廢輪胎橡膠粉在溫拌瀝青中的應(yīng)用研究進(jìn)展1

溫麗瑗，黃港竣，周鑫杰，張戰(zhàn)軍，袁凱恒，柯海，陳小平

(1.廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.廣東省石油化工污染過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 茂名 525000；3.廣東省公路管理局茂名瀝青儲運(yùn)中心，廣東 茂名 525000)

瀝青是公路路面鋪設(shè)中最常用的材料，在公路建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。然而，在瀝青的施工、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)等階段會對環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。如今可持續(xù)性發(fā)展在全球引起了廣泛的關(guān)注，建議在瀝青路面等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中遵循“回收、循環(huán)和降低”(3R)的原則[1]。近年來，許多適合3R的可持續(xù)瀝青鋪裝技術(shù)得到了開發(fā)和應(yīng)用，見表1。此外，具有附加功能的新型瀝青路面，如循環(huán)加熱瀝青路面、光催化瀝青路面、低噪音瀝青路面、冷卻瀝青路面、自愈合瀝青路面等，也有利于能源的收集和環(huán)保[2]。

表1 可持續(xù)瀝青路面設(shè)計(jì)的現(xiàn)有技術(shù)政策要求技術(shù)回收利用鋪筑新瀝青路面時使用一定比例的再生瀝青路面循環(huán)利用回收利用廢棄物作為路面施工的集料、填充物或改性劑,如廢舊輪胎、玻璃、塑料、鋼渣、飛灰、金屬廢棄物等降低排放采用冷拌或溫拌瀝青技術(shù)降低能耗,以及通過瀝青橡膠或多空隙瀝青路面技術(shù)降低交通噪音

將廢舊汽車輪胎回收后應(yīng)用到瀝青路面中，既符合廢舊輪胎的回收又符合降低交通噪聲的原則。此外，橡膠粉的摻入使瀝青路面更耐用[3]。目前，主要有干法和濕法兩種工藝。干法是將橡膠粉直接添加到瀝青混合料中替代部分集料或填料；濕法是指先用橡膠粉對瀝青進(jìn)行改性，使改性后的黏結(jié)劑、骨料和礦物填料充分混合。濕法不僅像干法一樣利用了橡膠粉的彈性顆粒效應(yīng)，還利用其聚合物組分作為瀝青改性劑來提高黏合劑的流變性能。橡膠瀝青(AR)屬于濕法生產(chǎn)的橡膠瀝青黏結(jié)料[4]。AR混合料除了具有優(yōu)越的力學(xué)性能外，其降噪效果也很顯著。不溶性橡膠粉顆粒對振動源產(chǎn)生的噪聲起到緩沖作用，較常規(guī)瀝青路面降噪3～5 dB。然而，阻礙該技術(shù)廣泛應(yīng)用的一個主要問題是和易性差。AR比傳統(tǒng)的瀝青黏合級更黏，與集料的共混和壓實(shí)溫度比常規(guī)瀝青混合料高35～60 ℃，施工環(huán)境較差，能耗高，有害物質(zhì)排放多[5]。針對這一問題，研究學(xué)者提出了溫拌瀝青(WMA)技術(shù)來提高AR路面的和易性。將WMA技術(shù)與AR技術(shù)相結(jié)合，是解決AR混合料施工排放高，生產(chǎn)耐用、低噪音路面的理想途徑。

本研究旨在從配合比設(shè)計(jì)、瀝青-橡膠-溫拌瀝青添加劑相互作用、力學(xué)性能、流變性能、建筑排放等方面介紹溫拌瀝青的最新發(fā)展。

1 溫拌橡膠瀝青(WAR)黏結(jié)料及混合料的生產(chǎn)

