改性瀝青的應用及其制備過程的遠程動態監測

楊文科

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

改性瀝青是一種在普通基質瀝青中添加某些改性劑經嚴格混合工藝而成的高品質路用瀝青品種，是在上世紀80年代末期由北歐瑞典等國引入我國的一種路用瀝青新技術。改性瀝青因添加改性劑品種和比例的不同會呈現不同的性能，但均以其優異的路用特性，特別是能夠顯著提高瀝青的軟化點，降低瀝青路面的早期損壞、提高道路承載能力及有效延長道路的使用壽命[1]著稱于世，得到了國內外道路工程學術界和管理部門的認可。改性瀝青的推廣和規模應用對于促進我國高等級道路的發展和相關交通領域的現代化和技術進步具有重要意義。

1 公路交通事業的建設發展要求道路性能不斷提高

眾所周知，現代高等級的路面形式主要由瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面兩大類型構成，亦可稱為柔性（前者）路面和剛性（后者）路面。這兩類路面的使用特征是比較明顯的，瀝青路面因其柔性特征具有行車平穩、較低噪聲和養護工藝方便且舊路面材料易于回收再生利用等優點，目前作為高級和次高級路面的主要結構類型廣泛采用。據我國交通運輸部門統計，在我國目前等級道路通車總里程中，瀝青路面占86%以上，而西方工業發達國家的相應比例更高，如地處北美的美國和加拿大等國的等級道路瀝青路面所占比例在90%以上。

普通路用瀝青（亦可稱為基質瀝青）通常為石油煉制的終端產品，由于其材料自身性能的特性，特別是軟化點較低（一般不超過50℃），以其作為黏合劑制作的瀝青混合料鋪設的道路極易出現早期損壞。這些損壞的典型表現可進行如下表述：

a）炎熱時節瀝青路面因高溫而軟化，這是因為作為一種黑體物質，瀝青是一種良好的吸熱體，但卻因其又是一種不良熱導體[2]而將吸收的熱量集聚起來。這種較為典型的溫室效應使得瀝青路面往往高于當時的環境溫度。筆者曾在2013年6、7月間在山西汾（陽）離（石）高速吳城段進行了瀝青路面表面溫度和環境溫度的檢測，并得出下列曲線所示的基本規律（圖1）。

圖1 瀝青路面表面溫度和環境溫度的關系曲線

b）在車輛的重載荷作用下因為瀝青較低的軟化點使得道路容易形成以車轍和推擁為基本特征的永久性變形（塑性變形）。

c）在冬季低溫時瀝青會因低溫而變脆，此時路面會因此出現開裂和半剛性基層開裂形成反射性路面裂縫和坑槽、松散等面積損壞[3]。

d）由于上述原因，通車后路面早期病害頻現、使用性能和服務壽命大受影響，且道路表層結構原有的抗滑能力會迅速下降，使得道路的總體行駛安全性嚴重受損等。

有鑒于這些問題的嚴重性，而國民經濟的快速發展亦使道路的交通流量增長迅速，同時車輛的大型重載化（作為煤炭和鋼鐵重化工基地的山西省更是如此）亦成為提高營運車輛運輸效率的趨勢之一。這些現實都對道路的使用特性（包括承載能力、行駛舒適性和使用服務壽命等）提出了越來越高的要求。

2 改性瀝青的工業化生產和規模應用成為必然

有鑒于此，提高瀝青路面的使用性能，特別是解決瀝青路面的高溫抗車轍性能、低溫抗開裂性能以及有效提高其承載能力和使用服務壽命成為擺在我國道路科研、管理部門和工程施工單位面前的緊迫任務。在這種情況下，通過具體國情的研究并參照國際道路工程學術界的成熟成果和經驗，我國在20世紀80年代末期開始了路用改性瀝青為代表的新型路面材料與相關技術的研制、引進和開發，并取得了大量成果。

