直投式改性沥青研究进展综述

肖 凤，肖春发，邓星鹤

(1.广东华路交通科技有限公司，广州 510420；2.公路交通安全与应急保障技术及装备交通运输行业研发中心，广州 510420；3.湖南省建筑科学研究院有限责任公司，长沙 410011)

0 引言

随着我国经济的快速发展，逐年增加的交通荷载以及全球变暖引起的极端气候，目前道路铺装普遍采用SBS改性沥青，它是一种在基质沥青中掺入一定量热塑性丁苯橡胶(SBS)以及助剂等制成的具有较高性能的沥青[1-3]。目前主要采用两种方式生产SBS改性沥青，一是通过沥青工厂生产SBS改性沥青，再运送到施工工地现场使用。质量稳定是该方式的优势，但是减少SBS改性剂用量、掺入其他价格低廉和性能较差的改性剂以及采用劣质基质沥青等情况，亦会影响改性沥青的质量，同时易受到运输时间和施工现场储存稳定性等因素限制。二是采用移动式生产设备，在施工工地现场进行生产。该种方式不用担心储存稳定性问题，生产过程可控，但是所需生产设备较多，投资较大，供应量小，性价比不高[4-5]。

针对上述问题，开展可直接投入拌合锅的直投式改性剂制备改性沥青的技术研究,对公路行业未来的发展具有重要意义。因此，本文主要围绕直投式改性沥青展开综述和分析。

1 直投式改性沥青

1.1 简介

直投式改性沥青，即将直投式改性剂颗粒直接投入到拌合锅中与基质沥青、集料以及矿粉等一起经过数十秒高温拌和后，拌和出性能优异的直投式改性沥青混合料。其中直投式改性剂颗粒与传统的改性剂不一样，其利用不同种类的高分子聚合物、无机纳米材料、低熔点有机添加剂等材料各自的优点，通过直投式改性技术生产出改性沥青混合料。该方式可根据现场施工进度生产改性沥青混合料，减少了传统生产改性沥青耗时较长的缺点，省去了储存和长途运输改性沥青的环节。此外，还避免了改性沥青在高温高速剪切生产过程中以及长时间运输、储存等环境下产生的沥青老化、离析等现象。

1.2 作用机理

直投式改性剂投入拌合锅后，主要有两个过程，第一个过程是与集料进行拌和，裹附在集料表面，第二个过程是通过加入基质沥青与集料等进行拌和，制备出改性沥青。与集料进行干拌的过程中，直投式沥青改性剂利用集料的高温先熔化，再经过集料的挤压、剪切作用，直投式改性剂颗粒裹附于集料表面，并逐渐变薄，开始出现具有一定流动性的熔融状态。当加入基质沥青后，沥青将裹附于集料表面熔融状态的改性剂包裹，利用直投式改性剂颗粒中具有促进直投式改性剂颗粒与沥青互溶的相容剂等物质，更好地促进了基质沥青中的芳香分、饱和分等组分与熔融状态下的直投式改性剂相容，这一过程称为沥青改性过程。同时，在基质沥青与直投式改性剂相容的过程中，集料搅拌、挤压等外力作用更好地加快了熔融状态的改性剂与基质沥青互溶，形成均匀的改性沥青并裹附在集料表面，最终在较短时间内形成性能优异的直投式改性沥青混合料[4,7]。

1.3 技术优势

与传统的生产改性沥青方式相比，直投式改性沥青技术具有以下优势：

(1)传统的生产改性沥青过程中，会加入硫磺等无机类稳定剂，其在160℃～180℃高温下会挥发出含硫、氮氧化物，不仅影响现场车间人员身体健康，还会对环境造成一定污染[8-9]。另外改性沥青在加工、储存以及运输过程中需要加热和保温，带来一定的能源消耗。采用直投式改性沥青技术，减少了沥青生产厂家石化资源的使用，降低了沥青生产设备投资、运输以及能耗等成本，解决了传统改性沥青生产过程中存在的生产时间长、容易老化、长时间运输以及质量不稳定等一系列问题。不仅节约了成本，同时积极响应了国家节能环保政策，有效改善了整个沥青生产过程中带来的环境污染问题。

