橡胶沥青技术的综合研究.pdf

同济大学交通运输工程学院 硕士学位论文 橡胶沥青技术的综合研究 姓名 刘晓旭 申请学位级别 硕士 专业 道路与铁道工程 指导教师 薛明 20090301 摘要 摘要 本文综合研究了橡胶沥青材料的使用技术 分析了橡胶沥青的作用机理 从 橡胶沥青的作用机理出发 选择并验证适合橡胶沥青性能的测试方法 探索橡 胶沥青材料路用性能的影响因素 综合分析橡胶沥青及混合料的性能 得出橡 胶沥青材料生产参数的建议值 并对橡胶沥青的储存方式进行了探讨 最后 在理论的指导下 介绍橡胶沥青及混合料的生产 施工工艺 研究橡胶沥青应 力吸收层的作用机理和橡胶沥青混凝土路面的使用性能 本文的主要研究结论如下 l 在橡胶沥青作用机理的分析中 将橡胶沥青性能的变化过程分解为橡胶 沥青性能的发育过程和衰退过程 橡胶沥青在性能的发育过程中 主要完成物 质交换和溶胀反应 橡胶沥青在性能的衰退过程中 主要完成氧化反应和过度 溶胀反应 这一阐述方法更直观的揭示了橡胶沥青的作用机理和性能发展规律 2 橡胶沥青的路用性能受反应温度 反应时间 胶粉掺量和粒径等因素的 综合影响 其中 橡胶沥青的回弹性能表征了橡胶沥青的抗老化性能 主要受 胶粉掺量的影响 橡胶沥青的高温性能主要受各因素的综合影响 由黏度指标 表征 3 在橡胶沥青储存稳定性和抗老化性能分析中 认为常用的评价沥青储存 稳定性的离析试验和评价抗老化性能的薄膜加热试验不适用于衡量橡胶沥青的 性能 直接选用了评价橡胶沥青路用性能的针入度 软化点 黏度和弹性回复 试验方法 实验结果证明橡胶沥青材料具有优异的抗老化能力 并探索了能够 保存橡胶沥青基本性能的储存方式 在生产过程中应尽量现生产现使用 必要 时先将橡胶沥青降温至1 4 0 低温储存 使用前升温至1 8 5 后使用 低温储存 时间不建议超过2 4 h 4 综合分析橡胶沥青性能的影响因素 得出橡胶沥青生产参数的建议值 对符合规范规定级配范围和质量要求的胶粉来说 使用2 0 的掺量 在1 8 5 下 搅拌4 5 m i n 生产的橡胶沥青 其综合性能最为优异 橡胶沥青材料既是一种路用性能优异的道路建筑材料 又能将废轮胎变废为 宝 实现资源的循环利用 本文的研究工作为橡胶沥青技术的推广和应用提供 了理论依据 摘要 关键词 胶粉 橡胶沥青 应力吸收层 路用性能 A b s t r a c t A B S T R A C T I nt h i s p a p e r w es t u d i e d t h e T e c h n o l o g y o fr u b b e r a s p h a l t M a t e r i a l s c o m p r e h e n s i v e l y W ea n a l y z e dt h em e c h a n i s mo fr u b b e ra s p h a l t t h e na p p r o p r i a t e t e s tm e t h o d sw e r ec h o s e na n dp r o v e dt oe x p l o r et h ef a c t o r so fr u b b e ra s p h a l ta n d m i x t u r ep r o p e r t i e so nt h e b a s i so ft h em e c h a n i s mo fr u b b e ra s p h a l t s o m e r e c o m m e n d e dv a l u eo fp r o d u c t i o np a r a m e t e r so ft h er u b b e ra s p h a l ta n dt h es t o r a g e m e t h o dw e r eg i v e nb yt h i s F i n a l l y t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ep r o d u c t i o n a n d c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fr u b b e ra s p h a l ta n dm i x t u r e d i s c u s s e da s p h a l tr u b b e r s t r e s s a b s o r b i n gl a y e r m e c h a n i s ma n dr u b b e ra s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t p e r f o r m a n c e T h em a i nr e s e a l c hc o n c l u s i o n sa l ea sf o l l o w s 1 T h i sp a p e rd i v i d e dt h ec h a n g ep r o c e s so ft h ep e r f o r m a n c eo fr u b b e ra s p h a l t b yd e v e l o