新疆地区沥青改性研究进展

新疆克拉玛依沥青(KLMY)与塔河沥青(TH)因其特有性质，普通改性工艺难以大幅提升其路用性能，并对其加工、储存和使用性能影响较大等，部分性能甚至因改性而有所降低。直接采用新疆沥青作为路面材料已难以满足日渐增长的交通需要，新疆地区沥青的改性方式及实用成效逐渐成为近年来的研究热点之一。如何大幅提升新疆产基质沥青路用性能、有效突破新疆沥青改性难题成为当前亟需解决的问题。

近年来，部分学者针对新疆沥青的改性难题，从SBS改性和胶粉改性入手，对新疆基质沥青做了大量研究。但针对新疆沥青的改性研究多停留在室内试验阶段，关于改性机理、改进剂、改性工艺的研究虽然取得了一定成效，但在实际应用中，新疆沥青因难改性、改性效果差等原因并未得到大范围推广。

基于此，该文首先系统调查新疆地区基质沥青及其改性的研究动态，详尽梳理新疆沥青特性及其改性性能。从新疆沥青的组成与组分入手，结合SBS改性机理和胶粉改性机理，阐述新疆沥青难改性的影响因素。同时，详尽调查并总结不同改性工艺、改性方式及改性剂、助剂对于新疆沥青改性效果的影响，为后续新疆沥青改性深入研究奠定基础。

1.1新疆基质沥青性能调查与评价

由图1可知:新疆基质沥青黏度主要集中在243~319.7Pa·s，满足规范中A等级沥青要求；软化点主要集中在46.3~49.5℃，占调查数据的80%；延度主要集中在5.1~11.2cm，占调查数据的87.5%；针入度指标主要集中在79.7~88(0.1mm)，其中针入度最小值为74.0(0.1mm)；蜡含量集中分布在两部分:蜡含量0.9%~1.4%占66.7%，1.9%~2.3%占33.3%；密度集中于0.981~0.997g/cm3，其中密度约为 0.982 g/cm3的基质沥青数量最多，占调查数据的50%左右，所调查基质沥青的密度均大于0.981g/cm3，小于1.035 g/cm3。

上述分析表明:新疆基质沥青自身具备了较好的温度敏感性、高温性能、抗疲劳性能。同时，新疆基质沥青黏度较高，与集料有较好的黏附性。

1.2SBS改性新疆沥青性能

由图2可知:采用SBS改性新疆基质沥青后，针入度为52.8~78.0(0.1mm)；软化点为46.6~80.9℃，其中55.4~62.3℃占45%；5℃延度分布也较均，最低17.2cm，最高为62.5cm；针入度指数为-0.39~0.82，比较集中于-0.16~-0.03；180℃旋转黏度为1.9~3.5Pa·s；SBS掺量多采用3.8%~5.5%，其中5.0%约占 55%。

上述分析表明:通过SBS改性，新疆基质沥青的高温性能得到了较大提升，低温抗裂性有所增强但提升相对较小。

1.3胶粉改性新疆沥青性能

由图3可知：采用胶粉改性新疆基质沥青后。针入度为53.3~95.0(0.1mm),其中，61.8~71.9(0.1mm)约占80%；软化点集中分布于两部分：47.8~61.5为 75%，61.5~76.7℃为25%；5℃延度主要集中在两部分:16.1~17.2cm和17.2~18.7cm，各占调查数据的 50%；180℃旋转黏度主要为1.7~3.7Pa· s;胶粉掺量集中在18%~20%，占调查数据的80%：胶粉目数为20~60目，其中采用40目进行研究约占调查数据的50%。

上述分析表明:通过胶粉改性。新疆基质沥青的高温稳定性提升显著，然而低温性能却未得到有效改善。

结合上述数据，通过进一步整合，分别从针入度、软化点和延度3个性能指标入手，分析比较新疆基质沥青、SBS改性新疆沥青和胶粉改性新疆沥青，结果如图4所示。

由图4可知:

