（道路与铁道工程专业论文）轮胎橡胶粉改性沥青路用性能及应用研究.pdf

摘要 由于近年来气候转暖，以及超限和超载运输的普遍存在，加之高等级公路骨架 网初步建成，车辆行驶速度明显提高，我国公路路面受荷越来越多地体现出了高温、 高荷载和高动水压力的特点。路面材料对高温稳定性、抗水损坏能力、低温抗裂性、 耐久性等使用性能的要求都比以往有了不同程度地提高，对综合性能好的材料的需 求不断增长。另一方面，经济水平跨越一定的阈值水平后，我国汽车保有量进入高 速增长期，如不加以合理处置，废旧轮胎的堆积很快就会演化为严重的环境问题。 轮胎橡胶难以自然降解，再生橡胶和燃烧都会造成污染。同时，轮胎橡胶的设计目 标是各种极端的道路气候和荷载条件，综合性能大大优于沥青。如果能够将废旧轮 胎橡胶用于提高沥青混合料的综合使用性能，将形成环境保护、废物利用和延长道 路寿命的三赢局面，社会和经济效益巨大。 本文的研究分为沥青和橡胶共混工艺、橡胶沥青性能指标、橡胶粉改性混合料 ( 干法和湿法) 性能和指标、橡胶颗粒和沥青共同作用机理、橡胶粉改性沥青路面 设计和施工、若干橡胶粉改性沥青混合料环境相关问题等几块。 首先，考虑两种主要原材料性质、共炼反应工艺流程两个方面，研究了沥青和 橡胶粉共混反应和其他聚合物改性的异同，讨论了湿法工艺生产橡胶沥青的若干核 心问题。 而后，分别针对沥青和沥青混合料，全面评价了橡胶粉改性沥青( 干法和湿法 两个工艺) 的路用性能。沥青试验结果证明，轮胎橡胶粉能够显著地改善沥青的高 温和低温性能，特别是低温性能，可以同时提高低温柔性和抗变形能力。4 0 目以下 轮胎橡胶粉加入混合料，不会造成实际沥青用量的明显增加。轮胎橡胶粉的加入， 会降低混合料的强度。但是，高温稳定性、低温抗裂性和抗水损坏性能都有不同程 度地提高，表现了明显的综合改性的特征。在这些工作的基础上，本文建议了橡胶 沥青和橡胶粉改性沥青混合料性能指标体系。 再次，从复合材料细观层次，分析了强度和性能宏观指标表现不一致的原因， 以及低温条件下柔性橡胶和脆性沥青材料共同作用的机理。较好的解释了试验研究 中遇到的各种现象。 研究过程中，笔者参与了在桥面铺装和旧路改造工程中的橡胶粉干法试验路工 程，研究了干法施工工艺和施工控制指标问题。结合国外成果，对橡胶粉在路面工 程中的应用方向和结构设计提出了建议。最后，综合国外研究成果和施工体会，讨 论了橡胶粉改性沥青路面再生和环保相关问题。 关键字：轮胎橡胶，橡胶粉，改性沥青，沥青路面，干法，湿法，橡胶沥青 a bs t r a c t d u et os p e c i a lc l i m a t ea n d p a v e m e n to ft h ea r t e r i a l t h eh e a v i l yo v e r l o a d e df r e i g h t a g e ，t h et r a f f i cc ir c u m s t a n c eo f h i g h w a y si n c h i n ah a sb e c a m eh i g h e ri n n e rt e m p e r a t u r e ， h e a v i e rl o a d i n ga n dh i g h e rd y n a m i cw a t e rp r e s s u r et h a n b e f o r e ，m a y b et h a na n yo t h e r c o u n t r yi nt h ew o r l d t h ep a v e m e n tm a t e r i a lr e q u i r e sh i g h e rt e m p e r a t u r es t a b i l i t y ，w a t e r s t a b i l i t y ，c r a c k i n gr e s i s t a n c ea n da n t i a g i n ga b i l i t y i na n o t h e rw o r d ，ak i n do f c o m p r e h e n s i v ei m p r o v e dm a t e r i a l i s r e q u i r e d o n t h eo t h e rh a n d ，t h ea u t o m o b i l e i n d u s t r yo fc h i n ai sn o wi ni t sf a s td e v e l o p i n gs t a g e t h ep r o b l e mo fl a n do c c u p a t i o n a n dw a t e rp o l l u t i o nd u et op i l e u po fw a s t et y r e sa r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s t h ed e s i g nt a r g e to ft i r er u b b e ri st oe n d u r ea 1 1k i n d so fu t t e r m o s tc l i m a t ea n dl o a d i n