橡胶在路用沥青改性中的应用

刘家敏 崔英明

在公路建设中，由于沥青路面具有良好的行车舒适性和优异的使用性能，而且建设速度快，维修方便，因此，沥青材料已经成为公路路面最主要的建筑材料之一。随着交通量的迅速增加，车辆大型化、超载严重，沥青混凝土路面面临严峻考验。使用普通沥青铺设的路面易产生严重车辙、开裂、坑槽等早期破坏。沥青的最大缺点是温度敏感性大，高温流淌，低温发脆，不能适应高等级公路的要求。另外地表水通过裂缝渗透到道路基层和路基上，遇冬季气温下降或夜间变冷冻结膨胀，使裂缝增大，致使路面早期破损。为此，人们试图通过改性的方法克服沥青的上述不足，橡胶沥青就是其中的一种。

橡胶沥青产生于20世纪60年代，80年代后技术上逐步成熟，在设计和施工良好的情况下橡胶沥青材料能够表现出良好的性能，橡胶沥青路面与结构厚度厚一倍的普通沥青路面相比，损坏发展更缓慢，特别是在抗开裂方面表现出优异的性能[1，2]。橡胶沥青常用于旧水泥混凝土道路维修改造项目，这样既能充分发挥旧路面原有的结构性能，又能充分发挥橡胶沥青优异的抗裂性能、抗疲劳性能和吸音降噪能力，通过橡胶沥青混合料罩面恢复表面性能，可改善沥青路面使用品质、延长使用寿命、降低工程造价、保护环境，获得超长的使用寿命。本文将对橡胶粉对沥青的改性机理及橡胶沥青的路用性能加以探讨。

1 橡胶粉及其对沥青的改性机理

1.1 胶粉

胶粉主要是由废旧载重轮胎或客车轮胎破碎而制得，成分主要为天然胶(NR)和丁苯胶(SBR)等。其橡胶含量在55%左右。这里提到的橡胶的结构指的是生橡胶，即没有经过硫化。人们习惯上把熟橡胶称作硫化橡胶。硫化橡胶与生橡胶的主要区别在于硫化橡胶中的分子形成网链结构，整个一块橡胶可以看成是由许多分子网链构成的三维空间立体结构，这种结构一般条件下十分稳定。胶粉就是由这种空间网络结构组成的。

1.2 橡胶沥青的改性作用机理

沥青由沥青质和可溶质两部分组成，被视为可溶质的、粘度小的低分子油分和蜡占沥青成分的一半以上，由于硫化橡胶与沥青同属非极性材料，橡胶经过一定的处理能溶解于沥青低分子油分中，所以沥青本身也是硫化橡胶再生的良好软化剂。由此可见，橡胶与沥青的关系是溶质与溶剂的关系。当橡胶粉与沥青加热混溶时，橡胶粉在高温下被沥青中的低分子油分溶胀后，一方面使油分粘度增加和稠度提高，另一方面使橡胶分子的作用力减小。由于橡胶是一种高分子化合物，除富有弹性外，还有很高的自粘性和互粘性[2]，它比沥青的粘度高得多，当橡胶粉和沥青混溶成一体后，沥青的粘度提高了，说明橡胶在沥青中发生了变化;当橡胶被充分溶胀而未裂解时，它既能以单独的相存在，又能形成连续的网络。因橡胶的高弹性质，只要沥青中有这种高粘度、高弹性的网络，沥青的粘弹性和可塑性就会发生明显的变化[2，3]。大多数研究人员认为，橡胶粉改性沥青的机理为:在较低的温度下橡胶粉在沥青中溶胀;在较高温度下，橡胶分子间的交联网络被打破，发生脱硫、降解反应。关于胶粉改性沥青的微观结构分析可归纳为以下三种[2-4]:

1)结构变化改性。橡胶粉的加入能吸附沥青中的某些组分。沥青中与改性剂结构相似的轻组分(主要是油蜡)经过渗透，扩散进入橡胶网络，使橡胶粉溶胀，从而有效地降低游离蜡含量，组分的变化使得高蜡含量的沥青从溶胶结构变为溶—凝胶型结构。感温性显著下降，其他性能也得到改善，蜡含量的降低最终改善了沥青的感温性，表现为沥青的针入度增大，软化点明显升高，升温过程中相变吸热峰显著下降。

2)相溶性改性。由于沥青与橡胶存在相对分子质量、化学结构上的差异，因而属于热力学相溶性差的体系，体系中不同组分相界面上的相互作用，使沥青的性能得到改善。橡胶在沥青中的理想状态是细分布而不是完全溶解，橡胶粉在沥青中分散成丝状与沥青质胶团均匀地分布于沥青油分中，形成一个稳定的不会发生相分离的物理意义上的相容体系，与橡胶的溶度参数相近的油蜡组分会缓慢地扩散进入橡胶链段的空隙中，使橡胶链段松动、脱离以至溶解。好的相容性是改性沥青的首要条件，也是降低沥青材料温度敏感性的先决条件。

