一种高粘度改性沥青的制备方法
技术领域
本发明涉及改性沥青的制备领域，具体来讲是一种高粘度改性沥青的制备方法。
背景技术
排水性路面作为新型路面结构，因空隙率大，与密集配沥青混合料相比较具有排水性好、抗滑能力高及降低噪音效好等优点而被广泛地应用。但是空隙率过大，易受日光、空气、水等的影响，会导致排水性沥青混合料抗剪切能力和耐久性降低，从而使得排水性路面的路用性能下降。为了解决这一问题，经过各国道路工作者的努力，高黏度改性沥青应运而生。
国内外大量的工程实践表明了沥青胶结料的性能对排水沥青路面的质量和耐久性具有决定性作用。我国对于高黏沥青的应用较晚，自20世纪80年代初期开始进口SBS改性沥青。目前市场上改性沥青基本都是通过基质沥青与改性剂在一定条件半合成的，主要有EVA（乙烯、乙酸乙烯脂聚合物）、EEA（乙烯乙基丙烯脂聚合物）、PE（聚乙烯）、SBS（苯乙烯丁二烯嵌段聚合物）)、SIS（苯乙烯异戊二烯嵌段聚合物等聚合物改性剂。改性沥青虽然在一定程度上能够提高沥青混合料的高低温性能和抗老化性能以及抗水损害性能，但应用于排水沥青路面其粘附性方面显然不足。
我国上世纪八九十年代在上海、河北、黑龙江、广东等地修了一些小规模试验路，但由于当时对我国交通发展和严重程度考虑不足，缺少性能优良的改性沥青等问题，均未取得成功。美国早期的OGFC中多采用普通沥青，但路用性能较差，一些州甚至禁止使用此种路面。欧洲的排水沥青路面多采用改性沥青，并掺加纤维和抗剥落剂，路面总体性能好。近年来，美国在欧洲路面工程的经验基础上，在新一代的OGFC中，逐渐使用高分子改性沥青，并添加木质颗粒纤维，有效减少混合料离析，提高了工程质量。日本在研究和应用排水沥青路面的过程中，开始就一直注重改性沥青的研发，但由于不适应日本的夏季高温和重载交通条件，早期使用普通改性沥青修筑的排水沥青路面施工不久就出现了车辙变形和石料飞散病害。后来，日本经过大量的研究和实践，研制了TPS高黏度改性剂沥青混合料因其黏度高、低温抗裂性和高温稳定性好等而被广泛应用。2001年，我国在排水沥青路面的研究和应用中开始采用高黏度改性沥青。2002年，上海浦东北路是我国第一条采用日本进口TPS高黏沥青作为胶结料的排水路面。2005年，在南通—盐城高速路上修筑了17公里长的排水沥青路面，采用基质沥青+高黏度改性剂、SBS改性沥青+高黏度改性剂两种改性方式，该路段经过10年的使用，表现出良好的结构和功能耐久性。
我国现有工程经验表明，对多孔结构来说由集料嵌挤而形成的强度会大大减弱，为弥补由此带来的强度损失，增加结合料的粘度强度成为必然选择。因此沥青胶结料是排水路面的关键一部分。质量好的高粘度改性沥青可以提高排水沥青混合料的抗水损坏能力、抗车辙能力和抗飞散能力、提高路面耐久性等路用性能。沥青结合料的软化点和60℃动力粘度是影响排水沥青混合料的重要指标。研究通过在基质沥青、SBS改性沥青中分别掺加两种高黏改性剂，通过对添加不同高黏改性剂沥青之间技术指标对比进行优选，确定出一种技术指标过关的高黏沥青制备方法，并应用于实际工程当中。
我国排水沥青路面对高黏改性沥青的技术要求与日本标准并没有太大的差别，都对高黏改性沥青的60℃动力粘度、耐老化指标和柔韧性有很高的技术要求，但是这并不意味着我们可以照搬日本的技术标准来指导我们国内自己施工，主要是因为我国重载超载比较严重，远远大于日本交通情况。另外，我国气候与日本也不完全相同，我国地域辽阔，气候多种多样，这也导致了日本的规范并不完全适应于我国的实情。在试验方法上，我国的检测方法并不与日本完全一致，同样的试验采用不同试验方法检测指标并不完全相同，所以我国在修筑排水沥青路面时，要结合当地的气候条件以及交通情况，选择高性能的改性沥青，参考国外经验，制定合理的沥青技术指标与标准。
发明内容
因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种高粘度改性沥青的制备方法。
