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青岛科技大学研究生毕业论文 废旧橡胶粉改性沥青混合机理及实验研究 摘要 随着经济生活水平的提高，汽车保有量持续上升，各种高等级公路也迅速发 展，人们对行车舒适性也提出了更高的要求，除了对汽车外观设计的要求外，还 要求路面具有较好的性能；另一方面随着汽车数量的增加，产生大量的废旧轮胎， 而现阶段对废旧轮胎的回收利用率不高，造成严重的环境污染。将废旧轮胎制成 橡胶粉加入到沥青中，既可以提高废旧轮胎利用率，也能改善沥青道路的使用性 能，成为众多学者的研究课题。 本文采用湿法加工工艺制备胶粉改性沥青，用当量软化点t 8 0 0 及当量脆点t 1 2 评价改性沥青的高低温性能。本文所做主要工作如下： ( 1 ) 通过正交试验方法对胶粉改性沥青的配方进行了优化研究。使用灰关 联分析方法及加权综合评分法分析实验数据，得出了客观可靠的实验方案。 ( 2 ) 全面分析了胶粉掺量、胶粉目数、胶粉种类、剪切条件及芳烃油掺量 对三大指标( 2 5 针入度、软化点、5 延度) 的影响，并分析了胶粉掺量、胶 粉目数对当量软化点及当量脆点的影响。 ( 3 ) 本文针对隧道相对封闭、潮湿的特殊使用环境，对所要求沥青的阻燃 性和机理进行了研究。在优化方案的基础上，对不同种类、不同掺量下的阻燃剂 的阻燃效果进行了研究，实验结果表明：二甲基硅油、十溴二苯乙烷、硼酸锌协 同使用阻燃效果好，且二甲基硅油能改善沥青的性能，硼酸锌抑烟效果好。 ( 4 ) 分析了沥青与胶粉的分子结构，发现这两种物质均具有较强的惰性， 产生的化学反应极少。芳烃油的结构与沥青中轻质油分的结构类似，而胶粉的溶 胀作用是吸收沥青中轻质油分的结果，因此芳烃油的加入在一定程度上促进了胶 粉与沥青的混合。观察了胶粉改性沥青试样截面的电镜扫描结果，通过分析胶粉 在沥青中的状态，进一步验证了胶粉在沥青中的混合机理。 本文得出的实验结果满足我国高聚物改性沥青标准要求，其性能大大优于基 质沥青。本文使用的阻燃剂使改性沥青的阻燃效果达到了难燃i 级，其性能改变 不大。 关键词：胶粉改性沥青灰关联分析配方阻燃性混合机理 t h em i x i n gn 匝c h a n i s ma n d e x p e r i n 【e n t a ls t u d yo fc r u m b r u b b e rm o d i f i e da s p h a l t a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fe c o n o m i cl i v i n g s t a n d a r d s ， t h ec a l o w n e r s h i p c o n t i n u e st or i s e ，av a r i e t yo fh i g h g r a d eh i g h w a y sa r ed e v e l o p e dr a p i d l y p e o p l ea l s o p u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rf i d ec o m f o r t o nt h eo t h e rh a n d ，l a r g ea m o u n t s o fw a s t et i r e sh a v eb e e np r o d u c e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro fc a r s a tt h i s s t a g e ，r e c o v e r y u t i l i z a t i o nr a t eo fw a s t et i r e i sn o th i g h ， r e s u l t i n gs e r i o u s e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n m a d ew a s t et i r ei n t or u b b e rp o w e r ，t h e n a d d e dt oa s p h a l t ， n o to n l yc a l le n h a n c et h ew a s t et i r eu t i l i z a t i o n ， b u ta l s oc a ni m p r o v et h ep a v e m e n t p e f f c i r m a n c eo fa s p h a l t i ti st h er e s e a r c ht o p i c so fm a n y s c h o l a r s i nt h i sp a p e r ， w e tp r o c e s sw a su s e dt op r e p a r er u b b e rm o d i f i e da s p h a l t e q u i v a l e n ts o f t e n i n gp o i n tt 8 0 0a n de q