改性瀝青的開發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)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(nèi)外行業(yè)發(fā)展動態(tài)

改性瀝青的開發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)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(fā)展歷程，闡述了改性瀝青的研究現(xiàn)狀，從發(fā)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(fā)展前景進(jìn)行了分析。

改性瀝青 開發(fā)現(xiàn)狀 發(fā)展前景

改性瀝青是指摻加橡膠、樹脂、高分子聚合物、磨細(xì)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(jié)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(jì)70年代前后，在全國范圍內(nèi)曾采用渣油吹氧稠化、摻配特立尼達(dá)(TLA)或阿爾巴尼亞稠瀝青等改性的方法，提高結(jié)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(nèi)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(jīng)驗。1992年NovophaltPE現(xiàn)場改性技術(shù)的引入，對改性瀝青的推廣應(yīng)用起到了促進(jìn)作用，使改性瀝青從研究試驗逐步發(fā)展到生產(chǎn)應(yīng)用［1］。自20世紀(jì)90年代以來，我國應(yīng)用于路面施工工程的改性瀝青處于不斷發(fā)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(dá)到4.60 Mt。

1 改性瀝青的開發(fā)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)改性瀝青開發(fā)的主要研究方向有3個:一是通過改善瀝青性能品質(zhì)來提高瀝青混合料的粘結(jié)力，增強(qiáng)抵抗永久變形能力，并減少感溫性;二是通過改善礦質(zhì)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(jié)構(gòu)［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(yōu)越性突出表現(xiàn)在具有雙向改性作用，也就是既能使瀝青軟化點(diǎn)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(fù)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(chǎn)品的開發(fā)，依據(jù)活性陰離子聚合原理，通過分子設(shè)計，合成了瀝青改性用TPE新品，產(chǎn)品經(jīng)用戶應(yīng)用表明，能有效提高改性瀝青的延度、高溫儲存穩(wěn)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(xué)成分，這些成分對改善普通瀝青的品質(zhì)都十分有益，主要體現(xiàn)在能夠有效地提高瀝青的軟化點(diǎn)、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(chǎn)生可逆的彈性變形。據(jù)統(tǒng)計，我國廢舊輪胎在2005年就達(dá)到1.2億條，2010年達(dá)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(yīng)用還沒有系統(tǒng)化，且還沒有出臺相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)［4］。

1.3 環(huán)氧瀝青

在瀝青中加入環(huán)氧樹脂，經(jīng)過與固化劑發(fā)生硬化反應(yīng)，形成不可逆的固化物，使瀝青性質(zhì)由熱塑性轉(zhuǎn)化成熱固性，從而賦予環(huán)氧瀝青強(qiáng)度高、剛度大、優(yōu)良的耐疲勞性能、突出的層間結(jié)合能力、良好的溫度穩(wěn)定性和較強(qiáng)的抗腐蝕性［5］。

環(huán)氧樹脂與固化劑反應(yīng)后，瀝青分子分散于環(huán)氧樹脂形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，形成不可逆的固化物，從而賦予瀝青優(yōu)良的物理性能。環(huán)氧樹脂的種類主要有雙酚A型環(huán)氧樹脂、縮水甘油醚類環(huán)氧樹脂、脂環(huán)族環(huán)氧樹脂和酚醛環(huán)氧樹脂等。用環(huán)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(yōu)異得多［6］。

在20世紀(jì)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(fā)重心從涂料和屋頂鋪面材料轉(zhuǎn)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(diǎn)，其使用范圍受到限制，目前多用于鋼橋面鋪裝的防水粘結(jié)層，也開始用于混凝土橋梁橋面鋪裝的防水粘結(jié)層。環(huán)氧瀝青既起到防止水進(jìn)入或作用于結(jié)構(gòu)層的作用，又作為結(jié)構(gòu)層與鋪裝層之間的粘結(jié)層，提高了結(jié)構(gòu)層和鋪裝層之間的粘結(jié)強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。

