（交通运输工程专业论文）橡胶沥青及其混合料的室内试验研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 导师签名： 咖i o 、亏f 乒 ， 东南大学硕士学位论文 摘要 本文在调研国内外研究成果的基础上，首先探求了橡胶粉改性沥青的改性机理，结 果表明橡胶粉与沥青在高温和高速剪切的条件下混溶，会发生溶胀、降解、交换等一系 列物理化学反应，提高了橡胶沥青的高温稳定性和低温抗裂性。 其次，针对橡胶粉改性沥青的湿法生产工艺，采用室内试验研究了橡胶沥青的制备 工艺，特别是胶粉类型、基质沥青类型、胶粉细度等对橡胶沥青性能的影响，结果表明 货车轮胎制备的橡胶粉要优于小汽车轮胎制备的橡胶粉；使用4 0 目的橡胶粉比较合适； 橡胶沥青的性能还与基质沥青的类型有关。 再次，研究了橡胶粉掺量对沥青性能的影响规律，结果表明在基质沥青中掺加橡胶 粉，可以降低橡胶沥青的针入度，增大橡胶沥青的软化点、针入度指数p i 、旋转粘度、 低温延度和弹性恢复，在一定程度上改善橡胶沥青的高温性能、低温性和抗变形性能。 综合各项指标来看，在1 5 0 o , - , 2 1 的掺量范围类橡胶沥青的各项性能指标得到显著改善， 橡胶粉掺量大于2 1 以后，改性效果不显著。 最后，室内的车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、劈 裂疲劳试验和小梁弯曲疲劳试验表明，相对于普通沥青混合料而言，橡胶沥青混合料的 高温稳定性、低温抗裂性、抗水损害性能和抗疲劳性能有明显改善。 关键词：橡胶粉；橡胶沥青；混合料；试验研究 ， e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nr u b b e r a s p h a l ta n dm i x t u r e s a b s t r a c t f i r s t l y , b a s eo nt h er e s e a r c hr e s u l t so fh o m ea n d a b r o a d ，t h ep a p e ri n q u i r i e st h e m o d i f i c a t i o nm e c h a n i s mo f r u b b e ra s p h a l t ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h er u b b e rp o w d e r a n db a s ea s p h a l ts t i r r i n ga ta h i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g h - s p e e ds h e a rc o n d i t i o n sw i l lt a k ep l a c e as e r i e so fp h y s i c a la n dc h e m i c a lr e a c t i o n s ，s u c ha ss w e l l i n g ，d e g r a d a t i o n ，e x c h a n g ea n ds o o n ，a l lt h e s ec o u l di m p r o v et h eh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n dl o wt e m p e r a t u r ec r a c kr e s i s t a n c e o f r u b b e ra s p h a l t s e c o n d l y , f o rt h ew e tp r o c e s so f r u b b e rm o d i f i e da s p h a l t sp r o d u c t i o n ，t h ep a p e r u s e s l a b o r a t o r yt e s t i n g t os t u d yt h ep r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yo fr u b b e ra s p h a l t ，e s p e c i a l l y , t h ep o w d e r t y p e ，a s p h a l tt y p e ，p o w d e rf i n e n e s s t h er e s u l t ss h o w t h a tt