廢輪胎橡膠粉在溫拌瀝青中的應用研究進展1

溫麗瑗，黃港竣，周鑫杰，張戰軍，袁凱恒，柯海，陳小平

(1.廣東石油化工學院 化學工程學院，廣東 茂名 525000；2.廣東省石油化工污染過程與控制重點實驗室，廣東 茂名 525000；3.廣東省公路管理局茂名瀝青儲運中心，廣東 茂名 525000)

瀝青是公路路面鋪設中最常用的材料，在公路建設中發揮著重要的作用。然而，在瀝青的施工、運營、養護等階段會對環境產生一定的影響。如今可持續性發展在全球引起了廣泛的關注，建議在瀝青路面等基礎設施的建設中遵循“回收、循環和降低”(3R)的原則[1]。近年來，許多適合3R的可持續瀝青鋪裝技術得到了開發和應用，見表1。此外，具有附加功能的新型瀝青路面，如循環加熱瀝青路面、光催化瀝青路面、低噪音瀝青路面、冷卻瀝青路面、自愈合瀝青路面等，也有利于能源的收集和環保[2]。

表1 可持續瀝青路面設計的現有技術政策要求技術回收利用鋪筑新瀝青路面時使用一定比例的再生瀝青路面循環利用回收利用廢棄物作為路面施工的集料、填充物或改性劑,如廢舊輪胎、玻璃、塑料、鋼渣、飛灰、金屬廢棄物等降低排放采用冷拌或溫拌瀝青技術降低能耗,以及通過瀝青橡膠或多空隙瀝青路面技術降低交通噪音

將廢舊汽車輪胎回收后應用到瀝青路面中，既符合廢舊輪胎的回收又符合降低交通噪聲的原則。此外，橡膠粉的摻入使瀝青路面更耐用[3]。目前，主要有干法和濕法兩種工藝。干法是將橡膠粉直接添加到瀝青混合料中替代部分集料或填料；濕法是指先用橡膠粉對瀝青進行改性，使改性后的黏結劑、骨料和礦物填料充分混合。濕法不僅像干法一樣利用了橡膠粉的彈性顆粒效應，還利用其聚合物組分作為瀝青改性劑來提高黏合劑的流變性能。橡膠瀝青(AR)屬于濕法生產的橡膠瀝青黏結料[4]。AR混合料除了具有優越的力學性能外，其降噪效果也很顯著。不溶性橡膠粉顆粒對振動源產生的噪聲起到緩沖作用，較常規瀝青路面降噪3～5 dB。然而，阻礙該技術廣泛應用的一個主要問題是和易性差。AR比傳統的瀝青黏合級更黏，與集料的共混和壓實溫度比常規瀝青混合料高35～60 ℃，施工環境較差，能耗高，有害物質排放多[5]。針對這一問題，研究學者提出了溫拌瀝青(WMA)技術來提高AR路面的和易性。將WMA技術與AR技術相結合，是解決AR混合料施工排放高，生產耐用、低噪音路面的理想途徑。

本研究旨在從配合比設計、瀝青-橡膠-溫拌瀝青添加劑相互作用、力學性能、流變性能、建筑排放等方面介紹溫拌瀝青的最新發展。

1 溫拌橡膠瀝青(WAR)黏結料及混合料的生產

1.1 黏結料的制備

實驗室中，生產AR一般采用高剪切混合器(混合速度:1000～4000 r/min)，混合溫度為175～200 ℃[6]。而在現場，黏合料是通過特殊的混合設備在工作現場或附近混合傳統瀝青和橡膠粉來生產的。反應時間應限制在1 h以內，以防止橡膠粉進一步脫硫解聚[7]。在大多數研究中，WAR黏結料是將WMA添加劑加入熱AR中，在相同或稍低的溫度下混合幾分鐘而制備的。通過常規的混合程序，可以很容易地評估WMA添加劑的效果，而且現場質量控制也應該更簡單。另一種混合順序預處理方法是將橡膠顆粒浸泡在液體表面活性劑中，使液體WMA添加劑被橡膠屑吸收，然后將改性后的橡膠粉與熱瀝青混合。

1.2 配合比設計

WMA的配合比設計與HMA過程類似。目前，AR的配合比設計也適用于WAR，不考慮溫拌劑的類型和加入時間，所有程序基本上包括五個步驟，即骨料和黏結劑的選擇、混合料壓實、壓實混合樣品的空隙度測量、機械測試、最佳黏結劑含量測定。

