西藏地區(qū)廢胎橡膠粉改性瀝青的應(yīng)用前景研究

蘇江 田榮燕 唐靖武 吳金岳1

摘 要：西藏地處青藏高原，平均海拔在4 000m以上，年日照高達3 000h，具有紫外線輻射強、晝夜溫差大、土質(zhì)差、凍融等特殊的高原環(huán)境條件，所以西藏地區(qū)瀝青路面的損壞速度、瀝青材料及施工方法等并不能完全根據(jù)一般地區(qū)已有的實踐經(jīng)驗。在高原特殊條件下借鑒應(yīng)用國內(nèi)外現(xiàn)有成熟的瀝青路面修建技術(shù)時必須進行驗證與改進，以提高西藏地區(qū)瀝青路面的使用性能和壽命。因此，基于國內(nèi)外對廢胎橡膠粉改性瀝青的研究，探索適用于西藏地區(qū)公路建設(shè)的橡膠粉改性瀝青顯得尤為重要。對比分析廢胎橡膠粉改性瀝青中的橡膠粉摻量和各類瀝青的性能發(fā)現(xiàn)，西藏地區(qū)不宜采用SBS改性瀝青，宜采用SBR改性瀝青;廢胎橡膠粉改性瀝青的高低溫性能優(yōu)于SBR改性瀝青，其更適用于高原地區(qū)的公路建設(shè)，也必將在西藏地區(qū)迅速發(fā)展并得到廣泛運用。

關(guān)鍵詞：廢胎橡膠粉改性瀝青;SBR改性瀝青;高低溫性能;瀝青路面

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）01-0098-04

Application Prospect of Waste Rubber Powder Modified Asphalt in Tibet

SU Jiang1 TIAN Rongyan1，2 TANG Jingwu1，3 WU Jinyue1

（1.Tibet University，Lhasa Tibet 850000;2.Southeast University，Nanjing Jiangsu 211189;2.Tibet Kumquat Intelligent Technology Co.，Ltd.，Lhasa Tibet 850000）

Abstract： Tibet is located in the qinghai-tibet plateau， at an average altitude of 4 000 meters， the years up to 3 000 hours of sunshine， with strong ultraviolet radiation， big temperature difference between day and night， poor soil quality and special plateau environment， such as freezing and thawing， so the Tibet region damage of the asphalt surface speed， asphalt material and construction method do not completely according to the general area of the existing practical experience， under the condition of the plateau special reference to application of asphalt pavement construction of existing mature technology at home and abroad must be validated and improved， in order to improve the Tibetan areas on the surface of the asphalt performance and life span. Therefore， it is particularly important to explore the rubber powder modified asphalt suitable for highway construction in Tibet based on the domestic and foreign research on waste tire rubber powder modified asphalt. Comparing and analyzing the rubber powder content in waste tire rubber powder modified asphalt and the performance of various asphalts， it was found that SBS modified asphalt should not be used in Tibet， but SBR modified asphalt should be used; the high and low temperature performance of waste tire rubber powder modified asphalt was better than SBR modified asphalt， and it was more suitable for highway construction in Plateau area， and it would also develop rapidly and be widely used in Tibet area.

Keywords： waste tire rubber powder modified asphalt;SBR modified asphalt;high low temperature performance;asphalt pavement

1 西藏自治區(qū)的公路概況

西藏自治區(qū)位于祖國的西南邊陲，地處青藏高原，特殊的高原環(huán)境導致區(qū)內(nèi)公路建設(shè)和養(yǎng)護存在諸多難題，路面多出現(xiàn)車轍、裂縫等病害。因此，公路的建設(shè)和養(yǎng)護工作在安全保暢過程中發(fā)揮著重要作用。黨的十八大以來，西藏大力推進公路建設(shè)，目前以拉薩為中心，覆蓋西藏的公路網(wǎng)格局已經(jīng)形成。隨著全區(qū)公路交通建設(shè)步伐不斷加快，全區(qū)公路里程的持續(xù)增加和等級的提高，對公路養(yǎng)護管理和應(yīng)急能力建設(shè)提出了更高要求。

