（材料学专业论文）掺加tor橡胶改性沥青及混合料技术性能研究.pdf

摘要 随着汽车工业的快速发展，废旧轮胎造成的“黑色污染”已成为世界各国面临的重 大环境问题。将废胶粉合理的运用在道路工程中，不仅能解决环境污染问题，还能有效 提高路面的使用性能，但其复杂的改性及施工工艺制约了它的推广应用。如何通过合理 的措施来改善橡胶沥青加工与施工工艺，显得尤为重要。为此本文丌展了掺加t o r ( v e s t e n a m e r ) 改善橡胶沥青的性能研究，具有重要的工程价值。 本文通过常规试验、布氏旋转粘度以及d s r 试验来评价不同橡胶沥青粘结剂性能 以及研究掺加t o r 对橡胶沥青性能及改性工艺的影响，试验结果表明，在沥青中掺入 2 0 的2 0 目橡胶粉，橡胶沥青的综合性能最优，而t o r 的掺入不但能改善橡胶沥青的 改性工艺，并且能提高橡胶沥青的性能。 本文通过8 种不同类型橡胶沥青混合料室内对比试验，结果表明橡胶沥青更适应采 用问断级配：干法制备的混合料具有较好的高温性能；湿法制备的混合料具有较好的抗 水损害及抵抗低温丌裂的能力；t o r 的加入使不同类型橡胶沥青混合料的性能得到了不 同程度的改善，且使用干法制备的橡胶沥青混合料性能与湿法制备的混合料性能相当， 从而大大简化了橡胶沥青施工工艺。 本文还通过扫描电子显微、差示扫描量热法和红外光谱吸收法研究了掺加t o r 前 后橡胶沥青的改性机理。结果表明，t o r 的掺入使橡胶粉与沥青发生了化学反应，改善 了二者的相容性，使橡胶沥青具有更好的温度稳定性。 最后，本文还分析了橡胶沥青经济效益，总结了施工工艺。 关键词：废胶粉；t o r ：橡胶沥青；橡胶沥青混合料；路用性能；改性工艺；机理；经 济效益；施工工艺 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h e ”b l a c kp o l l u t i o n ”c a u s e db y a c c u m u l a t i o no fw a s t et i r e sh a sb e c o m eaw o r l d w i d ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m u s i n gt h e c r u m br u b b e ri nr o a de n g i n e e r i n g ，n o to n l ys o l v ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m ，b u ta l s oi m p r o v e t h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e h o w e v e r , c o m p l e xc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yr e s t r i c t si t sf u r t h e r a p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，i t i sv e r yc r u c i a lt of i g u r eo u tap r o p e rw a yt oi m p r o v et h i s c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y b a s e do nt h a t ，i no r d e rt oi m p r o v ei t sp a v e m e n tp e r f o r m a n c ea n d w o r k a b i l i t y , t h i sp a p e r s t u d i e do n p a v e m e n tp e r f o r m a n c e o f a d d i n g t h et o r ( v e s t e n a m e r ) t ot h ea s p h a l tr u b b e rm i x t u r e i nt h i sp a p e r , c o n v e n t i o n a lt e s t ，b r o o k f i e l dv i s c o s i t yt e s t ，d s ra r eu s e dt oe v a l u a t et h e b i n d e rp e r f o r m a n c eo fc o m b i n a t i o no fd i f f e r e n tt y p e so fa s p h a l tr u b b e ra n ds t u d yo nt h e p e r f o r m a n c eo f t h ea s p h a l tr u b b e rw i t ht o r ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tw