改性沥青的研究现状及展望

佟天宇，常慧亮，

（1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010；2.盘锦浩业化工有限公司，辽宁 盘锦 124000）

石油沥青是原油蒸馏后的残渣产物，是石油炼制行业中的重要化工产品，可用于涂料、塑料、橡胶等工业以及铺筑路面等。中国汽车行业的飞速发展、极端区域的地理环境、人们环保理念的提升以及国家多种行业标准的严格要求等都对道路沥青路用性能提出了严苛的要求。铺筑路面使用一般沥青时可能会导致路面出现大量的病害，影响行车安全性。研究人员发现应用改性沥青可显著提高路面的使用性能，提升行车舒适度。当前，通过添加其它物质来改性沥青进而改善沥青混合料的实际使用性能是1种重要手段，而沥青改性剂的选择和改性剂之间的复配等是影响沥青实际路面使用性能的核心因素。

1 沥青改性剂种类

在国内外改性沥青的研究中，通常采用在基质沥青中掺杂改性剂并经过物理混溶或化学反应的方式制备改性沥青。目前文献报道中添加的改性剂主要分为聚合物型和非聚合物型2种［1，2］。

聚合物型沥青改性剂包含热塑性弹性体、橡胶沥青改性剂和树脂类等。苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段共聚（SBS）、苯乙烯—异戊二烯—苯乙烯嵌段共聚物（SIS）、聚酯弹性体、聚烯烃弹性体等均属于热塑性弹性体，由于SBS改性沥青制备工艺简单且材料来源广泛，是当前国内外研究最多、应用最广的改性沥青［3］；丁苯橡胶（SBR）、天然橡胶（NR）、氯丁橡胶（CR）等均属于橡胶沥青改性剂，其中具有良好低温性能的SBR应用较为广泛［2］；聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、环氧树脂和呋喃树脂等均属于树脂类改性剂，且相比于SBS等传统改性剂，环氧树脂改性沥青因具备更好的弹性而研究广泛［4］。

非聚合物型沥青改性剂包含生物沥青、天然沥青、硅藻土、硫磺、部分阴阳离子配制的表面活性剂等，其中硅藻土应用最为广泛，硫磺常被用作改性沥青中的交联剂。

另外，近年来一些化学改性剂、纳米改性剂、纤维材料、废旧材料和生物沥青等如多聚磷酸（PPA）、纳米电气石、废旧塑料包装袋［5］、废旧陶瓷、木质或矿物质等制备的纤维、秸秆生物沥青，被用于改性沥青的研究也越来越广泛。

2 改性沥青研究

将1种改性剂单独添加或将2种及2种以上改性剂混合添加到基质沥青中，是当前制备改性沥青的主要研究方式，下面将根据改性沥青中所添加的改性剂种类数目介绍改性沥青的研究状况。

2.1 掺杂单一改性剂的改性沥青

2.1.1 常用改性剂改性沥青单独添加1种改性剂的研究如掺杂SBS制备相应的沥青及沥青混合料、掺杂SBR制备相应的沥青及沥青混合料、掺杂橡胶颗粒制备相应的沥青及混合料等。

谭忆秋等［6］在90#沥青的基础上分别添加橡胶粉、SBS、SBR、芳烃油、橡胶粉/芳烃油和SBS/芳烃油，制备了6种改性沥青。通过试验研究对比分析了常用改性剂制备的改性沥青的性能：橡胶粉、SBS均能提高弹性比例，橡胶粉改性沥青改善效果更佳；较单一改性剂，复合改性剂制备的沥青其路用性能更好。

王岚等［7］在90#沥青中分别掺入质量分数20%的30μm胶粉和4%的SBS制备了CR改性沥青和SBS改性沥青，并采用旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）对2种改性沥青进行165℃、75 min短期老化，利用动态剪切流变试验（DSR）和扫描电子显微镜（SEM），对比分析了短期老化后改性沥青流变性能发生的变化。研究发现：短期老化后，CR改性沥青的高温抗变形性能和抗车辙性力改善效果最好。

2.1.2 纳米材料改性沥青近年来，无机纳米材料改性沥青因具有环保性、经济性、改性效果明显等特点成为沥青工程的研究热点，纳米材料的小尺寸效应使其具有传统高分子聚合物如SBS及SBR等改性材料没有的优异性能，如高比表面积、高表面自由能、高分散性、抗老化性能、自洁性能、净化废气性能等［8］。目前，报道相对较多的纳米材料有纳米ZnO、改性蒙脱土、火山岩等，具备特殊性能的电气石开始进入人们视野进行改性沥青的研究。