g c i r c u m s t a n c eo fr o a d i ti so fg r e a te c o l o g i c a la n de c o n o m i cs i g n i f i c a n c ei fs c r a p t y r e r u b b e rc a nb eu s e dt oi m p r o v ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e t h eb l e n d i n gp r o c e s so fc r u m br u b b e ra n da s p h a l t ，p e r f o r m a n c eo fa s p h a l tr u b b e ra n d c r mm o d i f i e da s p h a l tc o n c r e t e ，p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s ，d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f c r mm o d i f i e d a s p h a l tp a v e m e n t a n ds e v e r a lc o n c e r n e de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n p r o b l e m sa r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r m a n yd i f f e r e n c ea r ef o u n di nt h eb l e n d i n gp r o c e s sb e t w e e nt h ea s p h a l tr u b b e ra n do t h e r p o l y m e rm o d i f i e da s p h a l t s w e l l i n go ft h er u b b e rp a r t i c l e si st h em a i nc h a n g eo ft h e b l e n d i n gp r o c e s s p r o p e r t yo ft h ec r u m br u b b e ri si m p o r t a n tt o t h ep e r f o r m a n c eo f a s p h a l tr u b b e r t h ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tr u b b e ra n dc r mm o d i f i e da s p h a l t ( d r yp r o c e s sa n dw e t p r o c e s s ) c o n c r e t ea r ef u l l - s c a l ee v a l u a t e db ya l lk i n d so ft e s tm e t h o d s c o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ti n c l u d i n gh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y ，w a t e rs t a b i l i t y ，c r a c k i n g r e s i s t a n c ea n dl o wt e m p e r a t u r ef l e x i b i l i t yi sp r o v e dw h e nw i t hc r u m br u b b e rm o d i f i e r w h e nc r u m br u b b e rf i n e rt h a n8 0m e s hi su s e d ，n oe v i d e n ti n c r e a s ei sf o u n dd u r i n gm i x d e s i g n p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa r ea l s or e c o m m e n d e d t h e n ，t h em e c h a n i s mo f m o d i f i c a t i o ni sd i s c u s s e di nt h ev i e w p o i n to fm i c r o s t r u c t u r e o nt h ee x p e r i e n c eo ft w ot e s ts e c t i o n s ( o n ei ss t e e ls t r u c t u r a lb r i d g ed e c kp a v i n g ，t h e o t h e ri so v e r l a y i n go nc o n c r e t ep a v