SXK-1型改性乳化瀝青的研制及應用

　　遼寧省公路國省干線從1999年開始推廣乳化瀝青稀漿封層技術,至今累計完成稀漿封層1600萬m²,取得巨大的經濟效益和社會效益｡由于當時省內甚至國內缺乏性能優良的改性乳化瀝青,1999年和2000年全省主要推廣普通乳化瀝青稀漿封層｡但交通量劇增､軸載大型化､重載超載嚴重､行車渠化以及東北地區惡劣的氣候條件等綜合因素對粘結材料的性能要求越來越高,普通乳化瀝青已不能完全滿足稀漿封層的使用性能和耐久性的要求,研制及應用聚合物改性乳化瀝青已成為我省公路科技工作的當務之急｡1999年底沈陽三鑫公路工程公司開始研制改性乳化瀝青,經過大量室內實驗和現場試驗,在2001年初研制出SXK-1型(SBR)改性乳化瀝青并成功用于生產｡2001年底,該產品通過遼寧省科技廳科技成果鑒定,評審結論為國內領先,2002年該成果又獲得遼寧省公路學會科技創新二等獎｡目前,全省改性乳化瀝青稀漿封封層廣泛使用SXK-1型乳化劑｡

1 SXK-1型改性乳化瀝青的關鍵技術及創新點

1.1 關鍵技術

改性乳化瀝青這種材料一般僅占稀漿混合料的10%~20%,但是它的技術性能優劣將直接影響改性稀漿封層技術的成敗｡實驗表明,乳化劑､改性材料和瀝青材料這三者各自的性能和相互匹配是決定改性乳化瀝青技術成敗的關鍵因素｡

1.1.1          改性劑的選擇

選擇改性劑應考慮氣候特點､改性劑性能､改性工藝､經濟成本､與基質瀝青配伍等多方面因素｡遼寧省的氣候特點是冬季嚴寒(最低氣溫-40℃以上)､持續時間長,夏季炎熱(最高氣溫60℃以上)､但持續時間短,所以選擇改性劑應遵循兼顧高溫､重點考慮低溫的原則｡目前乳化瀝青常用的改性劑主要是SBS和SBR:SBS兼顧高低溫性能､粘結力強,但改性工藝復雜､乳液易離析且成本高;SBR低溫性能好､高溫性能和粘結力指標相對偏低,但改性工藝簡單､乳液性能穩定且成本較低｡我省普通公路主要使用盤錦90^#基質瀝青,它與SBS和SBR兩類改性劑的相容性很好｡綜合比較后選擇SBR改性乳化瀝青作為項目研究方向｡

1.1.2          乳化劑研制

乳化劑是改性乳化瀝青技術的核心,其性能包括乳化性能和(改性乳化瀝青的)使用性能兩部分｡乳化劑的乳化性能主要考慮乳化劑與基質瀝青及改性劑的配伍性:從國內外技術現狀來看,乳化劑與基質瀝青的相容性問題早已經解決,乳化瀝青的穩定性､瀝青含量､篩上剩余量等指標遠能滿足技術標準;對乳化劑與改性劑的適應性問題,SBR能與多種乳化劑配伍,而SBS對乳化劑的要求較為苛刻,主要表現為SBS改性乳化瀝青在生產和使用過程中極易離析｡改性乳化瀝青的使用性能一直是改性劑研制工作的瓶頸問題,主要表現為改性乳化瀝青與多數石料的可拌合時間不能滿足使用要求｡因此,研制乳化劑的關鍵技術是解決改性乳化瀝青與遼寧省不同地區石料的配伍性(遼寧省的石料分布可劃分成朝陽､遼陽､大連､鐵嶺､撫順五個典型片區,針對典型石料研制乳化劑)｡經多方論證,課題組決定采用復合法研制乳化劑:合成乳化劑的化學成份中有促凝物質(加速稀漿混合料破乳)和緩凝物質(延緩稀漿混合料破乳),通過調整兩種成份的比例控制乳化瀝青與石料可拌合時間｡研究表明,上述方法對于解決乳化劑與石料適應性問題非常有效｡

