温拌橡胶沥青发展现状及展望

张战军，温丽瑗，2，陈东庆，柯海，袁凯恒，陈小平,2

（1.广东石油化工学院，广东茂名525000；2.广东省石油化工污染过程与控制重点实验室，广东茂名525000；3.广东省公路管理局茂名沥青储运中心，广东茂名525000）

沥青具有良好的路用性能，在世界范围内得到了广泛的应用。而在基质沥青中加入橡胶粉制备得到的橡胶沥青，改善了其路用使用性能，其抗老化性、抗车辙性、抗疲劳性和降噪效果得到了很大提高，同时提高了路面的使用寿命［1］。2020年，国内废旧轮胎产量将达到2 000×104t，废旧轮胎堆积焚烧污染极大，将其磨成粉末添加到沥青中，废物再利用，应用前景广阔价值非凡；然而，橡胶沥青混合料粘而稠，实际铺筑施工采用热拌工艺，拌和温度达到180℃，热拌生产和施工过程中不仅产生危害气体、粉尘及大量能量的消耗，也会使得沥青混合料部分老化结块，制约橡胶沥青路面的使用寿命［2］。因此，国内外许多研究者将温拌技术引入到橡胶沥青中，降低了施工过程中橡胶沥青的粘稠度，提高了沥青混合料的易和性，降低了20～30℃的操作温度，节约成本，减少能耗，同时保证橡胶沥青路面的使用性能，延长设备的使用年限。文中主要围绕温拌橡胶沥青进行国内外研究情况综述，分析各类温拌技术机理，阐述今后解决的主要问题及未来发展趋势。

1 橡胶沥青

橡胶沥青，亦称橡胶粉改性沥青，即废旧轮胎加工磨制的橡胶粉粒与沥青加入一定的外加剂在高温状态下溶胀而成的复合沥青材料。橡胶沥青的文献最早报道于1843年英国的1项专利。现实意义上的橡胶沥青的生产始于20世纪40年代，美国1家橡胶回收公司率先采用干法工艺生产了Ramflex TM橡胶粉沥青混合料［3］。

1.1 橡胶沥青混合料国外研究现状

国外学者在橡胶沥青路面推广与使用中，开展大量的实验室模拟研究的同时也进行了试验路段的铺筑。1979～1981年，阿拉斯加州采用干法铺设了7段试验路，对比分析发现，橡胶沥青路面抗滑能力和疲劳性能有了很大的提高［4］；1983～1991年间，俄勒冈州同时采用干法、湿法工艺铺筑了橡胶沥青混合料试验路，结果得出橡胶粉改性沥青对低温抗裂的性能改善显著，对混合料的模量等强度指标降低了，但大大增加了抗疲劳性能［5］。1990～1993年，弗吉尼亚州对铺筑的5段橡胶沥青路面试验路，进行行车荷载作用后性能测试实验，得出抗车辙能力和抗滑性能均有提高［6］。1990～1992年，加拿大安大略省11条试验路段进行橡胶粉改性沥青路面铺筑，96年提交了评估报告，全面评价了橡胶沥青路面录用性能，包括橡胶沥青混合料设计和生产及环境影响、路面使用性能、路面建设初始费用、路面寿命评估费用等方面［7］。从1988年开始亚利桑那州全面推广实施橡胶沥青项目，截止2011年消耗掉了1 500×104条废旧轮胎制成橡胶粉，生产并使用420×104t的橡胶沥青。此外，南非顺利推广并成功应用橡胶沥青铺筑了公路路面，橡胶沥青路面铺筑已60%以上，与普通沥青路面相对比，当前铺设的橡胶沥青混合料路面的使用寿命显著提高，长达20～25 a［8］。

1.2 橡胶沥青混合料国内研究与应用现状

国内橡胶沥青起步较晚，20世纪90年代，国家开始提倡环保和废物回收利用，国内涌现出部分橡胶企业将废旧轮胎的回收再利用生产用于沥青里面的橡胶粉。文献报道国内橡胶沥青的研究主要集中在实验室研究，道路应用较少。

1.2.1 橡胶沥青实验室研究国内很多学者研究制备得到橡胶沥青的高低温性能及存储稳定性。周海生、苏庆国等人［9］通过胶粉改性沥青试验证明胶粉改性性能良好，尤其改善了沥青与集料粘附性。分析了橡胶粉掺入拌制的沥青玛蹄脂碎石（SMA）中对混合料性能的影响，结果表明橡胶粉在一定程度上可以替代纤维降低生产成本，而且具有良好的高温性能与水稳性。