e m e n t ) ，t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sa n dq u a l i t yc o n t r o l o fc r mm o d i f i e dp a v e m e n ta r ed i s c u s s e d i nt h ee n d ，s e v e r a le n v i r o n m e n tc o n c e r n e dp r o b l e m sa r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：t y r er u b b e r ，c r u m br u b b e r ，m o d i f i e da s p h a l t ，a s p h a l tp a v e m e n t ，d r yp r o c e s s ， w e tp r o c e s s ，a s p h a l tr u b b e r 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士学位论文：笙脸拯膣塑邀性洒壹路旦丝能区座 眉鲍婴究：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含 任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的 成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 2 0 0 4 年2 月6 日 耗胎缘歧精改性自青月件月的究 第一章概述 1 1 背景和研究内容 本研究依托西部交通建设科技项目( “废i b 橡胶粉在公路工程中的应刚” 我国经济持续高速增长，再加上比较长一段时问来国家积极财政政荒的支持，我国高等级 公路哥架网络迅速发展。截止到2 0 0 1 年底的通车高速公路里程达到1 9 4 3 7 k m ，其中，绝大部 分是沥青路面。与此同时，我国公路运输的超载现象也己经发展到非常严重的程度，货运车辆 的轮载普遍超标。加上近十来年的气候变暖趋势，高速行车驱动的巨大的动水压力路面行车 作用呈现高温、高荷载和高动水压力的三高趋势。对路面材料尤其是直接承受荷载的沥青混凝 士面层材料提出越来越高的要求。路面早期损坏( 初期损坏) 较大面积地出现在不少近年建成 通车的高等级公路上，而其的主要型式，几乎都是面层水稳定类和高温稳定类痈害。如何提高 沥青混凝土材料的对高温和水的稳定性，魁当前路面材料研究的热点。改性沥青和纤维粪材料 的添加在一些特殊程中取得了比较明显的效果但是，其高昂的成本严重限制了推r 使用。 围11 轮胎的堆积和靖埋场火灾 另一方面，经济发展跨越了一定的阑值水平以后，我国的汽车工业也迎来了其跨越式发展 的历史时期汽车保有量保持高速增长。增长的代价( 副产品) 就是废弃轮胎的丈量堆积。任 其堆积必然占用大量的土地资源，用燃烧等一般垃圾处理办法将带来严重的环境恶果。图】1 是美国的轮胎填埋场和填埋场火宄的照片。从1 9 9 6 年到1 9 9 9 年，美国的轮胎填埋场接连发生 大火，2 0 0 0 万个轮胎被焚。火灾引发附近地区的严重环境后果。以火势最大的加利福尼亚w e sj e v 火灾为例7 0 0 万个轮胎化为灰烬后，向大气释放了1 4 1 0 0 0 磅苯、7 0 0 0 0 磅多环芳香碳水化台 物、1 0 0 0 0 础j t - - - 烯以及无法计数的一氧化碳和碳粉尘。向地表径流系统释放了i4 0 0 万加仑的 油类物质。大火燃烧了3 6 天火势控制耗资5 5 0 万美元。在美罾，已经有4 8 个川开展了相关 立法其中，0 9 个卅f 限制填埋( 8 个州禁止) ，3 2 个州设立了轮胎处理税费。 o 申请同济大学博士学位论文 发达国家处理废旧轮胎最主要的途径是作为燃料，尽管这是最快速有效的处理方法，但最 大的缺点是没有利用橡胶材料的物理力学性能。目前对废旧轮胎的原质利用主要有两大类：再 生法和冷处理法。再生法是对橡胶进行脱硫生成生胶后再利用，由于消耗能源和不可避免的有 毒有害副产品问题，发达国家已经基本停止了废橡胶的再生。冷处理法是对废轮胎仅进行机械 加工或完全不处理就应用于工程或材料。比如作为高填方和堤坝加劲和防水措施、防水卷材和 填缝材料改性、粗胶粒水泥混凝土减震地基等。由于橡胶和沥青同属高分子有机材料，具备一 定程度的天然亲和性，橡胶改性沥青是一个很好的发展方向。由于技术水平的提高，常温法超 精细橡胶粉的加工已经实现了工业化，以往橡胶粉因为过粗在应用于沥青面层时压不实的技术 难题已经解决，无论是干法改性沥青混凝土还是湿法改性沥青从工艺上都已经完全可行。如果 能通过研究全面论证轮胎橡胶粉改性沥青及改性沥青混凝土的路用性能，解决橡胶粉加入沥青 混合料的工程技术问题，扫清橡胶粉应用于各类沥青混合料的技术和经济障碍，使得回收轮胎 橡胶能大量应用于道路工程中，将形成环境保护、废物利用和延长道路寿命的三赢局面，社会 和经济效益巨大。在经济相对落后的西部地区，回收橡胶路用产业化工作无疑具有更加现实的 意义。 本研究的内容是西部项目废旧橡胶粉在公路工程中的应用中的重要组成部分。