橡膠在路用瀝青改性中的應用

劉家敏 崔英明

在公路建設中，由于瀝青路面具有良好的行車舒適性和優異的使用性能，而且建設速度快，維修方便，因此，瀝青材料已經成為公路路面最主要的建筑材料之一。隨著交通量的迅速增加，車輛大型化、超載嚴重，瀝青混凝土路面面臨嚴峻考驗。使用普通瀝青鋪設的路面易產生嚴重車轍、開裂、坑槽等早期破壞。瀝青的最大缺點是溫度敏感性大，高溫流淌，低溫發脆，不能適應高等級公路的要求。另外地表水通過裂縫滲透到道路基層和路基上，遇冬季氣溫下降或夜間變冷凍結膨脹，使裂縫增大，致使路面早期破損。為此，人們試圖通過改性的方法克服瀝青的上述不足，橡膠瀝青就是其中的一種。

橡膠瀝青產生于20世紀60年代，80年代后技術上逐步成熟，在設計和施工良好的情況下橡膠瀝青材料能夠表現出良好的性能，橡膠瀝青路面與結構厚度厚一倍的普通瀝青路面相比，損壞發展更緩慢，特別是在抗開裂方面表現出優異的性能[1，2]。橡膠瀝青常用于舊水泥混凝土道路維修改造項目，這樣既能充分發揮舊路面原有的結構性能，又能充分發揮橡膠瀝青優異的抗裂性能、抗疲勞性能和吸音降噪能力，通過橡膠瀝青混合料罩面恢復表面性能，可改善瀝青路面使用品質、延長使用壽命、降低工程造價、保護環境，獲得超長的使用壽命。本文將對橡膠粉對瀝青的改性機理及橡膠瀝青的路用性能加以探討。

1 橡膠粉及其對瀝青的改性機理

1.1 膠粉

膠粉主要是由廢舊載重輪胎或客車輪胎破碎而制得，成分主要為天然膠(NR)和丁苯膠(SBR)等。其橡膠含量在55%左右。這里提到的橡膠的結構指的是生橡膠，即沒有經過硫化。人們習慣上把熟橡膠稱作硫化橡膠。硫化橡膠與生橡膠的主要區別在于硫化橡膠中的分子形成網鏈結構，整個一塊橡膠可以看成是由許多分子網鏈構成的三維空間立體結構，這種結構一般條件下十分穩定。膠粉就是由這種空間網絡結構組成的。

1.2 橡膠瀝青的改性作用機理

瀝青由瀝青質和可溶質兩部分組成，被視為可溶質的、粘度小的低分子油分和蠟占瀝青成分的一半以上，由于硫化橡膠與瀝青同屬非極性材料，橡膠經過一定的處理能溶解于瀝青低分子油分中，所以瀝青本身也是硫化橡膠再生的良好軟化劑。由此可見，橡膠與瀝青的關系是溶質與溶劑的關系。當橡膠粉與瀝青加熱混溶時，橡膠粉在高溫下被瀝青中的低分子油分溶脹后，一方面使油分粘度增加和稠度提高，另一方面使橡膠分子的作用力減小。由于橡膠是一種高分子化合物，除富有彈性外，還有很高的自粘性和互粘性[2]，它比瀝青的粘度高得多，當橡膠粉和瀝青混溶成一體后，瀝青的粘度提高了，說明橡膠在瀝青中發生了變化;當橡膠被充分溶脹而未裂解時，它既能以單獨的相存在，又能形成連續的網絡。因橡膠的高彈性質，只要瀝青中有這種高粘度、高彈性的網絡，瀝青的粘彈性和可塑性就會發生明顯的變化[2，3]。大多數研究人員認為，橡膠粉改性瀝青的機理為:在較低的溫度下橡膠粉在瀝青中溶脹;在較高溫度下，橡膠分子間的交聯網絡被打破，發生脫硫、降解反應。關于膠粉改性瀝青的微觀結構分析可歸納為以下三種[2-4]:

1)結構變化改性。橡膠粉的加入能吸附瀝青中的某些組分。瀝青中與改性劑結構相似的輕組分(主要是油蠟)經過滲透，擴散進入橡膠網絡，使橡膠粉溶脹，從而有效地降低游離蠟含量，組分的變化使得高蠟含量的瀝青從溶膠結構變為溶—凝膠型結構。感溫性顯著下降，其他性能也得到改善，蠟含量的降低最終改善了瀝青的感溫性，表現為瀝青的針入度增大，軟化點明顯升高，升溫過程中相變吸熱峰顯著下降。

2)相溶性改性。由于瀝青與橡膠存在相對分子質量、化學結構上的差異，因而屬于熱力學相溶性差的體系，體系中不同組分相界面上的相互作用，使瀝青的性能得到改善。橡膠在瀝青中的理想狀態是細分布而不是完全溶解，橡膠粉在瀝青中分散成絲狀與瀝青質膠團均勻地分布于瀝青油分中，形成一個穩定的不會發生相分離的物理意義上的相容體系，與橡膠的溶度參數相近的油蠟組分會緩慢地擴散進入橡膠鏈段的空隙中，使橡膠鏈段松動、脫離以至溶解。好的相容性是改性瀝青的首要條件，也是降低瀝青材料溫度敏感性的先決條件。