1.1 黏結(jié)料的制備

實(shí)驗(yàn)室中，生產(chǎn)AR一般采用高剪切混合器(混合速度:1000～4000 r/min)，混合溫度為175～200 ℃[6]。而在現(xiàn)場，黏合料是通過特殊的混合設(shè)備在工作現(xiàn)場或附近混合傳統(tǒng)瀝青和橡膠粉來生產(chǎn)的。反應(yīng)時間應(yīng)限制在1 h以內(nèi)，以防止橡膠粉進(jìn)一步脫硫解聚[7]。在大多數(shù)研究中，WAR黏結(jié)料是將WMA添加劑加入熱AR中，在相同或稍低的溫度下混合幾分鐘而制備的。通過常規(guī)的混合程序，可以很容易地評估WMA添加劑的效果，而且現(xiàn)場質(zhì)量控制也應(yīng)該更簡單。另一種混合順序預(yù)處理方法是將橡膠顆粒浸泡在液體表面活性劑中，使液體WMA添加劑被橡膠屑吸收，然后將改性后的橡膠粉與熱瀝青混合。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

WMA的配合比設(shè)計(jì)與HMA過程類似。目前，AR的配合比設(shè)計(jì)也適用于WAR，不考慮溫拌劑的類型和加入時間，所有程序基本上包括五個步驟，即骨料和黏結(jié)劑的選擇、混合料壓實(shí)、壓實(shí)混合樣品的空隙度測量、機(jī)械測試、最佳黏結(jié)劑含量測定。

一般情況下，由于AR黏結(jié)料中有一部分瀝青是用橡膠粉代替的，AR/WAR黏結(jié)劑的含量一般應(yīng)高于相應(yīng)的含原生瀝青的混合劑。已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，溫拌橡膠瀝青中最佳瀝青含量(OAC)應(yīng)為純黏結(jié)劑最佳瀝青含量的1.2～1.4倍[8]。由于橡膠粉的膨脹特性和黏結(jié)劑含量的增加，空隙和開放級配比致密級配更適合AR/WAR。瀝青混合料的最佳瀝青含量取決于設(shè)計(jì)的空隙率、集料來源、壓實(shí)方法、相應(yīng)瀝青路面的使用條件等。根據(jù)已有研究，密級配、間隙級配和開放級配的混合料的OAC分別在4.4%～5.5%、4.5%～6.2%和4.3%～6.5%[9]。

2 橡膠瀝青與溫拌橡膠瀝青

2.1 橡膠粉與瀝青的相互作用

橡膠粉可由廢舊小車或卡車輪胎粉碎得到的，主要由天然橡膠、合成橡膠、炭黑和填充物組成。瀝青包含四個組分，飽和分、芳烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。高極性瀝青膠束分散在飽和分、芳烴和膠質(zhì)的黏性相中。已有研究者對橡膠瀝青內(nèi)部的相互作用機(jī)制進(jìn)行了廣泛的研究。特別是Wang等[10]全面總結(jié)表征AR黏結(jié)劑中組分間相互作用的現(xiàn)有化學(xué)方法。橡膠粉與瀝青的相互作用發(fā)生在評價(jià)溫度下高剪切混合過程中。在相互作用過程中，橡膠屑發(fā)生了兩個階段的變化：溶脹和溶解。橡膠屑的溶脹與溶解是同時發(fā)生的。

AR的生產(chǎn)不是簡單地將橡膠粉混合和分散到熱瀝青結(jié)合劑組分中，而是一旦與熱瀝青混合，橡膠粉的外部隨著混合時間的增加而溶解，釋放出天然橡膠、合成橡膠和其他組分到瀝青組分中。此外，瀝青中的輕組分飽和分和芳香烴被吸附到橡膠粉聚合物鏈中，在橡膠粉周圍形成一層薄薄的凝膠層。一項(xiàng)關(guān)于AR黏結(jié)料四組分分析的研究表明，與原瀝青相比，AR的重組分比例更高，輕組分比例更低，這應(yīng)歸因于橡膠粉的吸收作用[11]。

