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干法工艺生产改性沥青混合料的发展现状

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2019-01-27 08:46:00

   

   摘要:采用干法工艺生产改性沥青混合料避免了成品改性沥青的加工环节,降低了改性沥青在储存过程中的性能损失,降低了污染物排放和生产成本,具有广阔的推广应用前景。通过国内外文献调研,阐述了干法改性的特点并对常见的干法改性技术进行分类,指出了应用干法改性技术需注意的问题。

关键词:道路工程,改性沥青,干法,SBS

沥青路面是高等级公路的主要形式,作为决定路面性能关键的结合料,沥青的性能改良非常重要,我国在上世纪90年代开始改性沥青相关的研究和生产工作,目前约80%的高等级公路和城市干道在修筑时采用了各种形式的改性沥青。

根据使用方法不同,改性沥青混合料的生产工艺可以分为湿法和干法两种,其中湿法是指在工厂或施工现场将改性剂与基质沥青预混制得成品改性沥青,而后与集料拌和后使用,是目前常用的改性沥青生产工艺。与之相比干法无需预先制备成品改性沥青,在拌和时直接将基质沥青、改性剂、集料一同投人拌和楼,通过拌和过程实现沥青混合料性能改善的效,因此很多人将干法工艺成为“直投”。干法能够避免湿法存在的一些问题,与湿法互为补充,有一定的应用前景。 

 

 

 

干法工艺生产沥青混泥土的优势 

使用干法生产改性沥青混合料具有以下几点优势:(1)省去成品改性沥青的生产环节,减少了生产过程的能耗及污染物排放,减少基质沥青运输至改性沥青工厂的能源消耗。(2)省去成品改性沥青的运输环节,避免了改性沥青在储存和运输过程中出现的改性剂离析和性能指标衰减的问题,提高了路用性能。(3)便于施工组织,干法改性剂储存时间较长,使用灵活方便,施工现场可以根据实际情

况随时安排生产。

干法工艺分类

干法是一种重要的沥青混合料改性手段,其发展贯穿了整个沥青技术发展史,几乎所有的改性剂都可以采用干法工艺使用,根据原理分类,可以将干法改性技术分为调合改性、化学改性、表面功能改性三类。

调合改性

天然沥青、硬质沥青等添加剂在组分上与基质沥青有较大差异,这些改性剂能够通过物理的方法改变沥青的性质,弥补性能的不足,此类改性方法统称为物理改性。干法物理改性的施工工艺较为简单,无需对添加剂进行预处理,直接投人拌和楼与沥青、集料一同拌和即可。物理改性剂包括天然沥青、硬石油沥青、煤沥青等。

(1)天然沥青改性。天然沥青是目前国内最常用的干法改性剂,根据来源可以分为岩沥青、湖沥青等。基于“相似相溶”原理,天然沥青与石油沥青的相溶性非常较好,作为改性剂替代部分石油沥青后,沥青混合料通常具有较好的抗车辙性能、抗水损坏性能和抗老化性能,可以满足JTG F40  2004《公路沥青路面施工技术规范》对改性沥青混合料的技术要求,因此天然沥青成为很多混合料外加剂的主要成分。国内常用的天然沥青有:伊朗岩沥青、新疆岩沥青、青川岩沥青、TLA湖沥青等。宋国森等研究发现,湿法和干法两种掺配方法对沥青混合料的各项路用性能影响不明显,施工时可以根据需要选择。

岩沥青来源较为广泛,价格相对较低,具有明显的成本优势。但为了加速融化,岩沥青通常

以粉末形式加人,容易造成粉尘污染,在高温下甚至可能发生爆燃,有人提出将盛有岩沥青的速溶包装袋直接投入拌和楼来避免粉尘问题的发生。另外岩沥青直接从环境中开采得到,与工业品相比缺乏有效的质量控制手段。

(2)硬石油沥青改性。石油沥青即以石油为原料制备的低针人度等级沥青,生产工艺有氧化法、溶剂法等。其中氧化法是指在高温下向减压渣油或者脱油沥青等原料中吹人空气,经脱氢、氧化、聚合等反应得到。溶剂法是根据相似相溶原理,以丙烷或丁烷为溶剂将硬沥青与油份分离的技术。