目前，西藏自治區(qū)的公路多為二級及其以下等級的公路。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，西藏的公路交通運輸量日益增大，二級公路將無法滿足交通運輸?shù)男枨蟆榱私鉀Q該問題，大量修建以瀝青路面為主的高等級公路成為發(fā)展的必然。經(jīng)過對西藏地區(qū)的公路進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分都是二級及其以下等級的公路，基本具備二級及其以下等級公路瀝青路面的實踐經(jīng)驗[1]，但要在西藏地區(qū)修建高等級公路，可以直接利用的瀝青路面修建技術(shù)和經(jīng)驗便少之又少。2011年，西藏第一條高等級公路拉薩貢嘎機場專線投入使用，使用至今，路面出現(xiàn)了大量裂縫，損壞程度極為嚴重。而西藏地區(qū)最長的高等級公路林拉公路自2017年投入使用至今，僅僅一年多的時間，路面也產(chǎn)生了大量的裂縫和變形，其中網(wǎng)裂形式居多，損壞程度較為嚴重。截至2017年底，西藏全區(qū)公路養(yǎng)護里程約8.34萬km，約占全區(qū)公路通車總里程的93%。據(jù)自治區(qū)公路局的數(shù)據(jù)顯示，在過去五年內(nèi)，全區(qū)公路養(yǎng)護工程累計投資約為37.49億元，公路養(yǎng)護工作投入了大量的人力、物力和財力。若能提高路面的使用性能和服務(wù)水平，提高路面的耐久性，延長路面使用壽命，從根本上解決問題，便可以大大降低公路養(yǎng)護的投入。

高寒高海拔地區(qū)，路面長期經(jīng)受反復(fù)的膨脹和收縮，使內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進而導致路面出現(xiàn)裂縫，加上車輛的不斷碾壓，使瀝青路面出現(xiàn)嚴重變形等病害，極大程度上影響了行車的舒適性和安全性。同時，也會在公路養(yǎng)護工程上產(chǎn)生極大的開支。因此，改善高寒高海拔地區(qū)瀝青材料的高低溫性能，鋪設(shè)出適合高寒高海拔區(qū)的公路顯得尤為重要。

從上述西藏地區(qū)公路養(yǎng)護的工程量來看，在西藏地區(qū)使用高低溫性能均較好的SBR改性瀝青，還不足以抵抗高原環(huán)境帶來的損害。由此，綜合性能較SBR改性瀝青更優(yōu)的廢胎橡膠粉改性瀝青[2]便派上了用場。廢胎橡膠粉改性瀝青解決了由于廢輪胎積存而導致的環(huán)境污染問題，不僅變廢為寶，還提高了瀝青的綜合性能，尤其是瀝青的低溫抗裂性能和抗老化能力[3-5]，彌補了高原環(huán)境下其他改性瀝青抗凍能力及抗老化能力不足的缺點，為西藏地區(qū)公路建設(shè)提供了重要的參考依據(jù)，奠定了高寒高海拔地區(qū)瀝青路面的建設(shè)與養(yǎng)護基礎(chǔ)?？梢?，廢胎橡膠粉改性瀝青對延長公路使用壽命和提高使用性能具有積極的意義。

通過對SBS、SBR、廢胎橡膠粉的改性機理進行分析及室內(nèi)對比實驗，證明SBR改性瀝青不僅在高溫性能、感溫性及抗熱老化性上表現(xiàn)良好，而且在低溫抗裂性上具有非常好的改性效果，大大優(yōu)于相同摻量SBS對基質(zhì)瀝青低溫性能的改性效果[6]。由于SBR改性瀝青的低溫抗裂性較好，因此，SBR改性瀝青更適合高寒高海拔地區(qū)。而后發(fā)現(xiàn)廢胎橡膠粉改性瀝青的綜合性能比SBR改性瀝青更優(yōu)，尤其是在低溫抗裂性能和抗老化性能上，因此，其能較好地適應(yīng)西藏地區(qū)的高原環(huán)境，從而延長瀝青路面的使用壽命，減少公路的養(yǎng)護工程量，節(jié)省人力、物力和財力。

