橡胶粉在公路沥青中的应用探讨

梁中艳

（天津市橡胶工业研究所有限公司 天津 300384）

1、引言

沥青路面是道路建设最普遍采用的路面形式。沥青路面具有非常多的优点，设计施工良好的沥青路面具有优异的路用性能。然而，我国幅员辽阔，环境、气候各不相同，加之交通状况、施工管理水平、路用材质等因素的影响，目前很多沥青路面达不到设计要求，往往通车不久就产生了严重的早期破坏现象，如车辙、推移、拥包等高温稳定性问题等。然而，近年来随着汽车产业的高速发展，道路在水、热、荷载等的影响下变型越发严重，使得广大道路工作者遇到了前所未有的挑战。同时，汽车产业发展带来的副产品废旧橡胶轮胎却大量堆积，造成严重的资源浪费， 并且污染了环境，回收再利用将是解决废旧轮胎的有效措施。而橡胶粉在公路沥青中却可以有效改善路用性能，所以回收废旧轮胎磨细制成橡胶粉用于沥青路面可以变废为宝。如何有效利用废旧轮胎从而提升路面的稳定性，实现路况的行车舒适性和安全性问题迫在眉睫。

2、沥青路面性能分析

2.1 高温稳定性

高温稳定性是沥青路面最基本的路用性能，其主要表现在沥青路面受荷载反复作用后抵抗永久变形的能力。在高温情况下，稳定性不足问题最容易发生，因为沥青混合料劲度模量在高温时比较低，通常以车辙、推移、粘轮、泛油及起波等形式体现。当然危害最大的要数车辙的影响，车辙很大程度上降低了路面服务质量和使用性能，同时缩短了沥青路面的使用年限。

就我国的高等级公路来讲，目前绝大多数沥青路面是半刚性基层，这种基层相对有较好的刚度和整体稳定性，因此永久变形通常就出现在沥青面层中，而基层及基层下面路基不存在较大变形，车辙变形大部分产生于沥青混合料的流动变形。所以提高沥青混合料的高温稳定性是解决沥青路面流动性车辙的主要办法。而聚合物改性沥青（SBS 改性沥青）及SMA 混合料的应用在稳定性方面有明显的效果，但是昂贵的造价使得其应用具有一定的局限性。

2.2 抗老化性

随着科技的发展，人们对沥青的质量和使用寿命有了更高的要求，通常规定沥青使用寿命在40～50 年为宜，这样使得提高沥青的抗老化性能变成了行业焦点。其中以废橡胶改性沥青的抗老化规律研究为主，掌握其中的规律有利于人们更好的认识和使用废橡胶改性沥青。

按照沥青本质以及老化时的组成与结构，科学界认为：沥青的老化过程表现为一个极其缓慢的自氧化，在外界温度或者光的作用下，沥青分子中的活性基团进行裂解产生自由基，产生的活性自由基与空气中的氧反应从而转化成为氢过氧化物中间体(ROOH)，氢过氧化物中间体活性较强：一方面可以通过分解转化成具有羰基的组分；同时由于是氧化剂，所以将沥青分子中具有的硫醚、硫醇官能团氧化成亚矾官能团。

事实上，沥青的老化非常的复杂，不能仅仅用结构式的变化来解释。通常情况下，沥青的饱合组分在老化过程中是相对稳定的，在老化过程中不会产生太大的变化，而芳香芬则更容易发生氧化聚合反应，沥青胶质中具有极性官能团的组分通过分子间相互的聚合与缩和作用从而变成了沥青质。即所谓沥青组分通常按芳香分、胶质、沥青质的路线转化，最后转向重质化。由此可知，我们可以把沥青老化的过程认为是沥青化学组分移行造成的。

通过利用凝胶色谱(GPC)方法分析发现，沥青在老化过程中伴随着平均分子量随的变化，分子量更加分散。其原因是在沥青老化的整个过程中，不同组分分子之间的氧化聚合、受热裂解等作用。