p m e n ta n dr e c e s s i o np r o c e s sa st h em e c h a n i s mo fr u b b e ra s p h a l t i nt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h ep e r f o r m a n c eo fr u b b e ra s p h a l t t h em a i n r e a c t i o ni s m a t e r i a le x c h a n g ea n ds w e l l i n g a n di nt h er e c e s s i o np r o c e s so ft h ep e r f o r m a n c eo f r u b b e ra s p h a l t t h em a i nr e a c t i o ni so x i d a t i o nr e a c t i o na n de x c e s s i v es w e l l i n g T h i s r e v e a l e dt h el a wo fp r o p e r t i e sd e v e l o p m e n to fr u b b e ra s p h a l tm o r ei n t u i t i v e l y 2 T h er o a dp e r f o r m a n c eo fr u b b e ra s p h a l ti sd e c i d e db yt h ec o m p r e h e n s i v e i m p a c to fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e r e a c t i o nh o u r c o n t e n ta n dg r a i ns i z eo ft h eg r o u n d c r u m br u b b e r T h er e b o u n dp e r f o r m a n c er e p r e s e n t st h ea n t i a g e rp e r f o r m a n c e w h i c h i sm a i n l yd e t e r m i n e db yt h ec o n t e n to ft h eg r o u n dc r u m br u b b e r t h eh i 曲t e m p e r a t u r e b e h a v i o ri sd e c i d e db yt h ec o m p r e h e n s i v ei m p a c to ft h ef a c t o r sa n dr e p r e s e n t e db y v i s c o s i t y 3 I nt h ea n a l y z eo fs t o r a g es t a b i l i t ya n da n t i a g e rp e r f o r m a n c eo fr u b b e ra s p h a l t t h i sp a p e rc o n s i d e r e dt h ea p p r o p r i a t et e s to fr u b b e ra s p h a l tW a sn o tt h es e p a r a t i n gt e s t a n dt h i n f i l mh e a t i n gt e s tb u tp e n e t r a t i o nt e s t s o f t e n i n gp o i n tt e s t v i s c o s i t ya n dr e s i l i e n c et e s t t h eb e l o wt e s t sc o u l de v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fr u b b e ra s p h a l td i r e c t l y T h et e s t a p p r o v e dt h er u b b e ra s p h a l tm a t e r i a lp o s s e s s e de x c e l l e n ta n t i a g e rp e r f o r m a n c e a n d t h es t o r a g em e t h o dw h i c hC a nh o l dt h eb a s i cp e r f o r m a n c eo fr u b b e ra s p h a l ti st h a t A b s t r a c t l O W b 茁t h et e m p e r a t u r et o14 0 i no r d e rt os t o r ea n dt h e nr i s et h et e m p e r a t u r et o18 5 t ou s e b