本发明是这样实现的，构造一种高粘度改性沥青的制备方法，其特征在于；所述的高黏沥青结合料是由基制沥青和高黏弹性改性聚合物添加剂在一定温度下制备而成，样品制备按如下方法：
1）、将基质沥青加热到约175℃或185℃（改性沥青），然后加入设计掺量的HVA改性剂，用玻璃棒搅拌均匀；
2）、将试样杯放到高速剪切机下，调整转速到5000转/min，持续剪切10min，整个过程温度控制在175－185℃之间（改性沥青温度适当提高5～10℃），在搅拌过程中要严格控制温度，防止沥青老化；
3）、关闭剪切机，将改性沥青放入180℃烘箱中发育20min，即可取样进行各种实验。
本发明具有如下优点：1、用于排水沥青路面的高黏改性沥青应对集料有更高的粘附性、较强的抗剥落力和抗分散性，在排水沥青路面施工中高黏高弹沥青的选择，60℃动力黏度指标应该作为首要考虑的指标。
2、根据以往试验经验优选了两种高黏改性剂国产HVA与日本TPS进行试验，通过对比两种高黏改性剂不同掺量的针入度、延度、软化点、60℃动力粘度以及旋转薄膜老化试验指标，两种改性剂制备的高黏高弹改性沥青各项指标均达到了规范对于高黏高弹改性沥青的要求。
3、分别加入 HVA、TPS 的两种剂制备的高黏高弹改性沥青相比于原沥青来说，针入度减小，软化点、延度、60℃动力粘度提高，而且随着高黏改性剂掺量增多，这种变化趋势越明显。
4、由改性沥青添加8%HVA改性剂掺配成的高黏高弹改性沥青性质优于由基质沥青添加12%HVA改性剂制配成的高黏高弹改性沥青，其中60℃动力黏度指标是基质沥青添加12%HVA改性剂掺配成的高黏高弹改性沥青的2.5倍。
附图说明
图1不同改性剂掺量的针入度对比图；
图2不同改性剂掺量的延对比图；
图3不同改性剂掺量的软化点对比图；
图4不同改性剂掺量的60℃动力粘度对比图；
图5不同改性剂掺量的25℃针入度对比图；
图6不同改性剂掺量的5℃残留延度对比图；
图7高黏外加剂掺量为12%时各检测指标关系图；
图8不同改性剂掺量的残留针入度对比图；
图9不同改性剂掺量的延对比图；
图10 不同改性剂掺量的软化点对比图；
图11不同改性剂掺量的60℃动力粘度对比图；
图12不同改性剂掺量的25℃针入度对比图；
图13不同改性剂掺量的5℃残留延度对比图；
图14基质沥青+12%HVA与改性沥青+8%HVA检测结果对比图。
具体实施方式
下面将对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明通过改进在此提供一种高粘度沥青的制备工艺，所述用的高黏沥青结合料是由基制沥青和高黏弹性改性聚合物添加剂在一定温度下制备而成。样品制备按如下方法：
1、将基质沥青加热到约175℃或185℃（改性沥青），然后加入设计掺量的HVA改性剂，用玻璃棒搅拌均匀；
2、将试样杯放到高速剪切机下，调整转速到5000转/min，持续剪切10min，整个过程温度控制在175－185℃之间（改性沥青温度适当提高5～10℃），在搅拌过程中要严格控制温度，防止沥青老化；
3、关闭剪切机，将改性沥青放入180℃烘箱中发育20min，即可取样进行各种实验。
在室内进行高黏改性沥青的制备主要是为了研究高黏改性剂的使用效果，在进行沥青混合料试验时则采用直投式高粘改性沥青生产方法，将改性剂直接投入拌合锅中与粗集料拌合一定时间，再加入适量沥青再进行拌合。
高粘改性沥青的作用机理：
（1）高粘改性剂的作用机理：沥青是一种结构和组成都十分复杂的有机混合物，主要由饱和分、芳香分、胶质及沥青质组成，各组分含量的多少与沥青的技术性质有直接关系。研究指出，沥青质和沥青的热稳定性、流变性、粘滞性有很大关系，沥青质含量越高，沥青软化点、黏度越大；胶质有很强的极性，影响沥青质的分散效果，其突出特征是具有很强的黏附力，胶质和沥青质之间的比例决定了沥青胶体结构类型；轻质组分饱和分及芳香分的増加会引起针入度上升，软化点和粘度指标降低，沥青的流动性增强。高黏改性剂是专为排水降噪沥青路面生产的一种改性剂，其主要成分以热塑性橡胶为主，粘结性树脂为辅。