h et r u c kt i r er u b b e rp o w d e ri s s u p e r i o rt oc a r t i r er u b b e rp o w d e r , u s i n gr u b b e rp o w d e ro f4 0 m e s hi sm o r es u i t a b l e ，a n dt h e p e r f o r m a n c eo f r u b b e ra s p h a l th a sal o tt ot h et y p eo f b a s ea s p h a l t t h i r d l y , t h ep a p e rs t u d yt h ei n f l u e n c el a wo f r u b b e rp o w d e rc o n t e n tt ot h er u b b e r a s p h a l t sp e r f o r m a n c e ，a n dt h er e s u l t ss h o w t h a ta d d i n gr u b b e rp o w d e rc a l lr e d u c et h e p e n e t r a t i o no fa s p h a l tr u b b e r i n c r e a s et h er u b b e ra s p h a l t ss o f t e n i n gp o i n t ，n e e d l ep e n e t r a t i o n i n d e xp i ，r o t a t i o nv i s c o s i t y , l o w - t e m p e r a t u r ed u c t i l i t ya n de l a s t i cr e c o v e r y , i m p r o v et h eh i 曲 t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c ea n dl o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tr u b b e r , a n di m p r o v e r e s i s t a n c et od e f o r m a t i o n a n d 、析t l l15 21 o fr u b b e rp o w e rc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c e s i g n i f i c a n t l y , i ft h ec o n t e n ti sg r e a t e rt h a n2 1 ，t h em o d i f i c a t i o ne f f e c tw i l lb en o ts i g n i f i c a n t f i n a l l y , b yt h er u t t i n gt e s t ，l o wt e m p e r a t u r eb e n d i n gt e s t ，i m m e r s i o nm a r s h a l lt e s t , f r e e z et h a ws p l i tt e s t ，s p l i tt e s t i n g ，i n d i r e c tt e n s i l ef a t i g u et e s t ，b e n d i n gf a t i g u et e s t s ，t h ep a p e r f o u n d e dt h a tc o m p a r e dw i t ho r d i n a r ya s p h a l t ，t h er u b b e ra s p h a l tm i x t u r e sh i g h - t e m p e r a t u r e s t a b i l i t y , l o wt e m p e r a t u r ec r a c k i n gr e s i s t a n c e ，w a t e rd a m a g ea n da n t i f a t i g u ep e r f o r m a n c e h a v es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d k e y w o r d s ：r u b b e rp o w d e r , r u b b e ra s p h a l t ；m i x t u r e s ；e x p e r i m e n t a ls t u d y i f 东南大学硕士学位论文 目录 前言1 一日舌 1 概i 苤1 2 国外橡胶沥青研究概况3 3 国内橡胶沥青研究概况6 4 研究的意义及目的8 5 橡胶沥青的技术关键8 6 主要研究内容及方法1 0 第一章橡胶沥青的改性机理1 l 1 1 沥青的组分和结构1 l 1 2 橡胶粉的组成与分类1 3 1 3 橡胶沥青的组分。