2.2 瀝青、橡膠粉和溫拌劑的相互作用

溫拌橡膠瀝青的生產(chǎn)也不僅僅意味著將橡膠粉和溫拌劑混合和分散到瀝青餾分中。膨脹橡膠粉、瀝青組分和WMA添加劑相互作用原理：在混合過程中，溫拌劑和瀝青組分的兩種成分都被吸收到橡膠-瀝青相互作用區(qū)。Yu等[12]采用分段提取法將膨脹型橡膠粉的相互作用區(qū)域劃分為四層，他們發(fā)現(xiàn)蠟類添加劑對膨脹橡膠吸附性能的影響有限。相反，據(jù)報(bào)道，化學(xué)表面活性劑會顯著降低大分子含量，阻礙碳氧鍵的形成。對于WAR黏結(jié)劑的最終狀態(tài)，利用環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)觀察表明AR具有單相連續(xù)結(jié)構(gòu)，顆粒在基質(zhì)瀝青中不均勻分布，Evotherm-DAT能夠使橡膠瀝青體系更加均勻。

除了WMA添加劑的種類外，混合過程也影響溫拌橡膠系統(tǒng)的相互作用。Yu[13]發(fā)現(xiàn)，使用相同用量的蠟添加劑，直接將橡膠粉、溫拌劑和瀝青混合在一起，可以使溫拌橡膠瀝青膠凝劑液態(tài)瀝青相中的蠟含量低于常規(guī)方法。這意味著在反應(yīng)過程中，基質(zhì)瀝青和蠟分子的輕組分都被橡膠粉吸收。

3 溫拌橡膠瀝青的工程性能

3.1 溫拌橡膠瀝青黏合料的流變特性

橡膠粉與基礎(chǔ)瀝青的相互作用使橡膠瀝青在高、中、低溫下具有優(yōu)越的性能。橡膠粉的溶解和膨脹顯著提高了瀝青黏度。因橡膠粉與瀝青的密度差異，橡膠瀝青的貯存穩(wěn)定性較原瀝青差。溫拌劑的添加能緩解AR的工作性問題。在基質(zhì)瀝青中摻入橡膠粉后，瀝青黏結(jié)劑的針入度、延度和相位角降低，軟化點(diǎn)、彈性回復(fù)率、黏度和復(fù)合剪切增加[14]。Wang等[15]評價(jià)了AR和WAR黏結(jié)劑中液體瀝青相的流變性能，并發(fā)現(xiàn)AR抗車轍性能的提高主要是因聚合物改性和顆粒效應(yīng)，而疲勞壽命的延長主要是因橡膠粉的顆粒效應(yīng)。

WMA添加劑的種類和含量對AR黏結(jié)劑的流變性能有顯著影響。根據(jù)高性能瀝青的流變學(xué)表征，F(xiàn)T-wax可以增強(qiáng)車轍抗力，但降低疲勞和低溫開裂抗力[16]。然而，線性振幅掃描(LAS)試驗(yàn)表明，溫拌劑FT-wax對疲勞抗力的影響是有效的[17]。通過對比溫拌橡膠瀝青、砂漿和混合料的疲勞性能評價(jià)，Yu等[18]提出LAS是比高性能瀝青疲勞因子試驗(yàn)更可靠的疲勞試驗(yàn)。為了保證良好的低溫性能，應(yīng)控制蠟劑的用量。各種化學(xué)添加劑對AR黏結(jié)劑的抗車轍性能有負(fù)面影響。發(fā)泡添加劑對車轍性能影響不明顯，發(fā)泡過程對車轍性能有輕微的負(fù)面影響。

