瀝青改性劑發(fā)展現(xiàn)狀與展望

王威

（山西省交通科學研究院，山西太原 030006）

瀝青改性劑發(fā)展現(xiàn)狀與展望

王威

（山西省交通科學研究院，山西太原 030006）

介紹了現(xiàn)有瀝青聚合物類和非聚合物類改性劑的主要分類、功能和發(fā)展近況，分析了當前瀝青改性技術(shù)面臨的問題，綜述了近年來國內(nèi)外瀝青改性領(lǐng)域的發(fā)展方向，指出反應(yīng)共混改性、廢棄物改性和微納米改性技術(shù)有望制備出各項性能優(yōu)良的改性瀝青。此外未來道路材料除應(yīng)具有良好路用性能外還應(yīng)朝著具有緩解熱島效應(yīng)，凈化汽車尾氣等環(huán)保功能性方向發(fā)展。

瀝青 改性劑 化學改性 微納米改性

近年來，我國大力發(fā)展實施交通基礎(chǔ)性建設(shè)項目，大量高等級公路建設(shè)隨之興起。目前，瀝青路面是道路路面的首選。理想的道路材料應(yīng)具有：高溫高勁度、低溫低勁度、施工低黏度、與骨料強黏附性等特征。然而道路瀝青材料由于其本身的結(jié)構(gòu)和組成限制了其廣泛應(yīng)用。加之近年來氣候變化各異與車輛荷載增加，以及人們對基礎(chǔ)設(shè)施不斷提升的要求，為使瀝青能夠滿足不同條件下的使用，對其進行改性是必由之舉。為此本文對瀝青改性劑的現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢進行綜述。

1　聚合物改性劑

聚合物改性瀝青技術(shù)由來已久，摻加少量的聚合物就可以有效改善瀝青的路用性能，因而聚合物改性瀝青是目前各國公認的最有市場的方法。不同種類聚合物對同一種瀝青的改性效果不同；同一種改性劑對不同基質(zhì)瀝青的改性效果也不相同。只有選擇合適的改性劑與基質(zhì)瀝青進行搭配，使聚合物改性劑與基質(zhì)瀝青形成穩(wěn)定的多相體系才能達到理想的改性效果。

目前，聚合物類改性劑主要分為橡膠類、樹脂類、熱塑性彈性體等幾類［1］。

橡膠類外摻劑主要有：天然橡膠、丁苯橡膠、聚苯乙烯異戊二烯共聚物、聚丁二烯等。橡膠類改性劑在改善瀝青及混合料低溫抗裂性能方面效果顯著，可使瀝青混合料具有良好的彈性、黏附性及高的機械強度，從而顯著提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能［2］。

熱塑性彈性體因其具有良好的變形、自恢復性和裂縫自愈性而使瀝青及混合料具有良好的高低溫性能。目前，世界各國用于道路瀝青改性最為普遍、效果相對顯著的改性劑是熱塑性彈性體SBS，所占比例超過70%，廣泛應(yīng)用于高等級公路、城市道路及機場跑道。已有結(jié)果表明：在各類改性劑中，SBS改性瀝青的抗永久變形能力最佳；流變結(jié)果顯示：經(jīng)SBS改性后可以提高瀝青的高溫復合模量，降低損耗因子，從而降低瀝青的溫度敏感性。

樹脂類改性劑主要有：聚乙烯、聚丙烯、環(huán)氧樹脂、聚苯乙烯（EPS）、乙烯醋酸乙烯共聚物（EVA）、酚醛樹脂等。樹脂類改性劑在提高瀝青高溫穩(wěn)定性方面效果明顯，同時可改善低溫脆性，且價格相對低廉。

聚乙烯（PE）是樹脂類改性劑的典型代表。PE改性劑能夠顯著改善瀝青的路用性能，尤其是改善高溫性能，可有效提高瀝青路面高溫抗車轍問題［3］。但PE改性瀝青熱儲存穩(wěn)定性差的問題迫使其必須隨配隨用，從而制約了發(fā)展。物理改性不能徹底解決PE改性瀝青的離析問題。王仕峰等將PE與碳黑共混，歐陽春發(fā)將PE與硅共混，意圖通過使PE與瀝青的密度接近而防止離析。但制備好的PE改性瀝青靜置數(shù)分鐘后仍會發(fā)現(xiàn)底部有明顯稠狀層［4］。化學改性方面，PE分子鏈堆砌較為緊密，常溫下為晶體態(tài)，即使是在高溫下輕質(zhì)組分也難以滲入PE分子鏈間而使其溶脹。沒有溶脹的改性瀝青，穩(wěn)定性就難以保證。無論是調(diào)整剪切工藝，還是摻加硫、硬脂酸、鹽酸等促進劑，均不能改善PE改性瀝青的熱儲存穩(wěn)定性。近來有報道稱使用馬來酸酐改性PE，或?qū)⒓谆┧峥s水甘油酯引入LDPE中，有望改善離析從而獲得穩(wěn)定的改性瀝青。