陈渊召等［9］采用纳米ZnO和中国石化齐鲁公司提供的70#基质沥青等制备了7种不同纳米ZnO含量的沥青混合料，并通过动态剪切流变仪试验（DSR）、弯曲蠕变试验（BBR）等对比研究了7种改性沥青混合料的路用性能，结果表明：混合料高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性能最佳时，纳米ZnO的掺杂量为4%；且得出纳米ZnO与基质沥青形成稳定体系的原因是改性剂与基质沥青不光发生了物理混合还发生了化学反应。

高及阳等［10］先利用70#道路石油沥青制备了再生沥青，再制备了KH-550和KH-570有机化纳米SiO2，然后分别采用此2种纳米SiO2和再生沥青制备了改性沥青。研究其性能表明：添加5%的有机化纳米SiO2改性再生沥青最合理，且改性后的再生沥青分散性、稳定性、高温性能、抗老化性能得到很好地提升，团聚现象得到改善。

王朝辉等［11］选择2种类型的电气石和韩国SK70#基质沥青通过高速剪切仪制备了2种电气石改性沥青。采用红外光谱、动态剪切流变试验等，对电气石改性沥青性能进行了研究。研究结果表明：电气石改性沥青不仅高温流变性能、动态剪切性能、高低温性能等得到有效改善，而且在不影响电气石压、热电性能的同时电气石改性沥青还具有良好的低碳环保效益。

2.1.3 纤维材料改性沥青常作为沥青改性剂的纤维材料包括矿物质纤维、塑料纤维、木质纤维、石棉纤维、玻璃纤维等，有研究显示掺加纤维材料的沥青使用性能得到了更好的提升。但目前还没有研究出完善的性能指标能够规定纤维改性沥青及其混合料的性能。

安静［12］选用聚酯纤维和SK90基质沥青制备了聚酯纤维改性沥青及其相应的沥青混合料，并通过冻融劈裂试验、小梁弯曲试验等试验对比研究了聚酯纤维改性沥青混合料的性能。研究结果表明：与SBS改性沥青混合料相比，改性沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性随着聚酯纤维的加入可以得到很好地提升，水稳定性和疲劳性无太大变化。当聚酯纤维掺杂量在0.25%~0.30%时，其路用性能和实际经济性等综合效果较有优势。

杨文江［13］采用玄武岩纤维、国产重交AH-90沥青、玄武岩集料以及磨细后的石灰岩矿粉制备了玄武岩纤维改性沥青混合料，并通过试验研究分析了玄武岩纤维的掺杂量和相应改性沥青的路用性能，通过工程实践探究其实际路用性能。结果表明：玄武岩纤维改性沥青混合料表现出良好的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，玄武岩纤维的最佳掺杂量为0.3%。工程实践应用表明：在通车4 a内，玄武岩纤维改性沥青混合料实际应用效果较好，即使通车4 a后路面上也未出现明显裂缝、车辙等病害，具有很好的开发前景。

2.1.4 废旧材料改性沥青生产生活废旧材料一直以来都是威胁人类生存环境的重大问题，在废旧材料的处理上，对于废旧材料的加工和2次利用是有效途径。如废轮胎橡胶、废塑料、废陶瓷、化工废料等回收作为沥青改性剂，成为研究改性沥青和加强环境保护的发展方向。

钟韬等［14］回收并采用医用包装材料—多层共挤膜废料（r-MCEFS）添加到重交70#基质沥青中，制备了r-MCEFS改性沥青。研究表明：基质沥青的软化点、改性沥青的高温性能、改性剂与基质沥青的结合效果，随着r-MCEFS含量增加而提升。

何亮等［15］选择胶粉颗粒和70#A级道路石油沥青通过湿法工艺制备了2种不同橡胶改性剂的改性沥青，采用试验法研究了2种橡胶改性沥青的路用性能和老化特征。得出了普通橡胶改性沥青的高温稳定性、低温抗裂性和耐TFOT（薄膜烘箱试验）短期老化性优于脱硫橡胶改性沥青的结论。

