辐射改性SBS高粘度沥青在新型环保排水性沥青路面中的应用.doc

辐射改性SBS高粘度沥青在新型环保排水性沥青路面中的应用谢雷东 姚思德 李林繁 李银涛 虞鸣 （中国科学院上海应用物理研究所辐射技术应用中心 上海 201800）摘要 利用辐射接枝技术对SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）进行改性，改善SBS与极性材料共混相容性，并提高材料力学性能和抗老化、耐侵蚀性能。辐射改性SBS用于制备高粘度改性沥青，可应用于新型环保沥青路面排水性沥青路面。关键词 SBS 辐射改性高粘度改性沥青 排水性沥青路面1. 前言随着高等级公路的大量兴建，车辆行驶速度大幅提高，道路的安全、环保性能受到广泛关注，近年来，一种新型环保路面排水性沥青路面逐渐兴起。排水性沥青路面（Draining Asphalt）是指能够在混合料内部形成排水通道的多孔性沥青混凝土面层，雨水可以渗入路面之中，并由路面中的连通空隙向路面边缘排走，这样雨天道路表面不存在很厚的水膜，避免产生水飘、溅水和水雾，同时，这种多孔性路面还具有降低噪声、防眩光以及在炎热的夏季调节路面温度等功能，从而既能有效保证行车安全，又利于环保。图1 雨天排水性路面与普通路面的对比2. 排水性沥青路面发展概况发达国家出于安全及环保目的，已普遍在高速公路和城市道路中使用排水性沥青路面，德国等欧洲国家60的高速公路铺装了排水性沥青路面。日本在上世纪80年代后期开始从欧洲引进排水性沥青路面技术，虽然起步较晚，但发展速度非常快。日本建设省土木研究所通过对试验路的跟踪观测，认为这种路面耐久性可以与普通沥青路面相当。随后，日本道路协会颁布了排水性路面技术指南。1999年日本道路公团做出规定，要求今后所有管辖的新建或改建的高速公路表面层都必须采用排水性沥青路面铺装。目前日本70%的高速公路都使用排水性沥青路面。近年，国内一些城市陆续铺设了排水性路面试验路。如西安咸阳机场高速公路所铺的排水性路面，其长度13.5km，计37,100m2。实际应用证明，排水性路面具有抗滑性好、不积水、水雾少、行车安全，高温稳定性好、抗车辙能力强，噪声低、防眩光等突出优点。但是，排水性沥青路面的多孔性构造使得路面强度低，沥青易老化、耐久性差，特别是我国尘土污染比较严重，孔隙容易被堵塞，养护比较困难。根据国外理论研究和实际使用经验，防止孔隙堵塞的有效办法是提高空隙率，但路面空隙率愈大，石料间结合愈差，路面强度愈低，对沥青胶接料的要求也愈高。国外排水性路面的初始空隙率一般为2025，我国由于运输车辆超载现象严重，为了兼顾路面强度，排水性路面的初始空隙率仅为1820。因此，要解决排水性路面空隙率与路面强度这一对矛盾，需要使用高性能的沥青胶接料。3. 排水性沥青路面与高粘度改性沥青早期排水性沥青路面使用普通沥青铺筑，其强度明显不足，在交通荷载作用下路面易被进一步压密而变形，使空隙率降低，并影响路面的平整度。同时由于沥青粘度低，集料颗粒表面的沥青膜比较薄，不耐老化，集料颗粒容易脱落，造成路面松散。为此近十年来许多国家已开始注意使用改性沥青材料。日本对排水性沥青路面所用沥青胶接料进行了深入研究，并专门研制了高粘度改性沥青。应用高粘度改性沥青，不仅能显著提高排水性路面的抗变形能力，而且对沥青与集料的粘结性也能得到有效的改善。日本高粘度改性沥青主要技术指标如表1所示。表1 日本高粘度沥青技术标准技 术 指 标技 术 标 准针入度，25 （0.1mm）40软化点 ()80延度 15 (cm)50闪点 （）260TFOT后残留针入度比 (%)65TFOT后质量损失 (%)0.6粘韧性 25 (Nm)20韧性 25 (Nm)15粘度 60 (Pa.s)20000表中数据表明，日本高粘度沥青的软化点要求80以上，60粘度大于20,000Pa.s，是一般沥青粘度的100倍，而实际使用的高粘度沥青其粘度往往高达80,000Pa.s，几乎是普通沥青的400倍。