道路石油瀝青改性劑的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

陳一凡 王大明

摘 要：由于近年來路面使用要求的不斷提高，對瀝青進行改性成為目前道路工程中必不可少的步驟。本文介紹了不同的瀝青改性劑在道路鋪設(shè)中的應(yīng)用情況，并提出了其中一些瀝青改性劑存在的問題以及未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：瀝青; 改性劑; 改性瀝青

中圖分類號：U41? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）11-118-002

1.背景

瀝青因具有良好的礦物附著力和粘彈性而被廣泛應(yīng)用于鋪設(shè)道路^[1]。瀝青是一種多組分的復雜混合物，主要由多種碳氫化合物及其非金屬衍生物所混合而成，表面呈黑色，主要分為石油瀝青、煤瀝青和天然瀝青三種。其中，石油瀝青是指由石油原油蒸餾后得到的殘渣，我國鋪設(shè)道路時一般使用石油瀝青。

改革開放以來我國交通建設(shè)處于飛速發(fā)展階段，高速公路、高等級公路的建設(shè)規(guī)模龐大，為滿足交通荷載和安全的考慮，道路質(zhì)量標準也逐步提高。所以，在增加石油瀝青需求量的同時，對其性能要求也提出較高的標準。因此需要對瀝青進行改性，改善其高、低溫性能，以滿足在不同惡劣環(huán)境下的行車要求。

2.瀝青改性劑的應(yīng)用現(xiàn)狀

瀝青作為現(xiàn)代路面建設(shè)的重要材料，考慮不同的環(huán)境及日益增長的交通量對路面耐久性及其他路面功能性的需求，研究人員一直在尋找不同的改性材料，以取得需要的瀝青性能。我國對改性瀝青的定義為：在瀝青或瀝青混合料中摻入可改善或提高道路瀝青路面使用性能的有機或無機材料制備而成的瀝青膠結(jié)料^[2-3]。瀝青改性的方法有兩種：物理方法和化學方法^[4]。物理改性主要是指將改性劑與基質(zhì)瀝青通過低速攪拌機攪拌或者高速剪切機剪切后均勻混合，兩者之間并不產(chǎn)生化學作用，化學改性主要是指通過改性劑使瀝青的組成成分發(fā)生變化。瀝青改性劑主要包括聚合物瀝青改性劑和非聚合物瀝青改性劑。

2.1聚合物瀝青改性劑

（1）熱塑性彈性體瀝青改性劑

熱塑性彈性體主要指苯乙烯嵌段共聚物，如SBS^[5]，SEBS^[6-7]和SIS等。這種改性劑兼容了橡膠與樹脂的功能。其中SBS是目前國內(nèi)外使用率較高的熱塑性彈性體瀝青改性劑。

SBS是一種由苯乙烯和丁二烯組成的，采用陰離子聚合制得的線型或星型嵌段共聚物^[8]，SBS星型結(jié)構(gòu)對瀝青的改性效果要明顯優(yōu)于線性結(jié)構(gòu)^[9]。SBS瀝青改性劑與基質(zhì)瀝青混合后可以增強瀝青的剛度和韌性，加強其抗水損害能力、抗疲勞能力、抗老化性能以及抗剝離能力，同時也可改良瀝青的拉伸強度、延展性、回彈性和耐久性，降低滲透性以及高溫環(huán)境下的流動性。在制備SBS改性劑時為達到好的改性效果，會加入一定的橡膠油及較少的穩(wěn)定劑來提升SBS改性瀝青的穩(wěn)定性。試驗發(fā)現(xiàn)，橡膠油的加入，會使改性瀝青中芳香酚的含量增加，提升瀝青延展性能。但是當摻入過多的SBS改性劑，延度反而會下降，這是改性劑起到了硬化作用，因此會對瀝青性能的改善起到反效果。

（2）橡膠瀝青改性劑

橡膠是一種高分子化合物，其彈性強且伸縮性大，橡膠瀝青改性劑大多數(shù)都屬于合成橡膠類。其中，丁苯橡膠和廢舊膠粉是在瀝青改性中應(yīng)用較多的橡膠瀝青改性劑。

丁苯橡膠是由丁二烯與苯乙烯單體聚合而成的一種高分子聚合物^[10]，作為瀝青改性劑時擁有優(yōu)良的低溫性能，可運用于高海拔寒冷地區(qū)的道路鋪設(shè)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，丁苯橡膠在改善基質(zhì)瀝青延度及低溫延度方面具有突出的優(yōu)勢^[11]，并且可有效改善瀝青的水穩(wěn)定性和抗老化性能，降低溫度敏感性，增加瀝青的粘彈性，同時也可提高瀝青的存儲穩(wěn)定性以及高溫物理機械性能。在基質(zhì)瀝青中加入廢舊膠粉，即可制備傳統(tǒng)的廢舊膠粉改性瀝青。廢舊膠粉往往使用廢棄輪胎制作，成分主要為天然膠和丁苯膠等^[12]，其中橡膠含量占總量的一半左右，因此使用膠粉改性瀝青可在一定程度上減輕廢棄輪胎污染。廢舊膠粉加工過程簡單，并且成本較低。廢舊膠粉可以提高瀝青的各項高、低溫性能，減少車轍、擁包以及裂縫的出現(xiàn)，降低溫度敏感性，改善其抗老化性能以及存儲穩(wěn)定性，同時可降低路面噪音，延長路面的使用壽命，并且屬于廢物利用，環(huán)保、經(jīng)濟。