h e n2 0m e s hr u b b e r p o w d e ri sm i x e dw i t h2 0 o ft h ea s p h a l t ，a s p h a l tr u b b e rh a st h eb e s to v e r a l lp e r f o r m a n c e ，a n d t h em i x t u r eo ft o rn o to n l yi m p r o v e st h er u b b e rm o d i f i e da s p h a l tt e c h n o l o g y , b u ta l s o i m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tr u b b e r w ep e r f o r mt h ei n d o o rc o m p a r a t i v et e s t sf o r8d i f f e r e n tt y p e so fr u b b e ra s p h a l tm i x t u r e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，r u b b e ra s p h a l ti sm o r es u i t a b l ef o rg a p g r a d e d ；t h em i x t u r et h r o u g h t h ed r yp r o c e s sh a st h eb e t t e rh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ；t h em i x t u r et h r o u g ht h ew e t p r o c e s sh a sag o o dr e s i s t a n c et ow a t e rd a m a g ea n dl o wt e m p e r a t u r er e s i s t a n c ec r a k i n g ；t h e d i f f e r e n tt y p e so fa s p h a l tr u b b e rw i t ht o rc o u l di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm i x t u r e r e s p e c t i v e l y , a n dm a k et h ep e r f o r m a n c eo f r u b b e ra s p h a l tm i x t u r et h r o u g hd r yp r o c e s sm u c h c l o s e dt ow e t p r o c e s s ，w h i c hs i g n i f i c a n t l ys i m p l i f i e st h ep r o c e s so fa s p h a l tr u b b e r t h ep a p e ru s e ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y , d s ca n di n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r u m a n a l y s i st o r e a s e r c ht h em o d i f i c a t i o nm e c h a n i s mo fa s p h a l tr u b b e rw i t ht o r t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt o rc a ni n c r e a s eac h e m i c a lr e a c t i o nb e t w e e nr u b b e rp o w d e ra n da s p h a l t ， i m p r o v et h ec o m p a t i b i l i t yo ft h ea s p h a l ta n dr u b b e rp o w d e r , s ot h a ta s p h a l tr u b b e rh a sb e t t e r t e m p e r a t u r es u s c e p t i b i l i t y f i n a l l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee c o n o m i ce v a l u a t i o no fa s p h a l tr u b b e r ，a n dt h ec o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y k e yw o r d s ：w a s t er u b b e rp o w d e r ；t o r ；a s p h a l tr u b b e r ；r u b b e ra s p h a l tm i x t u r e ；p a v e m e n t p e r f o r m a n c e ；m o d i f i c a t i o np r o c e s s ；m e c h a n i s m ；e c o n o m i cb e n e f i t s ；c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y k 安人学颁。