改性瀝青的開發現狀與發展前景

莫菊先

(中國石油化工股份有限公司長嶺煉化分公司，岳陽， 414012)

國內外行業發展動態

改性瀝青的開發現狀與發展前景

莫菊先

(中國石油化工股份有限公司長嶺煉化分公司，岳陽， 414012)

介紹了改性瀝青的發展歷程，闡述了改性瀝青的研究現狀，從發展新型的改性劑、提高瀝青混合料的整體水平等方面，對改性瀝青的發展前景進行了分析。

改性瀝青 開發現狀 發展前景

改性瀝青是指摻加橡膠、樹脂、高分子聚合物、磨細的橡膠粉或其他填料等外摻劑(改性劑)，或采取對瀝青輕度氧化加工等措施，使瀝青或瀝青混合料的性能得以改善制成的瀝青結合料，具有很好的耐高溫性、低溫抗拉裂性和抗車轍能力，能夠有效的提高路面的抗滑能力和減少瀝青的老化。

20世紀70年代前后，在全國范圍內曾采用渣油吹氧稠化、摻配特立尼達(TLA)或阿爾巴尼亞稠瀝青等改性的方法，提高結合料稠度，配制成200號瀝青，鋪筑以表面處治為主的瀝青面層。1985年國內開展了在瀝青中摻丁苯、氯丁橡膠、廢輪胎粉等改性瀝青和摻金屬皂等改善混合料性能的研究試驗工作，取得了成功的經驗。1992年NovophaltPE現場改性技術的引入，對改性瀝青的推廣應用起到了促進作用，使改性瀝青從研究試驗逐步發展到生產應用［1］。自20世紀90年代以來，我國應用于路面施工工程的改性瀝青處于不斷發展之中，使用量逐年增加，2008年為2.47 Mt，2009 年為2.75 Mt，2010 年達到4.60 Mt。

1 改性瀝青的開發現狀

目前國內改性瀝青開發的主要研究方向有3個:一是通過改善瀝青性能品質來提高瀝青混合料的粘結力，增強抵抗永久變形能力，并減少感溫性;二是通過改善礦質混合料的級配來提高瀝青混合料的高溫抗變形能力;三是在瀝青混合料中加入纖維加筋材料等添加劑，以改善瀝青膠體的結構［2］。

1.1 SBS改性瀝青

丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物(SBS)改性的優越性突出表現在具有雙向改性作用，也就是既能使瀝青軟化點大幅度提高，又能使低溫延度明顯增加，感溫性得到很大改善，彈性和恢復率也比較好。中國石油化工股份有限公司巴陵分公司于2007年開展了瀝青改性用熱塑性彈性體(TPE)新產品的開發，依據活性陰離子聚合原理，通過分子設計，合成了瀝青改性用TPE新品，產品經用戶應用表明，能有效提高改性瀝青的延度、高溫儲存穩定性及施工性能［3］。

1.2 廢輪胎膠粉改性瀝青

廢輪胎膠粉中含有天然橡膠、合成橡膠、硫磺、炭黑和抗老化劑等化學成分，這些成分對改善普通瀝青的品質都十分有益，主要體現在能夠有效地提高瀝青的軟化點、改善瀝青低溫下的流動性、降低針入度和提高延度，使瀝青產生可逆的彈性變形。據統計，我國廢舊輪胎在2005年就達到1.2億條，2010年達到2億條，并以每年12%的速度增加，因而廢舊輪胎的處理已迫在眉睫。目前我國對于廢舊橡膠粉改性瀝青的研究、應用還沒有系統化，且還沒有出臺相應的標準［4］。

1.3 環氧瀝青

在瀝青中加入環氧樹脂，經過與固化劑發生硬化反應，形成不可逆的固化物，使瀝青性質由熱塑性轉化成熱固性，從而賦予環氧瀝青強度高、剛度大、優良的耐疲勞性能、突出的層間結合能力、良好的溫度穩定性和較強的抗腐蝕性［5］。

環氧樹脂與固化劑反應后，瀝青分子分散于環氧樹脂形成的網狀結構中，形成不可逆的固化物，從而賦予瀝青優良的物理性能。環氧樹脂的種類主要有雙酚A型環氧樹脂、縮水甘油醚類環氧樹脂、脂環族環氧樹脂和酚醛環氧樹脂等。用環氧瀝青拌制的瀝青混合料，其路用性能比普通瀝青混合料優異得多［6］。

