道路石油沥青改性剂的应用现状与展望

陈一凡 王大明

摘 要：由于近年来路面使用要求的不断提高，对沥青进行改性成为目前道路工程中必不可少的步骤。本文介绍了不同的沥青改性剂在道路铺设中的应用情况，并提出了其中一些沥青改性剂存在的问题以及未来的发展方向。

关键词：沥青; 改性剂; 改性沥青

中图分类号：U41        文献标识码：A          文章编号：1006-3315（2021）11-118-002

1.背景

沥青因具有良好的矿物附着力和粘弹性而被广泛应用于铺设道路^[1]。沥青是一种多组分的复杂混合物，主要由多种碳氢化合物及其非金属衍生物所混合而成，表面呈黑色，主要分为石油沥青、煤沥青和天然沥青三种。其中，石油沥青是指由石油原油蒸馏后得到的残渣，我国铺设道路时一般使用石油沥青。

改革开放以来我国交通建设处于飞速发展阶段，高速公路、高等级公路的建设规模庞大，为满足交通荷载和安全的考虑，道路质量标准也逐步提高。所以，在增加石油沥青需求量的同时，对其性能要求也提出较高的标准。因此需要对沥青进行改性，改善其高、低温性能，以满足在不同恶劣环境下的行车要求。

2.沥青改性剂的应用现状

沥青作为现代路面建设的重要材料，考虑不同的环境及日益增长的交通量对路面耐久性及其他路面功能性的需求，研究人员一直在寻找不同的改性材料，以取得需要的沥青性能。我国对改性沥青的定义为：在沥青或沥青混合料中掺入可改善或提高道路沥青路面使用性能的有机或无机材料制备而成的沥青胶结料^[2-3]。沥青改性的方法有两种：物理方法和化学方法^[4]。物理改性主要是指将改性剂与基质沥青通过低速搅拌机搅拌或者高速剪切机剪切后均匀混合，两者之间并不产生化学作用，化学改性主要是指通过改性剂使沥青的组成成分发生变化。沥青改性剂主要包括聚合物沥青改性剂和非聚合物沥青改性剂。

2.1聚合物沥青改性剂

（1）热塑性弹性体沥青改性剂

热塑性弹性体主要指苯乙烯嵌段共聚物，如SBS^[5]，SEBS^[6-7]和SIS等。这种改性剂兼容了橡胶与树脂的功能。其中SBS是目前国内外使用率较高的热塑性弹性体沥青改性剂。

SBS是一种由苯乙烯和丁二烯组成的，采用阴离子聚合制得的线型或星型嵌段共聚物^[8]，SBS星型结构对沥青的改性效果要明显优于线性结构^[9]。SBS沥青改性剂与基质沥青混合后可以增强沥青的刚度和韧性，加强其抗水损害能力、抗疲劳能力、抗老化性能以及抗剥离能力，同时也可改良沥青的拉伸强度、延展性、回弹性和耐久性，降低渗透性以及高温环境下的流动性。在制备SBS改性剂时为达到好的改性效果，会加入一定的橡胶油及较少的稳定剂来提升SBS改性沥青的稳定性。试验发现，橡胶油的加入，会使改性沥青中芳香酚的含量增加，提升沥青延展性能。但是当掺入过多的SBS改性剂，延度反而会下降，这是改性剂起到了硬化作用，因此会对沥青性能的改善起到反效果。

（2）橡胶沥青改性剂

橡胶是一种高分子化合物，其弹性强且伸缩性大，橡胶沥青改性剂大多数都属于合成橡胶类。其中，丁苯橡胶和废旧胶粉是在沥青改性中应用较多的橡胶沥青改性剂。

丁苯橡胶是由丁二烯与苯乙烯单体聚合而成的一种高分子聚合物^[10]，作为沥青改性剂时拥有优良的低温性能，可运用于高海拔寒冷地区的道路铺设。经研究发现，丁苯橡胶在改善基质沥青延度及低温延度方面具有突出的优势^[11]，并且可有效改善沥青的水稳定性和抗老化性能，降低温度敏感性，增加沥青的粘弹性，同时也可提高沥青的存储稳定性以及高温物理机械性能。在基质沥青中加入废旧胶粉，即可制备传统的废旧胶粉改性沥青。废旧胶粉往往使用废弃轮胎制作，成分主要为天然胶和丁苯胶等^[12]，其中橡胶含量占总量的一半左右，因此使用胶粉改性沥青可在一定程度上减轻废弃轮胎污染。废旧胶粉加工过程简单，并且成本較低。废旧胶粉可以提高沥青的各项高、低温性能，减少车辙、拥包以及裂缝的出现，降低温度敏感性，改善其抗老化性能以及存储稳定性，同时可降低路面噪音，延长路面的使用寿命，并且属于废物利用，环保、经济。

