排水瀝青路面高粘改性劑的研究綜述★

劉永偉 張楠楠 劉 欽 彭仕軍 劉 華

(1.知行良知實(shí)業(yè)股份有限公司，四川 成都 610000; 2.成都知行新材料技術(shù)研究有限公司，四川 成都 610097)

1 概述

在城市化加速過(guò)程中，城市內(nèi)澇和水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，建設(shè)海綿城市迫在眉睫?！芭潘疄r青路面”采用高滲透性的瀝青混凝土混合料，改變?cè)瓉?lái)的路面密閉結(jié)構(gòu)，迅速將地表水下滲，結(jié)合地下排水管道，將水集中排出收集起來(lái)，從而使路面無(wú)積水。由于排水路面特別的空隙狀結(jié)構(gòu)，還具有降低噪聲、減輕眩光、提高行車舒適度、抗滑、減少揚(yáng)塵、緩解熱島效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，成為城市道路的建設(shè)熱點(diǎn)。

本文將綜述不同聚合物制備的高粘改性劑的研究情況，并分析總結(jié)各自的優(yōu)劣勢(shì)及發(fā)展趨勢(shì)。

2 熱塑性彈性體類

熱塑性彈性體(TPE/TPR)，又稱合成橡膠或人造橡膠。其特殊的物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)使其具有隨溫度變化的可逆性的特點(diǎn)，物理、機(jī)械性能與硫化橡膠相近，加工性能堪比熱塑性塑料。熱塑性彈性體因其高彈性、耐油性和耐老化等優(yōu)勢(shì)性能，和簡(jiǎn)單的加工處理工藝過(guò)程，滿足世界標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保要求，已逐步替代傳統(tǒng)橡膠成為滿足市場(chǎng)需求的新產(chǎn)品。

熱塑性彈性體按需求可歸納為通用TPE和工程TPE兩個(gè)主要類型。聚氨酯類TPE和苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段聚合物TPE的發(fā)現(xiàn)為20世紀(jì)70年代美歐日等國(guó)家批量生產(chǎn)烯烴類TPE奠定了基礎(chǔ)，打開(kāi)了市場(chǎng)需求，催生出諸多TPE品種，逐步形成龐大而完整的TPE體系，為橡膠工業(yè)和塑料工業(yè)的融合奠定了基礎(chǔ)。

其中，主要成分為熱塑性橡膠的高粘度瀝青為日本的TPS(TAFPACK-Super)。張銳等[2]在研究了TPS對(duì)瀝青膠結(jié)料和瀝青混凝土性能的影響后認(rèn)為，添加TPS的主要作用是增強(qiáng)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫性能，同時(shí)彈性恢復(fù)性能、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能均有提升。

近年來(lái)，隨著科技進(jìn)步與投入，瀝青添加劑的種類逐步增加，更多新型的熱塑性彈性體材料品種不斷問(wèn)世，初步形成了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。

3 橡膠類

橡膠類高粘改性劑即聚合物彈性體，由合成橡膠、再生橡膠和天然橡膠三種主要成分構(gòu)成。在道路建設(shè)中大多數(shù)利用合成橡膠進(jìn)行瀝青改性，合成橡膠具有高度的伸縮性和極好的彈性，同時(shí)還具有優(yōu)良的耐溫性能。目前國(guó)內(nèi)使用較多的是SBR,CR,SIR,EPOM,ABR等[3]。

SBR(即丁二烯—苯乙烯聚合物)，目前，30%苯乙烯含量的丁苯橡膠被普遍應(yīng)用于道路瀝青改性中。在瀝青改性中，橡膠膠乳形態(tài)，SBR膠乳顆粒非常小而且規(guī)整，在水中易于分散，當(dāng)它和瀝青混合的時(shí)候，很快均勻的分散在瀝青中并形成堅(jiān)固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[4]。研究表明，SBR膠乳可改善路面開(kāi)裂問(wèn)題，增加瀝青混合料的延度、彈性[5,6]。

由于SBR價(jià)格低廉，在我國(guó)得到了廣泛的推廣應(yīng)用，特別是在東北等對(duì)瀝青的低溫抗開(kāi)裂性要求較高的寒冷地區(qū)。即便如此，SBR膠乳也逐漸被SBS取代，因?yàn)镾BS具有更高的抗拉強(qiáng)度和應(yīng)變力，與瀝青相容性也更好[7-9]。此外，許多學(xué)者建議用廢舊膠粉作為瀝青的改性材料[10-14]，此方法可以有效解決廢舊輪胎的循環(huán)利用問(wèn)題，節(jié)約能源。

4 纖維類

排水性路面空隙率較大，對(duì)瀝青膠結(jié)料的粘度和黏附性要求較高，且瀝青膜的厚度和強(qiáng)度要足夠大。研究表明，纖維類的改性劑可改善礦粉的分散性，具有增韌和加筋作用[15,16]。在實(shí)際應(yīng)用中，礦物纖維、木質(zhì)素纖維及聚合物纖維等為最常用的纖維。其中，木質(zhì)素纖維的應(yīng)用最為廣泛[17]。

Alfonso等[18]研究了木質(zhì)素纖維對(duì)排水性路面多項(xiàng)性能的影響，他認(rèn)為木質(zhì)素纖維的加入增加了瀝青膜的厚度和瀝青對(duì)集料的附著性，提高了瀝青混合料的耐久性和抗永久變形能力，但勁度模量變化不大。Wu等[19]研究了聚酯纖維及木質(zhì)素纖維對(duì)排水性路面性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果證明，纖維的參與不僅增加了排水性路面的高溫穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)木質(zhì)素纖維在排水性路面中的路用性能優(yōu)于聚酯纖維。

