废橡胶粉改性沥青的研究进展

李方鸿　彭晓春　吴彦瑜

摘 要 概述了国内外废橡胶粉改性沥青的应用现状，总结了废橡胶粉改性沥青的生产方法、性能以及改性机理，指出使用废橡胶粉对沥青进行改性具有重要的理论和现实意义的结论。

关键词 废橡胶粉 ；改性沥青 ；研究进展

中图分类号 U416.218

Abstract The current domestic and overseas of application of crumb rubber modified asphalt were introduced. The progresses of researches of production methods， modification mechanism， performance and application of modified asphalt were summarized. It is of great significance to modify asphalt with crumb rubber in theory and practice.

Key words crumb rubber ； modified asphalt ； research progress

中国是世界上最大的橡胶消费国，也是最大的废旧橡胶生产国之一。据推算，到2020年，中国废旧橡胶的产生量将达950万t[1]。废橡胶有着高强度、耐磨和稳定性强的特点，具有稳定的三位化学网状结构，同时也造成了废弃后长时期不能自然降解的问题。废旧橡胶的大量堆积，容易造成土壤植被破坏，增加环境污染，久之更易生蚊虫、加速病菌传播、危害健康[2]。将废橡胶粉用于改性道路沥青，不仅能改善沥青的高低温性能，优化路面质量，还可以回收利用废旧橡胶，减少固体废弃物污染，加之中国是世界第一大橡胶消费国，进口量庞大，因此，提高废橡胶的综合回收利用，特别是废橡胶粉改性沥青的研究与应用，既可节省资源又可减少环境污染，具有广阔的应用前景和现实意义。

1 废橡胶的回收利用现状

橡胶可分为3类，即天然橡胶、合成橡胶和热塑性弹性体。1910年开始，各国就开始研究更为有效的废橡胶再生处理技术，合理回收与利用废旧橡胶不仅可以降低环境污染，又能缓解如今资源缺乏的困境，提高资源可持续利用率。在欧洲，废橡胶的管理主要为物料回收、能量回收以及翻新；美国的主要方法是轮胎衍生材料，铺地用橡胶和土木工程应用。资料表明，在美国，每年替换下来的废橡胶轮胎，约有90 %被重新回收利用，除了作燃料和土木建筑材料外，还用作生产热塑性塑料盒热固性混配物的原料，例如回收提取炭黑、石油、钢丝、可燃气体等，大大地节约了能源和石油资源，同时减少了大量的CO2排放。

2 废橡胶粉改性沥青的研究现状

2.1 废胶粉改性沥青研究现状

2.1.1 国外废胶粉改性沥青研究现状

国际上，1843年的英国专利[3]最早出现了在沥青中掺入橡胶的记录。当今发展混合橡胶沥青的工艺首现于20世纪40年代的美国，当时，一家美国回收公司采用干法生产工艺生产RamlqexTM橡胶粉沥青混合料。20世纪60年代开始，欧美部分国家相继出现将沥青和橡胶混合的研究，并大规模投入到公路建设（铺路试验），又经过技术推广和完善立法，鼓励发展使用掺入橡胶粉的沥青公路。

目前，美国废旧轮胎的回用率居世界之首，高达80 %以上。南非的废旧轮胎橡胶粉在公路行业上的应用也十分成功，有60 %以上的道路沥青使用橡胶沥青。俄罗斯有关交通部门采取在路面加入废轮胎胶粒，可防因路面结冰造成车轮打滑，降低交通事故概率[4]。英国在萨里郡交通最繁忙的4条道路上铺设了废轮胎胶粒，可有效地降低车辆行驶时产生的噪声[5]。

2.1.2 国内废胶粉改性沥青研究现状

中国对废橡胶粉改性沥青的研究相对较晚，始于20世纪80年代，在工程路面中使用改性沥青混凝土，并对不同的改性剂和改性方式作了大量的尝试。最初，中国生产的胶粉性能较差，加之配套技术落后，未能广泛地实用化。江西省和四川省经过10多年利用废橡胶粉改性沥青修建公路，对减少地面光线反射和路面热稳定性能提高做了较好的试验研究[6]。由石油大学重质油研究所等一些大专院校和科研机构组成的研究组在废胶粉改性沥青的机理及开发应用等方面取得了突破性进展[7]。2001年春，在国家交通部公路科学研究所的指导下，首次在钢桥桥面尝试混铺30 %的胶粉改性沥青，该桥面成功经受了4个夏季的超重压考验，并保持各项性能指标的优良[8]。如今，中国已能自主生产粒径为80目的胶粉，胶粉越细，其性能越好，且其价格远低于其它改性剂，成本优势明显，并且耐疲劳性高，抗裂口的拉伸强度大。