3)橡胶粉的增强作用改性。橡胶粒子在橡胶沥青体系中起着增强作用:橡胶粒子体积小，数量多，在低温时它们与沥青基体的模量不同，可产生高度的应力集中，诱发大量银纹和剪切带，银纹和剪切带的产生和发展消耗大量的能量，因此可提高沥青的冲击强度和可塑性;而较大的橡胶粒子能防止单个银纹的生长和断裂，使其不致于很快发展为破坏性裂纹，改善沥青的低温柔韧性。从这种意义上说橡胶是沥青的增强增韧剂。

橡胶沥青的一个本质特征就是粗颗粒的橡胶屑在高温的沥青中浸泡，并与沥青中的轻质油分发生溶胀后，仍然保持着固体颗粒的核心。它与普通沥青、高分子聚合物改性沥青最大的不同就在于它是一种液—固两相的混合物，正是由于存在着通过凝胶体与沥青分子相连的谷子橡胶颗粒核心，因此橡胶沥青粘结剂所呈现的特征就不仅仅与基质沥青和凝胶体的特征有关，而且也反映了固体橡胶颗粒的性质。一般来说可以通过控制橡胶屑在基质沥青中的溶胀过程来调节橡胶沥青的液相和固相性质的比例，从而调整橡胶沥青粘结剂的特性使之满足不同应用条件的需要。

2 橡胶沥青在道路中的应用

橡胶粉应用于沥青路面的技术主要分为湿法和干法两大类[1，3]。湿法是先把胶粉分散到沥青粘结剂中形成橡胶粉改性沥青，然后用橡胶粉改性沥青与集料通过热拌和生产混合料;干法是先把废胶粉与集料混合，然后把沥青先加入到混有橡胶粉的集料中。在干法中橡胶粉实际上不是沥青改性剂，而是起填料的作用。干法只限于热拌沥青应用中。湿法主要用于不同表面处理和裂缝密封胶，最近朝着HMA应用方向发展，成为越来越受欢迎的方法。

橡胶沥青是沥青、回收轮胎橡胶和某些添加剂混合而成的胶结料，橡胶成分最少占到总量的15%，并且与热沥青充分反应，橡胶颗粒产生融胀，具有高的弹性性能和低的弹性模量，永久变形和相对变形也都非常小。橡胶沥青是在高温条件下和高速剪切下生产的，促进了沥青和橡胶成分间的物理反应，使橡胶颗粒悬浮在沥青中。

橡胶沥青用于各种沥青路面结构中通常作为胶结料(包括碎石封层和热拌混合料)，也可用作填缝材料。橡胶粉改性沥青在公路上的主要用途:1)用来拌制沥青混合料，铺筑沥青路面的上面层，以全面提高路面的使用性能;2)用作封层，即应力吸收层，以抑制路面基层裂缝的向上反射。对于热拌混合料，橡胶沥青用于断级配和开级配混合料的效果最好，特别是使用于薄层表面。橡胶沥青还可用于碎石封层，碎石封层主要用于养护和路面保护。橡胶沥青碎石封层也可以作为夹层，上面再用混合料罩面，这时封层称为橡胶沥青应力吸收层。由于在沥青中掺加了胶粉，提高了沥青胶结料的粘稠度，混合料油膜较厚而不易析漏或泛油;提高了路面使用温度下的弹性和弹性恢复性能;在降低了路面的温度敏感性、低温性能不降低的情况下改善了抗变形能力和抗疲劳开裂的性能。橡胶沥青的适用性广，只要是普通沥青适用的地方，也能使用橡胶沥青。

3 结语

研究表明，橡胶沥青具有粘稠度好、较好的弹性和弹性恢复性能、较低的温度敏感性、较好的抗变形能力和抗疲劳开裂性能，在用于老路改建时，对减少路面的反射裂缝，提高路面的整体承载能力都十分有利，在相同的使用效果前提下，适当使用废旧橡胶粉可减薄沥青混凝土面层的厚度。一般可减薄30%～70%，当沥青结构层中使用橡胶沥青的应力吸收层时，厚度还可以进一步减薄。在国外橡胶沥青的应用技术已经相当成熟，但由于我国气候、道路结构、汽车荷载等方面的差异，橡胶沥青在我国的应用还需要进一步研究。

[1] 张小英，徐传杰，孔究明.废橡胶粉改性沥青研究综述[J].石油沥青，2004，18(4):1-5.

[2] 夏 玮.废胶粉改性沥青及沥青混合料路用性能研究[D].重庆:重庆交通大学，2009.

[3] 石洪波，邹明旭，廖克俭，等.废橡胶粉改性道路沥青的研究进展[J].化学工业与工程技术，2005，26(2):27-29.

[4] 张广彬.国内废橡胶粉改性沥青的研究进展[J].中国建筑防水，2006(9):24-27.