1 5 1 4 橡胶沥青的改性机理。1 6 1 4 j 、结2 0 第二章橡胶沥青制备材料性能分析2 2 2 1 概述2 2 2 2 橡胶沥青的性能评价指标2 2 2 3 橡胶粉种类对橡胶沥青性能的影响2 3 2 4 橡胶粉细度对橡胶沥青性能的影响2 5 2 5 基质沥青种类对橡胶沥青性能的影响2 6 2 6 小结2 6 第三章橡胶沥青性能试验研究2 8 3 1 概述2 8 3 2 橡胶沥青性能试验结果。2 8 3 2 1 针入度2 8 3 2 2 延度2 9 3 2 3 软化点2 9 3 2 4 旋转粘度2 9 3 2 5 弹性恢复3 0 3 3 橡胶沥青性能试验结果分析3 0 ， 目录 3 3 1 橡胶粉掺量对高温性能的影响3 0 3 3 2 橡胶粉掺量对低温性能的影响3 2 3 3 3 橡胶粉掺量对温度敏感性的影响3 3 3 3 4 橡胶粉掺量对弹性恢复的影响3 4 3 4 小结3 5 第四章橡胶沥青混合料性能试验一3 6 4 1 橡胶粉沥青混合料配合比设计3 6 4 1 1 原材料3 6 4 1 2 沥青混合料种类3 7 4 2 混合料的路用性能试验。3 8 4 2 1 橡胶混合料的高温稳定性试验3 8 4 2 2 橡胶混合料的低温抗裂性能试验3 9 4 2 3 橡胶混合料的水稳定性试验4 0 4 2 4 橡胶混合料的抗疲劳性能试验4 1 4 3 试验结果分析4 l 4 4d 、结4 2 第五章橡胶沥青路面的施工一4 3 5 1 概述4 3 5 2 橡胶沥青混合料设计4 3 5 2 1 原材料4 3 5 2 2 配合比4 4 5 3 现场施工4 5 5 3 1 橡胶沥青的生产4 6 5 3 2 橡胶沥青混合料的拌和4 6 5 3 3 橡胶沥青混合料的运输4 7 5 3 4 橡胶沥青混合料的摊铺4 7 5 3 5 橡胶沥青混合料的碾压4 8 5 4 现场施工质量检测4 9 5 5 小结4 9 第六章结论与展望5 0 v 东南大学硕士学位论文 6 1 结论5 0 6 2 展望5l 致 谢5 2 参考文献5 3 在读研究生简历5 6 v i 前言 前言 1 概述 近年来国家对基础设施建设的投入逐年地增加，作为基础设施主体的高等级公路得 到了长足的发展，特别是2 0 0 8 美国的金融危机席卷全球，我国也深受影响。为了拉动经 济，扩大内需，更是提速了高速公路的建设。作为世界高速公路里程最多的美国，也只 有8 万公里左右，截至到2 0 0 9 年6 月，中国已建成的高速公路已经达到7 5 万公里左右， 稳居世界第二位。沥青路面作为一种无接缝的连续式路面，由于其足够的力学强度，对 行车荷载的良好的承受力，行车平稳，无扬尘，舒适，振动小，噪音低以及便于维修养 护的优点，多年来一直受到世界各国的重视，我国高速公路中绝大部分为沥青路面。然 而，随着国民经济高速发展，交通量迅速增长，交通密度显著增大，车辆的大型化和交 通渠化现象等使沥青混凝上路面经受严峻考验。许多公路建成不久便发生早期破坏，产 生多种形式的道路病害f 1 2 1 。沥青路面材料主要由集料和胶结料组成，因而研究高性能沥 青胶结料是解决当前问题的重要途径之一。 另一方面，随着世界经济的稳步发展，汽车工业更是欣欣向荣。汽车增长带来的副 产品就是废弃轮胎的大量堆积。现在，许多国家废旧橡胶轮胎的闲置已经造成巨大的环 境污染和资源浪费( 图1 ) ，废旧轮胎作为工业有害固体废弃物，它是恶化自然环境、破 坏植被生长、影响人类健康的、危及生态环境的有害垃圾之一，所以废旧轮胎被称为“黑 色污染”。 长期以来，废旧轮胎的处理一直是环境保护的世界性难题，这种情况在发达国家尤 为严重。据美国环保委员会( e p a ) 统计，2 0 0 0 年美国全年废弃的轮胎达2 8 5 亿只，而 回收利用的不到1 亿只。在日本，2 0 0 0 年产生废旧轮胎的数量达1 1 亿多只，而回收利 用的只有7 0 左右。我国是发展中国家，然而我国却是橡胶消耗大国，橡胶消耗量居世 界第2 位，而且据预测在5 年内可翻倍。据统计【3 1 ，我国2 0 0 6 年产生的废旧轮胎达1 亿 条，总量仅次于美国，居世界第二位，并以每年1 5 的速度增长，预计到2 0 1 1 年将达到 2 亿条。