2.3 层间粘结性能

设计修筑一条使用寿命相对较长的公路，从而改变当前我国普遍面临的怕修水泥路面、使用周期短的被动局面，道路工作者试图从改进路面结构设计和采用工业化施工方面找到新的途径，这无疑需要考虑复合式路面结构组分问题。复合式路面由水泥混凝土面板与沥青混凝土层构成。复合式路面综合了水泥路面和沥青路面的优点，水泥混凝土路面上铺以沥青混合料，从而有效保护水泥混凝土路面，减缓交通荷载对水泥混凝土面板的冲击作用，减少水的渗入，改善水泥混凝土路面受力条件，提高行车的舒适性和安全性；水泥混凝土路面下设置沥青混合料，可以改善水泥混凝土路面受力条件，增强基层的抗冲刷能力与变形协调能力，有利于延长水泥混凝土路面的使用寿命。但大量的病害调查结果显示，复合式路面易产生泛油、表面剥离、唧泥、车辙、推移、波浪、沉陷、各种裂缝及基层引起的拱胀裂缝等病害。如果层间处理措施不当，将对行车安全带来隐患，并会使路面使用寿命大大缩短。

水泥路面表面和沥青面层粘结形成的是弱界面层，其使得层间及其整个路面结构实现连续性粘结。沥青层表面的弱界面层是在路面施工过程中形成的，其中压实不均匀、表面粗集料压碎、集料离析、施工中喷水雾、沥青层表面吸附空气中的粉尘和水、碾压时沥青中轻质组分的迁移形成油膜、沥青层表面受污染等形成了弱界面层，从而共同决定沥青层的层间结合能力。

3、废胶粉对改性沥青的影响

3.1 废胶粉在SBS/橡胶复合改性沥青中作用

研究发现采用SBS/橡胶复合改性沥青技术可以有效改善车辙变性问题，尤其是在高温多雨水条件下沥青路面的车辙，该技术的应用不但有望提升沥青路面的抗车辙能力，而且能够很大程度上延长沥青路面的使用年限，同时减少了废旧轮胎的大量堆积，有效的保护了环境。①

由于在SBS/橡胶复合改性沥青中添加了橡胶粉，在很大程度上降低了SBS 的掺量，从原来的 5%降到了2%，节约了大量的石油资源，使得改性沥青的制造成本有了大幅的降低。目前世界上很多国家已经开展研究并使用SBS/橡胶复合改性沥青技术，以适当比例将两者同时加入基质沥青中，这种复合改性沥青明显表现出了比使用单一改性剂时更优越的路用性能

3.2 废胶粉对沥青抗老化的影响

针对废胶粉抗老化性能，科学家就橡胶粉在沥青中的改性性能进行了大量的实验，研究发现：在特定温度下，向沥青中加入废胶粉颗粒后，起初废胶粉的网络型分子结构微区开始软化，进而产生了流动性；于此同时，沥青本身含有的饱和烃对废胶粉颗粒进行溶胀，沥青中的芳香烃和胶质对进行了部分溶胀，从而使得废胶粉颗粒体积发生膨胀。同时给与一定的外力搅拌，在搅拌速率和剪切力的作用下，废胶粉颗粒均匀的分散到沥青当中，由于废胶粉微粒细小，其表面能相对较高，具有较强的吸附能力，而且颗粒越小溶胀作用增强，进而使得体积不断膨胀。随着废胶粉颗粒的含量不断增加，单位体积微粒数越多，各微粒间的距离随之减小，高分子相互之间的作用力增大，众多的废胶粉微粒由于分子力的作用互相搭接融合形成了网状结构；这种橡胶粉微粒的网状结构具有弹性、塑性以及延展性。因此废橡胶粉加入到沥青后，可以有效的改善沥青的高温、低温性能。

而且老化后用废橡胶粉改性的沥青，在任何粒径、任何掺量下其 5℃的延度值均高于基准沥青，说明废橡胶粉的加入同样可以改善沥青老化后的低温延展度。即便不同种类的沥青，当用废胶粉进行改性之后，改性后的粒径和掺量都比基准沥青的损失小，这也充分说明抗老化性能得到了改善。

废胶粉的掺入，使沥青在热老化过程中软化点升高程度明显减小，高温性能明显改善。热老化后的延度比明显减小，延度下降率明显减小，特别是低温延度下降率最小，反映出废胶粉改性沥青的低温性能的改善程度很大，说明废胶粉的加入可以很大程度改善沥青老化后的低温抗裂性。

