橡膠粉在公路瀝青中的應(yīng)用探討

梁中艷

（天津市橡膠工業(yè)研究所有限公司 天津 300384）

1、引言

瀝青路面是道路建設(shè)最普遍采用的路面形式。瀝青路面具有非常多的優(yōu)點，設(shè)計施工良好的瀝青路面具有優(yōu)異的路用性能。然而，我國幅員遼闊，環(huán)境、氣候各不相同，加之交通狀況、施工管理水平、路用材質(zhì)等因素的影響，目前很多瀝青路面達不到設(shè)計要求，往往通車不久就產(chǎn)生了嚴(yán)重的早期破壞現(xiàn)象，如車轍、推移、擁包等高溫穩(wěn)定性問題等。然而，近年來隨著汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，道路在水、熱、荷載等的影響下變型越發(fā)嚴(yán)重，使得廣大道路工作者遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。同時，汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來的副產(chǎn)品廢舊橡膠輪胎卻大量堆積，造成嚴(yán)重的資源浪費， 并且污染了環(huán)境，回收再利用將是解決廢舊輪胎的有效措施。而橡膠粉在公路瀝青中卻可以有效改善路用性能，所以回收廢舊輪胎磨細制成橡膠粉用于瀝青路面可以變廢為寶。如何有效利用廢舊輪胎從而提升路面的穩(wěn)定性，實現(xiàn)路況的行車舒適性和安全性問題迫在眉睫。

2、瀝青路面性能分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性是瀝青路面最基本的路用性能，其主要表現(xiàn)在瀝青路面受荷載反復(fù)作用后抵抗永久變形的能力。在高溫情況下，穩(wěn)定性不足問題最容易發(fā)生，因為瀝青混合料勁度模量在高溫時比較低，通常以車轍、推移、粘輪、泛油及起波等形式體現(xiàn)。當(dāng)然危害最大的要數(shù)車轍的影響，車轍很大程度上降低了路面服務(wù)質(zhì)量和使用性能，同時縮短了瀝青路面的使用年限。

就我國的高等級公路來講，目前絕大多數(shù)瀝青路面是半剛性基層，這種基層相對有較好的剛度和整體穩(wěn)定性，因此永久變形通常就出現(xiàn)在瀝青面層中，而基層及基層下面路基不存在較大變形，車轍變形大部分產(chǎn)生于瀝青混合料的流動變形。所以提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性是解決瀝青路面流動性車轍的主要辦法。而聚合物改性瀝青（SBS 改性瀝青）及SMA 混合料的應(yīng)用在穩(wěn)定性方面有明顯的效果，但是昂貴的造價使得其應(yīng)用具有一定的局限性。

2.2 抗老化性

隨著科技的發(fā)展，人們對瀝青的質(zhì)量和使用壽命有了更高的要求，通常規(guī)定瀝青使用壽命在40～50 年為宜，這樣使得提高瀝青的抗老化性能變成了行業(yè)焦點。其中以廢橡膠改性瀝青的抗老化規(guī)律研究為主，掌握其中的規(guī)律有利于人們更好的認識和使用廢橡膠改性瀝青。

按照瀝青本質(zhì)以及老化時的組成與結(jié)構(gòu)，科學(xué)界認為：瀝青的老化過程表現(xiàn)為一個極其緩慢的自氧化，在外界溫度或者光的作用下，瀝青分子中的活性基團進行裂解產(chǎn)生自由基，產(chǎn)生的活性自由基與空氣中的氧反應(yīng)從而轉(zhuǎn)化成為氫過氧化物中間體(ROOH)，氫過氧化物中間體活性較強：一方面可以通過分解轉(zhuǎn)化成具有羰基的組分；同時由于是氧化劑，所以將瀝青分子中具有的硫醚、硫醇官能團氧化成亞礬官能團。

