（道路与铁道工程专业论文）废胶粉改性沥青及沥青混合料路用性能研究.pdf

摘要 本文对废轮胎胶粉改性沥青及其混合料的路用性能进行t n 试与评价研究。 希望这一问题的研究不但能够减轻环境污染，节约资源，而且还能够起到改善路 面沥青材料性能的作用。 本文主要研究的内容为：从配方和工艺上分析了影响橡胶沥青性能的因素以及 改性机理；对沥青马蹄脂碎石和断级配橡胶沥青混合料的路用性能进行了研究， 并对各自的疲劳寿命进行预测。最后，本文对橡胶沥青混凝土路面材料的经济与 社会效益进行了分析。 主要成果有：得出了搅拌时间、橡胶粉目数和掺量对橡胶沥青性能的影响规律； 确定了橡胶沥青混凝土的配合比( 包括橡胶沥青结合料中各成分的组成比例、矿 料级配和油石比) ；对橡胶沥青混凝土的物理力学性能进行了试验研究，结果表明， 橡胶沥青混凝土a r - s m a 1 3 和a r a c 一1 3 具有良好的高温稳定性、低温稳定性、 水稳性能和疲劳寿命。 通过对比发现：a r - s m a 1 3 的性能最优、s b s 改性s m a 1 3 和a r a c 一1 3 不 相上下。 总的来说橡胶沥青混合料的推广应用是很有价值的。 关键词：橡胶沥青；a r - s m a 1 3 ；a r a c 一1 3 ；路用性能 a b s t r a c t t h ep e r f o r m a n c eo fc r u m ba s p h a l t - r u b b e ra n dm i x t u r e sa r et e s t e da n di n v e s t i g a t e d t h ep u r p o s ei sn o to n l yt or e d u c et h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n ds a v i n gr e s o u r c e s ，b u t a l s ot oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ep a v i n gm a t e r i a l s t h em a i nr e s e a r c h ：a n a l y s i s e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fa s p h a l tr u b b e rf r o m p r e s c r i p t i o n a n dc r a f t sa n dm o d i f i c a t i o nm e c h a n i s m ；n o to n l ys t u d i e dt h ep a v i n g p e r f o r m a n c eo f a r - s m a 一1 3a n da r - a c - 13b u ta l s op r e d i c t e dt h ef a t i g u el i f eo ft h e m t h em a i na c h i e v e m e n ti n c l u d e s ：c o m et ot h el a wo fs t i r r i n gt i m e 、r u b b e rp o w d e r a n dd o s a g eo nt h ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tr u b b e r ；d e t e r m i n e dt h ec o r r e s p o n d i n g d e s i g no fr u b b e ra s p h a l tm i x t u r e ( t h ec o m p o s i t i o no fr u b b e ra s p h a l t ，t h eg r a d eo f a g g r e g a t e ，a s p h a l ta g g r e g a t er a t i o ) ；i th a dc o n d u c t e dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yt ot h e a s p h a l tr u b b e rm i x t y r ep h y s i c a lm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ，w h i c hi n d i c a t e dt h a t t h e a s p h a l tr u b b e rm i x t u r eh a st h eh i g h 、l o wt e m p e r a t u r ea n dw a t e rs t a b i l i t y u n d e rt h ec o n t r a c t ：a r - s m a - 13h a st h eb e s tp e r f o r m a n c et h a na r - s m a - 13a n d s b sm o d i f i e ds m a 一13 ，t h ep e r f o r m a n c eo fa r - a c 一13a sw e l la ss b sm o d i f i e d s m a 。