废轮胎橡胶粉在温拌沥青中的应用研究进展1

温丽瑗，黄港竣，周鑫杰，张战军，袁凯恒，柯海，陈小平

(1.广东石油化工学院 化学工程学院，广东 茂名 525000；2.广东省石油化工污染过程与控制重点实验室，广东 茂名 525000；3.广东省公路管理局茂名沥青储运中心，广东 茂名 525000)

沥青是公路路面铺设中最常用的材料，在公路建设中发挥着重要的作用。然而，在沥青的施工、运营、养护等阶段会对环境产生一定的影响。如今可持续性发展在全球引起了广泛的关注，建议在沥青路面等基础设施的建设中遵循“回收、循环和降低”(3R)的原则[1]。近年来，许多适合3R的可持续沥青铺装技术得到了开发和应用，见表1。此外，具有附加功能的新型沥青路面，如循环加热沥青路面、光催化沥青路面、低噪音沥青路面、冷却沥青路面、自愈合沥青路面等，也有利于能源的收集和环保[2]。

表1 可持续沥青路面设计的现有技术政策要求技术回收利用铺筑新沥青路面时使用一定比例的再生沥青路面循环利用回收利用废弃物作为路面施工的集料、填充物或改性剂,如废旧轮胎、玻璃、塑料、钢渣、飞灰、金属废弃物等降低排放采用冷拌或温拌沥青技术降低能耗,以及通过沥青橡胶或多空隙沥青路面技术降低交通噪音

将废旧汽车轮胎回收后应用到沥青路面中，既符合废旧轮胎的回收又符合降低交通噪声的原则。此外，橡胶粉的掺入使沥青路面更耐用[3]。目前，主要有干法和湿法两种工艺。干法是将橡胶粉直接添加到沥青混合料中替代部分集料或填料；湿法是指先用橡胶粉对沥青进行改性，使改性后的黏结剂、骨料和矿物填料充分混合。湿法不仅像干法一样利用了橡胶粉的弹性颗粒效应，还利用其聚合物组分作为沥青改性剂来提高黏合剂的流变性能。橡胶沥青(AR)属于湿法生产的橡胶沥青黏结料[4]。AR混合料除了具有优越的力学性能外，其降噪效果也很显著。不溶性橡胶粉颗粒对振动源产生的噪声起到缓冲作用，较常规沥青路面降噪3～5 dB。然而，阻碍该技术广泛应用的一个主要问题是和易性差。AR比传统的沥青黏合级更黏，与集料的共混和压实温度比常规沥青混合料高35～60 ℃，施工环境较差，能耗高，有害物质排放多[5]。针对这一问题，研究学者提出了温拌沥青(WMA)技术来提高AR路面的和易性。将WMA技术与AR技术相结合，是解决AR混合料施工排放高，生产耐用、低噪音路面的理想途径。

本研究旨在从配合比设计、沥青-橡胶-温拌沥青添加剂相互作用、力学性能、流变性能、建筑排放等方面介绍温拌沥青的最新发展。

1 温拌橡胶沥青(WAR)黏结料及混合料的生产

1.1 黏结料的制备

实验室中，生产AR一般采用高剪切混合器(混合速度:1000～4000 r/min)，混合温度为175～200 ℃[6]。而在现场，黏合料是通过特殊的混合设备在工作现场或附近混合传统沥青和橡胶粉来生产的。反应时间应限制在1 h以内，以防止橡胶粉进一步脱硫解聚[7]。在大多数研究中，WAR黏结料是将WMA添加剂加入热AR中，在相同或稍低的温度下混合几分钟而制备的。通过常规的混合程序，可以很容易地评估WMA添加剂的效果，而且现场质量控制也应该更简单。另一种混合顺序预处理方法是将橡胶颗粒浸泡在液体表面活性剂中，使液体WMA添加剂被橡胶屑吸收，然后将改性后的橡胶粉与热沥青混合。

1.2 配合比设计

WMA的配合比设计与HMA过程类似。目前，AR的配合比设计也适用于WAR，不考虑温拌剂的类型和加入时间，所有程序基本上包括五个步骤，即骨料和黏结剂的选择、混合料压实、压实混合样品的空隙度测量、机械测试、最佳黏结剂含量测定。

