我国废橡胶粉用于沥青改性的研究及应用

李琳

（北京机电院高技术股份有限公司，北京100027）

1 胶粉粒度及对应用途

利用废橡胶生产胶粉，集环保与资源再生为一体，有很高的经济和社会效益，是发达国家将废轮胎利用重点由再生胶转向胶粉的根本原因，对国内外循环经济的发展具有重要意义。

胶粉产品用途广泛，粒径不同，其对应的应用领域也不同。颗粒较粗的粗胶粉一般代替部分生胶而掺用在低档橡胶制品中，用以降低成本，补强作用微乎其微，且与生胶的结合性较差，掺入比例及应用范围也有较大局限性。随着胶粉粒径的减小，其生胶结合能力逐渐提高，甚至可以取代生胶原料生产橡胶制品，而且胶粉的补强作用越来越明显，可用于沥青、塑料等材料的改性，提高其性能，扩大了应用范围，但由于生产成本也随之增高，一般仅用于高档的、有特殊要求的橡胶制品或军工产品[1，2]。根据已有研究[2-4]，现将胶粉粒度及其对应用途归纳总结如下，见表1。

表1 胶粉粒度及对应用途

2 我国胶粉改性沥青研究现状

提高沥青性能是废橡胶粉最常见的材料改性用途之一，是为了满足人们不断提高的生产和生活品质而出现的新技术。

由于已经广泛应用于公路和建筑领域的石油沥青存在一些缺陷，如在高温时软化，低温时龟裂，耐老化、耐磨耗等性能差，在交通和汽车工业不断发展、交通流量和行驶频度急剧增长、建筑防水和建材质量要求日益严格的今天，这样的沥青已不能满足人们的预期，这就需要对沥青进行改性。

所谓沥青改性就是在沥青或沥青混合料中加入树脂、塑料、橡胶、炭黑、无机盐等天然或人工合成的有机或无机材料，使之熔融或分散在沥青中以改善沥青性能。以往经常使用的改性剂有PE（聚乙烯）、SBS（热塑性弹性体）、SBR（丁苯橡胶）和EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物），但其价格都非常昂贵。根据市场调查，我国PE最新报价均在10 000元/t以上，SBS均价25 000元/t左右，SBR和EVA价格分别约为30 000元/t和20 000元/t，提高了改性沥青的成本，使其价格高出普通沥青2～7倍。

为了降低沥青改性的成本，美国、英国、法国、瑞典、日本、澳大利亚、比利时、南非等国家开始了将废橡胶粉用于改性沥青的研究，成果显著，目前已在实际工程中成功应用。

我国关于废橡胶粉改性沥青（以下简称胶粉改性沥青）的研究工作虽然起步较早，基本上和国际同步，但起初并未引起人们的高度重视，致使研究进展较慢。直到近些年，随着环保和废弃物资源化利用呼声的高涨，胶粉改性沥青才赢得了社会广泛的关注。交通部公路交通研究所、同济大学、吉林省交通科学研究所等研究机构、院校先后通过实验室研究及试验路段铺设进行了胶粉改性沥青问题的探讨，研究内容主要集中在胶粉改性沥青的各种性能指标、工艺参数和应用技术方面[5-7]。但总的来说，我国重复研究依然较多，具有实质性的技术突破较少。

2.1 性能研究

胶粉对沥青性能的改善情况是国内研究的主要内容之一。郭朝阳等[8]利用荧光显微镜、红外光谱等微观结构试验的分析方法，研究了废胎胶粉改性沥青的机理，证明了沥青通过与胶粉混溶，其可塑性、粘度、温度敏感性、稳定性、抗老化性、抗裂性和弹性等高温、常或低温性能均得到了改善。

薛振华等[9]对胶粉改性沥青高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性进行了试验研究：由车辙试验结果可知，增加沥青中橡胶颗粒的用量有利于改善沥青混合料的抗形变和抗车辙能力；小梁弯曲试验结果表明，在低温条件下，橡胶颗粒沥青混合料的抗弯拉应变能力、抗裂性及柔性有所提高。根据水稳定性试验数据，胶粉改性沥青的冻融劈裂抗拉强度比高达90.2％。

