1、直投式沥青改性方案 及其 节能效果分析 李 交 1 闫国杰 1 赫振华 1 陈德珍 2 徐韵淳 1 胡睿 1 （ 1上海浦东路桥建设股份有限公司工程技术研究所 上海市 201210） （ 2同济大学 上海市 200092） 摘要 ： 目前 常用的 沥青改性方案有两种，分别是直投式改性与预拌式改性。 通过室内试验和实体工程， 分析 RST 直投式改性剂 的改性机理，证明直投式改性剂在沥青中的分散均匀性。 同时对两种方案下 材料选择和混合料生产过程 中 的节能效果进行量化 计算 ， 计算 结果表明，每吨混合料生产过程中，直投式改性方案能 耗 相比预拌式改性方案减少 1kgce/t，节能率达到 37
2、.4%。 若抛开两者都存在且相同的混合料拌机运行能耗，节能率则变为 61.3%。 关键词 ： 直投式； 预拌式； 改性机理； 节能效果1 前言 现在社会 的发展面临着资源短缺与环境污染 等严重 问题 ， 如何提倡节能环保已经成为 时下一个重要难题。在 身处基础设施 建设前 沿 的 道 路 行业 情况尤为突出 ，在这样的背景下，一系列具有 节能减排效果的道路 工艺措施层出 ，比如温拌技术、再生技术、废渣回收再利用、以及本文要研究的关于混合料生产工艺的直投式沥青改性方案 等。 2 直投 式沥青 改性方案 目前 国内 道路 行业常用的沥青 混合料生产工艺 主要有 两种， 一种是传统预拌式SBS 成品
3、改性沥青方案， 即将成品改性沥青直接注入到集料中拌合生产改性沥青混合料， 因此 亦称为“湿法”工艺 ，如图 1；另一种是 直投式改性 方案 ，是指先将改性剂添加到集料中干拌，后再注入基质沥青湿拌生产混合料，亦称“干法”工艺，如图 2。 图 1 预混式改性方案流程图 图 2 直投式改性方案流程 A、投料 B、 180溶胀剪切 C、成品改性沥青运输、储存 1、集料干燥 2、集料过筛 /干拌 3、改性剂及纤维投放 /干拌 4、湿拌 5、装车 从图 1、 2 中 可以看出， 直投式改性方案节省了 传统成品 改性沥青 的 生产和储存环节 。 一方面节省了改性沥青生产设备的成 本， 也无需对改性沥青进行储
4、存 ；另一方面避免了在改性沥青生产过程中因高温高速剪切条件下产生的沥青老化现象 ，对于沥青混合料的低温、疲劳性能都有正面贡献。 直投式改性方案施工工艺简单，可操作性强，同时 直投式改性沥青混合料 与传统成品改性沥青混合料的性能几无二致。 2.1 直投式改性机理分析（ RST 例） 2.11 RST 介绍 直投式沥青改性剂以上海浦东路桥建设股份有限公司生产的 高粘度改性剂 RST 为例，见图 3，物理性能见表 1 表 1. RST 的物理性质 项目 指标 备注 外观 黄色或浅黄色颗粒状，粒子大小均匀，无颗粒粘结 控制其在混合料中的分散性 密度（ g/cm3） 0.95-1.02 g/cm3 气味
5、 无刺激气味 控制其环保性 熔融指数（ g/10min （ 190oC，2.16kg） ） 10 控制其在混合料中的分散性 2.12 改性机理 RST 对 沥青 改性过程 为二阶热混方式的三元共混体系，即改性历经两个阶段完成。一阶热混是 RST 直投式改性剂成品的形成过程。先将橡胶材料与增容剂及辅料 共混，通过链段交换和分子间力等作用，形成以橡胶为连续相的、稳定的网状结构，如图 4 所 示 。 RST 在与沥青共混改性之前就已经形成了均匀致密的网状结构，无需再进行长时间的高速剪切，为改性过程能够容易完成创造了条件。二阶热混是 RST 直投式改性剂对沥青的改性，由于 RST 中所含橡胶等聚合物均
