橡膠改性瀝青技術在甘肅的應用探討

付劍鋒FU Jian-feng

（甘肅公航旅石墨烯科技發展有限責任公司，蘭州 730099）

0 引言

隨著甘肅省經濟的高速發展，公路建設也迎來了高速發展期。瀝青路面表面平整、行車舒適，還具有施工期短、養護簡便等諸多優勢，使其成為甘肅省各類公路路面主要的形式。從氣候角度看，甘肅省屬于北方季凍區，四季溫度有大幅變化，溫差最高可達到70℃以上。隨著公路交通流量的不斷增大，在長期重交通車輛荷載、大溫差等共同作用下，裂縫、車轍成為甘肅瀝青路面最主要的道路病害。裂縫、車轍也進一步加劇了瀝青路面的水損害，使瀝青路面出現了松散、坑槽、麻面、沉陷等諸多病害，因此，也降低了路面的服役質量和年限。

改善瀝青性能、延長瀝青路面的使用壽命，已成為甘肅高海拔地區道路建設養護工程亟待解決的課題。目前，已開展較多的瀝青改性研究，有SBS 改性瀝青、橡膠改性瀝青、PE 改性瀝青、橡塑纖維改性瀝青等。這些改性方法對提高瀝青路面的路用性能，以及避免路面早期破壞起到了非常重要的作用。另一方面，基于我國目前大量廢舊輪胎的產生，將廢橡膠磨粉摻入瀝青中制備橡膠瀝青，鋪筑橡膠瀝青路面開始受到廣泛關注。研究表明，橡膠瀝青路面能有效地提高瀝青混合料的高、低溫穩定性、抗疲勞裂縫能力、耐久性和抗老化性能，具有延長瀝青路面的使用壽命、降低行車噪音和養護費用低等優點。

目前，甘肅省政府已經充分認識到廢橡膠等高分子固廢給人們生活和環境造成的負面影響，將高分子固廢再利用列為重點科技資助項目進行針對性研究。同時，構筑高性能瀝青路面也是經濟快速發展的重要訴求。因此，這些因素共同為橡膠瀝青在甘肅省道路工程的應用研究提供了良好的機遇。

1 國內外橡膠路面的研究現狀

1.1 國外橡膠瀝青路面的研究應用概況

橡膠瀝青用于路面始于20 世紀60 年代，由Chales McDonald 首先發明該技術，并應用于應力吸收層（SAM）；70 年代，美國亞利桑那州精煉公司推出了脫硫膠粉改性瀝青，將脫硫橡膠瀝青用于開級配瀝青混凝土中；從20 世紀70 年代到90 年代，美國利用濕法和干法工藝的橡膠瀝青分別鋪筑了試驗路段，并對路面的施工工藝和路用性能進行了總結。90 年代后，美國聯邦通過立法要求，在瀝青道路工程中逐漸增加廢胎膠粉用量，至1997 年廢胎膠粉的添加量能夠達20%。共有27 個州研究了橡膠粉改性瀝青及其混合料技術，也研究了采用橡膠瀝青進行路面表面處治。

1996 年，伊利諾斯大學的Abdelrahman 博士研究了瀝青和橡膠粉的反應機理機理。研究結果表明，在反應初期，橡膠粉以吸收瀝青輕質組分溶脹為主；隨著膠粉的溶脹，膠粉的液相部分勁度增加，瀝青與橡膠固相部分接觸的可能性也增加；當溫度升高和反應時間延長，橡膠粉在瀝青中的脫硫裂解逐步取代溶脹反應，橡膠固相的交聯減弱，但液相部分的勁度仍增加。

瑞典的研究人員研究得到了干法橡膠的表面層瀝青混合料工藝。研究結果表明，加入橡膠粉后，瀝青路面的低溫性能和抗水損害能力明顯改善，在抗滑除冰、防反射裂縫、防溫度裂縫、抗永久變形等性能方面，也比參照路段具有更好的效果。但在施工上，瀝青路面出現了離析現象、壓實度不足等問題，可能與膠粉顆粒過大有關。