可见，将胶粉加入沥青可使沥青各种性能得到改善，胶粉改性沥青与普通沥青性能对比情况如表2所示。

表2 胶粉改性沥青与普通沥青性能对比表

2.2 工艺参数研究

国内对胶粉改性沥青中胶粉的粒径、掺用比例等工艺参数也进行了较多研究，并得到了较为一致的研究结论。

张文武[10]首先采用荧光显微镜等现代分析测试方法分析了沥青与胶粉的组成及结构，通过对沥青常规和SHAP性能试验结果的分析，讨论了沥青改性工艺、胶粉粒径、种类、掺量以及基质沥青类型等因素对改性沥青性能的影响。

孔宪明等[11]研究了胶粉改性沥青的软化点、柔度、粘度分别与废胶粉掺加量及温度之间的关系，认为沥青的软化点、柔度、高温粘度随着胶粉掺用量的增加而增加，且高温粘度过大时，可通过添加分散稳定剂加以调节以保证正常施工。根据对比分析数据，总结出胶粉最佳掺用比例为20％的结论。

肖鹏等[12]通过试验分析了在不同类型的基质沥青中掺入不同粒径的胶粉时沥青性能的改变情况，以及废橡胶粉掺量对沥青性能的影响，实验结果表明，胶粉粒度越小、掺入量越大，改性效果就越好，而当胶粉细于80目或掺量大于20％时，改性效果无明显提高。

刘毅等[13]以AH-90沥青为基体，采用湿法共混，在140℃及高剪切条件下制备了胶粉改性沥青，并对胶粉粒径和掺用量等工艺参数对沥青性能的影响进行了对比及分析。结果表明随着胶粉掺用量的增加，沥青针入度减小，软化点和延度增加，掺用量为10份时改性效果最佳，此外80目胶粉（40～80目范围内）具有最好的改性效果。

石洪波等[14]以辽河AH-90沥青为基体制备了胶粉改性沥青，针对工艺条件与胶粉掺入比例开展了对比试验研究，提出了剪切转速7 000 r/min、混合温度170～180℃及混合时间30 min的胶粉改性沥青最适工艺条件。并认为胶粉最佳掺用比例为10％～20％，掺入量小于5％时沥青性能改善效果不明显，而大于20％时，改性效果提高速度则开始放慢。

袁德明等[15]基于实验数据提出了最佳工艺参数：剪切温度180℃，剪切转速7 000 r/min，剪切时间40 min，胶粉及调和油的用量分别不宜超过25份和4份。并且根据该最佳参数，采用类似湿法的加工工艺，以废橡胶粉为基质制备出了抗低温开裂性、耐疲劳性和耐老化性能都优于基质沥青，且针入度、软化点、延度和弹性恢复等指标均能达到美国废轮胎胶粉改性沥青标准（FHWA-SA-92-002）要求的胶粉改性沥青。

汪海[16]采用熔融共混法制备了胶粉改性沥青，研究了工艺条件对胶粉改性沥青性能的影响。认为随着胶粉掺量的增大，改性沥青的针入度减小，软化点增大，弹性恢复率增大，但胶粉加入量超过20％时，沥青性能的改善作用明显减小。此外他还提出了最适的生产条件：温度为215℃，剪切速度为4 000 r/min，剪切时间为40 min。

综上，在工艺参数对胶粉改性沥青性能的影响方面，国内已有研究的结论差异不大，并总结出了较为统一的最佳参数：胶粉掺入量约20％，粒度为80目，剪切温度180℃左右，剪切转速约7 000 r/min，剪切时间约 30～40 min。

2.3 应用领域研究

胶粉改性沥青的应用技术也是国内研究热点之一，目前对其应用领域的研究主要聚焦于路面铺设与防水卷材生产两方面[5]。

2.3.1 铺设路面

王云鹏等[5]进行了SBS改性沥青以及胶粉改性沥青试验路段的铺设，并采用定点法、车载法分别开展了道路噪声效果对比测试，试验数据表明，与SBS改性沥青相比，胶粉改性沥青显著地降低了车辆行驶时的噪声，并且车速越大，降噪效果越明显，两种方法测得的平均降噪量分别为1.8 dB和1.5 dB。

王大成等[17]以实验室及试验路段的研究为基础，分析了胶粉改性沥青的路用性能及各种因素，试验研究表明，通过加入胶粉，沥青路面的抗高温软化及低温开裂性得到了明显改善，并且耐磨性和抗老化性均有所提高，延长了路面的使用寿命。

旷小林[18]以江西景德镇至鹰潭高速公路胶粉改性沥青混凝土路面为对象，分别从路面性能试验、胶粉改性沥青混合料试验以及工程实体测试3个层面进行了研究，验证了胶粉改性沥青具有提高路面各项高、低温性能，节约筑路成本，并延长道路使用寿命的作用。

