廢舊橡膠粉改性瀝青材料在道路工程中的應(yīng)用與研究

1、第34卷,第4期2009年8月公路工程H ighway EngineeringVol .34,No .4Aug.,2009收稿日期20090402基金項目重慶市交通建設(shè)重點科技項目(200631881478作者簡介肖川(1984,男,湖南湘潭人,碩士研究生,研究方向:道路路面設(shè)計與筑路材料研究。廢舊橡膠粉改性瀝青材料在道路工程中的應(yīng)用與研究肖川,凌天清(重慶交通大學土木建筑學院,重慶400074摘要依據(jù)橡膠瀝青作用機理,從內(nèi)、外因兩方面對橡膠瀝青改性效果的影響因素進行研究。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)成果,分析橡膠瀝青評價指標體系,并從配合比設(shè)計及路用性能方面,對橡膠瀝青混合料的技術(shù)性能進行了分析。最后提出

2、了廢舊膠粉改性瀝青材料在道路工程應(yīng)用方面的展望。關(guān)鍵詞道路工程;橡膠粉改性瀝青;作用機理;影響因素;評價指標;橡膠瀝青混合料中圖分類號U 414.1文獻標識碼B 文章編號16740610(200904004905Research of Waste Cru mb Rubber M odi fi er Used i n Hi ghway Engi n eer i n gX IAO Chuan,L I NG T i a nq i n g(School of Engineering &A rchitecture,Chongqing J iaot ong University,Chongqing

3、 400074,China Key wordshighway engineering;cru mb rubber modifier as phalt;mechanis m;influencing fac 2t ors;criteria;CR M binder最早的橡膠瀝青文獻見于1843年的英國專利?？v觀廢舊橡膠粉改性瀝青技術(shù)的發(fā)展歷程,可以分為濕法和干法兩種工藝1。干法工藝中,膠粉主要作為部分集料,起填充作用,改性作用甚微。所以真正意義上的廢舊膠粉改性瀝青主要是以濕法工藝為主。本文涉及的廢舊橡膠粉改性瀝青(簡稱橡膠瀝青最早在20世紀60年代由ChalesMc Donald 開始使用,這種Mc

4、 Donald 處理法是濕法工藝的代表1。在美國、南非等國家,橡膠粉改性瀝青技術(shù)已成為一項在道路的設(shè)計、鋪筑和維修養(yǎng)護中被廣泛采用的成熟技術(shù)。我國橡膠瀝青技術(shù)尚處于推廣使用的初期階段,有不少學者對橡膠瀝青及混合料的各方面特性等展開了全面、系統(tǒng)的研究,并取得了一些成果2,由于我國氣候、道路結(jié)構(gòu)、汽車荷載等方面的差異,橡膠瀝青在我國的應(yīng)用還需要進一步研究。本文將結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于廢舊橡膠粉改性瀝青材料最新的研究成果,對橡膠粉瀝青改性瀝青材料在道路工程中的應(yīng)用進行總結(jié)和探討,力求對橡膠瀝青材料的知識體系有一個更加全面、深入的理解。1橡膠瀝青作用機理橡膠瀝青是一種以廢舊膠粉為改性劑的改性材料。由于廢舊橡膠

5、粉與瀝青材料具有不同的化學組分,兩者的相互作用比較復(fù)雜,其作用過程既不是膠粉與瀝青完全融合,也不能以簡單的填充作用來解釋。國內(nèi)外很多專家通過微觀分析、性能研究等方式,對橡膠瀝青作用機理進行研究、探討,綜合國內(nèi)外學者的研究成果,概括起來可以分為以下幾大類:物理共混說:橡膠瀝青的作用過程主要發(fā)生物理反應(yīng)。傳統(tǒng)的物理共混說3認為橡膠粉與基質(zhì)瀝青在混溶過程中,膠粉的分子吸收瀝青中的輕質(zhì)組分,發(fā)生溶脹,最終形成均勻共混體系。He 2itz man 4也通過分析認為,瀝青與膠粉之間沒有發(fā)生化學反應(yīng),膠粉不會溶解于瀝青中,而是橡膠粉把瀝青組分中的輕質(zhì)組分吸附到膠粉聚合物鏈中而產(chǎn)生溶脹,形成凝膠狀物質(zhì)。美國學

