工艺

改性乳化沥青的制备主要包括对沥青进行改性和乳化[26],根据改性和乳化的先后顺序不同,可以分为先乳化后改性或先改性后乳化,即:乳化沥青的改性和改性沥青的乳化。

4.1 乳化沥青的改性

对乳化沥青的改性,是以乳化沥青为基料,以乳液状的高分子聚合物作为改性剂,有时也加入适当的分散稳定剂及其他微量配合剂制备而成。制备方法一般有3种:

第1种是二次热混合法,又称为水溶乳化法[27],是先把改性剂胶乳与热乳化剂水溶液混合,再把该混合液与热熔沥青送进乳化机进行乳化;在乳化过程中,改性剂胶乳与沥青再混合并分散(图1)。此工艺只需要一个工序就能完成,具有制备效率高、过程易控制、操作方便的优点,而且制得的改性乳化沥青还具有存储稳定性好等优点,因此采用该工艺较为普遍。

第2种为一次热混合法,又称为外掺法[28],是热乳化剂水溶液与热熔沥青经乳化得到乳化沥青后,再立即与改性剂胶乳一起送入乳化机进行混合(图2)。这种工艺首先将沥青进行乳化,而后将沥青乳液与橡胶乳液在强力搅拌下混合来制备改性乳化沥青。此工艺条件下,由于胶乳和沥青颗粒都在较大尺寸范围内机械混合,加上胶乳中橡胶粒子和沥青粒子的相对密度和沉降速度存在差别,影响了改性沥青的均匀性和稳定性,制得的改性乳化沥青效果不太好,因此现在一般已不采用该工艺。

第3种是一次冷混合法,将改性剂胶乳与乳液沥青在常温下送入乳化机进行混合。这3种方法中二次热混合法和一次热混合法分散性较好,不足在于二次热混合工艺流程长、能耗高,一次热混合法改性效果不如二次热混合法。一次冷混合法温度较低,工艺简单,但是沥青与胶乳颗粒的吸附、分散、渗透作用程度有限,分散性不如前两种方法,改性效果也较前两种差,一般不推荐使用。

一种胶乳改性乳化沥青往往不能达到理想的效果,采用两种胶乳复合改性乳化沥青就可以达到同时从两方面改性的目的。胶乳的加入方式应采取一种在胶体磨前加入,另一种在胶体磨后加入。因为两种胶乳直接混合,乳液的稳定性往往不好,甚至引起破乳。如果先把一种加入皂液中,则由于皂液中的沥青乳化剂重新分布达到新的平衡,稳定性要好得多。从工艺上讲,复合改性乳化沥青的生产技术也要复杂得多,因为除了要考虑一种胶乳与沥青乳化剂微粒离子电荷相一致和匹配外,还要考虑另一种胶乳与沥青乳化剂微粒离子电荷相一致和匹配以及两种改性剂之间微粒离子电荷相一致和匹配的问题[29]。

4.2 改性沥青的乳化

对改性沥青的乳化,是先用橡胶、塑料等高分子聚合物或其他填料型外掺剂,与沥青均匀混合,对沥青进行改性,生产出改性沥青[30];然后再以生产出的改性沥青成品进行乳化生产改性乳化沥青。在进行乳化时,需要采用高剪切力的乳化剂、乳化性能极好的乳化剂和适宜的乳化温度。其生产工艺一般如图3所示。

这种工艺需要改性沥青的制备和改性沥青的乳化两个工艺,制备效率不高。除此之外,这种工艺还存在以下不足:1)聚合物在沥青中形成网状结构,必须采用剪切力很强的胶体磨来进行乳化,而当剪切力足够大时,又会对网状结构造成破坏,使改性效果下降。2)改性沥青极难乳化,要求性能极好的乳化剂才能乳化,目前还没有能完全适用于改性沥青乳化的乳化剂产品。3)改性沥青的密度大,乳化后的沥青微粒密度大,相对稳定性差,所以改性沥青乳液的贮存稳定性也较差。

5 展望

聚合物改性沥青性能篇6

沥青防水卷材是建筑防水工程的传统材料,主要有高聚物改性沥青防水卷材,包括APP、SBS作改性材料的防水卷材,胎基以聚酯胎和玻纤胎为主。其中,自粘聚合物改性沥青防水卷材是一种极具发展前景的新型防水材料,除具有低温柔性、延伸性、自愈性及粘结性好的特点,还具有常温施工、施工速度快,可以提高铺设速度,加快工程进度,符合环保要求等优点。因此,自粘聚合物改性沥青防水卷材在国内越来越受到业内的喜爱,市场呈缓慢上升趋势,虽然目前产品所占的市场份额不大,但已经成为当今防水行业的“新宠”[1,2,3]。