6、保持了一定的溶胀状态，使其进一步溶胀变、得更加容易，所含相关辅料在改性过程较高的温度状图 4 RST 颗粒显微结构（ 1000X） 图 3 RST 颗粒 态下，具有加速熔融及提高熔体流动性能的作用，使 RST 在改性过程中能够 快速熔融、溶胀、稀释、均匀分散，具备了在拌和过程中足够短的时间内完成沥青 改 性 的热力学条件 1。 2.2 RST 分散性研究 直投式改性方案分为两个阶段，一是干拌阶段，二是湿拌阶段。 混合料拌合过程中，改性剂的 熔融性与 分散性 均匀与否，决定混合料性能的优劣。下面就两个拌合阶段里改性剂的熔融性与 分散性进行研究，（以 RST 为例）。 2.2.1 干拌 阶段 熔融
7、性 及干拌时间 的确定 RST 在混合料拌和时直接投入搅拌缸，在干拌过程中 RST 颗粒承受高温集料强劲的搅动揉搓和剪切，与高于自身重量百余倍的高温集料之间发生剧烈的机械能量交换和 热交换，极短时间内即可被熔融，成为极薄的液膜粘附在集料表面 。 由于 RST 与热集料之间的重量和热量存在巨大的势差，以及剪切揉搓作用，完成这一干拌过程只需 10 秒 钟左右，如图 5 所示。 鉴于 RST 熔融后的液膜呈无色透明状态，为了更加直观的表征 RST 干拌过程中不同时段的熔融状况，在 RST 原料中预先加入一定量的氧化铁红颜料 作为示踪剂 ，以热集料表面色彩的覆盖程度评价 RST 随不同时 间的熔融规律
8、，确定最佳干拌时间。 180干拌 5 秒钟 180干拌 8 秒钟 181干拌 10 秒钟 182干拌 15 秒钟 图 5 不同干拌时间下 RST 直投式改性剂的熔融状态 由图 5 可见，与热集料干拌 5 秒的 RST 由圆柱形体转变为不规则形体，虽已软化但未完全熔融 ； 在与热集料的共同运动、接触过程中不断将表面熔融的液膜留在集料颗粒表面，干拌第 8 秒 RST 不规则形体消失，热集料呈现朦胧的红色，但液膜厚度尚不均匀 ； 干拌第10 秒，热集料基本上完全为红色所覆盖，液膜薄而均匀 ； 干拌第 15 秒与干拌第 10 秒的状态无明显差别。 为保证质量，选定 15s 干拌时间最为适宜。 2） 湿
9、拌 阶段改性剂分散性及湿拌时间确定 在 RST 改性排水性沥青混 合料实际生产过程中，取不同湿拌时间的混合料，运用显微结构分析方法，获取不同拌和时段混合料颗粒表面的改性沥青显微结构，描述了 RST 在湿拌过程中的变化历程，如图 6 所示。由图中可见，加入沥青第 20 秒改性剂在沥青中已形成较均匀分散状态，但改性剂网状粗大，表明与沥青间的相互作用未达到平衡，随着湿拌时间的增加，改性剂网状不断细化。第 35 秒与第 40 秒改性剂网状的粗细已相差不大，显微镜下测得湿拌到第 40 秒时，改性剂网架尺寸 1.6 m，远远优于预混成品改性结果。 综合考虑选 45s湿拌时间为宜。 图 6 RST 直投式改
10、性剂在湿拌过程中的变化历程（ 1000X）综上所述， RST 高粘度改性沥青的形成依赖于混合料的拌和过程，在这特定的体系和状态中，通过热能、机械能的交换，不仅使参加共混改性的各聚合物之间相互作用速率加快，更重要的是大幅度的减小了体系的相畴，改性剂网状结构更加细微，分布更加合理均匀，决定了 RST 高粘度改性沥青优异的宏观物理力学性能。 2.3 结合料与 混合料的性能 从之前结论得知，直投式改性剂 RST 在干拌 15s、湿拌 45s 即总拌和时间 1 分钟的情况下，均匀的分散在基质沥青中， 改性剂网状结构 与成品改性沥青 下 并无区别 ，具有良好的相容性，性能见表 2、 3。 表 2 RST