目前硬质石油沥青一般用在建筑防水领域,在干法改性的应用较少,主要原因是这些沥青通常以块状形式存在且难以粉碎,不适宜直接投人拌和楼使用。洛阳石化近期开发了一种沥青造粒工艺,该技术使用造粒机布料器将熔融状态的硬沥青分布成均匀的液滴,经过冷却、固化后,能够将脱油沥青造粒为半球状小颗粒,解决了颗粒薪连的问题,且加人到拌和楼可以快速融化,已经得到推广应用。与天然沥青相比,硬石油沥青价格较高,但品质能够通过调整工艺参数进行控制。

(3)煤沥青改性。煤沥青根据生产工艺可以分为两类:煤焦油沥青和煤液化残渣。其中煤焦油沥青是指煤焦油经过高温蒸馏后的残渣,它是由多种高分子量碳氢化合物组成的复杂混合物,其性质基本上与石油沥青类似,但它含有较多易挥发的油分及稳定性差的化学成分,因此其抗老化性能差,抗拉强度和延伸率较低。另外由于煤沥青含有致癌多环芳烃等害成分且难以脱除,使用受到了限制。

煤液化残渣(DCLR)是煤直接液化技术的副产物,通常以粉末状形式存在,主要由30%重质油、20%沥青烯、5%前沥青烯和45%四氢吠喃不溶物组成,它的性质与天然沥青有相似之处,但价格更为便宜,能够代替天然沥青使用。自20世纪70年代以来,人们已经开始着手研究DCLR作为沥青改性剂的可行性但直到近年才开始修筑试验路段,可以预见在不久的将来,DCLR干法改性将成为干法物理改性重要的发展方向之一。

化学改性

化学改性类是指在改性过程中有化学反应进行,最常见的有热塑性橡胶类改性沥青、环氧树脂改性沥青、温拌改性沥青等。

(1)热塑性橡胶类改性。热塑性橡胶类改性沥青是聚合物改性沥青中的主导产品,据统计国内80%以上的改性沥青产品均为热塑性橡胶改性沥青,研究人员也一直在探索合理使用干法进行橡胶改性的方法。普遍认为,改性剂能否均匀的分散在沥青中并吸附轻质油形成连续的网状结构,是最大限度发挥聚合物改性作用的关键,对于干法聚合物改性来说亦是如此。

按照交联反应的发生时机将热塑性橡胶类改性技术分为两类,一类是在改性剂生产过程中进行,定义为预交联类;另一类是在拌和时发生,定义为后交联类。对于预交联类,以RST改性剂为例说明,RST的改性过程分为两个阶段:首先是在改性剂的制备过程中,橡胶在增溶剂的辅助下形成连续的网状结构;在拌和过程中,RST能够在沥青中快速熔融、溶胀,对沥青起到改性的效果后交联类与之相反,如SBS一T改性剂在制备过程中橡胶仅发生了溶胀并未交联,投人拌和楼才在石料的快速剪切、嵌挤作用下交联形成网状结构,为了提高应用效果,SBS一T还含有了一种快速交联体系,可以大幅缩短硫化交联的时间,据悉SBSiTi已经在河南、江苏等地修筑试验路段,应用效果良好。

形成网状结构并在混合料压实前得到维持是橡胶改性剂能够发挥最大效果的必要条件,对于预交联来说,需要注意预先形成的网络结构不在拌和过程中被破坏,对于后交联来说,需要注意网状结构能否在拌和过程中形成。聚合物形成的网状结构能够通过荧光显微镜等方法观测得到,这可以作为一种质量控制的手段。

(2)环氧树脂改性。20世纪50年代末期,壳牌石油公司开始采用环氧树脂对石油沥青进行改性的研究,得到Shell Epoxy Asphalt等高强热固性环氧沥青材料,在交通领域中得到广泛应用。1967年美国San Mate。iHayward大桥首次采用环氧沥青混凝土用作正交异性钢桥面的铺装层,取得优良的使用效果,随后环氧沥青混凝土成为美国大跨径钢桥面铺装的主要铺装材料。

环氧改性剂由环氧树脂、固化剂两部分组成,拌和时将两者按照一定比例加人拌和楼,环氧树脂与固化剂反应形成三维立体互穿网络结构聚合物,从根本上改变了普通沥青的热塑性,同时显著提高了材料的翁附力、拉伸强度、断裂延伸率和低温性能。环氧沥青混合料对施工温度和时间有着严格的要求,只适合应用干法改性,拌和好的混合料应在固化前摊铺完毕,这给施工现场组织提出了严格的要求,另外受原材料价格影响,环氧沥青混凝土价格较高,只适合应用于对路面性能要求较高的桥面铺装等场合。