i 二学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 目前，轮胎造成的“黑色污染”同塑料袋造成的“白色污染”是造成环境污染的两大 污染源i h2 1 。随着汽车工业的不断发展，汽车保有量持续增加，每年都会有大量的废旧 轮胎产生，如何处理这些废旧轮胎已经成为全世界尤其是发达国家的一个很大的社会问 题【3 】。据统计，美国每年要产生2 8 亿条报废的轮胎，日本1 亿条。而在我国随着改革 丌放以来经济的高速发展，私家车数量的猛增，预计今年产生的废旧轮胎将达到2 亿条。 目前，全世界的废旧轮胎积存量已超过3 0 亿条，并且以每年l o 亿条的速度快速增加【4 1 ， 而这中间只有1 5 2 0 的废旧轮胎会被翻新利用，剩下的大部分都被废弃或填埋。欧 美发达国家废旧轮胎产生和回收情况如表1 1 中所示。 表1 1 欧美各国废旧轮胎产生和回收概况 国家美国德国法国英国意人利 年产量( 公吨)2 2 55 53 5 2 9 1 5 处 掩埋( ) 7 73 6 理 焚化( )2 5 资源同收( )2 7 1 0 再利用( ) 1 3 出口( ) 8 其他( 不详或待处理)7 3 3 1 废旧轮胎由于体积大、形状外观固定、不易腐化、又容易引起火灾，在处理上极为 困难。目前，常用的处理方式有： 1 掩埋，由于轮胎体积过大，造成垃圾场使用年限的降低，并且轮胎中存在大量的 碳及其它分子，使其非常不易分解，美国曾挖掘出至少一百年前被掩埋的废旧轮胎，至 今完好如初。 2 堆置( 见图1 1 ) ，大量的废旧轮胎堆积不仅造成了极大的资源浪费，且易滋生蚊 虫，是环境卫生的死角。并且由于轮胎的易燃性，很容易引起火灾。 第一章绪论 图1 1 大量堆置的废旧轮胎 3 焚烧，焚烧轮胎将会排放出有害气体和浓烟，对环境造成严重的污染，如图1 2 中所示。 图1 2 焚烧的轮胎 4 再利用是目前比较有效的处理方式。它主要包括： 轮胎翻新，翻新废旧轮胎在国外已发展了多年，但由于受消费者消费能力和习惯 的影响，翻新轮胎的市场也日渐萎缩，且翻新后的轮胎也会有被废弃的一天，并未真正 解决问题【5 j ； 人工渔礁，全世界的废旧轮胎利用在人工渔礁至少有2 0 0 0 处以上，经研究废旧 轮胎是非常适合用于人工渔礁的材料。但由于需求量少，而且昂贵的运输成本及施工技 术的困难，已成为这种处理方式发展的障碍； 发电，将废旧轮胎直接投入特别设计的火力发电机中燃烧发电。世界各国研究轮 胎直接焚化用来发电的公司最成功的是美国牛津公司，该公司于1 9 8 9 年在加州建了第 一座轮胎发电厂，耗资四千一百万美元，第二座于1 9 9 3 年完工，耗资超过一亿元，美 国计划未来将拥有四座轮胎发电厂。但是由于这种方式投资成本过大，远远超过了一般 2 & 安人学顾一i ：学位论文 的发电厂，而且技术难度大，所以很难在世界范围内得到大力推广。 虽然这些再利用的方式能够帮助处理废旧轮胎，但是都各有制约其发展的缺点。因 此各国都在不断研究合理处理废旧轮胎的方式。废旧轮胎中含有大量的s b r 、天然橡胶 等多种高分子聚合物，以及碳黑、抗氧化剂、填料、处理油等许多有益于改善沥青性能 的材料。因此，将废旧轮胎应用在公路工程中己成为近年来解决其回收问题的最有效方 式之一，掘统计，一公里的橡胶沥青路面可消耗4 0 0 0 条废旧轮胎【6 】。 1 2 橡胶沥青研究与应用现状 1 2 1 国外研究与应用现状 根据美国a s t m 定义，橡胶沥青( a s p h a l tr u b b e r , 简称为a r ) 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，橡胶颗粒产生溶胀【7 1 。橡胶沥青的作用机理就是橡胶颗粒在高温的沥青中浸泡， 然后经溶胀后，仍保持着胶粉的固体颗粒。溶胀是指橡胶粉与高温沥青发生的一种物理 性质的相互作用过程，在这一过程中，橡胶粉的表面被沥青的轻质油分所吸收融解，并 释放出某些油分，形成一种凝胶状( g e l ) 的物质，但其核心仍保持着固体的颗粒。图 1 3 即橡胶沥青的反应过程。 图1 3 胶粉在沥青中反应过程 废胶粉改性沥青始于1 0 0 年前，1 9 世纪7 0 年代w h i t i n g 申请了在沥青中加入1 古 塔胶乳的专利。英国在1 8 8 4 年申请了在沥青中加入橡胶的专利，但这一时期还没有将 它使用在道路工程中的记录。