综观国外大量的研究，近几年排水性路面所用的沥青，总的向采用高粘度沥青方向发展，其中以日本所提出的技术标准更为合理。为此我国现行沥青路面施工技术规范（JTG F402004）中对于排水性沥青路面所用的沥青要求基本是参照同日本的技术标准而制订。4. 辐射改性SBS高粘度沥青研制热塑性弹性体SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）是目前使用最广泛和综合性能最好的沥青改性剂。SBS分为线型和星型两种构型，分子量在100,000150,000左右。SBS的构型及分子量与改性沥青性能密切相关，星型结构和高分子量对改性沥青的高温性能及提高粘度有利。但是，SBS与沥青的相容性较差 ，而且与线型、低分子量SBS相比，星型和高分子量SBS更加难以在沥青中稳定分散，特别是针对高粘度改性沥青， SBS添加量较高，极易发生相分离和相反转。因此，高粘度改性沥青不能简单地采用基质沥青与SBS及稳定剂经高剪切加工这种传统方法制备。据报道，高粘度沥青专用改性剂一般是以星型、高分子量SBS为主，并添加相容剂、稳定剂、抗氧剂以及粘接性树脂、无机填料等组分，改性剂配方中SBS仅占 50%左右。对于高粘度沥青，SBS含量要达到7%左右才能保证性能指标，因而需要较高的改性剂掺量。以目前国内使用最多的日本TPS高粘度沥青改性剂为例，TPS国内价格在50,000元/吨以上，是普通SBS改性剂的近3倍，TPS掺量要达到15%左右，使用TPS修建排水性沥青路面，造价要比普通路面高35%以上，大大制约了排水性沥青路面的推广。本工作利用独特的辐射技术，在SBS分子链上接枝功能化单体，提高SBS与沥青的相容性与混合稳定性，并通过适度交联，在不影响SBS分散性能的前提下，使线性SBS发生支化，通过支化分子链的缠结作用，进一步强化SBS的物理交联网络结构。辐射改性SBS用于制备高粘度沥青，可以不借助于相容剂、稳定剂和粘接性树脂，显著改善SBS的分散稳定性，有效避免在高掺量下发生相分离和相反转，并大幅提高改性沥青的60粘度。有意思的是，流变性能研究表明，辐射改性SBS的支化分子链缠结效应对剪切速率比较敏感，在高剪切作用下，容易发生物理解离（或称解纠缠），即在常温和低剪切速率的路面使用条件下，具有很高的粘度，而在高温和高剪切速率的加工条件下，粘度并不过高。所以，采用这种高粘度沥青，在160170下与石料拌和时，拌和机的负荷并不增大，具有较好的加工性能。目前，初步研制的高粘度沥青改性剂，经上海市浦东路桥股份有限公司（浦东建设 600284）试验和检测，性能指标如下。表2 辐射改性SBS高粘度沥青改性剂性能指标试验结果试验项目掺量8掺量9掺量10掺量11日本产品标准25针入度47.844.242.941.841.040-50软化点 ()92.895.596.4111.794.7805延伸度 (cm)53.244.333.728.33015延伸度 (cm)9010060动力粘度(Pa.S)361,200478,000500,000500,000500,00020,000135运动粘度(Pa.S)2.393.945.406.263.50针入度指数 PI1.341.501.700当量软化点 ()63.1064.4066.10当量脆点 ()-22.7-23.6-24.1相关系数R0.99980.99970.99960.997粘韧性 （N.m）26.2625.4027.3036.9025.920韧性 （N.m）19.4519.2718.4027.6015.115老化后质量损失 (%)0.220.51.0老化后25针入度35.20老化后针入度比 (%)79.6465老化后延度 (5，cm)16.2515备注： 1.