我國廢橡膠粉用于瀝青改性的研究及應用

李琳

（北京機電院高技術股份有限公司，北京100027）

1 膠粉粒度及對應用途

利用廢橡膠生產膠粉，集環保與資源再生為一體，有很高的經濟和社會效益，是發達國家將廢輪胎利用重點由再生膠轉向膠粉的根本原因，對國內外循環經濟的發展具有重要意義。

膠粉產品用途廣泛，粒徑不同，其對應的應用領域也不同。顆粒較粗的粗膠粉一般代替部分生膠而摻用在低檔橡膠制品中，用以降低成本，補強作用微乎其微，且與生膠的結合性較差，摻入比例及應用范圍也有較大局限性。隨著膠粉粒徑的減小，其生膠結合能力逐漸提高，甚至可以取代生膠原料生產橡膠制品，而且膠粉的補強作用越來越明顯，可用于瀝青、塑料等材料的改性，提高其性能，擴大了應用范圍，但由于生產成本也隨之增高，一般僅用于高檔的、有特殊要求的橡膠制品或軍工產品[1，2]。根據已有研究[2-4]，現將膠粉粒度及其對應用途歸納總結如下，見表1。

表1 膠粉粒度及對應用途

2 我國膠粉改性瀝青研究現狀

提高瀝青性能是廢橡膠粉最常見的材料改性用途之一，是為了滿足人們不斷提高的生產和生活品質而出現的新技術。

由于已經廣泛應用于公路和建筑領域的石油瀝青存在一些缺陷，如在高溫時軟化，低溫時龜裂，耐老化、耐磨耗等性能差，在交通和汽車工業不斷發展、交通流量和行駛頻度急劇增長、建筑防水和建材質量要求日益嚴格的今天，這樣的瀝青已不能滿足人們的預期，這就需要對瀝青進行改性。

所謂瀝青改性就是在瀝青或瀝青混合料中加入樹脂、塑料、橡膠、炭黑、無機鹽等天然或人工合成的有機或無機材料，使之熔融或分散在瀝青中以改善瀝青性能。以往經常使用的改性劑有PE（聚乙烯）、SBS（熱塑性彈性體）、SBR（丁苯橡膠）和EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物），但其價格都非常昂貴。根據市場調查，我國PE最新報價均在10 000元/t以上，SBS均價25 000元/t左右，SBR和EVA價格分別約為30 000元/t和20 000元/t，提高了改性瀝青的成本，使其價格高出普通瀝青2～7倍。

為了降低瀝青改性的成本，美國、英國、法國、瑞典、日本、澳大利亞、比利時、南非等國家開始了將廢橡膠粉用于改性瀝青的研究，成果顯著，目前已在實際工程中成功應用。

我國關于廢橡膠粉改性瀝青（以下簡稱膠粉改性瀝青）的研究工作雖然起步較早，基本上和國際同步，但起初并未引起人們的高度重視，致使研究進展較慢。直到近些年，隨著環保和廢棄物資源化利用呼聲的高漲，膠粉改性瀝青才贏得了社會廣泛的關注。交通部公路交通研究所、同濟大學、吉林省交通科學研究所等研究機構、院校先后通過實驗室研究及試驗路段鋪設進行了膠粉改性瀝青問題的探討，研究內容主要集中在膠粉改性瀝青的各種性能指標、工藝參數和應用技術方面[5-7]。但總的來說，我國重復研究依然較多，具有實質性的技術突破較少。

2.1 性能研究

膠粉對瀝青性能的改善情況是國內研究的主要內容之一。郭朝陽等[8]利用熒光顯微鏡、紅外光譜等微觀結構試驗的分析方法，研究了廢胎膠粉改性瀝青的機理，證明了瀝青通過與膠粉混溶，其可塑性、粘度、溫度敏感性、穩定性、抗老化性、抗裂性和彈性等高溫、常或低溫性能均得到了改善。

薛振華等[9]對膠粉改性瀝青高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性進行了試驗研究：由車轍試驗結果可知，增加瀝青中橡膠顆粒的用量有利于改善瀝青混合料的抗形變和抗車轍能力；小梁彎曲試驗結果表明，在低溫條件下，橡膠顆粒瀝青混合料的抗彎拉應變能力、抗裂性及柔性有所提高。根據水穩定性試驗數據，膠粉改性瀝青的凍融劈裂抗拉強度比高達90.2％。

