（道路与铁道工程专业论文）废旧轮胎橡胶粉双复合改性沥青及混合料性能研究.pdf

i t u m i n o u sf o rc r u m b r u b b e rc o m p o s i t em o d i f i e da s p h a l t b y l i x i a n g b e ( h e i l o n g j i a n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y ) 2 0 0 6 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e rof e n g i n e e r i n g d i s c i p l i n eo fr o a da n dr a i l w a ye n g i n e e r i n g c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i uz h a o h u i a p r i l ，2 0 11 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 巷扭 日期：a 铲年r 月7 日 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 权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打叶) 作者签名： 导师签名： 绣丝日期珈j f 年r 月谚日 溯1 ：9 矛吣、蝴日 车产量与销量也在不断的攀升，这 也给许多国家带来了巨大的经济效益，但随之而来更为严重的问题就是废旧轮胎 的处理，同时此种问题已经对某些国家造成了不小的影响，并且在高度重视环保 节能的今天，各个国家已经把废旧轮胎的处理问题已经列为关系到民生的、保护 环境的大事。 近些年来，各国许多领域的研究人员已经着手开始研究对废旧轮胎的处理与 利用，都在从不同的角度去研究如果把废旧轮胎变废为宝。同时公路界的相关研 究人员发现将废旧轮胎经过加工并与沥青通过某种方法进行融合可以得到性能 更好的沥青，称之为改性沥青。此种改性沥青及沥青混合料对提高其高稳定性、 水稳定性、低温抗裂性等其它性质有很大的帮助。本文延续了这个研究角度，在 原有的沥青研究基础之上，并且借鉴了湖南衡炎高速公路与湖南常吉高速公路的 先进经验，通过对废旧轮胎橡胶粉+ d o m i x 双复合改性沥青的相关研究，从而进 一步改善沥青本身及其混合料的路用性能，包括高温稳定性、水稳定性等性质。 本文通过相关工程的成功经验的借鉴，通过掺入d o m i x 来进一步研究其相 关性能并与胶粉改性沥青和s b s 胶粉改性沥青进行试验对比找到其中的优劣， 并为此种改性沥青材料能进一步在工程上得到广泛的应用打下坚实的理论基础。 关键词：废旧轮胎橡胶粉双复合改性沥青；沥青混合料；高温性能；室内试验；配 合比 a bs t r a c t w i t ht h e g r a d u a lr e c o v e r yo ft h eg l o b a le c o n o m y ，e a c hc o u n t r i e s sc a r p r o d u c t i o na n ds a l e sa r er i s i n gc o n s t a n t l y ，i ta l s ob r o u g h tg r e a tm a n yc o u n t r i e s ， e c o n o m i cb e n e f i t s ，b u tf o f l o w e dam o r es e r i o u s p r o b l e mi st h ed i s p o s a lo fw a s t et i r e s t h es a m et i m e ，s o m ec o u n t r i e st h i sp r o b l e mh a sb e c o m en o tas m a l le f f e c te a r l y s o h i g hp r i o r i t yo ng r e e ne n e r g yt o d a y ，a l lc o u n t r i e sh a v et od e a lw i t ht h ep r o b l e mo f w a s t et i r e sh a v e b e e nc l a s s i f i e da sr e