u tt h es t o r a g eh o u r0 1 1l o wt e m p e r a t u r es h o u l dn o tl o n g e rt h a n2 4 h 4 T h i sp a p e rd i d t e ds o m er e c o m m e n d e dv a l u eo fp r o d u c t i o np a r a m e t e r so f t h er u b b e r a s p h a l tb ya n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c ef a c t o r so fr u b b e ra s p h a l t c o m p r e h e n s i v e l y t h ea p p r o p r i a t ec o n t e n to fc r u m br u b b e ra s p h a l ti s2 0 t h ea c t i o n t e m p e r a t u r ei s18 5 C a n dt h ea c t i o nh o u ri s4 5 m i n R u b b e ra s p h a l ti sak i n do fr o a d b u i l d i n gm a t e r i a l sw i t he x c e l l e n tp a v e m e n t p e r f o r m a n c e i tC a na l s ou s ew a s t et i r e sa sak i n do fr e c o u r s e s T h i sr e s e a r c hp r o v i d e d at h e o r e t i c a lb a s i st oa p p l ya n dp r o m o t et h er u b b e ra s p h a l tt e c h n o l o g y K e y w o r d s c r u m br u b b e r r u b b e ra s p h a l t s t r e s s a b s o r b i n gl a y e r P a v e m e n t p e r f o r m a n c e I V 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目的的前 提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 学位论文作者签名 叩鼢婀9 叫年弓月加E t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 学位论文作者签名 叫晦够 叫年弓月M 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的背景和意义 随着汽车工业的发展 我国废旧橡胶的产出量近几年急剧增长 2 0 世纪9 0 年代末 我国每年报废的轮胎不到80 0 0 万条 废胶大约1 0 0 万t 到2 0 0 5 年 我国报废的轮胎就达到1 亿多条 再加上胶管 胶带 胶鞋及其它橡胶制品 每 年产生的废胶超过2 0 0 万t 除了制作再生胶粉 目前橡胶的回收和综合利用方 式主要有两种 一是焚烧生热 在焚烧橡胶的过程中会对空气造成二次污染 考虑到保护环境的需要 这种废旧橡胶的处理方法已逐渐减少 另一种处理办 法是生产再生橡胶 由于生产的再生胶质量差 生产过程中污染高 能耗大 目前再生胶的产量也逐渐降低 如何能够更有效的综合利用废旧橡胶 使其资 源化 是当今世界范围内的紧迫任务 与汽车工业的发展相适应 我国公路建设也取得了瞩目的成就 截止至2 0 0 5 年底 全国公路总里程己达到1 8 0 万公里 公路路面等级也得到显著提高 高级 次高级路面公路里程占总比重的1 1 我国公路建设的质量也得到显著改善 在 沥青路面修筑 特别是高速公路的沥青路面修筑方面已形成整套技术 设计水 准和施工工艺水平均有明显提高 大部分路面的总体质量和使用性能良好 然而 我国公路的实际质量依然存在着不可忽视的问题 就沥青路面而言 道路普遍存在着耐久性差 使用寿命短和早期损坏的问题 严重影响了道路的 使用性能 造成极大的经济浪费和安全隐患 这些路面损坏的原因 除了设计 施工 养护等方面的因素外 材料 尤其是沥青材料的性能也是重要的原因 一般来说 感温性弱 高温性能和低温性能好 抗老化性和稳定性强的沥青材 料能够明显提高道路的使用性能 而现有多数基质沥青的性能明显不能满足道 路的需要 而现在国内外常用的S B S S B R 等聚合物沥青改性剂价格较高 导致 了改性沥青的推广应用受到一定程度的限制 近年来 废旧橡胶粉用于筑路技术的研究逐渐进入了国内外道路工作人员 的研究视野 从理论上分析 废旧轮胎橡胶粉主要的成分是天然橡胶和合成橡 胶 还有硫 碳黑 氧化硅 氧化铁 氧化钙等添加剂 这些成分都是良好的 沥青改性剂 经试验研究表明 将废旧轮胎制作成橡胶粉 作为改性剂加入沥 第1 章绪论 青中 能够改善沥青的高低温性能 