可見，將膠粉加入瀝青可使瀝青各種性能得到改善，膠粉改性瀝青與普通瀝青性能對比情況如表2所示。

表2 膠粉改性瀝青與普通瀝青性能對比表

2.2 工藝參數研究

國內對膠粉改性瀝青中膠粉的粒徑、摻用比例等工藝參數也進行了較多研究，并得到了較為一致的研究結論。

張文武[10]首先采用熒光顯微鏡等現代分析測試方法分析了瀝青與膠粉的組成及結構，通過對瀝青常規和SHAP性能試驗結果的分析，討論了瀝青改性工藝、膠粉粒徑、種類、摻量以及基質瀝青類型等因素對改性瀝青性能的影響。

孔憲明等[11]研究了膠粉改性瀝青的軟化點、柔度、粘度分別與廢膠粉摻加量及溫度之間的關系，認為瀝青的軟化點、柔度、高溫粘度隨著膠粉摻用量的增加而增加，且高溫粘度過大時，可通過添加分散穩定劑加以調節以保證正常施工。根據對比分析數據，總結出膠粉最佳摻用比例為20％的結論。

肖鵬等[12]通過試驗分析了在不同類型的基質瀝青中摻入不同粒徑的膠粉時瀝青性能的改變情況，以及廢橡膠粉摻量對瀝青性能的影響，實驗結果表明，膠粉粒度越小、摻入量越大，改性效果就越好，而當膠粉細于80目或摻量大于20％時，改性效果無明顯提高。

劉毅等[13]以AH-90瀝青為基體，采用濕法共混，在140℃及高剪切條件下制備了膠粉改性瀝青，并對膠粉粒徑和摻用量等工藝參數對瀝青性能的影響進行了對比及分析。結果表明隨著膠粉摻用量的增加，瀝青針入度減小，軟化點和延度增加，摻用量為10份時改性效果最佳，此外80目膠粉（40～80目范圍內）具有最好的改性效果。

石洪波等[14]以遼河AH-90瀝青為基體制備了膠粉改性瀝青，針對工藝條件與膠粉摻入比例開展了對比試驗研究，提出了剪切轉速7 000 r/min、混合溫度170～180℃及混合時間30 min的膠粉改性瀝青最適工藝條件。并認為膠粉最佳摻用比例為10％～20％，摻入量小于5％時瀝青性能改善效果不明顯，而大于20％時，改性效果提高速度則開始放慢。

袁德明等[15]基于實驗數據提出了最佳工藝參數：剪切溫度180℃，剪切轉速7 000 r/min，剪切時間40 min，膠粉及調和油的用量分別不宜超過25份和4份。并且根據該最佳參數，采用類似濕法的加工工藝，以廢橡膠粉為基質制備出了抗低溫開裂性、耐疲勞性和耐老化性能都優于基質瀝青，且針入度、軟化點、延度和彈性恢復等指標均能達到美國廢輪胎膠粉改性瀝青標準（FHWA-SA-92-002）要求的膠粉改性瀝青。

汪海[16]采用熔融共混法制備了膠粉改性瀝青，研究了工藝條件對膠粉改性瀝青性能的影響。認為隨著膠粉摻量的增大，改性瀝青的針入度減小，軟化點增大，彈性恢復率增大，但膠粉加入量超過20％時，瀝青性能的改善作用明顯減小。此外他還提出了最適的生產條件：溫度為215℃，剪切速度為4 000 r/min，剪切時間為40 min。

綜上，在工藝參數對膠粉改性瀝青性能的影響方面，國內已有研究的結論差異不大，并總結出了較為統一的最佳參數：膠粉摻入量約20％，粒度為80目，剪切溫度180℃左右，剪切轉速約7 000 r/min，剪切時間約 30～40 min。

2.3 應用領域研究

膠粉改性瀝青的應用技術也是國內研究熱點之一，目前對其應用領域的研究主要聚焦于路面鋪設與防水卷材生產兩方面[5]。

2.3.1 鋪設路面

王云鵬等[5]進行了SBS改性瀝青以及膠粉改性瀝青試驗路段的鋪設，并采用定點法、車載法分別開展了道路噪聲效果對比測試，試驗數據表明，與SBS改性瀝青相比，膠粉改性瀝青顯著地降低了車輛行駛時的噪聲，并且車速越大，降噪效果越明顯，兩種方法測得的平均降噪量分別為1.8 dB和1.5 dB。

王大成等[17]以實驗室及試驗路段的研究為基礎，分析了膠粉改性瀝青的路用性能及各種因素，試驗研究表明，通過加入膠粉，瀝青路面的抗高溫軟化及低溫開裂性得到了明顯改善，并且耐磨性和抗老化性均有所提高，延長了路面的使用壽命。

曠小林[18]以江西景德鎮至鷹潭高速公路膠粉改性瀝青混凝土路面為對象，分別從路面性能試驗、膠粉改性瀝青混合料試驗以及工程實體測試3個層面進行了研究，驗證了膠粉改性瀝青具有提高路面各項高、低溫性能，節約筑路成本，并延長道路使用壽命的作用。