高粘沥青改性剂的作用机理是由于改性剂的掺入改变了原有沥青组分的分布，使得沥青性能发生一系列改变。高粘改性剂添加到沥青中时会发生溶胀，吸收沥青中的饱和分、芳香分等轻质组分，沥青质及胶质的含量相对增加，从而引起沥青的性质发生变化，即针入度降低，软化点及粘度増加。部分高粘改性剂与沥青混合之后，会改变渐青的胶体结构，使沥青温度敏感性降低。混合料拌合过程中，改性剂受高温作用软化，与沥青和细集料粘结并嵌挤到粗集料骨架之中，限制了矿料颗粒的相对滑动，増强其相互作用力。高温作用下，改性剂还能均匀地包裹在矿料颗粒的表面，保证了颗粒之间的黏结。增强了沥青混合料的稳定性。
为了保证排水沥青路面良好的耐久性和功能性，必须使用性能优良的高粘改性沥青。在排水沥青路面技术的发展中，我国这项技术依赖国外进口高粘改性剂材料，其中以日本TPS居多，但是这种改性剂价格昂贵，限制了这种路面类型在我国的推广应用。针对这一问题，研究使用交通运输部公路科学研究院研发的HVA高粘度沥青改性剂以及日本TPS高黏改性剂，通过室内试验分析了国产 HVA改性沥青的性能，并和日本进口材料进行对比，在此基础上，提出了 HVA材料的合理掺量。
高粘改性沥青的试验研究：
研究用到的高粘弹沥青结合料是由基质沥青、改性沥青和高粘弹性改性聚合物粒状添加剂在一定温度下拌合而成，由于添加剂的种类和性能将影响高粘弹沥青结合料的基本性能，因此为综合评价不同添加剂对高粘弹沥青结合料性能的影响，有必要对原材料性能进行检测。
1原材的性能检测：
采用SBS聚合物改性沥青、普通机制沥青，按照 《公路沥青路面施工技术规范》及《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求及步骤进行试验，其技术指标见表1、2所示。
2试验评价方法的确定
1）、针入度：针入度是反映沥青感温性能的基本指标之一，是在特定的试验温度下，标准针（100g）经过标准时间（5s）垂直贯入沥青试件中的深度（单位：0.1mm）来表示。它能表征沥青材料的软硬程度，反映沥青在一定条件下的相对粘度。沥青越软，其粘稠度越小，针入度越大。研究采用 SYD-2801I型沥青针入度试验仪测定沥青结合料的针入度，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中所规定的方法进行制样和测试，测试温度为（25±0.1）℃，标准针的贯入时间为 5s，每个沥青试样做三组平行试验，取平均值作为试验结果。
2）、延度：
沥青的延度同样也是沥青结合料的感温性能指标之一，主要反映其在低温时的抗开裂能力，延度越大，沥青材料的塑性越好，抵抗变形能力越好；延度越小，沥青材料的塑性越差，由于其测量起来比较方便，在实际工程中经常采用延度指标反映沥青结合料的低温性能。研究中沥青的延度按照 SYD-4508D 型数控低温沥青延度仪进行测试，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中所规定的方法在恒温容器中保温 2h 后，进行测试，每个沥青试样做三组平行试验，取平均值作为试验结果。
3）、软化点：软化点作为沥青结合料的三大指标之一，是沥青达到规定条件粘度时的温度，直接反映沥青的软硬程度和感温性能，由于其操作简单，在实际工程中，经常采用软化点反映沥青结合料的质量。我国采用的是世界上用得最广泛的环球法。影响软化点的因素包括水浴温度、试验升温速度、试验方法等。若试样软化点在 80℃以下者，则以水为介质；若试样软化点在 80℃以上者，则以甘油为介质。试验过程中，首先以(5±0．5)℃／min的速度进行加热，在 3min 时，开始记录数据，伴随着加热，沥青试样逐渐软化，钢球在自身荷重作用下下坠，与底板表面接触时，即刻读取数据。
研究中的软化点指标利用 SYD-2806G 型自动沥青软化点实验仪进行测定，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中所规定的试验方法进行沥青的软化点进行测试，起始加热温度为 5℃，升温速率为(5±0.5)℃／min。每种沥青试样测试 1 组，取平均值作为试验结果。
