橡胶沥青及公路工程应用

第1章绪论 根据美国试验与材料学会标准 (ASTM D8)的定义[1]：橡胶沥青(asphaltrubber)是一种由沥青、废旧轮胎橡胶粉和某些添加剂组成的混合物，其中回收轮胎橡胶粉在混合物中的占比在15％以上，并与热沥青充分发生反应，胶粉颗粒呈现溶胀现象。 1.1橡胶沥青起源 废旧轮胎橡胶粉应用于公路工程的起源及早期的主要推动力来自材料和铺面工业对廉价高弹性路面材料的探索，几个专利性产品是其应用发展的里程碑[2，3]。20世纪40年代，美国橡胶回收公司制造出了脱硫橡胶沥青混合料改性颗粒。 20世纪50年代，美国公路局将14种不同的橡胶粉和3种不同的沥青进行了一项试验研究，评估不同的材料对石油沥青性质的影响；随后还进行了“橡胶沥青混合料摊铺”的试验研究[4]，采用了广泛的硫化橡胶材料、非硫化橡胶材料、废旧轮胎材料、天然橡胶材料、丁苯橡胶材料、聚丁二烯橡胶和反硫化的再生橡胶材料等；在工艺上，尝试了湿法工艺和干法工艺。1960年，美国沥青研究所在芝加哥召开了**次橡胶沥青研讨会，把橡胶沥青的研究工作从实验室拓展到了工程项目上，从此拉开了橡胶沥青工程应用的序幕。 20世纪60年代，美国的 Charles McDonald 发明 OverflexTM 橡胶沥青被用于应力吸收层；瑞典的两个公司 Skega AB 和 ABV 使用干法工艺生产的橡胶粉改性沥青混合料 RubitTM，70年代后期引入美国，改进后由四季铺面公司(AllSeasons Surfacing Corporation)申请了专利(PlusRideTM)[5]。70年代，亚利桑那州的精炼公司制造出了脱硫胶粉改性沥青。 1.2橡胶沥青制备 橡胶沥青的加工工艺主要有干法工艺(图1.1)和湿法工艺(图1.2)两种[6，7]。工程应用实践是从干法工艺开始的。干法工艺是指将橡胶粉(简称胶粉)颗粒作为填料直接加入拌锅的热集料中，掺入量为集料质量的3％～5％ ，与集料一起拌和10～15s，然后再加入沥青继续拌和，直至形成橡胶粉改性沥青混合料。 图1.1干法工艺制备橡胶沥青 图1.2湿法工艺制备橡胶沥青 干法工艺橡胶粉添加方法简单，拌和工艺与常规混合料基本相同，无须添置专门的设备。干法工艺制备过程相对来说比较简单，并且由于胶粉的掺配比例较高，增加了路面的弹性和阻尼性能，因此在路面减震和降低行车噪声方面效果比较显著。但由于干法工艺拌和时间较短，橡胶粉与沥青之间只能产生较少的反应，胶粉难以发生充分的溶胀作用，因此生产的混合料性能不及湿法工艺，设计不当易导致路面松散。目前干法工艺生产的沥青混合料一般摊铺在路面的中下面层或更低的层位，较少摊铺在表面层。“干法”橡胶沥青技术由瑞典的 Skega AB 和ABV 公司研发的商标为 Rubit 的橡胶粉改性沥青混合料开始起步，随后瑞典的4家公司将其引入美国，在阿拉斯加一带应用较多，20世纪70～80年代，仅这一区域就铺筑了十多个试验路段。在美国较有影响的干法工艺的工程应用实例就是“改善行驶系统”(Improving Driving System)，它采用了1.6～6.4mm 的粗颗粒橡胶粉作为集料的一部分直接加入，在车轮的碾压下，利用粗颗粒橡胶粉的弹性破除路表面的薄冰，达到改善行驶状况的目的。广义的干法还包括将橡胶粉颗粒撒布到刚刚摊铺后的沥青混合料路面上再共同碾压的工艺等。因为干法工艺生产的混合料性能不如湿法工艺，所以其在美国的使用并不广泛。 湿法工艺与干法工艺几乎是在同一时期起步的。湿法工艺的理念是利用橡胶粉对基质沥青进行改性，形成高性能的橡胶沥青，即将橡胶粉与热沥青先进行混合或混炼，以混合或混炼生成的橡胶沥青作为胶结料再与矿料进行混合搅拌形成橡胶沥青混合料的生产工艺。