11、改性沥青与 SBS 改性沥青性能对比 类别 试 验 项 目 基质沥青 +12%RST 基质沥青 +6%SBS 沥青结合料 针入度（ 25） 1/10mm 43.00 45.00 软化点 94.50 94.80 延度（ 15） cm 95.70 106.30 延度（ 5） cm 49.67 38.33 粘韧性（ 25） Nm 28.00 23.21 韧性（ 25） Nm 23.70 19.07 135粘度 Pas 2.40 5.28 60粘度 Pas 344066.67 180000.00 薄膜加热质量损失 % 0.10 0.30 薄膜加热残留针入度比 % 95.00 71.00 表 3 直投式
12、 RST 与 成品 SBS 改性沥青混合料性能对 比 （ OGFC 沥青混合料） 显然， RST 直投式改性 方案下沥青和 混合料 的 性能 几乎 全方位 优于 SBS 成品改性方案 。这 消除了直投式改性方案中对改性剂分散性的质疑 。表中数据至少能够证明一点，对直投式改性方案下改性沥青与混合料的性能的质疑是完全多余的。事实上， RST 改性沥青混合料具有优异的高低温性能和抗水损、飞散能力。 因此 直投式改性方案适合 于广泛的应用领域。包括 排水性沥青路面铺装、钢桥面铺装、GSOG 应力吸收层等 。 3 节能效果 3.1 计算范 围 直投式： RST 改性剂生产能耗；混合料生产能耗； 预拌式：
13、 SBS 成品改性沥青生产、储存、运输能耗；混合料生产能耗 其余产生能耗的环节，因两种方案皆有，且能耗很小，对计算结果影响甚小，因此未包括在此次计算范围内。3.2 计算指标 表 4 直投式沥青改性剂（ RST）生产能耗计算指标 表 5 3000 型混合料拌合机 能耗计算指标 表 6 成品改性沥青的生产过程能耗计算指标 类 别 试 验 项 目 基质沥青 +12%RST 基质沥青 +6%SBS 沥 青 混 合 料 空隙率 % 20.00 20.00 马歇尔稳定度 kN 6.41 5.74 流值 0.1mm 27.42 31.70 冻融劈裂强度比 % 96.47 87.60 动稳定度次 /mm 77
14、33 3250 20 飞散 率 % 13.8 23.5 运行效率 生产量 /h 0.35t 运行能耗 电 /h 105 度 拌和功 率 /kw 720 生产量 t/h 240 运行效率 生产量 /h 30 t 运行能耗 电 （剪切功率 /h） 300 度 柴油 （吨 /h） o.36 储存能耗 柴油 /周期 8kg/t 运输 柴油 L/km 0.4 (22t/40t) 价格 /L 6.7 3.3 计算方法 以排水路面为例 ，采用直投式改性方案下改性剂 RST 掺加量为 12%（占沥青） ； 预拌式改性方案下成品改性沥青中 SBS 掺加量为 9%（占沥青） 。参照表 46 数值，计算方法如下：
15、1) RST 生产能耗： QR = k1= 0.35=105 （ kgce/t） 2) SBS 成品改性沥青生产能耗： Qs1 = + = + =20.98（ kgce/t） 3) SBS 成品改性沥青储存能耗： Qs2 = 8 k2=8 1.4571=11.66（ kgce/t） Kgce/t 指生产每吨目标所消耗的千克标准煤 k1 为电力折算标准煤系数 k2 为柴油折算标准煤系数 4) 混合料生产过程能耗： 拌和过程能耗： Q 拌 = 0.35=1.05（ kgce/t） 5) 直投式改性沥青混合料生产能耗： Q 直 = QR 12% 5% + Q 拌 =0.63+1.05=1.68 （
