我國廢橡膠粉用于瀝青改性的研究及應(yīng)用

李琳

（北京機(jī)電院高技術(shù)股份有限公司，北京100027）

1 膠粉粒度及對(duì)應(yīng)用途

利用廢橡膠生產(chǎn)膠粉，集環(huán)保與資源再生為一體，有很高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，是發(fā)達(dá)國家將廢輪胎利用重點(diǎn)由再生膠轉(zhuǎn)向膠粉的根本原因，對(duì)國內(nèi)外循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

膠粉產(chǎn)品用途廣泛，粒徑不同，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域也不同。顆粒較粗的粗膠粉一般代替部分生膠而摻用在低檔橡膠制品中，用以降低成本，補(bǔ)強(qiáng)作用微乎其微，且與生膠的結(jié)合性較差，摻入比例及應(yīng)用范圍也有較大局限性。隨著膠粉粒徑的減小，其生膠結(jié)合能力逐漸提高，甚至可以取代生膠原料生產(chǎn)橡膠制品，而且膠粉的補(bǔ)強(qiáng)作用越來越明顯，可用于瀝青、塑料等材料的改性，提高其性能，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，但由于生產(chǎn)成本也隨之增高，一般僅用于高檔的、有特殊要求的橡膠制品或軍工產(chǎn)品[1，2]。根據(jù)已有研究[2-4]，現(xiàn)將膠粉粒度及其對(duì)應(yīng)用途歸納總結(jié)如下，見表1。

表1 膠粉粒度及對(duì)應(yīng)用途

2 我國膠粉改性瀝青研究現(xiàn)狀

提高瀝青性能是廢橡膠粉最常見的材料改性用途之一，是為了滿足人們不斷提高的生產(chǎn)和生活品質(zhì)而出現(xiàn)的新技術(shù)。

由于已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公路和建筑領(lǐng)域的石油瀝青存在一些缺陷，如在高溫時(shí)軟化，低溫時(shí)龜裂，耐老化、耐磨耗等性能差，在交通和汽車工業(yè)不斷發(fā)展、交通流量和行駛頻度急劇增長、建筑防水和建材質(zhì)量要求日益嚴(yán)格的今天，這樣的瀝青已不能滿足人們的預(yù)期，這就需要對(duì)瀝青進(jìn)行改性。

所謂瀝青改性就是在瀝青或?yàn)r青混合料中加入樹脂、塑料、橡膠、炭黑、無機(jī)鹽等天然或人工合成的有機(jī)或無機(jī)材料，使之熔融或分散在瀝青中以改善瀝青性能。以往經(jīng)常使用的改性劑有PE（聚乙烯）、SBS（熱塑性彈性體）、SBR（丁苯橡膠）和EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物），但其價(jià)格都非常昂貴。根據(jù)市場調(diào)查，我國PE最新報(bào)價(jià)均在10 000元/t以上，SBS均價(jià)25 000元/t左右，SBR和EVA價(jià)格分別約為30 000元/t和20 000元/t，提高了改性瀝青的成本，使其價(jià)格高出普通瀝青2～7倍。

為了降低瀝青改性的成本，美國、英國、法國、瑞典、日本、澳大利亞、比利時(shí)、南非等國家開始了將廢橡膠粉用于改性瀝青的研究，成果顯著，目前已在實(shí)際工程中成功應(yīng)用。

我國關(guān)于廢橡膠粉改性瀝青（以下簡稱膠粉改性瀝青）的研究工作雖然起步較早，基本上和國際同步，但起初并未引起人們的高度重視，致使研究進(jìn)展較慢。直到近些年，隨著環(huán)保和廢棄物資源化利用呼聲的高漲，膠粉改性瀝青才贏得了社會(huì)廣泛的關(guān)注。交通部公路交通研究所、同濟(jì)大學(xué)、吉林省交通科學(xué)研究所等研究機(jī)構(gòu)、院校先后通過實(shí)驗(yàn)室研究及試驗(yàn)路段鋪設(shè)進(jìn)行了膠粉改性瀝青問題的探討，研究內(nèi)容主要集中在膠粉改性瀝青的各種性能指標(biāo)、工藝參數(shù)和應(yīng)用技術(shù)方面[5-7]。但總的來說，我國重復(fù)研究依然較多，具有實(shí)質(zhì)性的技術(shù)突破較少。