自粘防水卷材是一种以SBS等合成橡胶、增粘剂及优质道路石油沥青等配制成的橡胶沥青为基料,采用自粘胶隔离层的自粘防水卷材。它可分为有胎自粘和无胎自粘2种,有胎自粘防水卷材的上、下自粘胶中间夹胎基组成,上覆面为聚乙烯膜,下覆面为可剥起的硅油膜。无胎自粘防水卷材由自粘胶、上聚乙烯膜和下硅油膜组合而成[4,5]。自粘卷材具有极强的粘结性能和自愈性,能够适应高低温环境下施工,是地铁、隧道的防水、防潮和密封材料,还适用于需要冷施工的军事设施和不宜动用明火的石油库、化工厂、纺织厂、粮库等再防水工程。

然而,随着自粘防水卷材应用领域的不断扩大,也逐渐凸显了自粘防水卷材的缺点———耐热度太低(一般为70℃)。如在高温季节,水泥基面在太阳照射下表面温度可达到70℃以上;以及一些金属屋面易吸收热量,表面温度能达到80℃以上。常规的自粘防水卷材耐热度就不能满足使用要求,在此温度下自粘防水卷材发生起鼓、流淌、开裂等问题。因此,我们在常规自粘防水卷材配方的基础上,通过选择合适的改性剂,调节软化剂与增粘剂的配比,率先成功研发出一种高耐热自粘聚合物改性沥青防水卷材,其耐热性能可达到100℃以上,且在低温环境下仍具有良好的施工性能,并且在较高的温度下仍保持优异的粘接性能。具有广阔的市场前景。

1 实验

1.1 原材料

AH-90#基质沥青,锦州石化减三线油,热塑性丁苯橡胶,粉末丁苯橡胶,紫外线吸收剂,抗氧剂,矿物粒料。

1.2 仪器与设备

电脑数控沥青软化点测定仪,北京航天科宇测试仪器有限公司;微机控制电子万能试验机,CMT 6104,美斯特工业控制系统有限公司;低温试验箱,BX-135L,无锡索亚特试验设备有限公司。

1.3 改性沥青的制备

将基质沥青和减三线油加热到160℃,加入粉末丁苯橡胶混合搅拌30 min至充分溶胀,然后升温至180℃,依次加入热塑性丁苯橡胶、紫外线吸收剂、抗氧剂、矿物粒料至充分溶胀,整个制备过程约需2.5 h[6]。

1.4 性能测试

改性沥青软化点测试按照GB/T 4507—1999《沥青软化点测定法(环球法)》,自粘卷材剥离强度测试按照GB/T 328.20—2007《建筑防水卷材试验方法第20部分:沥青防水卷材接缝剥离性能》,自粘卷材低温柔性测试按照GB/T 328.14—2007《建筑防水卷材试验方法第14部分:沥青防水卷材低温柔性》。

2 结果与讨论

2.1 配方设计

2.1.1 软化剂的选择

高耐热自粘聚合物改性沥青的制备是在常规自粘改性沥青配方的基础上,通过选择合适的调试软化剂、改性剂等原材料的配比而完成。在制备过程中,我们将不同的软化剂引入常规自粘改性沥青配方体系中,系统分析了各软化剂对改性沥青性能的影响,见表1。

根据表1对比分析可以看出,在软化剂掺量相同的情况下,环烷油、糠醛油、减二线油及减三线油体系各有优势,并且产品性能均能达到标准要求。但减三线油体系的综合性能要优于其它3种软化剂体系,在具有较高耐热性的同时,也具有优异的低温柔性、初粘性能和剥离性能,因此,在高耐热自粘聚合物改性沥青防水卷材制备过程中,选择减三线油作为软化剂。

2.1.2 改性剂的选择

在高耐热自粘聚合物改性沥青制备过程中,我们考察了热塑性丁苯橡胶、粉末丁苯橡胶、石油树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、烯烃类弹性体等5种改性剂对自粘改性沥青性能的影响,见表2。

对表2改性剂综合分析可以看出,在改性剂掺量相同的情况下,热塑性丁苯橡胶体系各项性能均表现优异,不仅具有很高的耐热性能,还具有显著的低温柔性,剥离性能也完全满足标准要求,但是其初粘性较差。粉末丁苯橡胶改性沥青的高温性能和剥离性能均不能满足要求,但其具有显著的初粘性和低温柔性。经综合分析,我们采用热塑性丁苯橡胶与粉末丁苯橡胶复合改性沥青,确定热塑性丁苯橡胶与粉末丁苯橡胶的最佳质量配比为3∶1,使其复合改性沥青的性能全部达到标准要求。

