（道路与铁道工程专业论文）橡胶沥青用于排水性沥青混合料研究.pdf

摘要 摘要 排水性沥青混合料因为具有较大空隙率，对于沥青结合料具有较高要求。将废轮胎胶粉加入沥青中 制成的橡胶沥青在各方面性质均具有较大潜力，若将其应用于排水性沥青混合料可收到经济和资源环保 效益。 本研究采用2 0 目轮胎胶粉与7 0 号道路石油沥青在室内制成橡胶沥青，通过不同胶粉用量的橡胶沥 青常规流变性质指标及s h r p 流变学指标的比较，选取最佳方案，并与排水性混合料通常采用的高粘度 改性沥青方案作比较，评价橡胶沥青的性能。对橡胶沥青方案的排水性沥青混合料进行设计与检验，评 价排水性混合料开级配对于橡胶沥青的适用性，并探讨了采用旋转压实进行橡胶沥青排水性混合料的设 计和成型的方法。通过高温汉堡车辙试验、三轴压缩试验、重复加载永久变形试验和低温劈裂试验评价 了橡胶沥青排水性混合料的实际使用性能。 研究结果表明，橡胶沥青不能满足高粘度改性沥青的要求，采用排水性混合料设计方法及旋转压实 法设计和成型的橡胶沥青排水性混合料可以满足技术要求，但其高温抗车辙性能较差。在改进之前，其 适用条件仅限于轻交通量的路面。 关键词：橡胶沥青，排水性沥青混合料，流变学指标，旋转压实，高温性能 r e s e a r c ho nr u b b e ra s p h a l tf o ru s ei np o r o u s a s p h a l tm i x t u r e a b s t r a c t d u et ot h eh i g hv o i dc o n t e n t , p o r o u sa s p h a l tm i x t u r eh a ss p e c i a lr e q u i r e m e n t st ot h ea s p h a l tb i n d e r r u b b e r a s p h a l tw h i c hi sm a d eb ya d d i n gg r o u n dt i r em b b o ri n t ob i t u m e nh a st h ep o t e n t i a li ne v e r yr e s p e e li fp o s s i b l e 。 t h eu s eo fr o b b e ra s p h a l ti np o r o u sa s p h a l tm i x t u r ew i l lc o n t r i b u t et ob o t he c o n o m i c a lb e n e f i t sa n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o na n dr e s o n n zc o n s e r v a t i o n f i r s tt h er o b b e ra s p h a l ti sm a d eb ya d d i n g2 0m e s hg r o u n dt i r er o b b e ri n t op a v e m e n tb i t u m e no f p e n e t r a t i o ng r a d e7 0 b yu s i n gd i f f e r c i l tr u b b e rc o n t e n t s 。t h eb e s tc o n t e n ti sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h e c o n v e n t i o n a lt h e o l o g i c a li n d e x e sa n dt h es h r pr h e o l o g i c a li n d e x e s t h ep r o p e r t i e so fr u b b e ra s p h a l ta m e v a l u a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h o s eo fh i g h - v i s c o s i t yp o l y m e rm o d i f i e db i t u m e n t h ep o r o u sa s p h a l tm i x t u r e u s i n gr o b b e ra s p h a l ti sd e s i g n e da n dv e r i f i e dt oe v a l u a t et h ea p p l i c a b i l i t yo fr u b b e ra s p h a l ti np o r o u sa s p h a l t i n i x t u r e t h ed e s i g n i n gp r o c e d u r ea n dm e l d i n gm e t h o do fp o r o u sa s p h a l tm i x t u r eu s i n gas u p e r p a v eg y r a t o r y c