事實上，瀝青的老化非常的復(fù)雜，不能僅僅用結(jié)構(gòu)式的變化來解釋。通常情況下，瀝青的飽合組分在老化過程中是相對穩(wěn)定的，在老化過程中不會產(chǎn)生太大的變化，而芳香芬則更容易發(fā)生氧化聚合反應(yīng)，瀝青膠質(zhì)中具有極性官能團的組分通過分子間相互的聚合與縮和作用從而變成了瀝青質(zhì)。即所謂瀝青組分通常按芳香分、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的路線轉(zhuǎn)化，最后轉(zhuǎn)向重質(zhì)化。由此可知，我們可以把瀝青老化的過程認為是瀝青化學(xué)組分移行造成的。

通過利用凝膠色譜(GPC)方法分析發(fā)現(xiàn)，瀝青在老化過程中伴隨著平均分子量隨的變化，分子量更加分散。其原因是在瀝青老化的整個過程中，不同組分分子之間的氧化聚合、受熱裂解等作用。

2.3 層間粘結(jié)性能

設(shè)計修筑一條使用壽命相對較長的公路，從而改變當(dāng)前我國普遍面臨的怕修水泥路面、使用周期短的被動局面，道路工作者試圖從改進路面結(jié)構(gòu)設(shè)計和采用工業(yè)化施工方面找到新的途徑，這無疑需要考慮復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)組分問題。復(fù)合式路面由水泥混凝土面板與瀝青混凝土層構(gòu)成。復(fù)合式路面綜合了水泥路面和瀝青路面的優(yōu)點，水泥混凝土路面上鋪以瀝青混合料，從而有效保護水泥混凝土路面，減緩交通荷載對水泥混凝土面板的沖擊作用，減少水的滲入，改善水泥混凝土路面受力條件，提高行車的舒適性和安全性；水泥混凝土路面下設(shè)置瀝青混合料，可以改善水泥混凝土路面受力條件，增強基層的抗沖刷能力與變形協(xié)調(diào)能力，有利于延長水泥混凝土路面的使用壽命。但大量的病害調(diào)查結(jié)果顯示，復(fù)合式路面易產(chǎn)生泛油、表面剝離、唧泥、車轍、推移、波浪、沉陷、各種裂縫及基層引起的拱脹裂縫等病害。如果層間處理措施不當(dāng)，將對行車安全帶來隱患，并會使路面使用壽命大大縮短。

水泥路面表面和瀝青面層粘結(jié)形成的是弱界面層，其使得層間及其整個路面結(jié)構(gòu)實現(xiàn)連續(xù)性粘結(jié)。瀝青層表面的弱界面層是在路面施工過程中形成的，其中壓實不均勻、表面粗集料壓碎、集料離析、施工中噴水霧、瀝青層表面吸附空氣中的粉塵和水、碾壓時瀝青中輕質(zhì)組分的遷移形成油膜、瀝青層表面受污染等形成了弱界面層，從而共同決定瀝青層的層間結(jié)合能力。

3、廢膠粉對改性瀝青的影響

3.1 廢膠粉在SBS/橡膠復(fù)合改性瀝青中作用

研究發(fā)現(xiàn)采用SBS/橡膠復(fù)合改性瀝青技術(shù)可以有效改善車轍變性問題，尤其是在高溫多雨水條件下瀝青路面的車轍，該技術(shù)的應(yīng)用不但有望提升瀝青路面的抗車轍能力，而且能夠很大程度上延長瀝青路面的使用年限，同時減少了廢舊輪胎的大量堆積，有效的保護了環(huán)境。①

由于在SBS/橡膠復(fù)合改性瀝青中添加了橡膠粉，在很大程度上降低了SBS 的摻量，從原來的 5%降到了2%，節(jié)約了大量的石油資源，使得改性瀝青的制造成本有了大幅的降低。目前世界上很多國家已經(jīng)開展研究并使用SBS/橡膠復(fù)合改性瀝青技術(shù)，以適當(dāng)比例將兩者同時加入基質(zhì)瀝青中，這種復(fù)合改性瀝青明顯表現(xiàn)出了比使用單一改性劑時更優(yōu)越的路用性能