但我国的废轮胎回收利用率不到1 ，比国外先进水平低3 0 - - 4 0 个百分点。如 此大量的废橡胶轮胎，除了污染环境以外同时还是资源的极大浪费【4 5 】。 2 0 0 5 年7 月6 日，国务院发布“关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知 ， 明确“以再生金属、废旧轮胎、废旧家电及电子产品回收利用为重点，推进再生资源回 收利用”。2 0 0 6 年3 月，温家宝总理在第十届全国人大四次会议的政府工作报告中， ， 东南大学硕士学位论文 提出了“要抓好资源节约，大力推进清洁生产和能源的循环利用，建设环境友好型社会 的目标，对交通行业来说，要充分利用废旧轮胎资源，提高废旧轮胎的循环利用率，改 变目前的状况，以节约资源，减少“黑色污染 为当务之急 6 1 。 图1大量废1 日轮胎成为环保的难题 国外的实践表明：制备橡胶沥青( r u b b e r a s p h a l t ) 是一种减少“黑色”环境污染的 有效办法。由于橡胶和沥青同属于高分子有机材料，具备一定程度的天然亲和性，所以 橡胶改性沥青是一个很好的发展方向，它主要是通过一定的生产加工工艺将橡胶粉加入 沥青当中，形成一种以橡胶粉作为改性剂的改性沥青结合料，然后应用于公路工程当中 去。由于橡胶沥青结合料中掺入的橡胶粉含量较大( 一般要在1 5 以上) ，所以能够有效 的利用废旧轮胎资源，极大的减少了环境污染并同时节约了工程材料。橡胶沥青不但可 以在环境保护上独树一帜，国外工程实践表明【7 8 】，橡胶改性沥青还具有优良的稳定性、 耐久性以及抗滑降噪能力，它能显著提高沥青路面的抗车辙能力和抗推移拥抱的能力， 在一定程度上改善其低温性能和抗水损害性能，因而得到了广大道路工作者的足够重视。 作为改性沥青的一种，橡胶沥青技术在国外已有3 0 年的发展历史，特别是2 0 世纪 9 0 年代以来，该技术日趋成熟并得到了广泛应用。在我国，橡胶沥青技术由于种种原因 始终未能跟上国际步伐，鉴于其独特的环保作用和优良的路用性能，橡胶沥青在我国具 有广阔的应用前景，如果能通过系统的研究全面论证橡胶粉改性沥青及其混合料的路用 性能，解决橡胶粉加入沥青混合料的工程技术问题，将产生坏境保护、废物利用和延长 道路使用寿命的多赢效果，行成巨大的社会和经济效益，具有极大的现实意义。 2 ， 前言 2 国外橡胶沥青研究概况 橡胶沥青( r u b b e r a s p h a l t ) 最早见于1 9 4 8 年的英国专利。现代意义的橡胶沥青混 合料始2 0 世纪4 0 - - - 6 0 年代的美国，美国橡胶回收公司( r u b b e rr e c l a i m i n gc o m p a n y ) 首先在2 0 世纪4 0 年代采用干拌法的生产工艺生产了r x a m f l e xt m 橡胶粉沥青混合料。 2 0 世纪6 0 年代，美国专家c h a r l e sm cd o n a l d ( 橡胶沥青之父) 首先采用湿拌法的生产 工艺生产了o v e r f l e xt m 橡胶沥青混合料。自此，国外的橡胶沥青生产方法主要分成干 法和湿法两个体系。此后不久，橡胶沥青便开始应用于公路工程建设，并首先在美国进 行铺路试验，进入7 0 年代以后至上世纪末，美国、瑞典、加拿大、比利时、法国、南非、 奥地利、澳大利亚、印度等国家都进行了广泛的应用研究和铺路试验，1 9 8 8 年前后，橡 胶沥青在亚利桑纳成功应用于间断级配沥青混合料中，标志着橡胶沥青路用技术的全面 成熟。在2 0 世纪9 0 年代，橡胶沥青被越来越多的国家所接受。在美国的加州、德州、 佛州和南非等国家和地区，橡胶沥青已经成为常用的沥青罩面材料。在葡萄牙、意大利、 西班牙、澳洲、法国和巴西等地区【9 1 ，橡胶沥青技术亦日益蓬勃。橡胶改性沥青先后被 应用于应力吸收层( s a m ) 、应力吸收中间层( s m 触) 、开级配表层( o p g c ) 、密级配 混合料，在应用废弃轮胎胶粉改性沥青和提高沥青混合料的性能上取得了相当的进展l l 0 1 。 美国橡胶沥青的发展有两个推动因素：第一是废弃轮胎大量堆积，迫使人们寻求大 量消耗的途径；第二是轮胎橡胶设计和制造的目的，是适应各种极端道路条件要求，其 路用性能全面优于沥青。美国在2 0 世纪9 0 年代每年大概要废弃2 3 5 亿只汽车轮胎，迫 于轮胎大量堆积造成的环境压力，美国通过了1 9 9 1 年联邦地表协调联运效率法案( i s t e a ) 1 0 3 8 条款( 要求在路面工程中逐步增加回收橡胶用量) ，明确规定自1 9 9 4 年起凡由联邦 政府经费补助建设的沥青公路必须以5 的经费用于废橡胶沥青，并每年增加5 的比例， 一直到1 9 9 7 年达到2 0 。