1 3 o v e r a l l ，p o p u l a r i z ea n da p p l i c a t i o nt h ea s p h a l t r u b b e rm i x t u r ei sv a l u a b l e k e y w o r d s ：a s p a h l t - r u b b e r ；a r - s m a - 1 3 ；a r - a c - 1 3 ；p a v i n gp e r f o r m e n c e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 吼冲年月2 7 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 一躲獬 - a 灸缗 日期：巧车4 月z 7 日1日期：矸年中月7 7 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 学位论文作者签名 日期：x 岬年争 第一章绪论 第一章绪论 1 1 立题的背景 改革开放以来，是我国公路建设历史上发展最快，规模最大，最具活力的时 期。在公路建设中，由于沥青路面具有良好的行车舒适性和优异的使用性能，而 且建设速度快，维修方便，因此，沥青材料己经成为公路路面的最主要建筑材料 之一。 随着交通量的迅速增加，车辆大型化、超载严重，沥青混凝土路面面临严峻 考验。使用普通沥青铺设的路面易产生严重车辙、开裂、坑槽等早期破坏。路面 使用某些聚合物改性沥青进行薄层罩面后，可大大延长养护周期，降低养护费用。 高等级公路的路面尤其需要使用各种改性沥青，延长路面使用寿命，减少养护罩 面次数，保证公路畅通。 沥青的缺点是温度敏感性大，高温流淌，低温发脆，不能适应高等级公路的 要求。用普通沥青铺筑路面时，当温度过高，在车辆经常启动和制动的地方，路 面受到的剪应力较大，而温度过高时，沥青路面的抗剪强度减弱，经过日积月累， 路面就会出现波浪推移。见图1 1 。当温度降低时，面层收缩，基层限制收缩产 生温差应力，当温差应力超过面层容许拉应力和收缩变形时，面层开裂，产生反 射裂缝。见图1 2 。 接移 图1 1 沥青路面在高温下发生推移 f i g1 1t h ee l a p s e m e n to fa s p h a l tp a v e m e n ta th i g ht e m p e r a t u r e 另外地表水通过裂缝渗透到道路基层和路基上，遇冬季气温下降或夜间变冷 冻结膨胀，使裂缝增大，致使路面早期破损。 为克服沥青的上述不足，沥青的改性受到人们的普遍重视。在沥青中添加外 掺剂进行改性由来已久。为此，积极研制开发技术、经济、更为合理的改性沥青 新材料以提高我国道路使用寿命和质量，适应日益扩大的改性沥青市场需求，应 是我们广大道路工作者共同努力的方向。 第一章绪论 固12 低温下j 历青路面形成的反射裂缝 f i 9 12 l h e r e f l e c t i o n c r a c k o f a s p h a l t a t l o w t e m p e r a t u r e 橡胶是一种高分子弹性体，它在很宽的温度范围内均有良好的弹性和延伸性 能。采用硫化橡胶来改性和提高沥青的路用性能，比用纯天然橡胶或合成橡胶有 益又经济。 随着全球经济的迅速发展，作为”黑色污染“的废橡胶轮胎已成为世界各国的 公害。据统计，日前全世界每年产生1 5 亿条报废轮胎，其中北美大约4 亿条，西 欧近2 亿条，日本约l 亿条。2 0 0 2 年我国的废旧轮胎己达到0 8 亿条，预计2 0 1 0 年 将达到2 亿条。图1 1 是位于加州的一个很大的轮胎堆。 幽1 1 废轮胎堆 f i g l 1t h es t a c k o f t i m s 堆放的废轮胎潮湿容易滋生昆虫，而且自身不会腐烂，是一个很难处理的固 体污染问题。更有甚之，由于每一条轮胎中含有相当45 公升汽油的物质，因此， 堆积的废轮胎极易自燃，形成太火，并向大气释放了大量的黑烟和有毒物质i 。 第一章绪论 3 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，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， 对我们行业来说，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【2 】。废旧轮胎橡胶粉用 于改性沥青可以改善沥青路面使用品质、延长使用寿命、降低工程造价。