抗老化性能 抗疲劳性能 起到减薄路面 延长路面使用寿命 延缓反射裂缝 减轻行车噪声的作用 这不仅改善了我国 公路工程的路面质量 还实现了对废旧橡胶的升值利用 具有十分重要的现实 意义 然而橡胶沥青用于筑路技术的应用仍然存在着不少问题 例如 掺入橡胶 粉的沥青粘度过大 施工温度高 能耗大而且施工安全性差 橡胶沥青的生产 需要专门的设备 初期投入大 产品的单位成本高 另外 目前国内尚无统一 的技术标准和技术应用指南 路用橡胶粉的生产不规范 轮胎成分不一导致胶 粉成分有波动 质量参差不齐 给我国橡胶沥青技术带来了不少难题 本研究 即在此基础上展开 希望通过对胶粉 橡胶沥青及混合料性能的试验研究 分 析橡胶沥青作用的机理 得出关于橡胶沥青筑路技术的实用性结论 为我国橡 胶沥青技术的发展提供理论依据 1 2 橡胶沥青技术的发展 现代意义上的橡胶沥青混合料首先出现在上世纪的4 0 6 0 年代的美国 美 国橡胶回收公司 R u b b e rR e c l a i m i n gC o m p a n y 在上世纪4 0 年代首先采用干拌 法的生产工艺生产了R a m f l e xT M 橡胶粉沥青混合料 美国专家C h a r l e sM c d o n a l d 则首先采用湿拌法的生产工艺 在6 0 年代生产了O v e r f l e xT M 橡胶沥青混合料 从上世纪7 0 年代以来 美国 瑞典 英国 法国 比利时 澳大利亚 日 本 南非 印度等国家先后丌展了橡胶沥青和橡胶粉沥青混凝土的应用研究 并通过立法和技术推广 极大地促进了废旧轮胎在道路工程中的利用 上世纪9 0 年代 全美每年约废弃2 3 5 亿只汽车轮胎 以各种状态堆积的轮 胎数量大致为2 0 2 5 亿只 迫于轮胎带来的环境压力 美国通过了1 9 9 1 年联邦 地表协调联运效率法案 I S T E A 1 0 3 8 条款要求在路面工程中逐步增加回收橡胶 的用量 同时 大多数州启动了相关立法程序 极大地促进了废旧轮胎在道路工 程中的利用 橡胶粉路用进入了新的阶段 截止到1 9 9 3 年 有2 7 个州研究了橡 胶颗粒改性沥青及混合料 总共3 8 个州在沥青混合料中使用过回收橡胶颗粒 据统计 到1 9 9 7 年的6 年间 公路行业共消耗废旧轮胎橡胶粉8 0 0 0 力 t 大约4 亿条废旧轮胎 美国应用废旧轮胎橡胶粉较多的州有 亚利桑那州 加利福尼亚 州 佛罗里达州 德克萨斯州等 同样还是I S T E A 方案 启动了耗资5 0 0 0 万美 2 第1 章绪论 元的S H R P 沥青研究计划和长期使用性能研究计划 随着S H R P 计划的推进 其最 终产品S u p e r p a v e 体系 基于使用性能的沥青胶结料规范 热拌混合料设计和分 析体系及相应的计算机软件 的建立 完善和逐步推广 路用新材料研究的思路 方法和技术手段都有了很大的扩展 正是在这两股力量的共同推动下 国际上橡 胶粉在道路工程中的应用及其研究进入了一个由环保理念和新技术共同驱动的 新时代 1 9 9 0 1 9 9 3 年 弗吉尼亚州用M c D o n a l d 法 掺量约1 8 和R o u s e 法 掺量 5 1 0 建设了5 段试验路 在经过最长4 年的行车作用后性能检测表明 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 但抗裂方面并没有很 大的区别 1 9 9 0 1 9 9 2 年 在环境及能源部和运输部的资助和管理下 加拿大安大略省 修建了1 1 段橡胶粉改性试验路 包括全新 橡胶改性路面再生 一般路面冷再 生添加剂等 1 9 9 6 年提交了评估报告 从路面使用性能 混合料设计和生产问 题 路面建设初始费用 全寿命评估路面费用 环境影响等方面评价了橡胶粉 路用效果 阿拉斯加在1 9 8 3 1 9 8 6 年用P l u sR i d e 铺设了8 段单车道总计4 5 k m 路面 并于1 9 8 8 年首次应用了湿法 1 9 9 6 年 S a b o u n d j i a n 采用弯曲梁疲劳试验 约 束试件温度应力测试和佐治亚轮辙试验 对这些使用达7 1 3 年的路面及对比段 落进行了使用性能评价 在多孔隙路面的发源地法国 截止到1 9 9 5 年 橡胶沥青多孔隙混凝土路面累 积已经摊铺了超过10 0 00 0 0 M 2 A l a i nS A I N T O N 总结多年的P A C 路面室内研究 和实际应用效果表明 橡胶粉改性P A C 比普通P A C 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 南非的废旧轮胎橡胶粉在公路行业中的应用十分成功 和美国加利福利亚 1 样拥有历时2 0 2 5 年仍然完好的橡胶沥青路面 应用领域包括混合料 应 力吸收层 应力吸收中间层等 基本上已经拥有了一整套橡胶沥青相关的技术指 标 据了解 目前南非6 0 以上的道路沥青使用橡胶沥青 而且根据他们的经验 认为对于超重轴载的使用环境 橡胶粉沥青混凝土尤为有利 概括国际上橡胶沥青及橡胶沥青改性沥青混凝土的发展历程为 上世纪6 0 年代初 主要研究是橡胶沥青在应力吸收层中的应用技术 到7 0 年代初 橡胶沥 青的应用延伸到应力吸收中问层 