高分子改性沥青及混合料低温性能与高寒地区适用性研究综述

Review of Low-temperature Performance and Applicability in High Cold Regions of Polymer Modified Asphalt and Mixtures

摘要

为提升沥青及混合料的低温抗裂性能，高分子改性技术已成为关键手段。文章系统综述常见高分子改性剂对沥青低温性能的改善机理、效果及其在混合料中的应用。结果表明：高分子改性剂主要通过形成网络结构增强沥青内部连接，显著提升其低温柔性与抗裂性。弹性体类改性剂对低温性能改善效果显著，而树脂类改性剂则可能劣化低温性能。复合改性通过协同作用可综合提升沥青的高低温性能与耐久性。文章总结沥青混合料低温性能的评价方法，指出当前高分子改性沥青在成本控制、配比优化、长期耐久性及废旧材料利用等方面仍面临挑战。未来研究应聚焦于微观机理揭示、环保复合体系开发、全寿命周期性能预测及智能化施工技术，以推动高分子改性沥青技术向高效、耐久、可持续方向发展，为寒冷地区沥青路面性能提升提供参考。

Abstract

To enhance the low-temperature crack resistance of asphalt and mixtures, polymer modification technology has become a critical approach. The paper systematically reviewed the improvement mechanisms and effects of common polymer modifiers on the low-temperature performance of asphalt, as well as their application in mixtures. The results indicated that polymer modifiers primarily enhanced the internal bonding of asphalt through the formation of network structures, significantly improving its low-temperature flexibility and crack resistance. Elastomer-based modifiers demonstrated remarkable improvement in low-temperature performance, whereas resin-based modifiers tended to deteriorate it. Composite modification achieved a comprehensive enhancement of the high-temperature and low-temperature performance and durability of asphalt through synergistic effects. The evaluation methods for the low-temperature performance of asphalt mixtures were summarized in the paper, and it was noted that polymer-modified asphalt still faced challenges in cost control, mix proportion optimization, long-term durability, and the utilization of recycled materials. Future research should focus on revealing microscale mechanisms, developing environmentally friendly composite systems, predicting full life-cycle performance, and advancing intelligent construction technologies, so as to promote the development of polymer-modified asphalt technology toward higher efficiency, durability, and sustainability, and to provide a reference for improving asphalt pavement performance in cold regions.

Graphical abstract

沥青路面因行车舒适度高、噪声低等优点，成为我国高等级公路建设的主要形式^[1-4]。截至2024年，沥青路面占比已超过95%，高速公路沥青路面覆盖率接近100%^[5]。然而，在服役过程中，外界环境的耦合作用极易导致沥青路面出现冬季开裂与夏季高温车辙等病害^[6-9]，其中低温冻融开裂已成为制约长寿命路面的核心问题。沥青混合料是一种由沥青、集料和填料组成的多相复合材料^[10]，其中沥青作为温感性材料，是影响路面服役寿命及性能的关键组分。在外界温度变化影响下，沥青的黏-弹性成分占比不断变化，低温时沥青劲度增大，易导致路面开裂。为应对寒冷地区沥青路面的开裂问题，通常将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、丁苯橡胶(SBR)等高分子物质掺入沥青进行改性^[11]，并取得了显著效果。刘涛等^[12]将聚氨酯与SBS改性沥青复合，发现两者之间的交联作用使沥青的微观抗裂性能提升。李明珠等^[13]将氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物与SBR复合，制备改性沥青，通过流变性能测试发现沥青的低温性能得到显著提升。朱亚中^[14]将水性环氧树脂(WER)与SBR复配，制备改性沥青，通过路用性能试验探究复合改性沥青混合料的高低温性能，结果表明WER与SBR复配后，沥青混合料的抗裂性能明显提高。此外，研究人员还将Sasobit温拌剂、胶粉、树脂等高分子物质加入沥青中进行改性^[15-19]。

当前，研究人员通过高分子物质对沥青进行改性以提升其在服役过程中的抗裂性能，但高分子改性剂种类繁杂。因此，本文将对高分子改性沥青及混合料的低温性能进行系统总结，以期为高分子沥青混合料的低温性能优化提供技术参考。