l a t e dt o p e o p l e sl i v e l i h o o d ，e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o ne v e n t i nr e c e n ty e a r s ，c o u n t r i e si nm a n ya r e a sb e g a nt os t u d yr e s e a r c h e r sh a v es t a r t e d o nt h et r e a t m e n ta n du s eo fd i s c a r d e dt i r e sa r ef r o mad i f f e r e n tp e r s p e c t i v ei nt h e s t u d yi ft h ew a s t et i r er e c y c l i n gp o r o a ds e c t o rr e s e a r c ha l s of o u n dt h a tt h e p r o c e s s e dw a s t et i r e sa n dt h ea s p h a l ta r ef u s e di ns o m ew a yb e t t e rp e r f o r m a n c ec a l l b ea s p h a l t ，c a l l e dt h em o d i f i e d a s p h a l t s u c hm o d i f i e da s p h a l ta n da s p h a l tt o i m p r o v ei t sh i g hs t a b i l i t y ，w a t e rs t a b i l i t y ，l o wt e m p e r a t u r ec r a c kr e s i s t a n c ea n do t h e r p r o p e r t i e so fg r e a th e l p t h i sa r t i c l ec o n t i n u e st h er e s e a r c hp e r s p e c t i v e ，i nt h e o r i g i n a ls t u d yb a s e do nt h ea s p h a l ta n dd r a w so nh i g h w a ya n dh u n a nh u n a nh e n g y a nj ic h a n ga d v a n c e de x p e r i e n c eo ft h eh i g h w a y ，t h r o u g ht h ew a s t et i r er u b b e r p o w d e r + d o m i xd u a lc o m p o u n dm o d i f i e da s p h a l tr e l a t e dr e s e a r c ht of u r t h e r i m p r o v ei t s e l fa n di t sm i x t u r eo fa s p h a l tp a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，i n c l u d i n gh i g h t 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 ya n do t h e rp r o p e r t i e s i nt h i sp a p e r ，t h es u c c e s s f u le x p e r i e n c eo ft h er e l e v a n tr e f e r e n c ew o r k s ，t h r o u g h t h ei n c o r p o r a t i o nd o m i xt of u r t h e rr e s e a r c hr e l a t e dt op e r f o r m a n c ea n dw i t ht h e c r u m br u b b e rm o d i f i e da s p h a l ta n ds b sm o d i f i e db i t u m e nc o m p a r e dt oe x p e r i m e n t t of