橡胶改性沥青的研究与道路应用

曹 萍，胡 阳，孙 皓，王 雷*

(1.辽宁石油化工大学 石油化工学院，辽宁 抚顺113001；2.云南大学 化学科学与工程学院，云南 昆明 650091)

橡胶改性沥青的研究与道路应用

曹 萍1，胡 阳1，孙 皓2，王 雷1*

(1.辽宁石油化工大学 石油化工学院，辽宁 抚顺113001；2.云南大学 化学科学与工程学院，云南 昆明 650091)

废橡胶粉改性沥青在交通和建筑等领域的研究与应用，是我国橡胶行业走可持续发展道路的重要内容。目前我国废橡胶粉用于改性沥青的筑路技术已经取得了很大的进展。橡胶沥青是采用废旧轮胎经过粉碎后制成的胶粉作为改性剂，再通过一定的生产工艺得到能够改善混合料性能的沥青结合料。概述了橡胶粉的组成和橡胶沥青的特点、国外胶粉用于筑路技术的发展历程及我国胶粉在筑路中的发展和应用情况。介绍了橡胶沥青在国内外的成功应用经验、特点和指标性能的影响因素。

胶粉；橡胶沥青的性质；橡胶沥青应用；影响因素

前 言

随着汽车工业的发展和汽车的增加，产生的废旧轮胎也相应增加。据统计，在我国橡胶的消耗近60%用于生产轮胎，2006年产生废旧轮胎为1×108条，到2011年将达到2×108条［1］。废旧轮胎属固体有害物质，这些橡胶在自然条件下很难分解，会污染环境。另外，随着交通体系的逐步完善和公路沥青路面建设规模的逐渐扩大，特别是高等级公路建设的不断增加，对高质量公路沥青的需求量呈上升趋势。由于普通沥青存在粘结力差、延伸度低、含蜡量高、温度敏感性大等缺点，在高等级公路上很难使用；同时由于交通量迅速增加，车辆载重量大幅度增加以及我国南北、冬夏温差大等因素，对沥青路面的质量提出了更高要求。

橡胶粉主要来自于废旧轮胎属于硫化橡胶，分子呈三维网络结构，这种结构在一般条件下十分稳定。废橡胶无黏性、塑性而具有弹性，在化学结构上有以下特征：相对分子质量很大，具有较高弹性；有不饱和双键，可发生加成、取代、裂解等反应；在较宽的温度范围内(50～140℃)具有很好的弹性和伸缩性；加入橡胶粉后能使沥青材料具有很好的弹性、韧性、耐热性、耐磨性和耐久性。经过橡胶粉改性后的沥青，具有高温稳定性好、低温抗裂性能提高、汽车行驶安全性可以提高等特点。

1 橡胶沥青的发展及应用

1.1 橡胶沥青的发展

国际上最早记载橡胶改性沥青的文献是1843年的英国专利。现代意义上的橡胶沥青混合料首先出现于20世纪40～60年代的美国。美国橡胶回收公司(Rubber Reclaiming Company)在20世纪40年代首先用干拌法生产工艺生产了Ramflex TM橡胶粉沥青混合料。60年代中期，美国专家 Charles McDdonal首先用湿拌法生产工艺，生产OverflexTM橡胶沥青混合料［2］。70年代，亚利桑那精炼公司推出脱硫废胶粉改性沥青Arm-RShieldlM。

1983年瑞文多城的改建项目使用了橡胶粉改性沥青。该项目设计了一系列试验段，完工后长期对试验段进行跟踪检测表明，橡胶粉改性沥青路面性能优越。到1992年，橡胶粉改性沥青技术在美国迅速得到了推广应用［3］。1995年California州建成的橡胶粉改性沥青项目超过100个，包括市、县橡胶粉改性沥青项目总数超过400个。1997～1999年，根据建设项目中出现的一些问题，又补充开发了橡胶粉改性沥青评价参数：相位角差值的剪切敏感性SSD、黏度剪切敏感性SSV，建成了10个先导试验项目，用于评价橡胶粉改性沥青材料的性能。2001年California州建成的橡胶粉改性沥青项目已超过210个［4］。除此之外，橡胶粉改性沥青技术在美国Arizona、California、Florida州也得到了很好的发展。橡胶粉改性沥青技术经历了50余年的发展，在美国已经是一项成熟的技术。