o m p a c t o ri se x p l o r e da sw e l l t h ep r a c t i c a lu s i n gp e r f o r m a n c eo fp o r o u sa s p h a l tm i x t u r eu s i n gr o b b e ra s p h a l t i se v a l u a t e de m p l o y i n gh a m b u r g e rw h e e lt r a c k i n gt e s t , t r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s ta n dr e p e a t e dl o a dp e r m a n e n t d e f o r m a t i o nt e s t0 1 1h i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o na n di n d i r e c tt e n s i l et e s to nl o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n t h ef i n d i n g ss h o wt h a tr u b b e ra s p h a l tc a nn o tl n e e tw i t ht h ec r i t e r i o no fh i g h - v i s c o s i t yp o l y m e rm o d i f i e d b i t u m e n t h ed e s i g n i n gp i d c e d u f o rp o r o u sa s p h a l tm i x t u r ea n dg 妒a t o r yc o m p a c t i n gi sp r a c t i c a b l ef o r d e s i g n i n ga n dm o l d i n gp o r o u sa s p h a l tm i x t u r ew i t hr o b b e ra s p h a l t t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sf o rp o r o u s a s p h a l tm i x t u r ec a l lb es a t i s f i e de x c e p tf o rt h ep o o rr o tr e s i s t a n c eo nh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s b e f o r ea n y f o r t h e ri m p r o v e m e n t , t h ea p p f i c a t i o no fr o b b e ra s p h a l ti np o r o u sa s p h a l tm i x t u r ew i l lb ec o n f i n e di nf i g h t v o l u m ep a v e m e n t k e yw o r d s ：r o b b e ra s p h a l t , p o r o u sa s p h a l tm i x t u r e ，t h e o l o g i c a li n d e x , g y r a t o r yc o m p a c t , h i g ht e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c e 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己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名：趟鱼垦日期：丝业3 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 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：至塑垦 导师签名：垄翌鸳二 日期：函卯所正，纩 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 改革开放三十年来，我国公路事业得到了前所未有的发展，整个公路建设进入一个以高速和一级公 路为主的阶段。截至2 0 0 6 年底，我国公路总里程达1 9 0 万公里，高速公路通车里程达4 万公里，预计到 2 0 2 0 年，公路总里程将达3 0 0 万公里，高速公路总里程将达8 5 万公里，基本适应经济增长和社会进步 的需求。在公路里程增长的同时，公路建设也越来越注重环保、安全、舒适等品质的追求。公路运输中 产生了包括气体、噪音和废旧轮胎固体废物等多种污染，高速公路雨天行车时由于路面抗滑不足和轮胎 水漂引起大量交通安全事故，行车水雾、溅水及夜间水膜的反光给道路使用者带来不适感觉，成为潜在 的不安全因素。