(1)对于针入度，SBS改性新疆基质沥青比新疆基质沥青低14~18(0.1mm)，降低18%~20%，表明SBS改性可使新疆基质沥青的黏度得到有效提升；对于软化点，SBS改性新疆基质沥青较新疆基质沥青高13~15℃，提升28%~30%，表明SBS改性可使新疆基质沥青的高温稳定性得到较大提升；对于延度(5

℃)，SBS改性新疆基质沥青比新疆基质沥青高6~17cm，提高39%~52%，而低温状态下延度越大，沥青的抗裂性能越好，表明SBS改性可使新疆基质沥青的低温性能得到显著提升。

(2)对于针入度，胶粉改性新疆基质沥青较新疆基质沥青低14~23(0.1mm)，降低16%~27%，表明胶粉改性可使新疆基质沥青的黏度得到较大提升；对于软化点，胶粉改性新疆基质沥青较新疆基质沥青高13~15℃，提升27%~28%，表明胶粉改性可使新疆基质沥青的高温稳定性得到较大提升；对于延度(5

℃)，胶粉改性新疆基质沥青与新疆基质沥青相差较小，表明胶粉改性新疆基质沥青在延度上收效甚微。

较之SBS改性，胶粉改性更能提升新疆基质沥青黏度；SBS改性、胶粉改性均能大幅提升新疆基质沥青高温稳定性，且提升幅度相近；较之胶粉改性，SBS改性使新疆基质 沥青延度 提升更大，从而具备更强的低温抗开裂性能。

综上，新疆基质沥青经过SBS改性、胶粉改性后，其针入度降低明显、软化点提高显著，说明其高温性能、温度敏感性得到充分改善；而经SBS改性后，其延度改善显著，经胶粉改性后延度未见明显变化。

2.1新疆沥青组分分析

2.1.1新疆沥青组分

调查并梳理现有新疆地区沥青组分情况主要包括沥青饱和分、芳香分、胶质和沥青质等，汇总结果如图5所示。

不同比例的饱和分、芳香分、胶质和沥青质等构成的不同种基质沥青，通常表现出不同特性。这些组分的不同占比往往直接造成基质沥青与高分子聚合物之间的相容性差异，当相容性较好时，基质沥青与聚合物改性剂混合充分，改性效果理想；反之，当相容性较差时，易造成基质沥青改性效果差甚至改性困难。由图5可知:对于饱和分，KLMY与TH远高于其余道路石油沥青，而KLMY与TH相当；对于芳香分，KLMY、TH低于其他沥青，同时KLMY又低于TH；对于胶质则为KLMY最高，TH最低，其他沥青处于两者之间；对于沥青质，TH最高，均值达18.64%，KLMY最低，均值不足1%。不难看出:低芳香分、高饱和分为KLMY与TH沥青共有，而沥青质含量，TH沥青为KLMY沥青的15~25倍。在工程应用中，因沥青组分占比差异，KLMY基质沥青表现为高温稳定性不足、 胶体稳定性 较差，而TH沥青则呈现出沥青延度低、低温性能较差、易产生脆裂等特点。

沈金安等指出高芳香分与低沥青质的组分配比与高分子聚合物改性剂具有良好的相容性。而新疆地区KLMY沥青、TH沥青芳香分含量均较低，因而在研究中与SBS等高分子聚合物改性剂呈现出较差的相容性。因此，后续可尝试通过提高芳香分比例并适当降低沥青质含量等方式用以改善改性剂在KLMY沥青、TH沥青中的溶解度。

2.1.2沥青S元素含量

对于渣油或沥青重质油而言，氢、碳、氮、硫、氧等元素的组成对基质沥青的溶解度、稳定性等物理或化学性质影响较大。其中，硫元素含量及其化学结构对基质沥青的改性效果影响最为显著。通过调查，总结了部分新疆基质沥青与其他基质沥青的元素组成，调查成果汇总如表1所示。

由表1可知:氢、碳是构成基质沥青最主要的两种元素，氮、硫、氧是构成基质沥青的微量元素。对微量元素占基质沥青元素的比例分析可知，硫元素含量为进口-90>塔河原油>国产-90>KSH-A>KSH-C>KSH-B，其中KSH-A、KSH-B、KSH-C中硫元素含量基本一致，远低于进口-90，这证明克拉玛依沥青(KSH-A、KSH-B、KSH-C)中含硫元素极性基团较少。