（3）樹脂類瀝青改性劑

樹脂類瀝青改性劑主要包括熱塑性樹脂和熱固性樹脂兩大類。其中，在瀝青改性中運用較多的是熱固性樹脂中的環(huán)氧樹脂瀝青改性劑。

將環(huán)氧樹脂和固化劑加入瀝青中，經(jīng)過固化反應(yīng)后環(huán)氧樹脂形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，瀝青分散于其中^[11]，得到環(huán)氧瀝青。此方法可以利用環(huán)氧樹脂的熱固性來彌補常規(guī)瀝青熱塑性的缺點^[13]，從而使改性后的瀝青具有以下優(yōu)良的特點：強度高，剛度大，韌性好，抗車轍能力與抗老化性能強，良好的抗疲勞性能、層間結(jié)合力以及溫度穩(wěn)定性和耐腐蝕性。

聚乙烯（PE）與乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）也經(jīng)常作為改性劑應(yīng)用于瀝青改性，兩者均可有效改善瀝青的高溫性能。

（4）復合型瀝青改性劑

復合型瀝青改性劑是指將兩種或兩種以上的瀝青改性劑混合摻入基質(zhì)瀝青。目前，復合型改性瀝青是國內(nèi)外研究的主要方向。對瀝青進行復合改性的目的在于使用一種瀝青改性劑改善瀝青某項或者某幾項性能的同時，用另外的瀝青改性劑彌補此改性瀝青存在的缺陷，從而使瀝青的性能得到全方位的提升。其中，利用SBS當作一種改性劑，再向其中加入另外不同的改性劑來同時對瀝青進行改性，是現(xiàn)今研究的熱點。比如，利用SBS與廢舊膠粉來復合改性基質(zhì)瀝青，可改良一般廢舊膠粉改性瀝青低溫延度較差與高溫粘度較大等問題，同時也可提高其抗疲勞能力，并且降低成本，提高經(jīng)濟效益;將SBS與環(huán)氧樹脂按照一定質(zhì)量比混合后對瀝青進行改性，可明顯改善瀝青的柔韌性以及高、低溫性能。此外，國內(nèi)外研究人員對于復合改性瀝青也進行了許多嘗試。如SBR與納米TiO2復合后可提高瀝青的水穩(wěn)定性以及各項高、低溫性能。

2.2非聚合物瀝青改性劑

（1）礦物質(zhì)瀝青改性劑

礦物質(zhì)瀝青改性劑主要包括硅藻土、硫磺、湖瀝青、巖瀝青、天然瀝青、石棉、不溶性硫磺等。其中，硅藻土和硫磺因其各自的優(yōu)點而被廣泛運用于瀝青改性中。

硅藻土自身具有孔隙度大、抗拉伸強度高和抗沖擊能力強等特點。硅藻土有較大的比表面積，其殼壁獨特的微孔結(jié)構(gòu)，能夠有效吸附穩(wěn)定瀝青^[14]，硅藻土作為瀝青改性劑可以改善瀝青的強度和粘度，提高其高溫穩(wěn)定性、抗車轍能力和抗老化性能，并且顆粒越細的硅藻土對瀝青的改性效果越好。硫磺則是常被作為瀝青改性過程中的交聯(lián)劑使用。使用硫磺對瀝青進行改性，可以提高瀝青的高、低溫性能，改善抗疲勞能力和抗車轍性能。

另外，湖瀝青與巖瀝青在道路中也常有應(yīng)用。特立尼達湖瀝青改性瀝青是用特立尼達湖瀝青（TLA）作為改性劑對基質(zhì)瀝青進行改性，改性后的瀝青可以預防一些早期的瀝青路面病害，提高道路壽命。特立尼達湖瀝青改性瀝青具有非常好的市場前景。經(jīng)研究表明，瀝青在經(jīng)TLA改性后有效增加了瀝青的抗老化性能，減緩瀝青硬度因老化作用的增大;軟化點增量隨摻量提高而降低，說明摻入TLA減緩了老化作用導致的重質(zhì)組分與輕質(zhì)組分分離，降低了軟化點增幅。因此，TLA能有效提高瀝青的抗老化性能。布敦巖瀝青改性劑（BRA）與TLA類似，是和基質(zhì)瀝青基本相似的石油產(chǎn)物，性質(zhì)也基本類似。BRA與基質(zhì)瀝青有很好的相溶性，不會發(fā)生改性劑離析的現(xiàn)象，同時特立尼達湖瀝青受長時間的自然環(huán)境作用，擁有極好的穩(wěn)定性，將其作為改性劑也就能提高改性后瀝青的穩(wěn)定性，有效減少瀝青在生產(chǎn)運輸?shù)绞┕み^程中的負面反應(yīng)。特立尼達湖瀝青改性瀝青還能預防一些早期的瀝青路面病害，提高道路壽命。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，BRA與TLA對瀝青的改性效果類似。

