馬洪波,董鳳龍,周宏前,王輝,張?zhí)镉?/p>
(中海瀝青(營口)有限責(zé)任公司,營口 115000)
隨著全球氣候的變化,國內(nèi)各區(qū)域極端溫差現(xiàn)象不斷出現(xiàn),東北三省部分地區(qū)的全年最高溫差甚至達到70 ℃以上,在此極端氣候條件下對瀝青路面的考驗更加嚴(yán)酷。瀝青性質(zhì)是影響路面使用壽命和服務(wù)性能的重要因素,性能優(yōu)良的改性瀝青對瀝青混合料的使用有重要影響[1]。隨著高速公路的快速發(fā)展,交通量不斷增大,車輛大型化和重載、超載車輛的不斷增加,人們對道路的使用要求越來越高,普通瀝青難以滿足施工和使用要求。SBS 改性瀝青是在基質(zhì)瀝青中摻加少量的SBS 通過一定的工藝加工而成,因其優(yōu)良的高低溫性能、抗老化性能等特點備受青睞,在實際工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[2]。
SBS 改性瀝青工業(yè)生產(chǎn)主要為現(xiàn)場生產(chǎn)和工廠化生產(chǎn),工廠化生產(chǎn)SBS 改性瀝青過程影響產(chǎn)品性能的因素眾多,本文結(jié)合多年生產(chǎn)實踐經(jīng)驗,從基質(zhì)瀝青組成、穩(wěn)定劑種類、改性瀝青助劑、發(fā)育罐攪拌效果等方面考察了對SBS改性瀝青產(chǎn)品性能的影響。
本公司采用膠體磨法生產(chǎn)SBS 改性瀝青。將SBS 改性劑與基質(zhì)瀝青按照確定的配方比例在預(yù)混罐內(nèi)混合溶脹,經(jīng)過膠體磨研磨后SBS以細(xì)小顆粒的形式分散到基質(zhì)瀝青里面,SBS 的PB 段吸收瀝青的輕組分發(fā)生溶脹,PS 段發(fā)生物理交聯(lián),使SBS 分子在瀝青中形成“互穿立體網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu),但由于SBS 與基質(zhì)瀝青在分子量上相差甚大,屬于熱力學(xué)不相容體系,為了得到儲存穩(wěn)定的產(chǎn)品,需要向混合體系加入穩(wěn)定劑,通過物理化學(xué)反應(yīng),得到均勻穩(wěn)定的改性瀝青混合體系[3]。
加熱至120 ℃左右的基質(zhì)瀝青原料從原料罐內(nèi)由泵抽出經(jīng)換熱至190 ℃左右后,進入預(yù)混罐中,同時在預(yù)混罐內(nèi)加入計量好的SBS 改性劑,與基質(zhì)瀝青充分混合溶脹后,經(jīng)過給料泵送至膠體磨研磨剪切,同時在改性瀝青發(fā)育罐內(nèi)加入計量好的改性瀝青穩(wěn)定劑,在一定溫度下攪拌發(fā)育一段時間即可獲得成品SBS 改性瀝青。SBS 改性瀝青生產(chǎn)工藝流程見圖1所示。
圖1 SBS 改性瀝青生產(chǎn)工藝流程
研究表明基質(zhì)瀝青中油分和芳香分含量高則SBS 改性劑在瀝青中易溶脹分散,反之則溶脹分散困難。基質(zhì)瀝青組成中雜元素(主要是S)含量對SBS 改性影響也較大,基質(zhì)瀝青中含硫的極性官能團是高分子聚合物SBS 與基質(zhì)瀝青發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)所必須的,硫含量高的基質(zhì)瀝青有助于SBS 改性?;|(zhì)瀝青組成是影響SBS 改性瀝青性能的關(guān)鍵因素[4]。
選取三種不同組成的90 號基質(zhì)瀝青進行試驗,三種瀝青分別命名為A 瀝青、B 瀝青、C 瀝青,性質(zhì)見表1。按照相同的配方進行生產(chǎn)試驗,SBS 改性劑添加比例4%,使用相同的生產(chǎn)工藝,發(fā)育過程中定期取樣檢測,表2列出了三種基質(zhì)瀝青改性過程中SBS 改性瀝青指標(biāo)變化情況。
表1 三種基質(zhì)瀝青性質(zhì)
表2 三種基質(zhì)瀝青生產(chǎn)改性瀝青性質(zhì)
2.1.1 高溫性能
改性后軟化點指標(biāo)能夠反映瀝青的高溫性能,三種基質(zhì)瀝青改性后軟化點隨發(fā)育時間延長呈先增大后減小趨勢,A 瀝青發(fā)育時間明顯比B 瀝青、C 瀝青長,長時間儲存發(fā)育A 瀝青改性軟化點逐漸上升,B 瀝青、C 瀝青軟化點呈現(xiàn)出先增加后減小趨勢。A 瀝青生產(chǎn)改性瀝青反應(yīng)速度比較慢,短時間內(nèi)軟化點指標(biāo)較低,工業(yè)生產(chǎn)使用表現(xiàn)為不易改性。