如何从道路结构与材料设计本身去解决或减轻这些问题颇值得研究。 在日本和欧洲广泛应用的排水性沥青路面因为具有良好的使用性能，受到越来越多的重视。排水沥 青路面采用开级配大空隙沥青混合料作为表面结构层材料，在排水表层与下层之间设置防水粘结层，降 雨时由于表层较大的储水能力和垂直与侧向渗透能力，入渗的雨水迅速在排水层空隙中移动，由路面捧 水系统引出路界，因而减少了水膜、溅水，防止了轮胎水漂，提高了雨天行车的摩擦力。由于多孔介质 的空气动力学特征，排水性沥青路面也常常用作减噪路面方案，成为欧洲低噪音路面的一种标准实践形 式。由于大空隙的特点，在具有上述多种优良性能的同时，排水性沥青混合料也存在一系列的问题“1 。 首先是在交通荷载剪切作用较为集中的区域和多雨、寒冷地区雨水和冰雪作用下混合料的抗松散能力明 显不足，这主要由于排水性沥青混合料属骨架空隙结构，细料少，沥青胶浆提供的粘聚力相对较弱，如 何提高混合料的抗松散能力，并进行有效的测试和评价颇值得研究。在结合料方面，能否从我国资源环 境保护和气候、交通条件出发，发展出技术可行、经济性较佳的方案值得探讨。 我国目前排水性沥青路面的设计和施工己积累了一定的经验，并修建了较大规模的试验路。2 0 0 3 年 在西安咸阳机场高速公路修筑了1 8 k i n 排水性沥青试验段，2 0 0 6 年初调查路面状况良好。2 0 0 1 年西部交 通科技项目立题山区公路沥青排水技术的研究，该课题在调查实际道路的水损坏和现场渗水试验的基础 上，得出了面层渗透系数与空隙率的关系，并从提高排水能力和防止水损坏的角度进行了排水混合料的 设计，在排水面层工作机理、雨天水膜厚度估计、水漂机理和雨天能见度模拟等方面取得了广泛的成果， 进行了国产沥青的改性研究，研制适合重交通条件的沥青结合料技术，修建了两个试验段，积累了丰富 的实际经验【2 l 。2 0 0 4 年底江苏省交通科学研究项目立题排水性沥青路面应用技术研究，在排水性沥青结 合料的配制、集料选择、纤维添加剂的应用及粘层材料评价指标等方面取得了较多的成果，通过沿海高 速如皋至海安段1 6 9 k i n 排水性沥青路面的修筑，积累了更多的经验，路面运营一年来的观测结果显示 路面状况良好，长期观测仍在进行中。 上述几段试验路均全部或部分采用了日本t p s 改性剂高粘度改性沥青方案，但t p s 改性剂的费用较 高，相关研究对较常采用的各种面层方案在正常市场行情下进行了单价预估州，如表1 1 。 表1 1排水性沥青面层与其他面层方案费用比较 注：”每平方米面层材料的价格均是按厚度为4 c m 计算的，且均是单纯从混合料的原材料价格考虑，并未详细考虑 施工费用；2 沥青混合料类型a k - 1 3 ，s m a - 1 3 和p a c - 1 3 分别是指抗滑表层、沥青玛蹄脂碎石和大空隙开级配的最大公 称粒径为1 3 m m 的中粒式沥青混合料。 东南大学硕士学位论文 可以看出采用t p s 改性沥青方案的费用明显较大。也有研究从工程造价的角度对排水性沥青混合料 与s m a 混合料价格进行对比，得出在目前研究推荐的t p s 改性剂用量和正常沥青价格下，排水性沥青 面层要贵于s m a 面层的沥青路面，而根本原因在于t p s 费用高“。 另一方面，我国橡胶工业发展带来大量废橡胶。2 0 0 4 年我国废橡胶产生量约2 7 2 0 万吨，轮胎类占 5 5 ，非轮胎类占4 1 ，工厂废料占4 。2 0 0 5 年达到3 0 0 多万吨，其中1 0 0 余万吨无法通过再生得到 重新利用。2 0 0 5 年我国轮胎产量为3 1 8 亿条，废旧轮胎产生量超过1 1 2 亿条，翻新量仅为1 1 0 0 万条。 如何有效处理并利用如此大量的废橡胶，变废为宝，对环境和资源保护都具有重要意义。国外废橡胶综 合利用途径有直接原形改制、旧轮胎翻新、生产再生胶和胶粉、热能利用和热分解等，并通过综合措施 减少废料的产生，胶粒或胶粉制造是目前处理废橡胶最有效的方法之一。美国和日本己立法规定了废轮 胎再生处理和回收利用的任务和措施，并提供多方面的政策与资金支持。我国废橡胶资源利用除了直接 原形利用或简单加工后供作鞋底、胶桶、船用靠坝、胶线绳等产品外，主要是生产再生胶和胶粉。再生 胶经历了“油法”到动态脱硫新工艺的发展。废橡胶精细胶粉的生产利用先后经历了胶粉表面活化应用 及精细胶粉生产和应用两个阶段。八十年代末，我国引进了国外常温和冷冻方法生产胶粉的装置和技术， 但效果不明显，从1 9 9 6 年开始从我国实际情况出发，研发精细胶粉生产技术和装备，目前常温、冷冻生 产精细胶粉技术已成熟，精细胶粉应用技术有了良好开端，年生产胶粉和胶粒能力达1 5 万吨。国际上橡 胶粉在公路上使用的常见技术途径主要有直接作为道路填筑材料如填筑路基，掺入面层材料生产防冻弹 性路面，采用橡胶粉( 块) 取代水泥混凝土中部分骨料生产改性混凝土，此外还有橡胶粉改性沥青和橡 胶改性乳化沥青，其中将胶粉应用于橡胶沥青的使用价值较大，将会是一种对胶粉有效的利用途径”j 【”。 一般橡胶沥青多应用于应力吸收夹层、碎石封层、路面防水材料、填缝料及橡胶沥青混合料等方面。 橡胶沥青符合我国节约和循环经济的理念，其推广应用具有显著的社会经济效益，主要体现在以下 三个方面。