《Case Studies in Construction Materials》：Enhancing rheological properties and durability of asphalt binders with orthogonal-optimized composite modifier particles prepared via twin-screw extrusion: Performance and mechanisms
編輯推薦：
為了克服傳統聚合物改性瀝青（如SBS改性瀝青）高溫老化敏感、能耗高、儲存穩定性差的固有缺陷，本研究通過L9 (33)正交設計與雙螺桿擠出技術，開發了集SBS、相容劑、增粘樹脂（TR）和無機交聯劑（ICA）于一體的復合改性顆粒（CMPs）。研究系統評估了CMPs改性瀝青的性能，發現其熱儲存穩定性、高溫抗變形性、低溫抗裂性和抗疲勞性均顯著優于傳統SBS改性瀝青，并通過FTIR和熒光顯微技術揭示了改性機理。這項工作為極端氣候和重載條件下的高性能瀝青路面提供了一種可規�；�、生態高效的解決方案。
在全球范圍內，瀝青混凝土是最廣泛使用的路面材料，支撐著現代交通基礎設施的平穩運行。然而，傳統瀝青結合料在力學性能和環境耐受性方面存在固有局限，尤其在極端溫度波動和繁重交通載荷下，容易出現高溫車轍、低溫開裂和疲勞破壞等問題。為了應對這些挑戰，采用聚合物對瀝青進行改性已成為道路工程領域的關鍵研究方向。其中，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）因其卓越的高低溫性能平衡而成為最主要的瀝青改性劑。但是，常規SBS改性瀝青的制備通常需要高溫、長時間的高剪切混合，這不僅加速了瀝青的氧化老化，還導致了巨大的能源消耗和煙氣排放，與可持續發展的目標背道而馳。此外，SBS改性瀝青普遍存在儲存穩定性不佳的問題，即聚合物相與瀝青相在高溫儲存時易發生分離，嚴重影響其長期性能和現場應用。因此，開發一種加工溫度更低、性能更全面且儲存穩定的新型改性瀝青技術，對于建設高性能、長壽命且環保的道路至關重要。
針對上述難題，來自中北大學材料科學與工程學院的研究團隊在《Case Studies in Construction Materials》上發表了一項創新研究。他們獨辟蹊徑，不再采用傳統的現場“瀝青+粉末SBS”直接共混工藝，而是先通過雙螺桿擠出機制備出一種“復合改性顆粒”（CMPs），再將這種顆粒與基礎瀝青混合。研究人員通過精巧的正交實驗設計，系統優化了CMPs的配方，集成了SBS、相容劑、增粘樹脂（TR）和無機交聯劑（ICA）四種組分。他們的目標是希望這種“預制”的顆粒能夠像“智能藥丸”一樣，在較低的溫度下與瀝青快速、均勻地融合，從而一舉解決傳統工藝的高能耗、易老化和不穩定等問題。
為了開展這項研究，研究人員運用了幾個關鍵的技術方法：首先，采用L9 (33)正交實驗設計，系統研究了相容劑、TR和ICA三種因素及其不同含量水平對改性瀝青性能的影響。其次，利用雙螺桿擠出機在精確控制的溫度（110–130°C）和螺桿轉速（60–100 rpm）下，將SBS、相容劑、TR和ICA熔融共混，制備出均勻的CMPs。最后，通過一套多尺度的表征體系對CMPs改性瀝青進行了全面評估，包括常規物理性能測試、動態剪切流變儀（DSR）分析溫度掃描、多重應力蠕變恢復（MSCR）、線性振幅掃描（LAS）、彎曲梁流變儀（BBR）測試低溫和疲勞性能、熒光顯微鏡觀察微觀相態、熱重分析（TGA）評估熱穩定性，以及傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析化學結構變化。
3.1. 正交實驗分析
研究人員設計了9組（T-1至T-9）不同配方的CMPs。通過正交分析發現，影響瀝青針入度（軟硬度）的主要因素是相容劑，其含量越高，改性瀝青越軟；影響軟化點（高溫性能）的主要因素是無機交聯劑（ICA），其含量越高，軟化點越高，高溫性能越好；影響延度（低溫性能）的主要因素也是ICA，但有趣的是，較低的ICA含量（1%）反而能獲得更好的低溫延展性。這表明，不同性能指標對配方的要求可能存在矛盾，無法僅憑常規測試確定一個“全能”的最佳配方。
3.2. 儲存穩定性分析
所有CMPs改性瀝青（T-1至T-9）的軟化點差（ΔSP，衡量儲存穩定性的關鍵指標）均低于2.5°C，滿足規范要求。而作為對照組的傳統SBS改性瀝青（SBS-MA）的ΔSP高達4.9°C，穩定性明顯不足。這初步證明了CMPs技術能有效解決聚合物相分離的難題。
