（道路与铁道工程专业论文）橡胶沥青室内制作及性能研究.pdf

r e s e a r c ho n a s p h a l t r u b b e rp r o d u c t i o na n d r o a d o e r l o r m a n c e ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e 铲e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：x i n k u a nw a n g s u p e r v i s o r ：p r o f n a n x i a n gz h e n g c h a n g a nu n i v e r s i t y ，x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 俐f f f f f i y 17 4 4 9 8 6 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 工一年f 月歹日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弓谪 铷一磊i 卞纫 i 加年6 月多日 湖年月哆日 摘要 橡胶沥青的室内制作是制约橡胶发展的重要因素，本文通过深入分析目前橡胶 沥青室内制作存在的问题，结合橡胶沥青制备的特殊要求，开发了用于室内制作橡 胶沥青的设备一橡胶沥青反应釜。 利用橡胶沥青的粘度，延度，针入度，弹性恢复和软化点等指标，对橡胶沥青 的生产进行了必要的研究，制定了室内制备橡胶沥青的生产工艺， 通过对橡胶沥青常规指标的评价，得出三个结论，一是基质沥青是影响橡胶沥 青质量的主要因素，橡胶沥青设计首先考虑基质沥青要满足项目工程气候分区及功 能要求，然后再进行目数和掺量设计。二是目数越大橡胶沥青性能越好。三是胶粉 掺量根据橡胶沥青组分的不同，有一个不同的掺量平衡点，超过平衡点，胶粉的掺 入就会起负面作用。 通过对橡胶沥青水稳定性和橡胶沥青同步碎石封层界面强度的影响，从使用目 的和使用环境的角度，对胶粉目数和掺量的设计进行了验证性研究。得出下面两个 结论，一是目数越大，混合料水稳定性越差，同步碎石封层的界面强度越差。二是 掺量存在一个平衡点，且用于撒布型橡胶沥青的掺量比混合料的掺量平衡点要大。 并针对橡胶沥青水稳定性差的问题，尝试用水泥代替矿粉进行混合料水稳定性试验， 发现水稳定性极大提高，可以达到改善的目的。 关键词：橡胶沥青、橡胶沥青反应釜、水稳定性、界面强度、胶粉 a b s t r a c t l a b o r a t o r ye x p e r i m e n ti sa ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c hr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to f r u b b e ra s p h a l t ，t h i st h e s i si n - d e p t ha n a l y s i st h ep r o b l e m so ft h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t p r o d u c t i o na n dc o m b i n et h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so fr u b b e ra s p h a l tp r o d u c t i o n , i n v e n t t h er u b b e ra s p h a l tr e a c t o rw h i c hu s e dt ot h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n tp r o d u c t i o n b yu s i n gt h ei n d e x ，t h ev i s c o s i t y ，d u c t i l i t y ，p e n e t r a t i o n , s o f t e n i n gp o i n t , e l a s t i c r e c o v e r yo ft h er u b b e ra s p h a l t , m a k en e c e s s a r yr e s e a r c ho nt h ep r o d u c t i o no f t h er u b b e r a s p h a l t ，t h e ns e tu pt h ei n d o o rp r o c e s sp r e p a r a t i o no f p r o d u c t i o n b ys