6、者H.Barry Takal 2l ou 博士等通過抽提試驗發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青的改性過程是可逆的,反應(yīng)以物理反應(yīng)為主?；瘜W共混說:橡膠粉與瀝青作用是一個化公路工程34卷網(wǎng)絡(luò)填充學說3:從結(jié)構(gòu)形態(tài)的角度來考慮橡膠瀝青作用機理。在橡膠瀝青的改性過程中,橡膠粉中的聚合物分子受到輕質(zhì)組分的作用而被分開,經(jīng)過分散過程后以微?；蚪z狀分布在瀝青基體中。聚合物分子的自由基相互關(guān)聯(lián),形成松弛的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。聚合物分子的網(wǎng)狀化也對基質(zhì)瀝青形成分化,使基質(zhì)瀝青形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),最終膠粉與瀝青形成相互貫穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。以上三類理論提出的反應(yīng)過程在廢舊膠粉與瀝青的相互作用中都可能存在,只是程度不同。橡膠瀝青的反應(yīng)機理可以概括為:反應(yīng)初

7、期,膠粉的溶脹作用占主導地位,膠粉恢復(fù)部分生膠性質(zhì)形成疏松絮狀結(jié)構(gòu),同時由于輕質(zhì)油分被膠粉吸收,瀝青黏度增大,兩者逐步互溶。溶脹達到一定階段后,瀝青中的輕質(zhì)組分進入橡膠鏈空隙,使其脫硫與降解加速發(fā)展,橡膠粉部分溶解,分布更加均勻,同時導致黏度較前期有所下降,最終膠粉通過凝膠膜連接,形成黏度很大的半固態(tài)連續(xù)相體系。2橡膠瀝青改性效果的影響因素橡膠瀝青改性效果的影響因素大體分為內(nèi)因和外因兩大類。內(nèi)因就是生產(chǎn)橡膠瀝青的原材料因素,外因包括生產(chǎn)橡膠瀝青的生產(chǎn)工藝因素。2.1原材料影響因素膠粉來源。O liever6等學者發(fā)現(xiàn),天然橡膠含量高的廢舊膠粉對基質(zhì)瀝青性能的改善好于合成橡膠含量高的膠粉,但合成

8、橡膠在膠粉改性瀝青穩(wěn)定性方面更加有利。巴西學者Silvrano A Dantas Ne2 t o等人3研究認為,由冷凍法生產(chǎn)的膠粉制得的橡膠瀝青性能低于常溫法生產(chǎn)的材料。原因在于常溫膠粉更加粗糙,比表面積更大,對改性有利。國內(nèi)外工程應(yīng)用狀況進一步證明了這一觀點3。膠粉粗細程度。研究表明在一定生產(chǎn)工藝條件下,膠粉越細,橡膠瀝青達到黏度最大值需要的時間越短,反之,若膠粉較粗,橡膠瀝青的黏度增長過程就會延長7。根據(jù)交通部公路科學研究院將膠粉目數(shù)與橡膠瀝青黏度和瀝青三大指標等建立的關(guān)系表明,膠粉目數(shù)對瀝青改性效果的提高存在一個最佳值。因為膠粉變細,有助于溶脹效果與相容性的提高,促使膠粉與瀝青相互滲透,

9、融為一體。但過細的膠粉在瀝青中難以形成穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu),失去其顆粒改性復(fù)合材料的特性。結(jié)合膠粉加工成本考慮,一般以4080目之間為宜。膠粉摻量。Hussain U.Bahia與Robert Da2 vies等研究發(fā)現(xiàn)8,膠粉摻量提高,橡膠瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度隨之增加,但改性瀝青的延度總體上有下降趨勢。同濟大學的黃彭教授對橡膠粉摻量對瀝青性能的影響進行了研究9,表明橡膠瀝青中的廢舊膠粉存在一個最優(yōu)摻量,膠粉摻量增長到一定階段,其改性效果不再提高甚至出現(xiàn)下降。針對橡膠瀝青的改性效果,膠粉摻量應(yīng)控制在適宜的范圍。摻量過小,溶脹作用不明顯,無法在分散介質(zhì)中形成半固態(tài)穩(wěn)定體系;而摻量超過飽和程度后,會影響溶脹作用