1 高分子改性沥青低温抗裂作用机理

高分子改性沥青逐渐成为改善路用性能的核心研究方向，其对低温性能的改善机理一直是研究重点。部分高分子物质因其高弹性和高韧性^[20-22]可有效提升沥青的抗裂性能，研究人员通过多种微观手段对其改善机理进行探究。LAUKKANEN等^[23]结合不同尺度探究SBS改性沥青的低温性能及改善机理，发现低温劲度随着SBS含量的增加而降低，且SBS在轻质组分作用下膨胀，在较低掺量下即可形成网络结构，从而提升低温性能。橡胶也常作为低温性能改善剂。GUO等^[24]发现，高掺量胶粉改性沥青具有更多的链状结构，可形成更多的交联和聚集点，形成更稳定的网络结构，从而提升其低温抗裂性能。在此基础上，部分研究人员还通过高分子物质复掺进一步提升改性沥青的低温抗裂性能。图1为改性沥青的微观结构^[25-26]。XUE等^[25]利用弯曲梁流变仪(BBR)对环氧树脂(EP)/SBS复合改性沥青的低温性能进行测试，发现EP对改性沥青低温性能的提升存在峰值，过度加入会劣化低温性能。随后，利用荧光显微镜发现EP在适宜掺量下使外掺剂分布更为密集且均匀，形成更强烈的网络结构，如图1a和图1b所示。WEI等^[26]利用热塑性聚氨酯(TPU)和SBR复掺制备改性沥青，在两者的协同作用下，改性沥青展现出优异的高温性能和出色的延展性，TPU促使SBR形成更稳定的交联网状结构，提升了复合改性沥青的储存稳定性，如图1c和图1d所示。此外，还有部分研究人员研究了改性沥青的玻璃化转变温度(t_g)^[27-28]。

综上所述，高分子材料因其高韧性，在外力作用下均匀分散于沥青中，通过形成网络结构增强沥青各组分间的连接，从而提升低温抗裂性能。不同高分子之间可通过密集网络结构、改善分散性等作用进一步优化单一高分子改性沥青的低温抗裂性能。值得注意的是，复合外掺剂的各组分通常存在最佳掺量，必须谨慎确定其用量。

2 常用高分子改性剂及改性沥青低温性能探究

2.1 单一改性剂

2.1.1 弹性体

在高分子改性沥青中，弹性体改性剂主要包括SBS和SBR两类，研究人员对其改善效果及改性机理进行了相关探究。WANG等^[27]探究了不同基质沥青掺加不同掺量SBS的改性沥青低温性能，结果表明：SBS的加入可提升基质沥青的低温抗裂性能，改性沥青的t_g与基质沥青老化程度、沥青种类及SBS含量密切相关。WU等^[29]探究聚乙烯(PE)、SBS、SBR 3种改性沥青的低温性能，发现SBR改性沥青在低温性能方面表现最佳。高分子改性剂通常采用湿法对基质沥青进行改性，但考虑到相分离和改性剂膨胀问题，WANG等^[30]采用干法进行SBS改性沥青混合料的制备。该研究认为，相较于湿法，干法制备的SBS改性沥青虽分布状态略差，但能准确评估SBS改性沥青及混合料的质量，降低成本，并改善湿法中的相分离问题，建议根据实际工况选择改性方法。LUO等^[31]设计一种干法加速SBS改性剂溶胀的方法，发现以亚油酸为生物油预膨胀剂时，最佳预膨胀时间为30 min。此外，随着技术的发展，机器学习、分子模拟等方法已被用于预测高分子改性沥青低温性能的变化及分子尺度上的演化规律^[32-33]。

SBS和SBR是目前实际工程中最常用的改性剂，两者对沥青低温性能均有改善作用，其中SBR改性沥青更适用于年极端气温较低的区域。

2.1.2 树脂

在实际道路工程中，应用较广的树脂类改性剂包括PE、乙烯-乙酸乙烯树脂(EVA)、EP及聚氨酯丙烯酸酯(PUA)^[34]。由于分子结构不同，它们对沥青低温性能的影响存在显著差异。彭钦源^[34]认为，PE的掺入在提升沥青黏结力、刚度和抗变形能力的同时，还可赋予沥青良好的疲劳性能，但因刚度提升，低温性能有所劣化。LI等^[35]通过流变试验发现，PE形成的网状结构会劣化低温环境下沥青的蠕变性能。DIAB等^[36]认为，EVA作为塑性体在沥青中形成刚性网格结构，对低温抗裂性的改善效果有限。

