廢膠粉改性瀝青用于道路工程的研究進展

陳 夢 ，張 濤

（1.山西省交通科學研究院，山西 太原 030006；2.新型道路材料國家地方聯合工程實驗室，山西 太原 030006；3.交通運輸行業重交通公路養護材料技術協同創新平臺，山西 太原 030006）

0 引言

中國是世界上最大的橡膠消費國，也是最大的廢舊橡膠產出國之一。廢舊橡膠主要來源于汽車廢舊輪胎，據統計，2014年中國的廢舊輪胎產量超過1 000萬t，2015年將達到1 200萬t，且將逐年遞增。廢舊橡膠屬于硫化橡膠，分子呈三維網狀結構，這種結構較為穩定，長期無法自然降解。大量廢舊橡膠露天堆放，不僅存在嚴重的火災隱患，且導致土壤植被易被破壞，對地下水源造成污染，嚴重時危及生態環境和人類健康[1]。因此，廢舊橡膠的科學利用逐漸被重視并發展起來[2]。

圖1 廢舊橡膠的處理方式

目前，我國廢舊橡膠的利用率僅為60%，利用處理方式主要有生產再生膠、輪胎翻新、熱裂解和生產膠粉等[3]。其中，輪胎翻新和生產再生膠的方式均消耗大量能量，且對環境保護不利；廢舊橡膠的熱裂解是一種有效的循環利用方式，但應用范圍十分有限。將廢舊橡膠粉碎成膠粉添加到瀝青中，作為路面材料用于道路建設，一方面可以變廢為寶，促進廢舊橡膠大量消耗，有效降低廢棄物對環境的污染；另一方面能夠提升路面的使用功能，延長使用壽命，是一種較為有效的回收利用方式，具有廣闊的應用前景和社會經濟效益[4-5]。

經過多年的發展，廢膠粉改性瀝青技術已經形成干法和濕法兩大工藝。干法工藝（PUSRID法），是將廢膠粉作為一部分集料直接添加到熱瀝青中，制備廢膠粉改性瀝青混合料。濕法（MCODONALD法），是將廢膠粉加入熱瀝青中，攪拌均勻制備廢膠粉改性瀝青，然后與集料進行拌合制成混合料。干法工藝生產的混合料性能不佳，而濕法工藝鋪筑的道路可以滿足標準，因此，國際上通常采用濕法工藝。

1 廢膠粉改性瀝青的性能優勢

膠粉均勻分布于瀝青中，形成相對穩定的體系。與普通瀝青相比，廢膠粉改性瀝青用于道路工程建設具有以下優勢。

1.1 黏度得到提高

黏度是評價瀝青高溫穩定性的重要指標。加入膠粉后，廢膠粉改性瀝青的黏度明顯增加，180℃黏度一般可達到1.5 Pa·s以上，不僅抗變形能力得到提高，而且增強了瀝青與集料之間的黏結力，可提高路面抗水侵害能力。

1.2 高低溫性能得到改善

廢膠粉改性瀝青中摻入了大量膠粉，延度提高，其在低溫下表現出較好的柔韌性，提高了路面抗疲勞裂縫和反射裂縫的能力，適于在北方冬季低溫環境中使用，可延長路面使用壽命。

膠粉的加入使廢膠粉改性瀝青的黏度增加，使其高溫抗車轍能力得到提高。

1.3 抗老化、抗疲勞性能得到提升

廢膠粉改性瀝青中含有大量膠粉，膠粉中的抗氧化劑使道路抗氧化和抗老化的能力得到提高，同時，膠粉優異的彈性使瀝青路面耐疲勞能力得到改善。

1.4 提高行車的舒適性和安全性

廢膠粉改性瀝青路面具有較好的柔韌性，可緩沖路面不平整而引起的震動，提高行車舒適性和安全性。

1.5 降噪功能顯著

廢膠粉本身具有彈性，使混凝土路面的彈性增加，應力擴散和吸收能力得到提高，路面降噪效果顯著。

1.6 道路修建費用降低

對廢膠粉改性瀝青進行全面評價，不僅要對其性能和技術可行性分析，還要對其使用經濟性進行評價。廢膠粉改性瀝青原料參考價格（近一年內）如下：基質瀝青為3 000～4 000元/t，膠粉為2 000～2 500元/t，可以看出，膠粉成本低于基質瀝青成本，采用廢膠粉改性瀝青可以大大降低工程成本。