i n do n eo ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，a n ds u c hm o d i f i e da s p h a l tm a t e r i a l c a nf u r t h e rb ew i d e l yu s e do nt h ep r o je c tt ol a yas o l i dt h e o r e t i c a lb a s i s k e yw o r d s ：c r u m bt i r er u b b e rp o w d e rb o t hc o m p o s i t em o d i f i e da s p h a l t ， a s p h a l tm i x t u r e ，h i g h - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ，i n d o o rt e s t ，m i x p r o p o r t i o n 1 ：! 2 1 2 2 国内研究概况4 1 3 主要研究内容与技术路线6 1 3 1 主要研究内容一6 1 3 2 技术路线7 第二章废旧轮胎橡胶粉双复合改性沥青试验性能研究 2 1 原材料性能试验9 2 1 1 基质沥青技术性能9 2 1 2 沥青改性剂9 2 1 3 集料1 1 2 2 废旧橡胶粉复合改性沥青的制备1 2 2 2 1 复合改性沥青的制备流程1 2 2 2 2 复合改性沥青的配方设计1 3 2 3 复合改性沥青的性能试验1 3 2 3 1 废旧轮胎橡胶粉改性沥青试验研究1 3 2 3 2 胶粉+ d o m i x 复合改性沥青试验1 7 2 3 3 胶粉+ s b s 复合改性沥青试验2 l 2 4 本章小结2 7 第三章废1 日轮胎橡胶粉双复合改性沥青混合料路用性能试验研究 3 1 废旧橡胶粉双复合改性沥青混合料配合比设计2 9 3 1 1 橡胶沥青混合料矿料级配分析2 9 3 1 2 橡胶沥青混合料配合比设计要求3 7 3 1 3 橡胶沥青混合料生产配合比设计及验证4 0 3 2 高温稳定性试验分析4 3 3 3 水稳性能试验分析4 7 3 4 本章小结5 0 第四章胶粉双复合改性沥青实体工程应用 4 1 实体工程概况5 3 4 5 本章小结6 2 第五章结论与展望 5 1 主要结论6 5 5 2 仓0 新点6 6 5 3 研究展望6 6 参考文献6 9 致谢7 2 附录a 攻读学位期间发表论文目录7 3 附录b 参加的科研项目7 4 3 3 4 4 5 6 7 9 5 5 5 5 5 5 5 5 1 t r 一章绪论一早珀v 匕 随着全球汽车产量与销售量的不断攀升，汽车更新换代的速度也越来越快， 这样就导致了大量汽车废旧轮胎的出现，废旧轮胎如果处理不当，不但会对环境 造成很大的影响，同时还会对安全带来隐患，所以对于废l e t 轮胎的处理也成了各 国相关人士所关心的问题。废旧轮胎具有很强的抗机械性和抗热性，并且很难分 解。意大利就深受其害致使受污染的农田、森林和城市荒地面积加起来有英国的 威尔士那么大。由此可见，废轮胎橡胶所带来的环境问题已经非常严峻【l 】。寻求 到一种合理处理与解决废旧轮胎的方法已经成了目前刻不容缓的问题。相关研究 发现废橡胶与沥青相结合可以很好的应用于高速公路，既可以收到可观的环境效 益，而且对高速公路性能有一定的改善，延长路面的使用寿命。 最近几年，为了更加科学、合理的利用废旧轮胎橡胶，相关人员已经致力于 研究废旧轮胎橡胶在道路中的应用，经过研究发现，废旧轮胎经过相关的处理并 且通过一定的工艺与沥青相互结合生产出了改性沥青，此种沥青用于公路建设 中，可以很大程度上的提高沥青路面的路用性能，这其中包括高温稳定性、低温 抗裂性，而且在延缓反射裂缝的产生、降低公路路面噪音、抵抗气候变化、增强 承载重交通量也有很明显的优势【2 l 。为了尽可能的把这种材料应用到公路行业， 提高其利用率，起到变废为宝的作用，我国在这方面组织了大量的相关人员予以 研究，并且成果显著。 本论文重点研究废i e l 轮胎橡胶粉改性沥青经过一次复合和双复合后沥青本 身性能的变化和其沥青混合料的变化，与相关实体工程相互比较得出本文的最终 结论。由于环境问题已经成为了目前的热门话题，所以对于废1 日轮胎橡胶的合理 再利用备受关注，则本文有着深远的应用前景和研究意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究概况 在国际上对于废旧橡胶粉的研究着手的比较早，已经有一百余年的历史。