首先，家用小汽车快速增长带来废弃轮胎的大量堆积，其直接利用于路面工程不但提供了原 材料，而且减少了固体废物处理的资源和环境代价。其次，研究表明橡胶粉改性沥青有着较高粘度、改 善高低温性能和抗裂、抗老化性能，而且大量新出现的改性剂的化学本质也多为热塑性橡胶类聚合物， 因而用橡胶改性沥青完全可能替代一些昂贵的改性沥青。据统计，若在沥青中掺入1 5 的胶粉，则每年 可消耗胶粉3 0 万吨以上。这势必既减少了昂贵的s b s 改性沥青的进口量，又疏通了胶粉的消费渠道， 使废物资源得到充分的利用，扶助了胶粉生产企业的发展，促进了废旧轮胎的回收利用。目前8 0 目轮胎 胶粉的价格为3 3 0 0 - - 3 6 0 0 元，吨，2 0 目及更粗的胶粉单价不过2 0 0 0 元，吨，与大多数聚合物改性剂相比明 显较低。最后，橡胶沥青混合料多采用开级配和断级配形式，加上橡胶具有较好的弹性，因而橡胶沥青 路面具有明显的减噪功能，可用于城市道路改善道路与城市环境。在具备成熟的生产技术的情况下，橡 胶沥青必然是一种性能价格比较高的结合料选择。 在此背景下，本文研究采用橡胶沥青实现排水性沥青混合料的可行性与技术途径，并以高粘度改性 沥青排水性混合料作为基准，评价橡胶沥青应用于排水性混合料的性能，为橡胶沥青的应用寻求更多的 途径，也尝试为排水性沥青混合料寻求一种技术经济和环境与资源保护效益更好的结合料方案。 1 2 国内外研究概况 根据a s t m 的定义，橡胶沥青是沥青、回收轮胎橡胶及其他添加剂的混合物，其中橡胶组分至少占 到全部混合物质量的1 5 ，并与热沥青充分反应使得橡胶颗粒膨胀。可以看出此定义将橡胶沥青限定为 湿法工艺的产物。国际上最早的橡胶沥青文献见于1 8 4 3 年的英国专利，现代意义上的橡胶沥青首先出现 在美国。美国橡胶回收公司在上世纪四十年代首先采用干法工艺生产了r a m f l e x t m 橡胶粉沥青混合料， 六十年代，美国c h a r l e sm c d o n a l d 首先采用湿拌法，生产了o v e r f l “橡胶沥青混合料。橡胶沥青的工 艺过程随生产规模、工艺条件和设计思想不同而有所差别，但制作过程和原理基本一致。橡胶沥青生产 工艺通常是在不低于1 7 7 0 c 的高温和强烈搅拌作用下，沥青与橡胶组分发生物理、化学作用，使橡胶微 粒悬浮在混合物中，并加入石油萃取物以降低粘度和方便喷洒，提高施工的便利性。 2 第一章绪论 我国对于废橡胶应用于沥青的研究始于上世纪七十年代末。出于改善国产沥青性能不佳的目的，同 济大学研究了橡胶粉与沥青共熔反应的规律和生产工艺对橡胶沥青路用性能的影响，通过系统的试验研 究，分析验证了磨细橡胶粉改性沥青的主要特性和路用价值，并通过生产工艺的改善促进了其实际应用。 八十年代广东省、江西省始铺筑橡胶沥青路面。但试验路工艺主要是贯入式和表面处治。九十年代是我 国高速公路发展的主要时期，这阶段国内在橡胶沥青方面研究应用并不多。2 0 0 1 年交通部公路科学研究 院主持了广东肇庆马房大桥钢桥面铺装技术研究，首次在钢桥面铺装中用干法工艺加入了沥青质量3 0 的橡胶粉，表现出优良的高温抗车辙性能。2 0 0 1 年，交通部西部交通建设科技项目启动了废旧橡胶粉用 于筑路的技术研究课题，进行了一系列有关路用橡胶粉技术指标、橡胶粉沥青混凝土力学性能分析和路 用性能的价及生产工艺的研究，推荐了相应的技术标准和施工指南，并先后在广东、河北、山东、四川、 贵州等省份修建了十几条试验路段，其中主要为一级以上公路，涉及了华南、西南及轻冰冻三个气候分 区，为大规模推广应用橡胶粉奠定了基础。试验路施工工艺同时包含了干法和湿法两种，由于试验路通 车时间短，路用性能尚待跟踪观测。2 0 0 3 年交通部西部交通建设科技项目立题进行了橡胶颗粒路面应用 技术的研究，该项目研究主要针对西部的气候和环境特点，对采用废旧橡胶轮胎生产的橡胶颗粒代替部 分集料生产的沥青混合料和以此铺筑的橡胶颗粒路面的应用技术进行系统的研究；针对初冬和残冬路面 结冰问题，对橡胶颗粒路面抑制冰冻、抗滑和降噪性能进行研究。2 0 0 4 年，北京市交通委员会专门立项 开展废胎胶粉改性沥青应用研究，结合北京地区材料、交通、气候的特点研究了湿法橡胶沥青混合料的 技术性能，2 0 0 6 年初依此制定了北京市废胎胶粉沥青及混合料设计施工的技术指南，指南包括路用 橡胶粉技术标准、橡胶沥青技术标准、橡胶粉混合料设计指南及施工技术要求。我国已有关于废胶粉改 性沥青制备方法的专利，如0 3 1 3 5 0 0 4 6 、2 0 0 3 1 0 1 0 4 9 0 5 5 和2 0 0 6 1 0 0 3 3 8 8 7 x 专利等。 国内学者对橡胶粉改性沥青的效果进行了一系列研究，通过测试不同胶粉掺量下针入度和软化点的 变化规律发现在1 5 - 2 5 的掺量下可较大幅度提高基质沥青的软化点，降低针入度，同时增大针入度指 数，改善温度敏感性，弹性恢复增加，但延度有所降低【5 】 9 1 。国内对于干法和湿法工艺生产的橡胶沥青 的研究均表明，橡胶粉的加入提高了沥青结合料与混合料的综合性能。橡胶沥青混合料稳定度和劈裂强 度可能会比常规混合料小，但高温稳定性能较高，永久变形小，冻融劈裂比等水稳定性指标较好，用于 开级配时浸水飞散损失小。