16、kgce/t） 6) 预拌式改性沥青混合料生产能耗： Q 预 =（ Qs1 +Qs2） 5%+ Q 拌 =（ 20.98+11.66） 0.05+ Q 拌 =1.63+1.05=2.68（ kgce/t） 那么， 生产一吨混合料，直投式改性方案比成品改性方案节省了 1kg 标准煤。 节能率为： （ Q 预 - Q 直 ） / Q 预 = （ 2.68-1.68） /2.68 100%=37.4% 若抛开两者都存在且相同的混合料拌机运行能 耗，节能率则变为 （ 1.63-0.63） /1.63 100%=61% 直投式改性方案因节省了改性沥青单独生产和储存的环节，导致混合料的生产成本大为降低。从
17、计算结果来看， 抛开两者都存在且相同的混合料拌机运行能耗， 前 者 只 消耗了 相当于后者三分之一的标准煤，节能率超过了 60%。因此直投式改性方案具有十分明显的节能效果。 3.4 实例 节能效果 分析 在 2010 年上海世博会配套项目 中环线浦东段高架和浦东国际机场北通道高架 路面工程中，均采用直投式工艺生产的 RST 排水性沥青混合料。两段高架各自长达 15.5km，相连总长达 到 31km，摊铺面积超过 100 万 m2， 混合料 8 万多吨，是国内单体最大的排水路面工程。 图 7 中环线浦东段与浦东国际机场北通线路示意图 结合上述计算 方法 ， 生产 8 万吨的混合料，直投式改性方案
18、相比预拌式改性方案共节省了 1 80000=8 104千克标准煤。 根据标准煤与 电能 的换算系数，即 1kg 标准煤相当于 29.27兆焦热能 ，对于中环线北通道高架排水路面项目，采用直投式方案比预拌式改性方案节省了29.27 8 104=2.34 106 兆焦热能 ，相当于 2.3 105度电。 4 结语 （ 1） 通过 分析 直投式改 性剂 RST 的改 性机理， 直投式改性剂具备完全熔融并在沥青中均匀分散改性的条件 。 （ 2）采用显微方式，从微观分子力学方面分析 并确定湿拌时间。显微结果得出直投式改性沥青的微观分子网状结构与成品改性沥青并无二致，测试结果同样证明性能优异。 （ 3）
19、直投式改性方案在生产环节上相比传统成品沥青改性方案具有先天的优势，无需单独生产、储存改性沥青，显著降低了成本。 （ 4）直投式改性方案生产每吨混合料消耗 1kgce，比传统预拌式改性方案减少了 近 一半，节能率 达到 37%，节能效果明显。 抛开两者都存在且相同的混合料拌机运行能耗，前者 只消耗了相当于后者三分之一的标准煤，节能率超过了 60%。 参考文献 1 赫振华 ，刘 钢 ，闫国杰 . 直投式沥青改性剂 RST 的改性机理 .中国公路学会学术论文集 .2010.3： 53-62. 2 张玉军，王仕峰，欧阳春发 .SBS 在沥青中溶胀行为的研究 .石油沥青 .2004， 04. 3 闫国杰，姜爱峰，刘钢 .一种应用于排水性沥青路面和钢桥面铺装的直投式沥青改性剂 . 中国公路学会学术论文集 .2010.3： 145-155. 4 沈金安 . 沥青及沥青混合料路用性能 2001.5 5 JTG F40-2004 公路工程沥青及沥青混合料试验规程 S.北京：人民交通出版社 第一作者信息： 李交 ，男， 1987年生 单位通讯地址 ：上海市浦东新区川北公路 3011 号 邮编 ： 201210 移动 电话 ： 13661556646 传真 ： 021-58551208 电子邮箱 ： l_