u i v a l e n tb r i t t l ep o i n tt i 2w e r eu s e dt oe v a l u a t e l l i g ha n dl o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fm o d i f i e d a s p h a l t t h em a i nw o r ki s a s f o l l o w s ： ( 1 ) r u b b e rm o d i f i e da s p h a l tf o r m u l ah a sb e e no p t i m i z e dt h o u g ho r t h o g o n a l t e s t m e t h o d g r a yr e l a t i o n a la n a l y s i sa n d i nw e i g h t e dc o m p o s i t es c o r ew e r eu s e dt op r o c e s s t h ee x p e r i m e n t a ld a t a ， o b t a i n e do b j e c t i v ea n dr e l i a b l ee x p e r i m e n t a lp r o g r a m ( 2 ) t h ee f f e c t so ft h ec r u m br u b b e rc o n t e n t ，c r u m br u b b e rf i n e n e s s ，c r u m br u b b e r t y p e s s h e a r c o n d i t i o n sa n da r o m a t i co i lc o n t e n to nt h et h r e e i n d i c a t o r s ( 2 5 p e n e t r a t i o n ，s o f t e n i n gp o i n t ，5 。c d u c t i l i t y ) w e r ea n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l y a n d t h e e f l e e t so fc n 】m br u b b e rc o n t e n ta n dc r u m br u b b e rf i n e n e s so ne q u i v a l e n ts o f t e n i n g p o i n tt 8 0 0a n de q u i v a l e n tb r i t t l ep o i n tt 1 2w e r ea n a l y z e d f 3 ) b e c a u s eo ft h es p e c i a lu s i n ge n v i r o n m e n to f t u n n e l ，w h i c hi sr e l a t i v e l yc l o s e a i l dh u i n i d ， r e c e r c h e dt h ef l a m er e t a r d a n ta n df l a m er e t a r d a n t m e c h a n i s mo f d a v e m e n ta s p h a l t i nt h i sp a p e r ， b a s e do nt h eo b t a i n e do p t i m u me x p e r i m e n t a l 1 1 1 废旧橡胶粉改性沥青混合机理及实验研究 p r o g r a m ，t h ef l a m er e t a r d a n te f f e c to ff l a m er e t a r d a n tu n d e rd i f f e r e n tt y p e sa n d d i f f e r e n td o s a g eh a sb e e ns t u d i e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a td i m e t h y ls i l i c o n eo i l ， d b d p ea n dz i n cb o r a t eu s e di nc o n j u n c t i o nw i t hg r e a tf l a m e - r e t a r d a n te f f e c t t h e d i m e t h y ls i l i c o n eo i lc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ea s p h a l t z i n cb o r a t eh a sg r e a t s m o k es u p p r e s s i o n ( 4 ) t h em o l e c u l a rs t r u c t u r eo fa s p