3.3. 熒光顯微鏡圖像分析
熒光顯微鏡觀察直觀地揭示了原因。傳統SBS-MA中的SBS相有明顯的團聚現象，而CMPs改性瀝青，尤其是T-2、T-4和T-9配方，其中的SBS形成了連續的絲狀、帶狀和相互交聯的網絡結構，均勻地分散在瀝青基質中。這種均勻且穩定的微觀結構是優異儲存穩定性和綜合性能的基礎。
3.4. 旋轉粘度分析
旋轉粘度測試評估了施工和易性。在關鍵的施工溫度135°C下，T-3和T-5配方的粘度過高（>3.0 Pa·s），不利于施工，因此被淘汰。進一步分析粘度-溫度敏感性（VTS）發現，T-9配方的溫度敏感性最低，意味著其粘度受溫度波動影響小，性能更穩定。
3.5. 流變行為分析
- •
3.5.1. 溫度掃描測試：動態剪切流變儀（DSR）測試表明，T-2、T-4和T-9在老化前后的抗車轍因子（G*/sinδ）都表現出色，其失效溫度（滿足性能規范的最低溫度）較高，顯示出優越的高溫抗變形能力。通過計算老化指數（CMAI， PAAI， AI）發現，T-2和T-4的抗短期老化（RTFO）能力最強，而T-9雖然抗車轍能力最突出，但對老化相對更敏感一些。
- •
3.5.2. MSCR蠕變恢復測試：MSCR測試模擬了路面在重載下的長期變形。結果再次印證，T-2、T-4和T-9具有最高的蠕變恢復率（R）和最低的非恢復蠕變柔量（Jnr），表明它們具有最佳的彈性恢復能力和抗永久變形能力。
- •
3.5.3. 抗疲勞性能分析：通過線性振幅掃描（LAS）測試評估抗疲勞性能。T-9、T-4和T-2表現出最高的峰值應力、最大的應變能和最長的預測疲勞壽命，意味著它們能更好地抵抗反復交通載荷導致的疲勞開裂。
- •
3.5.4. 彎曲梁流變儀測試：BBR測試評估低溫抗裂性。在-12°C下，T-9的蠕變勁度（S）最低（196.41 MPa），蠕變速率（m值）最高（0.746），完全滿足規范要求（S<300 MPa， m>0.3），表現出最優異的低溫應力松弛和抗裂能力。T-4的表現也較好。
3.6. 熱重分析
熱重分析（TGA）顯示，所有改性瀝青的熱分解行為相似，但T-4的初始分解溫度和各階段分解溫度均為最高，表現出最好的熱穩定性。
3.7. FTIR光譜分析
傅里葉變換紅外光譜（FTIR）提供了化學改性的證據。譜圖中代表SBS中聚丁二烯段C=C雙鍵的特征峰（966 cm-1）在T-2、T-4和T-9樣品中強度顯著降低。這表明在制備過程中，SBS分子鏈上的雙鍵大量參與了化學反應，而不是單純的老化降解。結合熒光顯微鏡觀察到的致密網絡結構，這強有力地證明了無機交聯劑（ICA）與SBS之間發生了交聯反應，形成了化學鍵合的C–S鍵網絡。
3.8. 機理分析
綜合以上結果，研究揭示了CMPs的改性機理：在雙螺桿擠出機提供的高溫和強剪切作用下，SBS分子鏈上的C=C雙鍵與無機交聯劑（ICA）發生硫化交聯反應，形成以C–S鍵為主的化學交聯網絡，構建了強韌的彈性骨架。相容劑作為“調和劑”，促進了SBS與瀝青各組分的相容，使SBS充分溶脹并均勻分散。增粘樹脂（TR）則通過其長鏈分子與網絡發生物理纏結，進一步增強了整個體系的粘聚力和結構連續性。這三者協同作用，最終在瀝青中構筑了一個均勻、穩定且強韌的復合網絡結構。
3.9. 成本分析
在性能突出的T-2、T-4和T-9三個配方中，研究人員進行了簡單的成本核算。盡管T-9使用了較高含量的增粘樹脂（8%），其原材料成本略高于T-2和T-4，但考慮到T-9在高溫抗車轍、抗疲勞和低溫性能方面幾乎全面領先的綜合表現，其“性價比”被認為是最高的。
綜上所述，本研究成功開發了一種通過雙螺桿擠出制備復合改性顆粒（CMPs）的新技術。該技術通過正交優化配方，將SBS、相容劑、增粘樹脂和無機交聯劑有機結合，制備出的CMPs改性瀝青展現出了革命性的性能提升：其熱儲存穩定性遠優于傳統SBS改性瀝青；配方T-9、T-4和T-2在高低溫性能、抗疲勞性和彈性恢復方面表現卓越。微觀結構和化學分析證實，其核心機理在于形成了穩定的化學-物理協同交聯網絡。尤為重要的是，這種“顆�；备男圆呗�，將瀝青的加工溫度較傳統SBS改性工藝降低了10°C以上，顯著降低了能耗與排放。因此，這項工作不僅為理解和設計高性能瀝青材料提供了新的視角和扎實的實驗依據，更重要的是，它提供了一種兼具卓越性能、優異儲存穩定性和良好加工節能性的新型路面材料解決方案，對于推動道路工程向更綠色、更耐久的方向發展具有重要的理論與實踐意義。