聚合物改性瀝青是一種技術(shù)含量高和附加值大的新型優(yōu)質(zhì)筑路材料。聚合物主要通過相容、溶脹網(wǎng)絡(luò)、膠體結(jié)構(gòu)變化和增強改性來達到提高瀝青高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和延長路面壽命的效果。聚合物粒子在改性瀝青體系中起著增強的作用，低溫時其與瀝青的模量不同，可產(chǎn)生高度應(yīng)力集中，誘發(fā)大量銀紋和剪切帶，銀紋和剪切帶的產(chǎn)生會消耗大量能量，由此可以提高瀝青的抗沖擊強度和可塑性。

2　非聚合物改性劑

非聚合物改性劑主要通過增強瀝青與集料間的黏結(jié)力，及提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，以達到改善瀝青路面的高低溫性能、抗老化性能、抗水損害性能及疲勞開裂性能的效果。非聚合物改性劑主要包括：填料、纖維、天然瀝青、黏附性改性劑和酸類改性劑等幾類，其中以填料類改性劑應(yīng)用最為廣泛。

常見填料類改性劑有：硅藻土、納米碳酸鈣［6］、硫磺［7］、復合硅酸鹽［8］、白炭黑［9］、蒙脫土、水泥、石灰、木質(zhì)素、云母粉等。

硅藻土作為填料改性劑可以顯著提升瀝青的高溫穩(wěn)定性。硅藻土內(nèi)部的諸多孔隙和表面的粗糙不平，使其表面得到顯著提高，其中結(jié)構(gòu)瀝青含量增加，從而使瀝青黏結(jié)力得以增強。同時大量的孔隙具有較強的吸附能力，可將分子量小，流動性強的飽和分和芳香分吸入到硅藻土孔隙內(nèi)部，使表面自由瀝青及結(jié)構(gòu)瀝青中的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量相對上升，起到改善瀝青高溫穩(wěn)定性的作用［5］。張志清等人的硅藻土改性瀝青DSC結(jié)果顯示，摻加硅藻土后，瀝青膠漿的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下降，表面摻加硅藻土后瀝青的低溫性能也得以改善。

納米碳酸鈣有利于提高瀝青混合料的黏聚力與強度。碳酸鈣改性瀝青的機理同硅藻土相似，但納米尺度的粒子與瀝青等高分子作用時，由于表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等綜合作用的結(jié)果，存在物理和化學雙重改性，有利于增強瀝青混合料的綜合力學性能。納米碳酸鈣改性石油瀝青后，可改善高低溫性能，降低瀝青溫度敏感性，改性后的瀝青混合料高溫性能改善顯著，低溫性能無明顯影響［6］。

膠粉在瀝青的輕組分作用下會發(fā)生部分溶解和體積上的溶脹，使得膠粉顆粒的力學性能得以增強，彈性方面雖略有降低但仍高于瀝青。膠粉顆粒在瀝青中起到加筋作用，增強瀝青的低溫抗裂性能。膠粉的溶脹過程中膠粉顆粒會氧化解聚，膠粉中的炭黑、抗老化劑、鋅化物等成分可以進入瀝青膠體結(jié)構(gòu)，增強瀝青溫度穩(wěn)定性和抗老化性能［10］。同時膠粉溶脹使得瀝青中的輕組分減少，瀝青黏度增加，感溫性能得以改善。

硫磺改性瀝青時可與瀝青發(fā)生化學反應(yīng)，產(chǎn)生交聯(lián)物質(zhì)使瀝青分子鏈從二維結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了瀝青黏度，同時交聯(lián)作用使瀝青重均與數(shù)均分子量都增大，瀝青中輕質(zhì)組分向分子量高的稠環(huán)芳烴轉(zhuǎn)移，使瀝青膠體由溶膠型向凝膠型轉(zhuǎn)變，增強了瀝青高溫抗變形能力；同時硫?qū)r青進行氧化時會產(chǎn)生硫醇、硫醚、亞砜、砜等含氧官能團，含氧官能團的存在增大了分子鏈極性，分子鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)受阻而使瀝青具有較大的剛性，使得瀝青黏度增強［7］。混合料性能方面，硫磺對于瀝青混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性影響不大。

蒙脫土是一種黏土，它能很好的分散于瀝青中，可以提高瀝青的軟化點和黏度，也可以被用來改善瀝青的延展性和抵抗熱氧化、老化等熱力學作用。石灰材料也可以用于瀝青改性，普通熟石灰可加工成近似納米尺寸用來作為瀝青改性劑來改善溫拌瀝青的水損害，混合料間接拉伸試驗和張力強度比值用以評價熟石灰改性瀝青混合料的抗剝落性和抗水損害性能。結(jié)果表明，石灰類改性劑的尺寸對改性瀝青及混合料均有影響。相對而言，纖維素是一種新型瀝青改性劑，它能提高脆性材料瀝青的韌性。切口梁試驗表明，纖維素改性瀝青混合料的斷裂比普通瀝青混合料的斷裂能高50%以上。

