沥青改性剂发展现状与展望

【摘 要】介绍了现有沥青聚合物类和非聚合物类改性剂的主要分类、功能和发展近况，分析了当前沥青改性技术面临的问题，综述了近年来国内外沥青改性领域的发展方向，指出反应共混改性、废弃物改性和微纳米改性技术有望制备出各项性能优良的改性沥青。此外未来道路材料除应具有良好路用性能外还应朝着具有缓解热岛效应，净化汽车尾气等环保功能性方向发展。

【关键词】沥青 改性剂 化学改性 微纳米改性

近年来，我国大力发展实施交通基础性建设项目，大量高等级公路建设随之兴起。目前，沥青路面是道路路面的首选。理想的道路材料应具有：高温高劲度、低温低劲度、施工低黏度、与骨料强黏附性等特征。然而道路沥青材料由于其本身的结构和组成限制了其广泛应用。加之近年来气候变化各异与车辆荷载增加，以及人们对基础设施不断提升的要求，为使沥青能够满足不同条件下的使用，对其进行改性是必由之举。为此本文对沥青改性剂的现状与未来发展趋势进行综述。

1 聚合物改性剂

聚合物改性沥青技术由来已久，掺加少量的聚合物就可以有效改善沥青的路

用性能，因而聚合物改性沥青是目前各国公认的最有市场的方法。不同种类聚合物对同一种沥青的改性效果不同；同一种改性剂对不同基质沥青的改性效果也不相同。只有选择合适的改性剂与基质沥青进行搭配，使聚合物改性剂与基质沥青形成稳定的多相体系才能达到理想的改性效果。

目前，聚合物类改性剂主要分为橡胶类、树脂类、热塑性弹性体等几类[1]。

橡胶类外掺剂主要有：天然橡胶、丁苯橡胶、聚苯乙烯异戊二烯共聚物、聚丁二烯等。橡胶类改性剂在改善沥青及混合料低温抗裂性能方面效果显著，可使沥青混合料具有良好的弹性、黏附性及高的机械强度，从而显著提高沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性能[2]。

热塑性弹性体因其具有良好的变形、自恢复性和裂缝自愈性而使沥青及混合料具有良好的高低温性能。目前，世界各国用于道路沥青改性最为普遍、效果相对显著的改性剂是热塑性弹性体SBS，所占比例超过70%，广泛应用于高等级公路、城市道路及机场跑道。已有结果表明：在各类改性剂中，SBS改性沥青的抗永久变形能力最佳；流变结果显示：经SBS改性后可以提高沥青的高温复合模量，降低损耗因子，从而降低沥青的温度敏感性。

树脂类改性剂主要有：聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、聚苯乙烯（EPS）、乙烯醋酸乙烯共聚物（EVA）、酚醛树脂等。树脂类改性剂在提高沥青高温稳定性方面效果明显，同时可改善低温脆性，且价格相对低廉。

聚乙烯（PE）是树脂类改性剂的典型代表。PE改性剂能够显著改善沥青的路用性能，尤其是改善高温性能，可有效提高沥青路面高温抗车辙问题[3]。但PE改性沥青热储存稳定性差的问题迫使其必须随配随用，从而制约了发展。物理改性不能彻底解决PE改性沥青的离析问题。王仕峰等将PE与碳黑共混，欧阳春发将PE与硅共混，意图通过使PE与沥青的密度接近而防止离析。但制备好的PE改性沥青静置数分钟后仍会发现底部有明显稠状层[4]。化学改性方面，PE分子链堆砌较为紧密，常温下为晶体态，即使是在高温下轻质组分也难以渗入PE分子链间而使其溶胀。没有溶胀的改性沥青，稳定性就难以保证。无论是调整剪切工艺，还是掺加硫、硬脂酸、盐酸等促进剂，均不能改善PE改性沥青的热储存稳定性。近来有报道称使用马来酸酐改性PE，或将甲基丙烯酸缩水甘油酯引入LDPE中，有望改善离析从而获得稳定的改性沥青。

聚合物改性沥青是一种技术含量高和附加值大的新型优质筑路材料。聚合物主要通过相容、溶胀网络、胶体结构变化和增强改性来达到提高沥青高温稳定性、低温抗裂性和延长路面寿命的效果。聚合物粒子在改性沥青体系中起着增强的作用，低温时其与沥青的模量不同，可产生高度应力集中，诱发大量银纹和剪切带，银纹和剪切带的产生会消耗大量能量，由此可以提高沥青的抗冲击强度和可塑性。

