橡胶沥青技术在天津的应用研究1117终稿.doc

橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 二 一一年八月 天津高速公路集团有限公司 江苏省交通科学研究院股份有限公司 天津国腾公路咨询监理有限公司 中文题名橡胶沥青在天津地区高速公路中的应用研究 英文题名 Research of Application of Asphalt Rubber in Tianjing Highway Pavements 交通编号项目来源 单位编号合 同 号 分 类 号项目起止年限2010 1 2011 10 天津高速公路集团有限公司 完成单位 江苏省交通科学研究院股份有限公司 技术合作单位天津国腾公路咨询监理有限公司 项目负责人 项目 主要研究人员 前面部分为第一完成单位研究人员 孙雪伟 陈李峰 曾庆伟 李爱芳 蔡聪明 刘运华 卞 加前 朱益斌 报告撰写人 前面部分为第一完成单位研究人员 孙雪伟 陈李峰 李爱芳 橡胶沥青 胶粉改性沥青 橡胶粉 湿法 橡胶沥青 Sup13 橡胶沥青 Sup20 橡胶沥青加工 配合比设计方法 施工工艺 技术经济分析 典型结构 应用研究 关 键 词 Rubber asphalt rubber powder wet method Rubber asphalt Sup13 rubber asphalt processing mix design methods construction technology Technical and economic analysis Typical Structure application research 中文摘要 由于具有理想的路用性能和显著的环保意义 橡胶沥青在部分国家得到了 相当规模的应用 国内虽然也积极的开展了不少研究 然而由于关键技术不成 熟等原因 目前橡胶沥青尚未实现较好的推广 课题旨在通过橡胶沥青的研究 为其工程推广应用提供技术支撑 将公路 建设与环境保护相结合 提高路面性能的同时实现废旧轮胎的循环利用 课题 通过对比试验评价分析了橡胶沥青的技术性能 提出了橡胶沥青的技术标准和 原材料要求 在充分调研国外成果的基础上 通过大量室内试验和工程实践 结合天津地区的材料特点 气候交通条件 高速公路建设经验成果 施工习惯 等 对橡胶沥青混合料的试件成型方法 级配 设计指标 性能要求等进行了 调整 优化 最终形成了相对稳定的 具有天津特色的设计方法 重点提出了 橡胶沥青 Superpave 混合料类型及完整的设计技术体系 在国内尚属首次应用 对橡胶沥青混合料的施工技术进行了研究 提出了相应的施工技术指南 对橡 胶沥青路面进行了路面力学分析 最后课题对橡胶沥青混合料做了技术经济分 析 提出了天津地区橡胶沥青典型路面结构 该路面结构在国内尚属首次应用 通过以上研究 形成了橡胶沥青从生产制备到工程实施的完整技术体系 为其推广应用创造了可靠的技术条件 课题成果若能在天津地区推广 将会实 现良好的社会效益和经济效益 Abstract With an ideal road performance and significant environmental significance rubber asphalt has been considerable in some countries the size of the application Although China is also actively carrying out a lot of research however premature because key technical and other reasons the current rubber asphalt has not yet achieved a better promotion Rubber asphalt project aims to research promote the use of their works to provide technical support to the combination of road construction and environmental protection improve road performance while achieving the recycling of waste tires Evaluation of the project by comparing the test the technical performance of rubber asphalt rubber asphalt proposed technical standards and material requirements research abroad in the full basis of the results by a large number of indoor experiments and engineering practice combined with the material characteristics of Tianjin area climate traffic condition results of highway construction