改性沥青的开发现状与发展前景

莫菊先

(中国石油化工股份有限公司长岭炼化分公司，岳阳， 414012)

国内外行业发展动态

改性沥青的开发现状与发展前景

莫菊先

(中国石油化工股份有限公司长岭炼化分公司，岳阳， 414012)

介绍了改性沥青的发展历程，阐述了改性沥青的研究现状，从发展新型的改性剂、提高沥青混合料的整体水平等方面，对改性沥青的发展前景进行了分析。

改性沥青 开发现状 发展前景

改性沥青是指掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂(改性剂)，或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得以改善制成的沥青结合料，具有很好的耐高温性、低温抗拉裂性和抗车辙能力，能够有效的提高路面的抗滑能力和减少沥青的老化。

20世纪70年代前后，在全国范围内曾采用渣油吹氧稠化、掺配特立尼达(TLA)或阿尔巴尼亚稠沥青等改性的方法，提高结合料稠度，配制成200号沥青，铺筑以表面处治为主的沥青面层。1985年国内开展了在沥青中掺丁苯、氯丁橡胶、废轮胎粉等改性沥青和掺金属皂等改善混合料性能的研究试验工作，取得了成功的经验。1992年NovophaltPE现场改性技术的引入，对改性沥青的推广应用起到了促进作用，使改性沥青从研究试验逐步发展到生产应用［1］。自20世纪90年代以来，我国应用于路面施工工程的改性沥青处于不断发展之中，使用量逐年增加，2008年为2.47 Mt，2009 年为2.75 Mt，2010 年达到4.60 Mt。

1 改性沥青的开发现状

目前国内改性沥青开发的主要研究方向有3个:一是通过改善沥青性能品质来提高沥青混合料的粘结力，增强抵抗永久变形能力，并减少感温性;二是通过改善矿质混合料的级配来提高沥青混合料的高温抗变形能力;三是在沥青混合料中加入纤维加筋材料等添加剂，以改善沥青胶体的结构［2］。

1.1 SBS改性沥青

丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物(SBS)改性的优越性突出表现在具有双向改性作用，也就是既能使沥青软化点大幅度提高，又能使低温延度明显增加，感温性得到很大改善，弹性和恢复率也比较好。中国石油化工股份有限公司巴陵分公司于2007年开展了沥青改性用热塑性弹性体(TPE)新产品的开发，依据活性阴离子聚合原理，通过分子设计，合成了沥青改性用TPE新品，产品经用户应用表明，能有效提高改性沥青的延度、高温储存稳定性及施工性能［3］。

1.2 废轮胎胶粉改性沥青

废轮胎胶粉中含有天然橡胶、合成橡胶、硫磺、炭黑和抗老化剂等化学成分，这些成分对改善普通沥青的品质都十分有益，主要体现在能够有效地提高沥青的软化点、改善沥青低温下的流动性、降低针入度和提高延度，使沥青产生可逆的弹性变形。据统计，我国废旧轮胎在2005年就达到1.2亿条，2010年达到2亿条，并以每年12%的速度增加，因而废旧轮胎的处理已迫在眉睫。目前我国对于废旧橡胶粉改性沥青的研究、应用还没有系统化，且还没有出台相应的标准［4］。

1.3 环氧沥青

在沥青中加入环氧树脂，经过与固化剂发生硬化反应，形成不可逆的固化物，使沥青性质由热塑性转化成热固性，从而赋予环氧沥青强度高、刚度大、优良的耐疲劳性能、突出的层间结合能力、良好的温度稳定性和较强的抗腐蚀性［5］。

环氧树脂与固化剂反应后，沥青分子分散于环氧树脂形成的网状结构中，形成不可逆的固化物，从而赋予沥青优良的物理性能。环氧树脂的种类主要有双酚A型环氧树脂、缩水甘油醚类环氧树脂、脂环族环氧树脂和酚醛环氧树脂等。用环氧沥青拌制的沥青混合料，其路用性能比普通沥青混合料优异得多［6］。