綜上，纖維能有效提升瀝青混合料的多項(xiàng)路用性能。但在實(shí)際使用過(guò)程中，木質(zhì)素纖維在瀝青混凝土中容易呈棉絮狀，易匯聚成團(tuán)，堵塞空隙，影響應(yīng)用效果，亟需解決纖維在瀝青混凝土中的分散性問(wèn)題[20]。

5 樹(shù)脂類

樹(shù)脂改性瀝青(Resin Modified Asphalt)，是樹(shù)脂和瀝青的混合物。在瀝青改性中一般采用熱塑性樹(shù)脂，加熱后軟化、冷卻時(shí)固化變硬的特點(diǎn)使其可以改進(jìn)瀝青的耐寒性、耐熱性、黏結(jié)性和不透氣性。

常用于改性瀝青的樹(shù)脂有古馬隆樹(shù)脂、無(wú)規(guī)聚丙烯APP、聚乙烯、酚醛樹(shù)脂和天然松香等。無(wú)規(guī)聚丙烯APP改性瀝青具有較好的耐高溫性，能夠克服單純?yōu)r青冷脆熱流缺點(diǎn)，特別適用于炎熱地區(qū)。

6 納米材料類

納米技術(shù)因其優(yōu)異性能，使納米改性瀝青不同于其他改性瀝青[21]，可以從微觀結(jié)構(gòu)上改變?yōu)r青性能。正因如此，納米材料在瀝青改性方面開(kāi)始受到重視，而瀝青改性劑是從納米尺度對(duì)瀝青的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行改性，這是其他瀝青改性劑所不能比擬的。

Eidt[22-24]等認(rèn)為蒙脫土納米改性瀝青(Montmoril-Lonite，MMT)是一種天然粘土，屬于層狀納米硅酸鹽。他們發(fā)現(xiàn)蒙脫土在與聚合物進(jìn)行復(fù)合時(shí)，蒙脫土的片層出現(xiàn)插層(intercalation)或剝離(exfoliation)，而獲得了插層型(in-tercalated)或剝離型(exfoliated)的聚合物基納米復(fù)合材料。該技術(shù)和思路可以應(yīng)用到改性瀝青當(dāng)中，有望研制出高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫性、抗老化、耐水的路用改性瀝青材料。

雖然聚合物層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料在改性瀝青中具有很好的應(yīng)用前景，然而此類研究在全世界范圍目前還不廣泛，在改性瀝青中應(yīng)用納米復(fù)合技術(shù)仍然面臨諸多困難。未來(lái)的研究工作重點(diǎn)將圍繞硅酸鹽在瀝青中的完全剝離和納米分散、提高道路用改性瀝青材料的綜合性能等展開(kāi)。

7 其他改性劑

除此之外，想要改善瀝青混凝土的某些性能，也可在排水性瀝青混合料中加入一些填料類改性劑以及功能性改性劑。水泥或消石灰此類填料性改性劑的加入可明顯提升排水性瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和馬歇爾穩(wěn)定性。氯化鈣可作為主要冰點(diǎn)下降劑使用，將其復(fù)合形成凍結(jié)延時(shí)劑、冰穩(wěn)定劑和高效環(huán)保型融雪劑，與排水性瀝青路面相結(jié)合，可以研制出性能優(yōu)良的排水降噪融雪瀝青混合料。經(jīng)試驗(yàn)證明，融雪排水降噪瀝青混合料不僅具有良好的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，同時(shí)具有較好的融雪和除冰性能[25]。

8 結(jié)語(yǔ)

1)排水性路面空隙率較大，加大了水、空氣和陽(yáng)光對(duì)路面的侵蝕，大大降低了路面使用壽命。所以，排水性路面高黏改性劑不僅要提高混合料的抗水性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性，還要改善抗氧化性和耐久性。一般來(lái)說(shuō)，通常需要多種聚合物(或改性劑)對(duì)其進(jìn)行復(fù)合改性才能使瀝青混合料滿足排水性路面的全部性能要求，這是單一改性劑無(wú)法做到的。研發(fā)反應(yīng)性高黏改性劑是新的研究方向，主要思路為引入反應(yīng)基團(tuán)，與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成比物理結(jié)合力更加牢固的化學(xué)鍵，增加排水性路面的穩(wěn)定性和耐久性。

2)為滿足排水性路面的使用要求和增強(qiáng)使用功能，開(kāi)發(fā)具有尾氣阻燃、融雪、降解等特殊功能的高黏改性劑成為必然的市場(chǎng)需求。同時(shí)，從節(jié)能減排的環(huán)保角度出發(fā)，可使用廢膠粉等再利用資源，既提高了路面性能，又降低成本，一定程度上緩解了環(huán)保壓力。

3)目前，由于國(guó)內(nèi)技術(shù)缺乏，高性能的高黏改性劑仍需從國(guó)外引進(jìn)，由此造成的高昂的價(jià)格限制了排水性路面在國(guó)內(nèi)的廣泛推廣和應(yīng)用。因此，針對(duì)目前我國(guó)在“海綿城市”建設(shè)方面的迫切需求及排水路面高粘改性劑使用實(shí)情，在保證路面性能的前提下降低改性劑成本，是今后排水性路面高黏改性劑發(fā)展的必然趨勢(shì)。