experience and construction habits and level off with rubber on asphalt mixture specimen molding methods grading design specifications performance requirements have been adjusted optimized and ultimately formed a relatively stable with the Tianjin design features highlighted the Superpave type of rubber asphalt mixture design and complete technical system on the rubber asphalt mixture has been studied Construction Technology proposed the construction of the corresponding technical guidelines the last issue of the broken level asphalt rubber Mixtures made a technical and economic analysis Through the above study the formation of the rubber asphalt preparation of production to the full implementation of the project technology system to create a reliable application of its technical condition If on outcomes of the promotion in the Tianjin area will achieve good social and economic benefits 目 录 第一章第一章 绪论绪论 3 1 1 概述 3 1 2 国内外研究现状 6 1 3 研究的目的和意义 9 1 4 研究的主要内容及关键技术 10 1 5 技术路线 11 1 6 研究工作概况 11 第二章第二章 橡胶沥青加工工艺研究橡胶沥青加工工艺研究 13 2 1 橡胶粉与橡胶沥青 13 2 2 橡胶沥青性能影响因素分析 18 2 3 橡胶沥青高温性能试验 27 2 4 橡胶沥青低温性能试验 33 2 5 橡胶沥青设计方法 37 2 6 本章小结 40 第三章第三章 橡胶沥青混合料配合比设计及性能研究橡胶沥青混合料配合比设计及性能研究 41 3 1 橡胶沥青混合料设计方法研究 41 3 2 橡胶沥青混合料性能对比研究 46 3 3 本章小结 62 第四章第四章 橡胶沥青路面铺筑橡胶沥青路面铺筑 64 4 1 概述 64 4 4 施工工艺介绍 71 4 5 试验路检测结果 73 4 6 橡胶沥青混合料施工工艺研究 76 4 7 橡胶沥青储存技术研究 83 4 8 试验路观测 86 4 9 本章小结 88 第五章第五章 橡胶沥青路面力学分析橡胶沥青路面力学分析 89 5 1 概述 89 5 2 橡胶沥青路面力学分析模型选择及参数设定 89 5 3 路面结构受力分析 93 5 4 本章小结 101 第六章第六章 橡胶沥青路面应用前景分析橡胶沥青路面应用前景分析 103 6 1 经济性分析 103 6 3 本章小结 111 第七章第七章 主要研究结论主要研究结论 113 7 2 主要技术创新点主要技术创新点 114 7 3 下一步研究建议下一步研究建议 114 参考文献 参考文献 116 第一章 绪论 近二十年来是我国公路史上交通发展速度最快 规模最大以及最具活力的 时期 天津市公路建设事业也以前所未有的速度向前发展 随着使用年限的增 加 一些早期修建的公路路面相续进入了维修期 特别是近年来 随着国民经 济的迅速发展 交通荷载的日益重型化 交通量大幅增加的很快 超载现象日 益严重 加速了公路路面的损坏 部分公路出现了不同类型的路面病害 旧路 维修改造将是未来交通建设的重要工作内容之一 因此 根据规划 在未来的 十年内 天津市公路建设也将迎来新建和改建同步发展的黄金时代 1 1 概述 高等级公路建设的发展 对路面的使用品质和功能提出了更高的要求 实 践表明 旧路面改造中所面临的技术问题比新建公路沥青路面要复杂的多 例 如旧路面加铺中需要注意加铺层的抗反射裂缝能力 高温性能及与旧路面良好 的粘结效果等 不少工程由于这些问题处理不当 导致维修后迅速破坏 造成 维修费用的巨大浪费 甚至陷入年年修 反复修的困境 1 龟裂 2 横向裂缝 3 纵向裂缝 图图 1 1 1 旧路病害情况旧路病害情况 对于以上技术问题 除了改进沥青路面的结构设计外 采用性能良好的路 用材料也是一个重要的方面 近年来 橡胶沥青由于其优良路用性能和对环境 保护的特殊意义 日益受到国内工程界的重视 橡胶沥青一词来自英文 Asphalt Rubber 在国际上特别是 20 世纪 90 年代以来 该技术日趋成熟 得到了广泛 应用 由于其在环境保护 解决废轮胎固体污染方面的特殊作用 而在沥青 改性的各种方法中独树一帜 占据着特殊重要的位置 