（2）添加劑瀝青改性劑

部分添加劑也可以用來對瀝青進行改性。如一些陰離子、陽離子混合表面活性劑也能用來改性瀝青^[15]，可以改善瀝青的粘附能力;而有機酸皂、胺型或酚型等抗氧化劑可以對瀝青的抗老化或抗氧化能力進行改善。

3.存在的問題與展望

（1）SBS作為最被廣泛使用的瀝青改性劑，盡管可以使瀝青的使用性能得到大幅的提升，但仍然存在許多問題，主要包括：SBS與瀝青的相容性差，在高溫條件下容易與瀝青發(fā)生離析，其耐候性與抗老化性也較差，從而導致使用SBS改性瀝青鋪筑的路面使用壽命較短，并且成本昂貴。這些問題仍需進行進一步研究?？煽紤]添加不同類型的改性劑進行復合改性，以提高其體系的穩(wěn)定性。

（2）廢舊膠粉與瀝青并不能很好的相容，因此容易出現(xiàn)離析現(xiàn)象，對儲藏與運輸都會有負面影響。同時，膠粉會吸收瀝青中的輕質(zhì)物質(zhì)，加大瀝青的黏度，有礙于作業(yè)進程。另外，用于制作廢舊膠粉的廢舊輪胎，由于其種類不同、主要成分不同，對瀝青的改性效果也存在差異。因此需要對廢舊膠粉的原料以及加工方式進行嚴格控制，從而可以控制改性瀝青的質(zhì)量。

（3）環(huán)氧樹脂則存在與瀝青的相容性不好等問題，經(jīng)過改性后的環(huán)氧瀝青對于施工的要求很高，并且養(yǎng)護周期長，同時，環(huán)氧瀝青在使用過程中容易磨損，產(chǎn)生疲勞開裂。未來研究可考慮對環(huán)氧瀝青的改性工藝進行優(yōu)化，或者對環(huán)氧樹脂改性劑進行官能團的嫁接，以解決目前存在的問題。

（4）對于硅藻土、硫磺等礦物質(zhì)瀝青改性劑以及添加劑瀝青改性劑的研究目前還較為稀少，因此需要對其改性機理進行深入探討，對未來的研究有著重要的指導意義。

（5）為全面提高瀝青在不同環(huán)境條件下的使用性能，同時為降低成本、更加環(huán)保，使用多種改性劑對瀝青進行復合改性是今后的主要研究方向。

（6）為在得到性能優(yōu)秀的改性瀝青的同時也能對環(huán)境進行保護，未來的主要研究將會是新型的改性劑以及改善生產(chǎn)工藝等。

參考文獻：

[1] Morales M G，Partal P，Navarro F J，et al.Processing，rheology，and storage stability of recycled EVA/LDPE modified bitumen[J]PolymEngSci，2007，47（2）：181-191

[2]交通部公路科學研究所.JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[M]北京：人民交通出版社，2009.

[3]沈金安.改性瀝青與SMA路面[M]北京：人民交通出版社，1999

[4]宋官龍，王楠洋，閆玉玲，宋錦玉，崔蕊.聚合物改性瀝青研究進展[J]當代化工，2012，41（10）：1066-1068

[5] AIREY G D. Rheological properties of styrene butadiene styrene polymer modified road bitumens[J]Fuel Guildford，2003，82：1709-1719

[6] POLACCO G，MUSCENTE A，BIONDI D，et al. Effect of composition on the properties of SEBS modified asphalts[J]European Polymer Journal，2006，42（5）：1113-1121

[7] YVONNE B M，MULLER A J，RODRIGUEZ Y. Use of rheological compatibility criteria to study SBS modified asphalts[J]Polymer Engineering and Science，2002，90（7）：1772-1782

[8]鄂宇輝.SBS改性瀝青改性劑摻量及改性效果評價[J]北方交通，2007（08）：23-25

[9]顧紹興，馬駿，安會勇.瀝青改性劑發(fā)展綜述[J]當代化工，2015（6）：1344-1347

[10]王楓成.丁苯橡膠改性瀝青老化前后性能對比分析[J]公路，2019，64（11）：204-209

[11]孫春陽，曲恒輝，張圣濤，劉樹堂.不同改性劑改性基質(zhì)瀝青性能試驗[J]長沙理工大學學報（自然科學版），2019，16（02）：28-35

[12]馬玉然，熊金平，李依璇，方坤，周勇.瀝青改性劑的研究進展[J]粘接，2012（9）：70-74

[13]廖義鵬，李高，葉流穎，李珠葉，薛東升，徐保明，周寶晗，陳坤.環(huán)氧瀝青改性劑研究進展[J]應(yīng)用化工，2019，48（01）：202-205

[14]張彬.硅藻土礦粉用作瀝青改性劑的研究[J]黑龍江交通科技，2016，39（08）：17-18+20

[15]肖鳳，鄧星鶴.瀝青改性劑研究進展[J]中國膠粘劑，2020，29（09）：61-66