與SBR改性瀝青相比，用廢胎橡膠粉改性瀝青鋪筑的路面具有以下四個特點，瀝青路面的熱穩(wěn)定性有所提高，其受熱不易產(chǎn)生軟化、波浪和車轍;瀝青路面的低溫抗裂性能有所改善，其受冷不易產(chǎn)生裂紋;瀝青與礦料的粘附性有所增加，其不易產(chǎn)生麻面、剝落等病害，具有較好的水穩(wěn)定性;瀝青路面的耐久性有所提高，其大修時間比規(guī)定的使用年限延長了0.5～1.0倍。此外，廢胎橡膠粉作為瀝青改性劑相對于其他熱塑性彈性體（SBS，SEBS）、熱塑性樹脂（APP，EVA，PE）等改性材料來說，具有成本低、易獲取、循環(huán)利用、變廢為寶等優(yōu)點，且改性效果更顯著。通過改變廢胎橡膠粉的摻量來尋求廢胎橡膠粉改性瀝青的最佳路用性能，以確定廢胎橡膠粉最佳摻量[7]，從而獲得“性美價廉”的廢胎橡膠粉改性瀝青。

2 國內(nèi)外對廢胎橡膠粉改性瀝青的研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

20世紀30年代，英國和法國鋪設(shè)了許多橡膠粉瀝青試驗路，使聚合物改性瀝青這一路面材料逐漸受到重視。國外關(guān)于廢胎橡膠粉改性瀝青的研究開始得比較早，生產(chǎn)和利用廢胎橡膠粉的技術(shù)也相對較為成熟，且國外以廢膠粉為主，再生為輔。以美國為首的發(fā)達國家，對橡膠粉改性瀝青及其混合料的研究起步早，研究連續(xù)、成果較豐厚、應(yīng)用成熟。20世紀60年代，Chales Mc Donald首次將廢胎膠粉加工成橡膠粉生產(chǎn)橡膠瀝青，最初主要作為應(yīng)力吸收層（SAM）利用。20世紀70年代，美國亞利桑那州精煉公司通過研究推出了脫硫廢膠粉改性瀝青Arm-Shield。此外，20世紀在70年代中期，首次將橡膠瀝青用于開級配的瀝青混凝土中。Putman采用彎曲梁疲勞試驗、約束試件溫度應(yīng)力測試，對使用7～17年的橡膠瀝青路面與普通瀝青路面進行使用性能的對比評價，發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青的各項性能均高于普通瀝青，且路面損壞程度也小于普通瀝青。Jeong等采用DSR與色譜凝膠分析（GPC）法對基質(zhì)瀝青進行室內(nèi)試驗，試驗表明，橡膠粉摻量對橡膠瀝青的流變參數(shù)[G*]（復(fù)數(shù)模量）與[sinδ]（相位角正弦）有著顯著影響，能獲得綜合性能較優(yōu)的橡膠粉改性瀝青[8-11]。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對廢膠粉改性瀝青技術(shù)的研究始于20世紀80年代，當時技術(shù)的落后和對橡膠粉改性瀝青認識的不足限制了這一技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)雖然起步較晚，但技術(shù)已經(jīng)相對成熟。張日民、陸晶晶等人研究了橡膠粉目數(shù)對廢胎橡膠粉改性瀝青性能的影響，采用20、40、60目和80目等4種粒徑的膠粉進行試驗，發(fā)現(xiàn)摻入40目膠粉時，廢胎膠粉改性瀝青的各項性能趨于最優(yōu)，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，隨著橡膠粉粒徑的增大，廢橡膠粉改性瀝青的抗車轍因子下降，即抗變形能力下降，但疲勞壽命升高。何立平、申愛琴、謝成、劉樂平等人采用橡膠瀝青結(jié)合料性能正交試驗，對橡膠瀝青結(jié)合料各項性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)均有顯著的積極影響，增加膠粉摻量能有效提高其高溫性能，但同時降低其低溫性能與彈性恢復(fù)能力，其滿意摻量應(yīng)為20%～25%。徐曉波等人分別以廢胎橡膠粉和橡維聯(lián)作為直投改性劑，開展直投式改性橡膠瀝青及其混合料的性能研究。研究表明，當摻加集料質(zhì)量1%的橡膠粉和橡維聯(lián)時，動穩(wěn)定度提高29.1%，低溫應(yīng)變提高22.4%，疲勞性能提高1.10倍，且不影響水穩(wěn)定性，且直投式改性橡膠瀝青混合料回彈對性能影響不明顯。張巨松、王文軍、劉傳昆、張微等人基于對現(xiàn)有瀝青混合料設(shè)計方法的比選分析，確定GTM旋轉(zhuǎn)剪切方法作為橡膠粉改性瀝青混合料的最優(yōu)設(shè)計方法，并優(yōu)化確定了成型條件，采用SAC級配設(shè)計方法作為理論工具，以路用性能為判據(jù)，通過大量試驗研究確定了廢輪胎膠粉改性瀝青混合料基于GTM旋轉(zhuǎn)成型方式下的合理級配形式及其優(yōu)化范圍，并對優(yōu)化設(shè)計的混合料的路用性能和疲勞性能進行系統(tǒng)研究。室內(nèi)研究成果應(yīng)用于實體工程，為廢輪胎橡膠粉改性瀝青及其混合料的應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)保障。韓江國在參考國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，采用理論、試驗相結(jié)合的方法，著重研究分析了老化對改性瀝青的軟化點、針入度和延度的影響。通過試驗結(jié)果分析對比給出瀝青的耐老化性與廢橡膠粉摻量的關(guān)系、瀝青的耐老化性與廢橡膠粉粒徑的關(guān)系，從而得出提高廢橡膠粉改性瀝青抗老化性能的有效措施;確定出廢橡膠粉改性瀝青中抗老化性能最好的廢橡膠粉摻量及廢橡膠粉最佳的粒徑;找出不同粒徑、不同摻量的瀝青低溫延度的影響規(guī)律;得出隨膠粉含量的增加膠粉改性瀝青的抗老化性能提高，老化后低溫延度比減小、質(zhì)量損失量減小、軟化點提高，針入度呈正態(tài)分布及改性瀝青老化的規(guī)律;提出了廢膠粉用作瀝青改性劑時粒徑選擇和摻量確定的原則，為廢膠粉改性瀝青在公路瀝青路面中的應(yīng)用提供了良好的技術(shù)支持。