其 目前的研究主要应用在橡胶粉改性沥青、乳化橡胶粉改性沥青、橡胶粉改性沥青 混凝土、基层中的橡胶粉颗粒等公路行业的技术领域中。 由于沥青与橡胶粉的化学成分有着本质的区别，同时沥青与橡胶粉都有很强 的惰性，沥青与橡胶粉混合后主要以融胀反应为主，它们之间除了简单的物理填 充之外，并没有完全发生化学反应，而是处于一种共存的物理状态，此种状态为橡 胶粉与沥青的一种共混体系，同时在这种状态下对沥青的各个性能指标都有大的 提高。影响橡胶粉改性沥青性能主要有三方面：( 1 ) 橡胶粉本身的性质：( 2 ) 沥青 本身的性质；( 3 ) 两者之间共混方式。橡胶粉和沥青混合后其相互作用的本质关 系非常复杂，直至今日仍然存在各种不同看法，因此许多专家通过各自的试验方法 对橡胶粉改性沥青进行了大量的试验研究p j 。 橡胶粉改性沥青主要用于：( 1 ) 橡胶沥青混凝土；( 2 ) 应力吸收层( s a m ) ；( 3 ) 橡胶粉沥青路面的抗滑能力有了很大程度的提高。俄勒冈州采用干法和湿法分别 进行了橡胶粉改性试验路的铺设，并总结出结论如下： ( 1 ) 在沥青中掺加橡胶粉有助于增加路面抵抗低温开裂的性能； ( 2 ) 其路面的水损害比一般路面有所改善； ( 3 ) 橡胶粉的加入使得材料劈裂性能有很大的增加，但材料的模量等强度 指标有比较大的下降。 在美国诸州中佛罗里达州、加利福尼亚州、亚利桑那州和德克萨斯州等是应 用废旧轮胎橡胶粉较多的地区。i s t e a 方案共耗资5 0 0 0 万美元，对s h r p 沥青 研究计划以及沥青路面长期使用性能的研究进行精心开展。经过大量的研究与论 证，最终建立了s u p e r p a v e 体系，此体系是基于热拌混合料设计、路用性能的沥 青胶结料规范以及与分析体系相对应的计算机软件，此后s u p e r p a v e 体系被许多 国家所认可，并得到了极为广泛地推广应用。与此同时，国际上对废旧轮胎橡胶 粉研究与应用已经进入到了一个由环保理念和新技术共同支撑的新局面。在此期 间，1 9 9 0 年到1 9 9 3 年，弗吉尼亚州采用m c d o n a l d 法( 掺量约1 8 ) 和r o u s e 法 ( 掺量5 到1 0 ) 分对5 段试验路段进行铺筑1 4 1 。在经历4 年的通车后，经过 检测表明，添加废旧轮胎橡胶粉之后车辙明显要小、抗滑性能提高，但并没有改 善沥青的抗裂性能；1 9 9 0 年到1 9 9 2 年监，运输部环境与能源部相互合作下，加 拿大安大略省对1 1 段废旧轮胎橡胶粉改性沥青混合料试验路段进行铺筑，并且 总结出了一整套关于关于此种沥青的使用性能、混合料设计及生产问题、环境影 响等方面全面评估了废旧轮胎橡胶粉的路用效果。 各国目前对橡胶粉改性沥青的研究已经从摸索阶段进入到了应用阶段，2 0 世 纪6 0 年代初国际上主要要此种材料应力宇吸收层中，并且已经做了详细的技术 研究；到了2 0 世纪7 0 年代初研究方向有所拓展，开始着手研究如何将橡胶沥青 的应用延伸到应力吸收中间层；进入7 0 年代后，研究对象开始转向橡胶沥青混 凝土，并首先在开级配中使用；后期则在连续级配密实型沥青混凝土中使用橡胶 粉；到8 0 年代往后，主要研究断级配沥青混凝土中橡胶沥青的使用。如今，大 多数国家都规定橡胶沥青用于断级配沥青混凝土中。 近些年橡胶在公路方面又有新的应用，2 0 1 0 年加拿大西部城市卡尔加里在其 三个居民区开展一项环保试验计划，此计划尝试用废1 日轮胎分解成的橡胶取代混 凝土，铺设人行便道，以促进废旧轮胎的回收利用。这种橡胶路面可将水导入土 壤，从而减少阿水淤积。另外，橡胶路面还可以吸收噪音，使街道变得比较安静。 3 1 2 2 国内研究概况 随着全球经济的逐渐复苏，汽车的产量又提升到了一个新的高度，尤其对于 我国现在已经成为了汽车销量的大国。而随之而来的问题就是大量废旧轮胎的处 理，废旧轮胎之所以被国际上公认为有害垃圾，是因为大量废旧轮胎长期露天堆 放，不仅占用大量的土地，造成土地资源的浪费，而且废旧胎经过雨淋水浸、风 吹日晒，势必酿成公害。在二十纪7 0 与8 0 年间，我国为了修建高等级沥青公路 路面，势必要提高国产沥青的质量，因此同济大学最新借鉴国了外经验，对橡胶 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问题进行了研 究，并于二十世纪8 0 年代在我国江西省的贵溪县和铅山县等地最先铺筑了橡胶 沥青试验路。由于当时技术条件的制约，此种沥青只应用在路面工艺较低的等级 贯入式路面和沥青表面处置，其研究成果不适用于高等级沥青路面。