廢膠粉改性瀝青用于道路工程的研究進(jìn)展

陳 夢 ，張 濤

（1.山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006；2.新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006；3.交通運(yùn)輸行業(yè)重交通公路養(yǎng)護(hù)材料技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新平臺，山西 太原 030006）

0 引言

中國是世界上最大的橡膠消費(fèi)國，也是最大的廢舊橡膠產(chǎn)出國之一。廢舊橡膠主要來源于汽車廢舊輪胎，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年中國的廢舊輪胎產(chǎn)量超過1 000萬t，2015年將達(dá)到1 200萬t，且將逐年遞增。廢舊橡膠屬于硫化橡膠，分子呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，長期無法自然降解。大量廢舊橡膠露天堆放，不僅存在嚴(yán)重的火災(zāi)隱患，且導(dǎo)致土壤植被易被破壞，對地下水源造成污染，嚴(yán)重時危及生態(tài)環(huán)境和人類健康[1]。因此，廢舊橡膠的科學(xué)利用逐漸被重視并發(fā)展起來[2]。

圖1 廢舊橡膠的處理方式

目前，我國廢舊橡膠的利用率僅為60%，利用處理方式主要有生產(chǎn)再生膠、輪胎翻新、熱裂解和生產(chǎn)膠粉等[3]。其中，輪胎翻新和生產(chǎn)再生膠的方式均消耗大量能量，且對環(huán)境保護(hù)不利；廢舊橡膠的熱裂解是一種有效的循環(huán)利用方式，但應(yīng)用范圍十分有限。將廢舊橡膠粉碎成膠粉添加到瀝青中，作為路面材料用于道路建設(shè)，一方面可以變廢為寶，促進(jìn)廢舊橡膠大量消耗，有效降低廢棄物對環(huán)境的污染；另一方面能夠提升路面的使用功能，延長使用壽命，是一種較為有效的回收利用方式，具有廣闊的應(yīng)用前景和社會經(jīng)濟(jì)效益[4-5]。

經(jīng)過多年的發(fā)展，廢膠粉改性瀝青技術(shù)已經(jīng)形成干法和濕法兩大工藝。干法工藝（PUSRID法），是將廢膠粉作為一部分集料直接添加到熱瀝青中，制備廢膠粉改性瀝青混合料。濕法（MCODONALD法），是將廢膠粉加入熱瀝青中，攪拌均勻制備廢膠粉改性瀝青，然后與集料進(jìn)行拌合制成混合料。干法工藝生產(chǎn)的混合料性能不佳，而濕法工藝鋪筑的道路可以滿足標(biāo)準(zhǔn)，因此，國際上通常采用濕法工藝。

1 廢膠粉改性瀝青的性能優(yōu)勢

膠粉均勻分布于瀝青中，形成相對穩(wěn)定的體系。與普通瀝青相比，廢膠粉改性瀝青用于道路工程建設(shè)具有以下優(yōu)勢。

1.1 黏度得到提高

黏度是評價瀝青高溫穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。加入膠粉后，廢膠粉改性瀝青的黏度明顯增加，180℃黏度一般可達(dá)到1.5 Pa·s以上，不僅抗變形能力得到提高，而且增強(qiáng)了瀝青與集料之間的黏結(jié)力，可提高路面抗水侵害能力。

1.2 高低溫性能得到改善

廢膠粉改性瀝青中摻入了大量膠粉，延度提高，其在低溫下表現(xiàn)出較好的柔韌性，提高了路面抗疲勞裂縫和反射裂縫的能力，適于在北方冬季低溫環(huán)境中使用，可延長路面使用壽命。