h a l ta n dc r u m br u b b e ri sa n a l y z e d i tf o u n dt h a t t h e s et w os u b s t a n c e sh a v es t r o n gi n e r t ， g e n e r a t i n gm i n i m a lc h e m i c a lr e a c t i o n s t h e s t r u c t u r eo ft h ea r o m a t i co i li ss i m i l a rt ot h es t r u c t u r eo fl i g h to i li nt h ea s p h a l t a n d s w e l l i n ge f f e c to f t h er u b b e rp o w d e ri st h er e s u l to f a b s o r b i n gl i g h to i li na s p h a l t s o t h ea d d i n go fa r o m a t i co i lp r o m o t e st h em i x t u r eo fc r u m br u b b e ra n da s p h a l tt oa c e r t a i ne x t e n t s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p yo fr u b b e rm o d i f i e da s p h a l tc r o s s - s e c t i o n i so b s e r v e d f u r t h e rv a l i d a t e st h em i x i n gm e c h a n i s mb e t w e e nc r u m br u b b e ra n da s p h a l t b ya n a l y s i st h es t a t eo fc r u m br u b b e ri na s p h a l t t h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h ee x p e r i e n tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fc h i n a sp o l y m e r m o d i f i e da s p h a l ts t a n d a r d i t sp e r f o e m a n c ei sm u c hb e t t e rt h a na s p h a l t t h ef l a m e r e t a r d a n tp r o p e r t i e so fm o d i f i e da s p h a l tr e a c h e dt og r a d ei k e yw o r d s ： c r u m br u b b e r ；, m o d i f i e da s p h a l t ；g r a ym l a t i o n a la n a l y s i s ；f o r m u l a ；f l a m e r e t a r d a n c y ；m i x i n gm e c h a n i s m i v 废旧橡胶粉改性沥青混合机理及实验研究 符号说明 正钡4 链上碳数c ，与总碳数g 的百分比，无量纲； ，芳碳数r 与总碳数r 的百分比，无量纲； ，口 o 、，r 丹针入度指数，无量纲； p 沥青针人度，o 1 m m ； 丁实验温度，； 彳针入度温度系数，无量纲； k 常数，无量纲； r 相关系数，无量纲； 当量软化点，； 五2 当量脆点，； 彘，关联系数，无量纲； 关联度，无量纲； 。，o ) _ t 时刻两个序列的绝对差，无量纲； p 分辨系数，无量纲； z 综合评分单指标，无量纲； 第个指标中第i 个数据的权重，无量纲； l o i 临界氧指数，无量纲； p ：卜一临界氧浓度时混合气体中氧气的体积流量，无量纲； 【：】临界氧浓度时混合气流中氮气的体积流量，无量纲。 2 青岛科技大学研究生学位论文 i - j 一 刖吾 经过半个多世纪的发展，我国公路建设由简易的砂石路面逐步转向沥青混凝 土路面，由于其舒适的乘车环境及优越的路用性能，越来越得到广泛的应用。据 ( ( 2 0 1 0 年公路水路交通运输业发展统计公报统计，到2 0 1 0 年，我国沥青混凝 土路面达5 4 2 5 万公里。 随着经济生活水平的提高，汽车保有量持续上升，各种高等级公路也迅速发 展，人们对行车舒适性也提出更高的要求。但随着汽车数量的增加，在交通载荷 的作用下，沥青路面提前出现了一些不同程度的破坏现象，使路面提前进入了的 维修期，同时也影响了车辆的通行，增加了路面养护投资。另一方面，汽车数量 的增加也使废旧轮胎的数量增加，大量的废旧轮胎堆积不仅占用了空间，经日晒 雨淋后，废旧轮胎极易滋生蚊虫、引发自燃，对环境造成严重的黑色污染。