一般情況下，由于AR黏結料中有一部分瀝青是用橡膠粉代替的，AR/WAR黏結劑的含量一般應高于相應的含原生瀝青的混合劑。已有的實踐經驗表明，溫拌橡膠瀝青中最佳瀝青含量(OAC)應為純黏結劑最佳瀝青含量的1.2～1.4倍[8]。由于橡膠粉的膨脹特性和黏結劑含量的增加，空隙和開放級配比致密級配更適合AR/WAR。瀝青混合料的最佳瀝青含量取決于設計的空隙率、集料來源、壓實方法、相應瀝青路面的使用條件等。根據已有研究，密級配、間隙級配和開放級配的混合料的OAC分別在4.4%～5.5%、4.5%～6.2%和4.3%～6.5%[9]。

2 橡膠瀝青與溫拌橡膠瀝青

2.1 橡膠粉與瀝青的相互作用

橡膠粉可由廢舊小車或卡車輪胎粉碎得到的，主要由天然橡膠、合成橡膠、炭黑和填充物組成。瀝青包含四個組分，飽和分、芳烴、膠質和瀝青質。高極性瀝青膠束分散在飽和分、芳烴和膠質的黏性相中。已有研究者對橡膠瀝青內部的相互作用機制進行了廣泛的研究。特別是Wang等[10]全面總結表征AR黏結劑中組分間相互作用的現有化學方法。橡膠粉與瀝青的相互作用發生在評價溫度下高剪切混合過程中。在相互作用過程中，橡膠屑發生了兩個階段的變化：溶脹和溶解。橡膠屑的溶脹與溶解是同時發生的。

AR的生產不是簡單地將橡膠粉混合和分散到熱瀝青結合劑組分中，而是一旦與熱瀝青混合，橡膠粉的外部隨著混合時間的增加而溶解，釋放出天然橡膠、合成橡膠和其他組分到瀝青組分中。此外，瀝青中的輕組分飽和分和芳香烴被吸附到橡膠粉聚合物鏈中，在橡膠粉周圍形成一層薄薄的凝膠層。一項關于AR黏結料四組分分析的研究表明，與原瀝青相比，AR的重組分比例更高，輕組分比例更低，這應歸因于橡膠粉的吸收作用[11]。

2.2 瀝青、橡膠粉和溫拌劑的相互作用

溫拌橡膠瀝青的生產也不僅僅意味著將橡膠粉和溫拌劑混合和分散到瀝青餾分中。膨脹橡膠粉、瀝青組分和WMA添加劑相互作用原理：在混合過程中，溫拌劑和瀝青組分的兩種成分都被吸收到橡膠-瀝青相互作用區。Yu等[12]采用分段提取法將膨脹型橡膠粉的相互作用區域劃分為四層，他們發現蠟類添加劑對膨脹橡膠吸附性能的影響有限。相反，據報道，化學表面活性劑會顯著降低大分子含量，阻礙碳氧鍵的形成。對于WAR黏結劑的最終狀態，利用環境掃描電子顯微鏡(ESEM)觀察表明AR具有單相連續結構，顆粒在基質瀝青中不均勻分布，Evotherm-DAT能夠使橡膠瀝青體系更加均勻。

除了WMA添加劑的種類外，混合過程也影響溫拌橡膠系統的相互作用。Yu[13]發現，使用相同用量的蠟添加劑，直接將橡膠粉、溫拌劑和瀝青混合在一起，可以使溫拌橡膠瀝青膠凝劑液態瀝青相中的蠟含量低于常規方法。這意味著在反應過程中，基質瀝青和蠟分子的輕組分都被橡膠粉吸收。

3 溫拌橡膠瀝青的工程性能

3.1 溫拌橡膠瀝青黏合料的流變特性

橡膠粉與基礎瀝青的相互作用使橡膠瀝青在高、中、低溫下具有優越的性能。橡膠粉的溶解和膨脹顯著提高了瀝青黏度。因橡膠粉與瀝青的密度差異，橡膠瀝青的貯存穩定性較原瀝青差。溫拌劑的添加能緩解AR的工作性問題。在基質瀝青中摻入橡膠粉后，瀝青黏結劑的針入度、延度和相位角降低，軟化點、彈性回復率、黏度和復合剪切增加[14]。Wang等[15]評價了AR和WAR黏結劑中液體瀝青相的流變性能，并發現AR抗車轍性能的提高主要是因聚合物改性和顆粒效應，而疲勞壽命的延長主要是因橡膠粉的顆粒效應。