同时大多数州启动了相关立法程序，极大的促进了废旧轮胎在 道路工程中的应用，橡胶粉改性沥青路面进入了新的阶段。截止1 9 9 3 年，有2 7 个州研 究了橡胶颗粒改性沥青及沥青混合料，而总共3 8 个州在沥青混合料中使用过回收橡胶颗 粒。据统计，到1 9 9 7 年的6 月间，公路行业共消耗废旧橡胶粉8 0 0 0 万吨，大约4 亿条 废旧轮胎。美国应用废旧轮胎橡胶粉较多的州是亚利桑那州，加利福尼亚州，佛罗里达 州，德克萨斯州等【1 1 1 。 1 9 9 0 - - - , 1 9 9 3 年，弗罗尼亚州用m cd o n a l d 法( 掺量约1 8 ) 和r o u s e 法( 掺量为5 1 0 ) 建设了5 段实验路。在经过最长4 年的行车作用后性能检测表明，添加橡胶粉的 路段比对比路段车辙要明显为小，抗滑性能增强，但抗裂方面并没有很大区别。 3 ， 东南大学硕士学位论文 1 9 9 1 1 9 9 2 年，在环境及能源部和运输部的资助和管理下，加拿大安大略省修建了 1 1 段橡胶粉改性实验路( 包括全新实验路，橡胶改性路面再生实验路和一般路面冷再生 添加剂实验路等) ，1 9 9 6 年提交了评估报告，从路面使用性能、混合料设计和生产问题、 路面建设初始费用、全寿命评估路面费用以及环境影响等方面评价了橡胶粉的路用效果。 1 9 9 6 年，s a b o u n d j i a n 采用弯曲梁疲劳试验、约束试件温度应力测试和佐治亚轮辙试 验，对这些使用达7 , - - 1 7 年的路面及对比段落进行了使用性能评价。 亚利桑那州的运输部还曾铺筑过大量的应力吸收薄膜夹层( s a m i ) 试验路，多数试 验路是铺筑在旧沥青混凝土路上的。据调查统计，到1 9 9 8 年，美国铺成的橡胶改性沥青 公路已达1 1 万公里。 美国从2 0 世纪4 0 年代至今，对橡胶沥青的研究从未间断过，研究内容深入、全面、 系统，且应用广泛。研究内容主要包括：橡胶沥青共炼工艺，干法拌和橡胶改性沥青混 合料工艺，橡胶改性沥青混合料摊铺和压实工艺及设备改造；橡胶改性沥青路用性能指 标、橡胶改性沥青混合料的室内路用性能指标，混合料设计方法和指标；各类配方和添 加工艺的橡胶添加剂沥青混合料试验路建设，路面使用性能( 包括长期使用性能) 的监 测；橡胶粉改性沥青混凝土路面的全寿命经济分析、预测( 试验路阶段和工业化后的预 测) ；橡胶粉改性沥青混合料路面可再生性和再生工艺；橡胶粉改性沥青混合料生产和摊 铺过程中的环境代价和劳动保护问题。从美国各州的研究和应用来看，推荐采用的方法 是湿法工艺。集料的级配采用间断级配和开级配，一般不采用密实级配混合料。橡胶粉 的掺量为基质沥青质量的5 2 5 ，采用湿法工艺铺筑的大多数试验路性能良好，与普 通沥青路面相比，橡胶粉改性沥青混合料提高了路面的高温抗车辙、低温抗裂能力和耐 久性。橡胶沥青的应用类型包括热拌沥青混合料、稀浆封层和应力吸收层等。 法国是多孔隙路面的发源地，截止到1 9 9 5 年，橡胶沥青多孔隙混凝土路面累积已经 摊铺了超过1 0 0 0 0 0 0 平方米，a l m ns a i n t o n 总结多年的p a c 路面室内研究和实际应用 效果表明：橡胶粉改性p a c 比普通p a c 在保持持久排水性能、抵抗重交通、抗剪切和抵 抗不良气候影响等方面有明显的优势。 南非的废旧轮胎橡胶粉在公路行业中的应用十分成功，和美国加利福利亚州一样拥 有历时2 0 - 2 5 年仍然完好的橡胶沥青路面；应用领域包括混合料、应力吸收层、应力吸 收中间层等；基本上已经拥有了一整套橡胶沥青相关的技术指标。据了解，目前南非6 0 以上的道路沥青使用橡胶沥青。根据他们的经验，认为对于超重轴载的使用环境，橡胶 粉沥青混凝土尤为有利。南非和美国一项共同合作项目研究结论还称，如果以橡胶沥青 4 ， 前言 代替传统的沥青，路面结构层厚度至少可以减少一半，仍可以获得相同的抗疲劳性能。 瑞典也对橡胶沥青的发展做出了巨大的贡献。2 0 世纪6 0 年代，两个瑞典公司开发 了掺加橡胶粉的干法表面层混合料工艺，其产品名称为r u b i l t m ，7 0 年代后期引进美国 后由四季铺面公司( a l ls e a s o n ss u r f a c i n gc o r p o r a t i o n ) 申请了专利产品p l u s r i d e t m 。 对于橡胶沥青减少路面行车噪音的研究，国外进行的也比较深入。