《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
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为了克服传统聚合物改性沥青（如SBS改性沥青）高温老化敏感、能耗高、储存稳定性差的固有缺陷，本研究通过L9 (33)正交设计与双螺杆挤出技术，开发了集SBS、相容剂、增粘树脂（TR）和无机交联剂（ICA）于一体的复合改性颗粒（CMPs）。研究系统评估了CMPs改性沥青的性能，发现其热储存稳定性、高温抗变形性、低温抗裂性和抗疲劳性均显著优于传统SBS改性沥青，并通过FTIR和荧光显微技术揭示了改性机理。这项工作为极端气候和重载条件下的高性能沥青路面提供了一种可规模化、生态高效的解决方案。
在全球范围内，沥青混凝土是最广泛使用的路面材料，支撑着现代交通基础设施的平稳运行。然而，传统沥青结合料在力学性能和环境耐受性方面存在固有局限，尤其在极端温度波动和繁重交通载荷下，容易出现高温车辙、低温开裂和疲劳破坏等问题。为了应对这些挑战，采用聚合物对沥青进行改性已成为道路工程领域的关键研究方向。其中，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）因其卓越的高低温性能平衡而成为最主要的沥青改性剂。但是，常规SBS改性沥青的制备通常需要高温、长时间的高剪切混合，这不仅加速了沥青的氧化老化，还导致了巨大的能源消耗和烟气排放，与可持续发展的目标背道而驰。此外，SBS改性沥青普遍存在储存稳定性不佳的问题，即聚合物相与沥青相在高温储存时易发生分离，严重影响其长期性能和现场应用。因此，开发一种加工温度更低、性能更全面且储存稳定的新型改性沥青技术，对于建设高性能、长寿命且环保的道路至关重要。
针对上述难题，来自中北大学材料科学与工程学院的研究团队在《Case Studies in Construction Materials》上发表了一项创新研究。他们独辟蹊径，不再采用传统的现场“沥青+粉末SBS”直接共混工艺，而是先通过双螺杆挤出机制备出一种“复合改性颗粒”（CMPs），再将这种颗粒与基础沥青混合。研究人员通过精巧的正交实验设计，系统优化了CMPs的配方，集成了SBS、相容剂、增粘树脂（TR）和无机交联剂（ICA）四种组分。他们的目标是希望这种“预制”的颗粒能够像“智能药丸”一样，在较低的温度下与沥青快速、均匀地融合，从而一举解决传统工艺的高能耗、易老化和不稳定等问题。
为了开展这项研究，研究人员运用了几个关键的技术方法：首先，采用L9 (33)正交实验设计，系统研究了相容剂、TR和ICA三种因素及其不同含量水平对改性沥青性能的影响。其次，利用双螺杆挤出机在精确控制的温度（110–130°C）和螺杆转速（60–100 rpm）下，将SBS、相容剂、TR和ICA熔融共混，制备出均匀的CMPs。最后，通过一套多尺度的表征体系对CMPs改性沥青进行了全面评估，包括常规物理性能测试、动态剪切流变仪（DSR）分析温度扫描、多重应力蠕变恢复（MSCR）、线性振幅扫描（LAS）、弯曲梁流变仪（BBR）测试低温和疲劳性能、荧光显微镜观察微观相态、热重分析（TGA）评估热稳定性，以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学结构变化。
3.1. 正交实验分析
研究人员设计了9组（T-1至T-9）不同配方的CMPs。通过正交分析发现，影响沥青针入度（软硬度）的主要因素是相容剂，其含量越高，改性沥青越软；影响软化点（高温性能）的主要因素是无机交联剂（ICA），其含量越高，软化点越高，高温性能越好；影响延度（低温性能）的主要因素也是ICA，但有趣的是，较低的ICA含量（1%）反而能获得更好的低温延展性。这表明，不同性能指标对配方的要求可能存在矛盾，无法仅凭常规测试确定一个“全能”的最佳配方。
3.2. 储存稳定性分析
所有CMPs改性沥青（T-1至T-9）的软化点差（ΔSP，衡量储存稳定性的关键指标）均低于2.5°C，满足规范要求。而作为对照组的传统SBS改性沥青（SBS-MA）的ΔSP高达4.9°C，稳定性明显不足。这初步证明了CMPs技术能有效解决聚合物相分离的难题。
3.3. 荧光显微镜图像分析
荧光显微镜观察直观地揭示了原因。传统SBS-MA中的SBS相有明显的团聚现象，而CMPs改性沥青，尤其是T-2、T-4和T-9配方，其中的SBS形成了连续的丝状、带状和相互交联的网络结构，均匀地分散在沥青基质中。这种均匀且稳定的微观结构是优异储存稳定性和综合性能的基础。