4）、 60℃动力黏度：沥青的动力黏度也称绝对黏度是沥青性质的主要指标之一。美国、澳大利亚等已经利用其60℃黏度作为道路石油沥青的分级标准。值的注意的是该方法是沥青技术要求的关键方法，不得以其它试验方法（DSR动态剪切流变仪等）替代，特别是目前低标号沥青应用逐渐增多，高黏沥青也有所应用，这些沥青均具有明显的非牛顿流动特性，其60℃动力黏度的不同方法检测值之间不具有互换性。
5）、 旋转薄膜老化试验：沥青旋转薄膜加热试验与沥青薄膜加热试验是同一性质试验，都用来模拟沥青结合料的短期老化。美国等一些标准中规定旋转薄膜可以用薄膜加热试验替代。但由于旋转薄膜试验中沥青膜更薄，只有5～10um，因此时间可以缩短，并且可以更加接近沥青混合料拌和时的实际情况。采用旋转薄膜模拟沥青材料的短期老化，分别对基质沥青以及由基质沥青通过添加不同用量高黏改性剂得到的高粘度沥青进行试验，通过检验老化后沥青材料的针入度、延度来研究 RTFOT 对不同种类沥青性能造成的影响，分析其对老化条件的敏感性。
针入度，软化点和延度试验是实验室用于评价沥青基本性能的常规实验，三大指标的检测对于评价沥青的性能是必不可少的，一方面是考虑到沥青的三大指标与沥青路面的路用性能有密切的联系，另一方面是这样便于拿国内的沥青数据与国外的沥青规范作比较。而排水沥青混合料使用的高黏改性沥青对于粘度要求较高，要求在 60℃时沥青的绝对黏度要大于 20000Pa.s，也应作为一项重要的试验指标考虑。
不同掺量改性剂对基质沥青性能影响：
研究使用国产HVA高粘度沥青改性剂和日本TPS 改性剂，分别采用占沥青质量8%、12%、16%的掺量对70#基质沥青进行改性，分析不同改性剂的改性效果，并侧重于国产HVA高粘度沥青改性剂，以日本TPS改性效果作为对比。表5为三种不同掺量下高黏改性沥青检测指标的检测结果。
由图1可以看出，基质沥青中分别掺加HVA高粘度沥青改性剂和日本TPS 改性剂后形成的改性沥青针入度明显小于基质沥青，并且随着高黏改性剂用量的增加，沥青的针入度逐渐降低。当高黏改性剂的掺量为16%时，HVA改性沥青的针入度为34.8，日本TPS改性沥青的针入度为35.9，这说明过高掺量的HVA及TPS改性剂都会导致沥青过硬，而影响使用性能。
由图2可以看出基质沥青中分别掺加HVA高粘度沥青改性剂和日本TPS 改性剂后形成的改性沥青延度，均随着高黏改性剂用量的增加而增加。说明高黏改性剂对于改善沥青的低温性能效果显著。当高黏改性剂的掺量为8%时，国产HVA改性沥青的延度为39.2，日本TPS改性沥青的延度为40.8，日本TPS改性剂在掺量8%时就已经满足规范对于高黏改性5℃延度要求，说明日本TPS改性剂在改善沥青低温性能方面比国产HVA 改性剂优良。当粘黏性剂的掺量为12%时，两种改性剂对低温性能的改善效果都满足规范要求。
由图3可以看出，基质沥青中分别掺加HVA高黏度沥青改性剂和日本TPS 改性剂后形成的改性沥青软化点，均随着高黏改性剂用量的增加而增加。两种改性剂之间并没有存在很大的差别。当高黏改性剂的掺量为8%时，国产HVA改性沥青的软化点为64.0，日本TPS改性沥青的软化点为63.2，两者均不满足规范对于高黏改性沥青软化点的要求。当高黏改性剂的掺量为12%时，国产HVA改性沥青的软化点为83.0，日本TPS改性沥青的软化点为82.6，两种改性后的软化点相差不多，均满足规范要求，
由图4可以看出，和基质沥青相比，分别掺加HVA高黏度沥青改性剂和日本TPS 改性剂后形成的改性沥青黏度都有了极大的提高。随着高黏改性剂用量的增加，改性沥青60℃动力黏度呈现剧烈的非线性增加。两种改性沥青相比，日本TPS改性沥青黏度最大，国产HVA对于提高沥青黏度效果略差于日本TPS。当高黏改性剂的掺量为12%时，两种改性沥青的黏度均超过了20000Pa.s，当掺量为16%时，两种改性沥青的黏度都非常大，这会导致施工时拌合泵送的难度大，因此应选取适当的改性剂掺量，并不是改性剂的掺量越高越好。