根据已有研究可知，胶粉改性沥青路具有水泥路和普通沥青混凝土路无法比拟的优越性，三种路面的对比情况如表3所示。胶粉改性沥青可明显提高路面的耐热、耐寒性，从而减少了路面龟裂和软化现象；可改善防滑性能，使刹车距离缩短25％，提高了行驶安全系数；可加强路面的耐磨性、抗水剥落性，减缓路面老化，将耐磨耗寿命提高至普通路面的2～3倍，降低路面维护费用；增强了路面弹性，从而至少降低噪音2～4 dB；降低筑路总成本，根据市场调查数据，目前高速公路沥青铺设中较常使用的SBR改性沥青高达30 000元/t以上，而80目废橡胶粉售价仅约为4 000元/t，成本可节省87％左右。此外，若按改性沥青的胶粉最佳掺用比例（20％），每吨沥青可消耗200 kg左右的废橡胶粉。可见，用废橡胶粉作为沥青改性剂降低了筑路成本，实现了废橡胶的无害化和资源化处理，经济和环境效益显著。

2.3.2 生产防水卷材

胶粉改性沥青在防水卷材方面的应用，国内也开展了一些研究，但较之筑路用途，研究较少。

谭金和等[19]通过试验证明了80目废轮胎胶粉经活化处理后，可以替代SBS改性沥青用于生产各项技术指标均能达到国家Ⅱ型标准的Ⅱ型防水卷材。

陈捷翔等[20]对目前应用较广的SBS改性沥青防水卷材、APP改性沥青防水卷材和再生胶粉改性沥青复合胎（涤棉无纺布、高碱玻纤网格布复合）柔性防水卷材进行了耐水性、耐候性的测试，进而比较分析其耐久性的优劣。研究结果显示，再生胶粉改性沥青复合胎柔性防水卷材耐久性较劣于前两种防水卷材，对今后胶粉改性沥青耐久性的改进具有一定的指导作用。

蔡银锁等[21]将再生橡胶、废橡胶与高蜡沥青卷材经混合、塑炼、混炼、再硫化、压片等工序制成了橡胶-高蜡沥青防水卷材，并对各材料的配比和性能进行了研究。结果表明该卷材产品可以通过厚度的增加而获得较好的耐刺穿性，虽然在抗拉强度方面不理想，但也可以满足一般防水工程的要求，而对于防水要求较严格的工程，抗拉强度可以通过加入玻璃纤维的方法得以改善。

表3 胶粉改性沥青路面与水泥路面、柏油路面对比[4]

综上所述，由胶粉改性沥青制成的防水卷材拉伸强度高、延伸性能好，对基层表面的伸缩和裂缝的适应性很强，防渗漏性、密闭性大大提高，加强了防水能力，适用于屋面和地下工程的防水设施。此外，其优良的耐老化性延长了使用寿命，冷柔性的改善实现其在低温条件下的冷施工，表现出一定的工程实用效果。

3 我国胶粉改性沥青应用概况

使用胶粉改性沥青已成为国外提高路面质量的关键技术措施，并被俄罗斯、美国、日本、加拿大、瑞典、韩国、芬兰、南非等国家成功用于高速、高等级公路和飞机跑道，随后在葡萄牙、西班牙、澳洲、法国、巴西等国也逐渐掀起了路用应用热潮，并得到了迅速发展[4，22-24]。其中，美国于1994年立法规定，靠国家资助铺设的沥青公路，沥青中必须含有5％的胶粉，通过立法使胶粉改性沥青的使用得到了推广，截至21世纪末，美国铺设的胶粉改性沥青路面就已超过1.1万km。南非经过历经几十年的5个发展阶段，目前胶粉改性沥青已获得了大面积的应用，占到了路面沥青使用量的60％左右。胶粉改性沥青作为优质的防水卷材原料，在国外防水卷材市场也深受青睐，如前苏联于1986年就成功地将胶粉应用于由橡胶沥青防水卷材、无机绝缘卷材和三层板材组成的隔音复合地板等建筑卷材中。