高性能、 低成本的橡胶沥青路面材料如果能大量运用于道路工程中，将形成环境保护、废 物利用、延长道路寿命、降低路面工程造价的多赢局面，具有极大的现实意义。 橡胶沥青产生于上世纪六十年代，八十年代后技术上逐步成熟，在设计和施 工良好的情况下橡胶沥青材料能够表现出良好的性能，橡胶沥青路面与结构厚度 厚一倍的普通沥青路面相比，损坏发展更缓慢，特别是在抗开裂方面表现出优异 的性能。 橡胶沥青常用于旧水泥混凝土道路维修改造项目，这样既能充分发挥旧路面 原有的结构性能，又能充分发挥橡胶沥青优异的抗裂性能、抗疲劳性能和吸音降 噪能力，通过橡胶沥青混合料罩面恢复表面性能，可获得超长的使用寿命。 在对安全、环保和舒适要求日益提高的现代社会，综合考虑价格、使用寿命、 使用效果和环保等因素，拓展橡胶沥青的运用范围具有十分显著的经济和社会效 益 3 1 1 4 。 1 2 橡胶沥青的定义 废橡胶粉应用于沥青路面的技术主要分为湿法( w e t p r o c e s s ) 和干法( d r y p r o e e s s ) 两大类。根据美国加州沥青橡胶使用指南的定义，湿法是指c r m ( e r u m b r u b b e r m o d i f i e r ) 先与沥青拌和，制成一种称为橡胶沥青( a s p h a l t r u b b e r ) 的改性沥青胶结料，然后再与集料拌和；干法是指将c r m 作为一部分细集料先 与石料干拌，然后喷入沥青拌制成废橡胶粉( 或颗粒) 改性沥青混合料 ( r u b b e r m o d i f i e d a s p h a l t c o n c r e t e ，简称r u m a c ) 。 对于橡胶沥青，a s t m 还有更明确的定义( a s t m 2 0 0 1 年标准年鉴4 0 3 卷 a s t m d s ，“公路和铺面材料标准术语，”) ，橡胶沥青是“沥青、回收轮胎橡胶和 某些添加剂混合而成的胶结料，橡胶成分最少占到总量的1 5 ，并且与热沥青充 分反应，橡胶颗粒产生融胀”【5 1 。它具有高的弹性性能和低的弹性模量。橡胶 沥青是在高温条件下( 1 8 0 ) 和高速剪切下生产的，促进了沥青和橡胶成分 间的物理反应，使橡胶颗粒悬浮在沥青中。橡胶沥青用于各种沥青路面结构中通 常作为胶结料( 包括碎石封层和热拌混合料) ，也可用作填缝材料。对于热拌混 合料，橡胶沥青用于断级配和开级配混合料效果最好，特别是使用于薄层表面( 6 0 m m ) 。橡胶沥青还可用于碎石封层，碎石封层主要用于养护和路面保护。橡胶 沥青碎石封层也可以作为夹层，上面再用混合料罩面，这时封层称为橡胶沥青应 4 第一章绪论 力吸收层s a m i1 6 1 。 1 3 国内外研究应用状况 1 3 1 国外研究与应用概况 橡胶屑改性沥青的研究开发已经有5 0 余年的历史。虽然利用橡胶和沥青作为 原料来制作路面接缝、裂缝、坑洞修补材料的开发工作早在2 0 世纪3 0 年代就开始， 但是利用废旧轮胎橡胶屑作为改性剂来达到改性沥青性能的研究工作开始于2 0 世纪5 0 年代。现在，将利用磨细的废旧轮胎橡胶屑作为改性剂来达到改善黏结剂 性能的沥青材料，统称为“橡胶屑改性沥青 ( c r u m br u b b e rm o d i f i e da s p h a l t ) 。 这种形状不规则的被撕裂的废旧轮胎橡胶屑则被称为“橡胶屑改性剂”( c r u m b r u b b e rm o d i f i e r ) 简称c r m 。 美国是研发橡胶沥青材料的开拓者，早在2 0 世纪的5 0 年代，当时的美国公 路局就进行了一项实验室的研究工作来评估在“各种橡胶对石油沥青的性质影 响”。他们使用1 4 种橡胶粉和三种石油沥青，包括“一种加州的低密度、低硫、 低沥青质的沥青 。这些结果与公路局的雷克斯和帕克合作的“橡胶沥青材料试 验室研究”一起发表在1 9 5 4 年l o 月的公路刊物上。混合料的研究范围包括了 硫化和未硫化的橡胶材料，包括废轮胎的胎面、丁苯橡胶( s b r ) 、天然橡胶、 聚丁二烯和回收的( 脱硫的) 橡胶，既用了干法也用了湿法，用在沥青混凝土材 料中。对这个领域的兴趣和相关工作不断增长，专利申请的数量也在不断增加。 1 9 6 0 年三月，沥青协会在芝加哥举办了首届橡胶沥青研讨会，该会议有五份论文 参加讨论。 从上世纪6 0 、7 0 年代以来，瑞典、英国、法国、比利时、澳大利亚、日本、 南非、印度等国家也先后开展了橡胶沥青和橡胶沥青混凝土的应用研究。并且通 过立法和技术推广，极大地促进了废旧轮胎在道路工程中的利用。 日本自1 9 5 2 年在东京都祝天桥附近首先用n r 胶粉改性沥青铺筑试验路以 来，改性道路沥青的研究及应用迅速发展。1 9 6 3 年在名古屋至神户高速公路铺设 了s b r ( 丁苯胶) 改性沥青试验路，1 9 6 8 年前后扩大到全国。7 0 年代后，日本对 橡胶改性沥青的研究步入了高潮阶段，1 9 8 3 年开发的改性i 型、i i 型和“筑波1 号”最具代表性。