废轮胎胶粉改性沥青应用技术综述

废轮胎胶粉改性沥青作为一种新型建筑材料，已经被广泛应用于高等级公路及城市道路建设领域，该材料作为废轮胎橡胶粉和沥青的混熔体系，主要依靠胶粉颗粒在混熔过程中形成的凝胶膜而相互连接，与传统的聚合物SBS改性沥青有着本质的不同。因此，从胶粉改性沥青本身特性出发，深入认识其改性机理、性能评价体系及生产制备工艺所具有的特殊性，对该技术的推广和成功应用具有重要意义。

1 胶粉改性沥青混熔改性机理

目前，国内外主要基于界面理论和溶解度理论定性研究胶粉改性沥青混熔作用机理。通过对两种材料混熔体系发育、形成及稳定过程的分析，可以认为胶粉颗粒在与基质沥青高温充分混合条件下，逐步发生熔胀、吸附、脱硫、降解等一系列的物理化学反应。首先是橡胶粉吸收沥青中的轻质成分而溶胀并粘聚，同时在颗粒表面形成沥青质含量较高的凝胶膜，随着反应时间的增加，胶粉通过凝胶膜连接，形成一个粘度较大的半固态连续相的混熔体系；伴随着橡胶粉与沥青的溶胀过程，部分橡胶粉还会发生脱硫和分子降解过程，交联剂硫、抗老化剂等外加剂和炭黑等活性成分会通过界面交换作用进入沥青胶体体系，而未裂解的橡胶粉在沥青悬浮液中均匀分布，最终使混熔体系达到相对稳定状态。

总体上来说，胶粉颗粒和基质沥青的混熔作用过程即胶粉颗粒不断溶胀并通过凝胶膜连接的过程，与此同时，还伴随着少部分橡胶粉的脱硫和降解作用，使其活性成分进入沥青胶体体系，而未发生裂解的橡胶粉主要通过物理填充，起到增强沥青弹性性能和提高其抗裂性能的作用。

2 胶粉改性沥青性能评价体系

胶粉改性沥青作为废旧轮胎胶粉和沥青的混熔体系，其胶体结构中未能形成微观网络加劲结构，与传统的SBS等聚合物改性沥青有着本质的不同，技术性能主要取决于混熔体系结构的变化。因此，沿用JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》和JTJ 052—2000《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》对胶粉改性沥青进行性能评价和质量控制显然不很合理，应该针对其混熔体系作用机理和半固态连续相的结构特点，对现行的各种评价指标和试验方法进行适应性分析，提出新的评价指标。

胶粉改性沥青在发育过程中，溶胀后的橡胶粉的体积将将达到改性沥青体积的30%～40%，这些溶胀后的橡胶粉颗粒的存在会使目前针入度试验中常用的标准针产生较大的随机误差，而且，在25℃试验环境下，橡胶粉颗粒的变形能力比沥青弱，若试针插到橡胶粉颗粒体上时，会使针入度值偏小；而当试针插到橡胶粉颗粒体外时，测得的针入度值又偏大，从而造成胶粉改性沥青的针入度试验结果的离散性较大。因此，针入度指标不宜用作胶粉改性沥青的质量控制指标。同样，胶粉改性沥青是橡胶粉与基质沥青的混熔体系，橡胶粉颗粒仅通过凝胶膜相互连接而未形成较强的化学粘结，因此，软化点试验结果实际上更多的是反映橡胶粉颗粒间的沥青轻质组分被吸收后的自由沥青的高温流动性能，并不能全面反映胶粉改性沥青在该温度下的高温性能。因此，软化点并不能完全反映胶粉改性沥青的高温稳定性能，不能用软化点指标的大小来评价胶粉改性沥青与其他改性沥青高温性能的优与劣。

针对胶粉改性沥青的技术特点，相关文献对其性能评价体系如下：

1）胶粉沥青的评价指标体系相对于SBS等聚合物改性沥青要简单得多，通过控制粘度就能很好地控制胶粉改性沥青的高温性能和施工性能，软化点指标在一定程度上可以定性反映胶粉颗粒与沥青的反应程度；

2）由于胶粉沥青中胶粉颗粒的存在使得针入度试验结果随机误差较大，因此，针入度以及由针入度计算所得的针入度指数、当量软化点、当量脆点等技术指标不适宜于评价胶粉沥青的性能；

3）由于胶粉沥青是由胶粉颗粒与基质沥青通过凝胶膜相连接的混溶体系，因此，软化点仅表征胶粉颗粒周围的轻质成分被吸收的自由沥青的高温抗流动能力，并不适宜用于评价胶粉沥青的高温性能；

4）由于胶粉沥青中胶粉颗粒与基质沥青模量的差异，使得其在受拉过程中产生应力集中而提前断裂，因此，常温延度和低温延度指标不适宜于评价胶粉沥青的拉伸及低温抗裂性能；

5）由于胶粉颗粒在与基质沥青混溶发育过程中发生物质交换，胶粉颗粒中的硫、炭黑、氧化硅、氧化铁以及生产轮胎时添加的抗老化剂等物质都进入基质沥青胶体体系中，使得胶粉沥青具有优越的抗老化性能，不需要对其抗老化性能进行评价；

6）旋转粘度、弹性恢复及SHRP体系中的DSR动态剪切试验和BBR弯曲梁蠕变试验在机理上适合用于评价胶粉沥青的技术性能。

3 胶粉改性沥青性能影响因素

胶粉改性沥青作为胶粉颗粒和基质沥青的混溶体系，胶粉颗粒的细度、颗粒表面状况、掺量和及加工工艺等因素都会直接影响其混熔发育的速度和程度，从而影响其改性效果。

天津市市政工程研究院在室内采用常温法粉碎的斜交胎胶粉颗粒和70#沥青，分别从胶粉粒径和掺量等方面来研究其对改性效果的影响。试验采用软化点、25℃针入度、175℃旋转粘度、25℃弹性恢复及薄膜烘箱老化试验来评价其改性效果。其中，胶粉改性沥青全部采用简单搅拌，搅拌速度为1 000 r/min左右、搅拌时间为10min左右、混熔温度为190℃。