首例降噪橡胶沥 青路面出现在1 9 8 1 年比利时的布鲁塞尔，被称为d r a i n a s p h a l t 。研究表吲1 2 ，1 3 】，橡胶沥 青混凝土料有较好的降噪效果，因此，世界上许多国家开始研究和评估橡胶沥青做为降 噪措施的功效。美国的橡胶沥青协会( 砌) a ) 报道了橡胶沥青混合料作为降噪措施的效 果，例如美国加利福尼亚洲s a c r a m e n t o 县交通局于1 9 9 3 年1 0 月在a l t a a r d e n 快速路上 铺筑了橡胶沥青路面。6 年的研究表明，与传统的沥青路面相比，使用橡胶沥青后道路 噪音平均降低了4 d b ，且持续了6 年之多，降噪效果非常显著，它表明可以降低6 0 的 交通噪音能量。1 9 8 4 年，法国采用d r a i n a s p h a l t 铺筑了沿塞尔纳的城市道路，发现在没 有重载车时可降低3 d b - - 5 d b ，有5 重车时可降低2 d b - - 3 d b 。因此研究者推荐在巴黎的 行车道上使用开级配的橡胶沥青罩面，鉴于这些研究发现，加拿大对使用橡胶沥青所带 来的益处也做了进一步的研究，1 9 9 4 - - - 1 9 9 5 年开始大规模的使用橡胶沥青，共铺筑了6 条街道。南非试验证明，在高速公路上沥青橡胶的噪音比普通路面平均率低5 d b - - 8 d b ， 当车速为l o o k m h 时，与最好的水泥混凝土路面相比，约下降3 d b l o d b 。 概括国际上橡胶沥青及沥青粉改性沥青混凝土的发展历程：上世纪6 0 年代初，主要 研究的是橡胶沥青在应力吸收层中的应用技术；到7 0 年代初，橡胶沥青的应用延伸到应 力吸收中间层；7 0 年代中期，橡胶粉应用领域的重点转向沥青混凝土，并首先在开级配 沥青混凝土中使用；7 0 年代后期，在以连续级配为主的密实型沥青混凝土中开始使用橡 胶粉；8 0 年代后期至今，主要研究在断级配沥青混凝土中使用橡胶粉。通过多年的应用 和试验总结，大多数国家沥青路面技术指南中都明确规定橡胶粉应用于断级配沥青混凝 土。 国外橡胶粉沥青混凝土的生产方法也分为干拌法( d r yp r o c e s s ) 和湿拌法( w e t p r o c e s s ) 两种。美国加州曾对这两种生产方法进行了定义：湿法是指废橡胶粉( c r u m b r u b b e rm o d i f i e r ，简称c l 洲) 先行与沥青拌和，制成一种称为橡胶改性沥青胶结料，然 后再与石料拌和【1 4 】。美国专家c h a r l e sm ed o n a l d ( 橡胶沥青之父) 首先采用湿拌法的生 产工艺生产了o v e r f l e xt m 橡胶沥青混合料。广义的湿法还包括用于稀浆封层的橡胶改 性乳化沥青等。干法是指将c r m 作为一部分细集料先与石料干拌，然后喷入沥青拌制 5 ， 东南大学硕士学位论文 成废橡胶粉( 或颗粒) 改性沥青混合料( r u b b e rm o d i f i e dh o tm i xa s p h a l tc o n c r e t e ，简 称r u m a c ) 。美国橡胶回收公司( r u b b e rr e c l a i m i n gc o m p a n y ) 首先采用改种生产工艺 进行橡胶沥青生产【1 5 1 。广义的干法还包括沥青混合料摊铺后撒布橡胶颗粒再共同碾压的 工艺等。 用橡胶沥青作为结合料的混凝土实际上分为两种，即橡胶沥青混凝土( a s p h a l t r u b b e rc o n c r e t e ) 和橡胶粉改性沥青( r u b b e rm o d i f i e da s p h a l tc o n c r e t e ) 。采用干法主要 指橡胶粉改性沥青混凝土，而湿法主要指橡胶沥青混凝土。在美国实际应用中，两者的 主要区别有：( 1 ) 橡胶粉改性沥青混凝土中橡胶粉使用量( 通常为矿料重的2 5 ) 是橡 胶沥青混凝土的( 2 0 的胶结料重，1 5 的矿料重) 2 - - 4 倍；( 2 ) 橡胶粉改性沥青混凝土中 橡胶粉添加方法简单，橡胶粉从矿料口进入，用量容易控制；橡胶沥青混凝土的橡胶粉 要事先与沥青共混反应，预加工和储存，使用成本高；( 3 ) 橡胶粉改性沥青混凝土使用的 橡胶粉( 1 6 6 4 m m ) 一般比橡胶沥青混凝土使用的橡胶粉要粗。 3 国内橡胶沥青研究概况 我国对胶粉改性沥青应用于公路的研究始于2 0 世纪8 0 年代。出于改善我国性能不 佳的国产沥青的目的，同济大学【1 6 】研究了橡胶粉与沥青共融反应的粘度变化规律和对橡 胶沥青混合料用性能的影响，并在1 9 8 0 年和1 9 8 1 年在江西铅山县和贵溪县铺筑了橡胶 沥青试验路。