直到2 0 世纪3 0 年代，英国和法国建设了许多试验路，从 那时起，使用聚合物改性沥青作为路面材料丌始被重视【8 1 。 第一章绪论 最初，橡胶沥青只是用来做路面接缝材料。利用废橡胶粉作为沥青改性剂的研究真 正始于上世纪5 0 年代初，当时的美国加州公路局进行了一次试验室研究工作，他们评 估了不同的橡胶材料对石油沥青性质影响，使用了1 4 种橡胶粉和三种石油沥青( 包括 低比重、低硫、低沥青质的沥青材料) ，在混合料中采用了干法和湿法两种制备方法。 随后，美国公路局又进行了橡胶沥青摊铺的试验室研究。这一研究采用了更为广泛的硫 化和非硫化的橡胶材料，包括经处理的废旧轮胎材料、丁苯橡胶、天然橡胶、聚丁二烯 橡胶和非硫化的再生橡胶，并用湿法和干法的方法将它们加入到混合料中。美国沥青研 究所在1 9 6 0 年召丌了第一次橡胶沥青的研讨会。在上世纪8 0 年代后，美国在废胶粉改 性沥青混合料研究方面，取得了大量的成果，h e i t z m a n l 9 】尝试将6 4 m m 。0 8 5 m m 的橡胶 颗粒直接加入到断级配沥青混合料中用来代替部分石料，并将其作磨耗层；v a nk i r k ， j a c kl 等人【1 0 。1 5 1 将一定粒径的橡胶颗粒掺于密级配沥青混合料中，用来代替部分石料以 满足级配要求，同时改善沥青性能。该方法要求用于面层铺装的沥青混合料中的橡胶颗 粒掺量不能大于混合料质量的2 ，且橡胶颗粒的细度较大，基本上是用于替代混合料 中的细集料部分。利用该方法，佛罗里达州、纽约州、俄勒冈州和安大略州分别铺筑了 试验路。 上世纪八十年代，美国丌始大规模的推广橡胶沥青，但是由于受到专利的保护，推 广受到了限制。之后，美国各州尤其是亚利桑那州、加利福尼亚州和佛罗罩达州的橡胶 沥青技术开始快速发展【1 6 】。加州在1 9 7 8 年修建了第一条采用干法制备的橡胶沥青混凝 土路面，在1 9 8 0 年修建了第一条用湿法制备的橡胶沥青路面。在1 9 9 2 年发布了橡胶沥 青间断级配混合料设计指南。1 9 9 5 年共修建了l o o 多个橡胶沥青路面，在2 0 0 1 年已达 到2 1 0 多个。1 9 8 5 年到1 9 9 2 年8 年期间，亚利桑那州修筑了3 5 个橡胶沥青路面工程， 到1 9 9 9 年达到了1 6 3 个。目前，美国已有l o o 多家收集并利用废胶粉的厂家，其废轮 胎的利用率已达到8 0 以上，近几年其废胶粉的增长率高达6 4 ，其中5 2 的废胶粉来 自轮胎。6 家废胶粉改性沥青公司消耗废胶粉总量的2 5 以上。美国国会在1 9 9 1 年通 过了陆上综合运输经济法案( i s t e a ) ，其中1 0 3 8 条款要求从1 9 9 4 年起凡使用联邦经 费的热拌沥青混合料都必须将5 的经费用于废橡胶沥青混合料，以后每年再增加5 ， 直到1 9 9 7 年达到2 0 t 1 7 】。据统计，到1 9 9 7 年用于废胶粉改性沥青的废胶粉达到了8 0 0 0 力吨。加州政府已颁布公共资源条例明确规定从2 0 0 7 年起2 0 的沥青路面必须采用橡 4 k 安人学顾一i ：学位论文 胶沥青，2 0 1 3 年起增长到3 5 。 目前，橡胶沥青混合料的制备方法有两种，分别是湿法制备和干法制备1 1 8 】。湿法制 备的研究工作开始于上世纪6 0 年代，所谓湿法处理( w e tp r o c e s s ) 是指任何一种在粘 结剂尚未掺和到沥青摊铺材料中之前，先将橡胶粉加入到基质沥青中进行拌和的方法。 在研究湿法处理的早期，基质沥青的温度被加热到常规的沥青加热温度( 1 7 0 ( 2 ) ，为了 增强沥青与橡胶粉之问的相互作用，要求橡胶粉的粒径尽可能细。也曾用过溶剂的浸泡 来增强对橡胶粉的溶融作用。由于生产成本、工艺、处理时间等方面的问题，湿法处理 的方法没有获得很多的推广应用，直至m c d o n a l d 湿法处理的出现。这一工艺的特点是 将基质沥青超高温加热到1 9 0 2 1 8 ( 2 ，并让橡胶粉的颗粒在这样的高温下在沥青中浸泡 溶胀而与沥青的轻质油分形成一种凝胶状的物质。 干法处理( d r yp r o c e s s ) 是胶粉不作为胶结料的一部分，在沥青加入集料之前，将 胶粉与集料拌和的方法。由于搅拌时间短，在橡胶粉与沥青之间无法发生反应作用，因 而干法制备在早期实施的一些试验路段没有取得很大的成功。在美国，第一个有实用价 值的干法处理实例是所谓的“改善行驶系统 ，它采用粗颗粒的橡胶粉作为集料的一部 分加入到断级配的矿料中。 橡胶沥青及混合料的常用制备方法如表1 2 所示。 