t u d y i n gt h ec o n v e n t i o n a li n d i c a t o r so ft h er u b b e ra s p h a l t , c o m i n gt ot h r e e c o n c l u s i o n s ，f i r s t l y ，m a t r i xa s p h a l ti st h em a j o rf a c t o ri nt h eq u a l i t yo fr u b b e ra s p h a l t ，i t s h o u l db ec o n s i d e r e dt h a tt h em a t r i xa s p h a l ts h o u l dm e e tt h ec l i m a t ed i s t r i c ta n dt h e f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，t h e nd e s i g nt h em e s hc o u n ta n dc o n t e n t s e c o n d l y ，t h eg r e a t e r m e s hc o u n t ，t h eb e t t e ro 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 i r d ，w i t ht h ed i f f e r e n t i n g r e d i e n to f t h er u b b e ra s p h a l t ，t h e r ei sa b a l a n c eo f d i f f e r e n tc o n t e n t ，t h ei n c o r p o r a t i o no f r u b b e rp o w d e rw i l lp l a yan e g a t i v er o l ei ft h eb a l a n c eh a sb e e ns u r p a s s e d w i mt h ee f f o r t s o ft h ew a t e rs t a b i l i t ya n dr u b b e ra s p h a l ts y n c h r o n i z a t i o nc r u s h e ds t o n es e a l i n gc o u i b o u n d a r ys t r e n g t h , f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fu s i n gp u r p o s ea n dt h ee n v i r o n m e n t ，t h ed e s i g n o fc o n t e n ta n dm e s hc o u n to ft h er u b b e rp o w d e rh a sb e e ns t u d i e dc o n f i r m a t o r y t h e r ea r e t w oc o n c l u s i o n s ，f i r s t , t h eg r e a t e rt h em e s hc o u n t ，t h ew o r s et h em i x t u r eo fw a t e r t e m p e r a t u r ea n dt h er u b b e ra s p h a l ts y n c h r o n i z a t i o nc r u s h e ds t o n es e a l i n gc o u r s eb o u n d a r y s t r e n g t h s e c o n d , t h e r eb eab a l a n c ei nt h ec o n t e n t , t h ec o n t e n to ft h er u b b e ra s p h a l tf o r s p r e a d i n gi sl a r g e rt h a nt h a ti nt h eb a l a n c eo f t h e m i x t u r e t os o l v et h ep r o b l e mo f t h ep o o r w a t e rs t a b i l i t yi nt h er u b b e ra s p h a l tm i x t u r e ，u s i n gt h ec e m e n ti n s t e a do ft h em i n e r a l p o w d e r , i tf o u n dt h a tt h ew a t e rs t a b i l i t