9 0 年代后，为进一步提高改性沥青的性能，日本合成橡胶公司 相继开发出改性s b r ( 丁苯胶) 胶乳等改性剂。 上世纪9 0 年代，全美每年就大概要废弃2 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 - - 一2 5 亿只。迫于轮胎带来的环境压 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的用量) ，同时，大多数州启动了相关立法程序， 第一章绪论 5 极大地促进了废旧轮胎在道路工程中的利用，橡胶沥青路用进入了新的阶段。截 止至u 1 9 9 3 年，有2 7 个州研究了橡胶沥青及其混合料。据统计，到1 9 9 7 年的6 年间， 公路行业共消耗废旧轮胎橡胶粉8 0 0 0 万吨，大约4 亿条废旧轮胎。美国应用橡胶 较多的州有：亚利桑那州、加利福尼亚州、佛罗里达州、德克萨斯州等1 8 j 。 同样还是i s t e a 方案，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，其最终产品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及相应的计算机软件) 的 建立、完善和逐步推广，路用新材料研究的思路、方法和技术手段都有了很大的 发展。正是在这两股力量的共同推动下，国际上橡胶沥青在道路工程中的应用及 其研究进入了一个由环保理念和新技术共同驱动的新时代。 1 9 9 2 年，美国成功地开发了含1 6 废胶粉的改性沥青。改性后，其粘性增加， 温度敏感性降低，弹性恢复和抗老化性能提高。用7 的废胶粉改性沥青，会得 到更高负荷强度，且每增加1 份废胶粉，可使改性体系的脆点下降1 0 。由于硫 化胶粉已掺有各种稳定剂( 包括抗氧剂、硫化剂、炭黑和氧化锌等) ，更有利于 提高沥青的吸附性和耐侵蚀性。美国政府规定凡使用联邦经费的热拌沥青混合料 都必须以1 5 的经费用于废橡胶沥青混合料，以后每年增加5 ，直至2 0 。目前， 美国铺设的沥青废胶粉改性公路已达到1 1 ：y j k m 。 在多孔隙路面的发源地法国，截止至u 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 万平方米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：橡胶沥青p a c l l 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。 南非的橡胶沥青在公路行业中的应用十分成功，和美国加利福尼亚州一样拥 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q e 6 0 以上的道路沥青使用橡胶沥青，而且根据他们的经验，认为对于超 重轴载的使用环境，橡胶沥青混凝土尤为有利。 国外研究表明，橡胶沥青混凝土在用于老路改建时，对减少路面的反射裂缝， 提高路面的整体承载能力都十分有利，在相同的使用效果前提下，适当使用废旧 橡胶粉可减薄沥青混凝土面层的厚度。一般可减薄3 0 7 0 ，当沥青结构层中 使用橡胶沥青的应力吸收层时，厚度还可以进一步减薄。在国外橡胶沥青的应用 技术已经相当成熟，但由于我国气候、道路结构、汽车荷载等方面的差异，橡胶 沥青在我国的应用还需要进一步研究。 1 3 2 国内研究与应用概况 随着我国经济的高速发展，对基础设施的要求越来越高，解决我国沥青路面 6 第一章绪论 所出现的龟裂、车辙、老化等问题也受到政府的高度重视。8 0 年代，我国开始了 橡胶粉改性沥青的研究，也铺筑了试验路段。由于当时受胶粉粉碎技术的限制， 胶粉的工业化生产仅能做n 3 0 目粒径，细度、均匀度均达不到改性沥青的技术要 求，沥青与粗颗粒橡胶粉结合力弱，加之当时国内还没有改性沥青装备，试验路 段效果不理想，并导致有关专家封杀了胶粉改性沥青在道路中的应用。 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。 二十一世纪以后，结合西部大开发，迎来了我国橡胶沥青应用的第二个高峰。 2 0 0 1 年，交通部西部科技项目“废旧橡胶粉在公路工程中应用”，立项研究，在广 东中山1 0 5 国道( 9 + 3 公里) 、河北沧少i 1 - - 级路( 4 公里) 、衡小高速公路( 2 公里) 、 山东( 6 公里) 、四川成都( 3 公里) 共修筑沥青5 0 多万平米面积的橡胶沥青试验 路面。 2 0 0 4 年，在广东珠三角地区，改造一段4 6 k m 的一级公路，上面层采用了 s a c 10 橡胶粉沥青混凝土，下面层采用普通s a c 2 0 沥青混凝土，在上下面层间设 置橡胶粉改性沥青防水层，在下面层底部设置橡胶粉改性沥青应力吸收层，橡胶 粉沥青混凝土采用湿拌法施工。在国内首次采用大型专用设备现场生产橡胶沥 青。