表1 2 各地橡胶沥青及混合料制备方法 是否中请( 获是否进行路面 技术名称发明时间和地点生产方法及简称 生产公司 得) 专利评估 已申请( 获 7 0 年代就已进 a s p h a l t m e d o n a l dl9 6 0 s a r i z o n a 湿法改性a r行人量路面评 r u b b e r 得) 专利p r o d u c e r s 估 g r o u p 朱进行路面评 p r e s s u r e19 9 0 m i s s o u r i 湿法改性a r未中请专利d a nt r u a x 估 c o n t i n u o u s 1 9 8 9 年后进行 r o u s e 19 8 9 f l o r i d a 湿法改性a r朱中请专利了有限度路面r u b b e r b l e n d i n g 评估l n d u s t r i e s 1 9 9 2 年后进行 t e r m i n a l 19 9 2 a r i z o n a - w a s 湿法改性a r未中请专利了有限度路面 n e s t e b l e n d i n g h i n g t o n u s o i l 评估 第一章绪论 表1 2 各地橡胶沥青及混合料制备方法( 续) 是否中请( 获 是否进行路面 技术名称发明时间和地点生产方法及简称生产公司 得) 专利 评估 已中请获得 1 9 9 2 年后进行 e c o f l e xl9 9 2 c a n a d a 湿法改性a r 了有限度路面 b i t u m a r 专利 评估 已中请获得术进行路面评 b a s f l e x o c h a p e l9 8 6 f r a n c e湿法改性a r r e c y c l i n g 专利估 ( b e u g e n t ) 干法改性 已中请获得 1 9 7 8 年后进行 e n v i r o r i r p l u s r i d e l9 6 0 s s w e d e n 了人量路面评 r u m a c g a p 专利 e 估 1 9 8 9 年后进行 g e n e t i cd r y l9 8 9 n e wy b r k 干法改性 未中请专利了有限度的路 t a k ( r u m a c )r u m a c - g a p ，d e n s e 面评估 c h u n k干法改性未进行路面评 c r r e l l9 9 0 - s h i 冲 未中请专利 r u b b e r r u m a c g a p ，d e n s e 估 干法改性a r o p e n 1 9 9 2 年进行了 g e n e r i cd r y19 9 2 - k a n s a s 未中请专利有限度路面评 g 印 估 从上世纪6 0 年代，瑞典、英国、法国、比利时、澳大利亚、日本、南非等国也先 后开展了橡胶改性沥青和混合料的应用研究，通过立法和技术推广，极大的促进了废旧 轮胎橡胶在路面工程中的应用。 2 0 世纪6 0 年代末，瑞典公司丌发了掺加橡胶粉的干法表面层混合料工艺，称为 p l u s r i d e 法。该方法是将废旧轮胎橡胶粉直接加入到混合料中，通过充分的机械搅拌， 与沥青发生反应，达到改善沥青性能的目的，进而改善沥青混合料的性能。 南非在橡胶沥青应用方面也很成功，其研究主要集中于橡胶改性沥青应用技术方 面，利用废旧轮胎橡胶粉生产的橡胶粉改性沥青的应用领域包括沥青混合料、应力吸收 层等，已经拥有了一套相关的技术及完整的指标体系。他们拥有使用了2 5 年还完好的 橡胶沥青路面。据统计，南非目i j 有6 0 以上的道路在使用橡胶沥青。 此外，法国在多孔性沥青路面中采用了大量的橡胶沥青。采用橡胶沥青的多孔性路 面比普通多孔性路面具有更好排水性能、抵抗重交通的能力并且还有减低造噪音的功 能。 1 9 9 0 年，加拿大安大略省泰晤士维尔的道路工作者将废旧轮胎橡胶加入热拌沥青中 6 长安火学硕i j 学位论文 铺筑了一条试验路，沥青橡胶混合料路面和标准混合料路面各长6 5 k m 。通过比较，沥 青橡胶热拌路面( 橡胶占混合料的2 0 ) 与标准路面性能相当，但施工方便、安全，目前 安大略省每年用于公路建设所使用的废旧轮胎数达上千万个0 9 。 经过长期大量的工程经验积累，人们发现铺筑橡胶沥青的路面具有良好的路面使用 性能，如图1 4 、1 5 所示。 普通路面 图1 4 橡胶沥青路面 橡胶沥青路面 图1 5 德州使用八年后的橡胶沥青路面 橡胶沥青不仅提高了路面高温、低温、抗疲劳的性能，而且由于橡胶沥青可以提高 路面的整体柔性，使路面的弹性变形能力增强，特别适用于铺筑防冻路面【2 0 1 ，如图1 6 所示。美国工程兵寒冷地区工程实验室研究发现，橡胶沥青混合料可以有效破除路面结 冰，该研究将4 7 5 m m 9 5 m m 的橡胶颗粒添加入混合料中，并分别对橡胶粉掺量为3 、 6 和1 2 的沥青混合料进行了马歇尔试验、回弹模量测试和除冰试验，试验表明橡胶 粉掺量越高，除冰雪效果越明显。 7 第一章绪论 豳一 龇j 濑粼 图1 6 橡胶沥青路面防冻作用 此外，橡胶沥青路面还有降低路面噪音的功效。1 9 8 1 年，在比利时的布鲁塞尔，橡 胶沥青首次用来降低道路交通噪声。随后，许多国家开始研究和评估橡胶沥青作为降噪 措施的功效。1 9 8 4 年，法国对沿塞纳河采用d r a i n a s p h a h t 铺筑的城市道路进行研究，发 现在没有载重车时路面噪声降低3 - 5 d b ，有5 的重车时，噪声可降低2 3 d b 。加拿大、 荷兰、南非等国家也先后展丌了橡胶沥青对于路面减噪性能的研究，均得到了不同程度 的减噪效果。