掺入1 0 胶粉的o g f c 混合料的浸水飞散损失大幅降低，动稳定度增加，相 对变形减少；在劈裂和弯曲试验中，橡胶沥青混合料破坏应变增加，破坏劲度模量显著减少，但与此同 时，破坏应力基本没有变化，表现出低温性能优越阴。对干法橡胶沥青混合料的验研究表明，胶粉的掺 入一定程度上增加了马歇尔设计方法的最佳沥青用量【1 0 l ，加入的橡胶粉细度和掺量在一定范围内，马歇 尔强度和高温抗车辙性能会提高，细度过小或掺量太大均会对其压实特性与抗车辙能力产生不利影响， 有学者从技术和经济性考虑建议细度不宣超过8 0 目，在沥青混合料中掺量不宜超过2 ，并通过旋转压 实尝试得出旋转压实的最佳次数为1 2 5 次，此时橡胶沥青混合料压实已充分“。 国外对于橡胶沥青性能也进行了较为深入的研究。n a v a r r o 等人利用广义m a x w e l l 模型研究橡胶粉 改性沥青的线性粘弹性性质，加入橡胶粉对沥青高温下的储存模量和损失模量都有显著的提高，而对低 温下两种模量则有显著的减小。橡胶粉改性沥青表现出了增强的粘弹性性质，比常规沥青具有更高的粘 性。通过分析橡胶粉改性沥青与s b s 改性沥青在高温和低温下的g ，、g ”随加载频率的变化，对两者的 流变学性质进行比较，发现橡胶粉改性沥青( 9w t - ，颗粒粒径0 3 5 m m ) 表现出了与s b s 改性沥青( 3 w t s b s ，一1 0 0 c 和7 嘶s b s ，7 5 0 c ) 相似的线性粘弹性性质“2 j 。h o s s a i n 等人对在5 0 c 和2 5 0 c 两 种条件下三种不同的橡胶粉含量( 1 9 、2 2 、2 4 ) 和三种不同的橡胶沥青含量( 6 、7 5 、9 ) 的 沥青混合料试样进行了断裂和间接拉伸试验，结果显示橡胶沥青含量对混合料试样的断裂能量有很大的 影响，特别是在低温下橡胶沥青含量越高，断裂能量的平均值就越高，但是对试样的间接拉伸强度没有 显著的影响，橡胶粉含量对各种试验参数值也无显著的影响“。a i r e y 等人运用动态剪切流变试验研究 了加入橡胶养护后的s b s 改性沥青的线性粘弹性性质，得出橡胶粉与s b s 改性沥青交互作用的性能及 影响因素，为采用s b s 复合改性提供了一定的理论和实践基础“4 】。z a m a n 等人的研究发现沥青胶浆经橡 胶粉改性后断裂寿命有很大的提高，随着橡胶含量增加，混合料的断裂寿命提高“。 南非应用排水性沥青路面技术较为成功，在其设计指南中也提及采用废轮胎回收橡胶粉作为沥青改 性剂，根据南非使用的经验橡胶沥青在2 6 。c 的低温下工作仍保持柔性，它有着比普通沥青和改性沥青 3 东南大学硕士学位论文 结合料更高的6 0 0 c 粘度，混合料的表面纹理更粗糙。弹性性能更佳，抵抗老化能力强且回收利用了废 轮胎橡胶。由于橡胶沥青的高弹性及可提高沥青用量的高粘度特点，橡胶沥青完全适用于排水性沥青混 合料，此外废橡胶中还含有可以提高结合料性质的其他有用物质，如炭黑可提高抗老化性能、抗氧化剂 增强耐久性、胺类化合物是抗剥落剂的有效成分，因而有助于混合料的长期粘附性，芳香族化合物又是 类似于通常用于老化沥青混合料的再生剂“q 。 在美国c a l i f o r n i a 州橡胶沥青混合料级配形式仅限于断级配和开级配，因为密级配没有足够的空隙 去填充较多含量的橡胶沥青，因而不采用密级配。橡胶沥青断级配具有较大的构造深度、密水性和抗剪 稳定性，被普遍用于交叉和变速较多的城市道路面层和补强结构层。橡胶沥青开级配混合料可提供良好 的抗滑表面层，并能迅速地排除路表积水，从而减少雨天行车时的水雾，溅水和滑溜，还有吸收噪声的 功能，常作为旧路罩面层或新建路面磨耗层，铺装厚度一般为2 4 - 3 0 m ，但较少用作结构层。橡胶沥 青混合料设计是为了选择合适的集料组成级配和符合应用要求的橡胶沥青，这些材料的相对比例决定了 混合料的路用性能，c a l i f o r n i a 州常采用马歇尔法和维姆法进行橡胶沥青的配合比设计，必密度、空隙率、 矿料间隙率、稳定度及水敏感性作为体积设计的目标。 台湾早在2 0 0 0 年引进美国橡胶沥青湿法工艺进行了试验路的铺筑，利用当地的废橡胶粉末配制出 符合相应美国规范要求的橡胶沥青，进行了断级配混合料的马歇尔配比设计，并对试铺路面开放交通四 年后的状况进行了观测，在结构方面较为稳定，降噪效果突出u 7 】。2 0 0 2 年，台湾中华大学在室内进行了 开级配橡胶沥青混合料的材料选择、配比设计及性能试验，采用经回轧一次的骨料的扁长率及棱角性可 以满足开级配的要求，采用最大粒径为0 8 5m n l 的橡胶粉末以沥青质量的3 0 加入基质沥青，生产出符 合a s t md 6 1 1 4 标准的橡胶沥青，由于其粘度高，最佳沥青用量高达9 舰而保持析漏率不超过0 3 ， 压实空隙率仍可达1 9 ，且符合c a n t a b r o 试验为主的抗松散及抗水损坏等试验要求，透水系数达l f f 2 c m $ 以上。 综上所述，将橡胶沥青用于排水性沥青路面结构表层混合料中是有一定基础的。对于排水性橡胶沥 青混合料的设计可采用通常热拌沥青混合料的设计方法。