在20世紀60年代初，美國的Thomas F Mika等人首先報道了這類高性能材料，直至90年代，人們才把研發重心從涂料和屋頂鋪面材料轉移到道路鋪裝材料。由于該材料具有價格高、施工難度大的缺點，其使用范圍受到限制，目前多用于鋼橋面鋪裝的防水粘結層，也開始用于混凝土橋梁橋面鋪裝的防水粘結層。環氧瀝青既起到防止水進入或作用于結構層的作用，又作為結構層與鋪裝層之間的粘結層，提高了結構層和鋪裝層之間的粘結強度和剪切強度。

目前，美國、澳大利亞和日本等國生產環氧瀝青的工藝非常成熟，性能優良，占據了我國絕大部分市場。我國在研究環氧瀝青生產工藝上仍然存有環氧樹脂和瀝青的相容性、固化劑的選擇、適用期和施工固化時間的控制等一些技術難題，發展高性能環氧瀝青有較大的市場空間。

1.4 纖維改性瀝青

瀝青路面中使用的纖維通常為聚酯纖維、聚丙烯腈纖維、木質素纖維等軟纖維。軟纖維除了具有鋼纖維的高強度、耐高溫與高彎曲彈性等優點外，還具有抗腐蝕能力強、質量輕、耐熱與耐久性好等特點，能夠有效地提高瀝青路面的綜合性能。因此，采用軟纖維增強路用性能是解決多數瀝青路面問題的一個較好途徑。瀝青混合料中由于纖維的加入，可以大大改善混合料的高溫穩定性，同時其低溫抗裂性、水穩定性、耐疲勞性和使用壽命也有較大的提高［7］。

將纖維作為一種特殊添加劑材料加入到瀝青混合料中以改善其物理力學性能，已經成為瀝青混合料物理改性的一個重要研究方向。纖維瀝青混凝土路面以其技術性能優良、施工方便、經濟合理等特點將逐漸應用于路面材料。

1.5 硫磺改性瀝青

在20世紀70年代和80年代初，硫磺瀝青經歷了一個重要的發展階段。在70年代，由于硫磺價格很低，公路用硫磺產品的開發得到了迅速發展，主要包括:硫磺混凝土公路和澆注產品、澆注型硫磺瀝青公路和路面修復混合料、密實型硫磺瀝青。時至80年代，硫磺價格上漲，硫磺瀝青失去經濟上的優越性。2002年由于國際市場硫磺過剩，硫磺瀝青得以重整旗鼓。

用硫磺對瀝青進行改性可以增加瀝青混合料的馬歇爾穩定度、彎拉強度、勁度模量，改善瀝青路面的高溫穩定性，防止瀝青路面在車輪荷載作用下產生車轍、推移、剝落等病害［8］。在瀝青混合料中添加硫磺強化瀝青改性劑(簡稱SEAM，主要成分是硫磺，質量分數不低于97%)，可有效降低其攤鋪溫度，降低能源消耗，減小環境污染和對人體健康的危害，并提高公路質量。SEAM一般是在硫磺中添加煙霧抑制劑和增塑劑制成顆粒，代替30%～40%的瀝青拌和到瀝青混合料中。2000年我國使用SEAM鋪設公路，進行試驗，后來在四川普光利用當地天然氣回收硫磺建設了100 kt/a的 SEAM 制造廠［9］。

1.6 硅改性瀝青［10］

硅藻土是一種分布廣泛的非金屬礦產資源，主要由古代的硅藻遺核和軟泥固結組成，其化學成分主要是二氧化硅。加入硅藻土之后，瀝青的軟化點有一定的提高，高溫穩定性得到改善。通過對不同硅藻土摻量的瀝青軟化點試驗可知，硅改瀝青的軟化點隨著硅藻土的摻量的增加而提高，硅改性瀝青的感溫性能、高溫穩定性和抗老化性能要優于原基質瀝青，但是其低溫性能略有降低。由于硅藻土改性劑的價格要大大低于其他改性劑，所以硅藻土改性劑用于改善瀝青性能有應用前景。近10年來，國內對硅藻土作為吸附劑、增強劑、助濾劑、磨料劑等做了大量的研究及應用。