配方设计的关键在于突出“高耐热”性能,同时保持其它性能满足Q/SY YHF 052—2010《高耐热自粘聚合物改性沥青防水卷材》标准要求。该特性主要取决于减三线油的选择、热塑性丁苯橡胶与粉末丁苯橡胶的复合改性沥青,本文采用正交试验方法确定最佳工艺配方(见表3)。

2.2 生产工艺

2.2.1 影响因素

(1)搅拌温度的影响

在高耐热自粘聚合物改性沥青防水卷材的生产过程中,对于自粘改性沥青料的制备工艺需要严格控制,其中搅拌温度和搅拌时间是2个重要的影响因素。搅拌温度不足,难以使改性剂与沥青充分混合溶胀;温度过高,将会使沥青老化。在保持搅拌速率和搅拌时间一定的情况下,我们将搅拌温度从140℃逐步升高至220℃,测得自粘改性沥青的低温柔性和软化点性能见图1。

从图1可以看出,随着搅拌温度的升高,改性沥青的软化点升高,低温柔性先升高后降低。这是因为搅拌温度较低时,基质沥青较稠,其中的高分子链运动不剧烈,沥青中的胶质分子与溶入沥青中的聚合物改性剂分子结合的程度小,改性效果有限。随着搅拌温度的升高,改性剂逐渐与基质沥青充分溶胀,改性效果逐渐显现,软化点不断升高。但是当搅拌温度高于180℃时,虽然软化点依旧升高,但是由于温度过高导致沥青黏度降低,改性沥青发生老化,低温柔性明显下降[7,8]。综合分析可以看出,改性沥青最佳搅拌温度为180℃。

(2)搅拌时间的影响

在一定程度上,搅拌时间对自粘改性沥青性能也有着重要的影响(见图2)。在保持搅拌速率和搅拌温度一定的情况下,随着搅拌时间的延长,改性沥青的软化点和低温柔性均逐渐提升,当搅拌时间为2.5 h时,改性沥青的软化点和低温柔性均达到最佳,继续延长搅拌时间,软化点和低温柔性开始衰减。这是因为搅拌时间较短时,改性剂与基质沥青并未充分混合均匀,只有少部分的改性剂被沥青中的轻质组分所溶胀,沥青结构中的沥青胶质与沥青质大部分没有与改性剂形成稳定的结合,在宏观上表现为沥青表面粗糙,造成改性沥青的软化点和低温柔性不高。然而随着搅拌时间的延长,达到2.5 h时,改性剂在沥青中均匀分布并与沥青胶质和沥青质紧密结合在一起,形成较为稳定的结构,故软化点和低温柔性都得以提高。当搅拌时间过长,超过2.5 h时,改性剂在与沥青结合方面并没有得到提高,反而随着搅拌时间的延长,改性沥青在高温下出现老化现象,从而使改性沥青的软化点和低温柔性有所降低[9,10]。

2.2.2 工艺流程

高耐热自粘聚合物改性沥青防水卷材的生产采用“浸涂法”工艺,与普通改性沥青防水卷材的生产工艺流程基本一致,主要区别在于软化剂、改性剂及工艺温度参数均有相应的调整。高耐热自粘聚合物改性沥青防水卷材的成型工艺流程如图3所示。

2.3 性能指标

高耐热自粘聚合物改性沥青防水卷材具有显著的耐高温性能,并且具有优异的低温柔性、剥离性能及初粘性,同时在低温环境下易施工,施工完成经过一段时间后,卷材无起鼓、褶皱、滑动现象发生,热老化性能良好,完全符合Q/SY YHF052—2010标准要求(见表4)。

3 结语

高耐热自粘聚合物改性沥青防水卷材具有优异的物理性能,各项性能指标均达到Q/SY YHF 052—2010要求,耐高温性能可以达到100℃不流淌,同时具有优异的低温柔性、初粘性和剥离性能,低温施工效果良好。该产品拓展了自粘改性沥青防水卷材体系,是对常规自粘改性沥青防水卷材的升级,将在温度要求较高的领域或地区发挥重要的作用,市场前景广阔和经济效益显著。

摘要：系统阐述了高耐热自粘聚合物改性沥青防水卷材的研制过程,分别从软化剂及改性剂的选择、搅拌温度及搅拌时间等影响因素的探讨,到最佳生产工艺参数的确定,进行了深入细致的分析。该产品具有显著的耐高温性能,且低温易施工,适用于在温度较高的部位及环境温度较高的热带地区应用,具有广阔的市场前景和经济效益。

关键词：自粘防水卷材,聚合物改性沥青,高耐热,影响因素

参考文献

[1]陈建华,张广彬,尚华胜.自粘聚合物改性沥青聚酯胎防水卷材的研制[J].石油沥青,2007(21):22-25.

