改性瀝青的研究現(xiàn)狀及展望

佟天宇，?；哿?，

（1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010；2.盤錦浩業(yè)化工有限公司，遼寧 盤錦 124000）

石油瀝青是原油蒸餾后的殘渣產物，是石油煉制行業(yè)中的重要化工產品，可用于涂料、塑料、橡膠等工業(yè)以及鋪筑路面等。中國汽車行業(yè)的飛速發(fā)展、極端區(qū)域的地理環(huán)境、人們環(huán)保理念的提升以及國家多種行業(yè)標準的嚴格要求等都對道路瀝青路用性能提出了嚴苛的要求。鋪筑路面使用一般瀝青時可能會導致路面出現(xiàn)大量的病害，影響行車安全性。研究人員發(fā)現(xiàn)應用改性瀝青可顯著提高路面的使用性能，提升行車舒適度。當前，通過添加其它物質來改性瀝青進而改善瀝青混合料的實際使用性能是1種重要手段，而瀝青改性劑的選擇和改性劑之間的復配等是影響瀝青實際路面使用性能的核心因素。

1 瀝青改性劑種類

在國內外改性瀝青的研究中，通常采用在基質瀝青中摻雜改性劑并經過物理混溶或化學反應的方式制備改性瀝青。目前文獻報道中添加的改性劑主要分為聚合物型和非聚合物型2種［1，2］。

聚合物型瀝青改性劑包含熱塑性彈性體、橡膠瀝青改性劑和樹脂類等。苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段共聚（SBS）、苯乙烯—異戊二烯—苯乙烯嵌段共聚物（SIS）、聚酯彈性體、聚烯烴彈性體等均屬于熱塑性彈性體，由于SBS改性瀝青制備工藝簡單且材料來源廣泛，是當前國內外研究最多、應用最廣的改性瀝青［3］；丁苯橡膠（SBR）、天然橡膠（NR）、氯丁橡膠（CR）等均屬于橡膠瀝青改性劑，其中具有良好低溫性能的SBR應用較為廣泛［2］；聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、環(huán)氧樹脂和呋喃樹脂等均屬于樹脂類改性劑，且相比于SBS等傳統(tǒng)改性劑，環(huán)氧樹脂改性瀝青因具備更好的彈性而研究廣泛［4］。

非聚合物型瀝青改性劑包含生物瀝青、天然瀝青、硅藻土、硫磺、部分陰陽離子配制的表面活性劑等，其中硅藻土應用最為廣泛，硫磺常被用作改性瀝青中的交聯(lián)劑。

另外，近年來一些化學改性劑、納米改性劑、纖維材料、廢舊材料和生物瀝青等如多聚磷酸（PPA）、納米電氣石、廢舊塑料包裝袋［5］、廢舊陶瓷、木質或礦物質等制備的纖維、秸稈生物瀝青，被用于改性瀝青的研究也越來越廣泛。

2 改性瀝青研究

將1種改性劑單獨添加或將2種及2種以上改性劑混合添加到基質瀝青中，是當前制備改性瀝青的主要研究方式，下面將根據(jù)改性瀝青中所添加的改性劑種類數(shù)目介紹改性瀝青的研究狀況。

2.1 摻雜單一改性劑的改性瀝青

2.1.1 常用改性劑改性瀝青單獨添加1種改性劑的研究如摻雜SBS制備相應的瀝青及瀝青混合料、摻雜SBR制備相應的瀝青及瀝青混合料、摻雜橡膠顆粒制備相應的瀝青及混合料等。

譚憶秋等［6］在90#瀝青的基礎上分別添加橡膠粉、SBS、SBR、芳烴油、橡膠粉/芳烴油和SBS/芳烴油，制備了6種改性瀝青。通過試驗研究對比分析了常用改性劑制備的改性瀝青的性能：橡膠粉、SBS均能提高彈性比例，橡膠粉改性瀝青改善效果更佳；較單一改性劑，復合改性劑制備的瀝青其路用性能更好。

王嵐等［7］在90#瀝青中分別摻入質量分數(shù)20%的30μm膠粉和4%的SBS制備了CR改性瀝青和SBS改性瀝青，并采用旋轉薄膜烘箱試驗（RTFOT）對2種改性瀝青進行165℃、75 min短期老化，利用動態(tài)剪切流變試驗（DSR）和掃描電子顯微鏡（SEM），對比分析了短期老化后改性瀝青流變性能發(fā)生的變化。研究發(fā)現(xiàn)：短期老化后，CR改性瀝青的高溫抗變形性能和抗車轍性力改善效果最好。