1.7 納米顆粒改性瀝青［11］

(1)納米二氧化鈦顆粒改性瀝青

納米二氧化鈦是理想的光催化劑，對消除空氣和水中的污染物有高效的光催化活性，在凈化汽車尾氣中有著廣泛的應用，在路面材料中摻加二氧化鈦可有效凈化環境污染。研究發現二氧化鈦改性的瀝青混合料，車轍動穩定度提高30%以上，低溫極限抗彎拉應變提高20%，殘留穩定度保持在90%以上，表明納米二氧化鈦改性瀝青混合料的路用性能得到全面改善，有良好的應用前景。另外，納米二氧化鈦可以較好抑制紫外線老化中瀝青質含量的增加及芳香分和飽和分含量的減小，降低紫外線老化后的針入度損失率和針入度指數的增大幅度。

(2)納米碳酸鈣改性瀝青

采用納米碳酸鈣對國產AH－70#瀝青進行改性，結果表明改性瀝青的25℃針入度降低，軟化點和60℃黏度得以提高。軟化點升高、脆點降低，表明改性瀝青的高溫穩定性和低溫抗裂性能有所改善。

(3)氧化鋅納米顆粒改性瀝青

通過加入無機納米氧化鋅顆粒來提高SBS改性瀝青的綜合性能。氧化鋅納米顆粒的加入，改善了SBS在瀝青中的分散效果，進一步提高和優化了改性瀝青的高溫穩定性能、抗低溫開裂性能和抗老化性能。離析試驗結果表明，離析比較嚴重，不能滿足規范上、下軟化點差小于2℃的要求，這主要是由于納米氧化鋅、SBS和瀝青在組成結構上差別很大，溶解度參數不同，在熱和外力作用下長時間保持良好分散狀態不容易，影響了改性效果的進一步改善。

2 改性瀝青的發展前景

2.1 廢舊橡塑材料在瀝青改性中的應用

相比SBS瀝青改性劑，使用廢舊橡膠、塑料用以瀝青改性不僅避開了SBS生產對石油資源的大量消耗，而且也充分利用了廢舊材料，特別是難以降解、處理困難的廢舊橡膠和廢舊塑料資源的使用，是減少這類污染，變廢為寶的有效方法。

近年來，隨著高分子化學技術的發展，將廢舊橡膠、廢舊塑料用以瀝青改性的技術逐漸取得突破，特別是在助劑增強和穩定、均勻分散方面。這種背景下，有必要對我國近年高等級公路建設采用SBS改性瀝青為絕對主力品種的材料選擇思路進行拓展，通過新的技術現狀下不同材料的性價比對比和適用條件研究，使得改性瀝青應用種類多樣化，細化各自應用方向。

根據我國的實際情況，基于國內豐富的廢舊橡塑材料產業資源，通過工藝及配方探索，研究一種瀝青高度聚合物化“合金”材料，使用廢舊橡膠、塑料作為主要的高分子原料，在熱力學過程中選定的復合有機助劑作用下充分與瀝青成分結合，不同成分之間的物理及化學反應在動態混合中完成，建立類似熱塑性彈性體的形態結構。這種熱塑性高度瀝青化合金材料可以擠出造粒、冷卻固化，便于工業化包裝和運輸［12］。

2.2 發展新型的改性劑

目前國內改性瀝青的研究重點在新的改性劑及其加工工藝上，還有一部分研究是面向工程應用的，即研究在瀝青改性劑確定的情況下，找出合適的級配、最佳瀝青用量和改性劑用量以滿足實際工程的要求。在現有改性劑的基礎上，通過原料的調配和合成工藝的改善，研制具有良好性能的新型改性劑或復合改性劑，開發系列化成品改性瀝青，以適應各種環境下的應用。

SEAM就是一種新型的改性劑，以其作為改性劑的瀝青混合料具有很好的高溫穩定性和抗車轍、抗水剝離能力，具有很高的抗酸性和耐久性。在國外一些地區得到了應用，特別是一些溫差較大的地區，應用SEAM之后路用性能的改善較為顯著，而且實際應用也非常方便［13］。

德國的Duroflex和法國的PR PLAST．S添加劑是目前道路行業針對瀝青改性技術具有一定創新性的研發成果，這兩種添加劑都能夠大幅度增加瀝青混合料的彈性模量，顯著改善瀝青路面的抗車轍能力。此類添加劑不同于傳統的瀝青改性劑，生產工藝簡單，使用時直接投入瀝青拌合機的拌缸，無需事先與瀝青拌合，方便操作［14］。