南非的廢舊輪胎橡膠粉在公路建設中的應用也相對成功，截止到目前有超過60%的路面使用橡膠瀝青。應用領域包括熱拌橡膠瀝青混合料、應力吸收層、應力吸收中間層等，基本擁有了一整套橡膠瀝青相關的技術標準，且擁有服役超過20 年仍然完好的橡膠瀝青路面。在法國，橡膠瀝青的攤鋪量也已超過100 萬m2。橡膠瀝青主要應用于多孔隙路面，在排水、重交通和抗剪切等方面，具有比普通瀝青多孔路面更多的優勢。

另外，橡膠瀝青路面在加拿大、德國、新西蘭、澳大利亞、沙特阿拉伯和日本也有著廣泛的工程應用。

1.2 國內橡膠瀝青路面的研究應用概況

20 世紀80 年代初，為改善國產瀝青品質，國內的科研院所、公路建設部門等借鑒國外成功經驗，先后進行了橡膠在瀝青路面中的應用研究，并鋪筑了大量試驗路。2001 年第一批交通部西部科技項目立項，進行了“廢舊輪胎膠粉用于筑路的技術研究”，從橡膠粉標準、橡膠瀝青技術指標、混合料配合比設計方法、混合料加工工藝，再到橡膠瀝青路面的設計與施工進行了大量系統的研究。

橡膠瀝青的工程應用難點在于粘度大、存貯不穩定（瀝青/膠粉相容性），使得橡膠摻量不能過高。橡膠摻量大于20%瓶頸的橡膠改性瀝青生產工藝得到突破，如橡膠脫硫、添加降粘劑（如生物油，溫拌劑）是目前主流增加橡膠的方法。隨后，Terminal Blend 橡膠瀝青方法的問世，從膠粉的“溶解”角度為生產高摻量橡膠瀝青提供了新方法，其核心思想是通過化學能、熱能與機械能相互結合以及共同作用，將橡膠粉的交聯網絡完全破壞，而后使其溶解于基質瀝青中。

2014 年，河北工業大學王國清等也研究了高摻量橡膠改性瀝青及其制備方法。該工藝的具體做法是：直接將橡膠粉加入瀝青中，然后加入脫硫劑，延長脫硫時間，并且提高了膠粉摻量。葉奮等研究采用螺桿反應擠出技術對橡膠粉進行深度降解，嘗試提高橡膠瀝青中膠粉的摻量。結果表明利用螺桿反應擠出法的膠粉可較快分散于瀝青中，膠粉摻量可達50%（外摻），且不增加瀝青粘度、易于加工。

王仕峰等采用雙螺桿擠出將廢橡膠淺度熱解為液態橡膠（LPR），用其制備橡膠瀝青，膠粉摻量最高可達到50%。結果表明，淺度熱解的液態橡膠可改善瀝青的流變性和低溫性能，液態橡膠顆粒可均勻地分布在瀝青中。近來，又利用多階連續綠色脫硫技術制備速溶橡膠粒，膠粉成功實現了低溫速溶，制備橡膠瀝青不用改造現有SBS改性設備，即可與SBS、瀝青能簡捷快速混合達到納米分散和溶解，制備高粘彈復合改性瀝青。該技術在實現膠粉易混溶于瀝青中，突破了復合瀝青產品的穩定熱儲存和良好的加工和易性，并且在工程應用中不增加混合料的油石比，增加了橡膠瀝青的經濟性。

2 橡膠瀝青路面的優勢

甘肅高海拔地區，屬于高低溫更替交換的季凍區，瀝青面層的破壞主要表現為路基的反射裂縫引起的剪切破壞與循環溫度應力或車輛荷載造成的破壞。瀝青材料老化后變脆，可能會在服役期內發生疲勞破壞，尤其在甘肅季凍環境中更為突出。橡膠粉自身具有較寬泛的彈性溫度適應區間，決定了橡膠瀝青作為一種性能優良、經濟的路面材料，會更加適合甘肅季凍區道路的鋪筑。

橡膠瀝青路面在甘肅高海拔季凍區應用意義在于，橡膠瀝青路面在抵抗高溫變形的穩定性、低溫脆裂性、反復荷載下的疲勞性能、水損害、溫度老化性能等方面都具有顯著的優勢。

①高溫穩定性和水損害方面：由于在瀝青中添加了橡膠，橡膠瀝青的黏性大大提高，高溫抵抗永久變形能力增強，瀝青與碎石間的黏結力增加，從而使抗水損壞能力提高。

②低溫抗裂方面：由于橡膠粉中含有低溫韌性好的硫化橡膠，因而橡膠瀝青具有非常突出的低溫韌性和抗裂能力。良好的低溫性能非常有利于甘肅季凍區寒冷季節的低溫條件，能夠有效減少瀝青路面低溫裂縫的產生，延緩路面早期破壞，從而延長道路的使用壽命。