现阶 段对废旧轮胎的回收利用途径主要有轮胎翻新、生产胶粉、土木工程建设、原形 改制、热能利用、再生胶以及热分解等，而将废旧轮胎制成的橡胶粉加入到沥青 中，不仅可以消耗大量的胶粉，提高废旧轮胎利用率，还可以改善沥青的路用性 能，成为众多学者的研究课题。 本文着重研究了胶粉改性沥青的配方，并对其进行优化研究。本文将灰关联 分析方法及综合加权分析方法引用到胶粉改性沥青的数据处理中，得出客观可靠 的结论，说明用该种方法进行数据处理是可行的。同时通过电镜扫描，迸一步研 究了胶粉改性沥青的改性机理。由于公路隧道大长化的发展方向及行车速度和密 度的增大，车辆在隧道行驶过程中发生火灾的几率增大，且沥青为易燃材料，并 放出大量的烟雾和有毒气体，造成重大的人员伤亡与财产损失。因此，隧道路面 需具备阻燃性能。本文在得出的较优实验方案的基础上，添加不同种类的阻燃剂， 研究其阻燃性能，得出了对改性沥青性能影响最低、阻燃效果较佳的阻燃剂掺量 及种类组合，并研究了各类阻燃剂的阻燃机理： 本文虽经过大量实验研究得出结论，但由于实验误差的存在、实验条件的不 足及本人理论知识及实践经验有限，本文中定有瑕疵，恳请各位专家不吝斧正。 青岛科技大学研究生毕业论文 1 绪论 1 1 公路建设在国民经济中的地位和作用 1 1 1 地位和作用 国民经济的发展需要若干因素的支持，而充足的运输系统是经济发展的重 要因素，其中公路运输在综合运输系统中占主要地位。交通运输是把社会生产、 分配、交换和消费各个环节有机联系起来的纽带，是社会经济活动正常进行和 发展的保障，是市场机制作用与人类经济行为的重要前提【l 】。因此，没有完善 的运输体系，就没有完善的市场经济体系。 公路之所以在综合运输体系中占主要地位，有三点原因： ( 1 ) 公路运输是综合运输体系的基础，促进运输体系的形成和发展。交通 运输正向多样化方向发展，这就需要不同运输方式在服务范围及领域上的分工 协作，而公路运输则能满足这一要求。现代产业结构向多元化和分散化发展， 物质产品由大批量向小批量、多货种转化，对运输直达性和准时性提出了更高 的要求。客运方面，趋向于“个性化 服务方向，铁路、水运、航空等运输方 式也逐渐依赖于公路集散运输的支持。 ( 2 ) 公路运输的服务范围广、承担运量大、发展速度快。公路在我国己构 成覆盖面广、通达深度大的运输网络，不仅高速公路迅速发展，村道的通车里 程也逐年增加。由于公路灵活、快捷的运输特点，在我国地形复杂、经济落后 的地区，公路是唯一的运输方式。因此，公路建设是实现我国经济全面发展的 有效途径【2 】。如图1 1 所示，9 0 以上的客运量及7 0 以上的货运量都是靠公路 运输完成的，在各个运输方式中占主要地位，且公路运输的比重逐年增加，是 承担运输量最大的运输方式，这也说明公路在国民经济中的基础地位。 废旧橡胶粉改性沥青混合机理及实验研究 ( a ) 客运量比重 ( b ) 货运量比重 图1 1 各种运输方式客货运量比重 f i g 1 - 1t h ep r o p o r t i o no fp a s s e n g e r sa n df r e i g h tv o l u m e f o ra l lm o d e so ft r a n s p o r t ( 3 ) 公路运输中的“微血管”、“大动脉”作用。近年来，公路里程数量逐 年增加，如图1 2 所示，从2 0 0 6 年到2 0 1 0 年，公路总旱程数增加了5 5 万公里， 其中专用公路增加0 9 7 万公路，国道增加3 1 万公里，省道增加3 0 2 万公里， 4 ，彗求岫 ，羞求细 青岛科技大学研究生毕业论文 县道增加4 7 5 万公里，乡道增加6 7 2 万公里，村道增加3 6 5 7 万公里。由此可 见，公路逐渐向农村扩展，贯穿于全国各个角落，支撑着其他运输方式的顺利 进行【3 】；高等级公路是城市间、区域间的连接枢纽，实现大规模直达运输。现 代运输结构的转变，对公路运输的需求大幅度上升，因此，各种公路迅速发展， 以满足现代社会的需求。 刚 对1 2 0 k 裂 刚 超 勺 0 专业公路国道省道具道乡道村道 图l - 2 中国公路里程及组成 f i g 1 - 2c h i n ah i g h w a ym i l e a g ea n dc o m p o s i t i o n 公路是国民建设的基础部门，是经济活动正常进行和发展的保障。道路建 设等基础设施完善，国家经济才能顺利发展，才能把国民经济联接为一个整体。 而公路基础设施的建设，能明显拉动国民经济的发展。首先，公路建设是一种 大型投资活动，能提供创造需求和创造供给。公路建设中消耗大量的人力、物 力，在建设的过程中还需消耗大量的中间品，从而拉动国民经济和各行业的发 展。据统计，在公路建设中，拉动的其他部门的产出值是公路投资活动的两倍， 由此可见，公路建设能有效促进国民经济的发展。其次，公路建成后，公路运 输能力增强，增加运输产值，协调区域运输系统，进一步促进经济的发展。第 三，公路的建设使区域间连接更为紧密，促进了地区之间的沟通、协调，使区 域生产力布局、产业结构调整、资源合理布局更加合理。第四，交通运输的发 展为汽车工业、机械电子、建筑业等的发展提供了广阔的市场空间，同时也促 进了第三产业的发展。