礦物質(zhì)填料改性后可增強瀝青的耐磨性能，提高內(nèi)聚力和耐候性。由于瀝青對礦物質(zhì)填料而言具有潤濕和吸附作用，瀝青能夠以單分子狀態(tài)排列在礦物顆粒表面，從而形成結(jié)合力強的瀝青薄膜，稱為“結(jié)構(gòu)瀝青”。結(jié)構(gòu)瀝青良好的黏性和耐熱性可改善瀝青的溫度敏感性和高溫性能。

3　瀝青改性的問題

通常，改性劑與瀝青間的相容性問題是瀝青改性效果的關(guān)鍵。兩者的相容性取決于彼此間的界面作用、基質(zhì)瀝青的組分和集合物的極性、顆粒大小、分子結(jié)構(gòu)等因素。絕大多數(shù)改性瀝青方法屬于物理改性，改性劑通過剪切、攪拌等物理方法均勻分散于瀝青中，一旦停止攪拌就會出現(xiàn)改性劑的凝聚和離析，形成改性劑富集相與瀝青富集相。物理改性不能使改性劑與瀝青形成穩(wěn)定的均相體系，限制了改性劑對瀝青的改性作用。

4　瀝青改性新技術(shù)

為解決現(xiàn)存瀝青改性劑面臨的問題，新的瀝青改性技術(shù)應(yīng)運而生。下面介紹幾種新型瀝青改性技術(shù)。

4.1廢棄物改性瀝青

廢舊材料用于瀝青改性時具有廢物利用和環(huán)保的效應(yīng)。通過熱液作用可將豬糞轉(zhuǎn)化為生物油，將此替換石油瀝青結(jié)合料的可持續(xù)發(fā)展材料。此類生物油在瀝青中可改善瀝青的低溫性能，并降低施工成本。

隨著電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，通過將回收的電腦垃圾制作成粉末狀材料對瀝青進行改性是科研工作者研究的方向之一。瀝青結(jié)合料試驗結(jié)果表明，電子垃圾粉末能夠提高瀝青的黏度和剪切模量，從而提高其高溫性能。

4.2反應(yīng)性共混改性

反應(yīng)共混改性技術(shù)主要分為兩類：對聚合物進行改性，使其具有能與瀝青反應(yīng)的官能團；二是加入能夠促進聚合物與瀝青發(fā)生反應(yīng)的添加劑［11］。通過在瀝青改性過程中添加偶聯(lián)劑、分散劑、引發(fā)劑等助劑，使其在加工過程中進行化學改性來提高瀝青及混合料的高低溫性能和儲存穩(wěn)定性，也可以尋找新的改性劑提高兩者的相容性，加工工藝可以輔以催化劑來加速反應(yīng)［12］。

多聚磷酸（PPA）作為酸類改性劑的代表可以對瀝青進行化學改性，性價比優(yōu)勢顯著，摻加少量的PPA即可改善瀝青及混合料的高溫性能，并可有效解決改性瀝青的離析問題。改性工藝方面，PPA是黏稠液體狀，很容易分散在瀝青中發(fā)生化學改性，無需專門的改性設(shè)備。多聚磷酸與其它聚合物復配性好，可聯(lián)合聚合物全面改善瀝青路面的綜合性能。

4.3微米和納米技術(shù)［13］

微米和納米技術(shù)是材料領(lǐng)域中具有前景和創(chuàng)造性的技術(shù)，其因特有的工藝和功能，如量子效應(yīng)和高表面能而廣泛應(yīng)用，突出的力學與流變特性有望成為耐久型瀝青及混合料的改性劑，國內(nèi)外研究者已經(jīng)開展微米和納米材料用于瀝青改性的研究。微納米材料改性劑的加入能夠提高瀝青的高溫性能與抗疲勞裂縫性能，并可延緩或弱化改性瀝青的老化作用。將微納米復合技術(shù)應(yīng)用于瀝青改性，有望研發(fā)出耐高溫、抗老化、高強韌性的新型道路材料。

5　展望

現(xiàn)代路面不僅要能滿足傳統(tǒng)道路的承重、穩(wěn)定、平整、耐久和舒適等通行功能，而且應(yīng)當具有降低噪聲，補充地下水，緩解熱島效應(yīng)，凈化汽車尾氣等環(huán)保功能。

［1］李立寒.道路建筑材料［M］.北京：人民交通出版社，2009.

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項目獲得“2015山西省基礎(chǔ)研究計劃青年科技研究基金（2015021074）”支持。

王威（1988—），女，助理工程師，碩士，研究方向：道路材料研發(fā)。