因此研究只 是单纯的在小规模研究阶段，并未能在我过的公路行业得到广泛推广。 进入2 0 世纪9 0 年以来，鉴于废旧轮胎橡胶在道路建设行业中所蕴含的市场 前景，许多公司也纷纷加入到了废旧轮胎橡胶粉加工行业中来，使得橡胶粉加工 技术得到大大提高，8 0 目甚至更细的橡胶粉均能实现工业化生产。再次期间，国 内诸多研究机构也对橡胶粉复合沥青开始着手进入细致的研究阶段，其中哈尔滨 工业大学使用室内试验的方法对橡胶粉改性沥青本质性能进行评价、江苏石油化 工学院对橡胶粉改性沥青的加工工艺作了深入且细致的研究、华东冶金学院则对 橡胶粉与煤沥青相结合的性质进行了大量的研究、辽宁省交通科研所对橡胶改性 乳化沥青的路用性能进行了研究，并试成功验用于稀浆封层的施工。在上个世纪， 粗放式资源投入作为国家的主要生产政策，并未对环境问题做深入考虑，橡胶沥 青的应用方面未建立良好的政策环境。在此期间，我国对橡胶沥青研究工作并未 做大量的研究，试验项目一般采用试验单一传统的土法工艺，也没有借鉴国外的 先进经验与技术，所以整体性突破工业化应用的装备严重不足。于此同时，高聚 物改性沥青则经历了装备工业化生产、工业化整合和引进国产化，迎合了重载交 通对路面的市场需求，因此迅速成为改性沥青市场的主角【5 1 。 我国高速公路发展迅速，特别是在上世纪九十年代初期，已经达到了迅猛发 展的阶段，但在沥青路面方面，其质量没有明显的提高。2 0 0 1 年底，在西部开发 交通科技项目中，交通部决定设立相关的废旧废胎胶粉筑路材料研究项目，我国 4 开始重视起来，这是国内第一次对路用 橡胶粉产业化的综合性研究，该研究课题主要由交通部公路科学研究院负责，包 括同济大学、长沙理工大学以及四川、贵州、广东、山东、河北等省的公路部门 等单位，研究实验对象为铺筑近3 0 k m 的各种工艺的橡胶改性路面。实验借鉴了 国外相关经验理论，从几个方面着手研究，主要包括橡胶沥青的技术指标及废胎 胶粉的路用标准、混合料生产加工工艺、以及橡胶沥青混合料的配比设计方法、 橡胶沥青路面的设计体系，质量管理控制体系，通过系统的、大规模的室内外试 验研究【6 j ，总结经验教训，主要研究成果如下。 ( 1 ) 研究废橡胶粉路用的主要技术指标。研究采用电镜等高科技手段，对不 同粉碎工艺橡胶粉、不同目数的微观形状进行了系统的分析，提出一种适合于路用 橡胶粉的新的粉碎工艺手法。借鉴国外成功研究经验，重点研究了橡胶粉的天然 橡胶含量和纤维含量与橡胶沥青混合料性能的关系，综合一些国外研究经验以及 室内试验的研究结果推荐了适合我国路用硫化胶粉的技术指标。 ( 2 ) 研究橡胶沥青的主要技术指标。用美国s h r p 试验和国内常规试验对一 些沥青指标的性能进行了试验研究，全面的研究了橡胶粉的掺入对沥青性能的影 响( 包括弹性性能、抗老化性能、高低温性能等) ，并确定了废橡胶粉的目数、 胶源、掺量、加工工艺以及基质沥青对橡胶沥青性能的影响程度。根据国外成功 研究经验，结合当前我国的具体国情，通过大量室内试验研究后，最终推荐出了 适合我国的橡胶沥青主要技术标准。 ( 3 ) 分析研究橡胶沥青混合料力学性质、路用性能及其物理性质。进行了全 套橡胶沥青混合料试验( 包括冻融劈裂试验、低温弯曲试验、疲劳试验、浸水马 歇尔试验以及车辙试验) ，对橡胶沥青混合料的配合比设计进行了研究；对橡胶 沥青混合料马歇尔试验指标进行了分析研究；根据混合料试验结果，对橡胶沥青 混合料的路用性能开展了研究( 包括疲劳性能、水稳性能、低温性能以高温性能 及) ；并对橡胶沥青混合料的力学作用机理进行了研究。综合对橡胶沥青混合料 的工作性能及其力学作用机理的研究结果，推荐出了橡胶沥青混合料适合我国的 主要技术标准。 ( 4 ) 研究了针对橡胶沥青混合料生产工艺。分别在山东、河北、贵州、四川、 广东等地铺筑了总长约3 0 k m 的试验路段，覆盖了轻冰冻地区、西南地区、华南 地区等三个气候片区。使用过的橡胶粉掺量有三种，分别是：外掺1 0 、2 0 和 3 0 ；橡胶粉目数有三种，分别是：4 0 目、8 0 目、1 2 0 目；添加工艺有两种，分 5 别是：机械添加法和人工添加法；混合料级配六种，分别是：s a c l 6 、s a c l 0 、 s m a l 0 、s u 2 p 1 0 、s m a l 3 以及o g f c l 0 等；四种公路等级，分别是：城市道路、 高速公路、一级公路和二级公路。针对施工实践经验进行了具体、全面的分析研 究，通过总结施工经验，推荐出了适合我国的橡胶沥青混合料施工设计技术指南。 为我国今后大规模推广在道路工程中应用橡胶沥青技术打下了坚实的基础。