瀝青是建設(shè)道路的重要材料，道路的路面質(zhì)量很大程度上取決于瀝青的質(zhì)量。目前高等級公路中的瀝青主要是由石油瀝青構(gòu)成，瀝青自身的組成和結(jié)構(gòu)決定了道路的感溫性能，彈性以及耐老化性能。隨著科技和現(xiàn)代交通的發(fā)展，道路需要適應(yīng)大流量、重軸載、高速度的車輛運行發(fā)展趨勢，普通的瀝青難以滿足公路的使用要求，尤其是在天氣條件惡劣的時候，夏季的高溫和冬季的嚴寒容易使道路出現(xiàn)車轍、龜裂、坑槽、裂紋等路面損害，造成安全隱患以及經(jīng)濟損失。為避免這些情況，就需要研究發(fā)展改性瀝青的道路建設(shè)中的應(yīng)用。本文將主要介紹生產(chǎn)改性瀝青的工藝、改性原理以及生產(chǎn)技術(shù)。

改性瀝青是在基質(zhì)瀝青的基礎(chǔ)上混合加入天然或人工合成的有機或無機材料，可熔融、分散在瀝青中，改善瀝青性能，能夠使瀝青適應(yīng)極端惡劣天氣和道路指標的變化。改性劑的原理是通過其結(jié)構(gòu)、支鏈的作用改變?yōu)r青額成分和結(jié)構(gòu)，從而改善瀝青的使用性能，例如敏感性、彈性、抗老化性能、抗疲勞性能等。目前廣泛應(yīng)用的改性劑可大致分為三類，分別為橡膠類、樹脂類、熱塑性橡膠類。橡膠類的改性劑以合成橡膠應(yīng)用于道路瀝青最多，主要有丁苯橡膠（SBR）、氯丁橡膠（CR）、聚苯乙烯-異戊二烯（SIR）、乙丙橡膠（EPOM）等；樹脂類的改性劑主要以聚乙烯（PE）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）應(yīng)用于道路改性瀝青中；熱塑性橡膠主要有苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）、苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SIS），在制備道路用的改性瀝青時，以SBS改性劑最為普遍。

SBS、SBR是兩種應(yīng)用最為廣泛的改性劑，SBS改性劑的成功應(yīng)用與它的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，在嵌段共聚物中，聚苯乙烯和聚丁二烯在常溫下不相容，聚合分子鏈兩端的聚苯乙烯會優(yōu)先與另外的聚苯乙烯聚集在一起，形成物理交聯(lián)區(qū)域，因為嵌段部分為柔性的聚丁二烯鏈段，整個分子鏈形成了一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得SBS有較好的穩(wěn)定性和彈性；丁苯橡膠（SBR）改性劑的特點在于能夠顯著提高改性瀝青的低溫延展度，增加瀝青的彈性并降低瀝青的溫度敏感性。

下圖是SBS改性劑和SBR改性劑的詳細分子結(jié)構(gòu)：

圖1. SBS改性劑分子結(jié)構(gòu)

圖2. 丁苯橡膠（SBR）分子結(jié)構(gòu)

由于改性劑與瀝青的組分中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)特性不同以及分子量相差巨大，導(dǎo)致瀝青與改性劑較難相溶，且改性劑產(chǎn)品在儲存的過程中改性劑有自動凝聚的傾向，會導(dǎo)致改性劑上浮，造成離析分層，破壞改性瀝青體系的穩(wěn)定。為改善上述問題，提高改性劑對瀝青的改性效果，需要加入相應(yīng)助劑；對于相溶問題，需要在加入改性劑后加入助溶劑，并持續(xù)攪拌溶脹30-60分鐘，以保證改性劑與基質(zhì)瀝青能夠混合；對于產(chǎn)品出現(xiàn)離析的問題，需要加入穩(wěn)定劑來增加改性瀝青的熱儲存穩(wěn)定性，經(jīng)過大量的實驗研究和生產(chǎn)實踐，發(fā)現(xiàn)改性瀝青在加入穩(wěn)定劑后由珠狀結(jié)構(gòu)變成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，使得改性瀝青具有了高彈性、高韌性、高強度等特性，顯著的提高了改性瀝青的使用性能。