2.1.3沥青材料化学组成及溶解度分析

当两种材料的溶解度参数较为相近时，共混会较均匀。溶解度参数，用δ表示。SBS 高分子聚合物的溶解度参数δ为聚苯乙烯(PS段)与聚丁烯(PB段)线性相加，同样，基质沥青的溶解度参数δ为饱和分、芳香分、胶质及沥青质4大组分线性相加。当基质沥青与SBS等高分子聚合物改性剂溶解度参数δ相近时，二者表现为较高的相容性，改性过程中共混均匀，改性后软化点大幅降低，从而使沥青高温性能得到加强。通过调查，总结了新疆地区KLMY沥青各组分与SBS改性剂化学成分的溶解度参数δ值如表2所示。

2.2SBS改性机理分析

现阶段，SBS沥青改性方式主要分为物理改性、化学改性两大类。物理改性:即高温状态下，将SBS改性剂与基质沥青混合，再利用高速剪切仪使二者形成连续网状结构；化学改性:即高温状态下，SBS改性剂与基质沥青混融分散后，通过添加稳定剂等方式，使沥青形成活性基团，而后活性基团与SBS改性剂接枝，构成更为稳定的网状结构。无论是物理改性还是化学改性，改性效果都与沥青本身的组分和其物理性质相关。基于此从沥青组分、S元素含量和材料溶解度三个方面对SBS改性新疆沥青做出如下分析:

(1)在沥青组分方面，周巧英等分别对SBS改性KLMY90#、国产Ⅰ90#、进口Ⅰ90#、进口Ⅱ90#沥青进行荧光测试，结果表明:和其他沥青相对比，SBS与KLMY配伍性较差，聚团现象较明显，溶胀效果不佳导致形成稳定的改性沥青产品较为困难。同时，新疆地区KLMY沥青自身饱和分和芳香分等轻质油分含量偏低，致使基质沥青与SBS改性剂无法溶胀充分，易引发聚团现象，造成新疆地区基质沥青为原材料的SBS改性过程困难，改性成效不佳。

(2)基质沥青与SBS等高分子聚合物发生交联反应时，必须具备足够的含硫极性官能团。伴随含硫极性官能团的增多，基质沥青与高分子聚合物改性剂的相容性越高，改性沥青稳定性越高。结合调查数据，新疆地区KLMY沥青含硫元素极性官能团含量较少，远低于进口-90和塔河沥青。在实际应用中，KLMY沥青改性难度较大，而塔河沥青相对较优，因此，低S含量可能是克拉玛依沥青难改性的原因之一。

(3)基质沥青与SBS等高分子聚合物改性剂的溶解度参数相近时，二者相容性越好。反之，溶解度参数相差较大时，基质沥青与SBS改性剂不易相容，改性效果不佳。由表2可知:SBS溶解度系数高达17.5，大于KLMY沥青各组分的溶解度，同时远小于基质沥青的各组分溶解度参数线性相加值38.64，故两者相容性较差。因此，溶解度差异可能是KLMY沥青改性难的因素之一。

2.3胶粉改性机理分析

现阶段，胶粉改性沥青改性机理尚未形成统一观点。国内外学者较为认可的胶粉改性机理主要集中于4种观点:即物理共混观点、化学共混观点、网络填充观点以及溶胀降解观点。其中，溶胀降解观点受学者接受程度最高:即较低温度状态时橡胶颗粒在沥青中发生溶胀；较高温度状态时橡胶颗粒分子间的交联网络发生破坏，进而引发降解和脱硫反应，在该过程中同时存在物理作用和化学作用。

李廷刚等观测了不同反应时间下含添加剂和不含添加剂的胶粉改性沥青的电镜照片以探究胶粉改性沥青的改性机理。结果表明:胶粉改性过程中，胶粉颗粒随反应时间增长，从相对独立逐步演变为胶粉颗粒核心溶解，而后胶粉颗粒表面与基质沥青连接形成凝胶体，逐步构建稳定的网状结构，进而呈现出理想的使用性能。

