直投式瀝青改性方案及其節(jié)能效果分析

李 交，閆國杰，赫振華，陳德珍，徐韻淳，胡 睿

（1.上海浦東路橋建設(shè)股份有限公司，上海市 201210；2.同濟大學(xué)，上海市200092）

0 前言

現(xiàn)在社會的發(fā)展面臨著資源短缺與環(huán)境污染等嚴(yán)重問題，如何提倡節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為時下一個重要的研究課題。在這樣的背景下，一系列具有節(jié)能減排效果的道路工藝措施層出，比如溫拌技術(shù)、再生技術(shù)、廢渣回收再利用以及本文要研究的關(guān)于混合料生產(chǎn)工藝的直投式瀝青改性方案等。

1 直投式瀝青改性方案

目前國內(nèi)道路行業(yè)常用的瀝青混合料生產(chǎn)工藝主要有兩種，一種是傳統(tǒng)預(yù)拌式SBS 成品改性瀝青方案，即將成品改性瀝青直接注入到集料中拌合生產(chǎn)改性瀝青混合料，因此亦稱為“濕法”工藝，如圖1；另一種是直投式改性方案，是指先將改性劑添加到集料中干拌，后再注入基質(zhì)瀝青濕拌生產(chǎn)混合料，亦稱“干法”工藝，如圖2。

從圖1、圖2 中可以看出，直投式改性方案節(jié)省了傳統(tǒng)成品改性瀝青的生產(chǎn)和儲存環(huán)節(jié)。一方面節(jié)省了改性瀝青生產(chǎn)設(shè)備的成本，也無需對改性瀝青進行儲存；另一方面避免了在改性瀝青生產(chǎn)過程中因高溫高速剪切條件下產(chǎn)生的瀝青老化現(xiàn)象，對于瀝青混合料的低溫、疲勞性能都有正面貢獻。

直投式改性方案施工工藝簡單，可操作性強，同時直投式改性瀝青混合料與傳統(tǒng)成品改性瀝青混合料的性能幾無二致。

2 直投式改性機理分析（RST 例）

2.1 RST 介紹

直投式瀝青改性劑以上海浦東路橋建設(shè)股份有限公司生產(chǎn)的高粘度改性劑RST 為例，見圖3，物理性能見表1。

表1 RST 的物理性質(zhì)

2.2 改性機理

RST 對瀝青改性過程為二階熱混方式的三元共混體系，即改性歷經(jīng)兩個階段完成。一階熱混是RST 直投式改性劑成品的形成過程。先將橡膠材料與增容劑及輔料共混，通過鏈段交換和分子間力等作用，形成以橡膠為連續(xù)相的、穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。RST 在與瀝青共混改性之前就已經(jīng)形成了均勻致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，無需再進行長時間的高速剪切，為改性過程能夠容易完成創(chuàng)造了條件。

二階熱混是RST 直投式改性劑對瀝青的改性，由于RST 中所含橡膠等聚合物均保持了一定的溶脹狀態(tài)，使其進一步溶脹變得更加容易，所含相關(guān)輔料在改性過程較高的溫度狀態(tài)下，具有加速熔融及提高熔體流動性能的作用，使RST 在改性過程中能夠快速熔融、溶脹、稀釋、均勻分散，具備了在拌和過程中足夠短的時間內(nèi)完成瀝青改性的熱力學(xué)條件。

3 RST 分散性研究

直投式改性方案分為兩個階段，一是干拌階段，二是濕拌階段。混合料拌合過程中，改性劑的熔融性與分散性均勻與否，決定混合料性能的優(yōu)劣。下面就兩個拌合階段里改性劑的熔融性與分散性進行研究，（以RST 為例）。

3.1 干拌階段熔融性及干拌時間的確定

RST 在混合料拌和時直接投入攪拌缸，在干拌過程中RST 顆粒承受高溫集料強勁的攪動揉搓和剪切，與高于自身重量百余倍的高溫集料之間發(fā)生劇烈的機械能量交換和熱交換，極短時間內(nèi)即可被熔融，成為極薄的液膜粘附在集料表面。由于RST 與熱集料之間的重量和熱量存在巨大的勢差，以及剪切揉搓作用，完成這一干拌過程只需10 s 左右，如圖5 所示。