杨永顺［10］通过室内试验研究了不同反应时间和不同反应温度加入不同粒径、不同掺量的废轮胎橡胶粉对沥青改性效果及变化规律。结果表明：反应温度为200℃，反应时间为60 min，采用粒度为80目、掺量15%（质量分数）的橡胶粉制备橡胶沥青性能最优。

东南大学曹荣吉博士［11］通过室内试验和试验路段，研究了橡胶沥青的改性机理及混合料设计方案，认为橡胶沥青混溶体系改性以物理共混为主，过程中存在脱硫降解等学学反应；同时通过橡胶沥青生产工艺参数的系列研究，提出了橡胶沥青的技术标准。

房斌等人［12］开发了1套橡胶沥青存储稳定性测定仪，考察了橡胶粉掺量、存储时间、温度对橡胶沥青稳定性的影响规律。试验分析得出提高橡胶沥青存储稳定性可采用搅拌存储和添加稳定剂2种方式。

何立平［13］通过正交试验，考察了橡胶粉掺量、硫掺量、剪切温度及剪切时间对橡胶沥青混合料性能的变化趋势影响，并确定了橡胶沥青制备工艺各参数及外掺剂的优化组合方案。

何东坡［14］通过马歇尔击实实验，对热拌橡胶沥青混合料最佳油石比随级配变化、胶粉类型、胶粉掺量的变化规律进行探究。结果表明：橡胶沥青混合料适宜采用60目胶粉，胶粉外掺量不宜超过24%，油 石 比 在8.5～9.5之 间。段 功 瓅［15］将0.3mm、0.6mm的矿料用废旧橡胶粉0.4%、0.8%（占矿料总质量）来代替，采用干法设计了不同种类的废旧橡胶粉改性沥青混合料，贝雷法优化了混合料级配，结果显示混合料具有良好的高温抗车辙性能，低温性能与抗水损性能可以满足行规。

尹建伟［16］以再生橡胶粉掺量为变量，采用干法工艺研究了40目再生橡胶粉从0～60%掺入沥青混合料中，综合考察再生橡胶粉改性沥青混合料的高温稳定性、水稳定性及低温抗裂性等性能，掺量为25%～35%，橡胶沥青混合料大幅提升沥青路用性能。

实验室研究得出的橡胶粉改性沥青高低温性能、水稳定性及存储性能均优于普通沥青且达到了对废橡胶轮胎粉的回收沥青，大规模道路铺筑使用更加环保节能。

1.2.2 橡胶沥青道路应用现状2001年西部交通建设项目“废旧橡胶粉用于筑路的技术研究”，展开了对国内橡胶粉应用情况的全面调查，并通过室内试验对橡胶粉路用性能能进行评价，同时对沥青混合料进行设计，综合研究1套成熟可靠的橡胶沥青施工工艺［17］。2004年，张金喜［18］通过室内实验得出废橡胶掺量达到9.4%（质量分数）时，沥青混凝土具有明显的防路面冻结性能；在实际工程中，预计掺入2%～3%左右的废橡胶即可达到防路面冻结效果。

2008年北京承办奥运会、2010年上海承办世界博览会、2010年广州承办夏季亚运会都将城市降噪作为提升城市品位的手段，纷纷启动橡胶沥青混合料的应用研究项目。

国内外研究学者通过室内和室外试验相结合对橡胶沥青各项性能指标的测试研究得出橡胶沥青具有更好的路用性能和更长的使用寿命，但是橡胶沥青粘稠铺筑过程中需要高温施工，对环境及人体的危害较大，道路材料也向着绿色环保发展，温拌技术的出现并与橡胶沥青相结合开创了全新的研究技术领域。

2 温拌沥青技术及温拌橡胶沥青

2.1 温拌沥青技术

温拌沥青混合料（Warm Mix Asphalt简称WMA）是指在基本不改变沥青混合料配合比和施工工艺的前提下，通过技术手段，使沥青混合料的拌合温度降低30～40℃以上，性能达到热拌沥青混合料的新型沥青混合料。一般情况施工温度100～120℃的沥青混合料称为温拌沥青混合料。

2.1.1 温拌沥青国外应用情况20世纪90年代温拌技术在欧洲部分国家开始使用，1995年首个工程项目竣工［19］。而温拌沥青的概念正式得到阐述是2000年美国壳牌公司和挪威公司在国际沥青路面会议发表的。许多学者相继研发泡沫型和有机降粘型2类温拌技术，并成功开始应用，之后温拌技术盛行于欧美、日本和南非等国家，推广使用路用性能对温拌技术又进行了大量研究和应用［20］。