7 0 年代中期 橡胶粉应用领域的重点转向沥青 第1 章绪论 混凝土 并首先在开级配沥青混凝土中使用 7 0 年代后期 在以连续级配为主的 密实型沥青混凝土中开始使用橡胶粉 8 0 年代后期至今 主要研究在断级配沥青 混凝土中使用橡胶粉 通过多年的应用和试验总结 大多数国家沥青路面技术指 南中都明确规定橡胶粉应用于断级配沥青混凝土 目前国际上橡胶粉在公路上使用的技术领域主要有 橡胶沥青 橡胶改性沥 青混凝土 橡胶改性乳化沥青 橡胶粉颗粒在基层中的使用 其中橡胶沥青技 术是其他技术领域的基础 1 3 橡胶沥青技术的研究现状 目前在橡胶沥青路面建设中使用的橡胶沥青混凝土按生产方式可分为湿法 和干法两种 其中干法生产的橡胶沥青混凝土是将胶粉 沥青和集料同时投入 拌合楼拌合生产的 胶粉在混合料中仅起填隙作用 未与沥青发生复杂的溶胀 反应 这种混合料中不存在充分溶胀的橡胶沥青结合料 不能发挥橡胶沥青的 改性作用 不是真正意义上的橡胶沥青混合料 湿法生产的橡胶沥青混合料是 将充分溶胀的橡胶沥青与集料拌合 能够发挥橡胶沥青的改性作用 是具有特 殊路用性能的橡胶沥青混合料 本文在研究橡胶沥青技术中所涉及到的混合料 以湿法生产的橡胶沥青混合料为主 其性能以橡胶沥青结合料的性能为基础 因此 橡胶沥青材料的性能是橡胶沥青技术的基础 橡胶沥青是由基质沥青 回收的废旧轮胎橡胶粉和某些添加剂掺和成的混 合物 其中至少有混合物总质量1 5 的橡胶成分 并在热的基质沥青中充分反 应而使橡胶颗粒溶胀 由于橡胶粉和沥青的化学成分不完全相同 且都具有较强 的惰性 橡胶粉与沥青拌和主要是融胀反应 既不仅仅是简单的物理填充 也不 完全会发生化学反应 而是处于两者共存的状态 其产物是橡胶粉和沥青的共混 体系 对沥青的物理性能和化学性能都有所改善 橡胶粉的性质 沥青的性质 两者之问的共混方式都可能影响到橡胶沥青的性能 但是由于橡胶粉与沥青之 间的相互作用十分复杂 至今仍有很多专家对此进行专门研究 对橡胶粉改性沥青性质的影响 通常认为有橡胶粉来源 基质沥青 废橡 胶粉形态 废橡胶粉浓度以及加工处理条件等5 个方面 1 橡胶粉来源 4 第1 章绪论 早期卡车轮胎富含天然橡胶 而客车轮胎富含合成橡胶 最近报道显示卡 车轮胎和客车轮胎的差别己减小 0 1i v e r 发现天然橡胶的可伸缩性比合成橡胶 好 但合成橡胶对相互作用时间 温度的稳定性比天然橡胶好 2 基质沥青 基质沥青的性质影响着橡胶粉改性沥青的相容性 有的专用沥青和橡胶是 不相溶的 一般认为芳香分是影响沥青与橡胶相互作用的一个因素 B o u l d i n 等 的研究显示 较软的沥青与橡胶聚合物较容易相溶 G r e e n 和T o l o n e n 的研究显 示 沥青粘度是影响橡胶粒子溶涨所需时间的一个因素 H a n s e n 等通过研究得 出结论 沥青来源对橡胶与沥青的相互作用方式影响较小或没有影响 但是美 国西部研究院用橡胶与不同的S H R P 核心沥青反应得出相反的结论叫 他们发现 沥青来源控制着橡胶粉改性沥青的性质 对沥青与橡胶在不同温度下的作用方 式有重要影响 T e x a s 交通院的研究显示 沥青的性质确实影响改性沥青的改性 效果 低温性质差的沥青随相互作用条件的变化性质改善程度高于低温性质较 好的沥青 S t r o u d G a r d i n e r 研究得出 同一种橡胶与同一等级不同来源的沥 青的反应不同 反应程度是沥青分子量的函数 3 废橡胶粉形态 橡胶粉的物理性质 包括粒子大小等级和形态学性质 影响橡胶粉与沥青 的相互作用 0 1 i v e r 发现橡胶表面形念学性质是影响弹性性质的最重要的因素 橡胶表面越粗糙 表面积越大 改性沥青的弹性恢复越高 橡胶粉改性沥青的 弹性恢复随橡胶粒子大小的降低而增加 较小的微粒比较大的微粒对弹性恢复 更有利 数据显示由低温磨制过程产生的橡胶粉表面光滑 与沥青的反应性不 如室温磨制过程产生的橡胶粉 研究还得出 橡胶来源不同时 同一个磨制过 程产生的橡胶粉的表面性质也不同 L a l w a n i 报道 粗糙性随橡胶粉粒径的降低 而增加 但粒径对弹性恢复没有影响 4 废橡胶粉浓度 虽然橡胶浓度不是材料性质 但它对改性沥青行为影响较大 H a n s e n 研究 得出 橡胶浓度对改性沥青的最终性质有最大的影响 这个结论在其他研究中 得到证实 E s t a k h r i 和Z a m a n 研究了橡胶粉对改性沥青低温性质的影响 发现 低温蠕变劲度随橡胶浓度的增加而下降 橡胶粉改性沥青对低温收缩裂缝有较 大的阻力 随着橡胶浓度的增加粘度 弹性和线性粘弹性都增加 0 1 i v e r 研究 了橡胶粉改性沥青的弹性恢复 得出加工处理温度超过2 0 9 8 5 4 8 3 K 时 第1 章绪论 弹性恢复可以通过一个最大值 弹性恢复与橡胶浓度成正比 E s t a k h r i 研究表 明随着橡胶粉浓度的增加 改性沥青的针入度降低了 软化点升高了 这说明 性质得到了改善 另一方面 改性沥青的延度随废胶粉的加入剧烈下降 5 加工处理条件 在较高的温度下橡胶与沥青在惰性条件下长期混合的过程定义为加工处理 过程 加工处理条件包括剪切温度 剪切时间 剪切速率 研究发现 对天然 橡胶的相互作用时间 温度比稳定的合成橡胶更重要 