由于试验路的等级较低，施工工艺也是低等级的贯入式和表面处治，研究 成果不适合于高等级公路。而且当时我国的陆上交通工具主要是自行车，没有足够的废 旧轮胎，也就没有形成真正的橡胶粉加工产业，这种研究因缺乏重要性和紧迫性而没有 得到社会的足够重视和支持，使得当时胶粉生产技术及其配套的相关技术不成熟，没有 达到实用化阶段。但当时铺筑的这些试验路经过十多年高负荷运行的考验，其在减少光 线的反射和路面裂缝及提高路面的热稳定性能等均有良好的效果。 此后，由于缺乏足够的动力( 国内橡胶粉加工工业弱小，废旧轮胎数量相对小且零散， 回收体系不健全，无害化回收处理不被重视) 国内的橡胶沥青研究陷入停滞。直到进入9 0 年代后，哈尔滨建筑大学、江苏石油化工学院、华东冶金学院、辽宁交通科研所等开始 对橡胶沥青现做了一些研究工作。沈阳市市政设计研究院在1 9 9 3 年铺筑了1 0 4 0 平方米 的橡胶沥青混合料试验路。2 0 0 1 年春，交通部公路科学研究所首次在钢桥桥面铺装上用 干法工艺加入了3 0 ( 相对于沥青质量) 的橡胶粉，该桥面经受了两个夏季的超重交通荷 载考验，基本保持良好，说明了橡胶沥青混合料在国内实际应用中，表现出不错的高温 稳定性能【1 。 6 ， 前言 进入2 1 世纪以来，我国对橡胶沥青的研究力度日益加大。有三个原因：一是废旧 橡胶轮胎越来越威胁到国民的生存环境，2 0 0 5 年我国废旧橡胶轮胎的年总数量已经达到 1 2 亿只，寻找利用大量废旧橡胶轮胎的办法迫在眉睫；第二是国家政策的鼓励，党的十 六大确立变革“大量生产、大量消费、大量废弃”的传统增长模式，建立可持续发展的 循环经济发展模式。循环经济是一种以资源的高效利用和循环利用为核心，以“减量化、 再利用、资源化 为原则，以“低消耗、低排放、高效率 为基本特征的经济增长模式。 2 0 0 5 年7 月6 日，国务院发布“关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知 ，明确 “以再生金属、废旧轮胎、废旧家电及电子产品回收利用为重点，推进再生资源回收利 用 。国家发改委目前正在加紧制定资源综合利用条例、废旧轮胎回收利用管理条 例、包装物回收利用管理办法等循环经济专项法规。以橡胶粉制造和应用为方向的 新材料产业，将得到国家在财税、投资、信贷、价格、收费等方面越来越多的政策支持。 国家“八五”规划中就明确提出要重点发展胶粉的生产和应用，一些地区如广东、 山东、辽宁、北京、杭州等省市又开展了胶粉改性沥青的应用研究，并取得了不少实践 成果。2 0 0 1 年交通部公路科研所首次在钢桥桥面铺装中用干法工艺加入了3 0 相对于沥 青的橡胶粉。该桥面经受了四个夏季的重交通考验，基本保持完好，各项性能指标保持 优良。2 0 0 1 年 - 2 0 0 3 年交通部公路科学研究所与同济大学、山东省交通科学研究所等单 位合作承担了西部交通建设科技项目废旧橡胶粉用于筑路的技术研究，该课题全面地 开展了橡胶粉沥青混合料的室内试验研究，初步提出了橡胶粉改性沥青的技术标准、橡 胶粉沥青混合料设计方法及技术标准【l 引。结合室内试验研究结果，在华南地区、西南地 区、轻冰冻地区三个气候片区修筑了总长近3 0 公里的试验路和实体工程。试验路施工 有干法和湿法两种工艺，由于试验路通车时间短，路用性能尚待跟踪观测。 2 0 0 4 年6 月“废轮胎胶粉改性沥青自动化生产线 在天津高新技术产业园区研发成 功，该项目的试验路工程已经铺筑完毕，初步检测，各项指标都取得了比较满意的结果。 2 0 0 6 年3 月，中国公路学会道路工程分会在海口主办“橡胶沥青在路面工程中应用 技术交流会 。会议总结了西部交通科技项目“废旧橡胶粉用于筑路的技术研究”等几个 项目的研究成果和工程实践，并邀请行业知名专家交流橡胶沥青在北京、广东等地的应 用经验。 2 0 0 8 年1 0 月2 9 日，由中国交通企业管理协会质量管理委员会主办的第2 届特性 沥青混凝土拌和与摊铺前沿技术高峰论坛在浙江杭州隆重举行，同济大学著名教授吕伟 民就“橡胶沥青的特性以及在道路中的应用 作了专题技术讲座【1 9 1 。 7 东南大学硕士学位论文 2 0 0 9 年1 月，改性沥青用橡胶粉研发基地在天津市橡胶工业研究所新园区内正式挂 牌成立【2 0 】。4 厘米胶粉改性沥青混凝土表层加上1 5 厘米胶粉改性沥青应力吸收层，可取 代9 厘米普通沥青砼路面，在提高路面性能前提下，可节约材料4 0 ，造价大幅度降低。 此外，我国已研制成功防堵塞的胶粉喷洒机，为胶粉改性沥青用于修筑公路提供了施工 配套的硬件。 2 0 0 9 年，为迎接祖国6 0 周年华诞，首都长安街从3 月起展开大修。