2004年美国在加利福尼亚州和北卡罗莱纳州首次完成了温拌沥青现场试验［21］。2004年以后，以美国沥青路面技术研究中心（NCAT）对欧洲温拌沥青技术进行全面调研，采用3种比较成熟的温拌剂，开展了一系列的相关试验研究。

2.1.2 温拌沥青国内应用情况温拌沥青的起步国内比国外晚，直到2005年，国内第1条Evotherm温拌沥青混合料路面在北京成功铺筑，采用了乳化沥青分散技术；2006年11月，在西藏林周地区试验路段，零下4℃环境条件下，重庆交通科学研究设计院研究人员采用有机降黏温拌技术进行了铺设，混合料的拌和碾压温度降低20～40℃。2007年，在340省道成功采用Evotherm技术和SAK降粘剂进行了温拌沥青试铺，施工效果良好。2008年，浦东路桥公司对SMA温拌材料性能进行动稳定度和抗疲劳评估，得出的结论与和交通部公路科研院的研究结论相吻合。

2.2 温拌技术分类

目前国内外成熟的温拌技术大致可分为4类：沸石温拌技术、泡沫温拌技术、乳化沥青温拌技术和有机降粘温拌技术，见表1。

（1）温拌技术的沸石是人工合成Aspha-min沸石，该种沸石主要成分是含有结合水的硅铝酸钠（AlNaO6Si2）；

（2）泡沫温拌技术是由美国Shell和挪威公司合作研制的2阶段温拌技术，首先将软道路沥青（温度为100～120℃）与其它骨料混合搅拌，然后通过发泡机将硬沥青泡沫化，达到良好的施工性；

（3）乳化沥青温拌技术主要采用的是在沥青混合料中添加化学外加剂（如乳化剂）和沥青分散技术，实现了沥青混合料的温拌；

（4）有机降粘温拌技术是指在沥青混合料中加入熔点低的有机物，降低沥青混合料的粘稠度。

2.3 温拌橡胶沥青

温拌橡胶沥青结合料是指在橡胶沥青中融入温拌剂的技术，而且确保橡胶沥青路面强度、耐久性与使用性能与热拌橡胶沥青混合料一致，达到道路使用规范标准。

2.3.1 国外温拌橡胶沥青研究情况2005年，美国沥青技术研究中心环道中首次使用温拌橡胶沥青进行铺设，并对道路性能各项指标进行相关试验验证，该中心提交了3种温拌橡胶沥青技术试验结果研究报告。2008年Akisetty、Jones等人在室内进行温拌橡胶沥青模拟实验，实验结果得出温拌剂可有效降低橡胶沥青的旋转粘度，抗车辙性能增强，但降低了低温抗开裂性能。2009年Akisetty学者在5种不同基质沥青中掺入10%的橡胶粉，同时加入温拌剂Aspha-min和Sasobit进行拌和，得到温拌橡胶沥青，发现Sasobit温拌剂改善了橡胶沥青高温下抗永久形变力，明显降低了橡胶沥青胶结料粘度，结构破坏温度被提升。

2010年，Brown D通过多个项目的合作研发及实验室大量实验，在橡胶沥青生产中加入1个发泡系统，可有效降低橡胶化温度50℃，有效压实橡胶沥青路面，节约生产成本及维护费用。

2015年，Kim等人在橡胶沥青中添加一系列不同掺量的蜡添加剂，通过短期旋转薄膜老化和长期压力老化实验得出，蜡添加剂可降低橡胶沥青在135℃时的粘度，且蜡添加剂较高时橡胶沥青可满足沥青路面各方面要求，掺量达为3.5%时，可大幅度降低橡胶沥青的拌合和摊铺温度。

2017年Rodríguez-Alloza在胶粉基质沥青中掺入20%的橡胶粉，然后再添加2种有机拌合剂Sasobit和LicomontBS100，测试橡胶沥青力学性能。试验发现2种温拌剂不仅降低了橡胶沥青混合料的生产温度，而且保持橡胶沥青混合料优良的抗疲劳性能和劲度模量，改善橡胶沥青混合料的硬度，增强混合料路面结构抗永久形变能力。

2020年Mahmoud等人在橡胶沥青中引入slack wax（SW）和polypropylene wax（PPW）2种温拌剂，添加量为6%可有效降低混合温度和压实温度20～25℃，提高了橡胶沥青混合料的强度。