2.1 性能研究

膠粉對(duì)瀝青性能的改善情況是國內(nèi)研究的主要內(nèi)容之一。郭朝陽等[8]利用熒光顯微鏡、紅外光譜等微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的分析方法，研究了廢胎膠粉改性瀝青的機(jī)理，證明了瀝青通過與膠粉混溶，其可塑性、粘度、溫度敏感性、穩(wěn)定性、抗老化性、抗裂性和彈性等高溫、常或低溫性能均得到了改善。

薛振華等[9]對(duì)膠粉改性瀝青高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗(yàn)研究：由車轍試驗(yàn)結(jié)果可知，增加瀝青中橡膠顆粒的用量有利于改善瀝青混合料的抗形變和抗車轍能力；小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，在低溫條件下，橡膠顆粒瀝青混合料的抗彎拉應(yīng)變能力、抗裂性及柔性有所提高。根據(jù)水穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，膠粉改性瀝青的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比高達(dá)90.2％。

可見，將膠粉加入瀝青可使瀝青各種性能得到改善，膠粉改性瀝青與普通瀝青性能對(duì)比情況如表2所示。

表2 膠粉改性瀝青與普通瀝青性能對(duì)比表

2.2 工藝參數(shù)研究

國內(nèi)對(duì)膠粉改性瀝青中膠粉的粒徑、摻用比例等工藝參數(shù)也進(jìn)行了較多研究，并得到了較為一致的研究結(jié)論。

張文武[10]首先采用熒光顯微鏡等現(xiàn)代分析測試方法分析了瀝青與膠粉的組成及結(jié)構(gòu)，通過對(duì)瀝青常規(guī)和SHAP性能試驗(yàn)結(jié)果的分析，討論了瀝青改性工藝、膠粉粒徑、種類、摻量以及基質(zhì)瀝青類型等因素對(duì)改性瀝青性能的影響。

孔憲明等[11]研究了膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)、柔度、粘度分別與廢膠粉摻加量及溫度之間的關(guān)系，認(rèn)為瀝青的軟化點(diǎn)、柔度、高溫粘度隨著膠粉摻用量的增加而增加，且高溫粘度過大時(shí)，可通過添加分散穩(wěn)定劑加以調(diào)節(jié)以保證正常施工。根據(jù)對(duì)比分析數(shù)據(jù)，總結(jié)出膠粉最佳摻用比例為20％的結(jié)論。

肖鵬等[12]通過試驗(yàn)分析了在不同類型的基質(zhì)瀝青中摻入不同粒徑的膠粉時(shí)瀝青性能的改變情況，以及廢橡膠粉摻量對(duì)瀝青性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，膠粉粒度越小、摻入量越大，改性效果就越好，而當(dāng)膠粉細(xì)于80目或摻量大于20％時(shí)，改性效果無明顯提高。

劉毅等[13]以AH-90瀝青為基體，采用濕法共混，在140℃及高剪切條件下制備了膠粉改性瀝青，并對(duì)膠粉粒徑和摻用量等工藝參數(shù)對(duì)瀝青性能的影響進(jìn)行了對(duì)比及分析。結(jié)果表明隨著膠粉摻用量的增加，瀝青針入度減小，軟化點(diǎn)和延度增加，摻用量為10份時(shí)改性效果最佳，此外80目膠粉（40～80目范圍內(nèi)）具有最好的改性效果。