一般情况下，由于AR黏结料中有一部分沥青是用橡胶粉代替的，AR/WAR黏结剂的含量一般应高于相应的含原生沥青的混合剂。已有的实践经验表明，温拌橡胶沥青中最佳沥青含量(OAC)应为纯黏结剂最佳沥青含量的1.2～1.4倍[8]。由于橡胶粉的膨胀特性和黏结剂含量的增加，空隙和开放级配比致密级配更适合AR/WAR。沥青混合料的最佳沥青含量取决于设计的空隙率、集料来源、压实方法、相应沥青路面的使用条件等。根据已有研究，密级配、间隙级配和开放级配的混合料的OAC分别在4.4%～5.5%、4.5%～6.2%和4.3%～6.5%[9]。

2 橡胶沥青与温拌橡胶沥青

2.1 橡胶粉与沥青的相互作用

橡胶粉可由废旧小车或卡车轮胎粉碎得到的，主要由天然橡胶、合成橡胶、炭黑和填充物组成。沥青包含四个组分，饱和分、芳烃、胶质和沥青质。高极性沥青胶束分散在饱和分、芳烃和胶质的黏性相中。已有研究者对橡胶沥青内部的相互作用机制进行了广泛的研究。特别是Wang等[10]全面总结表征AR黏结剂中组分间相互作用的现有化学方法。橡胶粉与沥青的相互作用发生在评价温度下高剪切混合过程中。在相互作用过程中，橡胶屑发生了两个阶段的变化：溶胀和溶解。橡胶屑的溶胀与溶解是同时发生的。

AR的生产不是简单地将橡胶粉混合和分散到热沥青结合剂组分中，而是一旦与热沥青混合，橡胶粉的外部随着混合时间的增加而溶解，释放出天然橡胶、合成橡胶和其他组分到沥青组分中。此外，沥青中的轻组分饱和分和芳香烃被吸附到橡胶粉聚合物链中，在橡胶粉周围形成一层薄薄的凝胶层。一项关于AR黏结料四组分分析的研究表明，与原沥青相比，AR的重组分比例更高，轻组分比例更低，这应归因于橡胶粉的吸收作用[11]。

2.2 沥青、橡胶粉和温拌剂的相互作用

温拌橡胶沥青的生产也不仅仅意味着将橡胶粉和温拌剂混合和分散到沥青馏分中。膨胀橡胶粉、沥青组分和WMA添加剂相互作用原理：在混合过程中，温拌剂和沥青组分的两种成分都被吸收到橡胶-沥青相互作用区。Yu等[12]采用分段提取法将膨胀型橡胶粉的相互作用区域划分为四层，他们发现蜡类添加剂对膨胀橡胶吸附性能的影响有限。相反，据报道，化学表面活性剂会显著降低大分子含量，阻碍碳氧键的形成。对于WAR黏结剂的最终状态，利用环境扫描电子显微镜(ESEM)观察表明AR具有单相连续结构，颗粒在基质沥青中不均匀分布，Evotherm-DAT能够使橡胶沥青体系更加均匀。

除了WMA添加剂的种类外，混合过程也影响温拌橡胶系统的相互作用。Yu[13]发现，使用相同用量的蜡添加剂，直接将橡胶粉、温拌剂和沥青混合在一起，可以使温拌橡胶沥青胶凝剂液态沥青相中的蜡含量低于常规方法。这意味着在反应过程中，基质沥青和蜡分子的轻组分都被橡胶粉吸收。

3 温拌橡胶沥青的工程性能

3.1 温拌橡胶沥青黏合料的流变特性

橡胶粉与基础沥青的相互作用使橡胶沥青在高、中、低温下具有优越的性能。橡胶粉的溶解和膨胀显著提高了沥青黏度。因橡胶粉与沥青的密度差异，橡胶沥青的贮存稳定性较原沥青差。温拌剂的添加能缓解AR的工作性问题。在基质沥青中掺入橡胶粉后，沥青黏结剂的针入度、延度和相位角降低，软化点、弹性回复率、黏度和复合剪切增加[14]。Wang等[15]评价了AR和WAR黏结剂中液体沥青相的流变性能，并发现AR抗车辙性能的提高主要是因聚合物改性和颗粒效应，而疲劳寿命的延长主要是因橡胶粉的颗粒效应。