圖3. 改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)^【2】

溶脹是提升改性劑改性效果的一個重要工藝，可以使顆粒狀的改性劑均勻分散在瀝青中。以SBS改性劑為例，SBS改性劑中的苯乙烯被瀝青中的芳香分溶脹，丁二烯的鏈段被溶脹伸長作為彈性鍵，發(fā)生相轉(zhuǎn)移變化。SBS在混溶時變成小顆粒后，表面積增大，表面能量升高，根據(jù)能量最低原理，SBS改性劑有降低表面能量的趨勢，需要吸附瀝青中結(jié)構(gòu)相近的組分形成界面吸附層以降低表面能，正是這種溶脹和吸附的形成，使得SBS能夠穩(wěn)定地分布在瀝青中。溶脹的過程本質(zhì)上是一個物理共混的過程，SBS鏈因吸附了瀝青中的烴類組分發(fā)生溶脹，體積變?yōu)樵瓉淼?倍左右，SBS變成伸長溶脹的網(wǎng)狀連續(xù)相。圖4展示了加入不同劑量的芳烴油（一種常使用的助溶劑）對改性瀝青結(jié)構(gòu)的影響，可以看出在助溶劑的影響下SBS逐漸變成了更長的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖4. 改性瀝青加入0%，5%，10%芳烴油后的骨架圖像^【3】

經(jīng)過溶脹的工藝后，雖然改性劑在瀝青中高度均勻分散，但是改性劑微粒和瀝青組分的混合還是比較生硬，在顯微鏡下可以看到改性劑微粒與瀝青界面很清晰，出現(xiàn)離析情況，如圖5所示，淺色部分主要為SBS改性劑的網(wǎng)狀連續(xù)相，而深色部分為基質(zhì)瀝青。為有效地防止離析的發(fā)生，需要加入穩(wěn)定劑，并給予一定時間的攪拌。穩(wěn)定劑加入后會與改性劑以及瀝青硬組分的發(fā)生交聯(lián)、接枝等反應(yīng)，降低相界面的表面張力，增加兩相之間的親和力，從化學(xué)意義上提高改性劑與瀝青硬組分的結(jié)合，形成穩(wěn)定的相界面吸附層，增加改性劑和瀝青之間的親和力，改善改性劑和瀝青的相容性和熱儲存性。

圖5. 基質(zhì)瀝青在加入改性劑后的離析現(xiàn)象^【4】

為研制出成本更低、改性效果更好的改性瀝青，需要深入研究改性劑對基質(zhì)瀝青的改性機理。影響改性劑改性機理的因素主要有改性劑的結(jié)構(gòu)、基質(zhì)瀝青的組成、改性瀝青加工工藝等。改性劑分子鏈的柔韌性很大程度上決定了改性劑與瀝青的混合程度，分子鏈越硬越不易于改性劑充分溶脹，導(dǎo)致改性瀝青使用性能下降；基質(zhì)瀝青的組成對改性瀝青性能的影響比較復(fù)雜，基質(zhì)瀝青的組分不同，其膠體結(jié)構(gòu)、平均分子量以及分子量分布也會有較大的差異，最終影響到改性瀝青的使用性能，需要通過檢測手段確定基質(zhì)瀝青的結(jié)構(gòu)參數(shù)、平均分子量、族類組成，通過這些性質(zhì)表征基質(zhì)瀝青的組成，從而得到改性機理的規(guī)律；加工工藝是一個影響改性機理的關(guān)鍵因素，合理的加工工藝可以使改性劑以微小的顆粒均勻的分布在基質(zhì)瀝青中，促進改性劑的溶脹，提高改性效果。

隨著我國公路建設(shè)的高速發(fā)展，對于高性能瀝青的需求也日益增加，通常的交通道路瀝青已經(jīng)漸漸不能滿足現(xiàn)在的道路建設(shè)發(fā)展。改性瀝青以其良好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和出色的粘附性、耐疲勞性逐漸出現(xiàn)在人們的視野當中，并逐漸受到了業(yè)內(nèi)的重視，近年來，改性瀝青在高速公路、城市干道、以及機場跑道的路面上應(yīng)用極為廣泛。但目前改性瀝青的局限在于其性質(zhì)很大程度上受到改性劑質(zhì)量的影響，很難生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的改性瀝青，需要進一步的深入研究改性機理，讓改性瀝青更好地發(fā)揮在公路建設(shè)中的作用。