南非的废旧轮胎橡胶粉在公路行业中应用取得成功，目前南非60%以上的道路沥青使用橡胶沥青。而且根据他们的经验认为，对于超重轴载的使用环境，橡胶沥青混凝土更有利。美国和加拿大政府立法强制国家投资的公路必须使用胶粉改性沥青［4］。

20世纪70年代我国科技人员就开始将橡胶粉用在沥青混凝土中，用来改善路面的路用性能。由于当时橡胶沥青生产工艺较差，生产的胶粉颗粒粒径普遍偏大不太适合橡胶沥青的生产，因此有关研究也搁置起来了。80年代初，为了改善我国性能不佳的国产沥青，同济大学研究了橡胶粉与沥青共熔反应的变化规律和对橡胶沥青路用性能的影响。通过系统的试验研究，分析验证了磨细橡胶粉改性沥青的主要特性和路用价值，并通过生产工艺的改善，促进了这种改性沥青混凝土在路面工程中的应用［5］。

2001年交通部公路科学研究所首次在钢桥桥面铺装中采用了30%的橡胶粉 (相对于沥青用量)，该桥面经过4年的超重交通考验，基本保持完好，各项性能指标保持优良。同年由交通部设立，交通部公路科学研究所主持的交通部西部科研项目“废旧橡胶粉用于筑路的技术研究”，对橡胶沥青及橡胶粉沥青混合料的路用性能及力学特性开展了全面、系统的试验研究［6］。随后，在广东、山东、河北、辽宁、四川、贵州等地修筑了总长近30km的试验路和实体工程［7］，到目前为止应用效果良好。

2006年四川蜀南竹海景区投入近3000万对超过37km的景区道路进行改造。其中在景区铺筑的橡胶沥青路面长达25.1km，铺筑面积达18600m2，这是中国建设里程较长、铺筑面积较大的一条橡胶沥青道路。2006年10月底建成通车的104国道浙江永嘉乌牛段也采用了橡胶沥青技术，长度仅5.2km。2007年建成通车的江苏227省道苏州--常熟通港路梅李至浒浦段养护大修工程采用了橡胶沥青面层。

2008年7月，南京第1条橡胶沥青路面工程--江西路北延竣工；2008年，张家港市中华路工程、南京宁高高速公路工程、深圳惠盐高速公路工程、宁杭二期靠近南京主城区路段、江苏宁常高速公路工程、陕西西安咸阳国际机场专用高速公路工程等分别进行了橡胶沥青断级配面层、橡胶沥青应力吸收层及橡胶沥青碎石封层的施工［8］。北京长安街人民大会堂北侧道路面层也采用了废胎橡胶粉改性沥青混合料进行修复。

2010年完成的青银高速养护施工中，首次大规模使用了橡胶沥青混和料，采用加TOR干式橡胶沥青拌和技术，每公里需要添加12吨橡胶粉，可以消耗掉4000条废轮胎，50公里就消耗掉20万条废旧轮胎［9］。

1.2 橡胶沥青的主要应用范围

橡胶沥青除了生产橡胶沥青混凝土(AR-AC)外，还可用于应力吸收层(SAM)、应力吸收中间层(SAMI)、碎石封层 (CHIPSEAL)、路面防水材料(TAcKC0AT)以及填缝料等［10］。

根据橡胶沥青的技术特点，目前我国橡胶沥青主要应用于以下范围：

（1）“白+黑”罩面工程。在铣刨、填缝、整治、调平后的旧路面上铺装橡胶沥青应力吸收层(SAMI)是抗反射裂缝最有效解决方案。利用橡胶沥青较强的粘结性能，能有效解决加铺层与水泥路面粘接问题，高用量的橡胶沥青与单一粒径的碎石强力粘结，形成约1cm厚弹性良好的防裂层，使原路面的各种裂缝将难以穿透该橡胶沥青应力吸收层向上传播。由于橡胶沥青胶结料含量高、弹性好，可使路面对疲劳裂缝、反射裂缝的抵抗能力得到提高。用于应力吸收层能有效预防、延缓甚至阻止反射裂缝的产生和扩展，并提供防水、填缝和粘结的作用。