石洪波等[14]以遼河AH-90瀝青為基體制備了膠粉改性瀝青，針對(duì)工藝條件與膠粉摻入比例開展了對(duì)比試驗(yàn)研究，提出了剪切轉(zhuǎn)速7 000 r/min、混合溫度170～180℃及混合時(shí)間30 min的膠粉改性瀝青最適工藝條件。并認(rèn)為膠粉最佳摻用比例為10％～20％，摻入量小于5％時(shí)瀝青性能改善效果不明顯，而大于20％時(shí)，改性效果提高速度則開始放慢。

袁德明等[15]基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了最佳工藝參數(shù)：剪切溫度180℃，剪切轉(zhuǎn)速7 000 r/min，剪切時(shí)間40 min，膠粉及調(diào)和油的用量分別不宜超過25份和4份。并且根據(jù)該最佳參數(shù)，采用類似濕法的加工工藝，以廢橡膠粉為基質(zhì)制備出了抗低溫開裂性、耐疲勞性和耐老化性能都優(yōu)于基質(zhì)瀝青，且針入度、軟化點(diǎn)、延度和彈性恢復(fù)等指標(biāo)均能達(dá)到美國廢輪胎膠粉改性瀝青標(biāo)準(zhǔn)（FHWA-SA-92-002）要求的膠粉改性瀝青。

汪海[16]采用熔融共混法制備了膠粉改性瀝青，研究了工藝條件對(duì)膠粉改性瀝青性能的影響。認(rèn)為隨著膠粉摻量的增大，改性瀝青的針入度減小，軟化點(diǎn)增大，彈性恢復(fù)率增大，但膠粉加入量超過20％時(shí)，瀝青性能的改善作用明顯減小。此外他還提出了最適的生產(chǎn)條件：溫度為215℃，剪切速度為4 000 r/min，剪切時(shí)間為40 min。

綜上，在工藝參數(shù)對(duì)膠粉改性瀝青性能的影響方面，國內(nèi)已有研究的結(jié)論差異不大，并總結(jié)出了較為統(tǒng)一的最佳參數(shù)：膠粉摻入量約20％，粒度為80目，剪切溫度180℃左右，剪切轉(zhuǎn)速約7 000 r/min，剪切時(shí)間約 30～40 min。

2.3 應(yīng)用領(lǐng)域研究

膠粉改性瀝青的應(yīng)用技術(shù)也是國內(nèi)研究熱點(diǎn)之一，目前對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域的研究主要聚焦于路面鋪設(shè)與防水卷材生產(chǎn)兩方面[5]。

2.3.1 鋪設(shè)路面

王云鵬等[5]進(jìn)行了SBS改性瀝青以及膠粉改性瀝青試驗(yàn)路段的鋪設(shè)，并采用定點(diǎn)法、車載法分別開展了道路噪聲效果對(duì)比測試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與SBS改性瀝青相比，膠粉改性瀝青顯著地降低了車輛行駛時(shí)的噪聲，并且車速越大，降噪效果越明顯，兩種方法測得的平均降噪量分別為1.8 dB和1.5 dB。

王大成等[17]以實(shí)驗(yàn)室及試驗(yàn)路段的研究為基礎(chǔ)，分析了膠粉改性瀝青的路用性能及各種因素，試驗(yàn)研究表明，通過加入膠粉，瀝青路面的抗高溫軟化及低溫開裂性得到了明顯改善，并且耐磨性和抗老化性均有所提高，延長了路面的使用壽命。

曠小林[18]以江西景德鎮(zhèn)至鷹潭高速公路膠粉改性瀝青混凝土路面為對(duì)象，分別從路面性能試驗(yàn)、膠粉改性瀝青混合料試驗(yàn)以及工程實(shí)體測試3個(gè)層面進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了膠粉改性瀝青具有提高路面各項(xiàng)高、低溫性能，節(jié)約筑路成本，并延長道路使用壽命的作用。