通对试验路的研究，证明橡胶粉对沥青的高温性能、低温性能、抗老化性能、 弹性恢复、温度敏感性都有不同程度的改善。橡胶沥青混合料可显著降低路面噪 音，使沥青的粘附性、温度敏感性、抗老化性及低温性得到明显改善，成倍延长 路面的使用寿命。 2 0 0 5 年3 月，国内第一条年处理废旧轮胎1 5 万吨的精细胶粉自动化生产线在 天津建成。与此同时，由国家发改委牵头组织，并委托中国国际工程咨询公司和 中国橡胶工业协会组织起草制定的轮胎工业产业政策预计将于今年上半年出 台，而废旧轮胎回收利用管理办法也正在起草之中。这些都表明着我国开始 越来越重视废旧轮胎的回收再利用的技术化和法制化。重庆现在也已有废轮胎橡 胶粉厂3 - - 4 个，只是规模还相对较小( 每吨胶粉大约消耗废轮胎3 3 条) 。 橡胶粉改性沥青在公路上的主要用途，一是用来拌制沥青混合料，铺筑沥青 路面的上面层，以全面提高路面的使用性能；二是用作封层，即应力吸收层，以 抑制路面基层裂缝的向上反射。 到目前为止，如上文提及的那样，国内橡胶粉改性沥青及混合料的研究多停 第一章绪论 7 留在室内试验或小规模试验路阶段。 1 3 3 橡胶沥青在重庆公路中的推广应用前景 据不完全统计，目前我市汽车每年产生15 7 万条废旧轮胎，而且机动车每年 还在以每天5 0 0 辆的数字增加。如果回收利用不当，将形成严重污染环境的“黑 色垃圾 。基于降低改性沥青成本、节约石油资源与环境保护的优点，发达国家 已普遍开始使用废旧轮胎胶粉改性沥青，其技术与施工工艺日渐成熟。制作废胶 粉改性沥青既解决了环保上废轮胎处理的难题，又节约了原料，一定幅度地降低 了产品的成本，还提高了沥青路面的质量。 重庆又是全国水泥混凝土路面修筑最多的地区之一，因此本项目研究成果将 在我市的高速公路、机场道路、城市道路等“白改黑”的工程中发挥重要作用。 1 4 本课题主要研究目标、内容 1 4 1 本课题的研究目标 ( 1 ) 通过实验室试验研究确定出不同目数和掺量的橡胶粉对橡胶沥青性能 的影响，以此来指导实际生产。 ( 2 ) 将橡胶沥青应用到s m a 和a c 中，确定橡胶沥青玛蹄脂碎石混合料 a r - s m a 1 3 和断级配橡胶沥青混合料a r - a c 1 3 的级配，并进行相应的性能试 验研究。 ( 3 ) 对橡胶沥青玛蹄脂碎石混合料和断级配橡胶沥青混合料的经济效益进行 分析。 1 4 2 本课题的主要研究内容 本文主要研究橡胶沥青胺s m a 1 3 和a r - a c 1 3 混合料的性能及生产工 艺，采用集料的最大公称粒径为1 6 m m ，沥青为橡胶沥青，通过室内试验对橡胶 沥青的生产、橡胶沥青混合料配合比设计、路用及力学性能进行研究，主要包括 以下内容： ( 1 ) 橡胶沥青的加工工艺和特性 通过选择不同搅拌时间，测试橡胶沥青的粘度等指标，确定橡胶沥青的搅拌 温度和搅拌时间，研究了不同橡胶目数和掺量对橡胶沥青性能的影响。 ( 2 ) 橡胶沥青混凝土的配合比设计和性能研究 本研究通过室内试验对橡胶沥青玛蹄脂碎石混合料a r - s m a - 1 3 和断级配橡 8 第一章绪论 胶沥青混合料a r - a c 一1 3 的性能进行系统的研究，用合理的方法结合过去经验对 橡胶沥青混合料进行配合比设计。 ( 3 ) 根据确定的配合比，采用马歇尔试验、低温弯曲试验和车辙试验等试 验方法对橡胶沥青玛蹄脂碎石混合料a r - s m a 1 3 和断级配橡胶沥青混合料 a r - a c 1 3 的路用性能进行评价，并将a r - s m a - 1 3 、a r - a c 1 3 的性能与7 0 # a 级沥青和s b s 改性沥青玛蹄脂碎石混合料s m a 1 3 的性能进行对比，验证 a r - s m a 1 3 、a r - a c 1 3 路用性能的优劣，为橡胶沥青混凝土的工程应用提供 有益的技术指导。 ( 4 ) 将橡胶沥青玛蹄脂碎石混合料a r - s m a 1 3 和断级配橡胶沥青混合料 a r - a c 1 3 的经济效益与s b s 改性沥青玛蹄脂碎石混合料s m a 一1 3 进行对比分 析。 第二章橡胶沥青生产工艺 9 第二章橡胶沥青生产工艺 2 1 概述 2 1 1 沥青 沥青材料( b i t u m i n o u sm a t e r i a l ) 是由一些极其复杂的高分子的碳氢化合物 和这些碳氢化合物的非金属( 氧、硫、氮) 的衍生物所组成的混合物。 沥青组分不能全面反映沥青的性质。根据现代胶体理论研究，由于沥青的苯 溶液具有丁铎尔现象，证明沥青溶液也是一种胶体溶液。用超级显微镜对沥青溶 液进行观察，认为沥青质是分散相，而油分是分散介质，但沥青质和油分不亲和， 而且沥青质与油分两种组分混合不能形成稳定的体系，沥青质极易发生絮凝【9 1 。 一般来说，直溜沥青多为溶胶型，氧化沥青多为凝胶型或溶凝胶型。 从化学角度分析沥青的胶体结构是困难的，但是根据胶体的流变性质来评价 则要容易得多。 