1）胶粉改性沥青的性能随胶粉粒径的变化较为明显，随着胶粉粒径的减小，其在沥青中溶胀越充分，从而使胶粉改性沥青的粘度就越大，即高温稳定性能越好。但是，其性能的改善随胶粉粒径的变化程度并非简单的线性关系，并不能简单地说胶粉颗粒越小，其改性沥青的性能就一定越好。而且，从施工及工程成本的角度来讲，胶粉颗粒越细，其加工成本也就越高，同时更容易结团而影响改性效果。

2）增加胶粉掺量对于改善基质沥青的性能是有利的。但同时也应该注意到随着胶粉掺量的增加，胶粉改性沥青的粘度有很大的增幅，而过高的粘度会对沥青的泵送及混合料的拌和、摊铺造成较大的困难，因此，应该将胶粉的掺量限定在一定范围内。

同济大学研究人员通过试验来对比简单搅拌和高速剪切2种工艺对胶粉改性沥青性能的影响，得出结论：当胶粉掺量为17%时，2种工艺的各项指标相差不大，但当胶粉掺量超过20%时，高速剪切工艺的各项指标却明显下降，甚至低于17%掺量时的指标。这主要是因为：对于胶粉改性沥青来说，废轮胎胶粉已经经过硫化交联处理，强度和韧性都超过其他改性剂，高速剪切达不到迅速粉碎颗粒的效果；而且，当胶粉颗粒掺量较大时，其在高速剪切过程中反复摩擦会产生大量热量，加速胶粉颗粒的脱硫和裂解，从而影响胶粉改性沥青的性能。由此，可以定性认为，高速剪切工艺在高温条件下基本没有对胶粉颗粒进行细化的效果，胶粉颗粒的细度应主要依靠胶粉加工阶段来达到。而且，从胶粉改性沥青的作用机理来看，简单搅拌工艺较为简单，能够很好地分散胶粉颗粒，考虑到提高生产效率以及胶粉结团等实际问题，建议以简单搅拌工艺为主，同时采用低速剪切工艺辅助加工。

江苏省交通科学研究院研究人员基于SHRP指标对拌和温度对胶粉改性沥青性能的影响进行试验研究，得出结论为：随着拌和温度的升高，胶粉改性沥青的抗车辙因子逐渐降低，抗疲劳因子逐渐升高，说明较高的拌和温度对于胶粉改性沥青的高温性能和抗疲劳性能不利。但是，如果拌和温度低于170℃时，胶粉颗粒的溶胀反应速度会较慢，不仅影响生产效率，而且使得胶粉改性沥青的粘度较大，给泵送带来较大的困难，因此，建议胶粉改性沥青来说的拌和温度控制在180～190℃。

交通部公路科学研究院研究人员采用高速剪切工艺在180～190℃之间进行搅拌，在不同搅拌时间下对胶粉改性沥青进行取样的显微镜放大照片。由时间影响照片可以看出，搅拌时间对胶粉改性沥青的匀质性影响很大，随着搅拌时间的延长，胶粉颗粒逐渐打散和融胀，由开始的絮状块体，逐渐分散成单个的胶粉颗粒，随后胶粉颗粒在基质沥青中吸收轻质油份，逐渐发生融胀，在搅拌时间达到2 h时，胶粉颗粒已经基本融进沥青中，与沥青的界面开始模糊。另外，胶粉颗粒在搅拌半小时和搅拌2 h下的状态差别很大，而在1 h和2 h的差别显著减小。考虑到基质沥青在高温搅拌过程中的老化情况，建议室内制备胶粉改性沥青时的搅拌时间最好控制在1 h左右。

4 胶粉改性沥青生产制备工艺

天津市市政工程研究院根据上述分析，经过大量室内试验比选，确定胶粉改性沥青的室内制备工艺为采用常温粉碎法斜交胎胶粉，胶粉粒径为40目，掺量为外掺20%，基质沥青采用70#A级沥青，搅拌温度控制在180～190℃，先用5 000 r/min高速剪切机搅拌10 min，再用简单搅拌机搅拌60min，搅拌速率为800～1 000 r/min，使胶粉颗粒充分溶胀发育。

采用常规指标对试验室内制备的胶粉改性进行全面检测，由表1检测数据可以看出，基于上述加工工艺在试验室内所制备的胶粉改性沥青具有优良的性能，从而说明该加工工艺适合于胶粉改性沥青的作用机理，可以用来指导现场生产。

表1 室内制备胶粉改性沥青的常规指标检测数据

5 结语

胶粉改性沥青作为废轮胎胶粉和沥青的混融体系，其评价体系及性能影响因素与传统的聚合物改性沥青有很多的不同。在实际应用过程中，应深刻理解其混熔作用机理，采用与其混融体系相适应的技术指标来客观评价其质量，根据橡胶粉物理化学组成，从掺量、粒径及拌和工艺等方面着手，通过室内试验最终确定相应的现场制备工艺。只有认真做好上述工作，才能保证胶粉改性沥青技术的成功应用。

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[3]JTJ 052—2000，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[4]丛培瑞.橡胶粉改性沥青储存稳定性及性能评价指标研究[D].济南：山东大学，2008.

[5]王旭东，李美江，路凯冀.橡胶沥青及混凝土应用成套技术[M].北京：人民交通出版社，2008.