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1、9改性沥青离析稳定性的力学分析欧利锋 1 李洪亮 1（1 深圳市路海威材料技术有限公司 深圳 518000）（2 江西省高等级公路管理局 南昌 330000）摘 要：改性剂 在沥青中的离析 问题长期以来是改性沥青生产的一个难题，尽管 现在已经有很多工艺手段可以解决这一问题，但人 们对其原理始终没有明晰。本文从物理学角度运用受力平衡的原理对改性剂在沥青中稳定时的状态进行了分析研究，提出了改性剂稳定的两种模式，并运用此理论对不同类型改性沥青中改性剂的稳定状态进行了描述。关键词：道路工程；改性沥青；改性剂稳定；分子间作用力；受力平衡；布朗运动0 前 言改性沥青在我国高等级路面建设中的应用日趋普遍，经
2、过多年工程实际应用的探索，不同改性沥青生产厂家发展出了不同特色的生产加工设备和工艺配方技术，其最终目的都是为了充分发挥改性剂的性能，获得高性能的成品改性沥青并实现成品改性沥青的稳定存贮。改性沥青的稳定存贮包涵两方面的意义：改性剂的离析稳定和改性沥青的性能指标稳定。后者受到诸多因素的影响，而前者则是其中非常重要的一个因素，只有实现了改性剂在改性沥青中的离析稳定，追求改性沥青的性能指标稳定才具有实现的基础。可见改性剂的离析稳定是改性沥青性能指标稳定的必要条件。近几年一些科研工作者通过大量的试验研究和分析，从不同的领域对改性剂的离析稳定机理进行了深刻的研究，本文也试图运用物理学原理，结合其他研究成果
3、来对改性剂的离析稳定机理进行探讨，提出不同类型改性沥青中改性剂稳定的物理机理，以期能提出新型改性剂或改性方式的研究思路。1 改性剂在沥青中稳定的物理分析1.1 稳定现象的力学条件改性沥青的离析即改性剂从基质沥青介质中析出的现象，由于目前常用的聚合物改性剂比重通常都小于沥青，改性剂析出后在浮力的作用下向上迁移到基质沥青表面，表现为不同程度的表面结皮。在这个过程中我们注意到使改性剂最终漂浮到沥青表面的是改性剂颗粒所受到的浮力，从物理学的角度讲即改性剂颗粒受到的浮力大于其重力，故其运动方向为向上到沥青介质的表面。改性沥青是改性剂与沥青组成的两相共混物，改性剂颗粒处于沥青相的包围之中，它受到重力、浮力
4、以及与沥青介质中各种化合物分子相互之间的分子间作用力（即范德华力） ，当其处于受力平衡状态时便表现为相对位置稳定，大量改性剂颗粒处于这种受力平衡状态时改性沥青宏观上就表现为改性剂的稳定。通常情况下分子间作用力处于很小的数量级，相对于重力和浮力可以忽略。所以要实现改性剂在沥青中的受力平衡就只有两个途径：1、改性剂的比重与沥青的比重相同；2、使沥青介质与改性剂颗粒之间的分子间作用力提升到相对于重力和浮力相同的数量级甚至更高。第一条我们可以称之为等比重原理，而第二条则相当于使改性剂颗粒最终在沥青介质中以布朗运动作为主要的运动形式，不妨称之为热运动原理。1.2 等比重原理对于改性沥青，如果通过等比重的
5、原理实现改性剂的稳定，则需要在改性剂材料的生产时通过特殊处理来改变改性剂颗粒的比重，例如可以向聚合物改性剂分子中通过物理或化学手段嵌入比重相对较大的物质（如矿物微粒等） ，这时改性剂颗粒与沥青介质具有几乎相同的比重，只需把磨细的改性剂颗粒均匀混合到沥青介质中去即可，不再存在改性剂颗粒向上迁移运动的力学基础，自然解决了改性沥青中改性剂的离析稳定问题。1.3 热运动原理我们知道处于液体中的微粒，当其所受到周围介质的分子间作用力与微粒所受到的重力及浮力基本平衡时，微粒将在液体分子热运动的碰撞下做不规则运动，即布朗运动，使微粒改变向液体表面迁移运动的趋势，从而实现稳定。如见 1所示：当Ff iG 时，