研究目 的是全面考察橡胶粉改性沥青混凝土的路用性能，研究现有沥青和沥青混合料主要技术指标对 橡胶粉改性沥青混合料的适用性。为橡胶粉工业化应用于道路工程扫清技术障碍并准备好较充 分的技术资料。主要研究内容为： 1 通过参考橡胶粉应用于道路的相关文献和研究现状的考察，在总结和提高的基础上， 探索该问题的研究思路和角度。 2 通过现有的试验和检测方法，全面考察橡胶粉( 包括其本身的技术参数) 加入后的沥 青和沥青混合料路用性能。使用常规手段和s u p e r p a v e 试验仪器研究了橡胶沥青和基质沥青 及s b s 改性沥青的性能差异。 3 在此基础上，针对连续密级配到开级配的几种混合料级配，橡胶粉混合料干法和湿法 工艺，研究了橡胶粉沥青混合料高低温性能、抗水害性能、主要力学指标的影响。提交橡胶粉 对沥青路面路用性能室内技术参数影响的较全面评价。 4 在橡胶沥青和橡胶粉改性沥青混凝土力学性能研究的基础上，借鉴聚合物改性的相关 成果，从细观角度分析性能研究中发现的特殊现象的原因。进一步提出橡胶颗粒和沥青在路用 状态下的共同作用机理。 5 试图建立橡胶沥青和橡胶改性混合料的指标体系。同时，结合试验路j 1 ：程和国外经验， 发掘结构设计和施工工艺出现的新问题，并提出解决的途径。 6 橡胶粉改性路面环境保护的意义和带来的环境问题。 1 2 定义和起源 橡胶粉在路面工程中的使用，主要有千法和湿法两条技术路线。两条路线几乎是在同一时 轮胎橡胶粉改性沥青路用性能及应用的研究 期起步的。湿法指橡胶粉或颗粒与沥青混炼或混合( 生成的新胶结料称为橡胶沥青a s p h a l t r u b b e r ) ，混炼或混合物作为粘结剂再与矿料混合的工艺。干法则是指橡胶粉与集料先行拌和 后再喷入沥青拌制混合料的工艺。广义的湿法还包括用于稀浆封层的橡胶粉改性乳化沥青等， 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。本研究中所指的湿 法，主要是指橡胶沥青和橡胶沥青混凝土( a s p h a l t r u b b e rc o n c r e t e ) 。干法则主要指橡胶改性 沥青混凝土( c r u m br 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 ) 。在国外实际应用中，两者的主要区别 有： 1 橡胶粉改性沥青混凝土的橡胶粉使用量( 通常为矿料重的2 o 5 ) 是橡胶沥青混 凝土的( 2 0 的胶结料重，约1 5 的矿料重) 2 - - 4 倍； 2 橡胶粉改性沥青混凝土橡胶添加方法简单，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事先与沥青反应，需要高温下维持一定时间的共炼反应。预加 工和储存、使用成本相对较高： 3 橡胶粉改性沥青混凝土使用的橡胶粉( 1 6 6 4 r a m ) 一般比橡胶沥青混凝土使用的橡 胶粉要粗得多。 橡胶粉用于路面工程的起源及其早期应用的主要推动力量，都来自于工业界( 材料衣l 铺匾 工业) ，其动力是对廉价的高弹性路面用工程材料的探索( 这也是1 9 9 1 年前橡胶粉应用于路面 工程的主要特点) 。几个专利性产品是其应用发展的里程碑。二十世纪四十年代，美国橡胶回 收公司推出名为r a m f l e x 佃的脱硫橡胶沥青混合料改性颗粒。六十年代中，c h a r l e sm c d o n a l d ( 橡胶沥青之父) 开始开发废胶粉改性沥青( o v e r f l e x t ”) ，同时期，橡胶粉首次用于应力吸收 层( s e m ) ，1 9 7 5 年，橡胶沥青首次应用于开级配热拌沥青混合料。七十年代，亚利桑那精炼 公司推出脱硫废胶粉改性沥青a r m r s h i e l d ”n 。八十年代，这两种产品的经销商成立了名为“沥 青橡胶生产者团体”的同业公会。历史的另一源头来自瑞典，二十世纪六十年代，两个瑞典公 司开发了干法表面层混合料工艺r u b i t 锄，七十年代后期引进美国后由四季铺面公司( a l l s 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 恤。 1 3 国内外发展概况 由丁其突出的环保意义、技术前景( 减薄路菌、延长路面使用寿命、延缓反射裂缝、减轻 行车噪声、优良的冬季柔性等) 和潜在的经济价值，从橡胶粉工业化实现开始，橡胶改性沥青 及改性沥青混凝士就吸引了大量的研究者、政府决策高层和公共事业管理机构的关注，各类相 关研究和试验路项目相继实施。研究内容主要分为以下几类： 1 橡胶沥青共炼工艺、干法拌合橡胶改性沥青混合料工艺、橡胶改性沥青混合料摊铺和 压实工艺的研究、设备改造研究； 2 橡胶改性沥青路用性能指标的研究、橡胶添加剂沥青混合料的室内路用性能指标的研 究、混合料设计方法和指标的研究： 3 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) 的研究。 2 申请同济大学博士学位论文 4 橡胶粉改性沥青砼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) ； 5 橡胶粉改性沥青混合料路面可再生性和再生工艺的研究； 6 橡胶粉改性沥青混合料生产和摊铺过程中环境代价和劳动保护研究： 出于寒冷地区的抗冻除冰的目的，阿拉斯加州在1 9 7 91 9 8 l 三年中，用p l u s r i d e 铺设了 七段试验路。