（2）橡胶沥青应力吸收层、防水层。该层会在原路面上形成约3mm厚的沥青膜，可以有效防止雨水向下渗透，保护路面基层；摊铺沥青混合料面层时，橡胶沥青应力吸收层顶部的橡胶沥青会二次熔化，经路面压实后会充分填充面层混合料底部的缝隙，能防止水分的渗透，排除层间残留积水。

（3）由于橡胶本身的可塑性和延展性，使得橡胶沥青低温延度增大，橡胶沥青路面抗低温脆裂能力增强。温度收缩裂缝是冬季低温地区的主要问题。利用橡胶沥青的低温抗裂性能，能有效控制温缩裂缝的产生与扩展。此外，橡胶沥青和混合料在低温状态的模量都显著低于包括SBS改性沥青在内的其他沥青，这一特性被很多寒冷国家和地区用于建设冬季自动除冰道路。

(4)过大车辙是我国当前高等级道路最常见的早期损坏类型。由于全球性的气候异常，我国大部分地区的高温季节都有延长和加剧的趋势；另外，我国公路货运超载超限形势严峻。橡胶粉对于沥青的高温性能的改性效果是很明显的，在采用掺量（18%）下，橡胶沥青的高温分级比基质沥青可以提高两到三级。

(5)优异的抗疲劳性提高路面的耐久性能。胶结料含量高、油膜厚以及轮胎中含有的抗氧化剂，使道路抗老化、抗氧化能力和道路的耐久性能得到提高，并且降低了道路的养护费用。在橡胶制作轮胎的配方中，曾加入大量防老化剂，包括抗氧剂、热稳定剂、变价金属抑制剂、紫外线吸收剂和光屏蔽剂等。这些抗老化剂和碳黑填充剂，在橡胶沥青的混炼过程中会大量释放到沥青中，从而极大改善沥青混合料的抗老化性能。

2 橡胶沥青的生产工艺及特点

2.1 橡胶沥青的生产工艺

一般橡胶沥青的生产可分为传统热熔法和高剪切法。

传统热熔法：是将加热后的基质沥青和胶粉加到混合罐中进行混合，然后用泵送入反应罐进行高温溶胀。这种工艺比较简单，但改性效果与所用胶粉的粒径有很大关系。沥青橡胶因其高黏性在美国已成为用于OGFC(开级配磨耗层)的主要沥青结合料［11］，其 60℃黏度即可达高黏沥青要求（20000 Pa·s）［12］。开级配磨耗层有较大的摩擦阻力以及大量孔隙，使落在路面上的水能够迅速排除，确保路面的抗滑能力，增强路面的耐久性并可有效降低行车所造成的噪音，但多孔隙的特性导致其使用年限缩短，而且清洗路面需要特殊的清洗设备，造价昂贵。

传统热熔法只经过简单的机械搅拌，胶粉粒子较粗，使路面弹性增大，碾压比较困难，部分路面由于压实不足空隙率较大。

高剪切法：是将加热后的基质沥青和胶粉及添加剂等在预混合罐中搅拌混合，通过泵送至高剪切胶体磨，最后在发育罐中均匀地溶胀。因采用高剪切胶体磨，胶粉和沥青粒子可以被剪切研磨得很细，从而使胶粉在沥青中分散得更加均匀，改性效果及成品储存的稳定性得到显著提高。由于胶粉不能像聚合物改性剂那样粉碎得很细，而且所用轮胎种类及部位的不同也使胶粉成分可能会呈现很大不同，橡胶改性沥青的质量稳定性容易受到影响。

沥青与胶粉在相对分子质量和分子结构上存在差异，属热力学不相容体系［13］。从热力学角度看，聚合物与沥青并不相容，用剪切搅拌等机械方法将其混合后得到的是热力学不稳定体系，其分散相具有自动凝聚、离析的能力。为了促进橡胶粉与沥青的相容性，对胶粉进行预处理已越来越受到重视［14]，很多应用在橡胶工业中的胶粉降解方法正逐渐应用到橡胶粉改性沥青行业中，例如微波降解［15］、微生物降解或两者结合［16］等。

2.2 橡胶沥青的特点

橡胶的部分链段与沥青质胶团均匀地分布在沥青油中，形成一个稳定的、不易产生分离的体系，最终改变了沥青的胶体结构。废橡胶粉改性沥青的性能特征包括：

抗裂性能：由于橡胶沥青中的胶结料含量高恢复性能好，提高了路面对疲劳裂缝、反射裂缝的抵抗能力。并且橡胶沥青中的油膜厚以及轮胎中含有抗氧化剂，使橡胶沥道路路面抗老化、抗氧化的能力也得到了提高。