我国胶粉改性沥青用于路面铺设的时间与国外大致处于同一时期，自1982年以来，江西、湖北、广州、北京、四川、河北、天津、辽宁等省市就先后铺设了胶粉改性沥青实验路段，随后又开始了在新疆、宁夏、云南、河南等地进行了示范工程建设，仅2005—2006年期间，全国范围内就相继铺设了近500万m2的道路。国内胶粉改性沥青在防水卷材方面的应用始于20世纪90年代，当时北方地区就已将粗胶粉与沥青掺混，并用于防水卷材。国内外实践证明，胶粉改性沥青防水卷材防水、抗老化、耐高温和低温等性能优良，质量轻，维修操作简单方便，可有效改善施工劳动条件，减轻环境污染等，具有替代SBS改性沥青防水卷材的应用潜力。

总体来说，与国外相比，我国胶粉改性沥青的研究及实际应用起步并不晚，但却未获得与国外等效的发展。国内研究主要停留在实验室研究与试验路段铺设层面，缺少大型实用工程，究其原因，主要有以下几方面。

（1）缺乏相关技术指标、标准、设计和施工规范。作为改性剂的胶粉由废橡胶粉碎而来，粉碎方法不同，所获得的胶粉品质也不同，而胶粉质量的优劣关系到胶粉改性沥青性能指标的实现情况。同时废橡胶的多种类、多配方特点决定了胶粉成分的复杂性，不同的胶粉成分对沥青性能的改善效果也存在差异。为了规范废橡胶粉在沥青改性过程中的应用，制定相关的技术指标十分必要，而我国目前仍未制定废橡胶粉沥青改性的配套技术指标。

我国虽已制定了胶粉改性沥青的《胶粉改性沥青聚酯毡与玻纤网格布增强防水卷材》（JC/T1078—2008）、《胶粉改性沥青玻纤毡与聚乙烯膜增强防水卷材》（JC/T1077—2008）、《胶粉改性沥青聚酯毡与玻纤网格布增强防水卷材》（JC/T1078—2008）、《沥青复合胎柔性防水卷材》（JC/T690—2008）等相关标准，但尚未形成较系统、较完整的标准体系，缺乏具有指导作用的设计和施工规范，使得筑路及建筑材料的设计和施工单位无据可依。

（2）行业与行业之间的分隔，使胶粉改性沥青等胶粉延伸产品难以在筑路及建筑市场中得到跨行业的推广应用。

（3）关于废旧橡胶回收利用的法律及优惠政策不完善。发达国家废旧轮胎利用企业不但免费使用废旧轮胎原料，而且还享受政府补贴。我国尚未出台关于废旧轮胎处理的补贴优惠政策，甚至废旧轮胎原料也需要企业高价购进，致使胶粉生产及利用行业的盈利空间被大幅压缩，企业正常运转面临困难，从而影响了胶粉在下游应用领域的推广。

4 我国胶粉改性沥青发展建议

为了实现胶粉改性沥青技术的稳步发展和市场的规范管理，建议将以下几点作为今后研究并解决的主要任务。

（1）加紧制定废橡胶粉的技术指标，如橡胶粉的粉碎方式、用于沥青改性的胶粉掺用比例及粒径范围、胶粉中的杂质含量等，形成较为系统的标准体系。各地根据各自不同的情况，从实际出发，完备并完善设计及施工规范，使得胶粉改性沥青的生产、路面铺设及建材的设计和施工单位有章可循，从而保证胶粉改性沥青的品质以及设计、施工质量。

（2）加强政府的宏观调控作用，实施有利于促进胶粉改性沥青在交通及建筑领域中应用的措施，如通过立法制定强制性法律条文，或实行补贴、税收等优惠政策对相关单位施加经济激励，以此打通跨行业应用渠道，人为消除不同行业间的隔膜。

（3）建立健全相关法律法规，逐步将废橡胶循环利用纳入法制化管理轨道。对废橡胶回收及利用企业给予补贴，成立专项基金，并征收废旧轮胎处理费作为基金来源。借鉴欧美经验，并结合中国国情，建议我国在使用单位和个人购买轮胎时，直接加收适当的废旧轮胎处理费。

总而言之，随着国内对筑路和建材质量、环保和废弃物再利用要求的不断提高，对沥青材料的应用、废弃物的无害化和资源化提出了和谐统一的要求。废橡胶粉改性沥青以其优良的使用性能、显著的环保及资源再生效果得到了社会的普遍认可，具有广阔的发展前景。

5 结论

大量研究及应用实例表明，废橡胶粉改性沥青的高、低温性能优异，抗老化能力有所提高，并降低了总成本，同时又保护了环境，节约了资源，已在国内外路面铺设和防水卷材领域获得了较广泛的应用。该技术实现了经济、环境和社会效益的完美统一，对我国循环经济的发展具有重要的现实意义。

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