人民生活水平提高，对生活质量也提出了更高的要求， 从而带动了汽车行业的发展，也就是对公路交通的需求量增大。综上所述，公 路建设在国民经济中发挥着极大的作用，公路的发展带动着一大批行业的发展， 为国家创造了巨额税收，反过来，国家财富增多，会更进一步加快公路基础设 废1 日橡胶粉改性沥青混合机理及实验研究 施和城市的建设。因此称公路是国民经济发展的命脉毫不为过。 1 1 2 我国公路发展历程 新中国成立以来，我国公路建设经历了三个发展时期： 第一时期，在五六十年代，以砂石路面为主的简易路面铺装，其目的是恢 复原有的公路和加快建设一些干线公路，解决通车。这一阶段，公路交通量小、 车辆轴载小、路线和路面等级低，除少部分路面为泥结碎石和级配砾石外，其 它大部分为砂石路面。 第二时期，在六七十年代，路面表面处治方式以渣油表处为主，该种路面 能改善路面行车质量、减轻养护、增加车速。这一阶段，公路交通量显著增加， 且随着大庆原油的开发，渣油表面处治路面得到广泛应用。因此，这一时期的 路面结构型式主要为渣油表面处治路面加石灰土基层。 第三时期，在八十年代中期以后，沥青路面开始发展，其中以沥青碎石面 层和沥青混凝土路面层为主。该种路面能够提高路线和路面质量，并能改建和 新建高等级公路。由于交通量在这一时期迅速增长，高速公路开始建设。这一 阶段，京津塘高速公路开始投入建设，标志着我国开始进入了高等级公路建设 的新时期。在高等级公路上，沥青铺筑多采用较厚的贯入式面层、沥青混凝土 路面层和沥青碎石面层，而沥青混凝土路面作为一种崭新的结构型式，发挥了 重要的作用。 根据( 2 0 i o 年公路水路交通运输业发展统计公报统计，截止到2 0 1 0 年 底，全国公路总里程达到4 0 0 8 2 万公里，等级公路里程达3 3 0 4 7 万公理，其中， 二级及以上公路里程4 4 7 3 万公里，高速公路7 4 l 万公里，居世界第二位，一 级公路6 4 4 万公里。沥青混凝土路面5 4 2 5 万公里。 但随着我国经济建设的发展和人民生活水平的提高，汽车工业飞速发展， 汽车持有量逐年增加，汽车工业成为了我国的支柱型产业。伴随着汽车市场的 开放越来越大，带来了两个难题：产生了大量的废旧橡胶轮胎。在汽车工业 的带动下，轮胎工业也取得了巨大的发展。据权威人士预测，在较短的时间内， 我国的汽车数量将达到世界前茅，成为世界上最大的汽车市场之一。这样一来， 我国汽车轮胎的消耗量也将迅猛增长，进入世界前列。根据统计数据显示，2 0 0 5 年我国废旧轮胎产量达到3 4 0 多万吨，而废旧轮胎的回收利用率仅有3 0 左右， 绝大部分轮胎没有被回收利用，成为环境垃圾。截止到2 0 1 0 年，我国的汽车保 有量达到6 0 0 0 万辆，轮胎的生产量多达3 亿多条，产生的废旧轮胎总量约为 5 2 0 万吨。我国废旧轮胎的产量呈逐年增长趋势，使我国成为世界上废旧轮胎 产量最多的国家，大量废旧轮胎的长期积存给我们带来严重的环境威胁。大量 废旧轮胎的长期囤积，一方面占用了大量生活空间，另一方面，废旧轮胎经过 日晒雨淋后容易滋生蚊虫、引发火灾，形成所谓的“黑色污染”。而我国近年来 6 青岛科技大学研究生毕业论文 橡胶资源的自给率出现不足，大部分天然橡胶需要进口，若将这部分废旧轮胎 回收利用，则可减轻橡胶资源的来源负担。因此，如何综合利用数量巨大的废 旧橡胶、治理环境污染是全社会都应该重视解决的大问题。汽车数量的增加 加速的路面的破坏速度。随着汽车保有量的迅速增长( 见图1 3 ) ，2 0 1 0 年我国 民用汽车保有量达到7 8 0 2 万辆，预计到2 0 2 0 年，中国民用汽车保有量将达到 l 亿4 千万辆左右。汽车的数量在快速攀升，车辆在向大型化方向发展，车辆 渠道化、车辆超载严重等问题使沥青混凝土路面面临严峻的考验。许多沥青路 面建成不久就不能适应交通的需要，早期破坏的情况经常发生。 譬i | | 一_ _ l 。j j | 。i i ij i 。j 。t 7 | | j正 i=。 2 0 i z = ， ， i ； j ” 目i 2 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0lo 图1 - 3 民用汽车保有量( 万辆) f i g 1 - 3c i v i l i a nv e h i c l eo w n e r s h i p ( t e nt h o u s a n du n i t s ) 1 2 沥青混凝土路面的破坏形式 固 我国高速公路建设中，大多采用沥青混凝土路面，其具有良好的耐久性、 较好的力学性能及行车舒适性，对通行车辆的种类没有要求，且该种路面坚实、 平整、耐久，还具有较好的防渗、抗滑和耐疲劳的性能。但由于交通量的增长， 以及车辆大型化的发展方向和严苇的超载现缘使沥青路而早早 h 现不同程度 的破坏，常见的有裂缝、车辙、水损害、泛油、拥包等。不仅提前了路面的维 修期，同时也影响了车辆的通行，增加了路面养护投资。 1 2 1 沥青路面的车辙 车辙是沥青混凝土路面特有的一种破坏形式，它能够影响车辆的行车舒适 性，还对交通安全有一定影响。例如车辙使车辆变换车道时存在困难，车辙内 积水使车辆高速行驶时发生水漂，气候条件恶劣时出现制动距离不足掣4 1 。