按沥青的针入度指数p i 值可分为以下三种胶体结构( 图2 1 ) p i + 2 为凝胶型结构 ( 1 ) 溶胶型( 2 ) 溶凝胶型( 3 ) 凝胶型 图2 1 胶体结构 f i g2 1t h es t r u c t u r eo fa s p h a l t 2 1 2 胶粉 胶粉【2 1 主要是由废旧载重轮胎或客车轮胎破碎而制得，成分主要为天然胶 ( n r ) 和丁苯胶( s b r ) 等。其橡胶含5 5 左右。 胶粉的结构【l o 】 上面所提到的橡胶的结构指的是生橡胶，即没有经过硫化。人们习惯上把熟 橡胶称作硫化橡胶。硫化橡胶与生橡胶的主要区别在于硫化橡胶中的分子形成网 1 0 第二章橡胶沥青生产工艺 链结构，整个一块橡胶可以看成是由许多分子网链构成的三维空间立体结构。这 种结构一般条件下十分稳定。胶粉就是由这种空间网络结构组成的【3 1 。但胶粉的 结构与轮胎的结构又有区别： ( 1 ) 在体积上，胶粉的空间网络结构较轮胎要小得多，整个轮胎可以看成 是一个空间网组成。 ( 2 ) 在内部结构上，胶粉是经过化学或机械加工而制成，所以其空间网络 结构中的s c 键有部分被破坏，其交联密度降低，不如轮胎中的网络完整。 ( 3 ) 在表面上，轮胎经过粉碎以后制成的胶粉，其表面不如轮胎的光滑。 由于经过化学或机械的作用，胶粉的表面是由被破坏的空间网络而形成的网络端 组成的，其表面呈不规则的毛刺状且布满微观裂纹。胶粉按其粒径的大小可分为 粉碎胶粉( 1 2 - - 3 0 目) 、细碎胶粉( 3 0 , - - - - 4 7 目) 、精细胶粉( 4 7 - 2 0 0 目) 和超 精细胶粉( 2 0 0 目以上) 。1 1 1 1 1 2 1 胶粉的应用【1 3 】【1 4 】 我国的胶粉生产始于十年前。目前，胶粉有下面几方面的应用： 1 ) 废胶粉再生利用 ( 1 ) 脱硫再生； ( 2 ) 生产活性炭； ( 3 ) 生产燃料油、气和化学原料。 2 ) 废胶粉直接利用 ( 1 ) 地面铺设材料； ( 2 ) 生产片材。 3 ) 改性利用 ( 1 ) 用作轮胎材料； ( 2 ) 增韧塑料； ( 3 ) 软泡沫塑料。 2 1 3 橡胶粉对沥青的改性作用机理 沥青由沥青质和可溶质两部分组成，被视为可溶质的粘度小的低分子油分和 蜡占沥青成分的5 4 以上，由于硫化橡胶与沥青同属非极性材料，橡胶经过定 的处理能溶解于沥青低分子油分中，所以沥青本身也是硫化橡胶再生的良好软化 剂【”】。由此可见，橡胶与沥青的关系是溶质与溶剂的关系。当橡胶粉与沥青加 热混溶时，橡胶粉在高温下被沥青中的低分子油分溶胀后，一来使油分粘度增加 和稠度提高，二来使橡胶分子的作用力减小。由于橡胶是一种高分子化合物，除 富有弹性外，还有很高的自粘性和互粘性【1 6 1 ，它比沥青的粘度高得多，当橡胶 粉和沥青混溶成一体后，沥青的粘度提高了，说明橡胶在沥青中发生了变化；当 第二章橡胶沥青生产工艺 橡胶被充分溶胀而未裂解时，它既能以单独的相存在又形成连续的网络。因橡胶 的高弹性质，只要沥青中有这种高粘度、高弹性的网络，沥青的粘弹性和可塑性 就会发生明显的变化【l 7 1 。 关于胶粉改性沥青的微观结构分析可归纳为以下三种【l 剐： 第一：结构变化改性 橡胶粉的加入能吸附沥青中的某些组分，沥青中与改性剂结构相似的轻组分 ( 主要是油蜡) 经过渗透，扩散进入橡胶网络，使橡胶粉溶胀，从而有效地降低 游离蜡含量，组分的变化使得高蜡含量的沥青从溶胶结构变为溶一凝胶型结构。 感温性显著下降，其它性能也得到改善，蜡含量的降低最终改善了沥青的感温性， 表现为沥青的针入度增大，软化点明显升高，升温过程中相变吸热峰显著下降。 第二：相溶性改性 由于沥青与橡胶存在相对分子质量、化学结构上的差异，因而属于热力学相 溶性差的体系，体系中不同组分相界面上的相互作用，使沥青的性能得到改善 【1 9 】。橡胶在沥青中的理想状态是细分布而不是完全溶解，橡胶粉在沥青中分散 成丝状与沥青质胶团均匀地分布于沥青油分中，形成一个稳定的不会发生相分离 的物理意意上的相容体系，与橡胶的溶度参数相近的油蜡组分会缓慢地扩散进入 橡胶链段的空隙中，使橡胶链段松动、脱离以至溶解。好的相容性是改性沥青的 首要条件，也是降低沥青材料的温度敏感性的先决条件。国内外学者都曾对不同 来源的沥青与各种橡胶进行过相容性分析，并与其物理力学性质相联系，认为不 同沥青因其组分含量不同而与橡胶的相容性不同，相容性好的体系其性能指标优 于相容性差的体系。 第三：橡胶粉的增强作用改性 橡胶粒子在橡胶沥青体系中起着增强作用：橡胶粒子体积小，数量多，在低 温时它们与沥青基体的模量不同，可产生高度的应力集中，诱发大量银纹和剪切 带，银纹和剪切带的产生和发展消耗大量的能量，因此可提高沥青的冲击强度和 可塑性；而较大的橡胶粒子能防止单个银纹的生长和断裂，使其不致于很快发展 为破坏性裂纹，改善沥青的低温柔韧性。从这种意义上说橡胶是沥青的增强增韧 剂。 橡胶沥青的一个本质特征就是粗颗粒的橡胶屑在高温的沥青中浸泡，并与沥 青中的轻质油分发生溶胀后，仍然保持着固体颗粒的核心。图2 1 表示了橡胶屑 在高温沥青中浸泡、溶胀的反应过程。从图中可以看到，橡胶屑即使在反应结束， 投入使用时仍然保持着固体颗粒的核心。 