3.2 廢膠粉對瀝青抗老化的影響

針對廢膠粉抗老化性能，科學(xué)家就橡膠粉在瀝青中的改性性能進行了大量的實驗，研究發(fā)現(xiàn)：在特定溫度下，向瀝青中加入廢膠粉顆粒后，起初廢膠粉的網(wǎng)絡(luò)型分子結(jié)構(gòu)微區(qū)開始軟化，進而產(chǎn)生了流動性；于此同時，瀝青本身含有的飽和烴對廢膠粉顆粒進行溶脹，瀝青中的芳香烴和膠質(zhì)對進行了部分溶脹，從而使得廢膠粉顆粒體積發(fā)生膨脹。同時給與一定的外力攪拌，在攪拌速率和剪切力的作用下，廢膠粉顆粒均勻的分散到瀝青當(dāng)中，由于廢膠粉微粒細小，其表面能相對較高，具有較強的吸附能力，而且顆粒越小溶脹作用增強，進而使得體積不斷膨脹。隨著廢膠粉顆粒的含量不斷增加，單位體積微粒數(shù)越多，各微粒間的距離隨之減小，高分子相互之間的作用力增大，眾多的廢膠粉微粒由于分子力的作用互相搭接融合形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；這種橡膠粉微粒的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有彈性、塑性以及延展性。因此廢橡膠粉加入到瀝青后，可以有效的改善瀝青的高溫、低溫性能。

而且老化后用廢橡膠粉改性的瀝青，在任何粒徑、任何摻量下其 5℃的延度值均高于基準(zhǔn)瀝青，說明廢橡膠粉的加入同樣可以改善瀝青老化后的低溫延展度。即便不同種類的瀝青，當(dāng)用廢膠粉進行改性之后，改性后的粒徑和摻量都比基準(zhǔn)瀝青的損失小，這也充分說明抗老化性能得到了改善。

廢膠粉的摻入，使瀝青在熱老化過程中軟化點升高程度明顯減小，高溫性能明顯改善。熱老化后的延度比明顯減小，延度下降率明顯減小，特別是低溫延度下降率最小，反映出廢膠粉改性瀝青的低溫性能的改善程度很大，說明廢膠粉的加入可以很大程度改善瀝青老化后的低溫抗裂性。

對于在常溫下呈固體或半固體的石油瀝青用針入度表示其粘性大小。加入廢橡膠改性劑以后，各個溫度下的針入度都有不同程度的降低，這是因為廢膠粉的加入能吸附瀝青中的某些組分，瀝青中與改性劑結(jié)構(gòu)相似的輕組分（主要是油分和蠟）經(jīng)過滲透、擴散進入橡膠網(wǎng)絡(luò)，使廢膠粉溶脹，從而有效地降低游離蠟含量，組分的變化使得高蠟含量的瀝青從溶膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿?凝膠型結(jié)構(gòu)，稠度可明顯升高，文獻中，用5%的100 目的廢膠粉改性含蠟量為6%的瀝青后，其游離蠟含量降低到2.23%，而且油分含量明顯降低。廢膠粉被溶脹以后形成連續(xù)相，這些都使改性瀝青稠度增加，表現(xiàn)為瀝青的針入度減小，軟化點明顯升高。而且廢膠粉顆粒越細，在相同膠瀝比時，改性效應(yīng)越明顯，所以針入度降低也就越明顯。

雖然橡膠粉的加入可以顯著改善瀝青的性能，但是也必須嚴(yán)格控制廢膠粉摻量，當(dāng)摻量超過一定值時，反而對改性瀝青性能有不良的影響。

廢膠粉的摻入使瀝青的各種性能都有明顯改善，軟化點升高，延度在15℃時減小而在5℃時變大，而針入度相對基質(zhì)瀝青有明顯減小，也改善了低溫性能。廢膠粉的粒徑明顯影響瀝青性能，粒徑越小，改性效果更加顯著。改性瀝青對廢膠粉的摻量有要求，如果超過最佳值，改性瀝青的延度就會有降低的趨勢。一般情況下，100～120目的廢膠粉最佳膠瀝比范圍在0.08～0.10，粒徑較大的廢膠粉最佳膠瀝比范圍在0.12～0.15 之間。