2 0 0 4 年7 月该研究项目经交通部验收鉴定，研究成果总体达到国际先进水平【7 】。 2 0 0 4 年，研究机构与企业通过整合上海交大材料学科与国际橡胶路面协会 ( r p a ) 的资源，开始运作橡胶沥青产业化项目。广东省金邦公司拉开了我国橡胶 沥青生产工业化时代的序幕，美国橡胶沥青移动式加工装备及其附属施工设备由 其首次引入国内。 湖南省交通部门在2 0 0 5 年分别在岳阳市省道、邵阳市市政道路等地进行了 相关的改性沥青复合胶粉混合料试验路。2 0 0 8 年湖南公路路面典型结构及修筑 技术相关课题组于作了8 k m 试验路，地点位于常吉高速公路。课题组在2 0 0 9 年，又在衡炎高速公路段铺装了扩大试验路，路段长约5 8 k m ，课题组主要采用 橡胶沥青和德国巴塞尔集团公司生产的d o m i x 进行干法与湿化双工艺复合改性， 试验路段位于于衡炎高速公路2 2 合同段和2 4 合同段，于2 0 0 9 年9 月底全部完 工。湖南公路路面典型结构及修筑技术【lo 】相关课题组在衡炎高速公路扩大试 验路铺装过程中共进行了3 3 1 3 组次室内试验及现场取样检测，检测点取样为每 1 0 0 m 路面承载板取一点，检测总长为1 2 k m ，因此检测和试验量较大，课题组通 过进行控制整个试验路的铺装材料( 胶粉复合改性沥青以及橡胶沥青及其混合 料) 的现场路用性能指标，以及研究胶粉复合改性沥青和橡胶沥青混合料骨料级 配范围、主要跟粗集料骨架级配相关的验算方程组以及关键过筛率范围，形成了 相关的成套的施工工艺和技术规程，并编写了专门的施工工法。 1 3 主要研究内容与技术路线 1 3 1 主要研究内容 本文主要研究如果提高沥青的抗高温的能了，原有研究的废旧沥青橡胶混合 料在抗车辙方面有了很大的提高，但并不能完全适应我国南方夏季高温气候的应 用，原有材料对于抗高温方面有一定的提高，尤其我国目前的高速公路交通量日 6 的本质出发，同时参加s b s 、 d o m i x 改性剂，通过室内试验的方式，以废旧轮胎橡胶粉复合改性沥青分别与三 种改性剂参合的实验数据做系统对比，从社会效益、经济效益的角度综合考虑， 找到更好的能抵抗高温性能的复合改性沥青，同时本论文借鉴了衡炎高速公路废 旧轮胎橡胶粉复合改性沥青的应用，以此作为经验，来对此三种复合材料进行研 究，从而得出其中的最佳结果。 1 3 2 技术路线 本文从基质沥青的本身入手来复合废旧轮胎橡胶粉，从而提高了沥青结合料 的性质，并且为了适应我国南方夏季高温气候的影响，提高沥青本身的抗高温性 能，通过参加改性剂的方式来寻求到更好的沥青材料，主要技术路线如下 1 废旧轮胎橡胶粉复合改性沥青的制备：本文通过一次掺配法中的混融法，使 用高速剪切设备对沥青进行融合。根据衡炎高速公路的成功经验，本文拟定设备 融合转速为5 0 0 0 r p m ，融合温度1 8 0 。 2 废旧轮胎橡胶粉复合改性沥青性能试验研究：根据衡炎高速公路路面的成功 经验，同时本论文又根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 的要求，决定对基质沥青和复合改性沥青进行针入度、软化点、延度、布氏粘度 试验，并通过试验数据的对比分析，确定复合改性沥青最佳用量。 3 废旧轮胎橡胶粉复合改性沥青混合料路用性能试验研究：本论文借鉴了衡炎 高速公路混合料配比的成功经验，选取了最佳组合以及衡炎高速公路废旧轮胎橡 胶粉+ d o m i x 的配方进行混合料试验，其中包括沥青混合料高温性能与沥青混合料 水稳定性能，并且试验对比判定其优异情况。 4 本论文介绍了衡炎高速公路实体工程情况，同时还从经济角度出发对废旧 轮胎橡胶粉复合改性沥青进行了阐述，同时说明了其社会效益以及其应用前景展 望。 7 8 2 1 原材料性能试验 2 1 1 基质沥青技术性能 试验性能研究 本论文选取的基质沥青为a 7 0 沥青，根据现行规范的要求选取2 5 时的针入 度、1 5 的延度、软化点和1 5 沥青密度进行检测，具体试验结果见表2 1 。 表2 1壳牌7 0 # 沥青的主要技术性质 具体试验项目 试验结果控制指标 针入度( 0 1 m m ) 6 86 0 8 0 延度( e r a ) 1 5 5术1 0 0 软化点( )5 0 4 7 针入度指数 o 8 91 5 + 1 o 密度1 5 c ( g c m 3 ) 1 0 1 3 基质沥青的试验结果均满足规范的要求。 2 1 2 沥青改性剂 沥青改性剂就是在沥青中加入天然或人工材料可以与沥青相互融合，从而起 到改善沥青本身性能的作用。