采用英国抗滑系数仪和路上实际制动距离测试结果均表明，橡胶粉路段比对比路 段抗滑能力有了很大的提高，而且，随着温度的降低，提高的幅度增大。室内疲劳试验( 劈裂 疲劳) 也表现了疲劳性能较大的改善，疲劳寿命增加将近1 0 倍。p l u s r i d e 干法般采用断级 配以容纳橡胶粉，还有普通级配的干法在纽约、佛罗里达、爱荷华、堪萨斯、俄勒闪和伊利诺 伊等州都建有试验路段。1 9 8 3 、1 9 8 5 和1 9 9 1 年，俄勒冈州针对干法、湿法分别建设了橡胶粉 改性试验路，在前两个工程完工后接近1 0 年时，俄勒冈州立大学l u n d y l l3 1 等人总结认为：l 、 橡胶粉的加入显著地改善了路面的抗裂缝特别是低温裂缝的性能；2 、只要认真施工，不会发 生比普通沥青路面更多的剥落等水害；3 、室内试验表明，橡胶粉的加入使得材料的模量等强 度指标有比较大的下降，但与此同时，抗疲劳性能大大增加。4 、试验路所有路段均保留完好。 1 9 8 8 年，佛罗里达州运输部委托全美沥青技术中心( n c a t ) 对当时橡胶粉应用于沥青混合料 的研究状况进行了全面回顾，在此基础上，佛罗里达运输部于1 9 8 9 年组织了两个试验项目， 试验项目总结后认为，为了避免橡胶粉过多加入引起沥青用量的过多增加。针对佛州的两种最 大粒径1 3 r a m 的级配，密级配表面层推荐用5 橡胶粉加入量、开级配表面层推荐用1 0 的橡 胶粉加入量。1 9 9 9 年，在佛州试验路使用了1 0 年以后，c h o u b a n e o s 】等人从行驶质量、车辙、 裂缝和修补、抗滑性能等角度总结了试验路的性能表现。结论是：a 抗滑性能和普通路段没有 明显差别；b 湿法改性沥青路段取得了明显的成功，裂缝的发生率大大低于普通对比路段和干 法路段，湿法修筑的开级配磨耗层也取得了很好的行驶性能。1 0 橡胶粉加入的密级配路面的 永久形变较小。 1 9 7 7 1 9 8 4 年，有1 6 个州参加了由联邦公路管理局组织的研究项目，总共铺设了2 1 9 段 试验路段。这些试验路，行车若干年后的性能评价主要有几类：1 、在某些单项路用性能，如： 抗滑除冰、防反射裂缝、温度裂缝和抗永久形变的方面，取得了比对比段落好的效果；2 、由 丁二交通量小等原因，试验路段和对比段落均保持完好，没有明显区别；3 、有些试验路，由于 施工技术和工艺上面的问题，导致均匀性和压实出现问题，较快的出现了剥落等严重病害。第 3 种类型一般发生在橡胶粉预拌等核心工艺还没有最终成型之前，当时使用( 特别是干法) 的 橡胶颗粒过粗也可能是原因。 s c h u l e d l 等人研究了在四种橡胶粉( 包括一种冷冻法) 、四个橡胶粉添加剂量 ( 18 2 2 2 4 2 6 ) 、三个共熔水平( 轻中重，共烙温度和时间增加) 在实验室和实际 生产备样的橡胶沥青的性能情况。研究采用了旋转粘度计、改进的测力一延度计、环球软化点 法和分子量光谱分析等手段。一定程度揭示了共熔反应的规律与机理。在此基础上，分另i j 于1 9 8 3 和1 9 8 4 年，在两段老路上( 分别为水泥砼和连续配筋水泥砼路面) ，用橡胶沥青铺设t a n 罩路 面粘接中间层( s a m i ) ，起到了比一般粘接层要好的防j 匕反射裂缝的作用。 3 轮胎橡胶粉改性沥青路用性能及应用的研究 1 9 9 0 1 9 9 1 ，加拿大安大略省建设了橡胶粉热拌混合料的试验路工程。试验路中采用了过 4 号筛的橡胶颓粒( 4 0 目通过率仅有5 1 5 ) 和过1 0 号筛的橡胶颗粒，矿料采用的是公称粒 径1 6 r a m 的级配。试验路的结果表明，添加橡胶颗粒的路面施工时遇到了明显的压实困难。相 比于对比段落，橡胶粉改性沥青路面病害增多，寿命降低。由于强度的过度丧失，抗反射裂缝 的能力也要比对比路段差。值得注意的另一个结论是：过1 0 号筛的橡胶颗粒改性沥青路段比 过4 号筛的橡胶改性路段的使用性能要好很多，并且要优于对比段落。 1 9 8 9 1 9 9 2 年，美国工程兵部队、国际罩面公司、内华达雷诺大学和亚利桑那大学合作实 施了针对橡胶沥青的综合室内研究，沥青橡胶及其混合料的性能和设计方法的适用性问题都有 涉及。研究的结论是：1 、橡胶沥青比较其基质沥青有明显低的温度敏感性：2 、对较软的基质 沥青，橡胶粉改性效果更好；3 、在模拟拌和老化和环境老化两种条件下，橡胶沥青的抗老化 性能均优于其基质沥青：4 、在对设计指标( 如流值、稳定度) 做必要的调整后，传统的马歇 尔和维姆混合料设计法仍然适合于橡胶沥青混合料的设计：5 、橡胶沥青的采用可以明显改善 开级配磨耗层的耐久性和密级配混合料的低温抗裂性能；6 、橡胶沥青的采用可以提高混合料 的抗永久形变性能。 全美每一年大概要废弃2 1 3 5 亿只汽车轮胎( 小车轮胎约有2 亿只) ，以各种状态堆积的轮 胎数量大致为2 0 2 5 亿只。迫于轮胎带来的环境压力，1 9 9 1 年，美国通过了联邦地表协调联 运效率法案( i s t e a ) 1 0 3 8 条款( 要求在路面： 程中逐步增加回收橡胶的用量) 。