沥 青路面的车辙一般包括磨损型车辙、压缩型车辙、结构性车辙及流动型车辙： 0 0 0 0 0 o 0 o o o 0 o o o o o o踟加的加m 废旧橡胶粉改性沥青混合机理及实验研究 ( 1 ) 结构型车辙：这类车辙是由于路面上的作用载荷超过了路面层的承受 能力，引起的沥青路面层的永久变形。该种车辙横向较宽，常伴有裂缝，随着 时间的推移，会引发其他类型的路面破坏。 ( 2 ) 流动型车辙：这类车辙是由于在高温下，沥青混合料经车轮的反复碾 压作用，出现稳定性不足，使沥青混凝土发生侧向流动的现象。发生该种车辙 的路面两侧隆起，断面呈w 形，易发生在车速慢、产生横向压力大的路面。 ( 3 ) 压缩型车辙：这类车辙是由于施工时，路面层压实不充分，留有大量 空隙，在高温下经车辆反复碾压使沥青混合料相互挤压，空隙变小而形成车辙。 ( 4 ) 磨损型车辙：这类车辙是由轮胎磨损路面层而形成的，无需专门维修。 沥青路面的车辙大部分都是压缩型车辙和流动型车辙。压缩型车辙一般车 辙浅，在不影响使用的情况下不作处理；而对于流动型车辙，目前没有较好的 维修方法，一般是从提高混合料的抗车辙能力入手，即提高沥青的使用性能。 在沥青中添加改性剂制成改性沥青是提高沥青品质的常用方法之一。 1 2 2 沥青路面的开裂 国内外都普遍存在沥青路面在使用期内开裂的问题。一般来说，单纯的沥 青路面开裂对路面的使用性能没有太大的影响，但当水分从裂缝进入路面基层 时，会导致基层及路基软化，降低路面的承载能力，产生网裂、唧浆等，加速 路面破坏。因此，如何有效提高路面的抗裂性能是现代众多学者的研究课题。 沥青路面的开裂可分为载荷型裂缝和非载荷型裂缝【5 】。前者是由于结构层 自身强度不足，再加上行车载荷的反复作用而产生的开裂；后者是由于温度的 急剧变化而使路面层产生较大温度应力而行成的裂缝。沥青路面裂缝的产生与 沥青及其混合料的性能有较大关系，因此，许多单位都选择使用改性沥青以提 高路面的抗开裂性能。 1 2 3 沥青路面的水损害 沥青的水损害是指在水分存在的情况下，沥青路面受交通载荷的反复碾压 及温度胀缩的作用，使水分侵入沥青与集料中，导致沥青粘结力下降甚至丧失 而发生路面破坏。 沥青路面的水损害经历以下阶段：水分侵入沥青与集料界面，降低沥青 粘结力；经载荷的反复作用，集料与沥青出现分离；随着时间的推移，集 料松散、掉粒，形成凹槽【6 】。 沥青路面只有在沥青与集料牢牢的粘结在一起时才能表现出较好的性能， 由上可知，为提高沥青路面的耐久性，应提高沥青与集料的粘结性与抗剥离性。 常用方法有对集料的改性和对沥青的改性，而后者使用居多。 8 青岛科技大学研究生毕业论文 1 2 4 沥青路面表面的功能衰减 沥青路面的表面层具有向行进的车轮提供足够的摩擦力及为车辆前进提供 一个平整舒适的表面的功能。通常的路面表面功能有抗滑、抗噪音、车轮向两 侧的溅水少、车后拖带的水雾少等。这些功能均与路表面的构造深度有较大关 系。构造深度大的路面，不仅使噪音可以减小3 d b - 5 d b ，还使水雾和溅水大大 减少，同时还具有良好的抗滑性能。 沥青路面泛油是路面抗滑性能不足的个原因，而沥青路面泛油是由以下 原因造成的：沥青标号过大，沥青用量过多，混合料拌合不均、碾压不足，交 通中的超大吨位行驶，汽车尾气的加温等。 我国沥青路面的破坏究其原因是多方面的，对使用在沥青混合料中沥青材 料的结构性质及改性机理认识不足，也是一个很重要的原因。 综上所述，将废旧轮胎制成橡胶粉用于道路沥青中，既可以解决一部分废 旧轮胎的回收利用问题，也可以提高道路沥青的高低温性能，抗老化、抗疲劳 性能，减少路面的损坏。因此，对废旧橡胶粉改性沥青性能的研究具有十分重 大的现实意义。 1 3 废旧轮胎的回收及处理技术 废旧轮胎的回收和处理技术一直以来都没有取得较大进步，成为世界性难 题，同时也是环境保护的难题。废旧轮胎作为一种再生资源，其回收利用途径 主要有轮胎翻新、生产胶粉、建筑建设、原形改制、热能利用、再生胶以及热 分解等【7 - 9 】。 ( 1 ) 废旧轮胎的翻新技术 废旧轮胎的翻新是指废旧轮胎经再加工，而达到重新使用的工艺水平。轮 胎翻新不仅能够节约资源、降低成本，而且还有利于环保，是发达国家处理废 旧轮胎的主要方式，但由于我国轮胎翻新技术落后，且运营机制不健全，使得 翻新率不足4 。轮胎翻新方法主要有热翻新和冷翻新，热翻新由于硫化温度高、 时问长，导致橡胶老化，对胎体伤害较大，该技术已逐渐被淘汰：冷翻新胎体 硫化温度低，胎体老化因素减少，增加了翻新次数，延长轮胎使用寿命。 ( 2 ) 废轮胎| jj ：建筑建改 将废旧轮胎切成碎片作为填料用于建筑中是近年来发展的新技术。将碎轮 胎用作填充材料，可以减少上覆压力，增强稳定性，且碎轮胎具有弹性，可降 低挡土结构的水平应力，从而减少挡土材料的使用，降低成本。但该方法操作 技术尚不成熟，使其使用受到限制。橡胶土技术是废旧轮胎用于建筑的另一种 形式。该方法是将废旧轮胎中的钢丝去掉，经一定加工工艺制成轻质建筑块， 废旧橡胶粉改性沥青混合机理及实验研究 可用于挡土结构、路堤、地下厂房回填、山坡和道路填土等。 ( 3 ) 原形改制 原形改制是指捆绑、冲切、剪裁等方式，将废旧轮胎制成有利用价值的物 品，如码头上使用的船舶护舷、海底的人工鱼礁等。该方法使用简单，回收利 用价值高，但其消耗的轮胎量小，是一种辅助途径。 ( 4 ) 胶粉 将废旧轮胎通过机械方式粉碎，得到的粉末状物质就是胶粉。胶粉的生产 无需脱硫，工艺简单，减少了环境污染，且胶粉性能较好，使用途径广泛。如 将胶粉代替生胶掺入胶料中，可降低成本；将胶粉经一定工艺处理，制成活化 胶粉，用于各种橡胶制品的生产中；将胶粉加入沥青中制成改性沥青；与塑料 并用制成防水卷材等。其中将胶粉加入到沥青中制成改性沥青，不仅改善了沥 青路面的使用性能，并且使路面寿命延长，受到国内外广泛关注。 ( 5 ) 废旧轮胎的热利用和热裂解 废旧轮胎的热利用是指将废旧轮胎作为燃料使用。废旧轮胎燃烧虽然能产 生大量的热能，且消耗量大，但会造成大气污染，不宜提倡。热裂解是指将废 旧轮胎在无氧或缺氧状态下加热、蒸馏，得到新产品的过程。该方法可以实现 能源的最大回收，具有较高的环境和经济效益。目前我国热裂解技术基本形成， 已建成试点厂区。 ( 6 ) 再生胶 再生胶是废旧轮胎回收利用的古老技术，是指将橡胶颗粒经一定的配方混 合，在加压、加温条件下，再机械挤出的过程。再生胶可代替生胶用于橡胶制 品的生产中以降低成本，改善胶料加工性能，但该方法技术水平低，生产过程 中存在严重的环境污染现象，国外已淘汰该法。 废旧轮胎的循环利用，即解决了环境污染问题，也减轻了橡胶资源短缺的 压力。目前我国正在大力进行基础设施建设，高速公路也飞速发展。将废旧轮 胎制成胶粉用于公路建设中，可以大量消耗废旧轮胎的数量，既解决了环保问 题，又改善了路面的使用性能。 1 4 改性沥青国内外研究概况 1 4 1 国外研究现状 世界上每年都有数量惊人的废旧轮胎产生，废旧橡胶粉改性沥青的研究与 应用也成为国际上倍受重视的研究课题。关于橡胶沥青的文献最早见于1 8 4 3 年 英国的专利，2 0 世纪，美国开始将废旧轮胎橡胶粉作为改性剂应用于路面的研 究工作。2 0 世纪4 0 年代，美国的橡胶回收公司( r u b b e rr e c l a i m i n gc o m p a n y ) l o 青岛科技大学研究生毕业论文 首先采用干拌法生产了r a mf l e xt m 橡胶粉沥青混合料；2 0 世纪6 0 年代，美 国的c h a r l e sm c d d o n a l d 首先采用湿拌法生产了o v e rf l e xt m 橡胶沥青混合料 。从2 0 世纪6 0 一7 0 年代以来，英国、瑞典、法国、美国、比利时、日本、澳 大利亚、南非、印度等国家先后对橡胶沥青和橡胶粉沥青混凝土开展了应用研 究，并应用立法手段和技术推广，在很大程度上促进了废旧轮胎在道路工程中 的应用【l l 】。 美国是应用橡胶沥青最早也是最广泛的国家之一。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，该条款要求逐步增加废旧橡胶 在路面工程中的应用。自1 9 9 4 年起，就有法规要求，若使用联邦经费购买热拌 沥青混合料，必须将5 的经费用于废胶粉改性沥青混合料，且以后每年增加5 。据统计，截止到1 9 9 7 年，公路行业共消耗掉8 0 0 0 多万吨废旧轮胎橡胶粉， 相当于4 亿条废旧轮胎。这在很大程度上促进了胶粉改性沥青在道路工程中的 应用，使胶粉改性沥青的研究进入了新阶段。 美国的实践证明，添加橡胶粉的路段比对比路段的车辙要明显小、抗滑性 能略强，路面的耐寒、耐热性能提高而且使用寿命提高了一倍。橡胶粉的加入 可提高韧性，能有效吸附沥青中的蜡，较少游离蜡含量，降低沥青的感温性能， 提高粘结性。截止到1 9 9 5 年，法国累积已经摊铺了超过1 0 0 万m 2 橡胶沥青多 孔隙混凝土路面，经过多年的室内研究和实际应用效果表明：橡胶粉改性沥青 路面比普通沥青路面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。南非废旧轮胎橡胶粉在公路行业中的应用十分成 功，根据他们的经验，认为胶粉改性沥青混凝土对于超重轴载的使用环境尤为 有利。 经过近半个世纪的发展应用，废旧橡胶粉在公路工程中的应用大致经过了 5 个发展阶段：应力吸收层、应力中问吸收层、开级配沥青混凝土、连续级配 沥青混凝土、断级配沥青混凝土。经过经验总结和实践检验，目前大多数国家 都认为将胶粉改性沥青用于断级配沥青混凝土比较合适。 1 4 2 国内发展现状 我国胶粉改性沥青的发展经历了起步阶段、技术积累阶段和快速发展阶段。 我罔在2 0t l = 纪8 0 年代，开始将橡皎粉改性沥青用于公路研究中，因当时胶粉 生产技术水平不高，生产的胶粉不能满足改性沥青的要求，另外生产胶粉改性 沥青的相关技术不配套，未得到广泛发展。到9 0 年代，经过一些科研机构和大 专院校对橡胶粉改性沥青的作用机理及开发应用的研究，才使高等级沥青公路 的生产与开发获得重大突破。目前我国已具备了非常成熟的橡胶粉生产技术， 且胶粉的价格较低，具有良好的经济性，因此，我国多个省市也纷纷丌展了橡 胶粉改性沥青的应用研究，并取得了一定的成果。 废旧橡胶粉改性沥青混合机理及实验研究 我国从1 9 9 4 年就开始引进国外改性沥青技术，在部分机场跑道上进行实 验，效果很好。2 0 0 4 年，北京地区开始铺筑实验路段，到2 0 0 8 年，我国开始 大范围铺筑胶粉改性沥青路面，取得了较好的成梨1 2 j 。 