随着交通运输业的发展 人们生活水平的提高 汽车保有量逐年迅速增长 我国已经开始面临国外发达国家早期遇到的大量废旧轮胎处理的问题 据统计 我国是世界上第三大轮胎生产国 仅次于美国和日本 2002 年的废轮胎达到 8000 万条 并以每年 12 的速度增长 到 2005 年达到 1 2 亿条 到 2010 年将 达到 2 亿条 而目前每年的废轮胎处理量只有 14 左右 这样大规模的废旧轮 胎将会带来巨大的社会环保问题 废弃轮胎的大量堆积会恶化环境 破坏植物 生长 而且经过日晒雨淋 极易滋生蚊虫 传播疾病 影响人类健康 危及地 球生态环境 此外还容易引发火灾 处理好废旧轮胎 充分利用再生资源 减 少环境污染 已成为亟待解决的问题 由于橡胶沥青中掺入的橡胶粉含量较大 一般要在 15 以上 所以将废轮胎制成胶粉加入沥青中 制成橡胶沥青应用在 公路工程中 在全面提高路面质量的同时又是一个解决废橡胶轮胎固体污染的 理想途径 图图 1 1 2 废旧轮胎造成环境污染废旧轮胎造成环境污染 在普通沥青中加入橡胶进行改性后 其针入度减小 粘度增大 软化点提 高 具有较高的抗车辙能力和抗推移拥包的能力 同时 在沥青中加入胶粉提 高了沥青的柔韧性 改善了沥青的低温性能和抗疲劳性能 由于加入橡胶粉后 沥青的粘附性增加 石料表面粘附的橡胶沥青膜厚度增加 因而提高了沥青路 面抗水损害性能和耐久性 延长了公路的使用寿命 橡胶沥青能够增加车辆轮 胎与路面的附着性 增大摩擦系数 一定程度上提高行车安全性 近年来 橡胶沥青得到了广大道路工作者的足够重视 橡胶沥青不但在环 境保护方面独树一帜 且具有优良的稳定性 耐久性以及抗滑降噪能力 做为 改性沥青的一种 橡胶沥青技术在国外已有 30 年的发展历史 特别是 20 世纪 90 年代以来 该技术日趋成熟 应用日益广泛 表现出广阔的应用前景 目前橡胶沥青在公路上的用途主要有两个方面 一是用来拌制沥青混合料 铺筑沥青路面的上面层或超薄罩面 一般可采用断级配沥青混合料或具有降噪 排水作用的开级配沥青混合料 二是用作封层 即应力吸收层 SAMI 以抑 制半刚性基层裂缝或水泥混凝土板块接缝向上反射 我国对橡胶沥青应用于中面层及抗滑磨耗层的应用研究较少 还没有形成 成熟的经验以供参考 天津市在橡胶沥青应用方面也仅进行了十多公里的试验 路的铺筑 没有形成一套较为成熟的理论与实践体系 仍处于摸索阶段 近几 年来 不少省份也开展了相关研究 也得到了一些理论与实践体系 但在理论 体系方面仍各抒己见 没有形成较为统一或适用性较广的理论与实践体系 通过本项目的研究 研究橡胶沥青的成套关键技术 提出实用的技术体系 为这一技术在天津市高速公路工程中的应用提供技术支撑 以更好的服务工程 实践 在提高路面性能的同时 解决废轮胎的环境污染问题 实现废轮胎的循 环利用 具有显著的环保意义和路用价值 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 橡胶沥青的利用在国外有很多年的历史 橡胶沥青在公路工程建设中的应 用 于 20 世纪 60 年代开始在美国进行铺路试验 进入 70 年代以后至上世纪末 美国 瑞典 加拿大 比利时 法国 南非 奥地利 澳大利亚 印度等国家 都进行了广泛的应用研究和铺路试验 在应用橡胶沥青和提高沥青混合料的性 能上取得了相当的进展 研究均表明 橡胶沥青混合料具有优良的高温 低温 性能和抗疲劳性能 其降噪功能也是明显的 南非和美国一项共同合作项目研 究结论还称 如果以橡胶沥青代替传统的沥青 路面结构层厚度至少可以减少 一半 仍可以获得相同的抗疲劳性能 南非试验证明 在高速公路上橡胶沥青 的噪音比普通路面平均率低 5db 8db 当车速为 100km h 时 与最好的水泥混 凝土路面相比 约下降 3db 10db 鉴于环保方面的考虑 美国还曾通过立法来推进该项技术的发展 美国国 会在 1991 年通过的陆上综合运输经济法中的 1038 条款 明确规定自 1994 年起 凡由联邦政府经费补助建设的沥青公路必须以 5 的经费用于废橡胶沥青 并每 年增加 5 的比例 一直到 1997 年达到 20 止采用橡胶沥青 据调查统计 到 1998 年 美国铺成的橡胶沥青公路已达 1 1 万公里 亚利桑那州的运输部还曾 铺筑过大量的应力吸收薄膜夹层 SAMI 试验路 多数试验路是铺筑在旧沥青 混凝土路上的 2009 年 11 月 由江苏省交通科学研究院承办的国际橡胶沥青大会在南京 召开 参会代表达到 500 余人 人数是上届国际橡胶沥青大会参会代表的一倍 这也充分证明橡胶沥青技术得以迅速得到了推广应用 1 2 2 国内研究现状 我国对橡胶沥青应用于公路的研究始于 20 世纪 80 年代 二十多年前 我 国科技工作者受美国的启示 也开展了橡胶沥青路面的应用研究 并在四川 江西等省进行了铺路试验 可当时我国满大街跑的都是两个轱辘的自行车 没 有足够的废旧轮胎 也就没有形成真正的橡胶粉加工产业 这种研究因缺乏一 些重要性和紧迫性而没有得到社会的足够重视和支持 使得当时胶粉生产技术 及其配套的相关技术不成熟 没有达到实用化阶段 但当时铺筑的这些试验路 经过十多年高负荷运行的考验后 其在减少光线的反射和路面裂缝及提高路面 的热稳定性能等均有良好的效果 进入 21 世纪以来 我国对橡胶沥青的研究力度日益加大 有三个原因 一 