为提高基质沥青的高温稳定性能，本文选择废橡轮 胎胶粉、d o m i x 、和s b s - 一- - 种沥青改性材料。 1 废旧轮胎橡胶粉：此材料为本论文基质沥青主要掺配改性材料、加工后呈 粉装，其颜色为黑色。如图2 1 所示。 图2 1 废旧轮胎橡胶粉 9 2 d o m i x ( 多米克斯) 是德国巴赛尔集团推出的第二代沥青道路抗车辙产品 r i o ，为表面呈灰黑色的固体颗粒。适用于各类型沥青混合料中，高效的改善沥青 混合料的性能。d o m i x 有如下特性：提高路面高温抗车辙性能、提高路面抗疲劳 性能、提高路面低温抗裂性能、提高水稳定性能。如图2 2 所示。 是种多相结构的热塑 如图2 3 所示。 所选用的粗集料为玄武岩。玄武岩的主要成份是二氧化硅、三氧化二铝、氧 化铁、氧化钙、氧化镁( 还有少量的氧化钾、氧化钠) ，其中二氧化硅含量最多， 约占百分之四十五至五十左右。如图2 4 所示。 图2 4 碎石、玄武岩 针对粗集料，根据规范的要求，选取了压碎值、洛杉矶磨耗值、坚固性、软 石含量、针片状含量、粘附性指标进行试验。具体试验数据如表2 2 所示。 表2 2 玄武岩集料试验结果 技术指标 试验结果技术要求 压碎值( ) 1 5 8牛2 6 洛杉矶磨耗损失( ) 1 4 6牛2 8 坚固性( )2 9牛1 2 软石含量( ) 2 4 牛3 针片状颗粒含晕( ) 5 6丰1 2 与改性沥青的粘附性( 级) 5术5 在沥青混合料中，细集料是指粒径小于2 3 6 m m 的天然砂、人工砂( 包括机制 砂) 及石屑。表2 3 为细集料及矿粉试验结果 表2 3 细集料及矿粉试验结果 技术指标实测值规范要求 细集料砂当量( )8 9 2术6 0 矿粉表观密度( g c m 3 ) 2 6 6 5卡2 5 矿粉含水量( ) 0 3牛1 缈 k 2 2 废旧橡胶粉复合改性沥青的制备 2 2 1 复合改性沥青的制备流程 为使改性剂与基质沥青充分混融，拟定转速5 0 0 0 r p m ，本次研究所选用的改 性工艺如下： 1 ) 采用相应的设备将基质沥青加热到相应的温度，一般为1 7 0 c 左右； 2 ) 将改性剂s b s 和胶粉分别加入到已经准备好的基质沥青中，并加以不停的 人工搅拌1 0 m i n 1 5 m i n 进行融合； 3 ) 用高速剪切仪( 如图2 5 所示) 连续剪切l5r a i n ，其剪切时的温度应该控 制在1 7 0 1 8 0 范围内； 4 ) 将剪切后的材料放入烘箱中发育，一般时间为l5m i n ，温度为l7 5 ； 5 ) 然后继续剪切1 0r a i n ，温度控制在1 7 0 l8 0 温度范围； 6 ) 最后放入烘箱中静置6 0r a i n ，温度控制在1 7 5 c 则制备完成【7 1 。 图2 5 高速剪切仪 废旧轮胎橡胶粉复合改性沥青制备工艺流程图如图2 6 ： 图2 6 废橡胶粉复合改性沥青制备工艺流程图 1 2 借鉴了衡炎高速公路废旧轮胎橡胶粉复合改性沥青使用的成功经验，并因为 废旧轮胎橡胶粉+ d o m i x 双复合改性沥青的掺配工艺与其他改性沥青不同，最终决 定选取更有代表性的s b s 胶粉改性沥青做组合配方设计，并且通过配方试验找到 废旧轮胎橡胶粉复合改性沥青的最佳组合。 2 3 复合改性沥青的性能试验 2 3 1 废旧轮胎橡胶粉改性沥青试验研究 废旧轮胎胶粉改性沥青是基质沥青掺配一定比例的废旧轮胎橡胶粉，经充分 溶胀通过剪切工艺加工成胶粉改性沥青。胶粉改性沥青具有抗老化、抗疲劳、粘 度高、抗裂缝等优良性能。目前胶粉改性沥青已在世界其他国家得到广泛的应用， 如美国已建胶粉改性沥青公路1 3 万公里，我国近年在交通部大力倡导下已经开始 对胶粉改性沥青在路面上的应用进行大面积的推广。 橡胶沥青的改性机理是：沥青材料的组成主要是油分、树脂和沥青质三部分 构成，在一定高温条件下，胶粉掺入热沥青，废旧轮胎橡胶粉与沥青进行混合并 搅拌，在机械力和热能的相互作用下，沥青中的油分被橡胶颗粒充分吸收并溶胀， 同时生胶的性质部分得以恢复并重新具有了粘性；胶粉属于高分子聚合物，与沥 青的分子结构形态、链的长短和极性等较为相似，所以两者有很好的相溶性，两 者可在沥青中形成一种共轭结构，从而调节和改进沥青的结构力学性质。混溶后， 胶粉固体颗粒呈交联网状结构，耐热性和热稳定性较好，表现为针入度降低，软 化点升高【7 1 。 将胶粉加到a 7 0 号石油沥青中，考虑不同的掺量，对沥青主要技术指标进行 了实验，结果如图2 7 2 1 0 所示。 