(2)该技术不仅满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)技术标准，还可有效改善沥青路面在高温多雨、强紫外线地区的高温性能，有效延长了沥青路面的使用寿命[10]。

(3)该技术可根据现场施工进度灵活调整生产进度，不仅节省了拌合站储存改性沥青的成本，还避免了储存过久导致的离析、质量不稳定等现象。另外，该技术可针对沥青路面的交通量、气候条件、施工环境等进行材料组成或比例的调整，以满足不同路面的性能要求[6,10]。

2 国内外直投式改性沥青研究的进展

2.1 国外研究进展

直投式改性沥青技术的发展要追溯到20世纪90年代的欧洲，法国是最早研究直投式改性沥青技术的国家，1992年，法国制定了直投式高模量沥青混合料生产与施工规范[11]。英国在21世纪初开始研究并使用直投式改性沥青技术。21世纪初，芬兰、意大利、美国、葡萄牙等均开始研究并使用该技术[12-13]。其中，芬兰通过对比分析，直投式高模量沥青混合料在高温环境下的抗老化和抗车辙性能优于其他常用的改性沥青混合料；意大利通过观测直投式高模量沥青混合料路用性能与荷载之间的关系，提出了道路基层采用直投式高模量沥青混合料的思路；葡萄牙结合国内气候条件，修建了多条直投式高模量沥青混凝土试验路，经过长期观测，具有良好的高温性能；美国由于道路运输荷载较大，路面车辙较为严重，采用直投式高模量沥青混合料作为中下面层，提出长寿命路面设计方案[14]。

目前，法国的PR-Module、德国的Duroflex以及日本的TPS是国外使用较多的直投式改性剂。其中，PR-Module的技术指标见表1，该颗粒直接投入拌合锅中可增大沥青粘度，加强沥青与集料的粘结力，使沥青混合料之间形成更牢固、丰富的网状结构。

表1 直投式改性剂技术指标

孙凤[15]通过室内试验提出了PR-Module沥青混合料的设计参数，利用疲劳方程和疲劳曲线研究了PR-Module沥青混合料疲劳寿命。王超[16]制备了PR-Module沥青混合料，对其高温稳定性、低温抗裂性以及疲劳性能等进行了研究，并通过试验路的铺筑和观测，分析了经济社会效益。另外，PR-Module沥青混合料的路用性能随改性剂掺量的增大逐渐提高，当达到一定掺量时，性能最优；若超过最佳掺量，PR-Module颗粒在沥青混合料中会出现分布不均匀的现象，导致混合料骨架出现部分松散等[17]。Duroflex的技术指标见表1，当加入拌合锅中，Duroflex颗粒与沥青胶结料接触，利用搅拌产生的剪切、挤压等作用促使Duroflex颗粒逐渐融化，变成细小颗粒，并伴随着持续稳定的分散过程，直到沥青完全裹附在集料表面，形成均匀的沥青混合料。同时，矿料颗粒与沥青胶结料之间会产生桥联作用，可显著提升沥青混合料的路用性能[18]。另外，Duroflex颗粒中含有三维网状结构纤维素，可提高沥青混合料的稳定性，减少裂缝等出现[17]。赵玥等[19]对Duroflex沥青混合料进行了配合比设计和路用性能评价，并对其改性机理进行了分析。刘子辉等[20]对添加Duroflex颗粒的改性沥青及其混合料的路用性能进行了分析评价。