1.1.3          改性工藝

SBR改性劑有固體和膠乳兩種形式｡固體SBR類似SBS改性工藝較為復雜,國內早期曾采用母體法生產SBR改性乳化瀝青｡近年國內外主要使用SBR膠乳作為改性劑,該類改性乳化瀝青生產工藝和設備與普通乳化瀝青基本相同,工藝簡單､效果好､經濟節省｡本項目即使用SBR膠乳作為乳化瀝青改性劑,工藝流程見下圖:

1.2         創新點

從分子結構角度出發研制乳化劑;生產過程中酸耗小或無酸耗,對設備腐蝕性小;與多種石料配伍,封層達到慢裂快凝效果;乳化劑對基質瀝青性能破壞小;乳化瀝青中毒性物質基本不揮發｡2SXK-1型改性乳化瀝青的主要技術和經濟指標

2.1 改性乳化瀝青技術指標

2.2 改性乳化瀝青稀漿封層混合料技術指標

(1)Ⅰ､Ⅱ型稀漿層破乳時間2-3min､初凝時間15min､終凝時間30min;

(2)Ⅲ型以上稀漿封層破乳時間6-8min左右､初凝時間30min､終凝時間60min｡

2.3 主要經濟指標

生產成本為國內同類型產品的1/3,性能價格比優于國內同類型產品｡

3         SXK-1型改性乳化瀝青的應用情況

SXK-1型改性劑2001年開始使用至今已完成干線公路改性稀漿封層500萬m²｡根據遼寧省公路規劃,乳化瀝青稀漿封層作為公路預養護和中修養護的主要措施將在國省干線上大規模推廣應用,“十五”期間計劃安排改性稀漿封層計劃1500萬m2(工程總造價近1.5億元),確定使用本項目研究的改性乳化瀝青｡另外,由于性能價格比優于國內甚至國外同類產品,SXK-1型和MJ型兩種乳化劑也逐漸得到兄弟省市認可,已經大量銷往黑龍江､吉林､內蒙古､河北､天津､北京等省市,用戶反映良好｡

4改性乳化瀝青稀漿封層技術的國內外發展趨勢

近年來,通過聚合物改善瀝青或乳化瀝青的性能,提高路面或表處層的使用性能和耐久性,已成為國內外瀝青技術發展的趨勢｡在國外,隨著聚合物改性瀝青的普遍應用,聚合物改性瀝青也在迅猛發展｡從20世紀60年代末到70年代初,德國首先展開對聚合物改性乳化瀝青稀漿封層技術的研究,科學家們從常規的乳化瀝青混合料配方著手,加入特殊的高分子聚合物和添加劑,制成聚合物改性乳化瀝青混合料配方著手,加入特殊的高分子聚合物和添加劑,制成聚合物改性乳化瀝青混合料攤鋪厚度較大的稀漿封層用以修復路面上的車轍病害｡封層固化時間加快,與原路面粘結十分牢固,聚合物改性乳化瀝青技術也就從此問世｡美國､澳大利亞等于20世紀80年代開始采用這項技術｡時至今日,聚合物改性乳化瀝青稀漿封層已被認為是修復道路常見病害最有效､最經濟的手段之一｡它在歐美和澳大利亞已得到普及,并且正向世界其它地區推廣發展｡因此,國際稀漿封層協會將改性乳化瀝青稀漿封層定義為微表處｡表2列出一些國家微表處的年用量｡

