廢輪胎膠粉改性瀝青應用技術綜述

廢輪胎膠粉改性瀝青作為一種新型建筑材料，已經被廣泛應用于高等級公路及城市道路建設領域，該材料作為廢輪胎橡膠粉和瀝青的混熔體系，主要依靠膠粉顆粒在混熔過程中形成的凝膠膜而相互連接，與傳統的聚合物SBS改性瀝青有著本質的不同。因此，從膠粉改性瀝青本身特性出發，深入認識其改性機理、性能評價體系及生產制備工藝所具有的特殊性，對該技術的推廣和成功應用具有重要意義。

1 膠粉改性瀝青混熔改性機理

目前，國內外主要基于界面理論和溶解度理論定性研究膠粉改性瀝青混熔作用機理。通過對兩種材料混熔體系發育、形成及穩定過程的分析，可以認為膠粉顆粒在與基質瀝青高溫充分混合條件下，逐步發生熔脹、吸附、脫硫、降解等一系列的物理化學反應。首先是橡膠粉吸收瀝青中的輕質成分而溶脹并粘聚，同時在顆粒表面形成瀝青質含量較高的凝膠膜，隨著反應時間的增加，膠粉通過凝膠膜連接，形成一個粘度較大的半固態連續相的混熔體系；伴隨著橡膠粉與瀝青的溶脹過程，部分橡膠粉還會發生脫硫和分子降解過程，交聯劑硫、抗老化劑等外加劑和炭黑等活性成分會通過界面交換作用進入瀝青膠體體系，而未裂解的橡膠粉在瀝青懸浮液中均勻分布，最終使混熔體系達到相對穩定狀態。

總體上來說，膠粉顆粒和基質瀝青的混熔作用過程即膠粉顆粒不斷溶脹并通過凝膠膜連接的過程，與此同時，還伴隨著少部分橡膠粉的脫硫和降解作用，使其活性成分進入瀝青膠體體系，而未發生裂解的橡膠粉主要通過物理填充，起到增強瀝青彈性性能和提高其抗裂性能的作用。

2 膠粉改性瀝青性能評價體系

膠粉改性瀝青作為廢舊輪胎膠粉和瀝青的混熔體系，其膠體結構中未能形成微觀網絡加勁結構，與傳統的SBS等聚合物改性瀝青有著本質的不同，技術性能主要取決于混熔體系結構的變化。因此，沿用JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》和JTJ 052—2000《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》對膠粉改性瀝青進行性能評價和質量控制顯然不很合理，應該針對其混熔體系作用機理和半固態連續相的結構特點，對現行的各種評價指標和試驗方法進行適應性分析，提出新的評價指標。

膠粉改性瀝青在發育過程中，溶脹后的橡膠粉的體積將將達到改性瀝青體積的30%～40%，這些溶脹后的橡膠粉顆粒的存在會使目前針入度試驗中常用的標準針產生較大的隨機誤差，而且，在25℃試驗環境下，橡膠粉顆粒的變形能力比瀝青弱，若試針插到橡膠粉顆粒體上時，會使針入度值偏小；而當試針插到橡膠粉顆粒體外時，測得的針入度值又偏大，從而造成膠粉改性瀝青的針入度試驗結果的離散性較大。因此，針入度指標不宜用作膠粉改性瀝青的質量控制指標。同樣，膠粉改性瀝青是橡膠粉與基質瀝青的混熔體系，橡膠粉顆粒僅通過凝膠膜相互連接而未形成較強的化學粘結，因此，軟化點試驗結果實際上更多的是反映橡膠粉顆粒間的瀝青輕質組分被吸收后的自由瀝青的高溫流動性能，并不能全面反映膠粉改性瀝青在該溫度下的高溫性能。因此，軟化點并不能完全反映膠粉改性瀝青的高溫穩定性能，不能用軟化點指標的大小來評價膠粉改性瀝青與其他改性瀝青高溫性能的優與劣。