美国的加利福尼亚、亚利桑那、德克萨斯、俄勒冈州1 9 8 9 年至今对多条 橡胶沥青混凝土路段进行了噪声测试，研究表明，与传统的沥青路面相比，橡胶路面噪 音的降低在3 d b 以上，其中凤凰城的降噪效果达到1 0 d b ，即声音强度降低了8 8 【2 1 1 。 1 2 2 国内研究与应用现状 与欧美等发达国家相比，橡胶沥青技术在我国起步相对较晚，始于2 0 世纪8 0 年代。 8 0 年代初，由于国产多蜡沥青的性能不良，沥青改性剂匮乏，同济大学率先与几个省市 合作开展了废橡胶粉改性沥青的研究。对湿法橡胶沥青的生产工艺、橡胶粉与沥青共熔 反应的粘度变化规律、橡胶沥青的路用性能及其在热拌沥青混合料中的应用进行了系统 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性能，并通过生产工艺 的改善，促进了这种改性沥青混凝土在路面工程中的应用。目前，同济大学仍在致力于 橡胶沥青及其沥青混合料的研究，重点是干法工艺。对密实型橡胶沥青路面的减振降噪 性能和路用性能进行了系统的研究，并首次提出了混合法工艺( 已申请专利) 。 2 0 0 1 年初，交通部公路科学研究院主持完成了交通部西部交通科研项目“废旧橡胶 囤 n辚。劳&|蠹 o#醛 长安人学颂i ：学位论文 粉用于筑路的技术研究”，该项目侧重于橡胶粉改性沥青及混合料的性能研究，并在广 东、山东、河北、四川、贵州等地修筑了试验路和实体工程。 叶智刚等网对橡胶粉改性沥青的改性机理及性能进行了研究，傅大放等 2 3 1 对废旧胶 粉干法改性热拌沥青混合料进行了试验研究。研究认为，橡胶粉的加入，使沥青混合料 的弹性在较大温度范围内得到了提高，在较高的使用温度下，具有较大的弹性阶段的工 作能力，剩余变形积累较少，而在负温度下有较大的变形能力，因而高低温性能均得到 了提高。曾蔚等人 2 4 - 2 6 l 应用4 0 目、8 0 目和1 2 0 目的橡胶粉，采用干法制作沥青混合料， 对其低温性能进行了试验研究，试验结果表明，由于橡胶粉的掺入，使得混合料的低温 弯拉应变增加，劲度模量降低，混合料的低温弯曲性能有所提高，而且，橡胶粉的掺入 还降低了混合料的温度敏感性，使混合料最大温度收缩应变率的温度范围逐渐向低温方 向发展；掺加橡胶粉的沥青混合料的断裂温度有所降低，断裂应力有所提高，低温性能 总体优于其它改性沥青混合料。 目前应用比较好的地区有四川、江苏、天津及黑龙江等地，累计应用橡胶沥青约为 2 0 0 0 0 吨，应用旱程超过2 0 0 公里，用于普通公路、高速公路及市政道路，铺筑橡胶沥 青路面及应力吸收层。北京、天津等地已经出台了胶粉改性沥青路面技术规程，江苏、 四川及黑龙江等省部分企业也有相应的企业规范。 大量的工程实例及研究结果表明橡胶沥青适用于断级配、开级配热拌橡胶沥青混凝 土、橡胶沥青石屑封层、橡胶沥青覆盖封层以及在路面翻修的多层系统中( 包括沥青路 面和水泥路面) 用作应力吸收夹层( s a m i ) 等。 综上所述，橡胶改性沥青剂混合料具有一系列的优点，能够改善路面的使用性能， 但也存在一些不足： 夸橡胶沥青粘结剂在制作过程中由于对基质沥青的加热温度要求过高，容易造成 基质沥青的老化，接近沥青闪点，存在起火的隐患。 由于橡胶沥青的改性时间过长，改性温度过高，在制备时放出大量的刺鼻性气 体。 橡胶沥青的粘度比普通沥青高很多，导致其施工和易性较差。 以上这些问题已经成为橡胶沥青进一步发展的障碍，如何解决这些问题是当务之 急。德国最早提出在橡胶沥青中加入v e s t e n a m e r ( t o r ) 来改善橡胶与沥青的相容 9 第一章绪论 性及橡胶沥青混合料的施工和易性。美国宾夕法尼亚州运输研究所按照美国s u p e r p a v e 试验体系对橡胶沥青和加有t o r 的橡胶沥青的物理力学性质作了全面的试验研究，并 与所采用的基质沥青的性能进行对比。试验结果表明，在加入t o r 后，橡胶与沥青的 相容性得到改善，从而使橡胶沥青的性能得到提高；使橡胶沥青的反应温度降低，反应 时间减少；提高橡胶沥青混合料的路用性能；改善橡胶沥青混合料的施工和易性。近年， 我国也丌始针对掺加t o r 的橡胶沥青及混合料的技术性能进行研究与应用。并在云南 富砚高速公路采用掺加t o r 的橡胶沥青混合料铺设了试验段以及河北省石家庄市二环 路也采用了掺加t o r 的橡胶沥青混合料作为路面材料。 1 3 主要研究内容及技术路线 为了更好的了解t o r 对橡胶沥青及混合料技术性能及改性机理的影响，本文在前 人研究的基础上，将对橡胶沥青及掺加t o r 的橡胶沥青及混合料的技术性能进行全面 研究，并对其进行改性机理分析，主要研究内容如下： 1 橡胶沥青粘结剂技术性能研究： t o r 对橡胶沥青粘结剂改性工艺的影响； t o r 对橡胶沥青粘结剂性能的影响； 不同粒径废胶粉对橡胶沥青粘结剂性能的影响； 夸废胶粉掺量对橡胶沥青粘结剂性能的影响。 2 橡胶沥青混合料技术性能研究： 夸本文采用湿法和干法两种混合料制备方法，通过试验对比不同制备方法下的混 合料性能； 夸通过试验研究t o r 对橡胶沥青混合料性能的影响； 夸通过对比采用亚利桑那州间断级配和a c l 3 连续级配两种橡胶沥青混合料性能 差别，推荐出适合橡胶沥青的级配类型。 