根據已有研究可知，膠粉改性瀝青路具有水泥路和普通瀝青混凝土路無法比擬的優越性，三種路面的對比情況如表3所示。膠粉改性瀝青可明顯提高路面的耐熱、耐寒性，從而減少了路面龜裂和軟化現象；可改善防滑性能，使剎車距離縮短25％，提高了行駛安全系數；可加強路面的耐磨性、抗水剝落性，減緩路面老化，將耐磨耗壽命提高至普通路面的2～3倍，降低路面維護費用；增強了路面彈性，從而至少降低噪音2～4 dB；降低筑路總成本，根據市場調查數據，目前高速公路瀝青鋪設中較常使用的SBR改性瀝青高達30 000元/t以上，而80目廢橡膠粉售價僅約為4 000元/t，成本可節省87％左右。此外，若按改性瀝青的膠粉最佳摻用比例（20％），每噸瀝青可消耗200 kg左右的廢橡膠粉。可見，用廢橡膠粉作為瀝青改性劑降低了筑路成本，實現了廢橡膠的無害化和資源化處理，經濟和環境效益顯著。

2.3.2 生產防水卷材

膠粉改性瀝青在防水卷材方面的應用，國內也開展了一些研究，但較之筑路用途，研究較少。

譚金和等[19]通過試驗證明了80目廢輪胎膠粉經活化處理后，可以替代SBS改性瀝青用于生產各項技術指標均能達到國家Ⅱ型標準的Ⅱ型防水卷材。

陳捷翔等[20]對目前應用較廣的SBS改性瀝青防水卷材、APP改性瀝青防水卷材和再生膠粉改性瀝青復合胎（滌棉無紡布、高堿玻纖網格布復合）柔性防水卷材進行了耐水性、耐候性的測試，進而比較分析其耐久性的優劣。研究結果顯示，再生膠粉改性瀝青復合胎柔性防水卷材耐久性較劣于前兩種防水卷材，對今后膠粉改性瀝青耐久性的改進具有一定的指導作用。

蔡銀鎖等[21]將再生橡膠、廢橡膠與高蠟瀝青卷材經混合、塑煉、混煉、再硫化、壓片等工序制成了橡膠-高蠟瀝青防水卷材，并對各材料的配比和性能進行了研究。結果表明該卷材產品可以通過厚度的增加而獲得較好的耐刺穿性，雖然在抗拉強度方面不理想，但也可以滿足一般防水工程的要求，而對于防水要求較嚴格的工程，抗拉強度可以通過加入玻璃纖維的方法得以改善。

表3 膠粉改性瀝青路面與水泥路面、柏油路面對比[4]

綜上所述，由膠粉改性瀝青制成的防水卷材拉伸強度高、延伸性能好，對基層表面的伸縮和裂縫的適應性很強，防滲漏性、密閉性大大提高，加強了防水能力，適用于屋面和地下工程的防水設施。此外，其優良的耐老化性延長了使用壽命，冷柔性的改善實現其在低溫條件下的冷施工，表現出一定的工程實用效果。

3 我國膠粉改性瀝青應用概況

使用膠粉改性瀝青已成為國外提高路面質量的關鍵技術措施，并被俄羅斯、美國、日本、加拿大、瑞典、韓國、芬蘭、南非等國家成功用于高速、高等級公路和飛機跑道，隨后在葡萄牙、西班牙、澳洲、法國、巴西等國也逐漸掀起了路用應用熱潮，并得到了迅速發展[4，22-24]。其中，美國于1994年立法規定，靠國家資助鋪設的瀝青公路，瀝青中必須含有5％的膠粉，通過立法使膠粉改性瀝青的使用得到了推廣，截至21世紀末，美國鋪設的膠粉改性瀝青路面就已超過1.1萬km。南非經過歷經幾十年的5個發展階段，目前膠粉改性瀝青已獲得了大面積的應用，占到了路面瀝青使用量的60％左右。膠粉改性瀝青作為優質的防水卷材原料，在國外防水卷材市場也深受青睞，如前蘇聯于1986年就成功地將膠粉應用于由橡膠瀝青防水卷材、無機絕緣卷材和三層板材組成的隔音復合地板等建筑卷材中。

