废胶粉改性沥青用于道路工程的研究进展

陈 梦 ，张 涛

（1.山西省交通科学研究院，山西 太原 030006；2.新型道路材料国家地方联合工程实验室，山西 太原 030006；3.交通运输行业重交通公路养护材料技术协同创新平台，山西 太原 030006）

0 引言

中国是世界上最大的橡胶消费国，也是最大的废旧橡胶产出国之一。废旧橡胶主要来源于汽车废旧轮胎，据统计，2014年中国的废旧轮胎产量超过1 000万t，2015年将达到1 200万t，且将逐年递增。废旧橡胶属于硫化橡胶，分子呈三维网状结构，这种结构较为稳定，长期无法自然降解。大量废旧橡胶露天堆放，不仅存在严重的火灾隐患，且导致土壤植被易被破坏，对地下水源造成污染，严重时危及生态环境和人类健康[1]。因此，废旧橡胶的科学利用逐渐被重视并发展起来[2]。

图1 废旧橡胶的处理方式

目前，我国废旧橡胶的利用率仅为60%，利用处理方式主要有生产再生胶、轮胎翻新、热裂解和生产胶粉等[3]。其中，轮胎翻新和生产再生胶的方式均消耗大量能量，且对环境保护不利；废旧橡胶的热裂解是一种有效的循环利用方式，但应用范围十分有限。将废旧橡胶粉碎成胶粉添加到沥青中，作为路面材料用于道路建设，一方面可以变废为宝，促进废旧橡胶大量消耗，有效降低废弃物对环境的污染；另一方面能够提升路面的使用功能，延长使用寿命，是一种较为有效的回收利用方式，具有广阔的应用前景和社会经济效益[4-5]。

经过多年的发展，废胶粉改性沥青技术已经形成干法和湿法两大工艺。干法工艺（PUSRID法），是将废胶粉作为一部分集料直接添加到热沥青中，制备废胶粉改性沥青混合料。湿法（MCODONALD法），是将废胶粉加入热沥青中，搅拌均匀制备废胶粉改性沥青，然后与集料进行拌合制成混合料。干法工艺生产的混合料性能不佳，而湿法工艺铺筑的道路可以满足标准，因此，国际上通常采用湿法工艺。

1 废胶粉改性沥青的性能优势

胶粉均匀分布于沥青中，形成相对稳定的体系。与普通沥青相比，废胶粉改性沥青用于道路工程建设具有以下优势。

1.1 黏度得到提高

黏度是评价沥青高温稳定性的重要指标。加入胶粉后，废胶粉改性沥青的黏度明显增加，180℃黏度一般可达到1.5 Pa·s以上，不仅抗变形能力得到提高，而且增强了沥青与集料之间的黏结力，可提高路面抗水侵害能力。

1.2 高低温性能得到改善

废胶粉改性沥青中掺入了大量胶粉，延度提高，其在低温下表现出较好的柔韧性，提高了路面抗疲劳裂缝和反射裂缝的能力，适于在北方冬季低温环境中使用，可延长路面使用寿命。

胶粉的加入使废胶粉改性沥青的黏度增加，使其高温抗车辙能力得到提高。

1.3 抗老化、抗疲劳性能得到提升

废胶粉改性沥青中含有大量胶粉，胶粉中的抗氧化剂使道路抗氧化和抗老化的能力得到提高，同时，胶粉优异的弹性使沥青路面耐疲劳能力得到改善。

1.4 提高行车的舒适性和安全性

废胶粉改性沥青路面具有较好的柔韧性，可缓冲路面不平整而引起的震动，提高行车舒适性和安全性。

1.5 降噪功能显著

废胶粉本身具有弹性，使混凝土路面的弹性增加，应力扩散和吸收能力得到提高，路面降噪效果显著。

1.6 道路修建费用降低

对废胶粉改性沥青进行全面评价，不仅要对其性能和技术可行性分析，还要对其使用经济性进行评价。废胶粉改性沥青原料参考价格（近一年内）如下：基质沥青为3 000～4 000元/t，胶粉为2 000～2 500元/t，可以看出，胶粉成本低于基质沥青成本，采用废胶粉改性沥青可以大大降低工程成本。