針對膠粉改性瀝青的技術特點，相關文獻對其性能評價體系如下：

1）膠粉瀝青的評價指標體系相對于SBS等聚合物改性瀝青要簡單得多，通過控制粘度就能很好地控制膠粉改性瀝青的高溫性能和施工性能，軟化點指標在一定程度上可以定性反映膠粉顆粒與瀝青的反應程度；

2）由于膠粉瀝青中膠粉顆粒的存在使得針入度試驗結果隨機誤差較大，因此，針入度以及由針入度計算所得的針入度指數、當量軟化點、當量脆點等技術指標不適宜于評價膠粉瀝青的性能；

3）由于膠粉瀝青是由膠粉顆粒與基質瀝青通過凝膠膜相連接的混溶體系，因此，軟化點僅表征膠粉顆粒周圍的輕質成分被吸收的自由瀝青的高溫抗流動能力，并不適宜用于評價膠粉瀝青的高溫性能；

4）由于膠粉瀝青中膠粉顆粒與基質瀝青模量的差異，使得其在受拉過程中產生應力集中而提前斷裂，因此，常溫延度和低溫延度指標不適宜于評價膠粉瀝青的拉伸及低溫抗裂性能；

5）由于膠粉顆粒在與基質瀝青混溶發育過程中發生物質交換，膠粉顆粒中的硫、炭黑、氧化硅、氧化鐵以及生產輪胎時添加的抗老化劑等物質都進入基質瀝青膠體體系中，使得膠粉瀝青具有優越的抗老化性能，不需要對其抗老化性能進行評價；

6）旋轉粘度、彈性恢復及SHRP體系中的DSR動態剪切試驗和BBR彎曲梁蠕變試驗在機理上適合用于評價膠粉瀝青的技術性能。

3 膠粉改性瀝青性能影響因素

膠粉改性瀝青作為膠粉顆粒和基質瀝青的混溶體系，膠粉顆粒的細度、顆粒表面狀況、摻量和及加工工藝等因素都會直接影響其混熔發育的速度和程度，從而影響其改性效果。

天津市市政工程研究院在室內采用常溫法粉碎的斜交胎膠粉顆粒和70#瀝青，分別從膠粉粒徑和摻量等方面來研究其對改性效果的影響。試驗采用軟化點、25℃針入度、175℃旋轉粘度、25℃彈性恢復及薄膜烘箱老化試驗來評價其改性效果。其中，膠粉改性瀝青全部采用簡單攪拌，攪拌速度為1 000 r/min左右、攪拌時間為10min左右、混熔溫度為190℃。

1）膠粉改性瀝青的性能隨膠粉粒徑的變化較為明顯，隨著膠粉粒徑的減小，其在瀝青中溶脹越充分，從而使膠粉改性瀝青的粘度就越大，即高溫穩定性能越好。但是，其性能的改善隨膠粉粒徑的變化程度并非簡單的線性關系，并不能簡單地說膠粉顆粒越小，其改性瀝青的性能就一定越好。而且，從施工及工程成本的角度來講，膠粉顆粒越細，其加工成本也就越高，同時更容易結團而影響改性效果。

2）增加膠粉摻量對于改善基質瀝青的性能是有利的。但同時也應該注意到隨著膠粉摻量的增加，膠粉改性瀝青的粘度有很大的增幅，而過高的粘度會對瀝青的泵送及混合料的拌和、攤鋪造成較大的困難，因此，應該將膠粉的摻量限定在一定范圍內。