國內(nèi)對提高瀝青的抗疲勞、高低溫性能材料的研究大多數(shù)是對熱塑性彈性體（SBS、SEBS）、熱塑性樹脂（APP、PE、EVA）等改性瀝青的研究，對廢胎橡膠粉的研究較少[12-16]。目前，對西藏等高寒高海拔地區(qū)所進行的實地驗證少之又少，缺少可以參考的實踐經(jīng)驗。

3 廢橡膠粉改性瀝青的機理

廢橡膠粉改性瀝青的性能來源于橡膠粉與瀝青之間的相互作用，但兩者之間的作用十分復(fù)雜。目前，對廢橡膠粉與瀝青之間作用機理的研究尚未達成一致，但綜合國內(nèi)外的研究成果，主要有以下幾種觀點[17-20]。

3.1 物理共混機理

瀝青由瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、芳香分和飽和分4種成分組成。廢橡膠粉加入瀝青中后，膠粉顆粒受到瀝青中芳香烴、飽和烴等輕質(zhì)組分的作用發(fā)生溶脹和溶解，從而均勻分散到瀝青中形成共混體系。

3.2 網(wǎng)絡(luò)填充機理

廢橡膠粉和瀝青混合后，橡膠粉發(fā)生溶脹過程和部分溶解過程而在瀝青中擴散，廢橡膠粉以微粒或絲狀隨機分布在瀝青基體中。廢橡膠粉分子自由基相互結(jié)合和交聯(lián)，形成松散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在于瀝青基體中。這種互穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強了聚合物分子的可移動性，使瀝青呈現(xiàn)出良好的塑性和彈性。