在20世纪60年代初，美国的Thomas F Mika等人首先报道了这类高性能材料，直至90年代，人们才把研发重心从涂料和屋顶铺面材料转移到道路铺装材料。由于该材料具有价格高、施工难度大的缺点，其使用范围受到限制，目前多用于钢桥面铺装的防水粘结层，也开始用于混凝土桥梁桥面铺装的防水粘结层。环氧沥青既起到防止水进入或作用于结构层的作用，又作为结构层与铺装层之间的粘结层，提高了结构层和铺装层之间的粘结强度和剪切强度。

目前，美国、澳大利亚和日本等国生产环氧沥青的工艺非常成熟，性能优良，占据了我国绝大部分市场。我国在研究环氧沥青生产工艺上仍然存有环氧树脂和沥青的相容性、固化剂的选择、适用期和施工固化时间的控制等一些技术难题，发展高性能环氧沥青有较大的市场空间。

1.4 纤维改性沥青

沥青路面中使用的纤维通常为聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、木质素纤维等软纤维。软纤维除了具有钢纤维的高强度、耐高温与高弯曲弹性等优点外，还具有抗腐蚀能力强、质量轻、耐热与耐久性好等特点，能够有效地提高沥青路面的综合性能。因此，采用软纤维增强路用性能是解决多数沥青路面问题的一个较好途径。沥青混合料中由于纤维的加入，可以大大改善混合料的高温稳定性，同时其低温抗裂性、水稳定性、耐疲劳性和使用寿命也有较大的提高［7］。

将纤维作为一种特殊添加剂材料加入到沥青混合料中以改善其物理力学性能，已经成为沥青混合料物理改性的一个重要研究方向。纤维沥青混凝土路面以其技术性能优良、施工方便、经济合理等特点将逐渐应用于路面材料。

1.5 硫磺改性沥青

在20世纪70年代和80年代初，硫磺沥青经历了一个重要的发展阶段。在70年代，由于硫磺价格很低，公路用硫磺产品的开发得到了迅速发展，主要包括:硫磺混凝土公路和浇注产品、浇注型硫磺沥青公路和路面修复混合料、密实型硫磺沥青。时至80年代，硫磺价格上涨，硫磺沥青失去经济上的优越性。2002年由于国际市场硫磺过剩，硫磺沥青得以重整旗鼓。

用硫磺对沥青进行改性可以增加沥青混合料的马歇尔稳定度、弯拉强度、劲度模量，改善沥青路面的高温稳定性，防止沥青路面在车轮荷载作用下产生车辙、推移、剥落等病害［8］。在沥青混合料中添加硫磺强化沥青改性剂(简称SEAM，主要成分是硫磺，质量分数不低于97%)，可有效降低其摊铺温度，降低能源消耗，减小环境污染和对人体健康的危害，并提高公路质量。SEAM一般是在硫磺中添加烟雾抑制剂和增塑剂制成颗粒，代替30%～40%的沥青拌和到沥青混合料中。2000年我国使用SEAM铺设公路，进行试验，后来在四川普光利用当地天然气回收硫磺建设了100 kt/a的 SEAM 制造厂［9］。

1.6 硅改性沥青［10］

硅藻土是一种分布广泛的非金属矿产资源，主要由古代的硅藻遗核和软泥固结组成，其化学成分主要是二氧化硅。加入硅藻土之后，沥青的软化点有一定的提高，高温稳定性得到改善。通过对不同硅藻土掺量的沥青软化点试验可知，硅改沥青的软化点随着硅藻土的掺量的增加而提高，硅改性沥青的感温性能、高温稳定性和抗老化性能要优于原基质沥青，但是其低温性能略有降低。由于硅藻土改性剂的价格要大大低于其他改性剂，所以硅藻土改性剂用于改善沥青性能有应用前景。近10年来，国内对硅藻土作为吸附剂、增强剂、助滤剂、磨料剂等做了大量的研究及应用。

1.7 纳米颗粒改性沥青［11］

(1)纳米二氧化钛颗粒改性沥青

纳米二氧化钛是理想的光催化剂，对消除空气和水中的污染物有高效的光催化活性，在净化汽车尾气中有着广泛的应用，在路面材料中掺加二氧化钛可有效净化环境污染。研究发现二氧化钛改性的沥青混合料，车辙动稳定度提高30%以上，低温极限抗弯拉应变提高20%，残留稳定度保持在90%以上，表明纳米二氧化钛改性沥青混合料的路用性能得到全面改善，有良好的应用前景。另外，纳米二氧化钛可以较好抑制紫外线老化中沥青质含量的增加及芳香分和饱和分含量的减小，降低紫外线老化后的针入度损失率和针入度指数的增大幅度。