曾伟［16］系统阐述了国内外废塑料改性沥青及混合料的研究成果和改性效果，总结出废塑料改性沥青的高温流变性能得到改善的结论。

罗蓉等［17］在90#基质沥青的基础上添加煤液化残渣（DCLR）制备了DCLR改性沥青，并通过试验对改性沥青性能进行了研究。结果表明：相比于90#基质沥青，DCLR改性沥青的抗变形性、变形恢复能力、抗疲劳开裂性能更好。

2.1.5 化学改性剂改性沥青化学改性剂与其它常用改性剂不同，在一定的工艺条件下，化学改性剂会与基质沥青发生化学反应，从根本上改变沥青原有结构和理化性能，很好地补充了其它改性沥青性能上的不足。化学改性沥青中，弹性体3元共聚物（Reactive Elastomeric Terpolymer，RET）改性剂、聚磷酸（Polyphosphoricaid，PPA）改性剂、环氧树脂改性剂等研究最为广泛。近年来，聚氨酯（Polyurethane，PU）改性剂发展较好，由于其具有很多优异性能而在医学、煤矿、汽车等领域均有应用，但其在路面工程上的应用较少，有部分研究将PU作为胶结料使用。

孙敏等［18~21］采用PU化学改性剂和齐鲁70#基质沥青制备了相应的沥青，并通过性能测试对比评价了改性沥青的改性效果，分析结果表明：与传统的SBS改性沥青相比，PU改性沥青的高温性能、抗热氧化性能和抗紫外线老化性能更好。

马庆丰等［22］采用多聚磷酸（PPA）和秦皇岛AH-90基质沥青制备了PPA改性沥青，并经过实验分析表明：PPA改性沥青混合料的高温抗车辙性能得到很好地提升。

2.1.6 生物沥青生物沥青是由农作物秸秆、废弃食物油和生畜粪便等生物质资源，通过热裂解、分离和深加工得到重质油，再与石油沥青或其它药剂混融制成。王海年等［23］选择50#基质沥青和含碳量为60%~75%的生物重油制备了生物沥青，并研究分析了生物沥青的性能受生物重油质掺杂量的影响，结果表明：当生物重质油掺杂量增加时，生物沥青的针入度和延度增大，但是软化点和表观粘度略有降低。

2.2 掺杂2种及以上改性剂的复合改性沥青

为了解决单一改性剂改性沥青性能的不足之处，可以选取2种及以上改性剂于基质沥青中制备复合改性沥青。

如常用改性剂之间的复合改性沥青，刘勇等［24］分别制备了胶粉添加量为7%，10%，13%和16%的胶粉/SBS复合改性沥青。并通过试验研究表明：相比于SBS改性沥青，胶粉/SBS改性沥青的高温性能和粘弹性等得到很好地改善，并确定了胶粉的最佳掺杂量。

如纳米材料和常用改性剂之间的复合改性沥青，徐明非等［25］使用70#A级基质沥青制备的SBS改性沥青、纳米蒙脱土和石灰岩等集料通过高速剪切机制备了不同蒙脱土/SBS改性沥青及其相应的沥青混合料，通过一系列实验分析表明：蒙脱土/SBS改性沥青及沥青混合料的综合性能优于SBS改性沥青时，纳米蒙脱土最佳掺杂量为3%。

如废旧材料和常用改性剂之间的的复合改性沥青，程培峰、佟天宇［26］回收2种废旧聚丙烯（白色聚丙烯编织袋的聚丙烯回收料WPP、绿色聚丙烯编织袋的聚丙烯回收料GPP）分别与丁苯橡胶（SBR）复配后掺杂到90#基质沥青中，制备了聚丙烯/SBR复合改性沥青，并通过试验研究了其路用性能，与传统SBS沥青混合料对比分析：复合改性沥青混合料的的抗变形性、水稳定性等均得到了有效改善，且此项研究把废旧塑料融入到道路工程研究中，具有良好的环保效应和研究意义。于智光等［27］在环氧沥青混合料中掺杂部分废旧陶瓷破碎料并通过一系列试验评价了其路用性能，分析表明：废陶瓷/环氧沥青混合料的高温稳定性与废陶瓷掺杂量有关，所以确定最佳陶瓷掺杂量具有重要意义，为满足改性沥青的综合路用性能，确定最佳掺杂量为60%。