随后，大多 数州启动了相关立法程序，极大地促进了废旧轮胎在道路工程中的利用，橡胶粉路用研究进入 了新的阶段。截土f = 到1 9 9 3 年，有2 7 个州研究了橡胶粉颗粒改性沥青及混合料。而总共3 8 个 州在沥青混合料中使用过回收橡胶粉颗粒。同样还是i s t e a ，启动了耗资5 0 0 0 万美元的s h r p 沥青研究计划和长期使用性能研究计划。随着s h r p 计划的推进，以及最终成果s u p e r p a v e 体 系( 基于使用性能的沥青胶结料规范、热拌混合料设计和分析体系和相应的计算机软件) 的建 立、改进和逐步推广，路用新材料研究的思路、方法和技术手段都有了很大地拓展。正是在这 两股力量的共同推动下，国际上橡胶粉的道路应用及其研究进入了一个由环保理念和新技术驱 动的时代。这一段的研究重点，集中于以下几个方面： 1 在上世纪8 0 年代到9 0 年代初铺设的试验路的长期性能观测和研究： 2 。 橡胶粉与沥青共炼的机理研究，不同的共炼工艺对最终产品的性质影响的研究； 3 橡胶粉应用于各种新型沥青混合料( 如p a c s m a 等) 对其路用性能的影响研究； 4 s u p e r p a v e 新技术和指标评价橡胶粉改性沥青和沥青混合料的性能，这些方法和指标 对评价橡胶粉路用性能的适用性； 5 s u p e r p a v e 混合料设计方法和传统的马歇尔法、维姆法用于设计橡胶粉改性沥青混合 料的研究( 包括相应的设备和标准的修正问题、s u r p e r p a v e 性能指标的有效性问题) 。 1 9 9 6 年，伊利诺伊州大学的a b d e l r a h m a n l l 7 1 博士在其提交t r b 7 8 届年会的论文中，陈述 了沥青和橡胶粉的共炼反应机理的研究成果( 利用g + 和6 的不同意义和变化规律) 。在一定 的温度条件下，橡胶粉在沥青中的变化以吸收膨胀为主，膨胀增加液相部分的劲度并增加固相 4 申请同济大学博士学位论文 部分接触可能性。当温度升高到某个值时，裂解脱硫的过程逐步取代膨胀过程，固相部分交联 减弱但液相部分的进度仍持续增加。不同的橡胶来源( 成分) 对反应进程的影响明显，不同来 源的橡胶在同样的温度下会处于不同的反应阶段，高温时的区别比低温时大。时间因素的影响 是一个温度的函数。一般而言，初始反应阶段持续3 0 4 0 分钟，物质交换主要发生在这个阶 段。加拿大安大略的z a n z o t t o 3 3 1 等人研究了温度、剪切和时间对拌合效果( 脱硫、裂解) 的 影响，并用s h r p 技术评价了不同的添加比例对橡胶沥青性能的影响。 1 9 9 0 一1 9 9 3 年，弗吉尼亚州用m c d o n a l d 法( 掺量约1 8 ) 和r o u s e 法( 掺量5 。1 0 ) 建设了5 段试验路。最长4 年的行车后的性能检测表明，添加橡胶粉的段落比对比的普通段落 的车辙要明显小、抗滑性能略强，但抗裂方面并没有很大的区别。1 9 9 0 到1 9 9 2 年，在环境及 能源部和运输部的资助和管理下，加拿人安大略省在“个段落修建了橡胶粉改性试验路( 包 括全新路面、橡胶改性沥青路面再生、一般路面冷再生添加剂等) ，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、环境影 响等方面评价了橡胶粉路用效果。阿拉斯加在1 9 8 3 - - - 1 9 8 6 年又用p l u s r i d e 铺设了八段总计4 5 车道公里路面并予1 9 8 8 年首次应用了湿法。1 9 9 6 年，s a b o u n d j i a n l 2 6 采用弯曲梁疲劳试验、约 束试件温度应力测试和佐治皿轮辙试验，对这些使用达7 1 7 年的路面及对比段落进行了使用 性能评估。 t r o y i 】等人研究了橡胶粉改性沥青及其混合料的性能评价系统( 包括维姆和s u p e r p a v e 方 法和相应的性能评价指标) ，砑究了动态剪切流变仪和弯曲量流变仪对各类橡胶沥青的适用性 和修正。l i a n g 和l e e i ”j 采用b r o o k f i e i d 粘度仪和动态剪切流变仪研究了旋转薄膜烘箱前后的 沥青性质变化，采用间接抗拉试验研究了短期和长期老化后混合料的抗拉强度。研究发现，橡 胶粉混合料质量损失减少，但粘度增加增多( 可能是老化条件下实际橡胶粉和沥青继续共熔反 应提高了粘度) ，而老化抗拉强度比也是橡胶粉添加时较小。罗得岛大学的研究者用s h r p 和 马歇尔方法研究了于湿法橡胶粉路面材料，并v e s y s 系统预估了材料的永久形交性能，证明 了橡胶粉加入对路面永久形变性能的改善。北卡罗来州大学的m a l p a s s l 2 1 等人做了类似的工作。 t a k a i l o u l 4 1 等人研究了用s u p e r p a v e 技术进行橡胶粉改性沥青混合料设计和路面铺筑的情况，并 结合路用的实际成功经验作出了适用性判断和改进建议。 除了综合性的研究外，许多学者针对橡胶粉改性沥青及混合料的单项性能展开了专门的研 究。马里兰大学的a y r e s l 6 等人就试验路的野外调查和钻件，用闭环伺服液压m t s 系统和数理 统计手段研究了橡胶粉混合料的回弹模量。