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1、不同改性剂对沥青改性效果研究张登良 赵 可（长安大学 西安 710064， 天津市政工程研究院，天津 300202）内容摘要：本文在对改性沥青的机理论证的基础上，对EVA，SBS和PE三种常用改性剂对锦西和大港两种沥青高低温情性能的改性效果进行评价。评价中既采用了常规指标，又采用了SHRP指标，同时还对改性沥青混合料的高低温性能进行了评价。关键词：沥青，改性沥青，改性剂，评价指标现代交通的发展对路面提出了越来越高的要求，而现有的沥青质量、品种已不能适应这一要求，沥青改性已成为当今世界各国的热门话题。在诸多改性方法中，以聚合物改性效果最佳，也最受人们青睐。早在1873年，英国人Samuel Wh
2、iting就申请了橡胶改性沥青的专利。1902年法国修筑了掺橡胶的沥青路面。自从首次将橡胶粉加入沥青改性以来，发展至今改性剂的选择范围越来越广，据统计形成商品的就有40多种。丁苯橡胶（SBR）的改性效果已被很多文献介绍，我国重庆公路研究所研制的SBR母体成功地应用于国内许多国道和省道。就塑料类改性沥青而言，以奥地利的Novophalt技术最为著名，该项技术已在世界范围内推广应用。1经过世界各国研究工作者的努力，已经提出了很多成功的改性沥青技术并取得专利。有的是以改性剂为核心，如Dopont公司生产的以EVA为主剂的改性剂专利产品ESSOEVA及Toronto公司的以PE为主剂的Polyphal
3、t;而有的是以工艺和技术设备为其改性技术核心，如奥地利的Novophalt和美国的Rosphalt改性沥青技术。Novophalt技术的关键并不在于改性剂，而在于一组精加工的由粗到细的胶体磨，改性剂与沥青经胶体磨的混磨加工，改性剂以极细小的颗粒均匀地分布于沥青中，使沥青性能得以改善。90年代初，Novophalt技术传到中国后，使我国的改性沥青技术跨上了一个新的台阶，十年来取得突飞猛进的发展。为了深入认识改性沥青技术，提高其改性效果，本文拟对改性沥青的机理进行较为系统的论述，对不同改性剂对沥青的改性效果进行试验研究。1. 改性沥青机理234改性剂与沥青的充分混溶是改善沥青性能的基本前提。在此基
4、础上，改性剂吸附沥青中的轻质组分而发生溶胀，已溶胀的改性剂又与沥青的其余组分相互作用，从而形成一种新的结构体系。加之此种改性剂自身的固有特性而使沥青性能得到相应的改善。1.1 相容性从热力学的含义讲，相容性是指两种或两种以上的物质按任意比例均能形成均相物质的能力；而物理上的含义是指两种物质混溶以后形成的一个稳定的体系，不发生分层或相分离。总体来讲，能完全满足热力学混溶条件形成均相体系的材料是极少的，而热力学不相容则是常见情况。沥青与高聚物之间存在着分子量及化学结构的差异，因而属于热力学不相容体系，但这也许是改性沥青所期望的。同聚合物共混物相类似，由于不同组分相界面上的相互作用，使聚合物共混物具
5、有很多均相物质所难以达到的性质。Sam Maccarrone认为聚含物在沥青聚合物体系中的理想状态是细分布而不是完全至溶。所以，对聚合物改性沥青来讲，达到物理意义上的相容是很有必要的。改性沥青的相容性好是指改性剂以微细的颗粒均匀、稳定地分布在沥青中，不发生分层、凝聚或者互相分离的现象。它取决于改性剂和沥青两种不同的相界布的相互作用，两者的溶度参数或分子结构越是接近相容性越好。改性剂与基质沥青的相容性是分子级的可混性，相容性好的能形成均质混合体系。据研究，材料的溶度参数是定量反映物质极性的数据，根据一般规律，两种物质的极性越是接近，则两物质的溶度参数差就越小，则就越容易互相混溶，故改性剂与沥青的
6、溶度参数可作为评价相容性好坏的指标。高分子聚合物的溶度参数可按Small公式计算：式中 F化学分子团的引力常数；V分子容积；密度；M分子量。应指出是，不同原油基属的沥青与不同改性剂的相容性是不同的。如属中间基的胜利沥青与SBR的相容性要优于属石蜡基的大庆沥青；而大庆沥青与EVA的相容性则优于胜利沥青；石蜡基沥青与PE的相容性好是因为PE和石蜡的溶度参数比较接近的缘故。聚合物在沥青中的溶融行为与低分子的溶解是不同的，除了化学组成外，聚合物的结构形态、链的长短、链的柔性和结晶情况等都对其溶融性有显著影响。从有关文献5中可以查到，本文所选用的三种改性剂的溶度参数如下：聚合物LDPESBSEVA溶度参
7、数（卡/厘米3）1/27.18.358.18.78.18.3而我们从沥青中萃取出的芳香分和饱和分的溶度参数分别为8.8和8.2（卡1/2/厘米3/2）。显然，芳香分的溶度参数与SBS较为接近；而饱和分的溶度参数与PE、EVA较为接近。所以一般认为，聚烯烃类改性剂与饱和分含量高的沥青相容性要好；而橡胶类改性剂（如SBR、SBS）则与芳香分含量高的沥青相容性要好。1.2 溶胀聚合物加入到沥青后，一般并不发生化学反应，但是在沥青中轻质组分的作用下，改性剂体积胀大，即发生溶胀。溶胀是聚合物对沥青起到改性作用的重要环节。聚合物溶胀后表现出区别于聚合物又不同于沥青界面性质。溶胀是改性沥青稳定的保障。由于聚