第二章橡胶沥青生产工艺 图2 2 橡胶沥青反应过程 f i 9 22 t h e r e a c l i o np r o c e s s o f a s p h a l tr u b b e r 橡胶沥青与普通沥青、高分子聚合物改性沥青最大的不同就在于它是一种液 一固两相的混合物。正是由于存在着通过凝胶体与沥青分予相连的谷子橡胶颗粒 核心，因此橡胶沥青黏结剂所呈现的特征就不仅仅与基质沥青和凝胶体的特征有 关，而且也反映了固体橡胶颗粒的性质。一般来说可以通过挖制橡胶屑在基质沥 青中的溶胀过程来调节橡胶沥青的液相和固相性质的比例，从而调整橡胶沥青黏 结剂的特性使之满足不同应用条件的需要。 2 l4 橡胶沥青的优点 由于在沥青中掺加了胶粉，提高了沥青胶结料的稠度、提高了路面使用温度 下的弹性、降低了路面的温度敏感性、低温性能不降低的情况下改善了抗变形能 力和抗疲劳开裂的性能 2 0 1 。橡胶沥青的优点主要有： ( 1 ) 有较高粘度，混合料油膜较厚而不易析漏或泛油； ( 2 ) 在高温f 有较大的弹性和弹性恢复性能； ( 3 ) 橡胶沥青的适用性广，只要普通沥青适用的地方，也能使用橡胶沥青。 2 2 原材料生产工艺 22 1 橡胶粉的生产工艺 生产胶粉的方法很多，主要方法有：常温粉碎法、低温粉碎法和溶液粉碎法 三种。 第二章橡胶沥青生产工艺 1 3 常温粉碎法 常温粉碎法是指在常温下对废旧橡胶用辊筒或其他设备的剪切作用进行粉 碎的一种方法。常温粉碎法的生产工序主要为粗碎与细碎。一般分三个阶段：首 先将大块废旧橡胶破碎成5 0 m m 大小的胶块；第二步是在粗碎机将上述胶块再粉 碎成2 0 m m 的胶粒，然后将粗胶粒送入金属分离机中分离出金属杂质，再送入风 选机中除去废纤维；第三步是用细碎机将上述胶粒进一步磨碎后，经筛选分级最 后得到粒径4 0 - - - 2 0 0 m 的胶粉。 低温粉碎法 低温粉碎法【2 2 】是废橡胶在经低温作用脆化后而采用机械进行粉碎的一种方 法。该方法可比常温粉碎法制得粒径更小的胶粉。低温粉碎的基本原理就是利用 冷冻使得橡胶分子链段不能运动而脆化，而易于粉碎。如轮胎在- 8 0 时像土豆 片一样脆，在锤磨机中，轮胎的各部分很容易分离。 低温粉碎法有两种：二是利用液氮【2 3 】作为冷冻介质在低温下进行冷冻粉碎： 另一种是就是空气涡轮制冷直吹连续式速冻胶管技术( a t c g ) 。 液氮低温冷冻是将废旧轮胎块从料斗送入冷冻箱，利用液氮冷冻剂将温度降 至7 0 - - 1 0 0 ，碎胶块在此低温下脆化后，进入盘式粉碎机粉碎，再进行二次粉 碎，便可形成精细胶粉。 此技术的核心是冷冻，因胶粒只有在足够低的温度下，经充分换热大幅度降 低弹性后，才能进行有效地细碎。且作为冷冻剂液氮其价格目前为止非常昂贵， 这样就大大制约了精细胶粉的生产。也不利于推广应用。 空气涡轮制冷直吹连续式速冻胶管技术( a t c g 法) 取代了液氮冷冻装置， 该技术够关键设备是空气涡轮膨胀机，它是一种使空气压力位能转变为轴功率输 出而降温的高速旋转制冷装置，具有结构简单、效率高制冷速度快等优点，尤其 适用于制冷温度低于6 0 的深冷工程。 空气涡轮制冷工艺流程见图( 2 3 ) 所示。来自负荷压气机的空气进入空气 压缩机增压，经降温、净化、干燥处理后进入回冷换热器进一步降低温度，随后 送入涡轮膨胀机进行膨胀制冷，空气温度可降至1 0 0 以下，将此低温空气送入 胶块冷冻室和低温粉碎机与胶粒换热，使胶粒硬化而粉碎。换热后的空气温度仍 很低，为了充分利用这部分冷量，把它引入回冷换热器作为冷源来冷却进入涡轮 膨胀机的空气，使系统温降能力大大提高，形成良性循环。最后，空气经附和压 缩机再进入空气压缩机，整个系统形成闭式循环。 1 4 第二章橡胶沥青生产工艺 图2 3 空气涡轮制冷的工艺流程图 f i 醇3t h ep r o c e s so f a i rt u r b i n er e f r i g e r a t i o n 空气涡轮制冷的特点如下： ( 1 ) 采用闭式循环，使空气在制冷系统内循环，补气量小，空气干燥净化 所消耗的能量小。 ( 2 ) 采用回冷循环回收冷空气的冷量，大大减小了空气制冷机冷量的不可 逆损失，提高了实际制冷系数。 ( 3 ) 胶粒冷冻硬化后能否被粉碎成6 0 目以上细度胶粉，取决于低温粉碎机 的性能。采用新研制的挤压剪切粉碎方式的粉碎机，实践证明，该设备有很强的 粉碎能力。 ( 4 ) 采用了与制冷量相适应的、高效率的涡轮机、并多次改进了空气轴承 的结构。 一 ( 5 ) 冷冻室的设计是关系到胶粒能否被冷冻硬化的关键步骤。鉴于橡胶的 导热系数很低，将冷冻室分为预冷和主冷室两部分。预冷室设计成气固换热效率 高的移动床型热交换器；主冷室内，组织气流以一定的速度喷射胶粒，使胶粒呈 沸腾状，增大换热面积，这种强制对流换热方式的传热系数比液氮的自然对流换 热大大提高。 ( 6 ) 选用经重大改进的离心筛分机和叶轮分级机组合使用，以对高粘弹性 的胶粉进行分级。 