10、,過多的膠粉會出現(xiàn)結(jié)塊或成團現(xiàn)象,膠粉團內(nèi)部不具備結(jié)合力,影響粘結(jié)性能,還會影響混合料的拌和,同時導致橡膠瀝青混合料碾壓不易壓實,增加施工難度。從國內(nèi)外應(yīng)用情況來看,大多將膠粉摻量控制在20%附近。橡膠瀝青的性質(zhì),與基質(zhì)瀝青的指標有很大關(guān)系。除去基質(zhì)瀝青自身性能高低之外,基質(zhì)瀝青的性質(zhì)最主要是影響橡膠粉改性瀝青的配伍性或相容性?；|(zhì)瀝青越軟,即瀝青組分中瀝青質(zhì)含量較低,飽和分及芳香分等輕質(zhì)組分含量較高,膠粉與瀝青的相容性較好,因此橡膠粉的改性效果越好。2.2拌和工藝橡膠瀝青的拌和工藝包括了拌和方式、拌和溫度與時間以及對原材料預(yù)處理或外加劑等方面的內(nèi)容。目前,國內(nèi)外橡膠瀝青的生產(chǎn)工藝概括起來大致

11、可以分為以攪拌互溶和高速剪切兩類制備方法10。針對兩種拌和工藝的原理和特性,實驗室分別采用直接拌和法、高速剪切攪拌法、攪拌-剪切-攪拌法這三種工藝進行對比7,攪拌時間與60黏度對應(yīng)關(guān)系見圖1。試驗數(shù)據(jù)表明,高速剪切使得膠粉脫硫、降解加05第4期肖川,等:廢舊橡膠粉改性瀝青材料在道路工程中的應(yīng)用與研究圖1攪拌方式對橡膠瀝青性能的影響劇,使橡膠瀝青的黏度衰減。而簡單剪切或低速剪切的方式能夠?qū)崿F(xiàn)膠粉在基質(zhì)瀝青中的分散和均勻,有助于橡膠瀝青形成穩(wěn)定體系,并具有一定的經(jīng)濟性,所以是適宜推廣的拌和方式。在一定的拌和工藝條件下,拌和溫度與時間聯(lián)系十分緊密,它們共同決定了橡膠瀝青的性能。結(jié)合對橡膠瀝青反應(yīng)機理

12、與試驗分析的研究來看7,11,在適宜范圍內(nèi),橡膠瀝青的拌和溫度越高,達到最佳改性效果的反應(yīng)時間越短。拌和溫度是拌和工藝的一個重點,也是改性瀝青性能的關(guān)鍵因素。拌和溫度太低時,瀝青中分散相的熱運動較低,難以與膠粉相結(jié)合形成穩(wěn)定體系,改性效果不佳,達到最佳改性效果的時間過長,影響生產(chǎn)效率;而拌和溫度高于200后,橡膠瀝青過度降解,并發(fā)生老化。在一定的溫度條件下,拌和時間過短,膠粉溶脹不夠充分,且分散不均,難以與分散相充分結(jié)合,無法形成穩(wěn)定體系。時間過長,在拌和的后期,膠粉發(fā)育趨于停止,長時間的高溫導致膠粉過度脫硫、降解,并使瀝青的油分散失,產(chǎn)生不同程度的老化。根據(jù)S mall提出的溶解度參數(shù)概念1