目前，美國、澳大利亞和日本等國生產(chǎn)環(huán)氧瀝青的工藝非常成熟，性能優(yōu)良，占據(jù)了我國絕大部分市場。我國在研究環(huán)氧瀝青生產(chǎn)工藝上仍然存有環(huán)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(shù)難題，發(fā)展高性能環(huán)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(zhì)素纖維等軟纖維。軟纖維除了具有鋼纖維的高強(qiáng)度、耐高溫與高彎曲彈性等優(yōu)點(diǎn)外，還具有抗腐蝕能力強(qiáng)、質(zhì)量輕、耐熱與耐久性好等特點(diǎn)，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(qiáng)路用性能是解決多數(shù)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(wěn)定性，同時其低溫抗裂性、水穩(wěn)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(xué)性能，已經(jīng)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(shù)性能優(yōu)良、施工方便、經(jīng)濟(jì)合理等特點(diǎn)將逐漸應(yīng)用于路面材料。

1.5 硫磺改性瀝青

在20世紀(jì)70年代和80年代初，硫磺瀝青經(jīng)歷了一個重要的發(fā)展階段。在70年代，由于硫磺價格很低，公路用硫磺產(chǎn)品的開發(fā)得到了迅速發(fā)展，主要包括:硫磺混凝土公路和澆注產(chǎn)品、澆注型硫磺瀝青公路和路面修復(fù)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(jīng)濟(jì)上的優(yōu)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(jìn)行改性可以增加瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、彎拉強(qiáng)度、勁度模量，改善瀝青路面的高溫穩(wěn)定性，防止瀝青路面在車輪荷載作用下產(chǎn)生車轍、推移、剝落等病害［8］。在瀝青混合料中添加硫磺強(qiáng)化瀝青改性劑(簡稱SEAM，主要成分是硫磺，質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于97%)，可有效降低其攤鋪溫度，降低能源消耗，減小環(huán)境污染和對人體健康的危害，并提高公路質(zhì)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(shè)公路，進(jìn)行試驗，后來在四川普光利用當(dāng)?shù)靥烊粴饣厥樟蚧墙ㄔO(shè)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(chǎn)資源，主要由古代的硅藻遺核和軟泥固結(jié)組成，其化學(xué)成分主要是二氧化硅。加入硅藻土之后，瀝青的軟化點(diǎn)有一定的提高，高溫穩(wěn)定性得到改善。通過對不同硅藻土摻量的瀝青軟化點(diǎn)試驗可知，硅改瀝青的軟化點(diǎn)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(wěn)定性和抗老化性能要優(yōu)于原基質(zhì)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(yīng)用前景。近10年來，國內(nèi)對硅藻土作為吸附劑、增強(qiáng)劑、助濾劑、磨料劑等做了大量的研究及應(yīng)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(yīng)用，在路面材料中摻加二氧化鈦可有效凈化環(huán)境污染。研究發(fā)現(xiàn)二氧化鈦改性的瀝青混合料，車轍動穩(wěn)定度提高30%以上，低溫極限抗彎拉應(yīng)變提高20%，殘留穩(wěn)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(yīng)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(zhì)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(shù)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(chǎn)AH－70#瀝青進(jìn)行改性，結(jié)果表明改性瀝青的25℃針入度降低，軟化點(diǎn)和60℃黏度得以提高。軟化點(diǎn)升高、脆點(diǎn)降低，表明改性瀝青的高溫穩(wěn)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(jī)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(jìn)一步提高和優(yōu)化了改性瀝青的高溫穩(wěn)定性能、抗低溫開裂性能和抗老化性能。離析試驗結(jié)果表明，離析比較嚴(yán)重，不能滿足規(guī)范上、下軟化點(diǎn)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(jié)構(gòu)上差別很大，溶解度參數(shù)不同，在熱和外力作用下長時間保持良好分散狀態(tài)不容易，影響了改性效果的進(jìn)一步改善。