2.1.2 納米材料改性瀝青近年來，無機納米材料改性瀝青因具有環(huán)保性、經濟性、改性效果明顯等特點成為瀝青工程的研究熱點，納米材料的小尺寸效應使其具有傳統(tǒng)高分子聚合物如SBS及SBR等改性材料沒有的優(yōu)異性能，如高比表面積、高表面自由能、高分散性、抗老化性能、自潔性能、凈化廢氣性能等［8］。目前，報道相對較多的納米材料有納米ZnO、改性蒙脫土、火山巖等，具備特殊性能的電氣石開始進入人們視野進行改性瀝青的研究。

陳淵召等［9］采用納米ZnO和中國石化齊魯公司提供的70#基質瀝青等制備了7種不同納米ZnO含量的瀝青混合料，并通過動態(tài)剪切流變儀試驗（DSR）、彎曲蠕變試驗（BBR）等對比研究了7種改性瀝青混合料的路用性能，結果表明：混合料高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫抗裂性能最佳時，納米ZnO的摻雜量為4%；且得出納米ZnO與基質瀝青形成穩(wěn)定體系的原因是改性劑與基質瀝青不光發(fā)生了物理混合還發(fā)生了化學反應。

高及陽等［10］先利用70#道路石油瀝青制備了再生瀝青，再制備了KH-550和KH-570有機化納米SiO2，然后分別采用此2種納米SiO2和再生瀝青制備了改性瀝青。研究其性能表明：添加5%的有機化納米SiO2改性再生瀝青最合理，且改性后的再生瀝青分散性、穩(wěn)定性、高溫性能、抗老化性能得到很好地提升，團聚現(xiàn)象得到改善。

王朝輝等［11］選擇2種類型的電氣石和韓國SK70#基質瀝青通過高速剪切儀制備了2種電氣石改性瀝青。采用紅外光譜、動態(tài)剪切流變試驗等，對電氣石改性瀝青性能進行了研究。研究結果表明：電氣石改性瀝青不僅高溫流變性能、動態(tài)剪切性能、高低溫性能等得到有效改善，而且在不影響電氣石壓、熱電性能的同時電氣石改性瀝青還具有良好的低碳環(huán)保效益。

2.1.3 纖維材料改性瀝青常作為瀝青改性劑的纖維材料包括礦物質纖維、塑料纖維、木質纖維、石棉纖維、玻璃纖維等，有研究顯示摻加纖維材料的瀝青使用性能得到了更好的提升。但目前還沒有研究出完善的性能指標能夠規(guī)定纖維改性瀝青及其混合料的性能。

安靜［12］選用聚酯纖維和SK90基質瀝青制備了聚酯纖維改性瀝青及其相應的瀝青混合料，并通過凍融劈裂試驗、小梁彎曲試驗等試驗對比研究了聚酯纖維改性瀝青混合料的性能。研究結果表明：與SBS改性瀝青混合料相比，改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性隨著聚酯纖維的加入可以得到很好地提升，水穩(wěn)定性和疲勞性無太大變化。當聚酯纖維摻雜量在0.25%~0.30%時，其路用性能和實際經濟性等綜合效果較有優(yōu)勢。

楊文江［13］采用玄武巖纖維、國產重交AH-90瀝青、玄武巖集料以及磨細后的石灰?guī)r礦粉制備了玄武巖纖維改性瀝青混合料，并通過試驗研究分析了玄武巖纖維的摻雜量和相應改性瀝青的路用性能，通過工程實踐探究其實際路用性能。結果表明：玄武巖纖維改性瀝青混合料表現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性，玄武巖纖維的最佳摻雜量為0.3%。工程實踐應用表明：在通車4 a內，玄武巖纖維改性瀝青混合料實際應用效果較好，即使通車4 a后路面上也未出現(xiàn)明顯裂縫、車轍等病害，具有很好的開發(fā)前景。

2.1.4 廢舊材料改性瀝青生產生活廢舊材料一直以來都是威脅人類生存環(huán)境的重大問題，在廢舊材料的處理上，對于廢舊材料的加工和2次利用是有效途徑。如廢輪胎橡膠、廢塑料、廢陶瓷、化工廢料等回收作為瀝青改性劑，成為研究改性瀝青和加強環(huán)境保護的發(fā)展方向。

鐘韜等［14］回收并采用醫(yī)用包裝材料—多層共擠膜廢料（r-MCEFS）添加到重交70#基質瀝青中，制備了r-MCEFS改性瀝青。研究表明：基質瀝青的軟化點、改性瀝青的高溫性能、改性劑與基質瀝青的結合效果，隨著r-MCEFS含量增加而提升。

何亮等［15］選擇膠粉顆粒和70#A級道路石油瀝青通過濕法工藝制備了2種不同橡膠改性劑的改性瀝青，采用試驗法研究了2種橡膠改性瀝青的路用性能和老化特征。得出了普通橡膠改性瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和耐TFOT（薄膜烘箱試驗）短期老化性優(yōu)于脫硫橡膠改性瀝青的結論。