2 廢膠粉改性瀝青的性能影響因素

在廢膠粉改性瀝青的生產中，任何因素都可能對其性能產生影響，如膠粉、制備工藝條件等方面，下面就幾類主要影響因素進行分析。

2.1 膠粉

2.1.1 膠粉類別

一般膠粉使用大卡車輪胎粉、胎冠膠粉、小卡車輪胎粉和農用車輪胎粉等。胎冠膠粉中天然橡膠的含量最多，其改性瀝青的低溫抗裂性能和高溫抗車轍性能最佳；這幾類膠粉對軟化點的影響都不大，除了農用車輪胎膠粉，其他3種膠粉改性瀝青的延度均較好。

2.1.2 膠粉摻量

膠粉摻量大小對瀝青性能的影響不同。當廢膠粉摻入量較少時，膠粉呈“海島”狀微觀結構分散在瀝青中；當摻量增多時，膠粉則形成網絡結構，廢膠粉改性瀝青的軟化點、針入度、延度和彈性恢復性能均得到改善；膠粉摻量過多時，各性能提高緩慢，且黏度過大會使施工困難。因此，膠粉摻量需適量[6]。

陸晶晶等人[7]對16%～24%摻量的膠粉進行研究發現，隨膠粉摻量的增加，延度呈上升趨勢，并于25%左右達到峰值，針入度呈下降趨勢，彈性恢復先提高后減小，廢膠粉改性瀝青的軟化點呈對數增長，這是由于膠粉溶脹作用逐漸減弱的原因；在脫硫和降解的綜合作用下，廢膠粉改性瀝青的黏性表現為先增大后減小。綜合所有因素，認為對于AH90號基質瀝青而言，膠粉最適宜摻量為25%左右。

2.1.3 膠粉粒徑

對于同一種膠粉來說，膠粉越細，廢膠粉改性瀝青的針入度和延度則越大，這是由于膠粉越細，溶脹作用越強烈，但膠粉過細，在瀝青中將無法形成骨架結構，使彈性恢復性能和軟化點衰減。因此，進行改性并非膠粉越細越好，且膠粉越細導致成本也越高。目前，國內多采用40目膠粉。

張日民[8]和陸晶晶[7]等人研究了膠粉目數對廢膠粉改性瀝青性能的影響，采用20目、40目、60目和80目等4種粒徑的膠粉進行試驗，發現摻入40目膠粉時，廢膠粉改性瀝青的軟化點提高最多，黏度和針入度最低，但同時延度最低，這表明40目膠粉改性瀝青具備良好的感溫性能和高溫穩定性，但其低溫抗裂性能相對降低；隨著膠粉粒徑的增大，廢膠粉改性瀝青的抗車轍因子下降，即抗變形能力下降，但疲勞壽命越高。

2.2 工藝條件

大量研究表明，在廢膠粉改性瀝青的制備過程中，反應時間、溫度等工藝參數都會對其性能產生直接影響。

2.2.1 反應溫度

廢膠粉改性瀝青是由高分子組成的混和物，當反應溫度較低時，改性瀝青中高分子鏈運動所需要協同的鏈段數相對較少，分子鏈運動起來較為容易，發生黏彈態向黏流態轉變的溫度較低，軟化點較低，彈性也不佳；反應溫度升高時，軟化點相應升高，彈性也提高；溫度繼續升高，膠粉分布均勻，與瀝青分子鏈能很好地結合為一體，彈性能就會降低，軟化點也降低。溫度較低，膠粉顆粒無法充分溶脹和降解；溫度過高，則易使膠粉炭化，其分解產生的低分子物質會對瀝青進行稀釋，造成瀝青性能惡化[9]。由此可以看出，反應溫度過高或過低都會對材料的性能產生不利影響，一般溫度范圍在180℃～200℃。