yh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l yi nt h ew a t e rs t a b i l i t yt e s t , i tc a na c h i e v ei m p r o v e do b j e c t i v e k e yw o r d s ：r u b b e ra s p h a l t ；r u b b e ra s p h a l tr e a c t o r ；w a t e rs t a b i l i t y ；i n t e r f a c i a l s t r e n g t h ；r u b b e rp o w d e r i i 目录 第一章绪论：1 1 1 研究的目的和意义1 1 2 国内外研究现状及存在问题2 1 2 1 国外研究应用情况2 1 2 2 国内研究应用情况4 l - 3 我国橡胶沥青的应用研究存在问题4 1 4 主要研究内容。5 1 5 技术路线6 第二章橡胶沥青生产技术8 2 1 橡胶沥青的概念8 2 2 废胎胶粉的概念。9 2 3 橡胶沥青作用机理1 l 2 4 橡胶沥青指标体系13 2 4 橡胶沥青技术指标13 2 5 橡胶沥青的生产1 6 第三章橡胶沥青反应釜开发1 8 3 1 橡胶沥青生产设备的重要性l8 3 2 橡胶沥青施工生产设备1 9 3 3 橡胶沥青试验室制备现状。2 1 3 4 高速剪切仪生产橡胶沥青室存在的问题及分析2 2 3 4 1 高速剪切仪工作原理2 2 3 4 2 高速剪切仪构造2 3 3 4 3 高速剪切仪在生产橡胶沥青时的常存在的现象研究2 4 3 5 橡胶沥青反应釜开发2 8 3 5 1 橡胶沥青反应釜研发思路2 9 3 5 2 橡胶沥青反应釜说明3 0 3 6 橡胶沥青反应釜效果验证。31 3 6 1 橡胶沥青反应釜制备橡胶沥青稳定性验证31 3 6 1 橡胶沥青反应釜与高速剪切仪制备橡胶沥青对比3 4 i i i 3 7 本章小结3 6 第四章橡胶沥青生产工艺研究3 7 4 1 橡胶沥青设计评价指标选择3 7 4 1 1 国内外橡胶沥青设计指标体系3 7 4 1 2 本研究指标的选择3 7 4 2 生产工艺研究3 9 4 2 1 原材料3 9 4 2 2 试验安排4 0 4 2 3 反应时间研究4 l 4 2 4 反应温度研究4 2 4 2 5 搅拌器转速研究4 3 4 3 橡胶沥青反应釜制备橡胶沥青步骤。4 4 4 4 本章小结4 4 第五章橡胶沥青性能研究。4 6 5 1 胶粉掺量对橡胶沥青性能影响研究4 6 5 1 1 原材料4 6 5 1 2 试验方案4 6 5 1 3 试验结果4 6 5 2 胶粉目数对橡胶沥青性能影响研究4 8 5 2 1 原材料4 8 5 2 2 试验方案4 8 5 1 3 试验结果4 8 5 3 基质沥青对胶粉目数的要求研究。5 0 5 3 1 原材料5 0 5 3 2 试验方案5 0 5 3 3 试验结果5 0 5 4 基质沥青对胶粉掺量的要求研究5 2 5 4 1 原材料5 2 5 3 2 试验方案5 3 5 3 3 试验结果5 3 i v 5 5 本章小结5 5 第六章橡胶沥青混合料水稳定性的研究5 6 6 1 原材料性能5 6 6 1 1 沥青5 6 6 1 2 集料5 7 6 2 评价方法5 9 6 2 1 粘附性检测存在的问题5 9 6 3 级配及最佳用油量6 1 6 4 常规马歇尔及浸水马歇尔试验6 3 6 5 冻融劈裂试验6 5 6 6 橡胶沥青混合料水稳定性的改善措施6 8 6 7 本章小结7 0 结论与展望一7 l 主要结论7 l 创新点7 1 进一步研究建议7 1 参考文献7 3 致谢7 5 、j 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 随着国民经济的迅速发展，人们日益膨胀的物质生活需求量不断扩大，汽车工 业飞速发展，全国的汽车保有量飞速攀升。致使每年都有数百万条废旧轮胎产生，我 国将面临国外发达国家早己遇到的如何处理大量废旧轮胎的难题。据统计，我国的废 旧轮胎2 0 0 7 年达1 5 亿条，并将以每年1 2 的速度增加，到2 0 1 0 年将达到2 2 亿条。 大量的废旧轮胎将会带来严峻的环保及安全问题。轮胎废弃物是一种难降解的高分 子材料，是一种影响人类健康、危害生态环境的有害垃圾。越积越多的废旧轮胎露 天堆放，不但占用了大量的土地，而且极易引发火灾。越来越多的废旧轮胎形成“黑 色污染”堆积如山。它们占用土地，妨害植被生长，孳生蚊虫，传播疾病，引发火 灾，损害人体健康，即使投入巨资进行填埋和焚烧处理，也会带来无法消除的二次 污染，破坏自然环境，成为严重阻碍现代社会持续发展的黑色垃圾。研究如何合理 的利用这些废旧轮胎形成“黑色污染”垃圾，最大限度降低资源消耗、减少废弃物的 产生，实现资源高效利用和循环利用。