如上所述 影响橡胶粉改性沥青改性效果的因素主要有 橡胶粉来源 基 质沥青性质 剪切温度 剪切速率 剪切时间 橡胶粉的浓度和橡胶粉的形态 但是对不同的沥青和不同来源的橡胶粉各个因素的影响程度可能不同 这些因 素是相互交织在一起 相互促进同时又相互制约 所以要想得到性能稳定 优 良的橡胶粉改性沥青 就必须综合考虑各种影响因素 1 4 试验和评价依据 本文所采用的试验方法依据 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 公路工程集料试验规程 J T J 0 5 8 2 0 0 0 和s h r p 试验相关 试验规程 对橡胶沥青及混合料的技术评价依据 沥青路面施工及验收规范 G B 5 0 0 9 2 9 6 和 公路改性沥青路面施工技术规范 J T J 0 3 6 9 8 1 5 研究内容与技术路线 本文在前人研究的基础上 从微观 细观及宏观的研究角度入手 采用传统 试验方法和S H R P 试验方法 综合分析橡胶沥青及混合料的性能 研究橡胶沥青 的作用机理 在理论的指导下 进行试验路实体工程的设计 观察试验路的施 工及运行情况 得出关于橡胶沥青筑路技术的实用性结论 为我国橡胶沥青技 术的发展提供理论依据 主要研究内容为 1 橡胶粉的路用性能研究 橡胶粉的微观特性 包括胶粉的粒径 表面形态 纤维含量 天然橡胶含 量和添加剂种类 6 第1 章绪论 橡胶沥青中的橡胶颗粒的微观形态和发育过程 分析橡胶沥青的作用机理 不同橡胶粉粉碎工艺对胶粉路用性能的影响 2 橡胶沥青的物理 力学和路用性能研究 胶粉粒径 掺量及与基质沥青的搅拌时间 反应温度对基质沥青高温 低 温 粘弹性 抗老化性能的影响 3 橡胶沥青的生产工艺 4 橡胶沥青应力吸收层的作用机理及施工工艺 5 橡胶沥青混合料的物理 力学 路用性能研究 橡胶沥青混合料的高温性能 低温性能 水稳性能 疲劳性能 温拌橡胶沥青混合料的性能 橡胶沥青混凝土面层的性能和生产 施工工艺 6 橡胶沥青技术的经济和环保效益 技术路线如下 图1 1 橡胶沥青技术的综合研究技术路线 7 第2 章路用橡胶粉的技术性能 第2 章路用橡胶粉的技术性能 橡胶粉由以废旧轮胎为主的废旧橡胶材料经磨碎或粒化方法制备而成 是 生产橡胶沥青的重要原材料 其质量直接影响成品橡胶沥青的路用性能 具体 影响因素有多个方面 本章主要介绍了橡胶粉的技术要求和质量控制要素 并 从机理上分析了这些要素影响成品橡胶沥青质量的原因 2 1 橡胶粉的技术要求 本章所采用的橡胶粉的技术指标是参照 北京市废胎胶粉沥青及混合料设 计施工技术指南 及国外标准提出的推荐值 1 用于生产橡胶粉的原材料的质量要求 表2 1 对用于生产橡胶粉的原材料的技术要求心1 废旧轮胎橡胶粉的原材料高天然橡胶含最橡胶粉的原材料 测试指标 最小 最大 最小 最大 丙酮抽取物 61 641 6 灰分 8 4 i 做 不做 碳黑 2 83 8 不做不做 橡胶碳氢化合物 4 26 55 0 天然橡胶 2 23 94 04 8 2 橡胶粉的级配要求 橡胶粉的筛分实验一般采用水筛法 表2 2 橡胶粉的级配要求他1 筛孔尺寸 m m 橡胶粉质最通过百分率 2 3 61 0 0 2 0 09 8 1 0 0 1 1 8 4 5 7 5 O 6 02 2 0 0 3 00 6 第2 章路用橡胶粉的技术性能 0 1 5 0 2 0 0 7 5 O 3 路用废胎胶粉的物理技术指标 表2 3 路用废胎胶粉的物理技术指标心1 项目相对密度水分 金属含量 纤维含量 技术标准1 1 0 1 3 0 1 O 0 1 0 6 m m 时 颗粒在相同长度的反应时间内不易 充分溶胀 由于粒径较大 橡胶颗粒的总体数量也较少 溶胀的胶粉在沥青中 不易形成网状结构 因此沥青的软化点降低 当颗粒粒径 0 1 5 r a m 时 橡胶颗 粒在基质沥青中迅速充分溶胀 固体核心迅速消融 从而使混合物整体丧失了 2 8 第3 章橡胶沥青的物理 力学和路用性能 固 液两相结构 使得橡胶沥青软化点降低 这也就解释了规范规定的橡胶粉级 配要求中 O 1 5 m m O 6 m m 粒径范围的橡胶粉占7 0 以上了 这一粒径范围内的 胶粉 是橡胶沥青优良性能的主要贡献者 图3 1 1 胶粉粒径与橡胶沥青弹性回复率 2 5 C 的关系曲线 胶粉粒径对橡胶沥青的弹性回复率影响不明显 见图3 1 1 拉伸后基本都 能回复到初始水平 综合上节实验结果 橡胶沥青的弹性回复能力主要受胶粉 掺量的影响 与胶粉粒径的关系不大 图3 1 2 胶粉粒径与橡胶沥青黏度 1 7 7 的关系曲线 从图3 1 2 中可以看出 随胶粉粒径的减小 橡胶沥青的1 7 7 黏度持续升高 当粒径 0 3 m m 后 黏度的增长速率变缓 可以说胶粉的粒径对橡胶沥青黏度的影响很大 这也可 从橡胶沥青的作用机理上作解释 当橡胶沥青的反应时问和加热温度一定时 不同粒径的橡胶颗粒其溶胀程度是不同的 粒径较大的颗粒比表面积小 与基 第3 章橡胶沥青的物理 力学和路用性能 质沥青的接触面积小 溶胀反应不够充分 生成的熔融物相对较少 更多的橡 胶成分仍然以固体的形式保留在颗粒核心中 黏度指标度量的是橡胶沥青流动 的阻力 橡胶沥青中熔融物的含量相对少 其黏度指标自然就低些 相反 粒 径较小的颗粒比表面积大 