③在抗老化、氧化、疲勞方面：由于廢舊輪胎橡膠中含有大量的抗老劑、炭黑成分，使橡膠瀝青的抗老化能力明顯提高。

最近，甘肅公航旅集團將廢輪胎膠粉進行預先脫硫降解造粒，采用傳統SBS 生產設備放大化生產高摻量橡膠瀝青，在蘭州新區瀝青道路表面層實施工程化驗證，最后，采用高摻量橡膠瀝青混合料實驗路段鋪設，鋪設過程中易施工易壓實，無明顯煙氣和氣味（見圖1）。其膠結料性能和混合料關鍵性能指標經過驗證，優于傳統的SBS 瀝青。采用工廠生產的瀝青制備的混合料性能與實驗室的結果相似，滿足施工要求（見表1、表2）。

圖1 高摻量橡膠瀝青路段鋪設現場

表1 高摻量橡膠瀝青與SBS 改性瀝青的常規性能比較

表2 工程放大的高摻量橡膠瀝青及其混合料性能

公航旅建設集團低碳路材聯合研發中心還利用SBS/微納橡膠雙重網絡互穿原理，成功研發出高性能高粘彈橡膠復合改性瀝青。高粘彈橡膠復合改性瀝青混合料主要性能指標優于SBS 改性瀝青混合料主要性能指標，尤其是抗車轍性能、低溫彎曲性能更加優異，達到了低味、補強、防滑、耐熱、耐寒、耐腐蝕、抗沖擊、降噪音的作用，不但碳排放量減小，鋪筑成本也低于常規SBS 改性瀝青路面。公航旅建設集團還采用高粘彈橡膠復合改性瀝青進行了SUP 上面層路面試驗段應用（見表3、表4、圖2）。

圖2 高粘彈橡膠瀝青路段鋪設現場

表4 Sup-13 瀝青混合料性能測試結果

在成本方面，由于SBS 改性劑為石油產品，價格較高，目前已高達1.4 萬元/噸。而用廢舊輪胎生產的橡膠粉價格相對便宜，價格約為2000 元/噸。瀝青價格為3000 元/噸。廢舊橡膠價格大幅低于SBS 改性劑，且低于瀝青的價格。因此，將廢橡膠用于道路，摻量越大成本優勢越明顯。

目前，甘肅高等級公路建設大都采用SBS 改性瀝青。如果利用廢舊輪胎生產的橡膠粉來鋪筑道路面層，其成本大約僅為SBS 改性瀝青的三分之二。按照甘肅廢舊輪胎產生量不斷上升，橡膠瀝青產業也將成為龐大而穩定的道路材料。

以甘南為代表的西部甘肅高海拔地區，屬于高低溫更替交換的季凍區，瀝青面層的破壞主要表現為路基的反射裂縫引起的剪切破壞與循環溫度應力或車輛荷載造成的破壞。瀝青材料老化后變脆，可能會在服役期內發生疲勞破壞，尤其在甘肅季凍環境中更為突出。橡膠粉自身具有較寬泛的彈性溫度適應區間，決定了橡膠瀝青作為一種性能優良、經濟的路面材料，會更加適合甘肅季凍區道路的鋪筑。

3 結論與展望

甘肅經濟快速發展使得廢舊輪胎橡膠產生量也必然越來越多，將橡膠瀝青用于道路工程，既能減輕由廢橡膠堆積導致的“黑色污染”，又能解決甘肅特殊氣候下瀝青路面易發生各類病害的難題，變廢為寶，一舉兩得。

橡膠瀝青在抵抗高溫變形的穩定性、低溫脆裂性，以及反復荷載下的疲勞性能、水損害、溫度和光照的老化性能具有明顯優勢。隨著對橡膠瀝青的更加深入研究與廣泛應用，將促使在今后甘肅的公路建設鋪筑越來越多的橡膠瀝青路面。