WMA添加剂的种类和含量对AR黏结剂的流变性能有显著影响。根据高性能沥青的流变学表征，FT-wax可以增强车辙抗力，但降低疲劳和低温开裂抗力[16]。然而，线性振幅扫描(LAS)试验表明，温拌剂FT-wax对疲劳抗力的影响是有效的[17]。通过对比温拌橡胶沥青、砂浆和混合料的疲劳性能评价，Yu等[18]提出LAS是比高性能沥青疲劳因子试验更可靠的疲劳试验。为了保证良好的低温性能，应控制蜡剂的用量。各种化学添加剂对AR黏结剂的抗车辙性能有负面影响。发泡添加剂对车辙性能影响不明显，发泡过程对车辙性能有轻微的负面影响。

3.2 温拌橡胶沥青混合料的力学性能

沥青混合料的力学性能因具体的沥青、混合料级配、集料类型以及混合条件的不同而有很大的差异[19]。热橡胶沥青混合料的水稳定性、刚度模量、抗裂性和永久变形性等力学性能均明显优于常规热拌沥青，这与AR黏结剂优越的流变性能相一致，是由于黏结剂黏度的增加和生产温度的升高。Yu等[20]采用马歇尔样品的空隙率和SGC样品的旋转次数作为沥青混合料压实性的度量。研究发现，温拌剂的添加可以使AR混合物的生产温度降低至少16 ℃，而不会显著影响混合物的压实性。其他研究也表明，使用WMA技术可以降低混合温度20～35 ℃，对体积性能的影响非常小[21]。

WAR混合料的抗湿损性能略差于热AR混合料，这是因为在较低的生产温度下，骨料中滞留的湿气较多[22]。哈巴尔和辛格表面自由能研究也得出了同样的结论。研究发现，与热AR相比，Rediset、Sasobit和Advera的AR具有较差的耐湿性[23]。温拌技术本身不太可能影响湿度敏感性，问题可能是由于骨料条件和施工质量所导致。水性化学添加剂(如Evotherm-DAT)由于液体表面活性剂的不完全蒸发而对水分敏感产生负面影响。此外，温拌沥青混合料的性能通常比相应的热拌沥青差，原因是骨料加热温度较低。在疲劳性能方面，Xiao等[24]认为，在有机、化学和发泡添加剂中，只有asphamin抗疲劳开裂性能较差。

4 经济和环境效益

在WMA的作用方面，有研究证明，加入WMA可以在节能方面取得显著的效益。较低的施工温度所带来的好处可能会被更高的额外材料成本所抵消。Wang等[25]认为，与传统HMA相比，温拌橡胶沥青需要更高的初始成本，但由于其增强的工程性能和较低的维护成本，在全寿命周期更具成本效益。

据报道，WMA在建设期间产生了显著的环境效益。与传统的HMA相比，WMA技术可减少排放二氧化碳和二氧化硫30%～40%，挥发性有机化合物50%，一氧化碳10%～30%，氮氧化物60%～70%。根据欧洲的一项研究，使用WMA技术可以节省20%～35%的燃料[26]。与混凝土路面相比，在升级配混合料中使用轮胎橡胶可降低至少50%的轮胎噪声。其降噪效果主要是由于橡胶颗粒残留在沥青路面中的特性所致。

5 未来研究方向

虽然已有文献报道了黏结剂的流变特性、混合料的力学性能以及温拌橡胶沥青的相互作用机理，但温拌橡胶沥青仍值得进一步研究，如何回收温拌橡胶沥青路面、如何通过WMA添加剂控制沥青与橡胶的相互作用，如何针对特定区域优化WMA与AR的组合。通过WMA添加剂控制沥青和橡胶之间的相互作用，开发一种典型的WAR设计的最佳混合参数(材料用量、混合时间/温度/速率/顺序)。此外，还应从流变学特性和微观/化学特性两方面评价不同组分之间的相互作用水平。在此基础上，提出采用生命周期成本分析(LCCA)和生命周期评价(LCA)来平衡WAR路面的经济与环境性能。通过对施工技术、维修技术和运行参数的深入研究，将对WAR有更深刻的理论和实践认识，从而使WAR得到更广泛的应用。