(3)基于有机添加剂法的温拌改性。根据原理分类,温拌技术可以分为合成沸石法、泡沫沥青法、乳化沥青法、有机添加剂法4种,其中有机添加剂法为可以通过干法改性实现。在此以常用的Sasobit为例进行说明,与沥青不同,Sasobit是由含有40一120个碳原子的长链脂肪烃分子构成的混合物,是一种熔点约为99℃的硬蜡,可以完全融于温度较高的沥青中,当温度高于熔点时,流动性较好,能够稀释沥青降低体系勃度,从而降低了混合料的拌和及压实温度。在温度低于其熔点时,Sasobit可以形成结构非常稳定的网状结构,增强了沥青的稳定性,从而使沥青混合料具有较好的高温抗车辙性能。由于Sasobit的熔点远低于常用的拌和温度,通过干法加人拌和楼后,能够快速熔融并发挥作用,因此非常适合干法使用。

表面功能改性

表面功能改性是指借助添加剂的特殊性质来改善沥青面层的表面特性,不同于调合改性和化学改性,表面功能改性对于沥青及沥青混合料的性能指标影响不大。常见的有废旧胶粉改性、阻燃改性等。

(1)废旧胶粉改性。废旧胶粉改性沥青的应用可以追溯到20世纪30年代,它能够消耗大量的废旧轮胎,具有一定的环保优势。在诸多干法改性技术中,干法废旧胶粉改性应用较早,瑞典早在上世纪60年代便开发了掺加橡胶颗粒的沥青混凝土干法生产工艺〔川。相对湿法来说,干法使用的胶粉颗粒目数较低,一般为20目以下。从改性效果来说,干法与湿法也存在加大差异,美国俄勒冈州、安大略州分别采用干法及湿法技术修筑了多条橡胶路面,对比结果显示干法工艺铺设的路面表现较差,原因是胶粉直接投人拌和楼后对沥青性能的改善作用有限,只是代替部分矿粉起到增加路面弹性、降低噪音的作用。美国陆军寒冷地区工程实验室研究发现,胶粉颗粒的添加能够起到除冰融雪作用,而且随着掺量的增加,除冰效果显著提高。因此,废旧胶粉的干法改性技术较适合应用在路面的除冰、降噪等功能层的修筑中。

(2)阻燃改性。阻燃剂是一种添加到可燃物中用以改变其燃烧性能的添加剂,自上世纪60年代开始应用在道路领域,主要应用在隧道公路的面层。阻燃剂的加人能够提高沥青燃烧所需的最低氧浓度,进而延缓火灾发展速度。根据有效元素,阻燃剂由铝镁系、硼系、磷系、氮系、卤系中的一种或多种的复配组成。阻燃沥青混凝土的制备方法有干法和湿法两种,湿法的工艺过程与生产普通改性沥青一致,但由于需求量相对较小,目前国内并没有专业的成品阻燃沥青供应商。相对而言干法的生产较为灵活,只需在隧道面层施工时将阻燃剂与集料一同投人拌和楼即可得到阻燃沥青混凝土,无需增加额外的设备和储存运输环节,便于施工组织。

结论与建议

干法改性技术能够避免湿法改性存在的一些问题,但应用该技术需要注意以下几点问题:

(1)应用干法的前提条件是改性剂在投人拌和楼后能够快速熔融,对于SBS类来说,还要形成网状结构,因此需要采取措施对现有改性剂的熔融指数、熔点以及可交联性进行改善。(2)现行的配合比设计方法一般都是基于湿法进行,还没有通用的干法混合料配合比设计方法,在此笔者建议:如果是单纯的代替矿粉使用,则要在矿粉的添加量上扣除相应部分;如果能够代替沥青结合料,可以先通过干法改性剂制备成品改性沥青,然后进行配合比设计,之后在油石比的计算上做相应调整。(3)混合料的路用性能是判断干法适用与否最直接的评价手段,在成本不增加的情况下只要能够达到与湿法相同的效果,就有推广应用的必要。

 

 

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