[2]王洪立,马善泉.新型自粘防水卷材生产工艺及施工技术[J].新型建筑材料,2006(7):31-33.

[3]廖汉军.浅淡自粘防水卷材的施工应用[J].建筑材料与施工,2004(1):30-31.

[4]曾家民,明求中.无胎自粘结油毡生产工艺[J].新型建筑材料,1994(4):31-32.

[5]马永祥,俞捷.改性沥青自粘胶的工艺性能及其相关应用[J].中国建筑防水,2005(4):12-13.

[6]李卫国,段文峰,田凤兰.一种高耐热自粘橡胶沥青防水卷材:中国,200710120808.3[P].2007-08-27.

[7]崔亚楠,邢永明,张淑艳.废橡胶粉改性沥青的低温性能试验研究[J].新型建筑材料,2010(12):70-72.

[8]郭朝阳,何兆益,曹阳.废胎胶粉改性沥青改性机理研究[J].中外公路,2008(28):172-176.

[9]Shutang Liu,Weidong Cao,Jianguo Fang,et al.Variance analysisand performance evaluation of different crumb rubber modified(CRM)asphalt[J].Construction and Building Materials,2009(23):2701-2708.

聚合物改性沥青性能篇7

关键词：SBS改性沥青,沥青混合料,施工

1 SBS改性沥青简述

SBS改性沥青是在原有基质沥青 (AH-70) 的基础上, 掺加2.5%、3.0%、4.0%的SBS改性剂, 改性后的沥青, 与原沥青相比, 其高温粘度增大, 软化点升高。在良好的设计配合比和施工条件下, 沥青路面的耐久性和高温稳定性明显提高。

2 SBS沥青混合料的配合比设计

为了使设计的混合料能够达到实施效果, 需要从材料要求、施工工艺、质量控制标准和质量控制方法等诸多方面提出以下要求, 希望能够引起注意。

2.1 原材料要求

2.1.1 粗集料

用于改性沥青混合料面层的粗集料, 宜采用碎石或碎砾石, 其粒径规格和质量要求均应符合《公路沥青路面施工技术规范》 (JTJ032-94) 的规定

2.1.1.1 粗集料应洁净、干燥、无风化、无有害杂质, 且具有一定硬度和强度。

2.1.1.2 粗集料应具有良好的颗粒形状, 破碎砾石用于高速公路、一级公路时, 应采用大砾石破碎, 并至少应有两个以上的破碎面。

2.1.1.3 对于抗滑表层粗集料应选择硬质岩 (中性或基性火成岩) 。由于硬质岩石与沥青的粘接力存在着较大差异, 粗集料与沥青的粘附性应不小于4级。对于3-5mm石屑部分由于含量较低, 并且该部分对沥青混合料形成嵌接结构有一定的作用, 建议用硬质岩石屑 (玄武岩) 。

2.1.2 细集料

细集料包括人工砂、天然砂。沥青路面面层宜采用人工砂作为细集料, 细集料应洁净、干燥、无风化、无有害杂质, 有适当的颗粒组成, 并与改性沥青有良好的粘附性, 天然砂由于质量变化大 (大部分为中粗砂) , 形状较圆滑, 与沥青的粘附性差, 对沥青混合料影响较大。对于高速公路、一级公路沥青混合料, 天然砂的含量不宜超过20%, 可用0-3mm的石屑粉代替天然砂。

2.1.3 填充料

用于改性沥青混合料面层的填料应洁净、干燥, 其质量应符合《公路沥青路面技术规范》规定的技术要求。

2.1.3.1 改性沥青混合料填充料宜采用强基性岩石 (石灰岩、岩浆岩) 等增水性石料经磨细得到的矿粉, 矿粉要求干燥、洁净, 不宜使用混合料生产中干法除尘的回收粉。

2.1.3.2 采用水泥、消石灰粉做填料时, 其用量不宜超过矿料总量的2%。

2.1.3.3 对于沥青表面层混合料不推荐使用在混合料生产排回收粉, 当塑性指数小于4且亲水系数小于0.8时, 经过试验可以部分的使用, 回收粉用量每盘不能超过矿粉总量的四分之一。