（3）树脂类沥青改性剂

树脂类沥青改性剂主要包括热塑性树脂和热固性树脂两大类。其中，在沥青改性中运用较多的是热固性树脂中的环氧树脂沥青改性剂。

将环氧树脂和固化剂加入沥青中，经过固化反应后环氧树脂形成网状结构，沥青分散于其中^[11]，得到环氧沥青。此方法可以利用环氧树脂的热固性来弥补常规沥青热塑性的缺点^[13]，从而使改性后的沥青具有以下优良的特点：强度高，刚度大，韧性好，抗车辙能力与抗老化性能强，良好的抗疲劳性能、层间结合力以及温度稳定性和耐腐蚀性。

聚乙烯（PE）与乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）也经常作为改性剂应用于沥青改性，两者均可有效改善沥青的高温性能。

（4）复合型沥青改性剂

复合型沥青改性剂是指将两种或两种以上的沥青改性剂混合掺入基质沥青。目前，复合型改性沥青是国内外研究的主要方向。对沥青进行复合改性的目的在于使用一种沥青改性剂改善沥青某项或者某几项性能的同时，用另外的沥青改性剂弥补此改性沥青存在的缺陷，从而使沥青的性能得到全方位的提升。其中，利用SBS当作一种改性剂，再向其中加入另外不同的改性剂来同时对沥青进行改性，是现今研究的热点。比如，利用SBS与废旧胶粉来复合改性基质沥青，可改良一般废旧胶粉改性沥青低温延度较差与高温粘度较大等问题，同时也可提高其抗疲劳能力，并且降低成本，提高经济效益;将SBS与环氧树脂按照一定质量比混合后对沥青进行改性，可明显改善沥青的柔韧性以及高、低温性能。此外，国内外研究人员对于复合改性沥青也进行了许多尝试。如SBR与纳米TiO2复合后可提高沥青的水稳定性以及各项高、低温性能。

2.2非聚合物沥青改性剂

（1）矿物质沥青改性剂

矿物质沥青改性剂主要包括硅藻土、硫磺、湖沥青、岩沥青、天然沥青、石棉、不溶性硫磺等。其中，硅藻土和硫磺因其各自的优点而被广泛运用于沥青改性中。

硅藻土自身具有孔隙度大、抗拉伸强度高和抗冲击能力强等特点。硅藻土有较大的比表面积，其壳壁独特的微孔结构，能够有效吸附稳定沥青^[14]，硅藻土作为沥青改性剂可以改善沥青的强度和粘度，提高其高温稳定性、抗车辙能力和抗老化性能，并且颗粒越细的硅藻土对沥青的改性效果越好。硫磺则是常被作为沥青改性过程中的交联剂使用。使用硫磺对沥青进行改性，可以提高沥青的高、低温性能，改善抗疲劳能力和抗车辙性能。

另外，湖沥青与岩沥青在道路中也常有应用。特立尼达湖沥青改性沥青是用特立尼达湖沥青（TLA）作为改性剂对基质沥青进行改性，改性后的沥青可以预防一些早期的沥青路面病害，提高道路寿命。特立尼达湖沥青改性沥青具有非常好的市场前景。经研究表明，沥青在经TLA改性后有效增加了沥青的抗老化性能，减缓沥青硬度因老化作用的增大;软化点增量随掺量提高而降低，说明掺入TLA减缓了老化作用导致的重质组分与轻质组分分离，降低了软化点增幅。因此，TLA能有效提高沥青的抗老化性能。布敦岩沥青改性剂（BRA）与TLA类似，是和基质沥青基本相似的石油产物，性质也基本类似。BRA与基质沥青有很好的相溶性，不会发生改性剂离析的现象，同时特立尼达湖沥青受长时间的自然環境作用，拥有极好的稳定性，将其作为改性剂也就能提高改性后沥青的稳定性，有效减少沥青在生产运输到施工过程中的负面反应。特立尼达湖沥青改性沥青还能预防一些早期的沥青路面病害，提高道路寿命。经研究发现，BRA与TLA对沥青的改性效果类似。