(2)纳米碳酸钙改性沥青

采用纳米碳酸钙对国产AH－70#沥青进行改性，结果表明改性沥青的25℃针入度降低，软化点和60℃黏度得以提高。软化点升高、脆点降低，表明改性沥青的高温稳定性和低温抗裂性能有所改善。

(3)氧化锌纳米颗粒改性沥青

通过加入无机纳米氧化锌颗粒来提高SBS改性沥青的综合性能。氧化锌纳米颗粒的加入，改善了SBS在沥青中的分散效果，进一步提高和优化了改性沥青的高温稳定性能、抗低温开裂性能和抗老化性能。离析试验结果表明，离析比较严重，不能满足规范上、下软化点差小于2℃的要求，这主要是由于纳米氧化锌、SBS和沥青在组成结构上差别很大，溶解度参数不同，在热和外力作用下长时间保持良好分散状态不容易，影响了改性效果的进一步改善。

2 改性沥青的发展前景

2.1 废旧橡塑材料在沥青改性中的应用

相比SBS沥青改性剂，使用废旧橡胶、塑料用以沥青改性不仅避开了SBS生产对石油资源的大量消耗，而且也充分利用了废旧材料，特别是难以降解、处理困难的废旧橡胶和废旧塑料资源的使用，是减少这类污染，变废为宝的有效方法。

近年来，随着高分子化学技术的发展，将废旧橡胶、废旧塑料用以沥青改性的技术逐渐取得突破，特别是在助剂增强和稳定、均匀分散方面。这种背景下，有必要对我国近年高等级公路建设采用SBS改性沥青为绝对主力品种的材料选择思路进行拓展，通过新的技术现状下不同材料的性价比对比和适用条件研究，使得改性沥青应用种类多样化，细化各自应用方向。

根据我国的实际情况，基于国内丰富的废旧橡塑材料产业资源，通过工艺及配方探索，研究一种沥青高度聚合物化“合金”材料，使用废旧橡胶、塑料作为主要的高分子原料，在热力学过程中选定的复合有机助剂作用下充分与沥青成分结合，不同成分之间的物理及化学反应在动态混合中完成，建立类似热塑性弹性体的形态结构。这种热塑性高度沥青化合金材料可以挤出造粒、冷却固化，便于工业化包装和运输［12］。

2.2 发展新型的改性剂

目前国内改性沥青的研究重点在新的改性剂及其加工工艺上，还有一部分研究是面向工程应用的，即研究在沥青改性剂确定的情况下，找出合适的级配、最佳沥青用量和改性剂用量以满足实际工程的要求。在现有改性剂的基础上，通过原料的调配和合成工艺的改善，研制具有良好性能的新型改性剂或复合改性剂，开发系列化成品改性沥青，以适应各种环境下的应用。

SEAM就是一种新型的改性剂，以其作为改性剂的沥青混合料具有很好的高温稳定性和抗车辙、抗水剥离能力，具有很高的抗酸性和耐久性。在国外一些地区得到了应用，特别是一些温差较大的地区，应用SEAM之后路用性能的改善较为显著，而且实际应用也非常方便［13］。

德国的Duroflex和法国的PR PLAST．S添加剂是目前道路行业针对沥青改性技术具有一定创新性的研发成果，这两种添加剂都能够大幅度增加沥青混合料的弹性模量，显著改善沥青路面的抗车辙能力。此类添加剂不同于传统的沥青改性剂，生产工艺简单，使用时直接投入沥青拌合机的拌缸，无需事先与沥青拌合，方便操作［14］。

2.3 改性沥青的需求前景广阔

我国绝大部分公路仍然是等级低、质量差的中低级路面，公路网密度与西方发达国家相比仍有较大差距。因此在今后20年内国家对公路建设的投入不会减少，公路等级和修筑质量也会不断提高。2010年我国沥青表观消费量达20.20 Mt，产量为16.26 Mt，沥青进口量近4.1 Mt;2011年国家紧缩货币和调控通化膨胀影响了公路建设，沥青表观消费量下降了1.35 Mt。

