橡胶改性沥青研究进展

栗煜东， 潘宝峰， 杨 雪

(大连理工大学交通运输学院， 辽宁大连 116000)

随着国家现代化进程的提速、人们生活条件的提高，人均汽车拥有量也逐年增加，交通量不断增大，路面承受的车辆荷载比以往加重，尤其是一些重交通路段，交通荷载已经超过了路面所能承载的重量[1]。为此，在抑制交通量大幅增长的同时，道路材料的性能也需要得到加强，这样就对沥青材料以及混合料的粘附性能、抗弯拉性能、耐久性等等提出更高的要求。橡胶沥青(Asphalt Rubber)最早见于 1843 年的英国专利[2]，现代意义上的橡胶沥青混合料首先出现在上世纪40～60年代的美国。截至目前，橡胶作为沥青改性剂的研究在国内外已经有50多年的发展历史了[3]，并且逐步得到重视，在沥青研究领域不断发展。

以往的研究中，橡胶沥青的制备工艺存在一定差别，这也是造成其在性能上各有不同的根本原因，本文分类总结了橡胶改性机理以及目前橡胶改性沥青的制备工艺研究进展情况，同时阐述了各种工艺相应的性能试验结果，以期为橡胶改性沥青的研究和使用提供参考。

1 橡胶沥青改性机理

目前主要的橡胶沥青改性机理[4]有：物理共混和化学共混。物理共混是指橡胶加入到沥青中后会产生颗粒作用和反应作用[5]，发生溶胀和小部分溶解，并且均匀分散在沥青中形成共混体系。在此过程中，整个体系中没有发生化学作用，体系稳定性主要的评价指标是二者的相容性以及橡胶颗粒的分散性等。化学共混是指硫化橡胶在沥青中发生了脱硫、裂解反应：橡胶原有的硫-硫键等化学键断开，使大分子结构分散成小分子链状结构；同时，沥青中含有极性和非极性化合物，存在着羟基、脂基等有机官能团，因此脱硫后的橡胶分子在一定条件下会与沥青分子发生有机化学反应，生成新的化学键，并使二者形成化学交联，从而形成大分子网络体系[6]。

2 橡胶改性沥青制备工艺及其改性效果

2.1 橡胶粉直接用于沥青改性

如今将橡胶破碎成为橡胶粉并直接投入到沥青中搅拌制成改性沥青的方法被称作传统橡胶沥青改性方法。

王辉、邓乔等人[7]发现当橡胶粉细度从20目增加到60目时，橡胶沥青的针入度、延度、黏度、弹性恢复能力都有所提升，软化点有所减小；橡胶粉的目数增至80目后，橡胶沥青的技术性能反而有下降趋势。最后研究者综合技术经济分析，橡胶粉的掺量宜为18 %～22 %，橡胶粉的细度宜用60～80目。

Shen等人[8]用BET试验分别测定了冷冻法和常温法生产的橡胶粉的表面积，并结合改性沥青的粘度试验发现改性沥青的布氏粘度提高。

整体来看，直接掺加橡胶粉可以有效提升沥青的高温性能，并且一定程度上可以提升低温抗裂性，但在流动性上有所降低，伴随而来的问题是施工和易性差，施工温度高，带来高能耗和高排放。

2.2 橡胶粉结合添加剂用于沥青改性

从长期以来对橡胶改性沥青的性能研究结果来看，直接将橡胶与沥青混合、搅拌制得的橡胶改性沥青存在着诸多问题，比如橡胶与沥青的结合力不足、储存稳定性等，这一系列问题对工程应用或试验使用都会造成一定影响，针对这些问题，一部分道路科研工作者在改性沥青的同时掺入一些添加剂，使橡胶和沥青之间能够实现化学交联，从而提升橡胶改性沥青的性能。

朱月风[9]等人对我国自主研发的TOR连接剂进行了试验研究，使用FM300型高剪切分散乳化机进行高速剪切搅拌，TOR连接剂掺量为胶粉质量的4.5 %。试验结果表明：通过TOR的掺加，橡胶沥青的塑性范围得到一定程度的提高，并且当量脆点升高表明在高温性能加强的同时，低温性能也有一定程度地改善。

PPA中文名叫聚对苯二酰对苯二胺，又称多聚磷酸，是一种化学品，化学式是H6P4O13，Weidong Cao等人[10]在橡胶改性沥青制备过程中加入该物质。研究者通过性能试验发现，改性沥青的高温性能和低温性能均得到提升。

还有研究将生物油作为橡胶沥青掺加剂，和胶粉一同投入沥青中剪切搅拌，这一研究方向也逐渐成为热门。Joana Peralta等人[11]从红橡树中蒸馏得到一种生物油并用于橡胶沥青改性。研究发现，蒸馏得到的生物油可以降低橡胶沥青的加工温度，同时还可以加快橡胶的溶胀速率，并且提高改性沥青的抗疲劳特性和低温稳定性。此外，还有研究表明生物油能够提升沥青整体的流变性能和高温稳定性能[12]。

2.3 预处理橡胶用于沥青改性

由于橡胶粉与沥青之间存在密度差异，在发生物理共混后，橡胶沥青在储存过程中易出现离析现象，影响使用效果，而化学共混在传统方法中不易发生。为改善橡胶与沥青的相容性，使橡胶粉在加入之前做预处理成为近年的一个研究热点。