我國膠粉改性瀝青用于路面鋪設的時間與國外大致處于同一時期，自1982年以來，江西、湖北、廣州、北京、四川、河北、天津、遼寧等省市就先后鋪設了膠粉改性瀝青實驗路段，隨后又開始了在新疆、寧夏、云南、河南等地進行了示范工程建設，僅2005—2006年期間，全國范圍內就相繼鋪設了近500萬m2的道路。國內膠粉改性瀝青在防水卷材方面的應用始于20世紀90年代，當時北方地區就已將粗膠粉與瀝青摻混，并用于防水卷材。國內外實踐證明，膠粉改性瀝青防水卷材防水、抗老化、耐高溫和低溫等性能優良，質量輕，維修操作簡單方便，可有效改善施工勞動條件，減輕環境污染等，具有替代SBS改性瀝青防水卷材的應用潛力。

總體來說，與國外相比，我國膠粉改性瀝青的研究及實際應用起步并不晚，但卻未獲得與國外等效的發展。國內研究主要停留在實驗室研究與試驗路段鋪設層面，缺少大型實用工程，究其原因，主要有以下幾方面。

（1）缺乏相關技術指標、標準、設計和施工規范。作為改性劑的膠粉由廢橡膠粉碎而來，粉碎方法不同，所獲得的膠粉品質也不同，而膠粉質量的優劣關系到膠粉改性瀝青性能指標的實現情況。同時廢橡膠的多種類、多配方特點決定了膠粉成分的復雜性，不同的膠粉成分對瀝青性能的改善效果也存在差異。為了規范廢橡膠粉在瀝青改性過程中的應用，制定相關的技術指標十分必要，而我國目前仍未制定廢橡膠粉瀝青改性的配套技術指標。

我國雖已制定了膠粉改性瀝青的《膠粉改性瀝青聚酯氈與玻纖網格布增強防水卷材》（JC/T1078—2008）、《膠粉改性瀝青玻纖氈與聚乙烯膜增強防水卷材》（JC/T1077—2008）、《膠粉改性瀝青聚酯氈與玻纖網格布增強防水卷材》（JC/T1078—2008）、《瀝青復合胎柔性防水卷材》（JC/T690—2008）等相關標準，但尚未形成較系統、較完整的標準體系，缺乏具有指導作用的設計和施工規范，使得筑路及建筑材料的設計和施工單位無據可依。

（2）行業與行業之間的分隔，使膠粉改性瀝青等膠粉延伸產品難以在筑路及建筑市場中得到跨行業的推廣應用。

（3）關于廢舊橡膠回收利用的法律及優惠政策不完善。發達國家廢舊輪胎利用企業不但免費使用廢舊輪胎原料，而且還享受政府補貼。我國尚未出臺關于廢舊輪胎處理的補貼優惠政策，甚至廢舊輪胎原料也需要企業高價購進，致使膠粉生產及利用行業的盈利空間被大幅壓縮，企業正常運轉面臨困難，從而影響了膠粉在下游應用領域的推廣。

4 我國膠粉改性瀝青發展建議

為了實現膠粉改性瀝青技術的穩步發展和市場的規范管理，建議將以下幾點作為今后研究并解決的主要任務。

（1）加緊制定廢橡膠粉的技術指標，如橡膠粉的粉碎方式、用于瀝青改性的膠粉摻用比例及粒徑范圍、膠粉中的雜質含量等，形成較為系統的標準體系。各地根據各自不同的情況，從實際出發，完備并完善設計及施工規范，使得膠粉改性瀝青的生產、路面鋪設及建材的設計和施工單位有章可循，從而保證膠粉改性瀝青的品質以及設計、施工質量。

（2）加強政府的宏觀調控作用，實施有利于促進膠粉改性瀝青在交通及建筑領域中應用的措施，如通過立法制定強制性法律條文，或實行補貼、稅收等優惠政策對相關單位施加經濟激勵，以此打通跨行業應用渠道，人為消除不同行業間的隔膜。

（3）建立健全相關法律法規，逐步將廢橡膠循環利用納入法制化管理軌道。對廢橡膠回收及利用企業給予補貼，成立專項基金，并征收廢舊輪胎處理費作為基金來源。借鑒歐美經驗，并結合中國國情，建議我國在使用單位和個人購買輪胎時，直接加收適當的廢舊輪胎處理費。

總而言之，隨著國內對筑路和建材質量、環保和廢棄物再利用要求的不斷提高，對瀝青材料的應用、廢棄物的無害化和資源化提出了和諧統一的要求。廢橡膠粉改性瀝青以其優良的使用性能、顯著的環保及資源再生效果得到了社會的普遍認可，具有廣闊的發展前景。

5 結論

大量研究及應用實例表明，廢橡膠粉改性瀝青的高、低溫性能優異，抗老化能力有所提高，并降低了總成本，同時又保護了環境，節約了資源，已在國內外路面鋪設和防水卷材領域獲得了較廣泛的應用。該技術實現了經濟、環境和社會效益的完美統一，對我國循環經濟的發展具有重要的現實意義。

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