广义的湿法还包括用于稀浆封层的胶粉改性乳化沥青等，湿法工艺条件相对复杂，需要有专门的橡胶沥青生产设备，加工、储存、使用成本相对较高，但可以显著提高沥青混合料的性能。 按照橡胶沥青工艺和性能不同，湿法又可分为现场加工和集中生产两种方式。 现场加工的橡胶沥青，橡胶粉用量一般在15％以上，采用粒径较大的胶粉，路用性能良好，是沥青混合料和应力吸收层中使用*多的橡胶沥青类型，但由于胶粉颗粒较粗，储存期间容易发生离析，一般需要现场加工使用。集中生产采用较细的橡胶粉(80目左右)，采取集中式生产工艺，可以实现产品稳定供应和较长时间存储，在美国又称为终端拌制(terminal blend)工艺。由于橡胶粉细，能较好地熔融、分散于沥青中，可远距离运输施工。虽然这种工艺的胶粉掺量通常在10％以下，混合料的性能低于橡胶沥青混合料，但也属于橡胶粉改性沥青的范畴。 湿法工艺中*著名的是“McDonald”工艺。它是由亚利桑那州炼油公司(ArizonaRefinery Company，ARC)和 Sahuaro 共同申请的专利，其具体工艺满足以下条件：.1基质沥青必须加热到190～218℃的高温；.2橡胶粉的用量必须在黏结剂质量的15％以上；.3橡胶粉的颗粒应较粗，通常为1～2mm；.4橡胶粉颗粒在上述高温的基质沥青中至少反应45min，使它们充分溶胀，但仍保持着固体颗粒的核心。该工艺在橡胶沥青生产中广泛应用。McDonald 因将橡胶沥青黏结剂用于热拌混合料和路面表面处置而在此技术上享有盛誉。 1.3我国橡胶沥青技术研究现状 我国废旧轮胎胶粉在公路工程中的应用研究始于20世纪80年代初。为了改善基质沥青的性能，同济大学研究了废旧轮胎胶粉与沥青共熔反应的黏度变化规律及其对路用性能的影响，1980年左右分别在江西省的铅山县和贵溪县，采用贯入式和表面处治工艺，修筑了橡胶沥青试验路段[8]；1982～1986年还在四川省铺筑了若干条试验路段[3]。此后，我国的研究主要集中在常规苯乙烯–丁二烯–苯乙烯(styrene-butadiene-styrene，SBS)改性沥青上。 20世纪90年代以后，随着汽车保有量的增长和橡胶粉加工业的发展，胶粉和道路建材供应商看好橡胶粉的路用前景，资助了一些有关废轮胎胶粉路用研究的项目[3]。1993～1995年，沈阳市政集团工程公司修筑了1000多平方米的橡胶沥青混合料路面试验段；在五爱路至浑河大坝间铺筑了近3万平方米的胶粉改性沥青混合料试验路面。2001年，交通运输部公路科学研究院将胶粉沥青应用于钢桥桥面的铺装[9]；立项了“废旧胶粉用于筑路的技术研究”的课题，研究了干法、湿法工艺对胶粉沥青胶结料和混合料性能的影响[10]，并在广东中山、山东德州、河北沧州、四川成都等地铺筑了总长近30km 的试验路段。 2004年，广州金邦公司引进了美国橡胶沥青移动式加工装备，并于2005年在中山市实施了首段橡胶沥青水泥路面罩面(“白+黑”)8万 m2的项目[3]。2006年，在四川省蜀南竹海景区公路“白改黑”工程中，修筑了约25km 的废胎胶粉改性沥青路面[6]。2007年，江苏宁常高速公路22标上面层28.9km 全线采用了断级配橡胶沥青混合料 AR-AC13，消耗了约1万 t 橡胶沥青[11]，同年，湖北沪蓉西高速公路铺筑了约5万 m2的橡胶沥青混凝土路面。2009年，在北京八达岭高速公路改造工程和长安街大修工程中也应用了橡胶沥青技术。2010年，在厦门市湖边水库金边路的路面工程中，修筑了3000m2胶粉改性沥青混合料路面[12]，交通运输部把橡胶沥青技术列入了“材料节约和循环利用专项行动计划”。 