是废旧橡胶轮胎越来越威胁到国民的生存环境 2005 年我国废旧橡胶轮胎的年 总数量已经达到 1 2 亿只 寻找利用大量废旧橡胶轮胎的办法迫在眉睫 第二 是国家政策的鼓励 党的十六大确立变革 大量生产 大量消费 大量废弃 的 传统增长模式 建立可持续发展的循环经济发展模式 循环经济是一种以资源 的高效利用和循环利用为核心 以 减量化 再利用 资源化 为原则 以低消 耗 低排放 高效率为基本特征的经济增长模式 2005 年 7 月 6 日 国务院 发布 关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知 明确 以再生金属 废旧 轮胎 废旧家电及电子产品回收利用为重点 推进再生资源回收利用 国家发 改委制定的 资源综合利用条例 废旧轮胎回收利用管理条例 包装物回 收利用管理办法 等循环经济专项法规 以橡胶粉制造和应用为方向的新材料 产业 得到了国家在财税 投资 信贷 价格 收费等方面越来越多的政策支 持 因此 国家 八五 规划中明确提出要重点发展胶粉的生产和应用 一些 地区如广东 山东 辽宁 北京 杭州等省市又开展了橡胶沥青的应用研究 并取得了不少实践成果 2001 年交通部公路科研所首次在钢桥桥面铺装中用干 法工艺加入了 30 相对于沥青的橡胶粉 该桥面经受了四个夏季的重交通考验 基本保持完好 各项性能指标保持优良 2001 年 2003 年交通部公路科学研究 所与同济大学 山东省交通科学研究所等单位合作承担了西部交通建设科技项 目 废旧橡胶粉用于筑路的技术研究 该课题全面地开展了橡胶沥青混合料的 室内试验研究 初步提出了橡胶沥青的技术标准 橡胶沥青混合料设计方法及 技术标准 结合室内试验研究结果 在华南地区 西南地区 轻冰冻地区三个 气候片区修筑了总长近 30 公里的试验路和实体工程 2004 年 6 月 废轮胎胶粉改性沥青自动化生产线 在天津高新技术产业园 区研发成功 该项目的试验路工程已经铺筑完毕 初步检测 各项指标都取得 了比较满意的结果 专家介绍 4 厘米胶粉改性沥青混凝土表层加上 1 5 厘米胶 粉改性沥青应力吸收层 可取代 9 厘米普通沥青砼路面 在提高路面性能前提 下 可节约材料 40 造价大幅度降低 此外 我国已研制成功防堵塞的胶粉 喷洒机 为胶粉改性沥青用于修筑公路提供了施工配套的硬件 天津市于 2008 年在天津集疏港公路工程京津塘二线收费站至京山铁路西侧 坡道开口段铺筑了约 15 公里试验路 中上面层均采用橡胶沥青混合料 江苏省在橡胶沥青研究 应用方面目前在国内处于领先地位 江苏省交通 科学研究院进行了多个科研项目的研究 2005 年至今已经在泰州 328 省道 张 家港中华路 连盐 盐通及宁常高速公路 四川蜀南竹海景观路 广东清远 107 国道 江西九景高速技术改造等工程上得到应用 已经累计达到 300 余公 里 浙江省在 2007 年开始了橡胶沥青的应用研究 并于 2007 年 2009 年铺筑 了试验路 从目前的跟踪观察情况看路况良好 我国台湾地区也对橡胶沥青进行了专门研究 台湾于 2000 年起在实验室内 利用本地材料进行配合比实验和设计 后在相关公路部门的协助下在主干道上 铺筑了 2 公里橡胶沥青实验路面 约使用了 2000 条轮胎 试验路运营 4 年后整 体效果非常之好 没有一般承受重载交通量路面所具有的变形和龟裂破坏 综合对国内外调研 橡胶沥青由于其优良的抗疲劳性能 高温性能和抗水 损害能力 目前在国外已经得到了相当程度的认可和应用 是水泥路罩面工程 路面养护改造工程 新建高速公路的理想选择 在国内其他省份得到了推广应 用 但在天津地区的应用仍处于探索阶段 且没有形成一套可行的技术体系 1 3 研究的目的和意义 天津市高速公路沥青路面使用的改性沥青多为 SBS 改性沥青和胶粉改性沥 青 橡胶沥青的应用较少 使得在进行沥青材料选择时优化空间不够 而就公 路工程而言 材料的使用数量是巨大的 狭小的选择空间既不利于高质量产品 的选择更不利于节约造价 因此 开展橡胶沥青的应用研究 一方面可以拓展 我们材料选择的空间 提高路面质量 延长路面使用寿命 是道路工程发展的 需要 另一方面是环境保护 回收利用废轮胎的需要 是对我国环境保护事业 的贡献 是一件利国利民的好事 橡胶沥青混合料具有优良的高温稳定性 低温抗裂性 抗水损害能力 其 抗老化性能和抗疲劳性能更优于其它改性沥青混合料 本课题的研究目的 1 参考国外橡胶沥青成功应用经验 结合天津市具体的气候特点和交通特 点 以津港高速公路为依托工程 开展中面层和上面层中的应用研究 并与 SBS 改性沥青 橡胶粉改性沥青进行室内试验及试验路的性能比较 2 解决橡胶沥青技术在应用中的工程实际问题 包括橡胶沥青的储存 橡 胶沥青混合料的施工工艺等 3 提出橡胶沥青混合料的设计方法 设计标准及施工技术 形成完整的施 工技术指南 开展技术培训提高工程技术人员 管理人员应用橡胶沥青的技术 水平 为橡胶沥青在天津市的大规模推广应用扫除技术障碍 4 通过采用橡胶沥青技术解决一直困扰着道路工作者的半刚性基层的反射 裂缝问题 抗车辙 低温开裂的综合性能问题 以此为契机 将环保问题与路面技术相结合 开拓我国废旧轮胎利用的新 空间 变废为宝 全面提高天津市沥青路面质量 为我国道路工程和环境保护 作贡献 1 4 研究的主要内容及关键技术 1 4 1 主要研究内容 