2.2 废胶粉及其改性沥青的生产方法

2.2.1 废橡胶粉的生产方法

胶粉的生产方法主要有3种：常温粉碎法、低温粉碎法和溶液粉碎法。常温粉碎法在3种生产方法中最为经济实用，通过机械剪切力的作用对橡胶进行粉碎的一种方法，常温粉碎法生产的胶粉，其表面凹凸不平、呈海绵状。目前，常温粉碎法主要有辊压法、齿盘法和螺杆法3种。低温粉碎法是将废橡胶经低温催化后采用机械进行粉碎的一种方法，这种方法制得的胶粉粒径小，表面光滑，受热氧化程度低，但由于其生产成本高，主要用于高性能制品中。湿法或溶液粉碎法是先将废橡胶粗碎，而后在一种溶剂或溶液等介质中对废橡胶进行粉碎生产胶粉的方法。该法主要的粉碎设备是磨盘式胶体研磨机。在胶粉工业化生产中，常温粉碎法占主导地位[9]。

2.2.2 废橡胶改性沥青的生产方法

废橡胶改性沥青的生产方法分为干法[10]和湿法[11]两种。干法，即PUSRIDE法，是将胶粉作为一部分混合原料直接掺入到正在搅拌的热沥青搅拌器中，所制成混合物为橡胶粉改性混合料。干法生产成本低，不需要专门的设备。不过其生产的改性沥青一致性差，因此不适用于公路的面层和制备防水沥青。湿法，即MCODONALD法，是在160-180 ℃的热沥青中边搅拌边将废胶粉与沥青混合，制成改性沥青混合液，然后把橡胶粉改性沥青与集料进行热拌和制成混合料。

2.3 废胶粉改性沥青的改性机理研究

2.3.1 废胶粉改善沥青机理

在废胶粉改性沥青的制备过程中，在热状态混合下，原来的胶体结构平衡被破坏，胶粉的端基软化，并产生一定的流动，中基则吸收沥青中的油分形成体积增大许多倍的海绵状材料，发生溶胀现象，建立新的胶体结构体系。由于硫化橡胶与可溶质粘度小的沥青同属非极性材料，沥青本身是橡胶良好的软化剂，可见橡胶与沥青是溶质与溶剂的关系。Billiter[12]等研究发现，高温、高剪切速率（如263 ℃，4 000 r/min）下进行加工处理可导致橡胶的溶解度增加，进而使沥青的粘弹性和可塑性增强。由于S-S键的热稳定比C-C键的差，所以脱硫潜力很大。Memon[13]等研究了高温和高剪切加工处理对其脱硫和降解的影响，得出在加热和加速搅拌下可达到更好的降解和脱硫效果。

2.3.2 溶胀机理

沥青是由沥青质、胶质、芳香分和饱和分等高分子碳氢化合物及其衍生物组成的混合物，成分极其复杂，发生溶胀的机理也不同。沥青胶体结构变化，加入热沥青中的橡胶粉能吸附沥青中的轻组分，经过渗透，扩散进入橡胶网络，使橡胶溶胀，形成相容体系，促进沥青性能的提高。其改性机理是沥青对胶粉进行活化，增强其自由基，而胶粉中的抗氧剂等稳定剂使沥青的抗氧化能力增强，共同作用下沥青与胶粉形成混溶体系，既可保持沥青原有性质，又赋予橡胶材料的粘弹性和耐久性。Heitzman[14]表述橡胶颗粒吸收沥青中的油分而溶胀形成凝胶状的物质，是一种橡胶粉对沥青中芳香油的非化学反应吸附，在橡胶粉聚合物链中与之结合。在这个过程中橡胶粉不会溶解到沥青中，橡胶微粒大小的变化和凝胶结构的形成使橡胶微粒和沥青之间的距离减小，从而增加粘度，产生改性效果。