倪穎等人[10]結合遼開高速公路廢膠粉改性瀝青路面面層試驗段對反應溫度進行了研究，認為在180℃～200℃下，膠粉與瀝青的相溶性最好，應先將基質瀝青升溫至190℃，再摻入膠粉，反應過程中的溫度也需保持在180℃以上。葛紫虹等人[11]結合平陽高速橋面施工現場情況，對廢膠粉改性瀝青的生產工藝進行了探討，認為在生產過程中反應溫度尤為重要，基質瀝青須加熱到190℃以上才能摻入膠粉。方屈等人[12]通過試驗研究建議將反應溫度控制在180℃～185℃之間，溫度高于190℃以上不僅耗能大，且高溫產生大量煙霧將危害環境與人身健康。

2.2.2 反應時間

膠粉與瀝青反應時間太短，混合不均勻，膠粉-瀝青體系中存在大量膠粉積聚團；隨反應時間增加，積聚團在瀝青中進一步分散，成為膠粉單粒，膠粉單粒與瀝青膠體的結合更為緊密，可形成穩定的體系；反應時間過長，改性瀝青黏度明顯增大，不利于施工，一般反應時間為45～90 min。

石雪琴等人[13]研究了反應時間對廢膠粉改性瀝青軟化點、針入度和延度三大性能指標的影響，結果表明反應時間對膠粉裂解和瀝青輕組分溶脹的影響很大，是影響改性瀝青性能的一個關鍵因素，最佳反應時間為1 h。葛紫虹等人通過實體工程驗證，認為膠粉應在高溫瀝青中至少反應45 min，使其充分溶脹，但要防止膠粉顆粒沉淀，推薦反應時間為45～60 min。

2.2.3 攪拌方式

韓樹峰等人[14]研究發現，反應過程中的攪拌方式對廢膠粉改性瀝青的軟化點、針入度和延度這三大指標并沒有產生太大影響，但對黏度、彈性恢復及針入度指數的影響較為明顯，其中，高速剪切制備的廢膠粉改性瀝青性能最差，而高速攪拌制備的材料性能最好，適宜采用高速攪拌方式。

3 廢膠粉改性瀝青的作用機理

目前，針對廢膠粉改性瀝青常規性能的研究較多，卻對微觀作用機理的研究較少，而明確膠粉與瀝青之間的作用機理，能夠為進一步改善廢膠粉改性瀝青性能提供理論指導，因此，對廢膠粉改性瀝青作用機理進行研究十分必要。膠粉和瀝青之間的作用過程非常復雜，作用機理尚未確定，目前主要存在以下幾種觀點：物理共混機理、網絡填充機理、化學共混機理等[15-16]。

3.1 物理共混機理

膠粉摻入瀝青中后，膠粉分子與瀝青組分中的芳香烴和飽和烴進行相互作用發生溶脹、溶解，從而均勻分散在瀝青中形成物理共混體系。共混過程中未發生化學作用，僅存在物理作用。

Franeis等人[17]采用核磁共振手段研究了膠粉與瀝青之間的相互作用機理，認為膠粉在瀝青中的溶脹是由瀝青中可溶質的滲透引起的。Heitzman等人[18]認為，膠粉顆粒吸收瀝青中的油分組分溶脹，形成凝膠狀物質，這是膠粉對瀝青芳香油組分的吸附，而非化學反應，此過程中膠粉并不會溶解到瀝青中，凝膠結構的形成使膠粉顆粒的大小產生變化，顆粒和瀝青之間的距離也會變小，從而使黏度提高，產生改性效果。王笑風等人[19]通過掃描電鏡觀察膠粉以及廢膠粉改性瀝青的微觀結構，推斷膠粉在反應后發生了明顯的溶脹現象，并猜測少量膠粉在瀝青中可能發生脫硫降解；進一步通過紅外光譜分析推斷廢膠粉改性瀝青中的飽和分組分變少，差熱分析研究發現，廢膠粉改性瀝青僅發生吸熱峰曲線形狀的改變，而其玻璃化溫度與基質瀝青基本保持一致，這說明廢膠粉改性瀝青屬于兩相不相溶體系，共混中并未存在化學作用。

3.2 網絡填充機理

膠粉摻入瀝青中后，膠粉分子在瀝青中油分和芳香分的作用下被分開，發生溶脹和降解過程，然后進行擴散過程。膠粉以顆粒狀或絲狀分散在瀝青中，相互交聯后以網絡結構存在于瀝青中，這種網絡結構提高了膠粉分子的可移動性，使廢膠粉改性瀝青表現出良好的彈性及塑性。