低温性能：低温下沥青的抗开裂性差。废橡胶粉改性后的沥青在低温时呈现橡胶的柔性，使橡胶沥青低温延度比原基质沥青大大提高，柔韧性增加。因此废橡胶改性沥青较适合在北方冬季低温环境中应用。

高温稳定性：橡胶粉的加入使沥青的黏度增加，因而提高了沥青的抗高温变形能力。

提高行车安全性：因橡胶路面的柔性，将缓冲路面局部不平整引起车辆的振动，改善轮胎与地面的附着性能，缩短制动距离。橡胶中的炭黑能够使路面长期保持黑色与标线的对比度高，道路更加美观［17］。

降低行车噪音：由于废橡胶粉本身的弹性能使混合料的弹性明显增加。表现为回弹变形增大、模量减小，应力扩散和吸收能力增强，具有降噪效果。

3 不同添加剂与橡胶沥青的性能

3.1 橡胶粉与SBS复合改性沥青

SBS是苯乙烯与丁二烯嵌段共聚物，苯乙烯段物理交联能改善沥青的抗高温永久变形能力，而丁二烯段赋予沥青一定的柔韧性。当橡胶粉同SBS等高分子材料一起加到沥青中时，胶粉可起到增量、增强或赋予新功能等作用。橡胶粉在沥青中形成的网络结构是不规则的，但橡胶粉与SBS共混时，橡胶粉的不规则网络结构随SBS网络结构形式而存在。沥青中加入橡胶材料和SBS，然后在高剪切胶体磨剪切、研磨、加热综合作用下逐渐变细，最终以细小颗粒分布于沥青中而形成橡胶网络，可以使沥青针入度下降，软化点上升，从而路用性能得到很好的改善［18］。

因掺加胶粉，SBS的添加量可以从4%～6%降到2%左右，降低改性沥青的成本；同时由于SBS的加入可以在保证改性效果的基础上降低胶粉的添加量，使得体系的黏度降低，便于分散与施工，并有效改善改性沥青的储存稳定性，有利于工业化生产[19]。

3.2 橡胶沥青与硅烷偶联剂混合

沥青中混入橡胶粉后，在加热、搅拌的作用下，有部分炭黑从橡胶交联网络中析出。炭黑是一种无机物，与橡胶、沥青等有机物相容性很差，它的存在使橡胶粉改性沥青的性能降低。硅烷偶联剂对橡胶沥青的主要作用机理是，通过偶联剂的R基团与聚合物反应形成化学键，将橡胶粉中的炭黑与沥青、橡胶的表面或界面联接起来，能增加橡胶沥青中橡胶粉、沥青及炭黑三者之间的交联融合，并提高橡胶沥青的高温性能、感温性能与储存稳定性。但在较低温度下，可能由于橡胶沥青中橡胶粉、沥青及炭黑三相分子运动速度非常缓慢，使橡胶沥青形成的三维交联网络相对比较稳定，造成此时偶联剂的界面联接功效不明显，所以它对橡胶沥青的低温性能影响很小［20］。

4 改性橡胶沥青的影响因素

同类废橡胶粉对同一种规格型号的沥青进行改性，改性沥青的性能与废胶粉的用量、胶粉的颗粒大小、剪切强度、加工处理的温度和时间有很大关系。

4.1 胶粉用量对改性沥青的影响

一般根据基质沥青不同胶粉的添加量也不同。加入少量的废橡胶粉时，橡胶沥青呈“海岛”状微观结构［21-24］；当加入量增多时，形成相互贯通的网络，表现为双连续相，改性沥青的针入度、低温延度、软化点和弹性恢复逐渐增大。但当胶粉增加到一定剂量时沥青的各项指标增加缓慢，而且使沥青的黏度也增大给加工及施工带来不便［25］。因此，废胎胶粉的掺量有一定的合理范围，一般为基质沥青质量的15%～ 23%（内掺）［26］。