2 废胶粉改性沥青的性能影响因素

在废胶粉改性沥青的生产中，任何因素都可能对其性能产生影响，如胶粉、制备工艺条件等方面，下面就几类主要影响因素进行分析。

2.1 胶粉

2.1.1 胶粉类别

一般胶粉使用大卡车轮胎粉、胎冠胶粉、小卡车轮胎粉和农用车轮胎粉等。胎冠胶粉中天然橡胶的含量最多，其改性沥青的低温抗裂性能和高温抗车辙性能最佳；这几类胶粉对软化点的影响都不大，除了农用车轮胎胶粉，其他3种胶粉改性沥青的延度均较好。

2.1.2 胶粉掺量

胶粉掺量大小对沥青性能的影响不同。当废胶粉掺入量较少时，胶粉呈“海岛”状微观结构分散在沥青中；当掺量增多时，胶粉则形成网络结构，废胶粉改性沥青的软化点、针入度、延度和弹性恢复性能均得到改善；胶粉掺量过多时，各性能提高缓慢，且黏度过大会使施工困难。因此，胶粉掺量需适量[6]。

陆晶晶等人[7]对16%～24%掺量的胶粉进行研究发现，随胶粉掺量的增加，延度呈上升趋势，并于25%左右达到峰值，针入度呈下降趋势，弹性恢复先提高后减小，废胶粉改性沥青的软化点呈对数增长，这是由于胶粉溶胀作用逐渐减弱的原因；在脱硫和降解的综合作用下，废胶粉改性沥青的黏性表现为先增大后减小。综合所有因素，认为对于AH90号基质沥青而言，胶粉最适宜掺量为25%左右。

2.1.3 胶粉粒径

对于同一种胶粉来说，胶粉越细，废胶粉改性沥青的针入度和延度则越大，这是由于胶粉越细，溶胀作用越强烈，但胶粉过细，在沥青中将无法形成骨架结构，使弹性恢复性能和软化点衰减。因此，进行改性并非胶粉越细越好，且胶粉越细导致成本也越高。目前，国内多采用40目胶粉。

张日民[8]和陆晶晶[7]等人研究了胶粉目数对废胶粉改性沥青性能的影响，采用20目、40目、60目和80目等4种粒径的胶粉进行试验，发现掺入40目胶粉时，废胶粉改性沥青的软化点提高最多，黏度和针入度最低，但同时延度最低，这表明40目胶粉改性沥青具备良好的感温性能和高温稳定性，但其低温抗裂性能相对降低；随着胶粉粒径的增大，废胶粉改性沥青的抗车辙因子下降，即抗变形能力下降，但疲劳寿命越高。

2.2 工艺条件

大量研究表明，在废胶粉改性沥青的制备过程中，反应时间、温度等工艺参数都会对其性能产生直接影响。

2.2.1 反应温度

废胶粉改性沥青是由高分子组成的混和物，当反应温度较低时，改性沥青中高分子链运动所需要协同的链段数相对较少，分子链运动起来较为容易，发生黏弹态向黏流态转变的温度较低，软化点较低，弹性也不佳；反应温度升高时，软化点相应升高，弹性也提高；温度继续升高，胶粉分布均匀，与沥青分子链能很好地结合为一体，弹性能就会降低，软化点也降低。温度较低，胶粉颗粒无法充分溶胀和降解；温度过高，则易使胶粉炭化，其分解产生的低分子物质会对沥青进行稀释，造成沥青性能恶化[9]。由此可以看出，反应温度过高或过低都会对材料的性能产生不利影响，一般温度范围在180℃～200℃。