有研究表明[13]，胶粉在沥青中主要发生溶胀、脱硫和裂解反应，其中传统橡胶沥青制备中会发生溶胀反应。针对于橡胶在沥青溶胀时间过长而导致的由于需要较长的养护时间而引发老化的问题，Cheng等人[14]将橡胶颗粒放在少量SK70沥青中进行了预先的溶胀处理，然后将处理后的橡胶加入到SBS中混合，再加入到沥青中剪切，制备出复合型改性沥青，相比于基质沥青具有更好的性能。

我们常说的橡胶颗粒、橡胶粉等本质上都是硫化橡胶。当硫化橡胶粉经过脱硫处理后，内部交联结构打开，表面活性得到加强，在沥青中更容易发生溶胀，且伴随着大量的化学结合，形成的改性沥青稳定性高[15]。脱硫的方式有使用芳香油[16]、松香类油脂或多种脱硫剂[17]，配合挤出机进行脱硫，如赵安东[18]将胶粉和脱硫剂580以及松焦油混合，使用双螺杆挤出机制备脱硫橡胶用作沥青改性剂。也有通过机械剪切、热处理、微波处理等方式获得脱硫橡胶。如G. X. YU等人[19]使用家用微波炉对橡胶进行微波脱硫，后将基质沥青加热至180 ℃，加入质量分数为20 %的脱硫橡胶，最终得到脱硫橡胶改性沥青。红外光谱试验结果显示，在微波作用下橡胶中的S-S键和S-C键断裂，原有空间结构发生破坏，使沥青中的轻质成分更容易渗透到内部，并形成新的空间结构。从宏观试验结果得出，脱硫橡胶的掺入使沥青的低温延度、粘弹性还有存储稳定性有所提升，温度敏感性下降。

Elham H. Fini等人[13]通过对废旧橡胶进行高温热解，制得了液体橡胶，之后与基质沥青混合后在高速剪切设备中进行剪切搅拌。通过粘度试验、MSCR试验等发现经过这种液体橡胶改性后的沥青流变性能、低温性能以及抗老化性加强。

2.4 橡胶胶乳对沥青的改性

橡胶粉改性沥青中存在的橡胶掺量过大的问题，以及随着大量橡胶粉的掺入，沥青中的橡胶填充料(碳黑等)含量也随之增高，沥青粘度也随之增高，因而为了提高施工和易性和沥青对集料的裹覆性，通常需要升高施工温度(185 ℃左右)来满足需求[13]。针对以上问题有学者提出选用一种橡胶乳胶来代替橡胶粉来对沥青进行改性。

早期有研究者将橡胶胶乳用于改性乳化沥青的制备工艺中[20-21]，其中分为掺配法和乳化法。掺配法是按照比例将胶乳和乳化沥青直接掺配得到改性乳化沥青；乳化法是将石油沥青、胶乳、稳定剂、软化剂和水按照特定次序加入到乳化设备中搅拌得到橡胶乳化沥青。

Yong Wen等人[22]选用产自泰国的天然橡胶胶乳作为沥青改性剂，改性70号基质沥青。研究发现，天然胶乳的掺入使沥青粘度提升；DSR和MSCR试验结果表明其抗车辙、抗疲劳特性得到加强，温度敏感性降低；通过显微镜观察发现天然橡胶均匀分散在沥青中，能够有效提升沥青的储存稳定性。

Wachira Saowapark等人[25]提出在加入天然橡胶胶乳的同时添加适量的多聚磷酸(PPA)和硫磺，这样可使三者混合过程中发生化学交联，在相同胶乳掺量的情况下提高改性沥青的性能，从而可以达到降低胶乳掺量的目的。研究者通过试验发现，天然橡胶改性前后沥青的软化点、粘度提升，高温稳定性增强。

3 展望

整体而言，目前橡胶改性沥青仍主要处于室内研究和分析阶段，其在工程应用方面的研究还有待加强。橡胶改性沥青的研究和推广使用中仍存在一些重要问题亟待解决，主要包括以下几个方面：

(1)对于橡胶的应用，具有明显的环境效益及经济社会效益。对于预处理橡胶改性沥青和橡胶胶乳沥青等新兴的沥青改性方式在生产方式上还存在着工艺复杂、不易实现等问题，而且仅限于实验室室内研究阶段。为此还需要进行进一步的室外路面研究，促使其能够投入到生产生活中。

(2)在沥青改性方式不断发展的同时，与之相适应的混合料以及新型路面结构形式的研究也应该搭配进行，以获得最佳的整体效果。

(3)截至目前，对于天然橡胶胶乳改性石油沥青的研究大多数集中在国外，而我国对于胶乳的研究主要集中于对于乳化沥青的改性。天然橡胶胶乳改性沥青具有稳定性高、橡胶脱硫程度高而更易于改性等优点，并且天然橡胶也属于可持续再生物质，有非常广阔的发展前景。

4 结束语

纵观橡胶沥青的发展情况，研究内容已经逐步从最初始的直接填充形成物理共混到使用其他手段使其发生化学交联作用来提升改性沥青性能。研究中的评价方法也不仅仅局限于沥青三大指标以及粘度试验研究，使用DSR、BBR等试验结论作为分析依据也逐渐成为目前的主要评价手段。研究者们已进行比较多的室内试验论证，并且已经得出一些具有优良性能的橡胶改性沥青的制备工艺，且并未出现特别重大的技术难关，因此在路面工程中具有很大的发展前景和应用空间，具有进一步研究和推广使用的价值。