13、2,橡膠與瀝青由于自身性質(zhì)的差異,較難互溶,需通過機械力使其處于動力學穩(wěn)定狀態(tài),提高其工藝相容性。橡膠瀝青的溶脹發(fā)育在一定程度上可逆,一旦停止攪拌,橡膠瀝青會發(fā)生離析現(xiàn)象。為提高其儲存穩(wěn)定性,除延長發(fā)育時間的方法外,美國率先開展了膠粉預(yù)處理技術(shù),改善其改性效果13。我國的石洪波、廖明義、解建光等11,14,15通過不同的膠粉預(yù)處理技術(shù),提高了橡膠瀝青穩(wěn)定性。外加劑分為:使膠粉分散,促進反應(yīng)的物理外加劑和縮短反應(yīng)時間,降低反應(yīng)溫度的化學外加劑。為了提高改善效果或生產(chǎn)效率,必需使用外加劑。綜上所述,橡膠瀝青各因素之間是相互影響的。我們可以憑借正交分析法或灰色關(guān)聯(lián)分析法為數(shù)學理論基礎(chǔ),結(jié)合不同因素影

14、響作用下的試驗數(shù)據(jù),分析其共同改性效果,從而確定最佳的橡膠瀝青制備方案。從我國情況來看,現(xiàn)階段,采用3060目左右的常溫粉碎膠粉,以20%左右作為膠粉摻量,運用機械攪拌和低速剪切的工藝,輔以適當?shù)耐饧觿┗蝾A(yù)處理技術(shù),在180200的溫度下拌和45 60m in,是制備橡膠瀝青的一種可行性方案。3橡膠瀝青評價指標體系瀝青材料的評價體系與瀝青材料的性能是密切相關(guān)的,其評價體系中所包含的技術(shù)內(nèi)容應(yīng)直接或間接地反映瀝青的使用性能。橡膠瀝青材料,由于不同國家和地區(qū)對其使用的范圍和方式不同,評價體系各不相同。3.1國外指標評價體系橡膠瀝青的技術(shù)指標體系與普通瀝青一樣,需包括分級指標,以及高溫、低溫、耐老化

15、、施工及安全指標等,同時橡膠瀝青又有其自身特點。在國外,橡膠瀝青的分級指標大致是依據(jù)橡膠瀝青組分,由基質(zhì)瀝青性能與膠粉摻量分級,或者是依據(jù)橡膠瀝青應(yīng)用的氣候環(huán)境劃分3。我國和南非等一些國家只是針對橡膠瀝青這種材料提出了技術(shù)標準,沒有分級。此外,對于其他評價指標,各國也有自己的標準。圖2是國外主要橡膠瀝青技術(shù)指標的匯總。3.2國內(nèi)指標評價體系國內(nèi)學者通過對國外先進技術(shù)的學習和交流,參考國外的指標體系,提出了我國的橡膠瀝青性能評價指標。孫祖望教授1在橡膠瀝青技術(shù)應(yīng)用指南中提出了我國的瀝青-橡膠黏結(jié)劑的技術(shù)標準,如表1所示。交通部公路科學研究院也提出了我國推薦采用的橡膠瀝青技術(shù)標準,見表2。在選擇橡

16、膠瀝青指標評價體系的過程中,主要考慮幾方面的要求:保證技術(shù)標準能夠有效控制橡膠瀝青質(zhì)量;結(jié)合膠粉與基質(zhì)瀝青已有的控制指標,抓住評價橡膠瀝青性能的核心指標,簡化評價體系;根據(jù)橡膠瀝青的特殊復(fù)合改性材料機理,淘汰一些無法準確評價,或與改性機理不相符的指標。綜合各種指標來看,黏度指標由于能夠準確反映橡膠瀝青品質(zhì)好壞,并能有效控制住膠粉摻量,而且可以反映改性瀝青的工作性,在國內(nèi)外評價體系15公路工程34 卷圖2國外主要橡膠瀝青技術(shù)指標體系表1瀝青-橡膠黏結(jié)劑的技術(shù)標準技術(shù)要求Haake黏度(190/(10-3Pas錐入度(25/(0.1mm彈性恢復(fù)(25/%軟化點/最小1500251852最大4000