结合津港高速公路工程实际情况 本课题主要研究内容如下 1 相关研究调研 2 橡胶沥青加工工艺研究 橡胶粉加工工艺 橡胶沥青生产工艺 橡胶沥青制备与混溶体系分析 橡胶沥青性能影响因素分析 高温 低温 疲劳等性能评价 橡胶沥青设计方法 3 橡胶沥青混合料配合比设计及性能研究 混合料设计方法研究 混合料性能对比研究 4 橡胶沥青混合料施工工艺研究 原材料选择研究 橡胶沥青混合料施工工艺研究 5 橡胶沥青路面力学分析 结合橡胶沥青施工段的实施 对比分析橡胶沥青路段与其他路段的力学性 能 6 橡胶沥青路面应用前景分析 结合橡胶沥青施工段的实施 对橡胶沥青路面 改性沥青路面 胶粉改性 沥青路面费用成本进行分析 并与传统的路面结构进行技术经济比较 1 4 2 关键技术 结合津港高速公路工程实际情况 本课题研究主要解决以下关键技术 1 运用针入度 粘度 SHRP 三种分级体系及沥青胶浆理论 对比橡胶 沥青与 SBS 改性沥青 胶粉改性沥青的高低温 疲劳性能 2 橡胶沥青混合料设计 性能评价及施工技术 3 采用力学分析方法 理论确定合适的橡胶沥青层在抗高低温 抗疲劳 及抗裂性能的有效厚度 分析其在有效减薄厚度 防反射裂缝的特点 1 5 技术路线 本项目研究的技术路线为 文献资料的检索 调研 橡胶沥青加工机理及 性能研究 橡胶沥青混合料的相关技术研究 试验路铺筑及检测 橡胶沥青结 构层力学分析 资料汇总分析 提交研究报告 1 6 研究工作概况 橡胶沥青路面作为经济 环保的新型路面结构 在抗裂 抗高温 降噪方 面具有显著的功效 该项目在技术上的可行性为国 内外各工程实践所证明 在天津地区进行技术引进和技术探索 符合交通部关于橡胶沥青作为 实施材 料节约和循环利用专项行动计划 重点科技推广项目之一 本项目总的研究期限 二十个月 第一阶段 2010 1 2010 3 该阶段主要完成文献资料的调研 并提出初步橡胶沥青的技术标准 完成 部分室内试验工作 第二阶段 2010 3 2011 3 该阶段主要完成以下研究工作 橡胶沥青结构层力学分析与室内试验研究 橡胶沥青混合料室内性能评价 试验路铺筑及检测工作 施工工艺及质量控制 研究 并对试验检测数据进行汇总分析 第三阶段 2011 3 2011 10 编写报告 课题鉴定 第二章 橡胶沥青加工工艺研究 沥青和橡胶粉是两种组成较为复杂的材料 两种材料在高温剪切下的反应 机理更为复杂 深入了解橡胶沥青的基本性能是应用橡胶沥青的前提 本章采 用室内试验分析了橡胶粉类型 细度 基质沥青类型 混溶工艺等对橡胶沥青 性能的影响 采用重复蠕变试验和弯曲粱蠕变试验分析橡胶沥青和橡胶沥青胶 浆的高温 低温性能 2 1 橡胶粉与橡胶沥青 目前存在多种橡胶沥青生产工艺和改性思路 不同工艺的性能差异较大 本节首先对不同的橡胶沥青类型进行调研分析 以确定研究方向 2 1 1 橡胶粉加工工艺 废轮胎橡胶粉改性沥青 按照其来源不同 可分为货车轮胎和小轿车轮胎 两大类 轮胎中除了橡胶外还有钢丝 纤维等 只有轮胎重量的 50 60 可 加工成橡胶粉 轮胎橡胶的原料成分有 天然橡胶 NR 顺丁橡胶 BR 丁苯 橡胶 SBR 或热塑性丁苯橡胶 SBS 炭黑或白炭黑 硫化剂 环烷油和防老剂 等原料 对于不同轮胎种类及轮胎的不同部位 胎背 胎面等 这些成分的含 量是不同的 通常货车轮胎的天然橡胶含量比小车轮胎多 随着轮胎粉碎工艺的发展 出现了多种橡胶粉加工方法 由于工艺不同 生产费用 胶粉性能等也存在一定的差异 目前国内外制造胶粉主要有 4 种方 法 即常温粉碎 冷冻粉碎 湿法粉碎和臭氧粉碎 常温机械法粉碎是最原始也是最常用 最普及的一种方法 所采用的设备 是滚筒式粉碎机 与其它方法相比 具有投资省 工艺流程短 能耗低的优点 机械粉碎法有着不可替代的作用 美国每年胶粉总量的 63 是靠常温粉碎生产 的 冷冻粉碎于 70 年代初在国外迅速发展起来 其技术上借鉴于航空 制冷工 业 并由此派生出许多不同种类的粉碎装置 先后提出了液氮喷淋 液态浸渍 的低温锤击 低温研磨等工艺 湿法粉碎 是将废橡胶先浸渍于碱溶液中 使废胶表面龟裂变硬后进行高 冲击能量粉碎 然后将胶粉放置于酸溶液中进行中和 滤水 干燥而得到粒径 分布较宽乃至微细的胶粉 在美国 此法占其胶粉总量的 l3 臭氧粉碎法 是将废胎整体置于一个充有超高浓度臭氧的密封装置内约一 小时 然后启动密封装置的电动装置 使轮胎骨架材料与硫化橡胶分离 并进 行粉碎 我国目前主要采用常温粉碎技术 部分厂家采用冷冻法生产 由于工艺不 同二者的表观性能差异很大 一般常温法生产的胶粉表面粗糙 纹理丰富 粒 子具有粗糙的孔表面 而冷冻法胶粉形状均一 表面光滑 因此 常温法生产 的橡胶粉具有更大的表面积 研究表明 1 用于生产橡胶沥青时 常温法生产 的胶粉更容易与沥青发生物理 化学反应 从而得到相对较优的性能 而冷冻 法生产的胶粉反应作用相对较弱 得到的橡胶沥青性能不如前者 美国采用橡 胶沥青的一些州明确规定必须使用常温法生产的胶粉 考虑到常温法生产技术在我国应用较多 胶粉来源相对充分 同时国内外 的研究 应用表明常温法生产的橡胶粉用于制备橡胶沥青具有更为优秀的路用 性能 本课题主要针对常温法生产的橡胶粉进行研究 2 1 2 橡胶沥青生产工艺 橡胶沥青的生产工艺总体可分为 干法 和 湿法 两种 工艺不同 路用性 能存在较大的差异 1 干法干法 干法 为将胶粉直接添加到正在搅拌的拌和楼中 