膠粉的加入使廢膠粉改性瀝青的黏度增加，使其高溫抗車轍能力得到提高。

1.3 抗老化、抗疲勞性能得到提升

廢膠粉改性瀝青中含有大量膠粉，膠粉中的抗氧化劑使道路抗氧化和抗老化的能力得到提高，同時，膠粉優(yōu)異的彈性使瀝青路面耐疲勞能力得到改善。

1.4 提高行車的舒適性和安全性

廢膠粉改性瀝青路面具有較好的柔韌性，可緩沖路面不平整而引起的震動，提高行車舒適性和安全性。

1.5 降噪功能顯著

廢膠粉本身具有彈性，使混凝土路面的彈性增加，應(yīng)力擴(kuò)散和吸收能力得到提高，路面降噪效果顯著。

1.6 道路修建費(fèi)用降低

對廢膠粉改性瀝青進(jìn)行全面評價，不僅要對其性能和技術(shù)可行性分析，還要對其使用經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評價。廢膠粉改性瀝青原料參考價格（近一年內(nèi)）如下：基質(zhì)瀝青為3 000～4 000元/t，膠粉為2 000～2 500元/t，可以看出，膠粉成本低于基質(zhì)瀝青成本，采用廢膠粉改性瀝青可以大大降低工程成本。

2 廢膠粉改性瀝青的性能影響因素

在廢膠粉改性瀝青的生產(chǎn)中，任何因素都可能對其性能產(chǎn)生影響，如膠粉、制備工藝條件等方面，下面就幾類主要影響因素進(jìn)行分析。

2.1 膠粉

2.1.1 膠粉類別

一般膠粉使用大卡車輪胎粉、胎冠膠粉、小卡車輪胎粉和農(nóng)用車輪胎粉等。胎冠膠粉中天然橡膠的含量最多，其改性瀝青的低溫抗裂性能和高溫抗車轍性能最佳；這幾類膠粉對軟化點(diǎn)的影響都不大，除了農(nóng)用車輪胎膠粉，其他3種膠粉改性瀝青的延度均較好。

2.1.2 膠粉摻量

膠粉摻量大小對瀝青性能的影響不同。當(dāng)廢膠粉摻入量較少時，膠粉呈“海島”狀微觀結(jié)構(gòu)分散在瀝青中；當(dāng)摻量增多時，膠粉則形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，廢膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)、針入度、延度和彈性恢復(fù)性能均得到改善；膠粉摻量過多時，各性能提高緩慢，且黏度過大會使施工困難。因此，膠粉摻量需適量[6]。

陸晶晶等人[7]對16%～24%摻量的膠粉進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，隨膠粉摻量的增加，延度呈上升趨勢，并于25%左右達(dá)到峰值，針入度呈下降趨勢，彈性恢復(fù)先提高后減小，廢膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)呈對數(shù)增長，這是由于膠粉溶脹作用逐漸減弱的原因；在脫硫和降解的綜合作用下，廢膠粉改性瀝青的黏性表現(xiàn)為先增大后減小。綜合所有因素，認(rèn)為對于AH90號基質(zhì)瀝青而言，膠粉最適宜摻量為25%左右。

2.1.3 膠粉粒徑

對于同一種膠粉來說，膠粉越細(xì)，廢膠粉改性瀝青的針入度和延度則越大，這是由于膠粉越細(xì)，溶脹作用越強(qiáng)烈，但膠粉過細(xì)，在瀝青中將無法形成骨架結(jié)構(gòu)，使彈性恢復(fù)性能和軟化點(diǎn)衰減。因此，進(jìn)行改性并非膠粉越細(xì)越好，且膠粉越細(xì)導(dǎo)致成本也越高。目前，國內(nèi)多采用40目膠粉。

張日民[8]和陸晶晶[7]等人研究了膠粉目數(shù)對廢膠粉改性瀝青性能的影響，采用20目、40目、60目和80目等4種粒徑的膠粉進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)摻入40目膠粉時，廢膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)提高最多，黏度和針入度最低，但同時延度最低，這表明40目膠粉改性瀝青具備良好的感溫性能和高溫穩(wěn)定性，但其低溫抗裂性能相對降低；隨著膠粉粒徑的增大，廢膠粉改性瀝青的抗車轍因子下降，即抗變形能力下降，但疲勞壽命越高。