如生物沥青与常用改性剂，高俊峰等［28］采用木屑生物质生成的生物重质油、茂名50#基质沥青、SBS改性剂和石灰岩等制备了4种SBS改性生物沥青和相应的沥青混合料。对改性沥青性能和沥青混合料路用性能进行试验，分析表明：改性生物沥青的针入度、延度等随着重质油掺杂量的增加而提升，且确定最佳掺杂量为10%。

如化学改性剂与常用改性剂的复合改性沥青，周育名等［29］以70#基质沥青为基础掺杂不同量的粒径为0.2~0.3 mm橡胶粉和不同量的多聚磷酸（PPA）制备了PPA/橡胶粉改性沥青。对PPA/橡胶粉改性沥青的性能分析采用试验法，研究表明：复合改性剂的掺杂有利于改性沥青的高温性能、弹性性能、抗车辙性能和短期老化性能等的提升，但低温性能等改善效果不明显；综合考察改性沥青的性能改善效果，复合改性剂是很有效果的，并且确定了最优掺杂量为1.5%PPA和15%橡胶粉。

如纳米材料和纤维材料之间的复合改性沥青，有研究表明若要沥青混合料表现出很好的高温稳定性和水稳定性，在其中掺杂纳米SiO2、TiO2等纳米材料是1种有效的途径，但低温性能改善较小。若要沥青混合料表现出很好的高温性能和低温抗裂性能，可以将玻璃纤维、玄武岩纤维等纤维材料掺杂到沥青中。但不论是纳米材料还是纤维材料都是现今被应用到路面沥青的新型材料，都有各自的优势和不足之处，且当前也很少有将2种材料复配制备改性沥青的报道。程永春等［30］选取辽宁盘锦产AH90#重交通石油沥青作为基质沥青，选取纳米天成高新公司生产的TiO2/CaCO3复合纳米材料和吉林产地的玄武岩纤维作为改性剂，通过高速剪切搅拌设备制备了改性沥青。选取玄武岩等作为集料，通过一系列试验对改性沥青的路用性能进行了研究分析，结果表明：改性沥青的抗剪切强度、低温性能等均得到有效改善；相比于纳米材料和纤维材料的单一使用，2种改性材料一起使用效果更佳。

3 结束语

对于改性沥青的研究，最早始于国外。从19世纪法国使用天然橡胶制备改性沥青至今，关于改性沥青的研究发展已经有上百年的历史。由于SBS改性沥青实用性强、使用寿命较长、工艺简单、工程造价相对较低且来源广泛，迄今为止SBS改性沥青是实际道路沥青中研究和应用最为广泛的。但随着SBS废料的逐年增多和人们环保理念的提升，未来对SBS的回收利用应该得到更高的重视。

废旧材料包括废旧橡胶、废旧塑料、废旧陶瓷和化工生产废旧料等，应用在改性沥青研究上已得到进展。据不完全统计，中国约有140×104t/a废旧轮胎，增长速度年均15%，利用率却仅为发达国家的30%左右［31］。世界废塑料累积量也已经超过70×108t，其中仅9%得到回收［14］。另外，废旧陶瓷也是愈来愈受人们关注的可再利用资源。化工生产废料处理对于“双碳”背景下的炼化企业具有重要意义，改性沥青如果能应用这些废旧材料，这样即节省了大量的资源又保护了环境，是未来改性沥青研究的重要趋势。

纳米材料和纤维材料是当今流行的材料，具有普通材料所不具备的特殊性能，已开始用作沥青改性剂。虽然已经研究了纳米改性沥青和纤维材料改性沥青的性质和机理，但纳米材料与沥青之间相互作用的机理大多是猜想，纤维材料改性沥青的研究还不够深入，因此对于纳米材料和纤维材料改性沥青的研究仍是重要的。

生物沥青在石油资源日益紧缺、环境污染日益严重的今天，因其良好的环保效应和可替代部分石油基质沥青的特点逐渐进入研究人员的视野。生物沥青是1种新型材料，在路面沥青领域报道较少，具有生产成本低、工程造价低、减少温室气体排放等优点，但是在技术性能上还存在缺陷［32］，具有良好的发展前景。

对于掺杂2种及以上材料于基质沥青中制备改性沥青及相应的沥青混合料，现研究已经非常广泛，它可以很好地运用不同改性剂或材料间的协同作用来达到单一改性剂所达不到的效果，且这种思路也为改性沥青的研究带来了多种可能，仍是未来的重要研究手段。