倪颖等人[10]结合辽开高速公路废胶粉改性沥青路面面层试验段对反应温度进行了研究，认为在180℃～200℃下，胶粉与沥青的相溶性最好，应先将基质沥青升温至190℃，再掺入胶粉，反应过程中的温度也需保持在180℃以上。葛紫虹等人[11]结合平阳高速桥面施工现场情况，对废胶粉改性沥青的生产工艺进行了探讨，认为在生产过程中反应温度尤为重要，基质沥青须加热到190℃以上才能掺入胶粉。方屈等人[12]通过试验研究建议将反应温度控制在180℃～185℃之间，温度高于190℃以上不仅耗能大，且高温产生大量烟雾将危害环境与人身健康。

2.2.2 反应时间

胶粉与沥青反应时间太短，混合不均匀，胶粉-沥青体系中存在大量胶粉积聚团；随反应时间增加，积聚团在沥青中进一步分散，成为胶粉单粒，胶粉单粒与沥青胶体的结合更为紧密，可形成稳定的体系；反应时间过长，改性沥青黏度明显增大，不利于施工，一般反应时间为45～90 min。

石雪琴等人[13]研究了反应时间对废胶粉改性沥青软化点、针入度和延度三大性能指标的影响，结果表明反应时间对胶粉裂解和沥青轻组分溶胀的影响很大，是影响改性沥青性能的一个关键因素，最佳反应时间为1 h。葛紫虹等人通过实体工程验证，认为胶粉应在高温沥青中至少反应45 min，使其充分溶胀，但要防止胶粉颗粒沉淀，推荐反应时间为45～60 min。

2.2.3 搅拌方式

韩树峰等人[14]研究发现，反应过程中的搅拌方式对废胶粉改性沥青的软化点、针入度和延度这三大指标并没有产生太大影响，但对黏度、弹性恢复及针入度指数的影响较为明显，其中，高速剪切制备的废胶粉改性沥青性能最差，而高速搅拌制备的材料性能最好，适宜采用高速搅拌方式。

3 废胶粉改性沥青的作用机理

目前，针对废胶粉改性沥青常规性能的研究较多，却对微观作用机理的研究较少，而明确胶粉与沥青之间的作用机理，能够为进一步改善废胶粉改性沥青性能提供理论指导，因此，对废胶粉改性沥青作用机理进行研究十分必要。胶粉和沥青之间的作用过程非常复杂，作用机理尚未确定，目前主要存在以下几种观点：物理共混机理、网络填充机理、化学共混机理等[15-16]。

3.1 物理共混机理

胶粉掺入沥青中后，胶粉分子与沥青组分中的芳香烃和饱和烃进行相互作用发生溶胀、溶解，从而均匀分散在沥青中形成物理共混体系。共混过程中未发生化学作用，仅存在物理作用。

Franeis等人[17]采用核磁共振手段研究了胶粉与沥青之间的相互作用机理，认为胶粉在沥青中的溶胀是由沥青中可溶质的渗透引起的。Heitzman等人[18]认为，胶粉颗粒吸收沥青中的油分组分溶胀，形成凝胶状物质，这是胶粉对沥青芳香油组分的吸附，而非化学反应，此过程中胶粉并不会溶解到沥青中，凝胶结构的形成使胶粉颗粒的大小产生变化，颗粒和沥青之间的距离也会变小，从而使黏度提高，产生改性效果。王笑风等人[19]通过扫描电镜观察胶粉以及废胶粉改性沥青的微观结构，推断胶粉在反应后发生了明显的溶胀现象，并猜测少量胶粉在沥青中可能发生脱硫降解；进一步通过红外光谱分析推断废胶粉改性沥青中的饱和分组分变少，差热分析研究发现，废胶粉改性沥青仅发生吸热峰曲线形状的改变，而其玻璃化温度与基质沥青基本保持一致，这说明废胶粉改性沥青属于两相不相溶体系，共混中并未存在化学作用。

3.2 网络填充机理

胶粉掺入沥青中后，胶粉分子在沥青中油分和芳香分的作用下被分开，发生溶胀和降解过程，然后进行扩散过程。胶粉以颗粒状或丝状分散在沥青中，相互交联后以网络结构存在于沥青中，这种网络结构提高了胶粉分子的可移动性，使废胶粉改性沥青表现出良好的弹性及塑性。