3 橡胶沥青粘结剂改性机理研究： 采用扫描电子显微研究在掺入t o r 前后胶粉在沥青中的分稚状况； 利用d s c 差热分析研究掺入t o r 前后橡胶沥青聚集态变化，从而探讨橡胶粉 及外掺剂t o r 对沥青温度敏感性的影响； 1 0 长安人学硕：i ：学位论文 采用红外光谱技术分析掺入t o rf ； 后橡胶沥青的官能团及分子结构的变化，通 过与基质沥青的光谱图进行对比，判断改性沥青中胶粉与沥青是否发生了化学反应。 4 橡胶沥青混合料施工工艺及质量控制研究。 5 橡胶沥青社会经济效益分析。 本文研究技术路线如图1 7 所示。 图1 7 论文研究技术路线图 第二章原材料技术性能及改性1 二艺 2 1 原材料 第二章原材料技术性能及改性工艺 橡胶沥青是由基质沥青、废橡胶粉、以及改善它们之间相容性和和易性的外掺剂 组成。通常橡胶沥青能否具有优良的性能，最重要的因素在于基质沥青和胶粉之间的 反应情况，若基质沥青和胶粉不能很好的相容，则橡胶沥青的性能会受到很大的影 响，因此，必要时，需要通过添加外掺剂的方法来促进橡胶粉在沥青中相容性。 2 1 1 基质沥青 本研究所采用的是克拉玛依7 0 # 基质沥青，沥青技术指标如表2 1 所示，各项指标 均满足规范要求。 表2 1 克拉玛依7 0 # 基质沥青技术指标 指标单位技术要求试验结果 试验方法 针入度( 1 5 ( 2 、1 0 0 9 、5 s ) o 1 m m2 5 2 t 0 6 0 4 针入度( 2 5 c 、1 0 0 9 、5 s ) o 1 m m6 0 8 06 3 8t 0 6 0 4 针入度( 3 0 、1 0 0 9 、5 s ) o 1 m m1 1 5 1t 0 6 0 4 针入度指数p i 1 5 + 1 o1 1 5t 0 6 0 4 软化点t r & b 4 64 8 8t 0 6 0 6 延度( 5 。c 、5 c m m i n ) c m7 8t 0 6 0 5 运动粘度( 1 3 5 )p a s0 7 0 8t 0 6 2 5 密度( 1 5 ) g c m 3 o 9 8 1t 0 6 0 3 r t f o t 后残留物 质鼙变化 o 8 + o 8 o 1 1 5t 0 6 1 0 残留针入度比( 2 5 ) 之6 l 7 4 6t 0 6 0 4 残留延度( 5 ) c m2 9t 0 6 0 5 2 1 2 橡胶粉 常用于橡胶沥青的废胶粉见图2 1 ，是由废旧轮胎和高天然橡胶含量的橡胶屑组合 而成的，成分有丙酮抽出物、次分、碳黑和橡胶聚合物等。 1 2 长安人学顾l ：学位论义 图2 1 废胶粉 橡胶粉按轮胎来源可分为子午胎胶粉和斜交胎胶粉：按胶粉粒度可分为粗胶粉 o 5 1 5 m m 、细胶粉0 3 0 5 m m 、微细胶粉0 0 7 5 0 3 m m 、超细胶粉 1 0 1 5 2 5 针入度( 2 5 c 、1 0 0 9 、5 s ) 0 1 m m2 5 7 52 5 7 55 0 1 0 0 软化点 5 7 2 5 4 4 5 1 7 弹性恢复( 2 5 c ) 2 5 2 0 1 0 旋转薄膜针入度比 7 5 表3 2 美国亚利桑那州橡胶沥青技术指标 亚利桑那州 泌乏 单位 l23 旋转粘度( 1 7 7 c ) p a s 1 5 4 o 针入度( 4 、2 0 0 9 、6 0 s ) 0 1 m m 1 0 1 5 2 5 软化点 5 7 5 4 5 2 弹性恢复( 2 5 ) 3 0 2 5 1 5 美国加利福尼亚州、德克萨斯州以及南非的技术标准，并没有对橡胶沥青进行分级， 如表3 3 、3 4 所示。其中加利福尼亚州和德克萨斯州用锥入度指标代替了针入度指标， 这主要由于橡胶沥青中有胶粉颗粒的存在，对针入度影响较大。 1 8 长安大学硕士学位论文 表3 3 美国德克萨斯州、加利福尼亚州橡胶沥青技术指标 巡乏 单位得克萨斯州加利福尼亚州 h a a k e 旋转粘度 p a s 1 5 - 4 5 ( 1 7 7 c ) 1 5 - - 4 5 ( 1 9 1 ) 锥入度( 2 5 c 、1 5 0 9 、5 s ) 0 1 m m 2 02 5 7 0 软化点 5 75 2 7 4 弹性恢复( 2 5 ) 1 5 1 8 表3 4 南非橡胶沥青技术指标 越之 单位南非 h a a k e 旋转粘度( 1 9 0 。c ) p a s2 o 5 o 软化点 5 5 6 2 弹性恢复 1 5 3 5 从上述各技术指标中可以看出，粘度是评价橡胶沥青性能的关键指标，范围在 1 5 5 op a s 之间。其中，a s t m 和亚利桑那州采用的是b r o o k f i e l d 粘度仪，测量温度分 别为1 7 5 和1 7 7 。德州、加州和南非采用的是h a a k e 粘度仪，如图3 1 所示，测量 温度分别为1 7 7 、1 9 1 、1 9 0 。其中，；0 n ；f u 福尼亚州和南非对粘度的要求较高，这 与加利福尼亚州使用高天然橡胶含量胶粉和两者均使用较高胶粉掺量有关。 