胶粉与基质沥青的材料特性差异主要体现在以下4个方面:相对分子质量、化学结构、热稳定性以及胶粉颗粒与基质沥青各组分溶解度参数。其中溶解度参数直接影响胶粉与基质沥青的相容性，其差异大小对胶粉改性基质沥青效果的影响最为显著。因此，现阶段主要通过工艺相容方式，实现并提升胶粉对基质沥青的改性。该方式下，沥青中油蜡组分因其溶解度参数和胶粉颗粒相近，二者表现为较好的相容性，油蜡分子扩散进入橡胶链段空隙中，导致橡胶链段逐步产生松动、脱离，进而一部分胶粉颗粒完全溶解；最终胶粉颗粒以非完全溶解的极细状态均匀分布于沥青中，进而构成相对稳定性较好的物理相容体系。

综上可知:胶粉改性沥青主要形成于溶胀过程中，其改性效果明显受到胶粉与基质沥青组分的相容性影响，而相容性主要与材料的溶解度参数差异有关，当二者的溶解度参数差异较小时，相容性较好，反之则较差。胶粉、SBS等高分子聚合物改性剂的溶解度参数相近，远小于新疆地区KLMY沥青各组分的溶解度参数线性相加值，在改性过程中，材料相容性较差，溶胀过程不理想，且容易发生聚团现象，难以形成稳定的网状结构。因此，采用胶粉、SBS等高分子聚合物改性剂用于新疆沥青改性时，需克服相容性较差的难题，使材料溶胀充分，减少改性过程中的聚团现象，才能达到较为理想的改性效果。

改性沥青制备工艺:溶胀、剪切、发育。即在一定温度状态与剪切条件下，改性剂溶胀充分以极细的状态均匀分布于基质沥青中，逐渐构成稳定的网状结构。

基于新疆地区基质沥青制备而成的SBS改性沥青胶粉改性沥青，深受基质沥青组分、材料溶解度等因素影响，其改性存在一定难度、改性效果不够理想，现阶段难以大幅推广及应用。部分学者针对SBS、胶粉等改性剂与新疆沥青材料的相容性难题，研究并改进了不同的新疆沥青改性工艺，以提升改性效果。另有学者通过研究不同改性剂对新疆地区基质沥青与SBS相容性的提升作用，取得一定的成果。调查内容主要集中在剪切工艺、改性方法和新型改性剂方面:

(1)剪切工艺:不同剪切工艺对SBS等高分子聚合物改性剂在基质沥青中的分散程度影响显著，进而阻碍SBS与基质沥青的相容程度及混合物的稳定性。彭煜等指出降低SBS颗粒尺寸、提高剪切速率和剪切温度可提高SBS与新疆KLMY沥青之间的相容性，改善改性效果；同时，较高的剪切温度加速沥青老化、增加剪切时间在提高改性沥青软化点的同时，会降低其延度和温度敏感性。文跃采用SBS改性新疆KLMY沥青，确定了剪切工艺参数对材料相容性的影响程度:即剪切时间>剪切温度>发育温度>发育时间；同时指出了SBS改性新疆KLMY沥青的最佳工艺条件，为新疆沥青实际改性生产提供参考。

(2)改性方法:彭煜等针对新疆KLMY沥青改性难、稳定性差等问题，分别采用化学改性和物理改性的方法，研究了KSH-A90#、MHT-A90#、HSA90#和进口JK-AJ90#4种沥青改性前后物理、化学性质及SBS改性沥青性能指标的差异，明确指出化学改性有助于降低SBS改性过程中的反应温度，提升新疆KLMY沥青的高温性能；高华采用母液化学复合法，通过带搅拌器的反应釜，将KLMY沥青与SBS改性剂加热循环，使二者更好地熔融。

(3)新型改性剂:李林萍等采用TLA(特立尼达湖沥青)改性新疆KLMYAH-90#基质沥青，有效提高了其高低温性能，且TLA成本较低，可推广使用；李国峰等研究了硫磺用于新疆沥青的改性，并依托新疆地区硫磺产业的发展现状，分析了大范围推广硫磺改性新疆沥青的可行性；宋卿卿等采用新疆乌尔禾岩沥青作为改性剂，研究了不同搅拌时间和溶入温度下不同掺量新疆乌尔禾岩沥青对于新疆KLMY90#沥青的改性影响，为新疆乌尔禾岩沥青用于改性新疆基质沥青的应用研究提供了思路。