2 非聚合物改性剂

非聚合物改性剂主要通过增强沥青与集料间的黏结力，及提高沥青混合料的高温稳定性，以达到改善沥青路面的高低温性能、抗老化性能、抗水损害性能及疲劳开裂性能的效果。非聚合物改性剂主要包括：填料、纤维、天然沥青、黏附性改性剂和酸类改性剂等几类，其中以填料类改性剂应用最为广泛。

常见填料类改性剂有：硅藻土、纳米碳酸钙[6]、硫磺[7]、复合硅酸盐[8]、白炭黑[9]、蒙脱土、水泥、石灰、木质素、云母粉等。

硅藻土作为填料改性剂可以显著提升沥青的高温稳定性。硅藻土内部的诸多孔隙和表面的粗糙不平，使其表面得到显著提高，其中结构沥青含量增加，从而使沥青黏结力得以增强。同时大量的孔隙具有较强的吸附能力，可将分子量小，流动性强的饱和分和芳香分吸入到硅藻土孔隙内部，使表面自由沥青及结构沥青中的胶质和沥青质含量相对上升，起到改善沥青高温稳定性的作用[5]。张志清等人的硅藻土改性沥青DSC结果显示，掺加硅藻土后，沥青胶浆的玻璃化转变温度下降，表面掺加硅藻土后沥青的低温性能也得以改善。

纳米碳酸钙有利于提高沥青混合料的黏聚力与强度。碳酸钙改性沥青的机理同硅藻土相似，但纳米尺度的粒子与沥青等高分子作用时，由于表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等综合作用的结果，存在物理和化学双重改性，有利于增强沥青混合料的综合力学性能。纳米碳酸钙改性石油沥青后，可改善高低温性能，降低沥青温度敏感性，改性后的沥青混合料高温性能改善显著，低温性能无明显影响[6]。

胶粉在沥青的轻组分作用下会发生部分溶解和体积上的溶胀，使得胶粉颗粒的力学性能得以增强，弹性方面虽略有降低但仍高于沥青。胶粉颗粒在沥青中起到加筋作用，增强沥青的低温抗裂性能。胶粉的溶胀过程中胶粉颗粒会氧化解聚，胶粉中的炭黑、抗老化剂、锌化物等成分可以进入沥青胶体结构，增强沥青温度稳定性和抗老化性能[10]。同时胶粉溶胀使得沥青中的轻组分减少，沥青黏度增加，感温性能得以改善。

硫磺改性沥青时可与沥青发生化学反应，产生交联物质使沥青分子链从二维结构变为三维网状结构，提高了沥青黏度，同时交联作用使沥青重均与数均分子量都增大，沥青中轻质组分向分子量高的稠环芳烃转移，使沥青胶体由溶胶型向凝胶型转变，增强了沥青高温抗变形能力；同时硫对沥青进行氧化时会产生硫醇、硫醚、亚砜、砜等含氧官能团，含氧官能团的存在增大了分子链极性，分子链内旋转受阻而使沥青具有较大的刚性，使得沥青黏度增强[7]。混合料性能方面，硫磺对于沥青混合料的低温性能和水稳定性影响不大。

蒙脱土是一种黏土，它能很好的分散于沥青中，可以提高沥青的软化点和黏度，也可以被用来改善沥青的延展性和抵抗热氧化、老化等热力学作用。石灰材料也可以用于沥青改性，普通熟石灰可加工成近似纳米尺寸用来作为沥青改性剂来改善温拌沥青的水损害，混合料间接拉伸试验和张力强度比值用以评价熟石灰改性沥青混合料的抗剥落性和抗水损害性能。结果表明，石灰类改性剂的尺寸对改性沥青及混合料均有影响。相对而言，纤维素是一种新型沥青改性剂，它能提高脆性材料沥青的韧性。切口梁试验表明，纤维素改性沥青混合料的断裂比普通沥青混合料的断裂能高50%以上。

矿物质填料改性后可增强沥青的耐磨性能，提高内聚力和耐候性。由于沥青对矿物质填料而言具有润湿和吸附作用，沥青能够以单分子状态排列在矿物颗粒表面，从而形成结合力强的沥青薄膜，称为“结构沥青”。结构沥青良好的黏性和耐热性可改善沥青的温度敏感性和高温性能。

3 沥青改性的问题

通常，改性剂与沥青间的相容性问题是沥青改性效果的关键。两者的相容性取决于彼此间的界面作用、基质沥青的组分和集合物的极性、颗粒大小、分子结构等因素。绝大多数改性沥青方法属于物理改性，改性剂通过剪切、搅拌等物理方法均匀分散于沥青中，一旦停止搅拌就会出现改性剂的凝聚和离析，形成改性剂富集相与沥青富集相。物理改性不能使改性剂与沥青形成稳定的均相体系，限制了改性剂对沥青的改性作用。