女王大学的h u i 3 1 等用抗折试验研究了橡胶沥青混 合料的低温抗裂性能。堪萨斯州立大学的h o s s a i n pj 等研究了橡胶沥青混合料匾层的结构换算系 数问题。阿拉斯加大学的r a a d 【2 6 j 研究了四个温度水平下的混合料( 干、湿法和普通混合料) 的疲劳问题( 以梁弯曲劲度将为初始值半为疲劳破坏依据) 。 在多孔隙路面的发源地法国，截j 上到1 9 9 5 年，橡胶沥青多孔隙混凝土累积已经摊铺了超 过1 0 0 万m 2 路面。a l a i ns a i n t o n l 2 3 ) 在总结多年的p a c 路面室内研究和实际应用经验后认为： 由于沥青膜较厚，橡胶沥青p a c 比较普通p a c 在保持持久排水性能，在重交通、高剪切和不 良气候影响的条件下使用性能有明显的优势。 ) 轮胎橡胶粉改性沥青路用性能及应用的研究 以美国为首的发达国家，对橡胶粉改性沥青及其混合料的研究起步早，研究连续、成果较 丰厚、实践经验较丰富。相对而言，室内试验的试验条件控制较严，试验标准较为统一，试验 研究的结论大多接近，异常的结果较少。总体来说，室内研究对橡胶粉改性沥青路面性能提高 的效果是肯定的。主要的研究结论包括： 1 、橡胶粉改性可以明显地提高沥青的粘度和s h r p 高温指数的值，提高沥青混合料的高 温抗永久形变能力； 2 、橡胶粉改性提高了沥青的低温变形能力和低温柔性； 3 、橡胶粉改性提高了混合料的室内试验疲劳寿命； 4 、橡胶沥青的采用会明显增加沥青膜的厚度，提高混合料的耐久性寿命； 5 、橡胶沥青及其混合料的性能提高幅度会随着橡胶粉的来源、工艺和与沥青的相容性不 同而有较大差别。 但是，涉及到承i 路面使用性能挂钩时，由于实体工程影响因素复杂，不同地区的差别大， 通常偏离实验室的受控条件，不同的研究者往往得出差别很大甚至相反的结论。国外干法的初 衷很大程度上是为了最大限度地消耗废旧轮胎橡胶，橡胶颗粒较大( 最大接近c m 级) ，用量也 较多( 达到混合料用量的3 4 ) 。各国各地区按照类似的配方应用于工程，普遍的结论是： 路面性能不仅没有改善，甚至还不如没有普通沥青路面。美国和南非的应用者普遍对干法的使 用效果持否定态度。当然，国外干法的失败是有它的具体原因的，本文后续的章节中作了相应 的分析，并针对这些原因进行了一些干法配方调整的尝试，尝试是初步成功的。对于湿法：r 艺， 使用效果的差别很大。在应用方面，南非和美国的亚利桑那、加利福尼亚、得克萨斯和佛罗里 达可以被称为经常应用橡胶沥青的国家和地区。这些地区在碎石封层抗反射裂缝、“白+ 黑”、 抗滑减噪等方面，拥有了大量的成功案例，普遍实践了室内研究橡胶沥青的五大效果，构建了 较完善的轮胎橡胶路用产业链。但是，这些成功模式并没有能被简单大量地复制。1 9 9 1 年| s t e a 法案通过后，美国大多数州都在轮胎橡胶路用方面进行了尝试，但它们中的大多数都陷入某种 技术困境，直接导致了后来i s t e a 法案被修改。不成功的尝试方面，内华达州的应用非常的有 代表性。1 9 9 3 年，模仿加利福尼亚州的减薄结构，内华达州在北部地区修建了3 公里的橡胶沥 青路面( 仅1 9 m m 厚) ，但是1 年内就出现了反射裂缝，p s i 持续衰减，2 0 0 0 年重铺。随后， 分别于1 9 9 2 年铺筑了9 6 k m 的3 8 m m 橡胶沥青砼+ s a m i ，1 9 9 4 年铺筑了2 0 k m 的1 9 m m 橡胶 沥青砼+ s a m i 、直至1 9 9 5 年，修筑了2 ，5 k m 的5 0 m m 橡胶沥青砼+ 1 9 r a m 开级配抗滑表层。 同时，在1 9 9 6 年，在薄层橡胶沥青的同一段落，修筑了内华达州罩面的典型结构( 5 0 r a m 橡胶 沥青砼+ 1 9 r a m 开级配抗滑表层) 。1 0 年的应用的结论是，橡胶沥青的使用效果并不比普通沥 青强。p e t e re s e b a a l y 认为的原因可能有两个，一是内华达州的石料修的路比较容易水损坏， 二是内华达的干燥( 内华达是全美最干燥的州) 和夏季高温气候使薄层路面容易老化从而加速 反射裂缝产生。值得注意的是，内华达州西面与加利福尼亚州接壤，纬度上和加利福尼亚完全 处在同样位置，南面又与亚利桑那州为邻，两个邻州橡胶沥青应用的都很成功。因此，从应用 的层次看，我国橡胶粉的室内研究可以借鉴国外已有成果，重点集中在我国常用的技术手段和 6 申请同济大学博士学位论文 材料对象。而在性能研究时，可以借鉴国外的方法和成果，同时必须自主性地设计和实施一定 数量的橡胶粉改性沥青路面试验工程，结合国情、地情的研究非常重要。 图1 2 是美国橡胶沥青应用的发展简图。从图中可以看出，橡胶沥青应用的启动时，基本 上都在美国公路建设大高潮之。从2 0 0 3 年国际橡胶沥青提交的论文来看，橡胶沥青的应用范 围主要在旧路维护和翻修领域，新路很少。而且，在美国。由于轴载管理很严，在多数情况下， 普通沥青混合料就基本可以满足需要，改性沥青的用量不大。橡胶沥青在公路上的应用可行性 的参照系是普通沥青混合料系统，其成本相对较大在很大程度上限制了它的推广应用。 碎石封层 碎石封层中 间层 开级配 密级配 间断级配 1 9 7 01 9 8 01 9 9 02 0 0 0 图1 2 美国橡胶沥青工程应用年表 相比予国外，国内的研究起步不晚。