溶液粉碎法 一般来说，常温粉碎法生产的胶粉粒度在5 0 目以下；低温粉碎法生产的胶 粉粒度在5 0 2 0 0 目；溶液法生产的胶粉粒度在2 0 0 目以上。溶液粉碎法生产 第二章橡胶沥青生产工艺 1 5 胶粉最具代表性的是英国橡胶与塑料研究协会( r a p r a ) 开发的称之为r a p r a 法的生产胶粉新工艺。该法分三步进行，第一步是废橡胶粗碎，第二步是使用化 学药品或水对粗胶粉进行前预处理，第三步将预处理后的胶粉投入圆盘胶体磨粉 碎成超细胶粉。 除上述三种主要方法外，近年来还出现了一些特殊的粉碎方法。如俄罗斯罗 伊工艺实验室开发的利用臭氧处理回收废旧轮胎。此外，还有高压爆破法和定向 爆破法。 2 2 2 实验室用橡胶沥青的制作工艺 设备 高剪切混合乳化机( 上海尚贵机械电子有限公司制造，如图2 4 所示) ，可 控温加热器、搅拌锅、天平、温度计、玻璃棒、易拉罐。 制作流程 利用废胶粉改性沥青，虽然工艺比较简单，但是一个非常重要的因素，每个 环节必须严格控制，橡胶粉改性沥青的制作流程如图2 5 所示。 l 沥诲脱水 il 睃胶粉烘干 l ij l 称取定缝脱水沥青 l 称取定 i | 烘干沥青 i l 将定：鬟| 的脱水沥街绷入搅拌桶中加热 主，r 图2 5 橡胶粉改性沥青的制作流程 f i g2 5t h ep r o c e s so f a s p h a l tr u b b e r 流程控制 橡胶粉沥青材料实际上也是一种改性沥青。室内试验制作小试样样品时，般 1 6 第二章橡胶沥青生产工艺 均遵循这样的原则：小试样样品的制作工艺应尽可能与施工现场的实际加工工艺 一致；技术性能应与施工现场生产的产品基本相符。在此次科研过程中，我们引 进了一台上海尚贵机械电子有限公司生产的敞口式实验室用高剪切混合乳化机， 其原理是通过高速剪切把橡胶粉剪碎、分散于沥青中形成橡胶粉沥青。所以，它 能够真实模拟施工现场生产橡胶粉沥青材料的实际情况。 前期准备工作阶段： 1 ) 胶粉烘干时一定要把握温度【2 4 1 ，温度太低，胶粉中的水分不易除尽，温 度太高，可能会破坏胶粉的空间网状结构，烘干温度最好定在1 1 0 为宜。 2 ) 沥青脱水的目的是在沥青加热时不会出现溢锅现象，以免引起火灾。另 外也为后面的工作做好准备。 在试验搅拌过程中： 1 ) 在称取定量脱水基质沥青加热时，也一定要注意温度，应在沥青的闪点 以下。本次试验所用的沥青的闪点为2 3 0 c 1 2 5 1 ，基质沥青加热温度加热至1 8 0 c 。 2 ) 胶粉加入热的沥青中时，一定要边搅拌边加入，以防产生喷溅伤人。 3 ) 开动搅拌机搅拌时，速度应由慢到快，使转速逐渐稳定下来。在这一环 节中，搅拌温度必须控制严格，一般在1 9 0 c 2 1 8 - ( 2 t 2 引。 4 ) 要控制好搅拌时间，橡胶屑颗粒应在上述高温的基质沥青中至少反应 4 5 m i n ，使他们充分溶胀，但仍保持着固体颗粒的核心。 试验后期试样准备阶段： 搅拌以后的沥青进行二次脱水的目的是将搅拌时混入改性沥青中的水汽排 出，以免影响性能的测试结果。 2 3 结论 橡胶沥青制备过程中应注意：当基质沥青加热至1 8 0 。c 后，将橡胶粉缓慢倒 入基质沥青中，切忌倒在喷头上( 以免橡胶粉成团堵塞剪切仪) ，同时不要急于 启动高速剪切仪，而是要边倒边搅拌，至分散均匀了再启动高速剪切仪。 第三章橡胶沥青试验方案及结果分析 1 7 第三章橡胶沥青试验方案及结果分析 3 1 概述 橡胶沥青的技术指标对工程应用十分重要，若生产不当对橡胶沥青混合料的 性能影响很大。如当反应时间过少时，橡胶沥青中存在着较大的胶粉积聚团体， 沥青胶体结构中的分散相大部分没有与胶粉结合形成稳定体系。当搅拌时间太长 时，溶胀引起的橡胶颗粒体积增加与脱硫降解导致的橡胶颗粒的体积减小处于不 平衡状态时，粘度会降低。由此可见控制好橡胶沥青的技术指标是保证生产出性 能优良的橡胶沥青混合料的前提。本章主要探讨了搅拌时间，橡胶沥青目数和掺 量对橡胶沥青性能的影响。 3 2 原材料性能检测 3 2 1 基质沥青 基质沥青的性能直接影响橡胶沥青的性能，尤其是橡胶粉掺量较低时。本研 究采用了中海7 0 # a 级基质沥青作为改性对象，经实验测定基质沥青的针入度、 延度，软化点等物理性能进行了测定，结果见表3 1 。 表3 1 中海7 0 # a 级沥青技术指标检验结果 t a b l e3 。lq u a l i t yi n d e x e so fz h o n g h a i 7 0 # a s p h a l t 1 8 第三章橡胶沥青试验方案及结果分析 3 2 2 橡胶粉 橡胶沥青所用的橡胶粉应由废旧轮胎和高天然橡胶含量的橡胶屑组成。废轮 胎橡胶粉应是通过常温磨碎或粒化方法制成的细颗粒的橡胶碎屑。废轮胎的来源 应是轿车轮胎与卡车轮胎打磨废料的组合。橡胶粉不应含有钢丝、纤维和其它杂 质，并且应是足够干燥的，以防止与高温沥青搅拌时发生泡沫。 根据国外研究成果橡胶粉的性质是影响橡胶沥青性能的一个关键因素，橡胶 粉的性质主要取决于橡胶粉的物理性能和化学成分。根据过去经验