曾偉［16］系統(tǒng)闡述了國內外廢塑料改性瀝青及混合料的研究成果和改性效果，總結出廢塑料改性瀝青的高溫流變性能得到改善的結論。

羅蓉等［17］在90#基質瀝青的基礎上添加煤液化殘渣（DCLR）制備了DCLR改性瀝青，并通過試驗對改性瀝青性能進行了研究。結果表明：相比于90#基質瀝青，DCLR改性瀝青的抗變形性、變形恢復能力、抗疲勞開裂性能更好。

2.1.5 化學改性劑改性瀝青化學改性劑與其它常用改性劑不同，在一定的工藝條件下，化學改性劑會與基質瀝青發(fā)生化學反應，從根本上改變?yōu)r青原有結構和理化性能，很好地補充了其它改性瀝青性能上的不足?；瘜W改性瀝青中，彈性體3元共聚物（Reactive Elastomeric Terpolymer，RET）改性劑、聚磷酸（Polyphosphoricaid，PPA）改性劑、環(huán)氧樹脂改性劑等研究最為廣泛。近年來，聚氨酯（Polyurethane，PU）改性劑發(fā)展較好，由于其具有很多優(yōu)異性能而在醫(yī)學、煤礦、汽車等領域均有應用，但其在路面工程上的應用較少，有部分研究將PU作為膠結料使用。

孫敏等［18~21］采用PU化學改性劑和齊魯70#基質瀝青制備了相應的瀝青，并通過性能測試對比評價了改性瀝青的改性效果，分析結果表明：與傳統(tǒng)的SBS改性瀝青相比，PU改性瀝青的高溫性能、抗熱氧化性能和抗紫外線老化性能更好。

馬慶豐等［22］采用多聚磷酸（PPA）和秦皇島AH-90基質瀝青制備了PPA改性瀝青，并經過實驗分析表明：PPA改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能得到很好地提升。

2.1.6 生物瀝青生物瀝青是由農作物秸稈、廢棄食物油和生畜糞便等生物質資源，通過熱裂解、分離和深加工得到重質油，再與石油瀝青或其它藥劑混融制成。王海年等［23］選擇50#基質瀝青和含碳量為60%~75%的生物重油制備了生物瀝青，并研究分析了生物瀝青的性能受生物重油質摻雜量的影響，結果表明：當生物重質油摻雜量增加時，生物瀝青的針入度和延度增大，但是軟化點和表觀粘度略有降低。

2.2 摻雜2種及以上改性劑的復合改性瀝青

為了解決單一改性劑改性瀝青性能的不足之處，可以選取2種及以上改性劑于基質瀝青中制備復合改性瀝青。

如常用改性劑之間的復合改性瀝青，劉勇等［24］分別制備了膠粉添加量為7%，10%，13%和16%的膠粉/SBS復合改性瀝青。并通過試驗研究表明：相比于SBS改性瀝青，膠粉/SBS改性瀝青的高溫性能和粘彈性等得到很好地改善，并確定了膠粉的最佳摻雜量。

如納米材料和常用改性劑之間的復合改性瀝青，徐明非等［25］使用70#A級基質瀝青制備的SBS改性瀝青、納米蒙脫土和石灰?guī)r等集料通過高速剪切機制備了不同蒙脫土/SBS改性瀝青及其相應的瀝青混合料，通過一系列實驗分析表明：蒙脫土/SBS改性瀝青及瀝青混合料的綜合性能優(yōu)于SBS改性瀝青時，納米蒙脫土最佳摻雜量為3%。

如廢舊材料和常用改性劑之間的的復合改性瀝青，程培峰、佟天宇［26］回收2種廢舊聚丙烯（白色聚丙烯編織袋的聚丙烯回收料WPP、綠色聚丙烯編織袋的聚丙烯回收料GPP）分別與丁苯橡膠（SBR）復配后摻雜到90#基質瀝青中，制備了聚丙烯/SBR復合改性瀝青，并通過試驗研究了其路用性能，與傳統(tǒng)SBS瀝青混合料對比分析：復合改性瀝青混合料的的抗變形性、水穩(wěn)定性等均得到了有效改善，且此項研究把廢舊塑料融入到道路工程研究中，具有良好的環(huán)保效應和研究意義。于智光等［27］在環(huán)氧瀝青混合料中摻雜部分廢舊陶瓷破碎料并通過一系列試驗評價了其路用性能，分析表明：廢陶瓷/環(huán)氧瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與廢陶瓷摻雜量有關，所以確定最佳陶瓷摻雜量具有重要意義，為滿足改性瀝青的綜合路用性能，確定最佳摻雜量為60%。