2.2 工藝條件

大量研究表明，在廢膠粉改性瀝青的制備過程中，反應(yīng)時間、溫度等工藝參數(shù)都會對其性能產(chǎn)生直接影響。

2.2.1 反應(yīng)溫度

廢膠粉改性瀝青是由高分子組成的混和物，當(dāng)反應(yīng)溫度較低時，改性瀝青中高分子鏈運(yùn)動所需要協(xié)同的鏈段數(shù)相對較少，分子鏈運(yùn)動起來較為容易，發(fā)生黏彈態(tài)向黏流態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度較低，軟化點(diǎn)較低，彈性也不佳；反應(yīng)溫度升高時，軟化點(diǎn)相應(yīng)升高，彈性也提高；溫度繼續(xù)升高，膠粉分布均勻，與瀝青分子鏈能很好地結(jié)合為一體，彈性能就會降低，軟化點(diǎn)也降低。溫度較低，膠粉顆粒無法充分溶脹和降解；溫度過高，則易使膠粉炭化，其分解產(chǎn)生的低分子物質(zhì)會對瀝青進(jìn)行稀釋，造成瀝青性能惡化[9]。由此可以看出，反應(yīng)溫度過高或過低都會對材料的性能產(chǎn)生不利影響，一般溫度范圍在180℃～200℃。

倪穎等人[10]結(jié)合遼開高速公路廢膠粉改性瀝青路面面層試驗(yàn)段對反應(yīng)溫度進(jìn)行了研究，認(rèn)為在180℃～200℃下，膠粉與瀝青的相溶性最好，應(yīng)先將基質(zhì)瀝青升溫至190℃，再摻入膠粉，反應(yīng)過程中的溫度也需保持在180℃以上。葛紫虹等人[11]結(jié)合平陽高速橋面施工現(xiàn)場情況，對廢膠粉改性瀝青的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了探討，認(rèn)為在生產(chǎn)過程中反應(yīng)溫度尤為重要，基質(zhì)瀝青須加熱到190℃以上才能摻入膠粉。方屈等人[12]通過試驗(yàn)研究建議將反應(yīng)溫度控制在180℃～185℃之間，溫度高于190℃以上不僅耗能大，且高溫產(chǎn)生大量煙霧將危害環(huán)境與人身健康。

2.2.2 反應(yīng)時間

膠粉與瀝青反應(yīng)時間太短，混合不均勻，膠粉-瀝青體系中存在大量膠粉積聚團(tuán)；隨反應(yīng)時間增加，積聚團(tuán)在瀝青中進(jìn)一步分散，成為膠粉單粒，膠粉單粒與瀝青膠體的結(jié)合更為緊密，可形成穩(wěn)定的體系；反應(yīng)時間過長，改性瀝青黏度明顯增大，不利于施工，一般反應(yīng)時間為45～90 min。

石雪琴等人[13]研究了反應(yīng)時間對廢膠粉改性瀝青軟化點(diǎn)、針入度和延度三大性能指標(biāo)的影響，結(jié)果表明反應(yīng)時間對膠粉裂解和瀝青輕組分溶脹的影響很大，是影響改性瀝青性能的一個關(guān)鍵因素，最佳反應(yīng)時間為1 h。葛紫虹等人通過實(shí)體工程驗(yàn)證，認(rèn)為膠粉應(yīng)在高溫瀝青中至少反應(yīng)45 min，使其充分溶脹，但要防止膠粉顆粒沉淀，推薦反應(yīng)時間為45～60 min。

2.2.3 攪拌方式

韓樹峰等人[14]研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)過程中的攪拌方式對廢膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)、針入度和延度這三大指標(biāo)并沒有產(chǎn)生太大影響，但對黏度、彈性恢復(fù)及針入度指數(shù)的影響較為明顯，其中，高速剪切制備的廢膠粉改性瀝青性能最差，而高速攪拌制備的材料性能最好，適宜采用高速攪拌方式。