早在上世纪7 0 年代末8 0 年代初( 也就是橡胶粉实际 应用子美国路面工程的几乎同一时期) ，出于改善我国性能不佳的国产沥青的目的，同济大学壮6 l 研究了橡胶粉与沥青共熔反应的粘度变化规律和对橡胶沥青路用性能的影响，并分别于1 9 8 0 年和1 9 8 1 年在江西省的铅山县和贵溪县铺筑了橡胶沥青试验路。由于试验路的道路等级较低， 路面t 艺是较低等级的贯入式和表处，研究成果不适用于高等级公路用的混合料。 此后，由于缺乏足够的动力( 国内橡胶粉工业弱小，废旧轮胎数量相对小而零散，回收体 系不健全，无害化回收处理不被重视等) ，一直到上世纪9 0 年代初，国内的橡胶粉路用研究几 乎处于停滞状态。进入9 0 年代以后，我国发达地区和城市逐步跨越小康阶段，汽车保有量加 速增长，废旧轮胎的环境和资源占用压力逐渐凸现，另一方面，很多有实力的公司进入橡胶粉 加工行业，8 0 目乃至更细橡胶粉陆续实现工业化生产。鉴于道路建设行业蕴含的市场前景，很 多橡胶粉供应商和道路材料供应商看好橡胶粉路用前景，出于开发市场目的，他们发起或资助 了一些橡胶粉路用研究项目。哈尔滨建筑大学采用室内方法评价了橡胶粉改性沥青性能。江苏 石油化工学院、上海沥青混凝土二厂等单位研究了橡胶粉改性沥青的加工工艺。华东冶金学院 研究了橡胶粉与煤沥青性质和族组成变化情况。辽宁省交通科研所研究了橡胶改性乳化沥青路 轮胎橡胶粉改性沥青路用性能及应用的研究 用性能，并试验用于稀浆封层的施工。沈阳市政设计院在1 9 9 3 年铺筑了1 0 4 0 m 2 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中用干法工艺加入了3 0 o a ( 相对于沥青用量) 的橡胶粉，该桥面经受了两个夏季的超重交通考验，基本保持完好。但 是，纯市场行为驱动的应用基础性研究往往动力不足，研究工作的连续性和系统性受到限制， 难以单独突破橡胶粉工业化应用于道路工程的技术壁垒。这一阶段的研究特点是：重复研究多， 实质性突破少。 2 0 0 1 年底，西部开发交通科技项目设立了研究项目“废旧橡胶粉在公路工程中的应用”， 该研究课题由交通部公路科研所负责，研究团队包括了同济大学等道路研究机构、院所、橡胶 粉行业的领先企业和四个省级公路管理部门，是国内第一次对橡胶粉产业化路用的综合研究。 进入2 1 世纪以来，环境问题越来越引起了社会的关注。特别是几个特大城市，在工业外 迁基本完成后，交通污染( 包括尾气和噪声) 成为主要的城市污染源之一。2 0 0 8 年北京承办奥 运会，2 0 1 0 年上海承办世博会，广州正在申办哑运会。凡个特大城市都不约而同将城市降噪作 为提高城市品位的手段，纷纷启动相关研究项目，橡胶沥青路面迎来了难得的发展的机遇。 一直到现在，我国的改性沥青和混合料改性的研究都主要集中在：l 、各种类别的高聚物 改性剂对沥青改性的机理和路用性能指标研究( 以s b s 、s b r 和p e 改性为主线) ；2 、纤维质 材料稳定混合料机理和路用性能的研究( 如木质和矿质纤维稳定s m a ) ；3 、防止沥青砼水损 坏的外加剂的开发和路用性能的研究。其中，前两类特别是第一类占据了我国路面用材料研究 人员的主要精力。橡胶粉应用于沥青和沥青混合料改性可以取得与其他改性沥青及其混合料接 近的效果，而且成本低廉很多，橡胶粉还可以起到类似纤维的稳定沥青的作用，与此同时，橡 胶粉中含有的外加剂对粘接性能的改善也有潜在的好处。橡胶改性沥青和沥青混合料在我国公 路工程中的应用前景广阔。可以说，特别是对我国而言，尽管有如上前人研究成果，橡胶粉在 我国综合路用性能的研究和产业化技术的开发还远没有到成熟的程度，借鉴现有的改性沥青的 研究成果，相关研究大有可为。 申请同济大学博士学位论文 第二章轮胎橡胶粉及其与沥青的反应 轮胎的受力状况远比路面要复杂，轮胎行驶过程要承受的环境条件也要比路面要严酷和复 杂。从各项路用指标来看，轮胎材料的综合性能要远远优于沥青，这也是轮胎橡胶粉被用来作 为沥青改性剂的出发点之一。轮胎是一个典型的复合材料，不同用途轮胎、同一个轮胎不同部 位材料配方都有所不同，这都会对橡胶沥青的性能构成影响。除此以外，橡胶粉的表面构造， 橡胶粉颗粒的大小，以及共炼反应的l 艺都会对橡胶沥青的最终性能构成实质性的影响。 2 1 轮胎橡胶和轮胎橡胶粉的性能及指标 汽车轮胎按用途可分为：轿车轮胎、载重车轮胎、摩托车轮胎和特种车辆及工程机械用轮 胎等。图2 1 是两种典型的汽车轮胎，相比于斜交轮胎，子午线轮胎具有行驶阻力小、内压耐 受力强、轮胎变形小、抓地性能好等特点。由于两种轮胎的帘线布设有明显的不同，各个部位 采用的橡胶材料通常也有所不同。在我国，斜交轮胎依然是最常见的轮胎类型，但子午线轮胎 代表了发展的方向。轮胎的功能是一方面尽可能降低车辆行驶阻力、消除路面不平整带来的颠 簸，另一方面是要将车辆荷载尽可能友好地传递到路面上，减少路面结构承受的动态冲击。高 应力、大变形是轮胎受力的主要特点。胎体的实际应力状态极其复杂，分析轮胎胎体的复杂应 力及由此产生的轮胎与路面作用力实际分布，很久以来一直是力学难题。相比而言，路面结构 的受力复杂性远不如轮胎。轮胎胎面等部位，在行驶过程中承受着高