3 2 橡胶沥青试验 图3 1h a a k e 粘度计 根据国外橡胶沥青技术指标，结合我国普通沥青、改性沥青的指标体系，本文对橡 胶沥青进行2 5 针入度、5 延度、软化点、2 5 弹性恢复、老化指标测试、布氏旋转 1 9 第三章橡胶沥青粘结剂技术性能试验研究 粘度试验、动态剪切流变试验( d s r ) 。 本文采用b r o o k f i e l d 旋转粘度仪测试粘结剂在1 7 7 及1 9 0 下粘度。试验方法按 照公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j0 5 2 - - 2 0 0 0 ) 规定。试验仪器如图3 2 所示。 图3 2b m o k f i e l d 旋转粘度仪 对于改性沥青，通常选用2 7 # 转子，规范要求扭矩控制在1 0 9 8 之间。目前常 用与读取橡胶沥青粘度的方法有两种，一种是在扭矩为5 0 时读取其粘度值，一种是 在转速为2 0 r m i n 时读取其读数。根据试验操作的实际情况，发现在2 0 f f m i n 时，其扭 矩接近了临界值，因此为了保证试验数据的可靠性，本文采用扭矩为5 0 时的读数作 为橡胶沥青的粘度值。 动态剪切流变试验( d s r ) 是通过测量沥青的复数剪切模数g + 和相位角6 来表征沥 青的粘性和弹性性质。复数剪切模数g + 和相位角6 代表了粘弹性材料在外部荷载下所 作出的粘性和弹性的反应。复数剪切模数g + 是最大剪应力和最大剪应变的比率，施加 的应力和由此产生的应变的时间滞后是相位角6 。其中，复数剪切模数g 是实数轴g 和虚数轴g ”的复数和，实数部分储存弹性模量g ，即弹性部分，反映沥青变形过程中 能量的储存和释放：而虚数部分g ”为损失弹性模量，即粘性部分，反映沥青变形过程 中由于内部摩擦产生的以热的形式散失的能量。相位角6 是沥青粘结剂的弹性与粘性的 成分比例指标。g 、g ”及6 的关系如图3 3 所示，其中： g ，= g c o s 6 ( 3 1 ) g ”= g s i n 6 ( 3 2 ) t a n 6 = g q g ” ( 3 3 ) 长安人学硕上学位论文 ( ；。 图3 3 复数模量的极坐标表达式 本文采用的是马尔文公司的c v o r l 5 0 旋转流变仪，见图3 4 。 图3 4 动态剪切流变仪 试验采用2 5 m m 的平板，如图3 5 所示，试验角速度为1 0 r a d s ，约相当于1 5 9 h z 。 图3 5 动态剪切流变仪( d s r ) 本文利用d s r 试验分别评价橡胶沥青的抗车辙性能和疲劳性能。 抗车辙性能：首先在5 8 测试沥青的车辙因子( g + 6 ) ，若材料符合s h r p 中 原样沥青g 6 不小于1 0 k p a 、r t f o t 后残留沥青的g 6 不小于2 2 k p a 的要求，系统 2 l 第三章橡胶沥青粘结剂技术性能试验研究 将自动进入下一温度( 比上一温度高6 。c ) 直到8 8 。c 或系统自动停止测试。 疲劳性能：测试经p a v 老化后沥青在3 1 、2 8 。c 、2 5 的疲劳性能( g s i n 6 ) ， 越小的g s i n 6 代表沥青有更好的抵抗疲劳的能力，s h r p 规定g + s i n 8 不大于5 0 0 0 k p a 。 3 3 试验结果及分析 3 3 12 5 针入度 橡胶沥青2 5 针入度试验结果如表3 5 所示。从表3 5 中可以看出，与基质沥青相 比，橡胶沥青的针入度有明显的下降。 表3 5 橡胶沥青2 5 针入度试验数据 橡胶粉目数( 目)2 0 3 04 0 胶粉掺量( ) 1 5 2 0 2 51 52 02 51 52 02 5 t o r 掺量( ) o4 504 5o0o 2 5 * ( 2 针入度( o 1 m m )5 7 5 4 6 35 2 。54 4 25 1 75 4 25 0 84 8 65 2 04 9 84 6 7 由图3 6 可知，随着橡胶粉掺量的增加针入度总体上呈现出下降的趋势，橡胶粉掺 量由1 5 增加到2 0 时针入度值下降明显，当掺量增加到2 5 时，针入度值下降趋于缓 慢。这是由于在沥青与胶粉混合过程中沥青的液相油分中增加了固相胶粉，粘度增大， 所以针入度降低。当胶粉掺量达到一定值时，胶粉与沥青的混溶已达到了饱和的程度， 继续增加胶粉的掺量已影响到固液状态平衡，因此，针入度值变化放缓。另外，从图3 6 可看出，橡胶沥青的针入度值随橡胶粒径的减小而降低。 售 主 芝 毒 葛 j 。j 咔2 0 l 胶耪掺萱( ) “ 图3 6 橡胶沥青2 5 c 针入度 4 1 日 目 一2 0 e _ 3 0 巨 一1 0 苣 一r卜rr卜rk 叫 弱 诣 驺 长安大学硕上学位论文 图3 7 所示，掺加了t o r 后橡胶沥青的针入度较相同胶粉掺量的橡胶沥青有明显的 下降，说明t o r 能够进一步改善橡胶沥青的稠度。 一2 0 目 2 0 目4 5 t o r 1 57 ， 胶粉掺基( ) 图3 7 掺加t o r 前后橡胶沥青2 5 c 针入度对比 3 3 2 软化点 橡胶沥青软化点试验结果如表3 6 所示。由表3 6 看出，橡胶沥青的软化点与基质 沥青相比有较大幅度的提高。 表3 6 橡胶沥青软化点试验数据 橡胶粉目数( 目