改性瀝青因改性劑的不同（如SBS、SBR、橡膠粉等）而呈現不同的品種和品質，但國內外長期的道路工程使用實踐證明其中以SBS為改性劑與基質瀝青摻配制備的改性瀝青具有更為突出的使用性能。如改性瀝青的三項路用指標均優于普通瀝青，特別是軟化點大于等于70℃。SBS改性瀝青在高等級公路（尤其是高速公路）和機場跑道等工程的應用，能夠顯著提高路面的使用性能，提高承載能力，保證和延長路面服務壽命，同時能夠有效遏制道路早期病害的出現頻率，從而大大降低了道路日常養護費用，收到良好的社會與經濟效益。其主要技術優勢表現為：

a）在自然溫差較大（如晝夜溫度差）的地區使用呈現良好的溫度穩定性。

b）體現良好的彈性和韌性，在大流量、重載運輸的道路上具有良好的自適應能力，增強了路面的承載能力并具有較好的抗車轍能力。

c）具有較強的黏結性，從而有效地改善和提高了瀝青路面的遇水穩定性和抗水毀能力。

d）致密性好，因此能有效防止和減輕因車輛滲漏柴油、機油和汽油等輕質油分對道路造成的人為損壞等。

有鑒于此，SBS改性瀝青在國內外高等級公路上得到了廣泛應用。自20世紀80年代末以來，改性瀝青在我國瀝青路面施工工程中的應用已由局部到基本普及。國家交通運輸部專門制訂了改性瀝青應用的有關技術標準，使改性瀝青的制備和使用更為規范（特別指出的是，由筆者所在山西省交通科學研究院提出并參與起草的改性瀝青成套設備技術標準已通過初步審查，即將頒布全國執行）。由于改性瀝青的應用，不僅使路面性能有效提高，而且也使道路的現代管理水平得到了進一步提高，道路的日常養護工程量及工程成本大大下降。在改性瀝青應用領域，山西省交通科學研究院早在20世紀80年代后期即開始了相關技術的攻關，特別是于1986年在太原勝利街路面修建中采用了以氯丁膠乳為改性劑的橡膠改性瀝青道路鋪筑的試驗（氯丁膠乳占基質瀝青重量的5%～6%）。該段道路于1987年初通車，在長期大交通量和自然光候的雙重作用下，成功使用10余年后，經綜合檢測仍處于完好運行狀態，證明了改性瀝青在高等級瀝青路面的應用具有的良好效果。

進入新世紀以來，山西省交通科學研究院又以自己突出的技術實力成功研發了40 t/h改性瀝青成套設備注，不僅完成了國內多項重點道路施工工程，而且已作為高技術產品出口北非，投入國際道路施工工程，以此確認了自己在改性瀝青制備和應用領域的先進地位。

3 改性瀝青制備過程的遠程動態監測

改性瀝青生產過程的數據檢測是控制其成品質量的重要手段，通過對制作過程中各個生產環節的實時（瞬間連續）檢測，可隨時了解整個改性瀝青生產設備的作業狀態[4]，其結果將把影響改性瀝青質量的諸多因素予以及時發現和消除，從而有效地保證其成品的高品質。有鑒于此，山西省交通科學研究院研發了改性瀝青制備過程的遠程動態監測系統（以下簡稱PPFM）。

眾所周知，在改性瀝青制備過程中有諸多因素會直接影響其成品品質。其中改性劑的摻加比例、基質瀝青的流量以及制作和發育過程中的作業溫度等指標是重中之重。PPFM通過對實時加入的改性劑和基質瀝青稱重計量的數據信號，自動檢測改性劑在改性瀝青中的含量比例；通過置于設備各檢測部位溫度傳感器信號，檢測制作和發育過程中的溫度數據。這些數據由各傳感器測得后由可編程控制器PLC和電腦處理放大后即時進行上傳。由于信號的檢測和傳輸能夠在瞬間完成，這就使得管理人員能夠對瀝青改性作業的全過程進行即時監督，從而有效地保證改性瀝青的制作嚴格遵從設定的工藝、工序和配料比例。

高等級道路，尤其是高速公路的工程施工受季節、氣候和環境溫度影響較大。同時，施工場地分散，各生產基地間距較大。這些特點使得改性瀝青的制作時機和制作數量很難遵從一定的規律，不便于管理人員實時監管。PPFM的檢測數據可由專門設計的工控機及其程序自動保存并通過無線通訊網絡（GPRS）實時上傳至管理人員工作站，且可實現全天24 h無人化監管。管理人員在辦公室即可隨時閱取改性瀝青制備現場的各項監測數據，并可根據這些數據對改性瀝青的生產制備過程進行即時監管，從而有效地保證改性瀝青的成品質量。

注：山西省交通科技項目№05-09，山西省2008年度科技進步2等獎。