张丽萍研究了不同含量的橡胶粉对橡胶沥青性能的影响，实验结果表明， 向基质沥青中加入一定剂量的橡胶粉后，沥青抵抗低温变形的能力和软化点温 度得到提高。张小英研究了不同橡胶粉溶解度对橡胶改性沥青的低温蠕变性和 动态剪切流变性的影响，实验结果表明，随着溶解度的不断增加，橡胶改性沥 青6 0 和1 3 5 ( 2 粘度不断降低，但其低温蠕变劲度和蠕变劲度斜率变化不大。 叶智刚研究了橡胶粉的用量、粒径、种类及基质沥青的种类对胶粉改性沥 青性能的影响，实验结果表明：鞋胶粉和胎胶粉对改善胶粉改性沥青的性能并 没有很大的差异：不同目数的橡胶粉对胶粉改性沥青的性能有一定影响，但胶 粉的粒径并非越细越好，应根据实际情况选择合适的胶粉粒径；当橡胶粉掺量 在2 0 之内时，对沥青的改性效果比较明显，但超过2 0 后，胶粉改性沥青的 性能变化不大；基质沥青中轻质组分的含量对胶粉改性沥青的性能影响较大， 轻质组分含量越多，胶粉改性沥青的改性效果越好。 黄文元等对胶粉改性沥青混合料进行了研究，在同一个级配下，分别对胶 粉改性沥青混合料和s b s 改性沥青混合料进行车辙实验、马歇尔实验和冻融劈 裂实验，将实验结果对比分析，并参考了美国和南非的胶粉改性沥青规范，得 出适合我国的胶粉改性沥青混合料的技术体系。 在我国，胶粉改性沥青的研究还是一项比较新的技术，对于橡胶沥青作用 机理的研究分析并不十分透彻，对原材料的选择、胶粉改性沥青的制备工艺、 胶粉改性沥青混合料的设计方法、胶粉改性沥青路面的施工质量检测与控制方 法等缺乏全面系统的知识，我国目前也缺少一整套胶粉改性沥青的质量控制标 准和评价体系。 1 5 公路隧道的阻燃性要求 随着我围公路建设的不断发展，公路隧道越来越多。截止到2 0 1 0 年，我 国高速公路隧道已达1 0 0 多万公里，是世乔上公路隧道里程最长的国家，并保 持持续发展的势头。由于公路隧道大长化的发展方向及行车速度和密度的增大， 使得车辆在隧道行驶过程中出现火灾事故的几率增大。国内及国外都已经有多 起隧道火灾事故发生，造成了重大的人员伤亡及财产损失。 隧道内空气相对潮湿，使用水泥混凝土路面不易发生结构性破坏，且施工 简单，路面耐久性好，因此，很长一段时间内，水泥混凝土是隧道内路面的主 要铺装材料，但水泥混凝土路面存在以下缺陷0 3 1 ：路面平整度差，行车舒适 性差；抗滑性能衰减较快，行车安全性差；o 灰尘大、行车噪声大、环境质 青岛科技大学研究生毕业论文 量差。随着高速公路等级的不断提高，水泥混凝土路面已经不能满足现代路面 铺装的要求，因此，人们开始转向沥青混凝土路面，其具有优良的抗滑性、平 整性、吸音性等，且容易养护，在公路建设中应用广泛。 由于隧道温差小、湿度大、空气流通慢，使得沥青路面施工困难，影响路 面的使用性能。特别是沥青为易燃材料，在高温下会燃烧，放出大量的烟雾和 有毒气体，当隧道发生火灾时，长隧道相对封闭的空间环境使得沥青路面燃烧 产生的毒气、烟雾和热量难以消散，导致人员逃生困难，极易造成灾难性事故， 损失惨重。因此，对长隧道沥青混凝土路面的阻燃性研究具有重要的现实意义。 1 5 1 隧道火灾特点 隧道内火灾发生一般是由以下几个方面引起的：汽车电气线路短路、汽 化器起火，载重汽车气动系统起火；货车所载可燃或易燃货物，遇明火燃烧 或自燃；0 隧道能见度差引起的车辆互撞起火； 隧道内电气线路或设备短路 起火。 上述原因引起的火灾，着火速度快，火势凶猛，一旦起火就难以扑灭，加 上隧道位置的特殊性及空间的局限性，使隧道内发生火灾时疏散困难、救援困 难、排烟困难和灭火困难，造成了隧道火灾与一般地面火灾所不同的特点：燃 烧剧烈，温度上升快：隧道内温度在着火的l o 2 0 分钟内达到最大：产生大 量有害烟雾，毒性大，灭火难度大。经验表明，隧道内发生火灾时会产生大量 的烟雾，而烟雾中的有毒气体和微尘对人体的危害要比高温危害更大，尤其是 高温烟雾中产生的一氧化碳等有毒气体，能直接威胁人的生命安全，导致疏散 困难，极易发生次生灾害。o “跳跃性”。由于温度和烟雾的迅速传播，使流动 的空气温度急剧上升，甚至可达1 0 0 0 以上，炽热的空气流动到可燃或易燃材 料上，从而引燃另一个着火点。 由上可知，隧道火灾普及性强，产生的温度高，能对隧道设施造成巨大的 破坏，致使隧道在维修时花费时间较多，投入资金较大，给交通带来极大不便。 1 5 2 阻燃剂研究现状 人类在很早以l j 订就有了阻燃意汉，有天阻燃技术的最早文献i 己载出现丁公 元自仃4 5 0 年的希腊，他f f - j 将材料浸于硫酸铝钾溶液中，在一定程度上降低了天 然纤维类材料的阻燃性【1 4 l 。后来，罗马人在硫酸铝钾溶液中加入醋进一步提 高了材料的阻燃性。而关于阻燃性的理论研究是在1 9 世纪初法国的j l g a y l u s s a c 开始的。他发现氯化铵、磷酸铵和硼砂的混合物对大麻和亚麻都具有 很好的阻燃性，这一方法现在仍然实用。随着现代技术的发展，无机盐阻燃剂 已不能满足人们的需求，因此，近代阻燃技术集中在研究与制备与高聚物相容 的阻燃剂i i 引。 国外阻燃沥青的最早研究出现于美国1 9 8 7 年和1 9 8 9 年的两篇专利“阻燃 废旧橡胶粉改性沥青混合机理及实验研究 沥青共混料，主要以卤系和磷作为阻燃剂，制备的阻燃沥青用于阻燃油毡【l 我国