综上所述，树脂的加入会提升基质沥青的刚度，从而改善其高温性能及抗变形能力，但对低温性能的积极作用较弱，甚至可能产生劣化。因此，若单独使用树脂作为改性剂，应重点关注其对低温性能的要求。

2.2 复合改性剂

单一改性剂通常难以全面提升沥青的路用性能，因此高分子改性剂复掺已成为主要手段。ZHANG等^[37]采用热熔技术制备SBR/聚丙烯(PP)复合颗粒，得到复合改性沥青的低温性能。结果表明，随着SBR掺量的增加，复合改性沥青的低温性能更优。同时，SBR与PP复掺后，高温性能也得到改善。YUE等^[38]针对EP改性沥青低温性能较差的问题，将SBS与EP复掺，制备复合改性沥青。结果表明，SBS可提升基质沥青在-24 ℃下的低温性能。但随着EP掺量的增加，复合改性沥青的蠕变劲度逐渐增大，低温抗开裂能力逐渐降低。通过高分子物质的复掺，基质沥青的路用性能得到较大幅度的改善。在此基础上，部分研究人员还结合地区需求进行复配研究。LIU等^[39]发现，加入聚磷酸(PPA)可提升SBS改性沥青的存储稳定性。XING等^[40]为了提升SBR改性沥青的抗老化性能，将废塑料掺入SBR沥青中进行复合改性，发现掺入废塑料后，SBR改性沥青的耐老化性能平均提升约10%。此外，还有研究将胶粉、Sasobit温拌剂等^[41-42]与SBS/SBR复掺，以改善沥青的抗燃油侵蚀等性能。

当前，多数研究人员倾向于将复合改性剂掺入沥青中，以期提高改性沥青的综合性能。然而，复合改性剂各组分的用量是提升沥青及混合料性能的关键因素。同时，部分高分子物质价格较高，如何在保证性能的前提下降低成本，也是亟待关注的问题。

3 高分子改性沥青混合料低温性能探究及适用性探究

3.1 低温性能测试方法

针对沥青混合料低温性能的研究方法，已有研究人员开展了较为系统的探索，主要包括直接拉伸试验(DCT)、半圆弯曲试验(SCB)、间接拉伸试验(IDT)以及约束试件温度应力试验和低温弯曲试验等^[43]。SHEN等^[44]探究间接拉伸、半圆弯曲及单切口梁试验3种典型方法的测试结果，验证不同试验方法的可靠性。YANG^[45]开展不同温度下沥青混合料低温性能测试，建议综合多种试验结果评价材料的低温抗裂性能。WANG等^[46]将约束试件温度应力试验与低温弯曲试验相结合，结果表明冻断温度能够较为准确地描述沥青混合料的抗裂性能。

目前，沥青混合料低温性能的表征方法众多，国内外研究人员已对不同方法的可行性及描述抗裂性能的有效参数进行了深入探讨，为深入理解沥青混合料低温性能提供参考。选择合适的低温性能试验方法，是有效评价沥青混合料低温性能的前提。

3.2 高分子改性沥青混合料低温性能

沥青特性是决定沥青混合料低温性能的关键因素，判断其与集料、填料等多组分协同作用下的抗裂性能，是推广应用的首要任务。截至目前，已有诸多研究人员将高分子改性沥青应用于沥青路面中。赵爱军等^[47]探究了SBS改性沥青和基质沥青的老化及抗裂行为，得到如图2所示的高分子沥青混合料的低温抗裂性能。从图2可以看出，SBS改性沥青老化前后的抗裂性能均优于70#沥青混合料，且SBS的加入降低了基质沥青的老化敏感性。樊康鑫^[48]对比了HMA沥青(由SBR、纳米材料等复掺基质沥青)、SBS改性沥青和70#A级沥青混合料的低温抗裂性能，发现SBS改性沥青混合料的破坏应变大于其他两种沥青混合料。CUI等^[49]探究了单一SBS与SBS/胶粒复合改性沥青混合料的抗冻融循环能力，结果表明，复合改性沥青混合料的抗冻融循环能力优于SBS改性沥青混合料。HAO等^[50]为了改善基质沥青的综合性能，将PPA与SBR复掺进行改性，通过半圆弯曲试验发现PPA对低温性能提升有限，而SBR表现出增强作用。两者复掺后，沥青混合料的高温与低温性能均得到改善。