生产胶粉改性沥青混合 料 拌和工艺与常规混合料基本相同 无需专用的设备 或对生产厂加以大的 改造 但是拌和温度比普通的拌和温度要高一些 但由于拌和时间较短 橡胶 与沥青之间的只能产生较少的反应 这种较少的反应不能使旧轮胎中所含的橡 胶烃 紫外线抑制剂 抗氧化剂等改性成分释放出来 胶粉也难以发生充分的 熔胀作用 因此 所生产的混合料性能不及 湿法 橡胶沥青 目前 干法 生产 的沥青混合料一般摊铺在路面的中下面层或更低的层位 而较少摊铺在表面层 交通部重庆公路研究所曾与重庆市合作铺筑了试验路 上海交通轮胎翻修 厂将废胶粉经活化处理制成活化胶粉 掺人沥青中 但价格偏高未在工程上应 用 在瑞典 这种工艺方式处理的沥青一橡胶称之为 PlusRide 美国 加拿大 和澳大利亚等国为处理废轮胎而用 6mm 粒径的胶粒 用量为 10 20 与砂子 石料和沥青混合搅拌制成混合料摊铺在公路的底层及中层 这样一方面消耗大 量的废轮胎 另一方面还可增加路面弹性 起到一定的减震作用 90 年代 美 国阿拉斯加州向 FHWA 联邦高速公路管理机构 申请将 PlusRide 从实验状态推 向实用状态 但由于缺乏足够的数据支持 该申请被拒绝 加利福尼亚州上世纪 90 年代以前 干法 和 湿法 都有应用 90 年代以后 绝大多数工程都采用 湿 法 橡胶沥青 整体而言 干法工艺在美国没有被广泛采用 2 湿法湿法 湿法 工艺应用最为广泛 2 目前国外应用的橡胶沥青中大部分是采用 湿 法 生产 国内近年来也主要针对这种工艺进行研究 湿法 现将橡胶粉添加到 较高温度 176 226 的基质沥青中 经过高速剪切后 泵送到反应罐中 保持一定的温度 150 218 经过一定时间的反应制成 一般为 45 60min 图 2 1 1 为一种 湿法 橡胶沥青生产设备 典型的加工流程如图 2 1 2 所示 图2 1 1 湿法 橡胶沥青生产设备 图2 1 2 湿法 橡胶沥青典型生产流程 按照橡胶沥青工艺和性能不同 湿法 又可分为 高粘橡胶沥青 Wet Process High Viscosity 和 可存储橡胶沥青 Wet Process No Agitation 两种 高粘橡胶沥青 Wet Process High Viscosity 需要采用较高的橡胶粉用 量 一般在 15 以上 且采用粒径较大的胶粉 如 20 目和 30 目胶粉 其粘 度较高 177 粘度通常要求在 1 5Pa s 以上 因此具有优良的路用性能 是国 外应力吸收层 沥青混合料中应用最多的橡胶沥青类型 但是由于胶粉粒径较 大 存储过程中容易离析 通常需要现场加工使用 可存储橡胶沥青 Wet Process No Agitation 采用 80 目左右的橡胶粉 由于橡胶粉很细 能较好的熔融 分散于 沥青中 可存储一段时间不会发生离 析 可像常用的 SBS 改性沥青一样厂拌生产 远距离运输施工 这种橡胶沥青 胶粉掺量不高 通常为 10 以下 所以粘度较低 177 粘度一般很难达到 橡胶粉 基质沥青 高速剪切 反应 60min 储存罐泵送至拌和楼 1 5Pa s 混合料中的沥青用量不如前者高 由于橡胶粉很细 单价较高 根据对美国 南非等国家橡胶沥青应用情况的调研 由于 高粘橡胶沥青 Wet Process High Viscosity 具有良好的路用性能 且可以消耗更多的废轮胎 橡胶粉 所以应用较为广泛 因此 本课题主要对这种类型橡胶沥青进行研究 2 1 3 橡胶沥青室内制备及混溶体系分析 本课题试验所采用的沥青为 70 道路石油沥青 其性能指标检测结果见表 2 1 1 根据橡胶粉化学分析 货车轮胎胶粉改性效果优于小车轮胎的原因是货 车轮胎含有更多的天然橡胶 且合成胶胶种为对沥青更有改性效果的丁苯胶 SBR 天然胶含量对橡胶沥青的改性效果有很大影响 故本次试验所采用的 橡胶粉是货车车胎 20 目胶粉 表 2 1 1 70 道路石油沥青性能指标 针入度 25 0 1mm延度 15 cm软化点 SHRP 分级 70 道路石油沥青66 15049 8PG 64 22 试验中橡胶沥青制备采用油浴加热 油浴采用电子温控仪自动控温 温度 为 175 5 采用叶片式搅拌设备 搅拌速度为 1000 转 min 左右 搅拌时间如 未特殊说明为 60min 橡胶沥青拌和设备如图 2 1 3 图2 1 3 橡胶沥青制备 添入橡胶粉后 沥青由原来的近似匀质体变成了橡胶粉 沥青等共同组成 的多相体 粗细不同的胶粉之间互相靠近 形成有利于改善橡胶沥青性能的网 格结构体系 胶粉在橡胶沥青生产过程中产生互换和传质过程 一方面胶粉吸 收沥青中的轻质组分发生熔胀 另一方面部分橡胶粉发生降解 脱硫反应 溶 于沥青 改变了沥青的组分构成 胶粉中主要成分橡胶烃为 聚异戊二烯 天然 胶 NR 聚丁二烯橡胶 顺丁胶 或 聚异戊二烯 天然胶 NR 丁苯胶 SBR 这些都造成沥青改性 橡胶沥青的改性效果来自两个方面 溶胀后的胶粉构成的网络框架体系作 用和胶粉降解后对沥青组分的改善作用 橡胶沥青中胶粉吸收沥青中的轻质成 分而熔胀 且表面吸附沥青形成界面层 如图 2 1 4 所示 溶胀后的胶粉构成网 络构架体系与吸附沥青一起对沥青的微观流动形成阻尼作用 从而显著提高了 橡胶沥青的粘度 部分胶粉在高温剪切过程中发生降解 脱硫反应 由硫化橡 胶 立体交联网状结构 降解为含有一定不饱和双键线型结构聚合物 