改性剂SBS含量为75%，改性剂掺量8、9、10、11相当于6、6.75、7.5、8.25SBS，日本某公司产品掺量为7SBS。 2.10与11试样5延度试验均为脱模时的数据，试样未断。3.试验所用的泰普克70#沥青于2007年11月22日取自本公司沥青储罐，25针入度为76。表3 辐射改性SBS高粘度沥青（9%）混合料性能指标试验结果项目试验样（9%）日本产品标准马歇尔试验稳定度（kN）5.424.755.0流值（1/100cm）31.823320-40空隙率（）20.1722.2218-25连通空隙率（）16.54-15.0毛体积密度（g/cm3）2.0201.97-飞散率（）13.0515.9020.00动稳定度（回/mm）610091873000备注：1.高粘度沥青样品为泰普克70沥青9改性剂(相当于6.75SBS)。2. 高粘度沥青用量（油/石比）为4.9。3.日本产品为7SBS成品高粘度改性沥青，用量和级配、集料不详。 5. 高粘度沥青市场和成本分析目前，国内在道路工程中应用的高粘度沥青（或改性剂）大致有日本TPS改性剂、韩国SK高粘度沥青、广东路翔高粘度沥青、上海浦东路桥RST改性剂、湖北国创高粘度沥青、武汉HVB高粘度沥青。这些产品与辐射改性SBS高粘度沥青的软化点、60动力粘度数据对比如下。表4 辐射改性SBS高粘度沥青与国内市场产品性能对比产品软化点（）60粘度(1104Pa.S）数据来源10%TPS690.585文献数据1（东南大学）15%TPS8911.7020%TPS9592.3012%TPS87.42.70文献数据2（盐通高速）SBS+8%TPS88.914.36韩国SK96.96.8012%TPS87.34.37文献数据3（萧山机场路）广东路翔90.116.4文献数据4（广东路翔）湖北国创962.65文献数据5（孝襄高速）11.5%HVB（武汉理工大学）101.53.59文献数据6（武汉理工大学）10%RST-1（上海浦东路桥）84.05.43文献数据7（上海浦东路桥）8%辐射改性产品92.836.1实测数据（浦东路桥测试）9%辐射改性产品95.547.810%辐射改性产品96.450.0由表4可见，辐射改性SBS高粘度沥青不仅性能具有明显的优势，而且改性剂掺量大幅度低于现有市场产品。经粗略估算，批量生产的辐射改性SBS高粘度沥青添加剂成本大约在25,000元/吨左右，如果市场销售价格定为35,000元/吨，以文献报道的江苏盐通高速排水路面试验工程2为参照，在相同基质沥青价格条件下，高粘度沥青成本对比如下。表5 高粘度沥青成本对比方案掺配比例改性剂费用基质沥青费用单价 /元吨TPS + 三菱 70#12886063.82006.48070.2TPS + SBS沥青8924042.530367078.5SK高粘度沥青 -7800.08%辐射改性产品*8922800.02097.64897.6*辐射改性产品价格按3.5万元/吨计算 可见辐射改性SBS高粘度沥青具有很好的利润空间和性价优势。6. 结束语排水性沥青路面作为一种安全环保路面，在我国尚处小规模试验阶段，目前国内高粘度沥青市场需求还很小，但随着我国以建设规模为重心的高等级公路网逐步完成，随着我国经济实力的不断提高和安全、环保意识的加强，尤其是在经济发达地区，势必对公路建设提出更高的要求，排水性沥青路面和高粘度沥青将具有广阔的应用前景。参考文献1 TPS 改性剂在排水性沥青混合料中的应用研究，公路交通科技，2004 （10）17-212 排水性沥青路面技术在盐通高速公路上的应用与创新， 公路交通科