17、7074表2橡膠瀝青技術(shù)指標(推薦180旋轉(zhuǎn)黏度/(Pas25針入度/(0.1mm軟化點/彈性恢復(fù)/%5延度/c m薄膜烘箱老化質(zhì)量損失/%25針入度比/%5延度比/%1.04.04080>47>55>10<0.4>80>40中成為了核心指標。彈性恢復(fù)指標是表征橡膠瀝青抗疲勞和反射裂縫性能的最好指標,而這兩方面正好體現(xiàn)橡膠瀝青的優(yōu)勢,彈性恢復(fù)指標也成為一個關(guān)鍵指標。與此同時,我國常用的瀝青“3大指標”在橡膠瀝青評價體系中的地位發(fā)生了變化。傳統(tǒng)的針入度對于橡膠瀝青之類的顆粒改性材料而言,具有較大隨機偏差,常被錐入度所取代。軟化點對膠粉改性瀝青材料性能評價的靈敏

18、性也受到了質(zhì)疑。但二者由于測試方法統(tǒng)一、方便,并且便于橡膠瀝青材料與其他瀝青材料進行對比,仍然沿用或作為參考性指標。而延度由于其偏離了材料實際使用狀態(tài),不能準確評價橡膠瀝青使用性能而逐漸不被采用,低溫性可由當量脆點來評價16。4橡膠粉改性瀝青混合料性能分析4.1橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計橡膠瀝青混合料的技術(shù)指標分為兩大類:一是混合料的體積參數(shù)指標,包括密度、孔隙率、礦料間隙率、飽和度等。另一類是力學參數(shù)指標,即混合料試件的馬歇爾穩(wěn)定度和流值。在配合比設(shè)計過程中,往往通過體積參數(shù)指標來保證瀝青油膜需要的礦料間隙以及具有較高彈性的混合料的回彈空間,保證橡膠瀝青混合料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對于力學指標而言,以

19、色列專家A rieh Sidess和Jacob Uzan指出:橡膠瀝青混合料具有穩(wěn)定度較低、流值較大的特點。這一特點決定了橡膠瀝青混合料需適當調(diào)整其指標控制范圍。橡膠瀝青混合料的配合比設(shè)計可以與普通瀝青混合料設(shè)計相似,但適用于橡膠瀝青材料的的礦料級配有其特殊性,因此礦料級配的確定成為一個核心問題。由于橡膠瀝青是顆粒改性瀝青,該特性易使橡膠瀝青在集料表面形成較厚的黏結(jié)膜,而密級配混合料無法提供足夠的空間給橡膠瀝青黏結(jié)膜。因此橡膠瀝青材料更適應(yīng)于開級配和斷級配混合料。同時,開級配或間斷級配混合料由于粗料之間的細集料較少,在空隙沒有足夠細料填充的情況下,普通瀝青材料容易在重力下導致垂流,而高黏度橡膠

20、瀝青能有效保證其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。就實際情況而言,材料的破壞狀態(tài)與使用狀態(tài)是兩個不同的力學狀態(tài),而橡膠瀝青材料具有低極限強度、高性能的特點,故確定橡膠瀝青混合料最佳油石比時,建議采用體積參數(shù)作為主要設(shè)計指標,而將馬歇爾穩(wěn)定度等極限強度指標作為參考性指標考慮17,并抓住橡膠瀝青的特性,適當放寬極限指標的控制范圍。黃彭教授等結(jié)合普通瀝青用量,提出了橡膠瀝青混合料中的瀝青用量Q的確定公式9:25第4期肖川,等:廢舊橡膠粉改性瀝青材料在道路工程中的應(yīng)用與研究Q=q(1+k+(0.10.4式中:q為普通瀝青用量;k為膠粉摻量%;0.1 014為膠粉吸收有份及溶脹時增加量。4.2橡膠瀝青混合料路用性能研究橡膠瀝