由图5和图6可以看出，旋转薄膜烘箱老化试验后，25℃针入度比均随着高黏改性剂掺量的增加而减少，残留沥青延度，均随着高黏改性剂用量的增加而增加。当高黏改性剂的掺量分别为8%、12%、16%时，国产HVA高黏改性剂改性沥青的残留针入度比均小于日本TPS改性沥青的残留针入度比，说明国产HVA改性沥青的老化程度高于日本TPS。两种改性沥青老化程度的不同可能，是其中含有的耐老化成分含量和种类不同导致的。当高黏改性剂掺量为12%时，两者均满足规范对于高黏改性沥青25℃针入度比的要求。
综合以上分析，与基质沥青相比改性沥青的60℃动力黏度、软化点、抗老化性能显著提高，针入度明显降低，说明沥青的稠度增加，两种高黏改性剂均能十分有效提高沥青的粘滞性和粘稠性。改性后低温延度都比较大，说明这两种改性剂均能有效地提高沥青的低温变形能力，防止沥青在低温下出现收缩开裂。
从图7可以看出，12%掺量的国产HVA高黏高弹 改性沥青在某些指标方面粘度方面和日本TPS材料有一定差距，但是国产HVA高黏高弹改性沥青各项指标均达到了规范对于高黏高弹改性沥青的要求，同时体现出良好的高温稳定性，高粘结能力，强低温变形能力和耐久性，是非常适合排水沥青路面使用的沥青材料。
不同掺量改性剂对改性沥青性能影响：
研究使用国产HVA高粘度沥青改性剂和日本TPS 改性剂，分别采用占沥青质量4%、8%、12%的掺量对改性沥青进行改性，分析不同改性剂的改性效果，并侧重于国产HVA高粘度沥青改性剂，以日本TPS改性效果作为对比。表6为三种不同掺量下高黏改性沥青检测指标的检测结果。
从图8～图13可以看出在改性沥青中分别掺加不同掺量的国产HVA改性剂和日本TPS改性剂，其针入度、延度、软化点、60℃动力黏度、残留针入度比、残留延度等指标的变化规律同基质沥青一致，也就是说无论是国产高黏改性还是日本生产的高黏改性剂他们对基质沥青和改性沥青的作用机理是一致的的。对于改性沥青来说，掺加8%用量的高黏改性剂，形成的高黏改性沥青指标均达到了规范对于高黏改性沥青的要求，同时也体现出良好的高温稳定性，高粘结能力，强低温变形能力和耐久性能。
由图14可以看出，由改性沥青添加8%HVA改性剂掺配成的高黏高弹改性沥青，它的延度、软化点、残留延度、60℃动力黏度指标的测量结果要优于由基质沥青添加12%HVA改性剂掺配成的高黏高弹改性沥青，其中60℃动力黏度指标，由改性沥青制备，成的高黏高弹改性沥青为165234pa˙s，由基质沥青制备成的高黏高弹改性沥青为65244 pa˙s，是由基质沥青制备成的高黏高弹改性沥青测量结果的2.5倍。在排水沥青路面施工中高黏高弹沥青的选择，60℃动力黏度指标应该作为首要考虑的指标，60℃动力黏度越大越好。另外考虑到HVA高黏改性剂价格比较贵，因此在排水沥青路面施工过程中，为确保施工质量，节约建设成本，应选择在改性沥青中添加高黏度改性剂来制备高黏高弹改性沥青。
综上所述；
1、用于排水沥青路面的高黏改性沥青应对集料有更高的粘附性、较强的抗剥落力和抗分散性，在排水沥青路面施工中高黏高弹沥青的选择，60℃动力黏度指标应该作为首要考虑的指标。
2、根据以往试验经验优选了两种高黏改性剂国产HVA与日本TPS进行试验，通过对比两种高黏改性剂不同掺量的针入度、延度、软化点、60℃动力粘度以及旋转薄膜老化试验指标，两种改性剂制备的高黏高弹改性沥青各项指标均达到了规范对于高黏高弹改性沥青的要求。
3、分别加入 HVA、TPS 的两种剂制备的高黏高弹改性沥青相比于原沥青来说，针入度减小，软化点、延度、60℃动力粘度提高，而且随着高黏改性剂掺量增多，这种变化趋势越明显。
4、由改性沥青添加8%HVA改性剂掺配成的高黏高弹改性沥青性质优于由基质沥青添加12%HVA改性剂制配成的高黏高弹改性沥青，其中60℃动力黏度指标是基质沥青添加12%HVA改性剂掺配成的高黏高弹改性沥青的2.5倍。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