WMA添加劑的種類和含量對AR黏結劑的流變性能有顯著影響。根據高性能瀝青的流變學表征，FT-wax可以增強車轍抗力，但降低疲勞和低溫開裂抗力[16]。然而，線性振幅掃描(LAS)試驗表明，溫拌劑FT-wax對疲勞抗力的影響是有效的[17]。通過對比溫拌橡膠瀝青、砂漿和混合料的疲勞性能評價，Yu等[18]提出LAS是比高性能瀝青疲勞因子試驗更可靠的疲勞試驗。為了保證良好的低溫性能，應控制蠟劑的用量。各種化學添加劑對AR黏結劑的抗車轍性能有負面影響。發泡添加劑對車轍性能影響不明顯，發泡過程對車轍性能有輕微的負面影響。

3.2 溫拌橡膠瀝青混合料的力學性能

瀝青混合料的力學性能因具體的瀝青、混合料級配、集料類型以及混合條件的不同而有很大的差異[19]。熱橡膠瀝青混合料的水穩定性、剛度模量、抗裂性和永久變形性等力學性能均明顯優于常規熱拌瀝青，這與AR黏結劑優越的流變性能相一致，是由于黏結劑黏度的增加和生產溫度的升高。Yu等[20]采用馬歇爾樣品的空隙率和SGC樣品的旋轉次數作為瀝青混合料壓實性的度量。研究發現，溫拌劑的添加可以使AR混合物的生產溫度降低至少16 ℃，而不會顯著影響混合物的壓實性。其他研究也表明，使用WMA技術可以降低混合溫度20～35 ℃，對體積性能的影響非常小[21]。

WAR混合料的抗濕損性能略差于熱AR混合料，這是因為在較低的生產溫度下，骨料中滯留的濕氣較多[22]。哈巴爾和辛格表面自由能研究也得出了同樣的結論。研究發現，與熱AR相比，Rediset、Sasobit和Advera的AR具有較差的耐濕性[23]。溫拌技術本身不太可能影響濕度敏感性，問題可能是由于骨料條件和施工質量所導致。水性化學添加劑(如Evotherm-DAT)由于液體表面活性劑的不完全蒸發而對水分敏感產生負面影響。此外，溫拌瀝青混合料的性能通常比相應的熱拌瀝青差，原因是骨料加熱溫度較低。在疲勞性能方面，Xiao等[24]認為，在有機、化學和發泡添加劑中，只有asphamin抗疲勞開裂性能較差。

4 經濟和環境效益

在WMA的作用方面，有研究證明，加入WMA可以在節能方面取得顯著的效益。較低的施工溫度所帶來的好處可能會被更高的額外材料成本所抵消。Wang等[25]認為，與傳統HMA相比，溫拌橡膠瀝青需要更高的初始成本，但由于其增強的工程性能和較低的維護成本，在全壽命周期更具成本效益。

據報道，WMA在建設期間產生了顯著的環境效益。與傳統的HMA相比，WMA技術可減少排放二氧化碳和二氧化硫30%～40%，揮發性有機化合物50%，一氧化碳10%～30%，氮氧化物60%～70%。根據歐洲的一項研究，使用WMA技術可以節省20%～35%的燃料[26]。與混凝土路面相比，在升級配混合料中使用輪胎橡膠可降低至少50%的輪胎噪聲。其降噪效果主要是由于橡膠顆粒殘留在瀝青路面中的特性所致。

5 未來研究方向

雖然已有文獻報道了黏結劑的流變特性、混合料的力學性能以及溫拌橡膠瀝青的相互作用機理，但溫拌橡膠瀝青仍值得進一步研究，如何回收溫拌橡膠瀝青路面、如何通過WMA添加劑控制瀝青與橡膠的相互作用，如何針對特定區域優化WMA與AR的組合。通過WMA添加劑控制瀝青和橡膠之間的相互作用，開發一種典型的WAR設計的最佳混合參數(材料用量、混合時間/溫度/速率/順序)。此外，還應從流變學特性和微觀/化學特性兩方面評價不同組分之間的相互作用水平。在此基礎上，提出采用生命周期成本分析(LCCA)和生命周期評價(LCA)來平衡WAR路面的經濟與環境性能。通過對施工技術、維修技術和運行參數的深入研究，將對WAR有更深刻的理論和實踐認識，從而使WAR得到更廣泛的應用。