6、该分子处于平衡状态。因此通过减小尺寸从而减小其重力与浮力可以10实现微粒的布朗运动。另一方面，微粒所受分子间作用力的大小决定于图 1微粒与介质之间接触面的大小，即微粒自身的比表面积。因此，通过增加改性剂颗粒与沥青的接触面积，提高分子间作用力的数量级也可以达到平衡重力与浮力、实现改性剂颗粒布朗运动的目的。常见聚合物改性沥青使用的改性剂，如 SBS、PE 及胶粉等在沥青中均可发生不同程度的溶胀，其实质是高分子聚合物内部空间大量吸收沥青介质中的轻组分，导致改性剂颗粒与沥青介质的接触面积显著增加，有利于改善改性剂在沥青中的离析稳定性。如图 2所示：溶胀前 溶胀后经表面积增大图 22 聚合物改性剂与沥青
7、的相容性根据沥青的四组分成分分析法，可以将沥青成分分为沥青质、饱和分、芳香分（环烷） 、胶质（极性芳香分）四种。其特性分别如下：1、沥青质是沥青胶结料中的稠化剂，环境温度下为固体或半固体；2、饱和分在环境温度下为液体，对沥青胶结料的温度敏感性有副作用；3、芳香分是沥青胶结料中的易老化组分，是软化组分，在环境温度下为液体；4、胶质也是沥青胶结料中的易老化组分，与沥青的延度密切相关，环境温度下为固体或半固体。在四种组分当中，芳香分与改性剂和沥青的相容性密切相关。相容性主要是由沥青的组分决定的，芳香分多时则相容性好，沥青质越多相容性越差 。 聚合物与沥青相容的微观表现是：芳香分及其他成分的分子与改性
8、剂分子上的聚合物片断具有较好的相互吸附能力（与接触点处极性有关） ，则该部分芳香分分子与改性剂分子以化学键的形式吸附，从而使大量沥青软组分进入改性剂颗粒内部，使改性剂颗粒体积膨胀，即实现了溶胀的过程。溶胀越充分，改性剂分子与沥青介质的接触面积越大，则对单个的改性剂颗粒而言其所受沥青介质的分子间作用力数量级也越大。通过对 SBS改性沥青进行显微镜观察可以显著观察到这一过程：刚完成剪切的 SBS颗粒尺寸通常在 1m5m，经过充分溶胀形成稳定体系后，改性剂分子由于吸收大量软组分充分膨胀，在视野中很难观察到明显的改性剂颗粒，而未稳定的体系则可以看到大量改性剂颗粒存在其中。3 改性沥青中改性剂稳定情况3
9、.1 SBS 改性沥青热塑性橡胶类的 SBS改性沥青是目前高等级路面建设中应用最普遍的，具有良好的高低温性能，SBS改性剂是以丁二烯和 1、3 苯乙烯为单体，采用阴离子聚合制得的嵌段共聚物，聚苯乙烯链段（S）在两端，分别聚集在一起，形成物理交联区域，即硬段；而聚丁二烯链段（B）则形成软段，呈现高弹性 。SBS 改性剂进入沥青后，沥青中的芳香分等软组分在适当的外部条件作用下被改性剂分子充分吸收，改性剂颗粒体积膨胀，并在沥青中形成三维网状结构，当溶胀后的改性剂分子与沥青接触面积增加到足够大满足本文前述的力学平衡条件时，表现为改性剂在沥青中的稳定。但由于沥青本身是非常复杂的物质，不同油源的沥青其成分
10、大相径庭，同一油源的沥青也会因炼制工艺和生产环节工艺参数的波动而有所不同，因此 SBS与沥青还存在配伍性的问题。配伍性好则改性剂分子就容易达到实现稳定的力学条件，而配伍性不好时则需要采取特殊的手段来促进改性剂的溶胀。工程实践中有时会向沥青中加入石油产品炼制过程中生成的一些中间产物，其组成成分以芳香分等软组分为主，起到促进改性剂溶胀的作用，另一方面，还可以加入特制的稳定剂达到使改性剂分子实现力学平衡的目的。稳定剂可以使改性剂分子与沥青组分发生硫化反应，可以通过硫化作用在改性剂分子上接入大量沥青组分中的大分子有机物，在客观上起到增加改性剂颗粒与沥青接触面积的作用。与其他聚合物改性剂相比较，SBS
11、由于其存在软段结构，能够大量吸附沥青中的软组分，在沥青中更容易充分溶胀，相对而言比较容易实现稳定。3.2 PE 改性沥青热塑性树脂类的 PE改性沥青在高等级路面建设11中也有广泛的应用，能显著改善沥青混合料的高温稳定性。PE 是以乙烯单体在高压下经压缩、聚合而成的聚乙烯均聚物，常用于沥青改性剂的是低密度聚乙烯，具有很好的柔软性、伸长率和耐冲击性，溶解度参数较宽，容易与沥青共混。经过改性沥青胶体磨的加工后能粉碎成小于 5m7m 的细微颗粒 ，但由于聚乙烯分子排列规整，很少有支链，空间结构紧密，同时对沥青轻组分的吸收能力差，本身几乎很难充分溶胀，改性剂在沥青中极易离析，通常需要及时生产及时使用，存