考虑到采用马歇尔击实的过程中体积参数的测 试结果离异较大，另一方面旋转压实仪可以更好的模拟路面实际施工时的压实状况，因而运用旋转压实 法进行排水性沥青混合料的设计值得尝试。 s u p e r p a v e 混合料设计方法主要包括四个步骤，即选择原材料包括集料、结合料、改性剂等，选择 稳定的集料组成结构。选择设计沥青结合料含量，验证最大压实次数下的压实度和水敏感性。对结合料 的选择，重视路面使用的交通荷载和环境因素的影响，考虑了施工期、使用期的老化影响和高、低温下 的粘弹性性质【l q 。在集料选择上，重视粗、细集料的棱角性和控制扁平、细长集料的含量，在级配组成 设计时，在一定的最大公称粒径下，设置几个关键筛孔通过率作为控制点，并要求避开特定区域。选取 至少三个试拌级配，按经验估算试拌沥青含量，进行旋转压实，根据使用的交通条件确定特定的旋转压 实次数，要求在设计压实次数下达到目标压实度范围，即毛体积密度达到最大理论密度的9 6 。根据道 路交通量和混合料最大公称粒径，检验v m a 、v f a 、对应初始旋转次数时的压实度、压实曲线特征及粉 胶比等，进行试拌合成级配的稳定性评价。在此基础上选取出一个或两个适宜的级配，重新估算沥青用 量，并变化出该沥青用量如5 和+ 1 o 共四个用量，进行旋转压实试验进一步评价，选取较优的级配和 最佳沥青用量。并补充最大压实数下压实度不超过9 8 的验证。以防止设计的混合料在运营期内压实过 度，而造成过大塑性和永久变形。最后一步水敏感性评估是将设计组成的混合料压实到9 3 压实度，一 组进行真空饱水及冻融处理后与另一组未处理的试件在相同的条件下进行间接拉伸试验，对比以评价其 水稳定性。 由于排水混合料空隙率常需要达到2 0 左右，旋转压实设计方法不可能完全适用于此，对于相关指 标要求也不相同，但采用体积指标作为出发点的思想是一致的，因而可对此方法进行尝试和探讨。同时 可以利用旋转压实成型方法的优势，利用其成型试件的离散性小，可保证相关性能测试的准确性。美国 n c a t 提出的新一代o g f c 设计方法提倡仿照s m a 设计以形成骨架嵌挤结构为目标进行级配选择初选， 并通过旋转压实5 0 次作为压实的标准，进行空隙率的测定和性能检测，亦可作为本研究橡胶沥青排水性 混合料设计的考虑和改进的基础。 4 第一章绪论 1 3 本研究的内容与技术路线 1 3 1研究目标 本文研究的目标是探讨将橡胶沥青应用于排水性沥青混合料的可行性，为橡胶沥青的应用寻求更多 途径，充分发挥其性能特点，促进胶粉的应用，以实现环境保护和资源重复利用。在现有的排水性沥青 混合料研究基础上，对橡胶沥青结合料流变学性质与排水性混合料性能的相关性进行研究，得出橡胶沥 青应用于排水性沥青混合科的优缺点，为进一步改进其性能提供方向。同时也对橡胶沥青排水混合料的 设计进行研究，探讨采用旋转压实仪进行排水性沥青混合料设计的可行性。由于国内排水性沥青实践较 多采用高粘度改性沥青进行设计，且已具有一定的施工经验，因而本研究多次将橡胶沥青混合料与高粘 度改性沥青方案作性能比较，研究其在现有的排水性沥青路面实践基础上，采用橡胶沥青作为排水性混 合料的胶结料的可行性，探索更多排水性沥青混合料的实现方案。 1 3 2研究内容 本研究的主要内容首先是橡胶沥青性能的评价和方案的优选。综合考虑沥青结合料常规高低温性质 指标和s h r p 研究得出的高温线性粘弹性指标和低温弯曲蠕变性质指标，对不同胶粉用量的橡胶沥青的 性能进行分析，研究胶粉与最常用的道路石油沥青的相容性。在所提供的基质沥青和胶粉基础上，配制 出符合特定技术要求的橡胶沥青结合料。优选t p s 改性剂配制改性沥青的方案作为对比方案，同时将这 两者与成品s b s 改性沥青进行比较。通过结合料性质测试评价橡胶沥青的优缺点，并选出最优方案进行 下一步排水性沥青混合料的设计和性能验证。 再次是橡胶沥青排水性混合料的设计方法研究。按照排水性混合料设计方法分别进行橡胶沥青和 t p s 高粘度改性沥青排水性混合料的设计，比选不同级配范围的对橡胶沥青的适用性，以优化排水性混 合料的稳定性为目的，进行了沥青用量的设计。通过各方案在最佳方案下性能的比较选择最佳方案，对 橡胶沥青排水性混合料设计因素和指标提出建议。运用旋转压实体积设计法对橡胶沥青排水性沥青混合 料进行沥青用量设计，研究旋转压实标准，对设计结果进行初步性能检验，并与马歇尔方法设计的排水 性混合料进行比较，提出旋转压实法进行排水性混合料设计和试件成型的可行性。 最后是设计最佳方案的路用性能评价。采用轮碾法成型试件进行橡胶沥青最佳方案的汉堡车辙试 验，采用旋转压实法成型试件进行6 0 0 c 高温下三轴压缩试验和重复加载永久变形试验，评价其抗剪切 和抗永久变形能力，分析几种试验方法评价高温性能的结果，同时将这两种方案的结果与采用s b s 改性 沥青的s m a 级配方案的结果进行比较，综合设计与性能检验的结果进行分析，对橡胶沥青用于排水性 沥青混合料的适用性提出建议。 1 3 3技术路线 通过查阅文献了解橡胶沥青的湿法生产的工艺和在室内配制的方法，总结橡胶粉的加入对沥青性能 的改善。根据排水性沥青混合料的特性和对结合料的要求，考察橡胶沥青的优缺点及其应用于排水性沥 青混合料是否具有潜在的可行性。 