高分子物质的加入对沥青混合料的路用性能具有改善作用，但因种类不同，改善效果存在差异，应根据实际工况要求进行选择。同时，部分高分子物质掺量过高会导致沥青劲度增大，进而劣化混合料的低温抗裂性能，因此如何合理确定高分子种类及掺量仍是需要关注的问题。多种高分子复掺已成为当前提升沥青混合料综合路用性能的主流研究方向，但目前仍面临材料成本较高、废旧高分子材料性能差异大、技术指标不稳定等问题。未来研究应从成本控制、规范化利用等方面入手，深化高分子改性沥青及其混合料的应用研究。

4 结论

高分子改性技术是提升沥青及沥青混合料低温性能的重要手段。本文系统综述了以SBS、SBR、EP等为代表的高分子改性剂对沥青低温抗裂性能的作用机理、常用改性剂类型及其改性效果以及相应改性沥青混合料的低温性能评价方法。结果表明：高分子改性剂通过在沥青中均匀分散并形成交联或网络状结构，增强沥青内部的连接作用，从而有效提升其低温柔韧性与抗裂性。复合改性剂可在微观层面构建更密集、更稳定的网络结构，发挥协同增强效应。弹性体类改性剂(如SBS、SBR)在显著提升低温抗裂性能方面效果突出，尤其SBR更适用于极端低温地区；而树脂类改性剂(如PE、EVA)虽能提高高温稳定性与刚度，但对低温性能改善有限，甚至可能产生劣化影响。通过将不同类型的高分子材料(如SBS/EP、SBR/TPU、SBR/胶粉等)复掺，可实现高低温性能、抗老化性、储存稳定性等多方面路用性能的协同提升，已成为当前研究与工程应用的主流方向。将高分子改性沥青应用于混合料中能够显著提升其低温抗裂及抗冻融循环能力。选择合适的低温性能试验方法(如SCB、IDT、DCT等)对科学评价与优化材料设计至关重要。

当前，高分子改性沥青仍面临部分材料成本较高、复合配方中各组分配比与最佳掺量需精确控制、长期耐久性与老化行为尚需深入研究以及废旧高分子材料回收利用技术有待完善等问题。未来围绕高分子改性沥青及混合料低温与冻融性能的研究可在以下方向深化探索：(1)机理研究的微观化与定量化。借助分子模拟、人工智能与先进微观表征技术，从分子尺度揭示高分子与沥青的相互作用机制、网络结构演化规律及冻融循环下的损伤机理，为高性能改性剂的定向设计提供参考。(2)高性能复合改性体系的开发。继续探索新型、低成本、环保的高分子材料(如生物基高分子、功能性聚合物)及其与纳米材料、纤维、相变材料等的多元复合改性体系，实现沥青材料全温域性能的平衡与提升。(3)耐久性与可持续性研究。系统研究改性沥青在长期老化、冻融循环、盐侵蚀等复杂环境耦合作用下的性能演化规律与耐久性；加强废旧高分子材料(如胶粉、废塑料)在改性沥青中的规范化、高效化利用技术研究，提升资源循环利用率。(4)施工工艺的标准化与智能化。进一步优化干法改性等施工工艺，推动改性剂预处理与分散技术的标准化；结合物联网与智能监控技术，实现改性沥青生产、施工及服役性能的实时感知与智能调控。(5)全寿命周期性能评价与设计方法。建立融合材料性能、环境作用与路面结构响应的多尺度全寿命周期性能预测模型，发展基于性能的耐久性设计方法，为寒冷地区长寿命沥青路面的设计与维护提供参考。

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