8、合物与沥青之间的界面作用，致使二者不会发生相分离，聚合物粒子均匀地分布于沥青中。Nahas认为：为了保证贮存稳定性，聚合物应吸收沥青中的油分，体积胀大到原体积的510倍。在高剂量聚合物情况下，聚合物在沥青中的溶胀程度降低，但可形成网状结构，使沥青性质发生显著的改善。1.3 新胶体结构的形成从表面能的角度来看，分散相被分散的越细，其比表面能就越高，根据能量最低原理，体系有自动降低表面能的趋势，这种趋势可通过两种途径实现：（1）被分散的分散相重新集成较大的粒子，致使两相分离，这是改性沥青中不希望出现的现象。（2）分散相有选择地吸附沥青中能够降低其表面能的物质在两相表面上以降低表面能。当出现这种情况
9、时必然会打破沥青原有胶体结构，引起原沥青中多个组成重新分配，在新的条件下重新建立新的平衡。在低剂量聚合物情况下，聚合物被溶胀，沥青中的胶质和油分析出并吸附于聚合物的表面，形成另一种胶体结构，但组分比例发生变化，从而沥青的性能得到改善。可以认为，两种相容性较差的材料渗混后，材料的整体性质在很大程度上是由两相的界面性质决定的，而界面性质又取决于两相界面上局部扩散的深度及两相的相互作用能。按照共混改性原理，如果两种材料相容性好，那么这两种材料的物理性质也接近，虽然彼此间结合很好，但不能指望其性能有多大改善；若两种材料相容性太差，分散相不能很好分散，则其性质也不可能有多大改善。只有具备适当的相容性，又
10、有良好的界面性质才能得到性质优良的改性材料。用聚合物改善沥青的性质同样也应满足良好的界面性质与很好的分散状态，这样才能使改性剂自身特有的性质充分体现出来，起到明显的改性效果。因此可认为，改性沥青即不是结构全新的材料，也不是沥青结构的重复，而是一种同时具有原沥青和聚合物基本特点的新型结构。 2. 不同改性剂对沥青的改性效果试验研究本研究采用三种改性剂：（1）低密度聚乙烯（LDPE），（2）线型苯乙烯丁二烯共聚物（SBS），和（3）乙烯一醋酸乙烯共聚物（EVA），其VA含量为28%。基质沥青采用两种：（1）锦西沥青（JX）和（2）大港沥青（DG），其技术指标如表1所列。表1-1 基质沥青主要技术性
11、质沥青品种针入度（0.1mm）软化点（）25延度(cm)密 度含蜡量%J X92462001.0062.48D G99481250.99136.02表1-2 沥青的组分分析结果沥青品种饱和分芳香分胶 质沥青质J X37.231.528.13.2D G27.130.840.81.3本文对各种改性剂在不同剂量时对沥青的改性效果进行了高温及低温性能评价。评价中既采用了常规指标，又采用了SHRP有关指标，同时还对改性沥青混合料进行了高、低温性能的评价。2.1 改性沥青常规指标评价改性沥青常规指标试验结果列于表2表2 改性沥青常规指标试验结果名称剂量针入度（1/10mm）PI软化点（）延度（cm）152
12、53051015J X020.792191.3-2.8946.05.274100PE318.878157-2.6448.04.714.245.5419.768131.6-1.9150.05.710.030.6517.959108.6-1.7153.14.78.128.4619.355.390-0.7359.0续表2 改性沥青常规指标试验结果名称剂量针入度（1/10mm）PI软化点（）延度（cm）15253051015SBS31966.6121-1.8649.89.833.348.8417.557.8111-1.8151.212.137.550.7517.55393-1.2252.022.241
13、.159.2616.551.388-1.2553.5EVA336106.6175.6-0.9253.0433293.5153-0.6753.411.439.935.3530.788136.3-0.5556.014.633.735.3623.367.3107.6-0.7059.920.434.827.4D G02999182-1.8048.04.211.539P E32792155-1.5550.23.74.79.542681133-1.1252.23.54.912.552572118-0.7854.03.44.427626.565.5104-0.7755.0SBS32569141.3-1.34
14、51.24.77.07.3423.564.7123.8-1.1152.55.17.48.252461.3109.6-0.5555.010.47.49.5622.656.3890.05457.815.4EVA425.567107.3-0.8260.74.96.07.4526.565.6106-0.00562.25.16.17.262761881.0363.64.55.36.2从试验结果可以看到：（1）软化点 改性剂掺加后，沥青的软化点均有不同程度的提高，而且改性剂的剂量越多，其提高的幅度则越大。这是因为改性剂的粒子选择性地吸附了沥青中的轻质油分，使的沥青变稠；另外，改性剂在沥青中由于溶胀和吸附作用形成网络结构，大分