2.2 国内研究进展

我国2003年从欧洲引进了直投式改性沥青技术，随后国内众多研究机构、高校等针对该技术开展研究。汪红兵[21]利用分子内润滑原理，研发了一种直投式SBS改性剂的制备方法。崔红兵[6]介绍了国内外直投式改性沥青的作用机理和技术特点，并以阿拉善地区为案例，分析了直投式改性沥青技术的优势。冯海燕[10]进一步通过对比直投式改性沥青混合料和传统改性沥青混合料的生产工艺，分析得出直投式SBS改性沥青技术具有工艺简单、质量稳定以及良好的经济社会效益等优点。王正同等[22]从标准规范要求出发，对比分析了直投式SBS改性沥青与传统改性沥青的各项技术指标。王淑华等[23]对不同掺量的直投式SBS改性沥青及其沥青混合料进行了分析评价。陈子敬等[24]以青海地区为例，对直投式改性沥青的原材料质量选择、配合比设计以及生产工艺进行了分析。Sen Han等[25]通过研究发现改性剂的类型和掺量影响着改性沥青的性能。另外，一些其他类型的直投式改性沥青也接连不断，如刘宁等[26]对自制的MRPE直投式改性沥青混合料的路用性能进行了分析评价。刘霞[27-28]对自制的直投式HVK-Ⅱ型高黏添加剂进行了拌和工艺研究。

另外，辽宁省交通科学研究院开发了“路宝”牌直投式高模量改性剂，其主要成分是聚烯烃类的热塑性树脂材料，技术指标见表2。当将其加入到拌合锅中，一部分融化分散在沥青胶结料中，增大沥青的黏度，提高沥青高温性能；另一部分改性剂裹附在集料表面，起到加筋和胶结的作用，增大沥青与集料的粘结力，提高沥青混合料的抗车辙和抗老化性能等。张朝旭[29]通过对比分析，认为“路宝”牌直投式沥青混合料在高温稳定性、抗车辙性能以及抗疲劳性能等方面具有明显的优势，且采用绿色环保的回收聚乙烯，具有良好的应用前景。赵冬明[30]从原材料、生产工艺以及技术指标等方面介绍了“路宝”牌直投式高模量改性剂，并对其进行了经济社会效益分析。吴耀东[33]通过动态模量和车辙试验，对比分析了添加“路宝”牌直投式高模量改性剂的沥青混合料和常规改性沥青混合料的性能。

上海浦东路桥沥青材料有限公司研发了RST直投式高黏度沥青改性剂[32]，技术指标见表2。该直投式改性剂采用弹性复合技术，先将橡胶材料与增溶剂、助剂等共混，利用分子间力、链段接枝和交换等作用，形成以橡胶为连续相的稳定网状结构。研究表明，生产1t RST沥青混合料比生产1t传统沥青混合料节能率低一半左右，经济效益显著[7]。深圳市海川工程科技有限公司研发了SINOTPS高黏沥青改性剂，技术指标见表2。该直投式改性剂最大的特点是既可以采用直投式也可以采用传统制备改性沥青的方式。研究表明，SINOTPS高黏沥青改性剂具有优良的高低温性能以及抗裂性能，对发展排水降噪路面具有很好的应用价值[33-34]。

表2 直投式改性剂属性参数

3 直投式改性沥青技术存在问题及发展趋势

直投式改性沥青技术不仅解决了传统生产改性沥青工艺中生产时间长、设备要求高、能耗高、运输和存储时间长以及易产生离析等技术难题,同时还可以根据现场施工情况调整生产进度，省去了沥青存储的环节，降低了沥青混合料生产的综合成本，是改性沥青技术的一次创新突破。

直投式改性沥青技术也面临一些问题。国外直投式改性沥青起步早，主要围绕直投式高模量沥青混合料展开，但价格较贵，性价比不高。国内针对直投式改性沥青技术的研究虽较多，但大多仍局限于实验室，未产业化或仅小范围地区使用，缺少结合不同地区气候特点研发与其匹配的产品。同时，对生产过程中存在的一些技术难题，如直投式改性剂与集料干拌过程中的作用机理、与集料干拌后的裹附效果对沥青混合料性能的影响以及直投式改性剂在基质沥青中的扩散机理等，还未形成完整的理论体系，缺乏成熟的实践经验。

4 结语

直投式改性沥青技术应围绕高性能、经济型、节能环保为方向展开深入研究，建议结合直投式改性剂材料的物化特性和不同地区气候特点，采用新材料、新工艺，针对性地研发适用于不同地区的直投式改性剂及成套生产技术。