2.1.3.4 SBS改性沥青技术要求

改性沥青在现场制作后立即使用或贮存期间进行不间断的搅拌或泵送循环时, 对离析试验指标可不作要求。

老化试验应采用旋转薄膜烘箱试验 (RTFOT) 方法为准;允许采用薄膜加热试验 (TFOT) 代替, 但必须在报告中注明, 且不得作为仲裁结果。

3 SBS改性沥青混合料的施工

3.1 SBS改性沥青混合料的运输

运输的技术要求SBS沥青在生产工厂装车温度必须保持在160℃以上, 运到混合料拌合场的温度不应低于140℃, 运输车辆须在24小时内运到指定地点, 并及时把沥青泵送到沥青储存罐中。

3.2 SBS改性沥青混合料的摊铺

3.2.1 处理下承层, 下承层的清扫、修补、处理是一项极其重要的工作, 必须予以重视。

该项工作应在摊铺前1天完成, 并验收确认。

3.2.2 洒布粘层油。

由于本工程下承层已受到一定污染, 为确保上面层与下承层粘结完好, 在摊铺沥青混合料前, 应对下承层、横缝接口、与新铺沥青混合料接触的路缘石、雨水进水口、检查井等的侧面, 均喷洒一层粘层油。

3.2.3 摊铺

3.2.3.1 摊铺温度宜控制在170℃~180℃之间, 不得低于160℃。

3.2.3.2 每次摊铺前, 摊铺机应调整到最佳状态, 调试好螺旋布料器两端的自动料位器, 并使料门开关、链板送料器的转速相匹配。螺旋布料器的料量以略高于螺旋布料器的中心为度, 使熨板的档料板前后混合料在全宽范围内均匀分布, 避免摊铺出现离析现象, 并随时分析、调整粗细集料是否均匀, 检测松铺厚度是否符合规定, 以便随时进行上述各项调整。摊铺混合料前, 应预热熨板到规定温度 (不低于85℃) , 摊铺时熨平板应采用中强夯实等级, 使初始压实度不小于85%, 摊铺机熨平板必须拼接紧密, 不许存有缝隙, 防止卡入料将路面拉出条痕。

3.2.3.3 上面层摊铺厚度和平整度由平衡梁控制, 不得采用钢丝引导的高程控制方式, 应密切注意平衡梁的粘料情况, 发现粘料时及时清除, 防止产生拉痕。摊铺机行走前, 应严格按松铺标高用木板将熨平板垫好, 确保起始摊铺厚度满足要求。

3.2.3.4 连续稳定的摊铺, 是提高路面平整度的最主要措施, 摊铺机的摊铺速度应根据拌和机的产量、施工机械配套情况及摊铺厚度按2.5m/min左右予以调整选择, 做到缓慢、均匀不间断摊铺, 不应以快速摊铺几分钟, 然后再停下来等下一车料, 午饭应分批轮换进行, 切忌停铺用餐, 做到每天收工停机一次。

3.2.3.5 摊铺的混合料未压实前, 施工人员不得进入踩踏。一般不得用人工整修, 只有在特殊情况下, 需在现场技术人员指导下, 允许用人工找补或更换混合料, 缺陷严重时予以铲除, 并调整摊铺机或改进摊铺工艺。

3.2.3.6 摊铺过程中应随时检测调整松铺厚度, 确保松铺厚度偏差在0~3㎜以内。目测混合料的质量 (包括拌和质量和配合比情况) , 发现问题及时报告技术负责人予以处理。

3.2.3.7 要注意摊铺机接斗的操作程序, 以减少粗集料离析。摊铺机集料斗应在刮板尚未露出, 尚有约10㎝厚的热料时扰料, 这是在运料车刚退出时进行, 而且应该做到料斗两翼才恢复原位时, 下一辆运料车即可开始卸料, 做到连续供料, 并避免粗集料集中。

3.2.3.8 严禁料车撞击摊铺机, 料车应在离摊铺机前沿20㎝处停下来, 调为空档, 由摊铺机靠上并推动料车前进。随时观测摊铺质量, 发现离析或其它不正常现象及时分析原因, 予以处理。料车在摊铺区洒落的散料必须及时清除。