同濟大學研究人員通過試驗來對比簡單攪拌和高速剪切2種工藝對膠粉改性瀝青性能的影響，得出結論：當膠粉摻量為17%時，2種工藝的各項指標相差不大，但當膠粉摻量超過20%時，高速剪切工藝的各項指標卻明顯下降，甚至低于17%摻量時的指標。這主要是因為：對于膠粉改性瀝青來說，廢輪胎膠粉已經經過硫化交聯處理，強度和韌性都超過其他改性劑，高速剪切達不到迅速粉碎顆粒的效果；而且，當膠粉顆粒摻量較大時，其在高速剪切過程中反復摩擦會產生大量熱量，加速膠粉顆粒的脫硫和裂解，從而影響膠粉改性瀝青的性能。由此，可以定性認為，高速剪切工藝在高溫條件下基本沒有對膠粉顆粒進行細化的效果，膠粉顆粒的細度應主要依靠膠粉加工階段來達到。而且，從膠粉改性瀝青的作用機理來看，簡單攪拌工藝較為簡單，能夠很好地分散膠粉顆粒，考慮到提高生產效率以及膠粉結團等實際問題，建議以簡單攪拌工藝為主，同時采用低速剪切工藝輔助加工。

江蘇省交通科學研究院研究人員基于SHRP指標對拌和溫度對膠粉改性瀝青性能的影響進行試驗研究，得出結論為：隨著拌和溫度的升高，膠粉改性瀝青的抗車轍因子逐漸降低，抗疲勞因子逐漸升高，說明較高的拌和溫度對于膠粉改性瀝青的高溫性能和抗疲勞性能不利。但是，如果拌和溫度低于170℃時，膠粉顆粒的溶脹反應速度會較慢，不僅影響生產效率，而且使得膠粉改性瀝青的粘度較大，給泵送帶來較大的困難，因此，建議膠粉改性瀝青來說的拌和溫度控制在180～190℃。

交通部公路科學研究院研究人員采用高速剪切工藝在180～190℃之間進行攪拌，在不同攪拌時間下對膠粉改性瀝青進行取樣的顯微鏡放大照片。由時間影響照片可以看出，攪拌時間對膠粉改性瀝青的勻質性影響很大，隨著攪拌時間的延長，膠粉顆粒逐漸打散和融脹，由開始的絮狀塊體，逐漸分散成單個的膠粉顆粒，隨后膠粉顆粒在基質瀝青中吸收輕質油份，逐漸發生融脹，在攪拌時間達到2 h時，膠粉顆粒已經基本融進瀝青中，與瀝青的界面開始模糊。另外，膠粉顆粒在攪拌半小時和攪拌2 h下的狀態差別很大，而在1 h和2 h的差別顯著減小。考慮到基質瀝青在高溫攪拌過程中的老化情況，建議室內制備膠粉改性瀝青時的攪拌時間最好控制在1 h左右。

4 膠粉改性瀝青生產制備工藝

天津市市政工程研究院根據上述分析，經過大量室內試驗比選，確定膠粉改性瀝青的室內制備工藝為采用常溫粉碎法斜交胎膠粉，膠粉粒徑為40目，摻量為外摻20%，基質瀝青采用70#A級瀝青，攪拌溫度控制在180～190℃，先用5 000 r/min高速剪切機攪拌10 min，再用簡單攪拌機攪拌60min，攪拌速率為800～1 000 r/min，使膠粉顆粒充分溶脹發育。

采用常規指標對試驗室內制備的膠粉改性進行全面檢測，由表1檢測數據可以看出，基于上述加工工藝在試驗室內所制備的膠粉改性瀝青具有優良的性能，從而說明該加工工藝適合于膠粉改性瀝青的作用機理，可以用來指導現場生產。

表1 室內制備膠粉改性瀝青的常規指標檢測數據

5 結語

膠粉改性瀝青作為廢輪胎膠粉和瀝青的混融體系，其評價體系及性能影響因素與傳統的聚合物改性瀝青有很多的不同。在實際應用過程中，應深刻理解其混熔作用機理，采用與其混融體系相適應的技術指標來客觀評價其質量，根據橡膠粉物理化學組成，從摻量、粒徑及拌和工藝等方面著手，通過室內試驗最終確定相應的現場制備工藝。只有認真做好上述工作，才能保證膠粉改性瀝青技術的成功應用。

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