2.3.3 相容性理论

沥青与胶粉之间存在着相对分子质量及分子结构上的差异，属于热力学上的不相容体系[15]。从热力学角度看，聚合物与沥青是不相容的，采用剪切搅拌等机械方法将其混合，也是热力学不稳定体系，分散相具有自动凝聚、离析的能力。Maccarrone[16]认为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、不发生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、脱离以致溶解。

3 废橡胶粉改性沥青的性能

3.1 贮存稳定性

废胶粉改性沥青的贮存稳定性是指改性沥青在生产、贮存和使用过程中不发生聚合物离析和降解的性能。在多数情况下，废胶粉改性沥青离析时，由于高温下沥青的黏度相对较小，胶粉的密度相对较大，以致原本均匀分散的废胶粉发生团聚而沉析，密度小于沥青相得轻质组分就会在沥青上部形成乳状层或者结皮，从而影响沥青的性能[17]。废胶粉改性沥青的储存稳定性主要由两者的相容性决定，相容性越好，胶粉改性沥青就越稳定，胶粉粒径越小，改性沥青越容易稳定；通过添加相容剂可明显缩短达到稳定所需要的时间。

离析试验是目前国内外评价聚合物改性沥青稳定性经常使用的方法。康爱红[18]等通过沥青离析试验的方法对胶粉改性沥青的稳定性进行了测试，他们采用荧光显微照相技术和红外光谱法对改性沥青进行分析，结果发现，当胶粉掺量较低时，离析较小；掺量达到一定值时，离析开始增大；当掺量达到15 %左右时，离析又变小；而掺量在增加时则离析又变大。研究表明，废胶粉改性沥青的存储稳定性不是很好。Goliaszewski[19]等研究表明，沥青中加入马来酸亚胺能提高橡胶粉在沥青中的分散程度，改善其贮存稳定性。

3.2 感温性

在路面应用过程中，沥青材料的感温性决定沥青使用时的工作性，对沥青路面的抗车辙、抗低温开裂和耐久性等主要技术性能均有重要影响[20]。针入度指数PI是最常用的评价改性沥青感温性的指标。而由针入度推导出来的当量软化点能反应改性沥青的高温性能[21]。陈小萍[22]等通过用针入度指数和软化点2个指标对胶粉改性沥青进行性能研究，结果表明，随着胶粉掺量的增大，改性沥青的高温稳定性得到了明显改善，不过胶粉掺量并非越大越好，其掺量在15 %-20 %时最适合。石洪波[23]等采用T800、当量脆点、4 ℃延度评价改性沥青的感温性。结果发现胶粉改性沥青的感温性得到极大，改善，T800提高约7 ℃，当量脆点降低8-10 ℃，4 ℃延度也提高20 cm，这说明废旧橡胶粉明显改善了沥青的感温性能。

废胶粉用于改性沥青，既能改善沥青的性能，降低物料成本，增加循环利用率，又能对环境生态的保护有着不可估量的作用。目前，中国不仅在废胶粉改性沥青的理论方面有很大的进展，而且在技术和应用方面也取得飞跃性的突破，如能尽快制定出相应的废旧橡胶粉改性沥青的行业标准规范，必将可以更好地对废橡胶进行科学管理，指导生产性能良好、价格合理的废胶粉改性沥青。因此，提高废橡胶的综合回收利用，特别是废橡胶粉改性沥青的研究与应用，既节省资源又减少环境污染，具有广阔的应用前景和现实意义。

参考文献

[1] 靳 玲，刘太闯，刘琼琼. 废橡胶粉的应用研究最新进展[J]. 资源环境与节能减灾，2010（3）：114-116.

[2] 孙玉海，盖国胜. 我国废橡胶资源化利用的现状和发展趋势[J]. 橡胶工业，2003，50（12）：52-55.

[3] 杨志峰，李美江，王旭东. 废旧橡胶粉在道路工程中应用的历史和现状[J]. 公路交通科技.2005，22（7）：19-23.

[4] 韩秀山. 我国公路应推广使用废胶粉改性沥青[J]. 橡胶工业，2001，48（8）：474.

[5] 董诚春. 胶粉改性沥青的制法及其应用[J]. 中国橡胶，2003，19（10）：26-27.

[6] 石洪波，邹明旭. 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）：159-162.