12、储时必须不间断搅拌，使用不便，极大地影响了 PE改性沥青的应用。基于 PE改性剂的自身特点，最理想的稳定方法无疑是利用前述的等比重原理，通过对 PE改性剂进行特殊处理，在其中嵌入较大比重的矿物质或其他材料，使其自然处于受力平衡状态便可实现改性剂在沥青中的稳定。3.3 SBS+PE 复合改性沥青基于对 SBS改性和 PE改性各自优点的认识，一些工程项目的改性沥青采用了 SBS+PE复合改性的方式，这种改性方式同样存在改性剂的稳定问题。实践中发现 SBS和 PE的掺量必须在一定的比例范围内时才能实现改性剂的稳定。由于 SBS在沥青中溶胀后相互交联形成空间网状结构，而 PE颗粒则以很微小的颗粒存在于
13、沥青中，SBS 在沥青中的分布对 PE颗粒起到了粘滞阻挡的作用，当 SBS经过溶胀扩大了与沥青介质的接触面积，分子间作用力足以平衡自身的浮力以及 PE颗粒受到的浮力时，改性剂整体表现为稳定。也即是说 SBS+PE复合改性时改性剂的稳定其实质还是 SBS的溶胀带来力的平衡。从这个角度出发，假设可以将 SBS的分子片段通过材料学的工艺手段接枝在 PE表面，则相当于在 SBS分子中增加了一个硬段，这样就是一种兼具 SBS和 PE两种改性剂的有点的新型改性材料，而其实现稳定的原理与传统的 SBS改性剂的稳定并无不同。3.4 胶粉改性沥青使用胶粉作为改性剂可以解决资源再利用以及环保等多方面的问题，已越来
14、越受到我国道路科研工作者的重视。胶粉改性沥青的稳定性与胶粉的降解程度有直接关系，降解程度越好则胶粉改性沥青越稳定，该现象是由胶粉不同表面状态所引起的 。不同目数的胶粉均能达到稳定，但目数较低的达到稳定更快一些 。这是因为目数较低的胶粉在加工过程中更容易在剪切力的作用下相互摩擦而充分降解。胶粉降解的实质是其中的交联键断裂，降解后的胶粉表面成毛刺状， 使胶粉具有较大的比表面积，进一步吸收沥青中的轻组分，增大了与沥青介质的接触面积，从而提高颗粒与沥青间的分子间作用力，实现胶粉颗粒的受力平衡状态。因此胶粉改性的稳定原理可以用前述的热运动原理进行解释。3.5 其他改性沥青除以上几种常见的改性沥青外，在云
15、南省曾推广使用过硅藻土改性沥青。硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，主要是由中世纪时期约 10万至 1500万年以前积存在海洋、湖泊中的微生植物 (一种单细胞的水生藻类)遗骸和软泥固结而成的沉积矿，化学成分为非晶体二氧化硅。硅藻土具有孔隙度高、比表面积大、吸附性强、质轻等特性，并且直径很小一般只有几微米到十几微米，表面有许多微孔，孔径仅有 7-125纳米，是天然纳米微孔材料，具有极强的吸附能力。从改性剂材料本身的特点看，其比重大于沥青，对改性剂颗粒而言属于重力大于浮力的类型，添加到沥青中后容易发生改性剂沉淀的问题。但由于其表面多孔，比表面积极大，因此当改性剂颗粒表面微孔充分吸收沥青后其与沥青相互
16、之间的分子间作用力会提高很多，只要硅藻土改性剂颗粒尺寸小于一定的数量级即可达到受力平衡状态。因此硅藻土改性剂颗粒在改性沥青中的稳定也属于力学平衡后的布朗运动。4 结 语1、无论哪种改性剂，其在改性沥青中的稳定都必然是建立在改性剂颗粒的受力平衡的基础上。2、实现改性剂在沥青中的受力平衡可以通过改变改性剂颗粒的比重或增大改性剂颗粒与沥青介质的接触面积的方式实现。3、通过溶胀增大与沥青接触面积的方式实现稳定，其实质是改性剂分子与沥青间的分子间作用力增大到与浮力及重力相同数量级的水平，从而使改性剂分子在沥青中呈现布朗运动的无规则运动状态，宏观表现就是改性剂的稳定。4、可以通过对材料进行工艺处理，改变改性剂的比重来制造出天然稳定的改性剂；也可以通过对不同特性的材料进行复合来生产出具备稳定条件的新型改性剂。12参考文献：1 杨林江,李井轩.SBS 改性沥青的生产与应用M. 2001.7.2 沈金安.改性沥青与 SMA路面M.民交通出版 社,1999.7.