21、青混合料的路用性能主要包括:高溫抗變形能力、低溫抗開裂能力、抗水損壞能力和抗疲勞破壞能力。目前,為了操作和對比研究的方便,國內(nèi)外現(xiàn)行瀝青技術(shù)規(guī)范的相關(guān)內(nèi)容,同樣適應(yīng)于橡膠瀝青混合料路用性能檢驗以及試驗方法與技術(shù)要求。國內(nèi)外的研究數(shù)據(jù)表明,橡膠粉改性瀝青材料對其混合料各方面性能都得到不同程度的改善16,18。本文對各方面性能提升的原因進行了總結(jié),歸納為:高溫穩(wěn)定性提高的原因在于橡膠瀝青具有較高的高溫黏度,且膠粉在高溫下溶脹,增加了混合料的內(nèi)摩擦角,所以高溫抗裂性能得到提高;低溫抗裂性能提升是由于橡膠瀝青材料的特殊性能,降低了其混合料在低溫時的勁度模量,因而提高了橡膠瀝青混合料的極限抗拉強度;抗水

22、損壞得到改善的原因是橡膠瀝青中適宜的膠粉摻量,使得橡膠瀝青在集料表面形成合適的油膜保護層,不易析漏和泛油,同時油膜的保護提高了道路抗水損壞的能力。與改善低溫性能相似,由于橡膠瀝青混合料的彈性模量下降,材料彎拉應(yīng)力也隨之下降,這樣在動荷載的作用下,混合料動態(tài)響應(yīng)能力提升,從而延長路面疲勞壽命。5結(jié)論與展望橡膠粉改性瀝青材料的應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛,包括:低噪聲、排水、抗滑瀝青混凝土路面;碎石封層與薄層罩面技術(shù);應(yīng)力吸收層和防水粘結(jié)層,可有效防治反射裂縫和加強層間粘結(jié),如用作“白改黑”工程的粘層和橋面鋪裝防水層。要大力推廣和應(yīng)用好橡膠粉改性瀝青材料,應(yīng)加強以下幾個方面的研究:橡膠粉、基質(zhì)瀝青與拌和方式、時

23、間、溫度等因素之間是緊密聯(lián)系的,如何使各因素達到最優(yōu)化的配置,在我國形成統(tǒng)一的、規(guī)?；a(chǎn)的成熟技術(shù),還有很大的發(fā)展空間。廢舊橡膠粉改性瀝青的作用機理比較復(fù)雜,也決定了它相對其他瀝青材料的特異性。目前,針對橡膠瀝青的路用性能評價指標及行之有效的試驗方法還沒有形成體系。橡膠瀝青及其混合料力學方面特性需要從力學角度出發(fā),通過對橡膠瀝青混合料的本構(gòu)關(guān)系的探討,研究其性能特點。橡膠瀝青作為一種復(fù)合改性材料,生產(chǎn)中各種因素影響及其自身特性具有復(fù)雜性,決定了這方面是其性能研究的一個難點。參考文獻1孫祖望,陳飆.橡膠瀝青技術(shù)應(yīng)用指南M.北京:人民交通出版社,2007.2黃文元,徐立廷.國內(nèi)外輪胎橡膠在路面工

24、程中的應(yīng)用及研究A.第六屆全國路面新材料和技術(shù)論壇C.哈爾濱,中國公路學會,2005.3王旭東,李美江,路凱冀,等.橡膠瀝青及混凝土應(yīng)用成套技術(shù)M.北京:人民交通出版社,2008.4Heitz man M.Design and Constructi on of A s phalt PavingM aterials with Cru mb Rubber ModifierJ.Trans portati onResearch Record.13395Abdelrah man and Car pente.The Mechanis m of the I nter2acti on of A s phalt Ce ment with Cru mb RubberC.78thTRB AnnualMeeting,1999.6張小英,徐傳杰,孔憲明.廢橡膠粉改性瀝青研究綜述(2J.石油瀝青,2004,18(5:1-4.7孫大權(quán),徐曉亮,呂偉民.橡膠瀝青生產(chǎn)工藝關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的研究J.長沙交通學院學報,2008,24(3:3337.8Hussain U.Bahia and Robert Davies.Fact ors Contr ollingthe Effec