2 改性瀝青的發(fā)展前景

2.1 廢舊橡塑材料在瀝青改性中的應(yīng)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(chǎn)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，將廢舊橡膠、廢舊塑料用以瀝青改性的技術(shù)逐漸取得突破，特別是在助劑增強(qiáng)和穩(wěn)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(shè)采用SBS改性瀝青為絕對主力品種的材料選擇思路進(jìn)行拓展，通過新的技術(shù)現(xiàn)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(yīng)用種類多樣化，細(xì)化各自應(yīng)用方向。

根據(jù)我國的實際情況，基于國內(nèi)豐富的廢舊橡塑材料產(chǎn)業(yè)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(xué)過程中選定的復(fù)合有機(jī)助劑作用下充分與瀝青成分結(jié)合，不同成分之間的物理及化學(xué)反應(yīng)在動態(tài)混合中完成，建立類似熱塑性彈性體的形態(tài)結(jié)構(gòu)。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(yè)化包裝和運(yùn)輸［12］。

2.2 發(fā)展新型的改性劑

目前國內(nèi)改性瀝青的研究重點(diǎn)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(yīng)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(xiàn)有改性劑的基礎(chǔ)上，通過原料的調(diào)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(fù)合改性劑，開發(fā)系列化成品改性瀝青，以適應(yīng)各種環(huán)境下的應(yīng)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(wěn)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(qū)得到了應(yīng)用，特別是一些溫差較大的地區(qū)，應(yīng)用SEAM之后路用性能的改善較為顯著，而且實際應(yīng)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(yè)針對瀝青改性技術(shù)具有一定創(chuàng)新性的研發(fā)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(tǒng)的瀝青改性劑，生產(chǎn)工藝簡單，使用時直接投入瀝青拌合機(jī)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(zhì)量差的中低級路面，公路網(wǎng)密度與西方發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距。因此在今后20年內(nèi)國家對公路建設(shè)的投入不會減少，公路等級和修筑質(zhì)量也會不斷提高。2010年我國瀝青表觀消費(fèi)量達(dá)20.20 Mt，產(chǎn)量為16.26 Mt，瀝青進(jìn)口量近4.1 Mt;2011年國家緊縮貨幣和調(diào)控通化膨脹影響了公路建設(shè)，瀝青表觀消費(fèi)量下降了1.35 Mt。

公路是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，改性瀝青能夠顯著地延長路面使用壽命。在歐美一般認(rèn)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(rèn)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(fèi)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(jié)約或推遲巨額養(yǎng)護(hù)投資相比經(jīng)濟(jì)效益是非常巨大的。

3 結(jié)論

改性瀝青的需求增長將受益于國家道路建設(shè)的快速發(fā)展，國內(nèi)產(chǎn)需缺口在30%左右，具有較大的發(fā)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(yōu)于普通改性瀝青，產(chǎn)品實際性能接近于SBS改性瀝青，其應(yīng)用將有更大的發(fā)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(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建立節(jié)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(xué)性能，已經(jīng)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(shù)性能優(yōu)良、施工方便、經(jīng)濟(jì)合理等特點(diǎn)將逐漸應(yīng)用于路面材料。

(3)納米技術(shù)作為推動世界新科技發(fā)展的動力，正在逐漸滲透到交通材料領(lǐng)域，為交通材料的發(fā)展提供了一個新的思路。納米材料與技術(shù)在瀝青改性中的應(yīng)用研究已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。

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

［2］ 卞國龍．瀝青混凝土應(yīng)用聚丙烯腈纖維的分析［J］．淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2011，10(3):20．

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

［4］ 顏鶴．廢膠粉改性瀝青研究進(jìn)展［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011(14):52－53．

［5］ 饒?。摌蛎姝h(huán)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(huán)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(zhì)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(diǎn)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(tài)及硫資源的新應(yīng)用［J］．硫磷設(shè)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(xué)．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(yīng)用前景［J］．交通標(biāo)準(zhǔn)化，2011，20(12):93 －95．

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

［14］ 姚青梅．改性瀝青的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)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(yè)于青海大學(xué)化工專業(yè)，現(xiàn)為中國石油化工股份有限公司長嶺煉化分公司生產(chǎn)經(jīng)營部技術(shù)開發(fā)主管，已發(fā)表論文10余篇。