2.1.2 低溫性能
5 ℃延度能夠在一定程度上反映改性瀝青低溫性能,隨著發(fā)育時間延長,改性瀝青延度呈下降趨勢,從結(jié)果來看A 瀝青延度要高于B 瀝青、C 瀝青,說明A 瀝青制備改性瀝青低溫性能較好。
2.1.3 儲存穩(wěn)定性
48 h 離析指標(biāo)能夠反映改性瀝青儲存穩(wěn)定性,隨著發(fā)育時間延長離析指標(biāo)逐漸變小,其中A 瀝青生產(chǎn)改性瀝青需要發(fā)育36 h 才能離析合格(≤2.5 ℃),B 瀝青、C 瀝青分別需要24 h、12 h。
由表1、2 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),不同組成基質(zhì)瀝青改性在高低溫性能、儲存穩(wěn)定性方面存在差距。從三種基質(zhì)瀝青改性結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),芳香分含量高、硫含量高的C 瀝青改性發(fā)育時間短,改性后指標(biāo)最好;硫含量低、芳香分含量低的A 瀝青改性發(fā)育時間長,軟化點指標(biāo)低?;|(zhì)瀝青組成不同是導(dǎo)致SBS 改性劑在瀝青中溶脹反應(yīng)速度不同,改性后軟化點、針入度、延度等宏觀指標(biāo)不同,達到穩(wěn)定體系所需時間(離析合格)不同的主要原因。
在改性瀝青生產(chǎn)過程中為了保證改性瀝青長時間儲存不發(fā)生離析分層,同時提高改性瀝青產(chǎn)品指標(biāo),需要加入一定比例的穩(wěn)定劑。穩(wěn)定劑主要包含交聯(lián)劑、催化劑、填料。交聯(lián)劑通常為氮、氧、硫、磷等雜原子類極性化合物,是基質(zhì)瀝青與SBS 改性劑發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)并形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的橋梁;催化劑一般為質(zhì)子酸化合物,用于激發(fā)基質(zhì)瀝青與SBS 改性劑發(fā)生自由基反應(yīng);填料(密度調(diào)節(jié)劑)是密度介于SBS 改性劑和基質(zhì)瀝青之間的填料類物質(zhì),降低沉降速度?;|(zhì)瀝青與不同穩(wěn)定劑存在配伍性,不同穩(wěn)定劑使用效果不同,需要的添加量和添加工藝也不同。
試驗選用A 瀝青在相同配方下進行改性瀝青生產(chǎn),選用兩種不同廠家的穩(wěn)定劑進行試驗,兩種穩(wěn)定劑分別為1#、2#,改性瀝青指標(biāo)變化情況見表3。
表3 不同廠家穩(wěn)定劑對改性瀝青性能的影響
從表3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)兩種不同廠家穩(wěn)定劑改性效果存在一定差距,1#穩(wěn)定劑改性軟化點上升速度快,離析合格時間短,但延度指標(biāo)低;2#穩(wěn)定劑5 ℃延度高,但軟化點指標(biāo)上升速度慢,離析合格時間長。這是因為不同廠家穩(wěn)定劑組成不同,與基質(zhì)瀝青改性配伍性不同,改性后各項指標(biāo)也不同,因此工廠化生產(chǎn)SBS 改性瀝青前需要進行小試試驗選擇合適的穩(wěn)定劑及配比。
生產(chǎn)SBS 改性瀝青主要原料包括基質(zhì)瀝青、SBS 改性劑、穩(wěn)定劑等,有時根據(jù)特定生產(chǎn)需求還會添加一定比例的助劑。雖然助劑添加比例較小,但是能夠提高反應(yīng)速度、縮短發(fā)育時間。選取了兩種類型的助劑進行試驗,分別為助劑A 和助劑B。助劑A 為硫磺顆粒,主要作用為促進SBS 與基質(zhì)瀝青反應(yīng),縮短發(fā)育時間;助劑B 為富含芳香分的減壓側(cè)線油,可以促進SBS 改性劑溶脹,提高改性瀝青低溫性能。通過多次試驗確定了適宜的添加比例,試驗結(jié)果見表4。