3)橡膠粉的增強作用改性。橡膠粒子在橡膠瀝青體系中起著增強作用:橡膠粒子體積小，數量多，在低溫時它們與瀝青基體的模量不同，可產生高度的應力集中，誘發大量銀紋和剪切帶，銀紋和剪切帶的產生和發展消耗大量的能量，因此可提高瀝青的沖擊強度和可塑性;而較大的橡膠粒子能防止單個銀紋的生長和斷裂，使其不致于很快發展為破壞性裂紋，改善瀝青的低溫柔韌性。從這種意義上說橡膠是瀝青的增強增韌劑。

橡膠瀝青的一個本質特征就是粗顆粒的橡膠屑在高溫的瀝青中浸泡，并與瀝青中的輕質油分發生溶脹后，仍然保持著固體顆粒的核心。它與普通瀝青、高分子聚合物改性瀝青最大的不同就在于它是一種液—固兩相的混合物，正是由于存在著通過凝膠體與瀝青分子相連的谷子橡膠顆粒核心，因此橡膠瀝青粘結劑所呈現的特征就不僅僅與基質瀝青和凝膠體的特征有關，而且也反映了固體橡膠顆粒的性質。一般來說可以通過控制橡膠屑在基質瀝青中的溶脹過程來調節橡膠瀝青的液相和固相性質的比例，從而調整橡膠瀝青粘結劑的特性使之滿足不同應用條件的需要。

2 橡膠瀝青在道路中的應用

橡膠粉應用于瀝青路面的技術主要分為濕法和干法兩大類[1，3]。濕法是先把膠粉分散到瀝青粘結劑中形成橡膠粉改性瀝青，然后用橡膠粉改性瀝青與集料通過熱拌和生產混合料;干法是先把廢膠粉與集料混合，然后把瀝青先加入到混有橡膠粉的集料中。在干法中橡膠粉實際上不是瀝青改性劑，而是起填料的作用。干法只限于熱拌瀝青應用中。濕法主要用于不同表面處理和裂縫密封膠，最近朝著HMA應用方向發展，成為越來越受歡迎的方法。

橡膠瀝青是瀝青、回收輪胎橡膠和某些添加劑混合而成的膠結料，橡膠成分最少占到總量的15%，并且與熱瀝青充分反應，橡膠顆粒產生融脹，具有高的彈性性能和低的彈性模量，永久變形和相對變形也都非常小。橡膠瀝青是在高溫條件下和高速剪切下生產的，促進了瀝青和橡膠成分間的物理反應，使橡膠顆粒懸浮在瀝青中。

橡膠瀝青用于各種瀝青路面結構中通常作為膠結料(包括碎石封層和熱拌混合料)，也可用作填縫材料。橡膠粉改性瀝青在公路上的主要用途:1)用來拌制瀝青混合料，鋪筑瀝青路面的上面層，以全面提高路面的使用性能;2)用作封層，即應力吸收層，以抑制路面基層裂縫的向上反射。對于熱拌混合料，橡膠瀝青用于斷級配和開級配混合料的效果最好，特別是使用于薄層表面。橡膠瀝青還可用于碎石封層，碎石封層主要用于養護和路面保護。橡膠瀝青碎石封層也可以作為夾層，上面再用混合料罩面，這時封層稱為橡膠瀝青應力吸收層。由于在瀝青中摻加了膠粉，提高了瀝青膠結料的粘稠度，混合料油膜較厚而不易析漏或泛油;提高了路面使用溫度下的彈性和彈性恢復性能;在降低了路面的溫度敏感性、低溫性能不降低的情況下改善了抗變形能力和抗疲勞開裂的性能。橡膠瀝青的適用性廣，只要是普通瀝青適用的地方，也能使用橡膠瀝青。

3 結語

研究表明，橡膠瀝青具有粘稠度好、較好的彈性和彈性恢復性能、較低的溫度敏感性、較好的抗變形能力和抗疲勞開裂性能，在用于老路改建時，對減少路面的反射裂縫，提高路面的整體承載能力都十分有利，在相同的使用效果前提下，適當使用廢舊橡膠粉可減薄瀝青混凝土面層的厚度。一般可減薄30%～70%，當瀝青結構層中使用橡膠瀝青的應力吸收層時，厚度還可以進一步減薄。在國外橡膠瀝青的應用技術已經相當成熟，但由于我國氣候、道路結構、汽車荷載等方面的差異，橡膠瀝青在我國的應用還需要進一步研究。

[1] 張小英，徐傳杰，孔究明.廢橡膠粉改性瀝青研究綜述[J].石油瀝青，2004，18(4):1-5.

[2] 夏 瑋.廢膠粉改性瀝青及瀝青混合料路用性能研究[D].重慶:重慶交通大學，2009.

[3] 石洪波，鄒明旭，廖克儉，等.廢橡膠粉改性道路瀝青的研究進展[J].化學工業與工程技術，2005，26(2):27-29.

[4] 張廣彬.國內廢橡膠粉改性瀝青的研究進展[J].中國建筑防水，2006(9):24-27.