并进一 步发生分解 降解产物溶于沥青 改变了沥青的组分比例 使胶质等成分增加 提高了沥青的低温性能和粘性 同时 橡胶烃自身所含有的聚丁二烯橡胶 顺 丁胶 BR 和丁苯胶 SBR 对沥青有改性作用 其中 SBR 为常用改性剂 图 2 1 4 橡胶沥青结构体系示意图 2 2 橡胶沥青性能影响因素分析 采用不同胶粉种类 胶粉细度 拌和温度 基质沥青类型等制备橡胶沥青 实验项目包括针入度 软化点 弹性恢复以及 SHRP 实验等 分别测试橡胶沥 橡胶粉 自由沥青 吸附沥青 青的高温性能 低温性能 抗老化性能等 研究各因素对橡胶沥青性能的影响 以下为性能试验中所用原材料的性能试验结果 1 1 橡胶粉 橡胶粉 橡胶粉由南京东浩橡胶粉公司提供 细度为 20 目 检测密度为 1 15g cm3 满足 1 10 1 20g cm3要求 其含水率为 0 6 现场筛分结果如表 2 4 1 所示 满足技术要求 表 2 2 1 橡胶粉筛分结果 筛孔尺寸 mm现场通过率 技术要求 2 0100100 1 1810065 100 0 691 320 100 0 352 10 45 0 0751 10 5 2 2 基质沥青 基质沥青 基质沥青采用中海油 泰州 70 号道路石油沥青 技术指标如表 2 4 2 所 示 表 2 2 2 基质沥青检测结果 项目测试结果技术要求 针入度 25 100g 5s 0 1mm 6760 80 延度 5cm min 15 cm 150 100 软化点 环球法 49 3 46 闪点 开口 290 230 含蜡量 蒸馏法 1 85 2 密度 15 g cm3 1 011实测记录 溶解度 三氯乙烯 99 90 99 5 薄膜加热试验 163 5h 质量损失 质量损失 质量损失 针入度比 针入度比 针入度比 延度 15 cm 延度 15 cm 延度 15 cm 2 2 1 橡胶粉种类及细度对橡胶沥青性能的影响 为分析胶粉种类及细度对橡胶沥青改性效果的影响 分别采用两种不同种 类 三种不同细度的胶粉对 70 号道路石油沥青进行改性 橡胶粉掺量为 20 橡胶沥青的性能列于表 2 2 3 及图 2 2 1 图 2 2 2 表 2 2 3 不同胶粉类型橡胶沥青性能指标 货车轮胎胶粉小车轮胎胶粉 Superpave 胶结料规 范要求 实验项目 20 目40 目60 目20 目40 目60 目 针入度 25 0 1mm28 630 732 244 047 362 9 软化点 72 675 772 767 666 263 1 弹性恢复 25 898988828372 76 10 5648 2837 3315 4413 7713 328原样 G sin k Pa 82 7 6015 5564 8453 6422 5212 126 1 0 76 11 6619 9958 2985 7004 3364 347RTFOT G sin k Pa 82 8 2466 7865 4303 6762 8422 620 2 2DSR RTFOT PAV G sin kP a 31 291258305337307297 5000 S MP a 929773132139141 18 m0 3270 3340 3100 3160 3480 346 S MP a 228214174303298344 BBR 24 m0 2270 2690 2650 2690 2800 269 S 300 m 0 3 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 软化点 货车轮胎20目 货车轮胎40目 货车轮胎60目 小车轮胎20目 小车轮胎40目 小车轮胎60目 0 2 4 6 8 10 12 14 16 原样76 原样82 RTFOT76 RTFOT82 G sin kPa 货车轮胎20目货车轮胎40目货车轮胎60目 小车轮胎20目小车轮胎40目小车轮胎60目 图 2 2 1 橡胶沥青软化点对比 图 2 2 2 橡胶沥青车辙因子对比 图 2 2 3 橡胶沥青抗疲劳性能对比 图 2 2 4 橡胶沥青蠕变劲度对比 图 2 2 5 橡胶沥青针入度对比 图 2 2 6 橡胶沥青弹性恢复对比 由表中可以看出 加入橡胶粉以后 无论是货车轮胎胶粉还是小车轮胎胶 粉 都对沥青起到了良好的改性效果 沥青的针入度下降 软化点提高 胶粉 改性后沥青高低温指标满足 PG82 28 的性能要求 表明沥青的高低温性能都得 到了改善 从老化后疲劳开裂因子 G sin 来看 31 时 G sin 值在 300kPa 左右 远小于上限要求 5000kPa 表明橡胶沥青具有较好的抗老化性能 和抗疲劳性能 对比不同胶粉种类橡胶沥青的软化点 图 2 2 1 抗车辙因子 图 2 2 2 及针入度 图 2 2 5 可见 货车轮胎胶粉橡胶沥青的常温和高温性能要优 于小车轮胎胶粉橡胶沥青 前者老化后抗疲劳指数 G sin 也较低 图 2 2 3 说明其抗老化性能及抗疲劳性能也要优于后者 从低温时蠕变劲度 S 来看 货车轮胎胶粉橡胶沥青也占明显的优势 从弹性恢复来看 货车轮胎同样要比 小车轮胎的弹性恢复性能要好 因此 从橡胶粉的来源考虑 货车轮胎胶粉的 150 200 250 300 350 400 450 G sin kPa 货车轮胎20目货车轮胎40目货车轮胎60目 