鑒于RST 熔融后的液膜呈無色透明狀態(tài)，為了更加直觀地表征RST 干拌過程中不同時段的熔融狀況，在RST 原料中預(yù)先加入一定量的氧化鐵紅顏料作為示蹤劑，以熱集料表面色彩的覆蓋程度評價RST 隨不同時間的熔融規(guī)律，確定最佳干拌時間。

由圖5 可見，與熱集料干拌5 s 的RST 由圓柱形體轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則形體，雖已軟化但未完全熔融；在與熱集料的共同運動、接觸過程中, 不斷將表面熔融的液膜留在集料顆粒表面，干拌第8 sRST 不規(guī)則形體消失，熱集料呈現(xiàn)朦朧的紅色，但液膜厚度尚不均勻；干拌第10 s，熱集料基本上完全為紅色所覆蓋，液膜薄而均勻；干拌第15 s 與干拌第10 s 的狀態(tài)無明顯差別。為保證質(zhì)量，選定15 s 干拌時間最為適宜。

3.2 濕拌階段改性劑分散性及濕拌時間確定

在RST 改性排水性瀝青混合料實際生產(chǎn)過程中，取不同濕拌時間的混合料，運用顯微結(jié)構(gòu)分析方法，獲取不同拌和時段混合料顆粒表面的改性瀝青顯微結(jié)構(gòu)，描述了RST 在濕拌過程中的變化歷程，如圖6 所示。由圖中可見，加入瀝青第20 s 改性劑在瀝青中已形成較均勻分散狀態(tài)，但改性劑網(wǎng)狀粗大，表明與瀝青間的相互作用未達到平衡，隨著濕拌時間的增加，改性劑網(wǎng)狀不斷細化。第35 s 與第40 s 改性劑網(wǎng)狀的粗細已相差不大，顯微鏡下測得濕拌到第40 s 時，改性劑網(wǎng)架尺寸不大于1.6 μm，遠遠優(yōu)于預(yù)混成品改性結(jié)果。綜合考慮選45 s 濕拌時間為宜。

綜上所述，RST 高粘度改性瀝青的形成依賴于混合料的拌和過程，在這特定的體系和狀態(tài)中，通過熱能、機械能的交換，不僅使參加共混改性的各聚合物之間相互作用速率加快，更重要的是大幅度地減小了體系的相疇，改性劑網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加細微，分布更加合理均勻，決定了RST 高粘度改性瀝青優(yōu)異的宏觀物理力學(xué)性能。

4 結(jié)合料與混合料的性能

從之前結(jié)論得知，直投式改性劑RST在干拌15s、濕拌45 s 即總拌和時間1 min 的情況下，均勻地分散在基質(zhì)瀝青中，改性劑網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與成品改性瀝青下并無區(qū)別，具有良好的相容性，其性能見表2、表3。

顯然，RST 直投式改性方案下瀝青和混合料的性能幾乎全方位優(yōu)于SBS 成品改性方案。這消除了直投式改性方案中對改性劑分散性的質(zhì)疑。表中數(shù)據(jù)至少能夠證明一點，對直投式改性方案下改性瀝青與混合料的性能的質(zhì)疑是完全多余的。事實上，RST 改性瀝青混合料具有優(yōu)異的高低溫性能和抗水損、飛散能力。

因此直投式改性方案適合于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括排水性瀝青路面鋪裝、鋼橋面鋪裝、GSOG應(yīng)力吸收層等。

表2 RST 改性瀝青與SBS 改性瀝青性能對比

表3 直投式RST 與成品SBS 改性瀝青混合料性能對比（OGFC 瀝青混合料）

5 節(jié)能效果

5.1 計算范圍

直投式：RST 改性劑生產(chǎn)能耗；混合料生產(chǎn)能耗。

預(yù)拌式：SBS 成品改性瀝青生產(chǎn)、儲存、運輸能耗；混合料生產(chǎn)能耗。

其余產(chǎn)生能耗的環(huán)節(jié)，因兩種方案皆有，且能耗很小，對計算結(jié)果影響甚小，因此未包括在此次計算范圍內(nèi)。

5.2 計算指標(biāo)