（2）添加剂沥青改性剂

部分添加剂也可以用来对沥青进行改性。如一些阴离子、阳离子混合表面活性剂也能用来改性沥青^[15]，可以改善沥青的粘附能力;而有机酸皂、胺型或酚型等抗氧化剂可以对沥青的抗老化或抗氧化能力进行改善。

3.存在的问题与展望

（1）SBS作为最被广泛使用的沥青改性剂，尽管可以使沥青的使用性能得到大幅的提升，但仍然存在许多问题，主要包括：SBS与沥青的相容性差，在高温条件下容易与沥青发生离析，其耐候性与抗老化性也较差，从而导致使用SBS改性沥青铺筑的路面使用寿命较短，并且成本昂贵。这些问题仍需进行进一步研究。可考虑添加不同类型的改性剂进行复合改性，以提高其体系的稳定性。

（2）废旧胶粉与沥青并不能很好的相容，因此容易出现离析现象，对储藏与运输都会有负面影响。同时，胶粉会吸收沥青中的轻质物质，加大沥青的黏度，有碍于作业进程。另外，用于制作废旧胶粉的废旧轮胎，由于其种类不同、主要成分不同，对沥青的改性效果也存在差异。因此需要对废旧胶粉的原料以及加工方式进行严格控制，从而可以控制改性沥青的质量。

（3）环氧树脂则存在与沥青的相容性不好等问题，经过改性后的环氧沥青对于施工的要求很高，并且养护周期长，同时，环氧沥青在使用过程中容易磨损，产生疲劳开裂。未来研究可考虑对环氧沥青的改性工艺进行优化，或者对环氧树脂改性剂进行官能团的嫁接，以解决目前存在的问题。

（4）对于硅藻土、硫磺等矿物质沥青改性剂以及添加剂沥青改性剂的研究目前还较为稀少，因此需要对其改性机理进行深入探讨，对未来的研究有着重要的指导意义。

（5）为全面提高沥青在不同环境条件下的使用性能，同时为降低成本、更加环保，使用多种改性剂对沥青进行复合改性是今后的主要研究方向。

（6）为在得到性能优秀的改性沥青的同时也能对环境进行保护，未来的主要研究将会是新型的改性剂以及改善生产工艺等。

参考文献：

[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]交通部公路科学研究所.JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范[M]北京：人民交通出版社，2009.

[3]沈金安.改性沥青与SMA路面[M]北京：人民交通出版社，1999

[4]宋官龙，王楠洋，闫玉玲，宋锦玉，崔蕊.聚合物改性沥青研究进展[J]当代化工，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]鄂宇辉.SBS改性沥青改性剂掺量及改性效果评价[J]北方交通，2007（08）：23-25

[9]顾绍兴，马骏，安会勇.沥青改性剂发展综述[J]当代化工，2015（6）：1344-1347

[10]王枫成.丁苯橡胶改性沥青老化前后性能对比分析[J]公路，2019，64（11）：204-209

[11]孙春阳，曲恒辉，张圣涛，刘树堂.不同改性剂改性基质沥青性能试验[J]长沙理工大学学报（自然科学版），2019，16（02）：28-35

[12]马玉然，熊金平，李依璇，方坤，周勇.沥青改性剂的研究进展[J]粘接，2012（9）：70-74

[13]廖义鹏，李高，叶流颖，李珠叶，薛东升，徐保明，周宝晗，陈坤.环氧沥青改性剂研究进展[J]应用化工，2019，48（01）：202-205

[14]张彬.硅藻土矿粉用作沥青改性剂的研究[J]黑龙江交通科技，2016，39（08）：17-18+20

[15]肖凤，邓星鹤.沥青改性剂研究进展[J]中国胶粘剂，2020，29（09）：61-66