根據(jù)已有研究可知，膠粉改性瀝青路具有水泥路和普通瀝青混凝土路無法比擬的優(yōu)越性，三種路面的對(duì)比情況如表3所示。膠粉改性瀝青可明顯提高路面的耐熱、耐寒性，從而減少了路面龜裂和軟化現(xiàn)象；可改善防滑性能，使剎車距離縮短25％，提高了行駛安全系數(shù)；可加強(qiáng)路面的耐磨性、抗水剝落性，減緩路面老化，將耐磨耗壽命提高至普通路面的2～3倍，降低路面維護(hù)費(fèi)用；增強(qiáng)了路面彈性，從而至少降低噪音2～4 dB；降低筑路總成本，根據(jù)市場調(diào)查數(shù)據(jù)，目前高速公路瀝青鋪設(shè)中較常使用的SBR改性瀝青高達(dá)30 000元/t以上，而80目廢橡膠粉售價(jià)僅約為4 000元/t，成本可節(jié)省87％左右。此外，若按改性瀝青的膠粉最佳摻用比例（20％），每噸瀝青可消耗200 kg左右的廢橡膠粉?？梢?，用廢橡膠粉作為瀝青改性劑降低了筑路成本，實(shí)現(xiàn)了廢橡膠的無害化和資源化處理，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益顯著。

2.3.2 生產(chǎn)防水卷材

膠粉改性瀝青在防水卷材方面的應(yīng)用，國內(nèi)也開展了一些研究，但較之筑路用途，研究較少。

譚金和等[19]通過試驗(yàn)證明了80目廢輪胎膠粉經(jīng)活化處理后，可以替代SBS改性瀝青用于生產(chǎn)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能達(dá)到國家Ⅱ型標(biāo)準(zhǔn)的Ⅱ型防水卷材。

陳捷翔等[20]對(duì)目前應(yīng)用較廣的SBS改性瀝青防水卷材、APP改性瀝青防水卷材和再生膠粉改性瀝青復(fù)合胎（滌棉無紡布、高堿玻纖網(wǎng)格布復(fù)合）柔性防水卷材進(jìn)行了耐水性、耐候性的測試，進(jìn)而比較分析其耐久性的優(yōu)劣。研究結(jié)果顯示，再生膠粉改性瀝青復(fù)合胎柔性防水卷材耐久性較劣于前兩種防水卷材，對(duì)今后膠粉改性瀝青耐久性的改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)作用。

蔡銀鎖等[21]將再生橡膠、廢橡膠與高蠟瀝青卷材經(jīng)混合、塑煉、混煉、再硫化、壓片等工序制成了橡膠-高蠟瀝青防水卷材，并對(duì)各材料的配比和性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明該卷材產(chǎn)品可以通過厚度的增加而獲得較好的耐刺穿性，雖然在抗拉強(qiáng)度方面不理想，但也可以滿足一般防水工程的要求，而對(duì)于防水要求較嚴(yán)格的工程，抗拉強(qiáng)度可以通過加入玻璃纖維的方法得以改善。

表3 膠粉改性瀝青路面與水泥路面、柏油路面對(duì)比[4]

綜上所述，由膠粉改性瀝青制成的防水卷材拉伸強(qiáng)度高、延伸性能好，對(duì)基層表面的伸縮和裂縫的適應(yīng)性很強(qiáng)，防滲漏性、密閉性大大提高，加強(qiáng)了防水能力，適用于屋面和地下工程的防水設(shè)施。此外，其優(yōu)良的耐老化性延長了使用壽命，冷柔性的改善實(shí)現(xiàn)其在低溫條件下的冷施工，表現(xiàn)出一定的工程實(shí)用效果。