其中人民大会 堂北侧道路面层就用上了废胎胶粉改性沥青混合料，将有6 0 0 多吨废胎胶粉改性沥青混 合料用于路面建设。 江苏省沥青路面使用的改性沥青多为s b s 改性沥青，橡胶粉改性沥青的应用的还比 较少。而就公路工程而言，材料的使用数量是巨大的，单一的材料选择形式既不利于产 生高质量的工程产品，更不利于节约造价。因此，开展橡胶沥青的应用研究，一方面可 以拓展我们材料选择的空间，提高路面质量，延长路面使用寿命，是道路工程发展的需 要；另一方面是环境保护、回收利用废轮胎的需要，是对我国环境保护事业的贡献，是 一件利国利民的好事。 4 研究的意义及目的 近年来，发达国家将废旧轮胎用于生产橡胶沥青道路工程材料，已经成为处理废旧 轮胎的主要途径，橡胶沥青技术在中国的推广，将为国内废旧轮胎的利用提供全新的途 径。 橡胶沥青不但有较高的粘结剂含量与良好的弹性，改善了抵抗路面产生疲劳裂缝和 反射裂缝的能力，而且其较高的粘度、软化点和弹性，改善了高温抗永久变形的能力， 同时降低了温度敏感性，改善了抗低温裂缝的性能，高粘度和高弹性的橡胶沥青还提高 了混合料的耐久性和抗疲劳寿命，能够在一定条件下减薄路面厚度，同时延长使用寿命， 能够改善沥青路面使用品质、延长使用寿命、降低养护成本，是解决我国当前面临的重 载交通、早期损坏问题的有效途径之一。同时橡胶沥青路能降低车轮在路面上高速滚动 时产生的噪声，改善行车舒适性。 开展橡胶沥青在公路工程中的应用，对于改善沥青路面使用性能、实现资源的循环 利用、建设节约型社会具有重要社会经济效益。 5 橡胶沥青的技术关键 橡胶沥青作为现在一个研究热点，目前还有诸多技术关键需要研究： 1 ，湿法橡胶沥青的生产工艺 8 ， 前言 橡胶沥青的生产一般采用具有搅拌功能的专用设备，主要由搅拌罐与发育罐组成。 在搅拌罐中完成胶粉、沥青以及添加剂按比例混和均匀，经过高速搅拌后泵送到发育罐。 在发育罐中完成胶粉与沥青的充分反应而得到的最终产品。橡胶沥青制备工艺中，搅拌 时间、反应温度是核心控制参数，其中反应温度尤为关键。这些核心参数都有待进一步 研究。 2 ，橡胶沥青的改性机理 橡胶沥青不仅具有良好的路用性能，其降噪性能也十分明显，废胎胶粉改性沥青降 低行车噪声数分贝，被称之为“静音路面 。但是橡胶沥青的改性机理，由于其组成成分 的复杂性，目前研究的还不是很透彻。 3 ，橡胶沥青的性能评价方法与指标 橡胶沥青作为改性沥青的一种，目前在工程应用中取得了一些进展，但是要更广泛 地推广这项技术，当前仍存在一些问题。橡胶粉作为基本原材料，其质量的稳定关系到 橡胶粉在公路行业应用的前景，首先是要尽快制定和完善适合我国国情的技术标准，比 如包括橡胶粉的加工方式。橡胶粉的细度范围、橡胶粉的渠道来源、胶粉中有效成分的 规定、橡胶粉中纤维的合理含量等。同时，橡胶沥青作为一种改性沥青，也必须选择合 适的评价指标。因此需要从技术、经济等方面的综合评价确定适合于公路使用的橡胶粉 的技术指标。 4 ，橡胶混合料的设计研究和性能研究 对于橡胶沥青混合料，目前还没有达成共识，有的认为应该采用连续级配，例如 a r - a c ；有的认为应该采用间断级配，例如橡胶沥青s m a ；有的认为应该采用开级配， 如橡胶沥青o g f c 等。对于设计方法，也有马歇尔设计法，s u p e r p a v e 设计法，因而 对于橡胶沥青的混合料设计还有待于深入研究。同时，在既有研究成果基础上，根据各 地区的交通环境和特点，开展橡胶沥青及混合料的性能的研究，制定有关的技术指标、 设计标准是当前橡胶粉在道路工程中应用的发展趋势。 5 ，橡胶粉改性沥青混合料的施工工艺； 橡胶粉应用中的技术关键，在于橡胶沥青及混合料的设计施工，首先是橡胶沥青粘 度增大，给施工带来了不便，其次橡胶沥青施工中的劳动保护也有待研究。特别是制定 一部施工技术指南具有重大意义，但由于我国各地的状况不一样，其指南的制定也应因 地制宜。 9 ， 东南大学硕士学位论文 6 主要研究内容及方法 本文拟针对目前应用比较多的橡胶粉改性沥青湿法生产工艺，结合国内外研究经验， 采用当前国内已有的试验手段开展室内试验研究，根据试验规程规定频率及取值方法进 行数据整理汇总( 试验规程未明确规定的，按三组平行试验取平均值的方法取值) ，探求 橡胶粉在沥青和沥青混合料性能方面的作用机理和影响规律，为橡胶沥青在道路工程中 的应用提供一定的理论支持和技术保障。 1 ，橡胶沥青改性机理研究 深入了解橡胶沥青的改性机理是应用橡胶沥青的前提。沥青和橡胶粉是两种组成较 为复杂的材料，两种材料在高温剪切下的反应机理更为复杂。为了认识橡胶沥青的改性 机理，本文拟在国内外电镜分析、光谱分析、差热分析等研究结果的基础上，通过组分