2.3.2 国内温拌橡胶沥青研究情况国内温拌技术与橡胶沥青相结合使用，在2008年后，陆续有学者开始研究，以望2种环保型技术手段的优势互补。2008年，在河北铺设了世界上第1条温拌橡胶沥青试验路。同年Evotherm温拌橡胶沥青技术在石家庄石环公路试验路得到了应用。

2009年山东大学的商淑杰详细研究了不同目数橡胶粉和不同掺量温拌剂制得的温拌橡胶沥青混合料各项性能指标，研究结果表明增大粉胶比和增加温拌剂含量可以降低胶浆的温度敏感性、改善沥青混合料的高温性能，但添加温拌剂量过多会增加生产成本。2012年温拌橡胶沥青混合料成功铺筑与海淀万柳中路试验路段，试验发现温拌技术应用于橡胶沥青混合料中显著降低了橡胶沥青生产和施工过程中有毒有害气体的排放。2015年在南京南站与机场连接线试验段工程中采用温拌橡胶沥青SMA-13铺设，测试结果在相同条件下温拌橡胶沥青SMA比橡胶沥青SMA压实温度降低了20℃，水稳定性和抗开裂性能保持不变，显著提高了橡胶沥青的高温稳定性。

近几年，国内更多学者从温拌橡胶沥青的宏观应用研究深入了微观机理研究。杨国良等人在实验室模拟温拌橡胶沥青老化试验，对老化前后Evotherm温拌沥橡胶青官能团及各组分进行表征分析，红外光谱峰显示，老化前后吸收峰及官能团位置基本未变，羟基和羧基峰形变得突出，芳香分和沥青质增多，饱和分减少。

刘宇等人采用红外光谱分析了温拌橡胶沥青短期老化和热—氧—水蒸气老化实验前后官能团及组分变化情况。研究结果发现，热—氧—水蒸气老化5针入度降低更快，软化点提高更多，黏度增加更明显。短期老化活性基团的生产较少，热—氧—水蒸气老化后温拌橡胶沥青中的羟基、羰基、脂肪族亚甲基和甲基、亚砜基等官能团含量增加更多。

广州大学黄征研究了Hsbit和Evotherm-M1温拌剂对橡胶沥青的降黏机理、短期老化及流变性能。研究结果得出，温拌剂的加入与橡胶沥青发生化学反应香亚砜S=O和芳香族伯胺—NH2含量增加，C-S发生断裂减少，降低橡胶沥青胶结料粘度前者降粘作用优于后者。2种温拌橡胶沥青均满足1级动力学方程。

张伟采用扫描电镜分析了温拌剂添加前后2种不同配比工艺下橡胶粉在沥青中的分散度及溶胀情况，采用红外光谱仪表征了温拌橡胶沥青微观结构，同时测试了温拌橡胶沥青的3大指标、黏度等性质；结果表明橡胶粉掺量为18%～20%，温拌剂宜为3%，先加橡胶粉后加温拌剂可使橡胶粉在基质沥青中分布更均匀，溶胀进程得到改善。

马育研究了Evotherm DAT和Sasobit温拌剂制备得到的温拌橡胶沥青实验室模拟老化特征与规律，对比了老化前后温拌橡胶沥青的宏观性能指标和微观形貌，分别对Evotherm DAT和Sasobit温拌橡胶沥青的模拟老化过程进行了研究。结果表明：在163℃老化，DAT温拌橡胶沥青低温劲度和抗疲劳性优于Evotherm DAT温拌橡胶沥青，高温稳定性、降黏效果2者相反。

程培峰利用正交试验对温拌橡胶沥青的制备影响因素权重进行分析，借助灰关联确定各因素比例，通过针入度、软化点、粘温系数综合评价温拌橡胶沥青性能。最终得出温拌橡胶沥青制备最佳配比工艺：温拌剂掺量0.6%、胶粉掺量20%、搅拌时间75 min、搅拌温度200℃。

3 结束语

改性废旧橡胶粉在温拌沥青中的应用越来越广泛，拌和施工温度低，路用性能稳定，是经济环保的沥青路面铺筑技术。但需解决2大主要问题：（1）生产废旧轮胎胶粉时严格把控原料来源和生产工艺确保胶粉产品质量及环保要求；（2）温拌剂的开发需加大力度，深入分析内在改性机理，加强路面试验段铺筑性能测试，优化不同环境下施工工艺，使得温拌橡胶沥青在不同条件下都有优良的使用性能，从而促进温拌橡胶沥青路面的发展。