在7 0 号道路石油沥青基础上，采用2 0 目废胶粉和t p s 改性剂在室内配制橡胶沥青和t p s 高粘度 改性沥青，通过改变改性剂的比例研究改性剂与基质沥青的相容性，并通过性质测试，确定最佳改性剂 用量。按照排水性沥青混合料对结合料的要求，考查橡胶沥青所能达到的技术标准。 运用体积设计思想，以大空隙率为设计目标，运用日本排水性沥青混合料设计方法，对橡胶沥青与 高粘度改性沥青方案分别进行设计。从我国排水性沥青路面实践经验和美国开级配经验出发，分别进行 不同级配方案设计，并进行初步检验，与同样方法设计的高粘度改性沥青最佳方案作比较。根据沥青混 合料的性能，分析与其对应的结合料性质。从而得出橡胶沥青应用于排水性混合料的关键指标。同样以 空隙率为设计目标，对采用旋转压实设计法进行尝试，确定设计压实次数标准，对设计结果进行体积指 5 东南大学硕士学位论文 标和力学性能检验。在这两种方法设计和不同方案设计结果综合分析的基础上，对排水性混合料的配合 比设计方法进行必要的调整，提出改进建议。 根据设计最佳方案，通过室内试验，对排水性沥青混合料的高温和低温性能进行评价。在前述设计 方法和初步检验均合理的基础上，此时性能是否符合使用要求必然反映了在所运用的设计方法体系下， 橡胶沥青应用于排水性沥青混合料的可行性。根据前后的综合比较，可以得出橡胶沥青应用与排水性沥 青混合料的缺陷和优点，为进一步研究确定方向。 图i i 为该研究的技术路线示意图。 查阅文献： 橡胶沥青的生产 工艺和性能特点 摔水性沥青实践经验： 日本高粘度改性沥青方案、日本 及其他设计方法，我国的经验 橡胶沥青应用于律水 混台料潜在可行性 原材料： 基质沥青与胶粉的 相容性及不同胶粉 用量的性质 撇改日e 2 障 、啦垄霎塾 嚅翮两t p s 改性沥青l 俐1 美国橡胶沥青开l i 我国捧水面层开 级配( 连盐) il 级配( 盐通) 优选橡胶沥青捧l t p s 改性沥青捧 水混合料方案ll 水混合料方案 采用相同原材料 的s m a 级配方案 高温性能：抗车辙、抗剪切， 抗永久变形性能 低温性能：低温抗裂性能 f 可行性及建议 1 - - - _ 图1 1本研究技术路线图 6 第二章橡胶沥青结合科性能的评价 第二章橡胶沥青结合料性能的评价 对于排水性沥青混合料来说，较大的空隙是提高路面排水、抗滑能力、吸收路面噪音的根本原因， 所以体积指标是其排水性沥青混合料的本质要求。要实现这一点，设计出符合要求的结合料至关重要。 本章通过试验研究改性剂用量的变化对性能的影响规律，确定适宜的结合料组成，并采用7 0 号道路石油 沥青作为基质沥青，加入废胶粉和t p s 改性剂按一定工艺制得橡胶沥青和高粘度改性沥青，测试并比较 了这两者以及s b s 改性沥青的各方面的性质。通过老化前后的常规性能指标及动态剪切流变、弯曲梁流 变试验结果的比较，评价了室内制备的橡胶改性沥青的优缺点，为排水性沥青混合料设计选出最优的结 合料方案。 2 1 橡胶沥青结合料的制备与要求 橡胶沥青结合料就是采用满足一定质量要求的橡胶粉去改善基质沥青的性质，在充分拌和的高温条 件下与沥青溶胀反应得到的改性沥青胶结料。反应过程中，橡胶沥青不形成细观的网络结构，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熔胀，同时在颗粒表面形成沥青质含量很高的凝胶膜。 橡胶沥青中橡胶粉掺量通常接近2 0 ，熔胀后橡胶组分体积达到胶结料的近4 0 ，橡胶粉颗粒通过凝胶 膜连接，形成一个粘度很大的半固态连续相体系。橡胶颗粒三维随机分布，构成连续相，橡胶颗粒间靠 凝胶膜粘结。基本不存在强的化学作用，节点粘结力依赖于温度，在高温受拉条件下，橡胶颗粒的加劲 作用很小，受压和剪切 状态下橡胶颗粒却起主 要作用，如图2 1 ( a ) 。 这与s b s 等热塑性树 脂改性机理不同，s b s 分子中的热塑性嵌段部 分发生交联形成节点， 形成一个弹性空间网络 结构，其节点部位是热 塑性材料，网络结构三 维随机分布，改性剂分 【8 )c b ) 子作为沥青的分散相， 图2 l橡胶沥青的共炼反应原理与s b s 的网状加劲交联结构 橡胶嵌段部分是主要加劲单元。如图2 1 ( b ) 所示。 通常可采用高温混合和高速剪切的方法降解胶粉，制得贮存稳定的改性沥青，专利文献【2 1 】在此基 础上发展了两阶段制备方法，即第一阶段制各高浓度胶粉改性沥青母料，按重量百分比将1 0 - 6 0 的胶 粉和0 - 2 0 的填充油直接加入到基质沥青中，在1 4 0 - - 2 5 0 0 c 的高温下，剪切搅拌、混合1 - 6 小时，制得 胶粉改性沥青母料；第二阶段，将胶粉改性母料加热熔化，用沥青稀释，加入其他聚合物和交联剂，在 1 4 0 - 2 3 0 。( 2 的温度下，剪切搅拌、混合，得到胶粉聚合物复合改性沥青。 实际施工中常将基质沥青加热到1 6 0 。( 2 左右，掺 入添加剂，泵入拌合装置，按比例加入合格的橡胶粉， 并在1 9 啦2 0 0 。c 的高温下高速剪切，直到拌合均匀； 将拌合均匀的沥青橡胶输送入反应装置，在1 7 5 0 c 条 件下，经过至少4 5 m i n 的充分反应，得到性能可靠的 沥青橡胶结合料。图2 2 为此工艺流程。