4 沥青改性新技术

为解决现存沥青改性剂面临的问题，新的沥青改性技术应运而生。下面介绍几种新型沥青改性技术。

4.1废弃物改性沥青

废旧材料用于沥青改性时具有废物利用和环保的效应。通过热液作用可将猪粪转化为生物油，将此替换石油沥青结合料的可持续发展材料。此类生物油在沥青中可改善沥青的低温性能，并降低施工成本。

随着电子信息技术的迅猛发展，通过将回收的电脑垃圾制作成粉末状材料对沥青进行改性是科研工作者研究的方向之一。沥青结合料试验结果表明，电子垃圾粉末能够提高沥青的黏度和剪切模量，从而提高其高温性能。

4.2反应性共混改性

反应共混改性技术主要分为两类：对聚合物进行改性，使其具有能与沥青反应的官能团；二是加入能够促进聚合物与沥青发生反应的添加剂[11]。通过在沥青改性过程中添加偶联剂、分散剂、引发剂等助剂，使其在加工过程中进行化学改性来提高沥青及混合料的高低温性能和储存稳定性，也可以寻找新的改性剂提高两者的相容性，加工工艺可以辅以催化剂来加速反应[12]。

多聚磷酸（PPA）作为酸类改性剂的代表可以对沥青进行化学改性，性价比优势显著，掺加少量的PPA即可改善沥青及混合料的高温性能，并可有效解决改性沥青的离析问题。改性工艺方面，PPA是黏稠液体状，很容易分散在沥青中发生化学改性，无需专门的改性设备。多聚磷酸与其它聚合物复配性好，可联合聚合物全面改善沥青路面的综合性能。

4.3微米和纳米技术[13]

微米和纳米技术是材料领域中具有前景和创造性的技术，其因特有的工艺和功能，如量子效应和高表面能而广泛应用，突出的力学与流变特性有望成为耐久型沥青及混合料的改性剂，国内外研究者已经开展微米和纳米材料用于沥青改性的研究。微纳米材料改性剂的加入能够提高沥青的高温性能与抗疲劳裂缝性能，并可延缓或弱化改性沥青的老化作用。将微纳米复合技术应用于沥青改性，有望研发出耐高温、抗老化、高强韧性的新型道路材料。

5 展望

现代路面不仅要能满足传统道路的承重、稳定、平整、耐久和舒适等通行功能，而且应当具有降低噪声，补充地下水，缓解热岛效应，净化汽车尾气等环保功能。

参考文献：

[1]李立寒.道路建筑材料[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]张铭铭.多聚磷酸改性沥青微观结构及技术性能研究[D].长安：长安大学，2012.

[3]赵可，杜月宗. PE复合改性沥青技术研究[J].重庆交通大学学报.2010，（06）： 907-911.

[4]杨锡武，刘克，杨大田.PE改性沥青的几个问题[J].中外公路. 2008， 28（06）： 203-207.

[5]刘大梁，刘清华，李祖云，等.硅藻土改性沥青应用研究[J].长沙理工大学学报.2004， （02）：7-12.

[6]刘大梁，罗立武，岳爱军，等.纳米碳酸钙改性沥青研究[J].公路.2005，（06）：145-148.

[7]杨锡武，熊世银，角述兵，等.硫磺改性沥青混合料性能及机理研究[J].湖南科技大学学报. 2009，（03）：61-67.

[8]朱宝华.纳米层状硅酸盐改性沥青制备工艺与机理研究[D].重庆：重庆交通大学， 2008.

[9]张兴友，谭忆秋，王哲人.白炭黑改性沥青及其混合料的路用性能研究[J].公路交通科技. 2005，（07）：23-25.

[10]郭朝阳，何兆益，曹阳.废胎胶粉改性沥青改性机理研究[J].中外公路.2008，（02）：172-176.

[11]唐新德，韩念凤.沥青改性技术研究的最新进展与展望[J].材料导报.2008，（04）：38-40.

[12]黄彬，马丽萍，许文娟.改性沥青的研究进展[J].材料导报.2010，（01）：137-141.

[13]马德崇，李鹏宇.纳米材料改性沥青研究进展[J].山西交通科技.2014，（02）：10-12.

项目获得“2015山西省基础研究计划青年科技研究基金（2015021074）”支持。

作者简介：王威（1988—），女，助理工程师，硕士，研究方向：道路材料研发。