公路是国民经济的基础设施，改性沥青能够显著地延长路面使用寿命。在欧美一般认为采用改性沥青可使路面寿命延长1/3～1/4，也有的国家认为可延长50%(如澳大利亚)。目前我国高速公路的投资一般是每公里3 000万～3 500万元，采用改性沥青后成本增加约1 000元/t，每公里高速公路增加成本约25万元。增加的费用在总投资中所占比例约6%，即为原投资的1/20，这同延长路面寿命、节约或推迟巨额养护投资相比经济效益是非常巨大的。

3 结论

改性沥青的需求增长将受益于国家道路建设的快速发展，国内产需缺口在30%左右，具有较大的发展空间。

(1)有物理改性作用的废橡胶粉沥青每吨成本低300元左右，耐低温性能优于普通改性沥青，产品实际性能接近于SBS改性沥青，其应用将有更大的发展空间。废橡胶粉的使用是变废为宝的有效方法，符合“十二五”发展循环经济、建立节约型社会的观念。

(2)将纤维作为一种特殊添加剂材料加入到沥青混合料中以改善其物理力学性能，已经成为沥青混合料物理改性的一个重要研究方向。纤维沥青混凝土路面以其技术性能优良、施工方便、经济合理等特点将逐渐应用于路面材料。

(3)纳米技术作为推动世界新科技发展的动力，正在逐渐渗透到交通材料领域，为交通材料的发展提供了一个新的思路。纳米材料与技术在沥青改性中的应用研究已经成为国内外学者的研究热点之一。

［1］ 郑华．改性沥青在公路工程中的应用与发展［J］．交通世界，2011(3):183－184．

［2］ 卞国龙．沥青混凝土应用聚丙烯腈纤维的分析［J］．淮北职业技术学院学报，2011，10(3):20．

［3］ 钱伯章．沥青改性用TPE新品填补国内空白［J］．石油沥青，2011，36(5):35．

［4］ 颜鹤．废胶粉改性沥青研究进展［J］．科技创新导报，2011(14):52－53．

［5］ 饶俊．钢桥面环氧沥青混凝土铺装层的性能及工艺［J］．西部探矿工程，2011(11):202－204．

［6］ 张艳银，陈守明．高性能环氧树脂改性沥青道路材料的研究综述［J］．中国建筑防水，2011(4):12－15．

［7］ 朱嵘，钟才根，吴波，等．聚酯纤维、聚丙烯腈纤维与木质素纤维SMA路用性能研究［J］．华东公路，2011(5):65－69．

［8］ 张小英，徐传杰．工艺条件对硫磺改性沥青软化点的影响［J］．石油沥青，2010，24(5):17 －19．

［9］ 张宝财．国际硫磺市场动态及硫资源的新应用［J］．硫磷设计与粉体工程，2011(3):45－47．

［10］ 杨卓煜，郄磊堂．硅改沥青的性能研究［J］．河南科技，2011(6):95．

［11］ 曲恒辉，庞来学．纳米颗粒改性沥青［J］．江苏建材，2011(2):17－19．

［12］ 付国华．新型橡胶塑料沥青改性剂的应用前景［J］．交通标准化，2011，20(12):93 －95．

［13］ 王召松，付吉利．改性沥青的现状及发展前景［J］．山西建筑，2005，31(8):115 －116．

［14］ 姚青梅．改性沥青的发展现状及应用前景［J］．科技传播，2010(9):124－127．

Development Status and Prospect of Modified Asphalt

Mo Juxian
(SINOPEC Changling Refining Company，414012)

The development course and research status of modified asphalt were introduced．The development prospect of modified asphalt was analyzed in aspects of development of new type modifier and improvement of general standard of asphalt mixture．

modified asphalt，development status，development prospect

1674－1099 (2012)04－0059－04

TE626

A

2012-05-02。

莫菊先，男，1966年7月出生，工程师，1989毕业于青海大学化工专业，现为中国石油化工股份有限公司长岭炼化分公司生产经营部技术开发主管，已发表论文10余篇。