3.4 SBS改性沥青混合料的压实

SBS沥青混合料的压实工艺本着以下原则进行:按照“紧跟、慢压、高频、低幅”碾压八字方针进行碾压, 压路机必须紧跟摊铺机的后面, 只有在高温条件下碾压才能取得更好的效果, 压实速度控制在4-5km/h.碾压速度均衡, 倒退时关闭振动, 方向要逐渐地改变, 不许拧着弯行走, 对每一道碾压起点或终点可稍微扭弯碾压, 消除碾压接头轮迹。决不允许在新铺沥青混合料上转向、调头、左右移动位置。突然刹车或停车休息, 通过南二路第一、二合同段SBS沥青试验段, 确定的压实工艺为DD110或DD130压路机2-3档各碾压3遍, 即初压1遍, 高频低幅振动碾压2遍, 终压2遍。特别注意:施工时若发现压路机粘轮时, 用洗衣粉水较好。

4 结语

SBS改性沥青混合料路面施工是一项技术性强, 涉及范围比较广的一个系统工程。现代化的施工机械, 高素质的人员, 成熟的施工工艺是必要的质量保证手段, 同时必须建立质量岗位责任制。在施工过程中, 要充分调动施工人员的积极性和责任心, 从原材料把关开始, 对沥青混合料拌和、运输、摊铺、压实等工艺上进行层层把关, 这样才能铺筑出优良的路面工程。

参考文献

[1]孙廷召.关于SBS改性沥青施工技术的探讨[J].河南科技, 2004, (12) .

聚合物改性沥青性能篇8

本文通过对沥青、软化油、SBS、粉末丁苯橡胶 (PSBR) 这4种原材料的各种牌号和添加比例进行对比, 阐述了以上述4种原材料为基础的自粘卷材的软化点、低温柔性以及剥离强度和改性材料之间的关系。

1 决定自粘卷材剥离强度的关键因素

自粘卷材有明显的热熔性和压敏性, 与压敏胶类似。自粘卷材粘结的形成包括两个过程:一是热力学过程, 改性沥青层与被粘物在界面层上相互润湿, 分子之间紧密接触而发生吸附, 粘结界面形成分子间作用力, 影响此过程的关键是界面自由能;二是流变学过程, 改性沥青层和被粘物之间形成足够的接触面积, 此时, 改性沥青层本身所具有的粘弹性所提供的耗散能对其在界面上的延展起着重要的驱动作用[1]。所以决定自粘卷材剥离强度大小的因素包括两方面:一是改性沥青的粘基力 (改性沥青与基面之间的附着力, 即初粘性[2]) , 二是改性沥青分子之间的作用力 (即内聚强度) 。

在实际使用中, 这两者是互为矛盾的:初粘性越好, 改性沥青层分散和湿润基层的能力越强, 内聚强度则越低。当内聚强度过低时, 进行剥离测试就会发生内聚破坏, 剥离强度骤降[3]。即脱粘合为界面破坏, 初粘性与剥离强度成正比;初粘性过大, 脱粘合可能为内聚破坏, 使剥离强度降低。

因此, 要提高自粘卷材的剥离强度, 必须从这两方面同时着手, 不可顾此失彼。只有当这两个因素达到一个平衡点时, 才能获得比较好的剥离性能。

2 试验方法

2.1 试样的制作

将沥青与各种改性材料于180℃共熔搅拌120min后加入无机填料, 再搅拌30 min, 剪切速度为600 r/min。取样品检测软化点、针入度, 降温至140℃, 在1.4 mm厚长纤维聚酯胎两面分别刮涂0.8 mm厚改性沥青层, 用于测试低温柔性和剥离强度。测试配方均不考虑自粘卷材其他各项指标, 仅以软化点、低温柔性和剥离强度为测试指标。

2.2 剥离强度的检测方法

按照GB 23441—2009《自粘聚合物改性沥青防水卷材》中所规定的测试要求:1) 使用光滑铝板和自粘卷材粘贴50 mm×75 mm的剥离面;2) 用2 kg的压辊反复滚压3次;3) 23℃室温下粘贴并放置24 h;4) 测试剥离强度时的拉伸速度为50 mm/min。

3 自粘卷材的主要组分对剥离性能的影响

自粘卷材的主体材质为沥青, 通过采用各种改性材料包括软化油、SBS、增粘剂等对其进行改性, 再添加一定比例的无机填料制成。

3.1 沥青

3.1.1 不同牌号的沥青对剥离性能的影响

不同牌号的沥青对剥离性能的影响见表1。由表1可知:1) 10#沥青在常温下没有初粘性, 粘基力极差, 根本无法将其贴在铝板上;2) 调和沥青由于沥青中回填了部分轻质的减压基础油, 故有较好的低温柔性和初粘性。但沥青与低沸点轻质油类相容性较差, 放置一段时间后, 轻质油会离析出来, 与铝板之间形成油膜, 使粘基力降低;由于轻组分油的存在, 使得沥青分子之间的作用力过低, 剥离时引起内聚破坏, 故剥离性能差;3) 同是中石油的沥青, 90#比70#含更多的未馏出芳香分, 对铝板基面分散和湿润更好, 剥离强度最高。