Maccarrone等人[20]研究認為，膠粉在瀝青中分散成絲狀，與瀝青質膠團共同均勻分布在瀝青油分中，形成物理意義上的相容體系，瀝青油蠟組分則會擴散到膠粉鏈段的空隙中，使其松動、溶解。吳培熙等人[21]提出，膠粉顆粒分散到瀝青中會形成類“海島”結構，膠粉分子呈網狀結構分散于瀝青中，使廢膠粉改性瀝青耐熱性和熱穩定性提高、流動性降低，使其軟化點升高、針入度降低。Li Xiang等人[22]對廢膠粉改性瀝青進行了掃描電鏡、熒光電子顯微鏡等微觀性能和常規性能測試，發現反應前后膠粉形態結構明顯發生變化，黏度及彈性得到提升。

3.3 化學共混機理

瀝青中不僅存在烷烴、烯烴和芳香烴，還存在脂基、羥基等有機官能團，含有極性和非極性的化合物，可以發生化學反應，生成新的化學鍵。

許愛華等人[23]采用紅外譜圖手段研究發現，廢膠粉改性瀝青在2 925.5 cm-1處未出現吸收峰，說明共混過程中發生了一定程度的化學反應。Hongying Liu等人[24]研究了廢膠粉改性瀝青及添加TOR改性劑廢膠粉改性瀝青的作用機理，差熱分析表明，基質瀝青、廢膠粉改性瀝青、TOR廢膠粉改性瀝青三者的吸放熱峰均不相同，說明廢膠粉改性瀝青、TOR廢膠粉改性瀝青在反應過程中均產生了化學作用，且后兩者曲線更加平緩，說明其熱穩定性得到提高。

以上幾種作用機理，在膠粉與瀝青共混過程中都可能存在，只是影響程度的不同。進一步對廢膠粉改性瀝青的機理進行深入研究，將對改性瀝青性能的提高和改性劑的研發提供理論幫助，具有重要意義。

4 廢膠粉改性瀝青在道路工程中的主要應用

根據廢膠粉改性瀝青的路用特性，廢膠粉改性瀝青以及混合料在道路工程中主要應用于以下方面。

4.1 廢膠粉改性瀝青

由于廢膠粉改性瀝青在黏結力、高低溫穩定性、耐久性和彈性等方面具有較為優異的性能，因此，目前工程中將其主要用作高性能瀝青結合料、工程黏合劑、防水材料等，例如橋面防水鋪裝層、水泥混凝土路面填縫灌縫材料、構筑物之間的防水黏結層、瀝青混合料的結合材料等。

4.2 熱拌廢膠粉改性瀝青混凝土

廢膠粉改性瀝青混凝土具有優良的抗老化、耐久性，目前，公路工程中將其作為高性能熱拌瀝青混凝土的結合料，如密級配廢膠粉改性瀝青混凝土，斷級配廢膠粉改性瀝青混凝土作為磨耗層罩面工程和養護工程中的薄層罩面使用，開級配廢膠粉改性瀝青混凝土作為排水抗滑性表面層使用。

4.3 廢膠粉改性瀝青應力吸收層

在養護或加強工程中采用廢膠粉改性瀝青應力吸收層，可有效解決抗反射裂縫。利用廢膠粉改性瀝青黏結力強的優勢，可有效解決加鋪層與路面之間的黏結問題，而且可有效制約原路面的裂縫穿透應力吸收層傳播至加鋪層，可有效預防甚至阻止反射裂縫的擴展，并具備防水和填縫的作用。

5 結論

將廢舊輪胎加工成膠粉制備廢膠粉改性瀝青，將其用于道路工程建設，不僅能夠改善瀝青的路用性能，降低物料成本，而且可促進廢棄物的回收再利用，對減小環境壓力有著不可估量的作用，具有顯著的社會和經濟效益。我國在廢膠粉改性瀝青的理論、技術和應用方面已取得很大研究進展，目前，需進一步提高其存儲穩定性和各方面性能，并盡快制定相關行業標準規范，指導廢膠粉改性瀝青的科學生產和管理。