從表4數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),添加一定比例的助劑A 能夠大幅縮短改性瀝青發(fā)育時間,改性后軟化點指標(biāo)升高,針入度、延度指標(biāo)減小,說明添加助劑A 能夠在一定程度上加快改性瀝青反應(yīng)速度,對改性瀝青生產(chǎn)是有利的,可以根據(jù)基質(zhì)瀝青不同添加一定比例的助劑A 進行改性瀝青生產(chǎn)。
從表4數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),添加一定比例的助劑B 后能夠提高改性瀝青針入度和延度指標(biāo),對改性瀝青低溫性能改善有一定的作用,在保證針入度指標(biāo)合格的條件下可以添加一定比例的助劑B提高改性瀝青低溫性能。
表4 添加助劑對改性瀝青性能的影響
SBS 改性劑經(jīng)過研磨細(xì)化后,進入發(fā)育罐與基質(zhì)瀝青混合反應(yīng),在穩(wěn)定劑的作用下SBS 改性劑與基質(zhì)瀝青之間發(fā)生鍵合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在發(fā)育罐的攪拌分散下使研磨剪切后的SBS 改性劑和穩(wěn)定劑快速均勻的在基質(zhì)瀝青中分散程度,對生產(chǎn)過程中SBS 改性瀝青產(chǎn)品質(zhì)量影響很大,成品罐攪拌分散效果的好壞直接關(guān)系到改性瀝青發(fā)育時間長短和產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。
筆者所在公司改性瀝青裝置開工初期,SBS 改性瀝青生產(chǎn)發(fā)育時間很長,實驗室試驗合格的配方在工業(yè)裝置遲遲達不到指標(biāo)要求。發(fā)育時間太長一方面影響生產(chǎn)效率,另一方面改性瀝青長時間儲存發(fā)育對延度、老化延度等指標(biāo)損傷很大?,F(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)發(fā)育罐攪拌器攪拌效果較差,罐內(nèi)介質(zhì)混合強度小。為了提高發(fā)育罐攪拌效果,在停工期間選取部分儲罐進行了攪拌器改造,如調(diào)整槳葉結(jié)構(gòu),增加槳葉層數(shù),新增管壁折流板,調(diào)整攪拌轉(zhuǎn)速等,通過改造提高了發(fā)育罐攪拌效果,新舊攪拌器SBS改性瀝青生產(chǎn)試驗結(jié)果對比見表5。
從表5數(shù)據(jù)對比可以看出,新攪拌器發(fā)育罐SBS 改性瀝青發(fā)育時間明顯縮短,軟化點指標(biāo)上升速度快,延度較好,離析合格時間短。分析原因,新攪拌器攪拌強度大,能夠使SBS改性劑、穩(wěn)定劑在基質(zhì)瀝青中快速分散均勻,交聯(lián)反應(yīng)形成均勻致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),表現(xiàn)為軟化點等指標(biāo)快速上升,形成穩(wěn)定體系(離析合格)時間減少。
生產(chǎn)改性瀝青為了保證改性劑、穩(wěn)定劑快速分散,防止反應(yīng)迅速的穩(wěn)定劑發(fā)生“偏食”現(xiàn)象,改性瀝青發(fā)育罐需要必要的攪拌強度??紤]到生產(chǎn)設(shè)備對原料的廣泛適應(yīng)性,攪拌強度偏大一點是有利的,適當(dāng)留有一定的余地是必要的。
表5 新舊攪拌器對改性瀝青性能的影響
根據(jù)中海瀝青(營口)有限責(zé)任公司生產(chǎn)改性瀝青中存在的問題,對影響改性的主要因素進行了考查,得出結(jié)論:
a)基質(zhì)瀝青組成對改性結(jié)果影響較大,芳香分含量高、硫含量高的基質(zhì)瀝青容易改性。
b)同種瀝青使用不同廠家的穩(wěn)定劑改性效果不同,穩(wěn)定劑與基質(zhì)瀝青存在配伍性,生產(chǎn)前需要進行配方試驗選擇合適的穩(wěn)定劑。
c)添加助劑可以有針對性的改善改性瀝青性能,提高改性效果。
d)發(fā)育罐攪拌強度影響改性瀝青發(fā)育時間和產(chǎn)品性能,攪拌強度大一點對改性瀝青生產(chǎn)是有利的。