3 我國膠粉改性瀝青應(yīng)用概況

使用膠粉改性瀝青已成為國外提高路面質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)措施，并被俄羅斯、美國、日本、加拿大、瑞典、韓國、芬蘭、南非等國家成功用于高速、高等級(jí)公路和飛機(jī)跑道，隨后在葡萄牙、西班牙、澳洲、法國、巴西等國也逐漸掀起了路用應(yīng)用熱潮，并得到了迅速發(fā)展[4，22-24]。其中，美國于1994年立法規(guī)定，靠國家資助鋪設(shè)的瀝青公路，瀝青中必須含有5％的膠粉，通過立法使膠粉改性瀝青的使用得到了推廣，截至21世紀(jì)末，美國鋪設(shè)的膠粉改性瀝青路面就已超過1.1萬km。南非經(jīng)過歷經(jīng)幾十年的5個(gè)發(fā)展階段，目前膠粉改性瀝青已獲得了大面積的應(yīng)用，占到了路面瀝青使用量的60％左右。膠粉改性瀝青作為優(yōu)質(zhì)的防水卷材原料，在國外防水卷材市場也深受青睞，如前蘇聯(lián)于1986年就成功地將膠粉應(yīng)用于由橡膠瀝青防水卷材、無機(jī)絕緣卷材和三層板材組成的隔音復(fù)合地板等建筑卷材中。

我國膠粉改性瀝青用于路面鋪設(shè)的時(shí)間與國外大致處于同一時(shí)期，自1982年以來，江西、湖北、廣州、北京、四川、河北、天津、遼寧等省市就先后鋪設(shè)了膠粉改性瀝青實(shí)驗(yàn)路段，隨后又開始了在新疆、寧夏、云南、河南等地進(jìn)行了示范工程建設(shè)，僅2005—2006年期間，全國范圍內(nèi)就相繼鋪設(shè)了近500萬m2的道路。國內(nèi)膠粉改性瀝青在防水卷材方面的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，當(dāng)時(shí)北方地區(qū)就已將粗膠粉與瀝青摻混，并用于防水卷材。國內(nèi)外實(shí)踐證明，膠粉改性瀝青防水卷材防水、抗老化、耐高溫和低溫等性能優(yōu)良，質(zhì)量輕，維修操作簡單方便，可有效改善施工勞動(dòng)條件，減輕環(huán)境污染等，具有替代SBS改性瀝青防水卷材的應(yīng)用潛力。

總體來說，與國外相比，我國膠粉改性瀝青的研究及實(shí)際應(yīng)用起步并不晚，但卻未獲得與國外等效的發(fā)展。國內(nèi)研究主要停留在實(shí)驗(yàn)室研究與試驗(yàn)路段鋪設(shè)層面，缺少大型實(shí)用工程，究其原因，主要有以下幾方面。

（1）缺乏相關(guān)技術(shù)指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)和施工規(guī)范。作為改性劑的膠粉由廢橡膠粉碎而來，粉碎方法不同，所獲得的膠粉品質(zhì)也不同，而膠粉質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系到膠粉改性瀝青性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況。同時(shí)廢橡膠的多種類、多配方特點(diǎn)決定了膠粉成分的復(fù)雜性，不同的膠粉成分對(duì)瀝青性能的改善效果也存在差異。為了規(guī)范廢橡膠粉在瀝青改性過程中的應(yīng)用，制定相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)十分必要，而我國目前仍未制定廢橡膠粉瀝青改性的配套技術(shù)指標(biāo)。

我國雖已制定了膠粉改性瀝青的《膠粉改性瀝青聚酯氈與玻纖網(wǎng)格布增強(qiáng)防水卷材》（JC/T1078—2008）、《膠粉改性瀝青玻纖氈與聚乙烯膜增強(qiáng)防水卷材》（JC/T1077—2008）、《膠粉改性瀝青聚酯氈與玻纖網(wǎng)格布增強(qiáng)防水卷材》（JC/T1078—2008）、《瀝青復(fù)合胎柔性防水卷材》（JC/T690—2008）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但尚未形成較系統(tǒng)、較完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，缺乏具有指導(dǎo)作用的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范，使得筑路及建筑材料的設(shè)計(jì)和施工單位無據(jù)可依。