2.3 改性瀝青的需求前景廣闊

我國絕大部分公路仍然是等級低、質量差的中低級路面，公路網密度與西方發達國家相比仍有較大差距。因此在今后20年內國家對公路建設的投入不會減少，公路等級和修筑質量也會不斷提高。2010年我國瀝青表觀消費量達20.20 Mt，產量為16.26 Mt，瀝青進口量近4.1 Mt;2011年國家緊縮貨幣和調控通化膨脹影響了公路建設，瀝青表觀消費量下降了1.35 Mt。

公路是國民經濟的基礎設施，改性瀝青能夠顯著地延長路面使用壽命。在歐美一般認為采用改性瀝青可使路面壽命延長1/3～1/4，也有的國家認為可延長50%(如澳大利亞)。目前我國高速公路的投資一般是每公里3 000萬～3 500萬元，采用改性瀝青后成本增加約1 000元/t，每公里高速公路增加成本約25萬元。增加的費用在總投資中所占比例約6%，即為原投資的1/20，這同延長路面壽命、節約或推遲巨額養護投資相比經濟效益是非常巨大的。

3 結論

改性瀝青的需求增長將受益于國家道路建設的快速發展，國內產需缺口在30%左右，具有較大的發展空間。

(1)有物理改性作用的廢橡膠粉瀝青每噸成本低300元左右，耐低溫性能優于普通改性瀝青，產品實際性能接近于SBS改性瀝青，其應用將有更大的發展空間。廢橡膠粉的使用是變廢為寶的有效方法，符合“十二五”發展循環經濟、建立節約型社會的觀念。

(2)將纖維作為一種特殊添加劑材料加入到瀝青混合料中以改善其物理力學性能，已經成為瀝青混合料物理改性的一個重要研究方向。纖維瀝青混凝土路面以其技術性能優良、施工方便、經濟合理等特點將逐漸應用于路面材料。

(3)納米技術作為推動世界新科技發展的動力，正在逐漸滲透到交通材料領域，為交通材料的發展提供了一個新的思路。納米材料與技術在瀝青改性中的應用研究已經成為國內外學者的研究熱點之一。

［1］ 鄭華．改性瀝青在公路工程中的應用與發展［J］．交通世界，2011(3):183－184．

［2］ 卞國龍．瀝青混凝土應用聚丙烯腈纖維的分析［J］．淮北職業技術學院學報，2011，10(3):20．

［3］ 錢伯章．瀝青改性用TPE新品填補國內空白［J］．石油瀝青，2011，36(5):35．

［4］ 顏鶴．廢膠粉改性瀝青研究進展［J］．科技創新導報，2011(14):52－53．

［5］ 饒俊．鋼橋面環氧瀝青混凝土鋪裝層的性能及工藝［J］．西部探礦工程，2011(11):202－204．

［6］ 張艷銀，陳守明．高性能環氧樹脂改性瀝青道路材料的研究綜述［J］．中國建筑防水，2011(4):12－15．

［7］ 朱嶸，鐘才根，吳波，等．聚酯纖維、聚丙烯腈纖維與木質素纖維SMA路用性能研究［J］．華東公路，2011(5):65－69．

［8］ 張小英，徐傳杰．工藝條件對硫磺改性瀝青軟化點的影響［J］．石油瀝青，2010，24(5):17 －19．

［9］ 張寶財．國際硫磺市場動態及硫資源的新應用［J］．硫磷設計與粉體工程，2011(3):45－47．

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

［11］ 曲恒輝，龐來學．納米顆粒改性瀝青［J］．江蘇建材，2011(2):17－19．

［12］ 付國華．新型橡膠塑料瀝青改性劑的應用前景［J］．交通標準化，2011，20(12):93 －95．

［13］ 王召松，付吉利．改性瀝青的現狀及發展前景［J］．山西建筑，2005，31(8):115 －116．

［14］ 姚青梅．改性瀝青的發展現狀及應用前景［J］．科技傳播，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，工程師，1989畢業于青海大學化工專業，現為中國石油化工股份有限公司長嶺煉化分公司生產經營部技術開發主管，已發表論文10余篇。