3.3 廢膠粉對瀝青層間粘結(jié)性能的影響

當(dāng)橡膠瀝青應(yīng)用于路面的應(yīng)力吸收層時，其應(yīng)該具有足夠的初性、高彈性；而在測力延度時應(yīng)表現(xiàn)出延度大和拉應(yīng)力大的特性；當(dāng)考慮施工性能方面，則要確保高溫撒布時可以實現(xiàn)撒布的均勻。橡膠粉改性瀝青應(yīng)力吸收膜應(yīng)該具備一下功能：粘結(jié)、防水以及應(yīng)力吸收。這意味著對橡膠粉改性瀝青的要求更高具，其粘度要恰到好處、膠粉摻量相應(yīng)的要高、撒布溫度要求高等，具體操作要求如下：

(1)橡膠粉摻量最好控制不能小于20%，當(dāng)然在確保高溫條件順利撒布，應(yīng)該盡量提高膠粉摻量，但是也不能太高，最好不要超過30%。

(2)用作應(yīng)力吸收膜的橡膠粉改性瀝青的采用較細的橡膠粉，建議大于等于60 目，小于120 目為宜。這樣能夠確保橡膠粉摻量較高時候的撒布；同時可以提高瀝青粘度，縮小應(yīng)力吸收膜橡膠粉顆粒間的距離，從而提高抗拉、抗裂的性能。

(3)改進應(yīng)力吸收膜的橡膠粉改性瀝青的加工工藝，采用剪切+攪拌為宜，保證剪切遍數(shù)大于2。這樣有利于膠粉顆粒溶脹再剪切使其更小，其目的與使用較細膠粉是一致的。

(4)適當(dāng)延長發(fā)育時間，一般建議控制在24h內(nèi)即可。低溫儲存。目的是適當(dāng)延長發(fā)育時間可以確保廢膠粉的充分溶脹，使其顆粒變大，從而增強高溫撒布后吸收應(yīng)力能力。

(5)瀝青加鋪層層間粘結(jié)宜采用橡膠瀝青，而灑布量應(yīng)當(dāng)控制在1.0～1.5kg/m2 之間，撒布單粒徑9.5～13.2mm 的集料，集料灑布量占滿鋪的60%。

(6)采用2cm砂粒式應(yīng)力吸收層的路段橫向裂縫最嚴(yán)重，但該路段推移病害較少；加入聚酯纖維的瀝青混合料具有較好的路用性能；采用SAC級配的K603+900 路段車轍與推移最為嚴(yán)重，復(fù)合式路面瀝青混凝土混合料不宜選用SAC 型級配。

4、總結(jié)與展望

無論是瀝青路面的耐高溫性能、抗老化性能，還是道路瀝青與混凝土的粘結(jié)性能，當(dāng)加入適量的橡膠粉顆粒之后在很大程度上均提高了路用性能及其壽命。

利用這些廢輪胎有益于我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，同時以利于緩解環(huán)境污染以及橡膠資源匱乏問題。橡膠輪胎是一種極其不容易降解的高分子化工材料，如果把廢舊輪胎埋在地下，需要數(shù)百年甚至上萬年才可以化解，嚴(yán)重地污染地下水資源。這些“黑色垃圾”無論采用任何方式都會造成新的污染，不僅污染環(huán)境而且浪費土地資源，況且容易滋生蚊蟲傳播疾病。

所以將廢輪胎磨細成橡膠粉，用于公路建設(shè)不但使廢舊輪胎資源循環(huán)利用、改善瀝青混合料路用性能、降低造價、降低路面噪聲，而且在施工中沒有造成過多的環(huán)境污染，并可以再生利用。因此，橡膠粉改性瀝青是一種典型的環(huán)保型技術(shù)，有廣闊的應(yīng)用前景。