3.1.2 不同蜡含量的沥青对剥离性能的影响

不同蜡含量的沥青对剥离性能的影响见表2。由表2可知:蜡含量是影响沥青低温柔性和剥离性能的关键。蜡相当于沥青中的杂质, 与沥青的相容性极差, 易离析结晶。蜡以不均匀相的悬浮物状态分布于沥青中, 容易导致沥青分子间作用力剧减, 内聚强度降低, 低温发脆、干裂[4];蜡分子分布于改性沥青层与基面的粘合面, 会降低粘结强度, 从而大幅度降低沥青的剥离强度。

3.1.3 不同沥青含量对剥离性能的影响

以剥离强度较高的中石油河北90#沥青为基础, 采用滑石粉、轻质碳酸钙等为无机填料进行改性试验, 结果如图1—2。

在防水卷材中, 以滑石粉等作为无机填料和沥青共混, 形成了一种骨架-空隙-密实的空间网状分散系结构, 能提高改性沥青分子的内聚强度, 增强分子间的力学性能, 主要表现为提高沥青软化点、硬挺度以及储存稳定性。但滑石粉有约25 m L/100 g的吸油量[5], 吸附了沥青中的部分油分, 使得沥青分子不容易分散和润湿基面, 粘基力降低。

随着沥青含量的逐步降低、滑石粉等填料含量的逐步增加, 剥离强度呈下降趋势。当沥青含量低于40%的时候, 沥青中油分被滑石粉全部吸走, 且分子间内聚强度较大, 故表现为常温下初粘性较差。

3.2 软化油

软化油能使改性沥青具有更好的初粘性和低温柔性。在自粘卷材的配方中, 软化油可作为较好的初粘性调节剂, 根据施工季节、气温的需要, 调节自粘卷材的初粘性, 使其能顺利地粘贴、搭接, 这也是自粘卷材相对于传统SBS热熔卷材的最大优势。

3.2.1 软化油的选择

用于自粘卷材的软化油主要分为两类, 一类为环烷油, 一类为芳烃油 (性能见表3) 。环烷油黏度、密度均较小, 具有良好的橡胶操作性, 但与沥青的相容性有一定的上限, 添加过多时容易引起自粘卷材各种物理性能的波动, 一般只用来浸泡SBS, 以打开其分子链, 冬季可做为初粘性的主调节剂。好的环烷油能使SBS迅速充油膨胀, 易熔于沥青, 可使配料时间缩短40 min, 配料温度降低10~15℃;并使SBS分子结构充分展开, 与沥青进行相嵌, 改性效果更佳。芳烃油则黏度、密度较大, 与沥青相容性好, 储存稳定性也较好。在生产上, 一般以芳烃油为主, 环烷油为辅, 进行复配, 作为软化油。复配后的软化油以苯胺点在40~60℃为佳, 碳型分析的CP、CN、CA的比例在30%、40%、30%为宜。

3.2.2 软化油不同添加比例对剥离性能的影响

以50%的沥青为基础, 软化油选用芳烃油, 添加量分别为6%、8%、10%、12%、14%, 剩余量以滑石粉填充, 进行对比验证, 结果见图3—4。

软化油的加入会大幅度降低沥青分子的内聚强度, 主要表现为沥青软化点降低, 自粘卷材硬挺度降低。进行剥离测试时, 改性沥青层会发生内聚破坏, 从而大幅度降低自粘卷材的剥离性能。特别是在要求0℃以下施工的自粘卷材配方调试过程中, 往往出现初粘性能达到施工要求, 而剥离性能、持粘性大幅度下降, 达不到国家标准要求的情况。

软化油添加比例超过16%的自粘卷材, 放置一段时间后, 不能完全被锁定于沥青中的软化油会析出, 而油层的表面张力低于改性沥青的表面张力, 故油层比改性沥青层更易与被粘物吸附, 形成不易消除的吸附层 (弱界面) , 从而降低改性沥青对被粘物的亲合力, 降低剥离性能[6,7]。更有甚者, 会引起自粘卷材隔离材料发黄, 甚至隔离性能下降, 与自粘改性沥青层完全粘结, 施工时无法撕下。

这就需要严格控制软化油的用量, 在恰好满足施工要求的初粘性的同时, 尽可能减少软化油的添加比例。建议夏季35℃以上施工时, 软化油的添加量控制在8%~10%;冬季0℃以下施工时, 软化油的添加量控制在14%~16%。