综上可知:采用合理剪切工艺、最佳剪切条件，有助于提升新疆沥青的改性效果；化学改性等合理的改性方法能更好地解决新疆沥青的改性难题，提升新疆沥青的改性性能；采用TLA、硫磺、新疆乌尔禾岩沥青等经济适用性高、相容性较好的新型改性剂可有效改善新疆沥青改性效果。

SBS、橡胶改性沥青在中国已具备一定研究规模，并在各省市皆有应用，经过多年环境条件与车辆荷载的共同作用，表现出良好的耐久性与稳定性。新疆地区使用改性沥青起步较晚，从2010年起，在日益增长的交通需求下，开始大规模使用改性沥青以提升高等级公路路用性能。

新疆地区处于中国西北，南疆干旱，北疆寒冷，整体日照时间长、降雨量小，昼夜温差最大可达19℃。位于乌鲁木齐市的苏州路东延道路是新疆地区第一条采用SBS改性新疆基质沥青的道路，通过掺入6%SBS改性剂，有效提升了克拉玛依AH-90#基质沥青的路用性能。然而，新疆基质沥青与SBS等聚合物改性剂混溶不充分，易引发聚团现象降低改性效果。在新疆阿喀高速公路采用橡胶改性沥青技术铺筑了试验段，掺入适量的橡胶可大幅度提升试验段的渗水、降噪等性能，但因橡胶粉沉淀及橡胶与沥青黏度不足等问题导致工程质量下降。周良川等在克拉玛依白碱滩城市快速路的研究中指出一定掺量的胶粉可以有效改善克拉玛依沥青的高低温性能、抗疲劳性能。同时，胶粉改性沥青作为面层材料可有效降低行车噪音，其低廉的造价和对环境的保护作用使其推广成为可能；李宏亮等运用改性沥青在克拉玛依市铺筑了城市道路，经对比分析发现橡胶沥青所铺筑的公路高温稳定性、抗车辙性、抗疲劳老化性较普通沥青明显提高，但SBS改性沥青使用性能效果提升并不显著。

结合现阶段新疆地区改性沥青应用现状可知，SBS、胶粉改性新疆地区基质沥青在一定程度上可提升其路用性能，但新疆基质沥青特有性质易引发改性难题，降低改性效果。

(1)SBS改性后新疆基质沥青针入度降低18%~20%、软化点提升28%~30%、延度提升39%~52%；胶粉改性后新疆基质沥青针入度降低16%~27%、软化点提升27%~28%、延度变化不显著。表明新疆基质沥青经过SBS改性、胶粉改性后，其高温性能、温度敏感性得到充分改善；而经SBS改性后，其低温抗开裂性能改善显著，经胶粉改性后未见明显变化。

(2)低芳香分、高饱和分的新疆KLMY沥青使SBS改性剂溶胀不充分，易产生聚团现象，引发改性难题；新疆KLMY沥青含硫极性基团过少，与SBS改性剂难以构成稳定的网状结构，降低改性效果；胶粉、SBS等高分子聚合物改性剂的溶解度参数远小于新疆地区KLMY沥青的溶解度参数，改性过程中呈现出较差的相容性，增加了改性难度。

(3)采用合理的剪切工艺，控制剪切条件可实现改性效果最大化；化学改性等合理的改性方法能更好地解决新疆沥青的改性难题；经济适用、相容性好的新型改性剂或可替代SBS、胶粉等高分子聚合物改性剂用于改性新疆沥青。

(4)后续应在SBS、胶粉改性新疆地区基质沥青机理的细化研究基础上，提升SBS、胶粉或其他改性剂与克拉玛依沥青、塔河沥青的相容稳定性与配伍性，降低新疆地区基质沥青的改性成本，使其能够良好适配新疆独特的气候环境并且大范围推广应用，进而促进新疆地区公路整体建设水平。