2007～2016年，陕西省开始了大规模橡胶沥青碎石封层、橡胶沥青层间黏结和橡胶沥青混合料工程的应用，以西安咸阳国际机场专用高速特大桥桥面防水封层为典型示范工程，拉开了陕西高速公路橡胶沥青应用工程的大幕，这些工程中橡胶沥青方面的技术支撑正是作者研究团队提供的。2011～2013年，广西的隆百高速公路全线177km 及钦州至崇左高速公路连线72km 也采用了橡胶沥青路面材料。 我国橡胶沥青技术已取得了一定的研究与应用成果，但是还没有完全发展成熟，存在以下一些问题： **，橡胶粉质量直接影响橡胶沥青及由其铺筑的沥青路面质量。橡胶沥青对于胶粉的原料来源、生产设备、加工工艺和质量的稳定都有较为严格的要求。当前我国橡胶粉加工企业虽然不少，但是专门生产供应路用橡胶粉的企业几乎没有。 第二，橡胶沥青的生产设备、工艺流程和生产过程质量控制比较薄弱。我国现行橡胶沥青设备多为在移动式 SBS 改性沥青设备上改造而来的小型生产设备，技术含量偏低，尤其是在基质沥青的快速升温、胶粉准确计量以及充分搅拌溶胀方面存在着一些薄弱环节，还不能真正满足稳定生产高质量橡胶沥青的要求。 第三，在橡胶沥青评价标准和体系上，较多地沿用和依赖于 SBS、SBR 类聚合物改性沥青的评价标准，而固液两相混融状态的橡胶沥青与 SBS、SBR 等聚合物改性沥青有着显著的不同，这就决定了橡胶沥青的技术评价标准应有其特殊性。国内现行的聚合物改性沥青评价体系并不完全适合评价橡胶沥青的技术性能，特别是对粗颗粒胶粉形成的橡胶沥青，亟待研究出适合的评价指标，确立相应的试验仪器、试验检测方法以及各评价指标工程应用的允许波动范围等。 针对上述问题，本书从橡胶沥青配方设计、实验方法、实验仪器、评价指标等理论体系，橡胶沥青设备组成、生产工艺、生产质量实时监控，橡胶沥青防水封层、橡胶沥青粘层、橡胶沥青应力吸收层、橡胶混合料工程以及温拌橡胶沥青混合料应用等方面进行全面系统的研究。 第2章橡胶沥青的作用机理与技术特性 2.1橡胶沥青的作用机理 废旧轮胎橡胶粉具有多种有效的化学成分，这些成分在高温条件下与沥青作用会产生某种程度的相互作用和反应，其反应过程和相互作用机理非常复杂[13-17]。橡胶沥青的作用机理有物理作用机理、化学作用机理、网络填充学说等[18，19]。 2.1.1物理改性 物理改性包括胶粉相容性改性、溶胀性改性及胶粉颗粒增强作用[20]。 1.胶粉相容性改性 在高温基质沥青中，有极少量的废旧胶粉微粒会因吸附基质沥青中的轻质组分而发生溶解，这样就会在胶粉颗粒的表面形成一层凝胶膜。这种物质可以将胶粉颗粒黏结成半固体连续相体系，从而改善橡胶沥青的性能。 2.溶胀性改性 因为废旧轮胎胶粉大多是亲油性的，所以当废旧胶粉添加到加热的沥青中，在高温和机械搅拌的情况下会吸收沥青中的油性组分。随着废旧胶粉不断地吸收基质沥青中的油性组分，它的体积会发生膨胀，一般可增加30％～50％。在胶粉作用下，沥青中的轻质组分含量降低，这改变了原有沥青成分的组成比例，使得沥青变得更为黏稠，即黏度增大。胶粉在吸收油性组分后发生溶胀，又使得其重新恢复一定黏性。因此，在基质沥青和废旧胶粉分别发生成分和结构的变化后，溶胀形成的橡胶沥青在低温抗裂、抗疲劳、弹性恢复性能方面都有了显著的改善，从而达到较好的改性效果。 图2.1为橡胶沥青的溶胀改性机理，橡胶粉在与沥青高温充分混合状态下吸收沥青轻质组分而溶胀。图2.2为胶粉颗粒与沥青拌和前后形状的变化，胶粉颗粒吸收沥青中的轻质油分，体积明显增加，同时橡胶粉内部结构也变得蓬松[21]。 3.胶粉颗粒增强作用 添加到沥青中的胶粉颗粒，凝胶膜会黏结成一个黏度很大的半固态连续相体系，胶粉分子自由基相互结合和交联，形成网络结构，使沥青材料结构得到加强