既能有效解决“废旧轮胎处置难”问题，又可 有效减少废旧轮胎对环境的污染，促进我国循环经济发展，实现经济、社会和环境 的全面、协调、可持续发展，无疑是化废为宝，既净化卫生保护环境，又节约资金， 故其社会效益无法估量。 图1 1 废旧轮胎引发的大火 将废旧轮胎加工成橡胶粉应用在公路行业是废旧轮胎处理的主要途径之一。废 旧轮胎橡胶改性沥青的性能优势是全面的。相比于基质沥青，橡胶沥青在高温稳定 性、低温性能、抗老化性能、抗疲劳性能、水稳定性等方面都有明显地改善，它是 一种性能均衡、综合性的改性沥青。橡胶沥青混合料由于其粘结料含量高、弹性好， 提高了路面对疲劳裂缝、反射裂缝的抵抗能力，进而提高路面的耐久性能；由于其 第一章绪论 胶结料较强的低温柔韧性减轻了路面的温度敏感性；由于其粘结料含量高、油膜厚 以及轮胎中含有的炭黑抗氧化剂，故提高了道路抗老化、抗氧化能力；橡胶沥青混 合料路面以优异的抗车辙、抗永久变形能力；提高了道路的耐久性，使得道路的养 护费用显著降低；橡胶中的炭黑能够使路面黑色长期保存，与标线的对比度高，提 高了道路的安全性；橡胶沥青用于沥青混合料时，由于施工厚度薄，施工迅速，缩 短了施工时间；同时耗用大量废旧轮胎，有利于环境保护。 橡胶沥青生产方法分为干法和湿法两类，其中干法已经很少使用，普遍采用的均 是湿法工艺生产橡胶沥青。干法是将废胶粉直接喷入沥青混合料拌和锅中拌和，胶 粉的添加量一般为混合料的2 3 ，所得到的混合料称为橡胶改性沥青混合料。 湿法是将胶粉先在1 6 0 - 2 0 0 的热沥青中混合，通过机械能和热能及化学的方法， 使胶粉降解，形成稳定分散的橡胶沥青，胶粉的添加量一般为沥青的1 5 - - - 2 0 。湿 法工艺又分成两种，包括化学改性法及物理混合法( 溶胀法) ，化学改性工艺一般很 难实现，目前普遍采用的是物理混合工艺生产橡胶沥青。 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 国外研究应用情况 国际上最早的橡胶沥青的文献见于1 8 4 3 年的英国专利。现代意义上的橡胶沥 青混合料首先出现在2 0 世纪4 0 年代的美国。美国橡胶回收公司在2 0 世纪4 0 年代 首先采用干法生产工艺生产r a m l q e xt i m 橡胶粉沥青混合料。早在上世纪六十年代， 发达国家就已开始研究和应用橡胶沥青，最早将废胶粉与沥青混合并用于修补公路， 称之为沥青橡胶。 在国外橡胶沥青技术的研究，经历了3 0 余年的发展，在发达国家稳定的橡胶 沥青的市场己形成，橡胶沥青是一项在道路的铺筑和维修养护中被广泛应用的成熟 技术。此项技术的成熟性主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 橡胶沥青加工工艺的成熟，完成了从干法到湿法的过渡。并制定了成套的技 术标准。 ( 2 ) 橡胶沥青应用方面从应力吸收夹层( s a m i ) 到不同级配类型混合料的设计 方法( 包括密级配混合料、断级配混合料和开级配混合料) 都形成了成套设计以及 应用技术标准。 ( 3 ) 通过数千个成功的实践工程，积累了丰富的应用和施工经验。 2 长安大学硕上学位论文 日本、加拿大、瑞典、英国、比利时、俄罗斯等国也已成功地将橡胶沥青用于 修建高等级公路。其中以美国最具代表性。目前美国采用橡胶沥青铺设的公路达到 1 1 万k m 。特别像美国政府通过法律大力支持废橡胶回收利用企业。1 9 9 1 年，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使用5 的经费用于废橡胶沥青混合料， 以后每年再增加5 ，直至1 9 9 7 年达2 0 。) ，同时，大多数州启动了相关立法程 序，美国加州、德州、佛罗里达州、亚利桑那州等都按州法律由废管局与公路部门 协调，采用胶粉改性沥青用于公路建设，极大地促进了废旧轮胎在道路工程中的利 用，橡胶粉路用研究进入了新的阶段。目前橡胶沥青在美国使用相当成功的州，有 亚利桑那州、加州、佛罗里达州、俄勒冈州等，多使用湿法工艺，并将湿法工艺生 产的橡胶沥青视为一种公路常规使用的材料，且已有完整的技术标准体系、设计与 使用指南。 图1 22 0 0 7 年1 0 月美国加洲州长施瓦辛格宣布通过橡胶沥青使用相关法律 南非自上世纪6 0 年代研究沥青橡胶，至今已有几十年的研究与应用历史，并 形成了一套理论及工艺，技术上已经趋于成熟。据统计，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，认为对于重载交通环境，橡胶沥青路面 比较有利。法国1 9 0 0 年在法国首先铺筑了第一条橡胶沥青路面。同时法国也是多孔 性路面的发源地。法国在多孔性沥青路面中大量采用橡胶沥青作为黏结料。据统计， 截止到1 9 9 5 年底，橡胶沥青多孔性路面已经累计摊铺了超过1 0 0 0 ，0 0 0 m 2 。研究与 应用的实践表明：采用橡胶沥青铺筑的多孔性路面，比普通多孔性路面在保持排水 性能、抵抗重交通、抗剪切和不良气候影响等方面有明显的优势。