各計算指標(biāo)見表4～表6。

5.3 計算方法

以排水路面為例，采用直投式改性方案下改性劑RST 摻加量為12%（占瀝青）；預(yù)拌式改性方案下成品改性瀝青中SBS 摻加量為9%（占瀝青）。參照表4～表6 數(shù)值，計算方法如下：

表4 直投式瀝青改性劑（RST）生產(chǎn)能耗計算指標(biāo)

表5 3000 型混合料拌合機能耗計算指標(biāo)

表6 成品改性瀝青的生產(chǎn)過程能耗計算指標(biāo)

（1）RST 生產(chǎn)能耗：

（2）SBS 成品改性瀝青生產(chǎn)能耗：

（3）SBS 成品改性瀝青儲存能耗：

以上公式中，kgce/t 指生產(chǎn)每噸目標(biāo)所消耗的千克標(biāo)準(zhǔn)煤；k1 為電力折算標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)；k2 為柴油折算標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)。

（4）混合料生產(chǎn)過程能耗：

（5）直投式改性瀝青混合料生產(chǎn)能耗：

（6）預(yù)拌式改性瀝青混合料生產(chǎn)能耗：

那么，生產(chǎn)一噸混合料，直投式改性方案比成品改性方案節(jié)省了17.1 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤。節(jié)能率為：

直投式改性方案因節(jié)省了改性瀝青單獨生產(chǎn)和儲存的環(huán)節(jié)，導(dǎo)致混合料的生產(chǎn)成本大為降低。從計算結(jié)果來看，前者只消耗了相當(dāng)于前者一半的標(biāo)準(zhǔn)煤，而后者單改性瀝青儲存環(huán)節(jié)的能量損耗就達到11.66 kgce/t，幾乎相當(dāng)于直投式改性方案的整個能量損耗。因此直投式改性方案具有十分明顯的節(jié)能效果。

5.4 實例節(jié)能效果分析

在2010 年上海世博會配套項目中環(huán)線浦東段高架和浦東國際機場北通道高架路面工程中，均采用直投式工藝生產(chǎn)的RST 排水性瀝青混合料。兩段高架各自長達15.5 km，相連總長達到31 km，攤鋪面積超過100 萬m2，混合料8 萬多噸，是國內(nèi)單體最大的排水路面工程。

結(jié)合上述計算方法，生產(chǎn)8 萬t 的混合料，直投式改性方案相比預(yù)拌式改性方案共節(jié)省了17.1×80 000=1.368×106kgce。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)煤與電能的換算系數(shù)，即1 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤相當(dāng)于29.27 兆焦熱能，對于中環(huán)線北通道高架排水路面項目，采用直投式方案比預(yù)拌式改性方案節(jié)省了29.27×1.368×106=4×107兆焦熱能，相當(dāng)于3.9×106度電。

6 結(jié)語

（1）通過分析直投式改性劑RST 的改性機理，直投式改性劑具備完全熔融并在瀝青中均勻分散改性的條件。

（2）采用顯微方式，從微觀分子力學(xué)方面分析并確定濕拌時間。顯微結(jié)果得出直投式改性瀝青的微觀分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與成品改性瀝青并無二致，測試結(jié)果同樣證明性能優(yōu)異。

（3）直投式改性方案在生產(chǎn)環(huán)節(jié)上相比傳統(tǒng)成品瀝青改性方案具有先天的優(yōu)勢，無需單獨生產(chǎn)、儲存改性瀝青，顯著降低了成本。

（4）直投式改性方案生產(chǎn)每噸混合料消耗17.1 kgce，比傳統(tǒng)預(yù)拌式改性方案減少了一半，節(jié)能率超過50%，節(jié)能效果明顯。