Maccarrone等人[20]研究认为，胶粉在沥青中分散成丝状，与沥青质胶团共同均匀分布在沥青油分中，形成物理意义上的相容体系，沥青油蜡组分则会扩散到胶粉链段的空隙中，使其松动、溶解。吴培熙等人[21]提出，胶粉颗粒分散到沥青中会形成类“海岛”结构，胶粉分子呈网状结构分散于沥青中，使废胶粉改性沥青耐热性和热稳定性提高、流动性降低，使其软化点升高、针入度降低。Li Xiang等人[22]对废胶粉改性沥青进行了扫描电镜、荧光电子显微镜等微观性能和常规性能测试，发现反应前后胶粉形态结构明显发生变化，黏度及弹性得到提升。

3.3 化学共混机理

沥青中不仅存在烷烃、烯烃和芳香烃，还存在脂基、羟基等有机官能团，含有极性和非极性的化合物，可以发生化学反应，生成新的化学键。

许爱华等人[23]采用红外谱图手段研究发现，废胶粉改性沥青在2 925.5 cm-1处未出现吸收峰，说明共混过程中发生了一定程度的化学反应。Hongying Liu等人[24]研究了废胶粉改性沥青及添加TOR改性剂废胶粉改性沥青的作用机理，差热分析表明，基质沥青、废胶粉改性沥青、TOR废胶粉改性沥青三者的吸放热峰均不相同，说明废胶粉改性沥青、TOR废胶粉改性沥青在反应过程中均产生了化学作用，且后两者曲线更加平缓，说明其热稳定性得到提高。

以上几种作用机理，在胶粉与沥青共混过程中都可能存在，只是影响程度的不同。进一步对废胶粉改性沥青的机理进行深入研究，将对改性沥青性能的提高和改性剂的研发提供理论帮助，具有重要意义。

4 废胶粉改性沥青在道路工程中的主要应用

根据废胶粉改性沥青的路用特性，废胶粉改性沥青以及混合料在道路工程中主要应用于以下方面。

4.1 废胶粉改性沥青

由于废胶粉改性沥青在黏结力、高低温稳定性、耐久性和弹性等方面具有较为优异的性能，因此，目前工程中将其主要用作高性能沥青结合料、工程黏合剂、防水材料等，例如桥面防水铺装层、水泥混凝土路面填缝灌缝材料、构筑物之间的防水黏结层、沥青混合料的结合材料等。

4.2 热拌废胶粉改性沥青混凝土

废胶粉改性沥青混凝土具有优良的抗老化、耐久性，目前，公路工程中将其作为高性能热拌沥青混凝土的结合料，如密级配废胶粉改性沥青混凝土，断级配废胶粉改性沥青混凝土作为磨耗层罩面工程和养护工程中的薄层罩面使用，开级配废胶粉改性沥青混凝土作为排水抗滑性表面层使用。

4.3 废胶粉改性沥青应力吸收层

在养护或加强工程中采用废胶粉改性沥青应力吸收层，可有效解决抗反射裂缝。利用废胶粉改性沥青黏结力强的优势，可有效解决加铺层与路面之间的黏结问题，而且可有效制约原路面的裂缝穿透应力吸收层传播至加铺层，可有效预防甚至阻止反射裂缝的扩展，并具备防水和填缝的作用。

5 结论

将废旧轮胎加工成胶粉制备废胶粉改性沥青，将其用于道路工程建设，不仅能够改善沥青的路用性能，降低物料成本，而且可促进废弃物的回收再利用，对减小环境压力有着不可估量的作用，具有显著的社会和经济效益。我国在废胶粉改性沥青的理论、技术和应用方面已取得很大研究进展，目前，需进一步提高其存储稳定性和各方面性能，并尽快制定相关行业标准规范，指导废胶粉改性沥青的科学生产和管理。