3.3 化學共混機理

瀝青中不僅有烷屬烴、烯屬烴和芳香烴，還含有極性和非極性化合物，存在羥基、脂基等有機官能團，能和許多物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)，產(chǎn)生化學交聯(lián)或化學加成，形成新的化學鍵。

4 輔助試劑

4.1 光屏蔽劑

西藏地區(qū)的瀝青路面長期經(jīng)受紫外線的強烈輻射，導致其光氧老化速率較快，而納米二氧化鈦（TiO2）因具有屏蔽紫外線的作用能較好低抵抗紫外線。瀝青中摻入納米TiO2，對三大指標均有一定的影響，對延度的影響最為明顯，對軟化點幾乎沒有影響[21]。因此，可采用納米TiO2改性瀝青提高其延度，確保瀝青的抗裂性能和抗光氧老化性能，使其更適應(yīng)高原環(huán)境，進而實現(xiàn)瀝青路面的養(yǎng)護目標，保障人們的出行。

4.2 其他試劑

除了對橡膠粉進行活化預(yù)處理，還可以在制備廢橡膠粉改性瀝青時加入一些助劑，如相容劑、連接劑等輔助試劑，以增強膠粉和瀝青之間的作用，提高體系的儲存穩(wěn)定性。Labib等學者的研究認為，在制備膠粉改性瀝青時加入一定量的增容劑，使橡膠顆粒與瀝青之間發(fā)生作用，能顯著地改善瀝青的流動性能，拓寬改性瀝青的適應(yīng)溫度范圍，改進膠粉在瀝青中的溶解性和分散性。葉智剛等在脫硫橡膠粉改性瀝青制備時加入硫磺，發(fā)現(xiàn)能提高體系的軟化點、彈性恢復(fù)性能和儲存穩(wěn)定性。德國Degussa公司研制出了一種維他連接劑TOR，其能改善橡膠瀝青的相容性，并增強橡膠瀝青混合料的施工和易性[22，23]。

5 結(jié)語

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車的增多，廢舊輪胎產(chǎn)生量急劇增多，而廢舊輪胎的回收利用率不到50%，西藏地區(qū)廢舊輪胎的利用率甚至更低，造成了巨大的資源浪費。廢舊輪胎累積導致的環(huán)境污染問題已然成為社會發(fā)展最應(yīng)該重視的問題，極不利于保護中國最后一片凈土。在科技飛速發(fā)展的今天，將廢舊輪胎納入新型材料的研發(fā)，取得了較好的效果，生產(chǎn)出的廢橡膠粉改性橡膠瀝青，既有利于環(huán)保，又有利于可持續(xù)發(fā)展。

將橡膠粉應(yīng)用于改性瀝青技術(shù)中，不僅能降低路面施工成本，改善瀝青的綜合性能，尤其是低溫抗裂性能和抗老化性能，更好地適應(yīng)西藏地區(qū)的高原環(huán)境，提高瀝青路面的使用性能和延長使用壽命，還能使廢舊橡膠得到循環(huán)利用，減輕環(huán)境的壓力，符合國家提出的“建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會”號召[17]。除此之外，在廢橡膠粉改性瀝青中添加1%～2%的光屏蔽劑納米TiO2，可以有效改善瀝青的抗光氧老化性能。目前，我國橡膠粉改性再生利用技術(shù)和實踐等方面已取得了重大突破，但要生產(chǎn)出性能優(yōu)良且價格合理的廢橡膠粉改性瀝青，尤其是適用于西藏這類高寒高海拔地區(qū)的抗老化性能與低溫性能優(yōu)良的改性瀝青，還需要更多的實踐經(jīng)驗。初步試驗得出西藏地區(qū)的廢橡膠粉合適摻量約為20%，其在西藏的發(fā)展與應(yīng)用仍須深入地進行試驗研究，前景非?？捎^。

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