3.3 SBS

作为最传统的防水卷材改性剂, SBS具有优异的改性效果, 能显著提高沥青的软化点和低温柔性。

3.3.1 不同型号SBS之间的对比

按照沥青50%, SBS 6%, 软化油10%, 滑石粉32%为验证配方进行对比, 结果如表4。

由表4可知, 线型结构的SBS相对分子质量较低, 溶解性好, 用其改性后, 沥青分子的内聚强度较星型结构的SBS改性沥青低, 粘基力高, 表现为软化点和低温柔性较差, 但剥离强度较高。

3.3.2 SBS不同添加比例对剥离性能的影响

以沥青50%, 软化油10%为基础, SBS选用411, 添加量分别为4%、6%、8%、10%、12%, 剩余量以滑石粉填充, 进行对比验证, 结果见图5—6。

由图5—6可知, SBS的添加量不超过6%时, 剥离强度随SBS添加量的增加而增大;SBS的添加量超过6%后, 剥离强度呈下降趋势;SBS的添加量超过8%后, 剥离强度呈急剧下降趋势。

这是由于SBS能显著提高沥青分子间的作用力, 使得加入10%软化油的改性沥青内聚强度大大增加。SBS的添加量低于6%时, 内聚强度的提高使改性沥青层不易发生内聚破坏;但SBS的添加量超过8%后, 内聚强度的继续提升使分子间作用力过大, 阻碍沥青分子与基面的分散和湿润, 使得粘基力大幅下降, 剥离强度也大幅下降。

因此, 从提高剥离强度的角度出发, SBS的添加量最好控制在4%~8%。

3.4 增粘剂

粉末状PSBR是最常用的自粘卷材增粘剂。

3.4.1 PSBR基本性能 (表5)

3.4.2 PSBR添加量对剥离性能的影响

以沥青50%、软化油10%、SBS 6%为基础, PSBR添加量分别为2%、4%、6%、8%、10%, 进行对比验证, 剩余量以滑石粉填充, 结果见图7—8。

PSBR能增加改性沥青的粘基力, 而对改性沥青内聚强度的影响不大。基于沥青50%、软化油10%、SBS 6%的配方, 其内聚强度已经足够使改性沥青层在剥离测试时不会发生内聚破坏。故随着PSBR添加量的增加, 剥离强度也增加。当PSBR的添加量超过4%后, 对初粘性的影响越来越小;当PSBR的添加量至8%后, 初粘性到达峰值, 改性沥青分子在基面上达到完全润湿, 其粘结强度就不再增加[7], 剥离强度也不再增加。另外, PSBR的加入使得改性沥青的稠度剧增, 大大增加了生产过程中配料、抽料、放料、成型的难度。因此PSBR的添加量不宜超过6%。

4 小结

提高自粘卷材的剥离强度, 实际上就是尽量提高改性沥青的粘基力和分子间内聚强度, 但往往在提高改性沥青粘基力的时候, 分子间内聚强度会相应降低。所以必须做到两方面:一方面增加改性沥青的粘基力;另一方面, 要保证改性沥青的内聚强度大于粘基力, 这样才能使剥离强度最大化。

1) 作为防水卷材的主体材质, 沥青对剥离强度的大小有着决定性作用。配方中选用的沥青应遵循以下三点: (1) 选择70#、90#、100#重交通沥青; (2) 选择蜡含量低的沥青; (3) 配方中沥青含量越高, 剥离强度越大。

2) 作为调整初粘性的最主要材料, 应在满足初粘性要求的基础上尽量减少软化油的用量。

3) 用分子量大的星型SBS来提供内聚强度, 以分子量小的线型SBS来提供剥离强度, 组合SBS的用量在4%~8%。

4) PSBR的用量不宜超过6%。

5) 填料如滑石粉等的用量可在15%~30%。

另外, PE防粘膜、PET隔离膜、隔离纸等隔离材料的挺度及涂硅层的耐温性、内聚强度、附着力也会影响自粘卷材的剥离性能。

企业还应根据原料、工艺、设备和生产情况, 综合考虑GB 23441—2009对自粘卷材的其他要求, 选择合适的原材料及用量, 使自粘卷材的剥离性能既符合国标要求, 又具有良好的初粘性。

参考文献

[1]顾继友.胶接理论与胶接基础[M].北京:科学出版社, 2003, 3.

[2]全国胶粘剂标准化技术委员会.GB/T 4852—2002压敏胶粘带初粘性测试方法 (斜面滚球法) [S].北京:中国标准出版社, 2002.