小车轮胎20目小车轮胎40目小车轮胎60目 0 50 100 150 200 250 300 350 400 18 24 S MPa 货车轮胎20目 货车轮胎40目 货车轮胎60目 小车轮胎20目 小车轮胎40目 小车轮胎60目 0 10 20 30 40 50 60 70 针入度 0 1mm 货车轮胎20目 货车轮胎40目 货车轮胎60目 小车轮胎20目 小车轮胎40目 小车轮胎60目 0 20 40 60 80 100 弹性恢复 货车轮胎20目货车轮胎40目货车轮胎60目 小车轮胎20目小车轮胎40目小车轮胎60目 改性效果明显优于小车轮胎胶粉 2 2 节已对其中原因进行了分析 对比不同细度胶粉改性沥青的各项指标可以看出 20 目胶粉改性沥青的高 温性能优于 40 和 60 目胶粉改性沥青 三者低温以及抗疲劳性能则比较接近 根据上节分析 橡胶沥青的改性性能主要来自胶粉与沥青形成网格结构体系和 二者传质作用的化学改性 由于 20 目胶粉粒径较大 熔胀后与沥青形成的网格 状态更显著 从而对橡胶沥青的相对流动构成更大的粘滞阻力 表现为沥青的 粘度增加 高温性能提高 综合而言 货车轮胎胶粉橡胶沥青性能要优于小车轮胎胶粉橡胶沥青 其 中 20 目的货车轮胎胶粉橡胶沥青性能相对最好 以下实验采用 20 目货车轮胎 胶粉 2 2 2 橡胶粉掺量对橡胶沥青性能的影响 橡胶粉掺量是影响橡胶沥青技术性能的主要参数之一 分别进行了不同掺 量橡胶沥青性能实验 采用 20 目货车轮胎胶粉 70 号道路石油沥青 实验结 果见表 2 2 4 表 2 2 4 不同橡胶粉掺量橡胶沥青性能指标 胶粉掺量 12162024 Superpave 胶结料规 范要求 针入度 25 0 1mm 41 938 028 627 8 软化点 60 765 672 689 5 弹性恢复 25 81868992 76 2 6584 94910 56418 235原样 G sin kPa 82 1 5053 2267 60113 715 1 0 76 4 5837 50811 66124 689 DSR RTFOT G sin kPa 82 2 8625 3418 24618 126 2 2 PAV G sin kPa 31 427339291337 5000 S MPa 2161449250 18 m0 3000 3120 3270 332 S MPa 369329228175 BBR 24 m0 2490 2520 2270 268 S 300 m 0 1 随着橡胶粉掺量增加 橡胶沥青的高温性能 低温性能 抗老化性能等都 有明显增加 胶粉掺量从 12 提高到 24 软化点提高了 28 8 弹性恢复 提高了 11 车辙因子提高了 6 8 倍 18 劲度模量减少了 75 说明增加 橡胶粉掺量对于提高橡胶沥青的性能是有利的 胶粉用量增加则橡胶沥青混溶 体系的网格结构更显著 因而粘度增加 高温性能提高 在高温 高速剪切过 程中 胶粉用量高时 其与沥青的传质过程更为明显 因而化学改性幅度更大 低温性能和抗疲劳性能随之提高 但同时应注意橡胶沥青的施工性能 随着橡胶粉掺量的增加 橡胶沥青在 施工温度下的粘度会随之升高 过高的粘度会给沥青的泵送以及混合料的拌和 摊铺等带来困难 美国亚利桑那州规定橡胶沥青在 177 的粘度应在 1 5 4 0Pa s 之间 以满足施工的要求 进行了几种掺量橡胶沥青的 177 粘 度实验 结果如表 2 2 5 及图 2 2 7 表 2 2 5 不同橡胶粉掺量 不同搅拌时间下橡胶沥青的粘度 拌和时间 min 153045607590min 12 0 81 201 251 301 401 50 16 1 251 301 601 902 352 75 18 1 852 352 853 153 353 35 不同掺量 橡胶沥青 粘度 Pa s 20 3 204 608 208 102 852 90 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 0153045607590105 反应时间 min 粘度 Pa s 12 橡胶粉 16 橡胶粉 18 橡胶粉 20 橡胶粉 图 2 2 7 不同拌和时间橡胶沥青的 177 粘度 橡胶沥青生产过程中的反应时间一般为 60 分钟左右 因此橡胶沥青在 60 分钟前后的粘度对施工控制尤为重要 由图 2 3 2 可见 掺量为 16 18 时 橡胶沥青拌和 60 分钟时的 177 粘度在 1 5 4 0Pa s 之间 且粘度曲线比较 平缓 有利于橡胶沥青的施工控制 橡胶粉掺量为 20 时 橡胶沥青拌和 60 分钟左右的 177 粘度远大于 4 0Pa s 此时沥青及混合料的施工将会比较困 难 因此 对于研究所用的原材料和工艺条件 橡胶沥青的胶粉掺量以 16 18 左右比较合适 2 2 3 拌和温度对橡胶沥青性能的影响 拌和温度是橡胶沥青的重要施工控制条件 拌和温度直接影响橡胶粉与沥 青熔融的速度和程度 从而对橡胶沥青的技术性能有明显影响 不同拌和温度 制备的橡胶沥青各性能指标的测试结果如表 2 2 6 所示 表 2 2 6 不同拌和温度时橡胶沥青的性能实验结果 拌和温度 165175185 Superpave 胶结料规 范要求 针入度 25 0 1mm 34 728 633 5 软化点 76 072 676 6 弹性恢复 25 82