与基质沥青能够充分接触 溶胀反应充分 甚至橡 胶成分大部分转化成熔融状态 橡胶颗粒的固体核心基本不存在了 这样黏度 指标就会非常高了 从这里我们也可以看出 不能完全用黏度指标的高低来度 量橡胶沥青性能的好坏 橡胶沥青必须保持均衡的固液两相结构才能具有其特 有的性能 不是说橡胶粉粒径越小 黏度指标越高 橡胶沥青及橡胶沥青混合 料的路用性能就越好 这一点在后续实验中会进一步验证 3 4 4 搅拌时间 将掺量为2 2 的胶粉加入基质沥青中 在1 8 5 下搅拌 每间隔1 5 m i n 取样测 量针入度 软化点 黏度 试验结果见表3 5 其中O m i n 下对应的数据为胶粉加 入后搅拌片刻后的样品 3 0 一n o 卜 H c o i i o N o c o o H N o 卜 呻 H d 口 呻 N N 甘 d H 呻 o o o N 呻 c o o 呻 o N 卜 o N o H o 甘N o oo N o 甘N H o 甘 卜 o o oN o 呻 甘 卜 呻 o卜 卜 N 岫 寸 N 一 卜 卜 甘 c o o H 卜 o o 卜 d o c o N o o 卜 C q 寸 卜 一 仓 三 t l哟 苣 e u 魁 面名 p 毫 芝 g 三 p 奎 采 i g 卜 篁 站 铎 V 颦 N 型 舔 监吕丰涩掣犯 垡鼙g垦苔馨颦叵佟 e样拦越fH留熏扑R 尉Sg忙蟪嫠遂料 拣 第3 章橡胶沥青的物理 力学和路用性能 图3 1 3 橡胶沥青针入度与搅拌时间的关系 从图3 1 3 中可以看出 随着搅拌时间的延长 橡胶沥青的针入度有明显先下 降后上升的趋势 胶粉刚加入沥青时 胶粉尚未发生溶胀 取样后在样品冷却 的过程中还发生了轻微的离析 所以表层沥青较软 沥青的针入度值较大 此 时的样品只是基质沥青和橡胶粉的混合物 不是真正意义上的橡胶沥青 在 O 3 0 m i n 内 橡胶粉持续发育 其外部结构吸收沥青中的轻质组分 逐渐溶胀 熔融物含量增多 沥青逐渐形成了液固两相结构 沥青的质地变稠变硬 样品 的针入度值呈减小的趋势 3 0 m i n 后 橡胶粉继续溶胀 固体颗粒核心逐渐缩小 熔融物质含量逐渐增多 橡胶沥青的液固两相结构逐渐偏向液相结构 沥青逐 渐变软 针入度值变大 搅拌1 5 0 m i n 以后的沥青结构过于偏向单一液相结构 性能出现了明显的衰减 从该图中我们可以得出这样的结论 橡胶沥青绝不是 橡胶粉和基质沥青的简单混合物 它需要特定长度的反应时间 以使橡胶粉和 基质沥青相互溶合 发生反应 形成一定平衡状态下的液固两相结构 如果反 应时间过短 胶粉溶胀尚未完成 橡胶沥青就不能发挥其应有的性能 如果反 应时间过长 胶粉反应过度 就会丧失橡胶沥青特有的物理 力学性质 因此 在实际生产过程中 必须严格控制橡胶沥青的反应时间 做到现生产现使用 考虑到生产成本问题 当同生产的橡胶沥青应在当同内使用 超出2 4 小时的橡 胶沥青应废弃不用 第3 章橡胶沥青的物理 力学和路用性能 图3 1 4 橡胶沥青软化点与搅拌时间的关系 随着搅拌时间的延长 与针入度的变化趋势相类似 橡胶沥青的软化点也 呈现明显的先升高后降低的趋势 如前所述 软化点表征了橡胶沥青的高温性 能 图3 1 4 的变化趋势揭示了橡胶沥青的高温性能与搅拌时间之间的关系 随着 搅拌时间的延长 橡胶沥青的高温性能上升 至6 0 m i n 7 0 m i n 时达到顶点 当搅 拌时间继续延长时 橡胶沥青的高温性能开始衰减 至9 0 m i n 后不再发生明显变 化 这种变化趋势与橡胶沥青针入度的变化趋势相符 同样可用橡胶沥青的作 用机理作解释 此处不再赘述 图3 1 5 橡胶沥青1 7 7 黏度与搅拌时间的关系 第3 章橡胶沥青的物理 力学和路用性能 随着搅拌时间的延长 与橡胶沥青的针入度和软化点变化趋势相类似 橡 胶沥青的1 7 7 黏度也基本呈现先升高后降低的趋势 这种趋势仍然可用橡胶沥 青的作用机理作解释 与软化点在6 0 m i n 7 0 m i n 时达到顶点时不同 橡胶沥青的 黏度在4 5 m i n 左右达到高峰 此后便逐渐下降到2 5 左右 这也就解释了为什么在 橡胶沥青的实际生产过程中 多规定橡胶沥青的反应时间为4 5 m i n 因为这样的 反应时间能使橡胶沥青的性能得到充分发挥 基本达到性能的顶峰状态 这同 样解释了橡胶沥青不能过夜储存的原因 3 4 5 储存方式 现行的橡胶沥青生产工艺是一种现制现用的现场生产工艺 制作好的成品 橡胶沥青应即时投入使用 一批制作好的成品料在沥青混合料的生产过程中保 持的时间不得超过4 小时 在4 5 m i n 的反应周期结束后 成品橡胶沥青在使用过 程中其温度必须保持在1 8 0 以上 但实际生产过程中 常因工程进度限制 不 得不延期使用 现行的处理办法是使橡胶沥青自由冷却 在1 2 0 左右恒温保存 并持续搅拌 再次启动时重新加热至1 8 0 C 1 9 0 C 温度范围内 生产过程中规定 一批成品橡胶沥青持续储存的时间不超过l O h 再加热的次数不得超过2 次 当 再次启动使用时 需重新检测橡胶沥青的黏度 以验证其是否处于规定的范围 内 这样的处理办法是橡胶沥青的生产较为灵活 也节省了生产费用 但也可 能给橡胶沥青成品的生产质量带来负面的影响 本节即从此角度出发 研究现 