3 廢膠粉改性瀝青的作用機(jī)理

目前，針對廢膠粉改性瀝青常規(guī)性能的研究較多，卻對微觀作用機(jī)理的研究較少，而明確膠粉與瀝青之間的作用機(jī)理，能夠?yàn)檫M(jìn)一步改善廢膠粉改性瀝青性能提供理論指導(dǎo)，因此，對廢膠粉改性瀝青作用機(jī)理進(jìn)行研究十分必要。膠粉和瀝青之間的作用過程非常復(fù)雜，作用機(jī)理尚未確定，目前主要存在以下幾種觀點(diǎn)：物理共混機(jī)理、網(wǎng)絡(luò)填充機(jī)理、化學(xué)共混機(jī)理等[15-16]。

3.1 物理共混機(jī)理

膠粉摻入瀝青中后，膠粉分子與瀝青組分中的芳香烴和飽和烴進(jìn)行相互作用發(fā)生溶脹、溶解，從而均勻分散在瀝青中形成物理共混體系。共混過程中未發(fā)生化學(xué)作用，僅存在物理作用。

Franeis等人[17]采用核磁共振手段研究了膠粉與瀝青之間的相互作用機(jī)理，認(rèn)為膠粉在瀝青中的溶脹是由瀝青中可溶質(zhì)的滲透引起的。Heitzman等人[18]認(rèn)為，膠粉顆粒吸收瀝青中的油分組分溶脹，形成凝膠狀物質(zhì)，這是膠粉對瀝青芳香油組分的吸附，而非化學(xué)反應(yīng)，此過程中膠粉并不會溶解到瀝青中，凝膠結(jié)構(gòu)的形成使膠粉顆粒的大小產(chǎn)生變化，顆粒和瀝青之間的距離也會變小，從而使黏度提高，產(chǎn)生改性效果。王笑風(fēng)等人[19]通過掃描電鏡觀察膠粉以及廢膠粉改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)，推斷膠粉在反應(yīng)后發(fā)生了明顯的溶脹現(xiàn)象，并猜測少量膠粉在瀝青中可能發(fā)生脫硫降解；進(jìn)一步通過紅外光譜分析推斷廢膠粉改性瀝青中的飽和分組分變少，差熱分析研究發(fā)現(xiàn)，廢膠粉改性瀝青僅發(fā)生吸熱峰曲線形狀的改變，而其玻璃化溫度與基質(zhì)瀝青基本保持一致，這說明廢膠粉改性瀝青屬于兩相不相溶體系，共混中并未存在化學(xué)作用。

3.2 網(wǎng)絡(luò)填充機(jī)理

膠粉摻入瀝青中后，膠粉分子在瀝青中油分和芳香分的作用下被分開，發(fā)生溶脹和降解過程，然后進(jìn)行擴(kuò)散過程。膠粉以顆粒狀或絲狀分散在瀝青中，相互交聯(lián)后以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在于瀝青中，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高了膠粉分子的可移動性，使廢膠粉改性瀝青表現(xiàn)出良好的彈性及塑性。

Maccarrone等人[20]研究認(rèn)為，膠粉在瀝青中分散成絲狀，與瀝青質(zhì)膠團(tuán)共同均勻分布在瀝青油分中，形成物理意義上的相容體系，瀝青油蠟組分則會擴(kuò)散到膠粉鏈段的空隙中，使其松動、溶解。吳培熙等人[21]提出，膠粉顆粒分散到瀝青中會形成類“海島”結(jié)構(gòu)，膠粉分子呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分散于瀝青中，使廢膠粉改性瀝青耐熱性和熱穩(wěn)定性提高、流動性降低，使其軟化點(diǎn)升高、針入度降低。Li Xiang等人[22]對廢膠粉改性瀝青進(jìn)行了掃描電鏡、熒光電子顯微鏡等微觀性能和常規(guī)性能測試，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)前后膠粉形態(tài)結(jié)構(gòu)明顯發(fā)生變化，黏度及彈性得到提升。