3.2 溫拌橡膠瀝青混合料的力學(xué)性能

瀝青混合料的力學(xué)性能因具體的瀝青、混合料級配、集料類型以及混合條件的不同而有很大的差異[19]。熱橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性、剛度模量、抗裂性和永久變形性等力學(xué)性能均明顯優(yōu)于常規(guī)熱拌瀝青，這與AR黏結(jié)劑優(yōu)越的流變性能相一致，是由于黏結(jié)劑黏度的增加和生產(chǎn)溫度的升高。Yu等[20]采用馬歇爾樣品的空隙率和SGC樣品的旋轉(zhuǎn)次數(shù)作為瀝青混合料壓實(shí)性的度量。研究發(fā)現(xiàn)，溫拌劑的添加可以使AR混合物的生產(chǎn)溫度降低至少16 ℃，而不會顯著影響混合物的壓實(shí)性。其他研究也表明，使用WMA技術(shù)可以降低混合溫度20～35 ℃，對體積性能的影響非常小[21]。

WAR混合料的抗?jié)駬p性能略差于熱AR混合料，這是因?yàn)樵谳^低的生產(chǎn)溫度下，骨料中滯留的濕氣較多[22]。哈巴爾和辛格表面自由能研究也得出了同樣的結(jié)論。研究發(fā)現(xiàn)，與熱AR相比，Rediset、Sasobit和Advera的AR具有較差的耐濕性[23]。溫拌技術(shù)本身不太可能影響濕度敏感性，問題可能是由于骨料條件和施工質(zhì)量所導(dǎo)致。水性化學(xué)添加劑(如Evotherm-DAT)由于液體表面活性劑的不完全蒸發(fā)而對水分敏感產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，溫拌瀝青混合料的性能通常比相應(yīng)的熱拌瀝青差，原因是骨料加熱溫度較低。在疲勞性能方面，Xiao等[24]認(rèn)為，在有機(jī)、化學(xué)和發(fā)泡添加劑中，只有asphamin抗疲勞開裂性能較差。

4 經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益

在WMA的作用方面，有研究證明，加入WMA可以在節(jié)能方面取得顯著的效益。較低的施工溫度所帶來的好處可能會被更高的額外材料成本所抵消。Wang等[25]認(rèn)為，與傳統(tǒng)HMA相比，溫拌橡膠瀝青需要更高的初始成本，但由于其增強(qiáng)的工程性能和較低的維護(hù)成本，在全壽命周期更具成本效益。

據(jù)報(bào)道，WMA在建設(shè)期間產(chǎn)生了顯著的環(huán)境效益。與傳統(tǒng)的HMA相比，WMA技術(shù)可減少排放二氧化碳和二氧化硫30%～40%，揮發(fā)性有機(jī)化合物50%，一氧化碳10%～30%，氮氧化物60%～70%。根據(jù)歐洲的一項(xiàng)研究，使用WMA技術(shù)可以節(jié)省20%～35%的燃料[26]。與混凝土路面相比，在升級配混合料中使用輪胎橡膠可降低至少50%的輪胎噪聲。其降噪效果主要是由于橡膠顆粒殘留在瀝青路面中的特性所致。

5 未來研究方向

雖然已有文獻(xiàn)報(bào)道了黏結(jié)劑的流變特性、混合料的力學(xué)性能以及溫拌橡膠瀝青的相互作用機(jī)理，但溫拌橡膠瀝青仍值得進(jìn)一步研究，如何回收溫拌橡膠瀝青路面、如何通過WMA添加劑控制瀝青與橡膠的相互作用，如何針對特定區(qū)域優(yōu)化WMA與AR的組合。通過WMA添加劑控制瀝青和橡膠之間的相互作用，開發(fā)一種典型的WAR設(shè)計(jì)的最佳混合參數(shù)(材料用量、混合時間/溫度/速率/順序)。此外，還應(yīng)從流變學(xué)特性和微觀/化學(xué)特性兩方面評價(jià)不同組分之間的相互作用水平。在此基礎(chǔ)上，提出采用生命周期成本分析(LCCA)和生命周期評價(jià)(LCA)來平衡WAR路面的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境性能。通過對施工技術(shù)、維修技術(shù)和運(yùn)行參數(shù)的深入研究，將對WAR有更深刻的理論和實(shí)踐認(rèn)識，從而使WAR得到更廣泛的應(yīng)用。