如生物瀝青與常用改性劑，高俊峰等［28］采用木屑生物質生成的生物重質油、茂名50#基質瀝青、SBS改性劑和石灰?guī)r等制備了4種SBS改性生物瀝青和相應的瀝青混合料。對改性瀝青性能和瀝青混合料路用性能進行試驗，分析表明：改性生物瀝青的針入度、延度等隨著重質油摻雜量的增加而提升，且確定最佳摻雜量為10%。

如化學改性劑與常用改性劑的復合改性瀝青，周育名等［29］以70#基質瀝青為基礎摻雜不同量的粒徑為0.2~0.3 mm橡膠粉和不同量的多聚磷酸（PPA）制備了PPA/橡膠粉改性瀝青。對PPA/橡膠粉改性瀝青的性能分析采用試驗法，研究表明：復合改性劑的摻雜有利于改性瀝青的高溫性能、彈性性能、抗車轍性能和短期老化性能等的提升，但低溫性能等改善效果不明顯；綜合考察改性瀝青的性能改善效果，復合改性劑是很有效果的，并且確定了最優(yōu)摻雜量為1.5%PPA和15%橡膠粉。

如納米材料和纖維材料之間的復合改性瀝青，有研究表明若要瀝青混合料表現(xiàn)出很好的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，在其中摻雜納米SiO2、TiO2等納米材料是1種有效的途徑，但低溫性能改善較小。若要瀝青混合料表現(xiàn)出很好的高溫性能和低溫抗裂性能，可以將玻璃纖維、玄武巖纖維等纖維材料摻雜到瀝青中。但不論是納米材料還是纖維材料都是現(xiàn)今被應用到路面瀝青的新型材料，都有各自的優(yōu)勢和不足之處，且當前也很少有將2種材料復配制備改性瀝青的報道。程永春等［30］選取遼寧盤錦產AH90#重交通石油瀝青作為基質瀝青，選取納米天成高新公司生產的TiO2/CaCO3復合納米材料和吉林產地的玄武巖纖維作為改性劑，通過高速剪切攪拌設備制備了改性瀝青。選取玄武巖等作為集料，通過一系列試驗對改性瀝青的路用性能進行了研究分析，結果表明：改性瀝青的抗剪切強度、低溫性能等均得到有效改善；相比于納米材料和纖維材料的單一使用，2種改性材料一起使用效果更佳。

3 結束語

對于改性瀝青的研究，最早始于國外。從19世紀法國使用天然橡膠制備改性瀝青至今，關于改性瀝青的研究發(fā)展已經有上百年的歷史。由于SBS改性瀝青實用性強、使用壽命較長、工藝簡單、工程造價相對較低且來源廣泛，迄今為止SBS改性瀝青是實際道路瀝青中研究和應用最為廣泛的。但隨著SBS廢料的逐年增多和人們環(huán)保理念的提升，未來對SBS的回收利用應該得到更高的重視。

廢舊材料包括廢舊橡膠、廢舊塑料、廢舊陶瓷和化工生產廢舊料等，應用在改性瀝青研究上已得到進展。據(jù)不完全統(tǒng)計，中國約有140×104t/a廢舊輪胎，增長速度年均15%，利用率卻僅為發(fā)達國家的30%左右［31］。世界廢塑料累積量也已經超過70×108t，其中僅9%得到回收［14］。另外，廢舊陶瓷也是愈來愈受人們關注的可再利用資源?；どa廢料處理對于“雙碳”背景下的煉化企業(yè)具有重要意義，改性瀝青如果能應用這些廢舊材料，這樣即節(jié)省了大量的資源又保護了環(huán)境，是未來改性瀝青研究的重要趨勢。

納米材料和纖維材料是當今流行的材料，具有普通材料所不具備的特殊性能，已開始用作瀝青改性劑。雖然已經研究了納米改性瀝青和纖維材料改性瀝青的性質和機理，但納米材料與瀝青之間相互作用的機理大多是猜想，纖維材料改性瀝青的研究還不夠深入，因此對于納米材料和纖維材料改性瀝青的研究仍是重要的。

生物瀝青在石油資源日益緊缺、環(huán)境污染日益嚴重的今天，因其良好的環(huán)保效應和可替代部分石油基質瀝青的特點逐漸進入研究人員的視野。生物瀝青是1種新型材料，在路面瀝青領域報道較少，具有生產成本低、工程造價低、減少溫室氣體排放等優(yōu)點，但是在技術性能上還存在缺陷［32］，具有良好的發(fā)展前景。

對于摻雜2種及以上材料于基質瀝青中制備改性瀝青及相應的瀝青混合料，現(xiàn)研究已經非常廣泛，它可以很好地運用不同改性劑或材料間的協(xié)同作用來達到單一改性劑所達不到的效果，且這種思路也為改性瀝青的研究帶來了多種可能，仍是未來的重要研究手段。