4.2 胶粉颗粒大小对改性沥青影响

同一种橡胶沥青胶粉越细，橡胶改性沥青的针入度和延度越大。这是因为胶粉越细，比表面积越大，在沥青中溶胀越容易，对提高沥青延度和针入度有利［27］。但胶粉在沥青中溶胀性有限，过细的胶粉在沥青中将难以形成骨架结构［28］，会对沥青的弹性恢复减弱，并在温度升高时易流动变形，即软化点会降低。因此，对沥青改性并非胶粉细越好。而且胶粉越细，其价格也越高。一般国内多采用60目的胶粉，而国外则采用80目较多。

4.3 反应温度对改性沥青的影响

改性沥青是由高分子组成的混和物，各组分的相对分子质量不同，其分子运动主要是靠高分子链段间协同运动来完成的。搅拌温度较低时，得到的改性沥青的软化点较低。这是因为温度较低时，沥青中的高分子链运动相对较弱，改性沥青中胶质分子与溶入沥青中的橡胶颗粒表面分子结合的几率较小沥青的动态相对分子质量较小，沥青动态相对分子质量较小，改性沥青中整个高分子链运动所需要协同链段数就较少，分子链运动起来比较容易。运动时所需克服阻力较小。也就是，改性沥青由黏弹态向黏流态转变所需的温度较低。搅拌温度升高时，改性沥青中胶质分子与橡胶粒及橡胶粒表面分子的结合几率增大，使沥青的动态相对分子质量增大，对应改性沥青高分子链运动所需要的协同链段数增多，分子链运动就相对要克服较大阻力，最终使改性沥青的软化点相应升高。温度再升高时，沥青体系中的分子链与胶粉颗粒均匀分布并能很好地结合为一体，但由于胶粉中橡胶的抗断强度降低，胶粉粒的高弹性能就会降低，从而使改性沥青的软化点也降低［29］。

反应温度一般为160～180℃。胶粉品种不同，加工的温度也略有区别。当温度低于160℃时，胶粉颗粒不能充分溶胀和脱硫，温度高于200℃时，容易导致胶粉炭化,随着分解温度升高和时间的增加能导致胶粉完全破坏而生成低沸点烃类，这时胶粉中的碳黑和无机组分只是起着沥青填充剂的作用，胶粉分解的低分子产物起着对沥青的稀释作用［30］，从而造成沥青性能的恶化。

4.4 反应时间对橡胶沥青的影响

剪切时间太短，废橡胶粉与沥青混合会不均匀，在废橡胶粉与沥青的体系中有大量废橡胶粉积聚团存在；随着搅拌时间的延长，沥青中的废橡胶粉积聚团被进一步分散、变小，变成胶粉单粒，使单个胶粉颗粒与沥青胶体结构中的分散相紧密结合，形成稳定的体系。但剪切时间过长，沥青会因老化而黏度明显增大。适宜的剪切时间为60～90min。

5 结 论

胶沥青中因胶粉的掺加，使胶结料的稠度和路面使用温度下的弹性提高，路面的温度敏感性降低，并且在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。随着我国经济的高速发展,建设高等级公路变得愈加迫切。充分利用资源和保护环境,将废轮胎制成胶粉应用于道路沥青是一条好的出路。目前,胶粉用于改性沥青的理论、试验、技术、实践均已成熟,其价格低廉,有利于环保,具有良好的发展前景。

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Rubber Modified Asphalt and Applications in Road

CAO Ping1,HU Yang1,SUN Hao2and WANG Lei1
(1.College of Petrochemical Engineering,Liaoning University of Petroleum and Chemical,Fushun 113001,China;2.College of Chemical Science and Technology,Yunnan University,Kunming,650091,China)

The research and applications of crumb rubber modified asphalt in the fields of traffic and construction play an important part in sustainable development in Chinese rubber industry.At present,the crumb rubber modified asphalt for road construction technology has made??great progress in China.Rubber asphalt is a mixture of asphalt binder,which is prepared by some process with using crumb rubber powder as modifier.The composition of the rubber powder,characteristics of rubber asphalt and the development process of road construction with using crumb rubber at home and abroad is summarized.Some successful applications of rubber asphalt at home and abroad are introduced,as well as the characteristics of rubber asphalt and the influencing factors on performance index.

Rubber powder;properties of rubber asphalt;applications of rubber asphalt;influencing factors

TE 626.86

A

1001-0017（2012）01-0071-05

2011-03-31

曹萍（1982-），女，汉族，辽宁抚顺人，硕士研究生，主要从事重油研究工作。