行的短期储存方式是否会对橡胶沥青的路用性能带来不利的影响 1 一次加热 一次加热的储存方式是指橡胶沥青反应完全后 直接在反应罐中以1 8 5 的 高温搅拌储存 投入使用时可直接送往拌和楼 这样的储存方式优点是使用灵 活 节省加热时间 缺点是浪费能源 在对橡胶沥青质量的影响方面 可参照 上节的试验结果 除去橡胶沥青的反应时间4 5 6 0 m i n 在橡胶沥青进入保存状 态后的3 0 m i n 后就出现了明显的性能衰减 表现为稠度降低 黏度减小 因此不 建议橡胶沥青在1 8 5 下恒温储存 2 二次加热 二次加热的储存方式与现行的储存方式类似 即橡胶沥青发生4 5 m i n 溶胀反 应后自然降温至1 4 0 C 左右后恒温搅拌保存 再次投入使用前将橡胶沥青升温至 1 8 5 即可 这样的储存方式优点是节省能源 缺点是需要再次加热的时问 对 第3 章橡胶沥青的物理 力学和路用性能 橡胶沥青性能的影响试验研究如下 现行的二次加热储存方式是待橡胶沥青完全反应后降温储存 试验室中为 模拟这一情况 先将2 2 的胶粉加入基质沥青 在1 8 5 条件下反应4 5 m i n 后 使 成品橡胶沥青自然冷却至1 4 0 分别恒温保存3 h l O h 后 将温度升至1 8 5 恒 温搅拌l O m i n 后测定针入度 2 5 软化点和黏度 1 7 7 保存过程中持续 搅拌 其中恒温保存3 h 是对当日保存情况的模拟 恒温保存l O h 是对过夜保存情 况的模拟 试验结果如下 表3 6 完全反应后不同保存时间下的橡胶沥青性能指标 保存时间 h 031 0 针入度 2 5 C l O O g 5 s O 1 m m 3 2 04 6 64 9 2 软化点 7 2 76 8 O6 7 5 黏度 1 7 7 P a s 5 1 5 72 6 4 32 4 0 0 从表3 6 中可以看出 完全反应后的橡胶沥青 其各性能指标表现良好 但 经过3 小时后的低温储存和再次升温加热后 各个性能指标都有所衰减 具体表 现为针入度明显升高 软化点降低 黏度减小 这说明橡胶沥青经过3 4 时后的 低温保存和再次加热后变软了 高温性能衰退了 但仍在规范规定的范围之内 与在1 8 5 高温下恒温保存6 0 m i n 不包括反应时间 后得橡胶沥青质量相当 而经过l O M k 王温保存和再次加热后的橡胶沥青 其各性能指标与3 h 低温保存的橡 胶沥青指标相当 这说明橡胶沥青比较适合采用这种先低温保存再加热使用的 储存方式的 这种方式既能节省能源 又能延缓橡胶沥青性能的衰减进程 是 比较合理的储存方式 从另一个角度分析 这种先低温保存再加热使用的储存方式还是没有完全 避免橡胶沥青性能的衰减 能不能研发出一种方式来弥补这种衰减过程呢 从 橡胶沥青的作用机理上分析 橡胶沥青之所以发生了性能的衰减 还是因为在 低温保存和二次升温的过程中橡胶粉和沥青仍在持续的发生反应 橡胶粉的固 体核心在溶胀过程中继续裂解和消融 变得越末越小 这样橡胶沥青就会变软 黏度就会下降 那么 能否通过添加一定质量的橡胶粉或新生产的橡胶沥青来 调节性能衰退的橡胶沥青呢 在经过对现行的橡胶沥青生产设备分析后 添加 橡胶粉的建议是可行的 因此设计了如下实验 以模拟实际生产过程 在低温保存3 h 再加热至1 8 5 的橡胶沥青中添加10 的橡胶粉 恒温搅拌 第3 章橡胶沥青的物理 力学和路用性能 4 5 m i n 测试针入度 2 5 软化点和黏度 1 7 7 试验结果如下 表3 7 不同保存方式下橡胶沥青的性能指标 保存方式 h 03再添加1 0 胶粉 针入度 2 5 l O O g 5 s O 1 m m 3 2 04 6 63 O O 软化点 7 2 76 8 O7 0 0 黏度 1 7 7 P a s 5 1 5 72 6 4 35 2 4 2 从表3 7 中可以看出 在先低温保存3 h 再加热的橡胶沥青中添加1 0 的橡胶 粉 反应4 5 m i n 后 其性能与添加胶粉前相比的确有了很大程度的提高 黏度甚 至超过了原始的橡胶沥青 这样的橡胶沥青其软硬程度 黏度都与新生产的橡 胶沥青性能类似 在生产过程中建议采用这样的保存方式来处理不能立即使用 的橡胶沥青 当然 这样的储存方式还有许多问题要进一步研究 例如胶粉二次添加的 比例 二次反应的时间等等 还需要后续试验进一步完善 3 5 橡胶沥青的应用范围 橡胶沥青可以应用在任何适合于常规沥青应用的热拌沥青混合料和表面处 治的场合 从更好的发挥橡胶沥青优越性的角度考虑 橡胶沥青最适宜的应用 范围如下 1 间断级配的热拌橡胶沥青混凝土 应用于路面的磨耗层 薄层罩面或 整个面层 2 开级配的热拌橡胶沥青混凝土 可用于排水型O G F C 表面层的铺设 3 橡胶沥青应力吸收层 可用于水泥路面的 白加黑 改造工程或新建 道路工程中 能有效阻隔反射应力 提高路面的服务水平和使用寿命 4 路面灌缝料或嵌缝料 具有优良的防水防潮性能 粘结性能好 延伸 率高 当基层结构伸缩变形时 能随结构伸缩而伸缩 而且耐高低温性能好 老化缓慢 在公路中主要用于混凝土跑道 车道 桥梁和各种建筑物伸缩缝 施工缝 沉降缝等处 橡胶沥青在寒冷 多雨地区的应用将受到季节和天气条件的限制 其施工 适宜在晴好的天气和温暖 干燥的条件下进行 第3 章橡胶沥青的物理 力学和路用性能 3 6 小结 本章用软化点