为避免长时 间存储带来不便和反复加热老化，生产出的橡胶沥青 在反应装置中继续升温至2 0 0 。( 2 ，再输送到沥青拌合 7 图2 2橡胶沥青结合料的生产流程图 东南大学硕士学位论文 站，生产橡胶沥青混合料。 本研究在实验室模拟此流程，制备出橡胶沥青结合料以各检测和混合料的成型。将基质沥青置于 1 6 0 0 c 烘箱，熔化后按一定比例称好定量的胶粉，慢慢加入热沥青中，控制沥青温度为1 9 0 。( 2 ，边加热 边手动搅拌至胶粉完全浸入沥青，把高速剪切机带动的剪切头浸入混合液中，以转速为2 4 0 0r p m 运行， 直至混合液中看不到不均匀的颗粒，混合液表面呈现光滑的镜面，置入1 7 5 0 c 烘箱中保温4 5 r a i n 左右时 间，即可取样进行结合料性质的测试或进一步老化处理。需要留待其后用于拌制混合料时，可适当减少 剪切后的保温养护时间。需重复使用时在烘箱中保温时间不宜过长，也不宜多次重复。以免过度老化。 制备t p s 改性沥青时，由于t p s 颗粒难于在较低温度下溶解于基质沥青，为避免过高温度使全部基 质沥青老化，依照类似于母体法制备的方法。采用手动搅拌，向容器中加入少量沥青，再加入适定t p s 改性剂，加热搅拌直到完全熔化成较稠的一团，无颗粒状改性剂时，再添加沥青稀释，并加边搅拌，直 到把所定量的沥青加完，经过搅拌可得到均匀的改性沥青。 2 1 2沥青结合料的原材料 采用7 0 号道路石油沥青( 以下简称a h - 7 0 ) 作为橡胶沥青和高粘度改性沥青的基质沥青。各性质 测试结果见表2 1 ，表中同时提供了最常使用的成品s b s 改性沥青的性质。 表2 17 0 号沥青与s b s 改性沥青性质一览表 t p s 为商品名t a f - p a c ks u p e r 的简称，是日本大有公司开发的一种高粘度改性剂。以热塑性橡胶 为主要成分，配以粘结性树脂、增塑剂等其他成分，主要起到增加沥青粘度，改善沥青各方面性能，使 普通沥青改性成适用于排水性沥青混合料的高粘度结合料。t p s 的基本物理性质列于表2 2 。按照日本使 用的经验，r p s 在施工中可以与石料一同干拌，无需预先与沥青混合。此处为了研究其对基质沥青的改 性效果，将其与基质沥青制成性质稳定的改性沥青，作为橡胶沥青的对比方案。 表2 2t p s 的物理性质 性质指标值 形状 颜色 比重 堆积密度 颗粒状，粒径为2 - 3m i l l 黄色或淡黄色 0 9 8 0 6 t m 3 8 第二章橡胶沥青结合料性能的评价 胶粉是常温超细粉碎法制取的废轮胎硫化橡胶粉，其组成性质如表2 3 所示，从数据可以看出该胶 粉除金属屑含量偏高外，所测试的项目均可以很好的满足美国改性沥青用废橡胶粉的c 级的标准吲。 表2 3美国改性沥青用废橡胶粉的性能指标与本研究采用的胶粉性质 2 1 2沥青结合料的性能要求 日本规范对大空隙排水混合料采用的沥青结合料提出下表的使用要求咧，工程实践表明采用高粘度 改性沥青的排水性沥青面层功能性和耐久性良好，因而将其推荐为结合料标准，其具体技术指标见表2 5 。 表2 4排水性混合料用的沥青应具有的主要性能 南非沥青协会编写的排水性沥青混合料设计和施工指南也提到理想的排水性沥青混合料的结合料应 具有下列性质：在路面施工的温度范围内，粘度随温度的敏感性不能太高，以避免影响到施工温度下粘 度的控制：粘度及粘度变化率随荷载的变化不能太大；弹性恢复能力、粘聚力、对石料的粘附性以及耐 久能力应较高。具体选择沥青结合料的依据是气候和交通因素，根据气候选择硬质沥青或是较软等级的 沥青，或通过控制沥青炼制的源头选择特定沥青质和油分比例组成的石油沥青。同时推荐采用改性沥青， 通过添加s b r 、s b s 、e v a 和回收橡胶颗粒、橡胶粉等添加剂，在选择改性剂种类和用量时，充分考虑 气候环境、交通因素和预期的功能需求，对于中等和较重交通条件、气温较高和空隙率超过2 2 的情况 推荐采用高粘度结合料，如橡胶沥青和聚合物用量较高的改性沥青。对于中轻交通量、气候温和、排水 混合料的空隙率在1 8 2 2 的情况，改性沥青和普通沥青均可采用，但对于不同的结合料方案，其混合 料的设计级配与结合料用量也有较固定的范围”q 。 9 东南大学硕士学位论文 表2 5高粘度改性沥青的标准 a s t m 规范d 6 1 1 4 - 9 7 ( 2 0 0 2 ) 关于橡胶沥青结合料的性质有明确的标准，并对平均气温较高、中等 和较低的条件提出了不同的要求，如表2 6 所示。该标准包括了橡胶沥青的软化点、1 7 5 0 c 的表观粘度、 针入度、弹性恢复及老化等性能。其中1 7 5 。c 是橡胶沥青混合料的通常的拌合温度，常规的热拌沥青路 面施工要求拌合温度时表观粘度为( 0 1 7 蝴0 2 ) p a s ，压实温度时表观粘度为( o 2 8 如0 3 ) p a s ，此处要 求1 5 0 0 - 5 0 0 0e p 显著提高，这也是橡胶沥青的特性所决定的，由于高温下粘度仍能保持很大，因而可实 现较大油膜厚度，以提高耐久性。但考虑到橡胶沥青沥青的施工性，粘度也不宜过高。 表2 6a s t md 6 1 1 4 - 9 7 ( 2 0 0 2 ) 橡胶沥青结合料性能标准1 2 4 1 表2 7f h w a 废胶粉改性沥青性能标准叫1 美国联