1 ) 针入度与橡胶粉掺量关系 1 3 1 2 0 一- 、 曼1 0 0 t - 一8 0 o6 0 、- ， 橡胶粉掺量( ) 图2 7 针入度与胶粉掺量关系 由图可知，随橡胶粉掺量增加，沥青针入度降低；且橡胶粉对沥青针入度的 影响在温度较高时影响更为显著，温度较低时则影响程度不大。 2 ) 软化点与胶粉掺量关系 7 0 ，一、6 5 p 、一6 0 婶5 5 餐亡n a u 4 5 + 软化点( ) o5 橡胶粉掺量( ) 图2 8软化点与胶粉掺量关系 由图可知，软化点随着胶粉的含量增加而增大；当橡胶粉掺量低于1o 时， 沥青的软化点随着橡胶粉含量变化更显著；当橡胶粉含量超过1 0 时，改性沥青 的软化点增大幅度减缓。 3 ) 延度与胶粉掺量关系 1 4 o51 01 5 橡胶粉掺量( ) 图2 9 延度与胶粉掺量关系 由图可知，沥青1 5 c 及2 5 。( 2 延度显著下降，胶粉改性沥青的延度呈粗大断口， 延度自然较小；5 c 延度随胶粉掺量增加而增大，可见对沥青的低温延性有改善。 4 ) 弹性恢复与胶粉掺量关系 一8 0 琶7 0 鉴6 0 蛆5 0 教4 0 3 0 0 5 1 0 1 5z 0 橡胶粉掺鼍( ) 图2 1 0 弹性恢复与胶粉掺量关系 由图可知，沥青的弹性恢复随着橡胶粉的含量增加而基本上呈线性增大，这 与橡胶粉的弹性性质是吻合的。 5 ) 粘度试验 实测1 8 0 c 温度条件下橡胶沥青的粘时曲线，如图2 1 1 2 1 3 所示。 1 5 图2 11橡胶沥青时间一旋转粘度曲线( 1 8 0 c ) 根据生产现场实测的橡胶沥青的粘时曲线，选择1 8 0 温度条件下的橡胶沥 青溶胀、发育过程中的时间段进行使用，是控制橡胶沥青使用时旋转粘度、针入 度、软化点、5 c 延度、弹性恢复等指标及混合料高、低温性能及其他技术指标 的关键。 图2 1 2 橡胶沥青胶粉掺量与旋转粘度关系曲线( 1 8 0 ) 一般而言，橡胶沥青在1 8 0 c 的粘度在2 5 5 0p a s 时技术指标及施工性能都 较好，由1 8 0 c 橡胶沥青旋转粘度与胶粉掺量的曲线图也可验证，胶粉掺量在外 掺1 5 2 5 时较为合适。在这一范围内可依南高北低的原则，根据工程的实际来确 定合适的掺量。 1 6 图2 1 3 橡胶沥青粘度与温度的关系( 胶粉掺量2 0 ) 在橡胶沥青的制作过程中，其胶粉在沥青中的分散、融胀、发育连续进行的 情况下，橡胶沥青加入拌和站进行混合料拌和的最低温度不宜小于1 7 0 。当发 育时间较长时，不宜低于旋转粘度2 5 p a s 所对应的温度。 2 3 2 胶粉+ d o m i x 复合改性沥青试验 为便于对比，将不同掺量的胶粉加到a 7 0 号石油沥青中后，考虑提高沥青混 合料高温稳定性，再加入不同掺量的d o m i x 改性剂而成为双复合改性沥青，试验 结果如图2 1 4 2 2 3 所示。 1 ) 针入度 分别进行了3 0 、2 5 、1 5 的针入度实验。由图可知，在不同温度下，随d o m i x 掺量增加，沥青针入度呈降低趋势。沥青的温度敏感性降低，沥青也变得越来越 粘稠。如图2 1 4 2 1 6 所示。 7 2 7 0 e 三6 8 o 、- ，6 6 型 一 6 4 本 6 2 6 0 一一 - - i i - - 5 胶粉 567 d o m i x 掺量( ) 图2 1 4 针入度与d o m i x 掺量关系( 3 0 ( 2 ) 1 7 粉 567 d o m i x 掺量i ) 图2 15 针入度与d o m ix 掺量关系( 2 5 c ) e e w - i o 倒 一 本 + 5 胶粉 + 1 0 胶粉 6 d o m i x 掺最i l 图2 16 针入度与d o m ix 掺量关系( 15 ) 橡胶粉， 量增加， 册 鸲 诣 锃 眈 eeov憾 1 0 0 0 5 0 0 lo o o2 5 0 5 0 0 2 5 0 及气候分区潮湿区湿润区半干区干旱区 t 0 7 0 9 浸水马歇尔试验残留稳定度( ) ，不小于 指标 8 58 0 t 0 7 2 9 冻融劈裂强度比值( ) ，不小于 指标 8 07 5 3 9 表3 1 2 d o m ix 改性沥青混合料低温弯曲试验破坏应变技术要求 气候条件与技术指标相应于f 列气候分所要求的破坏应变( 胆) 年极端最低气温( ) 9 0 气候分区 冬严寒区冬寒区冬冷区冬温区 指标 3 0 0 02 8 0 02 5 0 0 2 生产配合比设计 沥青混合料必须用电子计算机计量的间歇式拌合楼进行拌合，应按规定方法 在热料仓取样用水洗筛法测试各热料仓的集料通过率，根据各个热料仓矿料的筛 分结果，再进行级配设计，使合成级配尽量接近目标配合比设计的范围，以生产