3.4. 旋转粘度分析
旋转粘度测试评估了施工和易性。在关键的施工温度135°C下，T-3和T-5配方的粘度过高（>3.0 Pa·s），不利于施工，因此被淘汰。进一步分析粘度-温度敏感性（VTS）发现，T-9配方的温度敏感性最低，意味着其粘度受温度波动影响小，性能更稳定。
3.5. 流变行为分析
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3.5.1. 温度扫描测试：动态剪切流变仪（DSR）测试表明，T-2、T-4和T-9在老化前后的抗车辙因子（G*/sinδ）都表现出色，其失效温度（满足性能规范的最低温度）较高，显示出优越的高温抗变形能力。通过计算老化指数（CMAI， PAAI， AI）发现，T-2和T-4的抗短期老化（RTFO）能力最强，而T-9虽然抗车辙能力最突出，但对老化相对更敏感一些。
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3.5.2. MSCR蠕变恢复测试：MSCR测试模拟了路面在重载下的长期变形。结果再次印证，T-2、T-4和T-9具有最高的蠕变恢复率（R）和最低的非恢复蠕变柔量（Jnr），表明它们具有最佳的弹性恢复能力和抗永久变形能力。
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3.5.3. 抗疲劳性能分析：通过线性振幅扫描（LAS）测试评估抗疲劳性能。T-9、T-4和T-2表现出最高的峰值应力、最大的应变能和最长的预测疲劳寿命，意味着它们能更好地抵抗反复交通载荷导致的疲劳开裂。
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3.5.4. 弯曲梁流变仪测试：BBR测试评估低温抗裂性。在-12°C下，T-9的蠕变劲度（S）最低（196.41 MPa），蠕变速率（m值）最高（0.746），完全满足规范要求（S<300 MPa， m>0.3），表现出最优异的低温应力松弛和抗裂能力。T-4的表现也较好。
3.6. 热重分析
热重分析（TGA）显示，所有改性沥青的热分解行为相似，但T-4的初始分解温度和各阶段分解温度均为最高，表现出最好的热稳定性。
3.7. FTIR光谱分析
傅里叶变换红外光谱（FTIR）提供了化学改性的证据。谱图中代表SBS中聚丁二烯段C=C双键的特征峰（966 cm-1）在T-2、T-4和T-9样品中强度显著降低。这表明在制备过程中，SBS分子链上的双键大量参与了化学反应，而不是单纯的老化降解。结合荧光显微镜观察到的致密网络结构，这强有力地证明了无机交联剂（ICA）与SBS之间发生了交联反应，形成了化学键合的C–S键网络。
3.8. 机理分析
综合以上结果，研究揭示了CMPs的改性机理：在双螺杆挤出机提供的高温和强剪切作用下，SBS分子链上的C=C双键与无机交联剂（ICA）发生硫化交联反应，形成以C–S键为主的化学交联网络，构建了强韧的弹性骨架。相容剂作为“调和剂”，促进了SBS与沥青各组分的相容，使SBS充分溶胀并均匀分散。增粘树脂（TR）则通过其长链分子与网络发生物理缠结，进一步增强了整个体系的粘聚力和结构连续性。这三者协同作用，最终在沥青中构筑了一个均匀、稳定且强韧的复合网络结构。
3.9. 成本分析
在性能突出的T-2、T-4和T-9三个配方中，研究人员进行了简单的成本核算。尽管T-9使用了较高含量的增粘树脂（8%），其原材料成本略高于T-2和T-4，但考虑到T-9在高温抗车辙、抗疲劳和低温性能方面几乎全面领先的综合表现，其“性价比”被认为是最高的。
综上所述，本研究成功开发了一种通过双螺杆挤出制备复合改性颗粒（CMPs）的新技术。该技术通过正交优化配方，将SBS、相容剂、增粘树脂和无机交联剂有机结合，制备出的CMPs改性沥青展现出了革命性的性能提升：其热储存稳定性远优于传统SBS改性沥青；配方T-9、T-4和T-2在高低温性能、抗疲劳性和弹性恢复方面表现卓越。微观结构和化学分析证实，其核心机理在于形成了稳定的化学-物理协同交联网络。尤为重要的是，这种“颗粒化”改性策略，将沥青的加工温度较传统SBS改性工艺降低了10°C以上，显著降低了能耗与排放。因此，这项工作不仅为理解和设计高性能沥青材料提供了新的视角和扎实的实验依据，更重要的是，它提供了一种兼具卓越性能、优异储存稳定性和良好加工节能性的新型路面材料解决方案，对于推动道路工程向更绿色、更耐久的方向发展具有重要的理论与实践意义。