國外改性乳化瀝青稀漿封層已應用多年并形成規模,相關的技術標準､實驗規程和施工規范已相當成熟,相應地乳化劑生產早已實現專業化､系列化､系統化｡而在我國大部分地區改性稀漿封層基本還處于試用階段,乳化瀝青的研制遠未達到專業化和系統化水平,乳化劑品種單一､沒有形成系列｡改性乳化瀝青應用面臨的障礙之一是乳化劑與石料的配伍性差,也就是說乳化瀝青對石料特別挑剔,很難找到與之相適應的石料,以至于稀漿封層不能達到慢裂快凝的效果｡所以說,微表處技術在我國發展緩慢的主要原因之一是缺乏理想的乳化劑(稀漿封層機械設備落后也是主要原因之一)｡我省在乳化瀝青稀漿封層研究､應用方面起步較早,80年代末就號召全省進行這方面的研究,在90年代初首批加入全國乳化瀝青協會,十多年來取得了不少的科研成果,積累了一定的經驗,后期由于種種原因這方面的研究工作一直停滯不前｡近年來,乳化瀝青稀漿封層技術在國內其他省市應用越來越廣泛｡1999年沈陽三鑫公司從國外購置5臺國際先進水平的稀漿封層車和1座乳化瀝青生產車間,組織專業化隊伍在遼寧省公路國省干線統一進行稀漿封層施工,同時立專題研制新型乳化劑｡目前,遼寧省(改性)稀漿封層的年用量和機械設備的質量､數量在國內處于領先地位｡我省研制的SXK-1型改性乳化瀝青的特點是能與多種石料配伍,稀漿混合料稠度好,既能保證封層施工(拌和､攤鋪､整形)所需的可拌和時間,又能確保乳化瀝青在封層整形完成后快速破乳,即達到慢裂快凝的效果;生產改性乳化瀝青酸耗小或無酸耗,對設備腐蝕性小;乳化劑對基質瀝青破壞性小,既能用于普通乳化瀝青,又能用于改性乳化瀝青;乳化劑生產成本低､經濟性好,性能價格比優于國內外同類產品｡

5         改性乳化瀝青稀漿封層的性能和用途

改性乳化瀝青可以提高稀漿封層的高溫穩定性､低溫抗裂性､內聚力､粘附性､抗剝落能力､早期強度､防水性能,從而延長其使用壽命｡微表處的主要用途包括:用于公路中修和預養護可提高路面的防滑能力､防水性能,治愈輕微網裂,增加路面色彩對比度,改善路面使用性能,延長路面使用壽命;成型快､工期短､施工季節長,可以夜間作業的特點尤其適于交通量大的干線公路､城市道路､高速公路;可在常溫條件下作業,降低能耗,不釋放有毒物質,符

合環保要求;在面層不發生塑性變形的條件下可一次性修復4cm左右深度的車轍而無須碾壓,是不用大面積銑刨路面解決車轍的獨特方法;因封層薄可用于橋面養護而不會增加自重及影響排水;在機場跑道作防滑面層;作為低等級公路路面使用｡國內外的研究和應用證明,改性乳化瀝青稀漿封層確實是功能最完善的道路養護方法之一,對出現在城市干道､國省干線､高速公路上的各種病害的修復最為有效｡它不僅能延長道路壽命,同時也很經濟｡隨著我國高等級公路和城市道路使用年限的延長,路面的中修和預養護工作日益繁重,改性乳化瀝青有廣闊的市場需求和良好的推廣應用前景｡

6         SXK-1型改性乳化瀝青的效益分析

截止到2001年底,遼寧省公路總里程已超過45000km｡這使得我省公路系統養護工作日益繁重｡據養護部門統計,為維持整個路網的正常運營每年至少須完成2000km以上中修任務｡就中修工程而言,若按傳統中修方法(3cm熱瀝青攤鋪)僅此一項每年就要投資4億多元｡因此,我省普通公路提出以改性乳化瀝青稀漿封層替代傳統中修養護方法的新思路｡從1999年開始至今在國省干線中修工程中應用加厚型稀漿封層700萬m²,經過近四年的探索與實踐,目前我省普通公路稀漿封層施工質量穩定,能有效治愈舊瀝青路面非結構性龜網裂､貧油､掉粒,改善原路面平整度,大大提高其防水､抗滑性能,基本達到了替代中修罩面的使用效果,而工程造價僅為中修罩面的1/2｡按照目前的投資水平,公路中修造價約為每公里約20萬元,若按250km計算每年可節省養護費用2500萬元｡另外,改性乳化瀝青進行預防性養護一般可推遲大修周期5年以上,按1萬元/km計算250km每年又可節省中小修保養護費1250萬元｡根據遼寧省公路發展規劃,“十五”期間全省計劃安排改性稀漿封層約1500萬m²(年工程量250km,總造價近1.5億元),可節省養護資金近2億元｡另外,路面保持完好使得行車速度､安全性､舒適性都大大提高,以及延長路面營運期帶來的間接效益更是難以估量的｡