3.3 化學(xué)共混機(jī)理

瀝青中不僅存在烷烴、烯烴和芳香烴，還存在脂基、羥基等有機(jī)官能團(tuán)，含有極性和非極性的化合物，可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的化學(xué)鍵。

許愛華等人[23]采用紅外譜圖手段研究發(fā)現(xiàn)，廢膠粉改性瀝青在2 925.5 cm-1處未出現(xiàn)吸收峰，說明共混過程中發(fā)生了一定程度的化學(xué)反應(yīng)。Hongying Liu等人[24]研究了廢膠粉改性瀝青及添加TOR改性劑廢膠粉改性瀝青的作用機(jī)理，差熱分析表明，基質(zhì)瀝青、廢膠粉改性瀝青、TOR廢膠粉改性瀝青三者的吸放熱峰均不相同，說明廢膠粉改性瀝青、TOR廢膠粉改性瀝青在反應(yīng)過程中均產(chǎn)生了化學(xué)作用，且后兩者曲線更加平緩，說明其熱穩(wěn)定性得到提高。

以上幾種作用機(jī)理，在膠粉與瀝青共混過程中都可能存在，只是影響程度的不同。進(jìn)一步對廢膠粉改性瀝青的機(jī)理進(jìn)行深入研究，將對改性瀝青性能的提高和改性劑的研發(fā)提供理論幫助，具有重要意義。

4 廢膠粉改性瀝青在道路工程中的主要應(yīng)用

根據(jù)廢膠粉改性瀝青的路用特性，廢膠粉改性瀝青以及混合料在道路工程中主要應(yīng)用于以下方面。

4.1 廢膠粉改性瀝青

由于廢膠粉改性瀝青在黏結(jié)力、高低溫穩(wěn)定性、耐久性和彈性等方面具有較為優(yōu)異的性能，因此，目前工程中將其主要用作高性能瀝青結(jié)合料、工程黏合劑、防水材料等，例如橋面防水鋪裝層、水泥混凝土路面填縫灌縫材料、構(gòu)筑物之間的防水黏結(jié)層、瀝青混合料的結(jié)合材料等。

4.2 熱拌廢膠粉改性瀝青混凝土

廢膠粉改性瀝青混凝土具有優(yōu)良的抗老化、耐久性，目前，公路工程中將其作為高性能熱拌瀝青混凝土的結(jié)合料，如密級配廢膠粉改性瀝青混凝土，斷級配廢膠粉改性瀝青混凝土作為磨耗層罩面工程和養(yǎng)護(hù)工程中的薄層罩面使用，開級配廢膠粉改性瀝青混凝土作為排水抗滑性表面層使用。

4.3 廢膠粉改性瀝青應(yīng)力吸收層

在養(yǎng)護(hù)或加強(qiáng)工程中采用廢膠粉改性瀝青應(yīng)力吸收層，可有效解決抗反射裂縫。利用廢膠粉改性瀝青黏結(jié)力強(qiáng)的優(yōu)勢，可有效解決加鋪層與路面之間的黏結(jié)問題，而且可有效制約原路面的裂縫穿透應(yīng)力吸收層傳播至加鋪層，可有效預(yù)防甚至阻止反射裂縫的擴(kuò)展，并具備防水和填縫的作用。

5 結(jié)論

將廢舊輪胎加工成膠粉制備廢膠粉改性瀝青，將其用于道路工程建設(shè)，不僅能夠改善瀝青的路用性能，降低物料成本，而且可促進(jìn)廢棄物的回收再利用，對減小環(huán)境壓力有著不可估量的作用，具有顯著的社會和經(jīng)濟(jì)效益。我國在廢膠粉改性瀝青的理論、技術(shù)和應(yīng)用方面已取得很大研究進(jìn)展，目前，需進(jìn)一步提高其存儲穩(wěn)定性和各方面性能，并盡快制定相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，指導(dǎo)廢膠粉改性瀝青的科學(xué)生產(chǎn)和管理。