（2）行業(yè)與行業(yè)之間的分隔，使膠粉改性瀝青等膠粉延伸產(chǎn)品難以在筑路及建筑市場中得到跨行業(yè)的推廣應(yīng)用。

（3）關(guān)于廢舊橡膠回收利用的法律及優(yōu)惠政策不完善。發(fā)達(dá)國家廢舊輪胎利用企業(yè)不但免費(fèi)使用廢舊輪胎原料，而且還享受政府補(bǔ)貼。我國尚未出臺(tái)關(guān)于廢舊輪胎處理的補(bǔ)貼優(yōu)惠政策，甚至廢舊輪胎原料也需要企業(yè)高價(jià)購進(jìn)，致使膠粉生產(chǎn)及利用行業(yè)的盈利空間被大幅壓縮，企業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)面臨困難，從而影響了膠粉在下游應(yīng)用領(lǐng)域的推廣。

4 我國膠粉改性瀝青發(fā)展建議

為了實(shí)現(xiàn)膠粉改性瀝青技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)展和市場的規(guī)范管理，建議將以下幾點(diǎn)作為今后研究并解決的主要任務(wù)。

（1）加緊制定廢橡膠粉的技術(shù)指標(biāo)，如橡膠粉的粉碎方式、用于瀝青改性的膠粉摻用比例及粒徑范圍、膠粉中的雜質(zhì)含量等，形成較為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)體系。各地根據(jù)各自不同的情況，從實(shí)際出發(fā)，完備并完善設(shè)計(jì)及施工規(guī)范，使得膠粉改性瀝青的生產(chǎn)、路面鋪設(shè)及建材的設(shè)計(jì)和施工單位有章可循，從而保證膠粉改性瀝青的品質(zhì)以及設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量。

（2）加強(qiáng)政府的宏觀調(diào)控作用，實(shí)施有利于促進(jìn)膠粉改性瀝青在交通及建筑領(lǐng)域中應(yīng)用的措施，如通過立法制定強(qiáng)制性法律條文，或?qū)嵭醒a(bǔ)貼、稅收等優(yōu)惠政策對(duì)相關(guān)單位施加經(jīng)濟(jì)激勵(lì)，以此打通跨行業(yè)應(yīng)用渠道，人為消除不同行業(yè)間的隔膜。

（3）建立健全相關(guān)法律法規(guī)，逐步將廢橡膠循環(huán)利用納入法制化管理軌道。對(duì)廢橡膠回收及利用企業(yè)給予補(bǔ)貼，成立專項(xiàng)基金，并征收廢舊輪胎處理費(fèi)作為基金來源。借鑒歐美經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合中國國情，建議我國在使用單位和個(gè)人購買輪胎時(shí)，直接加收適當(dāng)?shù)膹U舊輪胎處理費(fèi)。

總而言之，隨著國內(nèi)對(duì)筑路和建材質(zhì)量、環(huán)保和廢棄物再利用要求的不斷提高，對(duì)瀝青材料的應(yīng)用、廢棄物的無害化和資源化提出了和諧統(tǒng)一的要求。廢橡膠粉改性瀝青以其優(yōu)良的使用性能、顯著的環(huán)保及資源再生效果得到了社會(huì)的普遍認(rèn)可，具有廣闊的發(fā)展前景。

5 結(jié)論

大量研究及應(yīng)用實(shí)例表明，廢橡膠粉改性瀝青的高、低溫性能優(yōu)異，抗老化能力有所提高，并降低了總成本，同時(shí)又保護(hù)了環(huán)境，節(jié)約了資源，已在國內(nèi)外路面鋪設(shè)和防水卷材領(lǐng)域獲得了較廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益的完美統(tǒng)一，對(duì)我國循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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