对于在常温下呈固体或半固体的石油沥青用针入度表示其粘性大小。加入废橡胶改性剂以后，各个温度下的针入度都有不同程度的降低，这是因为废胶粉的加入能吸附沥青中的某些组分，沥青中与改性剂结构相似的轻组分（主要是油分和蜡）经过渗透、扩散进入橡胶网络，使废胶粉溶胀，从而有效地降低游离蜡含量，组分的变化使得高蜡含量的沥青从溶胶结构转变为溶-凝胶型结构，稠度可明显升高，文献中，用5%的100 目的废胶粉改性含蜡量为6%的沥青后，其游离蜡含量降低到2.23%，而且油分含量明显降低。废胶粉被溶胀以后形成连续相，这些都使改性沥青稠度增加，表现为沥青的针入度减小，软化点明显升高。而且废胶粉颗粒越细，在相同胶沥比时，改性效应越明显，所以针入度降低也就越明显。

虽然橡胶粉的加入可以显著改善沥青的性能，但是也必须严格控制废胶粉掺量，当掺量超过一定值时，反而对改性沥青性能有不良的影响。

废胶粉的掺入使沥青的各种性能都有明显改善，软化点升高，延度在15℃时减小而在5℃时变大，而针入度相对基质沥青有明显减小，也改善了低温性能。废胶粉的粒径明显影响沥青性能，粒径越小，改性效果更加显著。改性沥青对废胶粉的掺量有要求，如果超过最佳值，改性沥青的延度就会有降低的趋势。一般情况下，100～120目的废胶粉最佳胶沥比范围在0.08～0.10，粒径较大的废胶粉最佳胶沥比范围在0.12～0.15 之间。

3.3 废胶粉对沥青层间粘结性能的影响

当橡胶沥青应用于路面的应力吸收层时，其应该具有足够的初性、高弹性；而在测力延度时应表现出延度大和拉应力大的特性；当考虑施工性能方面，则要确保高温撒布时可以实现撒布的均匀。橡胶粉改性沥青应力吸收膜应该具备一下功能：粘结、防水以及应力吸收。这意味着对橡胶粉改性沥青的要求更高具，其粘度要恰到好处、胶粉掺量相应的要高、撒布温度要求高等，具体操作要求如下：

(1)橡胶粉掺量最好控制不能小于20%，当然在确保高温条件顺利撒布，应该尽量提高胶粉掺量，但是也不能太高，最好不要超过30%。

(2)用作应力吸收膜的橡胶粉改性沥青的采用较细的橡胶粉，建议大于等于60 目，小于120 目为宜。这样能够确保橡胶粉掺量较高时候的撒布；同时可以提高沥青粘度，缩小应力吸收膜橡胶粉颗粒间的距离，从而提高抗拉、抗裂的性能。

(3)改进应力吸收膜的橡胶粉改性沥青的加工工艺，采用剪切+搅拌为宜，保证剪切遍数大于2。这样有利于胶粉颗粒溶胀再剪切使其更小，其目的与使用较细胶粉是一致的。

(4)适当延长发育时间，一般建议控制在24h内即可。低温储存。目的是适当延长发育时间可以确保废胶粉的充分溶胀，使其颗粒变大，从而增强高温撒布后吸收应力能力。

(5)沥青加铺层层间粘结宜采用橡胶沥青，而洒布量应当控制在1.0～1.5kg/m2 之间，撒布单粒径9.5～13.2mm 的集料，集料洒布量占满铺的60%。

(6)采用2cm砂粒式应力吸收层的路段横向裂缝最严重，但该路段推移病害较少；加入聚酯纤维的沥青混合料具有较好的路用性能；采用SAC级配的K603+900 路段车辙与推移最为严重，复合式路面沥青混凝土混合料不宜选用SAC 型级配。

4、总结与展望

无论是沥青路面的耐高温性能、抗老化性能，还是道路沥青与混凝土的粘结性能，当加入适量的橡胶粉颗粒之后在很大程度上均提高了路用性能及其寿命。

利用这些废轮胎有益于我国经济的可持续发展，同时以利于缓解环境污染以及橡胶资源匮乏问题。橡胶轮胎是一种极其不容易降解的高分子化工材料，如果把废旧轮胎埋在地下，需要数百年甚至上万年才可以化解，严重地污染地下水资源。这些“黑色垃圾”无论采用任何方式都会造成新的污染，不仅污染环境而且浪费土地资源，况且容易滋生蚊虫传播疾病。

所以将废轮胎磨细成橡胶粉，用于公路建设不但使废旧轮胎资源循环利用、改善沥青混合料路用性能、降低造价、降低路面噪声，而且在施工中没有造成过多的环境污染，并可以再生利用。因此，橡胶粉改性沥青是一种典型的环保型技术，有广阔的应用前景。