瑞典、日本等还 将废旧轮胎橡胶颗粒用于防冻路面。该路面的基本概念是在6 0 年代由瑞典道路研究 所提出的。日本从7 0 年代末期开始进行防冻路面的研究开发，当时是参考瑞典的资 第一章绪论 料，采用日本国内使用的沥青混合料试验方法进行室内试验的。从1 9 7 9 年开始，日 本在北海道及本州的山间公路上已铺筑了十几处这种掺橡胶颗粒的路面。在有积雪 的情况下有较好的防滑性能。但由于橡胶颗粒的混入，路面不易达到充分的密实度。 1 2 2 国内研究应用情况 橡胶沥青的研究在我国的应用研究始于上世纪7 0 年代末，我国在2 0 世纪8 0 年代初期进行了橡胶粉改性沥青的初步尝试，当时是由于我国道路沥青的品质不好， 含蜡量较高，为了适合高等级公路沥青路面的修建，借鉴国外的先进技术，一些技 术人员提出在沥青中或者混合料中掺加一定比例的胶粉来改善沥青混合料的技术性 能。但是由于当时受橡胶粉的加工设备，加工技术不过关，对沥青混合料认识不足 等方面的影响，废胎胶粉在公路行业中的应用并不成功，加上s b s 、s b r 、p e 改性 沥青引进的冲击，仅仅停留在小规模的试验研究阶段，2 0 世纪8 0 年代末在京石高 速公路项目，采用澳大利亚提供的橡胶沥青在半刚性基层上面铺筑应力吸收层试验 段，在广东肇庆马房钢桥面铺装工程由同济大学和肇庆公路局联合研制了橡胶改性 沥青，作为钢桥面板上的防水粘结层。1 9 8 2 1 9 8 6 年在江西省和四川省进行了路面 上面层试验段。这是比较典型的几个早期实体工程。但是由于橡胶沥青的加工工艺 没过关和当时在混合料压实过程中发现碾压不实的原因，影响了推广和使用。直到 9 0 年代末，由于时代和科技的进步，伴随着高速公路的蓬勃发展，废胎胶粉在沥青 路面中的应用再次引起了交通部的重视。到目前为止我国的橡胶沥青应用工作主要 停留在实验室与试验路段上。 1 3 我国橡胶沥青的应用研究存在问题 橡胶沥青技术对我国公路界的大多数人来说还是一项新技术，人们对橡胶沥青 的作用机理还不是太了解，对原材料的选择、结合料和混合料的设计方法、制作工 艺和施工技术以及质量控制等方面都还缺少必要的知识和经验的积累。综合我国沥 青路面的应用情况橡胶沥青在我国发展缓慢的原因是多方面的： ( 1 ) 国家法律政策的因素，国外有不少国家以法律的形式规定使用一定量的胶粉 改性沥青政策。在政策上对使用橡胶沥青给与支持，经济上给与扶持，而我国没有 这方面的政策。 ( 2 ) 对橡胶沥青的认识有待提高，需要进一步提高政府领导、业主、生产企 业，对橡胶沥青在节能环保方面所创造的社会效益，以及从能源大循环方面看所创 造的经济价值的认识，才能有效的推广。 4 长安大学硕士学位论文 ( 3 ) 标准规范因素，橡胶沥青的标准及施工规范标准没有，2 0 0 6 时仅北京市和颁 布了关于橡胶沥青的地方性规范北京市废胎胶粉沥青及混合料设计施工技术指 南。后来“橡胶沥青加工工法”、“橡胶沥青混凝土施工工法”、“热洒布式改性沥青 ( 橡胶沥青) 防水黏结层施工工法”工法的颁布。直到2 0 0 8 年底交通部公路科学研究 院才制定了橡胶沥青及混合料设计施工技术指南，没有规范标准，很大程度的 影响了设计人员的选用和施工企业的积极性。比如，由于施工单位不具备橡胶沥青 的生产能力，在缺乏规范的情况下，橡胶沥青这一块，全部听从材料供应商的，导 致施工单位只能被动的接受，这严重打击施工企业的积极性。 ( 4 ) 生产技术及施工中的困难。橡胶沥青的一些特性也影响到设计及施工单位的 使用积极性如：粘度大，泵送性差；稳定性差贮存的时间太短；质量不好掌握；沉 淀堵塞设备、泵、管路；贮存罐沉淀严重，清罐困难。这些特性严重困扰影响着橡 胶沥青的推广与使用。显然传统的拌和、运输、贮存都不能适用橡胶沥青。 ( 5 ) 相应的沥青生产设备与成套生产施工管理工艺的研究工作显得滞后，造成橡胶 沥青的成本较高，无多少竞争优势，再加上橡胶沥青混合料的高沥青用量，致使单 位体积橡胶沥青成本高于s b s 改性沥青，严重影响这业主的使用积极性。 ( 6 ) 各研究工作几乎是由各高等院校、科研院所独立完成的，根本没有像美国 s h r p 那样的大型系统工程；科研成果不能共享，致使我国橡胶沥青的应用规模很 小，或者根本谈不上应用规模。 ( 7 ) 橡胶沥青的室内制作存在严重问题，室内生产与施工生产存在严重不符。室内 试验的成果不能正确指导实际生产，加上橡胶沥青的生产和设计一直作为商业机密 不外泄，橡胶沥青的存放问题不能长期供室内研究使用，致使橡胶沥青的研究不得 不以“试验路”试验的形式，主要以进行橡胶沥青用量的研究，严重影响着橡胶沥 青的健康、顺利发展。 1 4 主要研究内容 目前，国内还没见到供室内试验研究使用的小批量制备废轮胎橡胶沥青的小型 生产设备。国内大部分的试验室，橡胶沥青的生产采用简单的加工设备，这种简单 生产工艺，由于自身设备的缺陷，与实际施工的机械化生产大相径庭，不能很好的 模拟现在工业化生产工艺，又缺乏统一的国家标准、行业标准以及交通部标准，致 使操作方法无法统一，而影响橡胶沥青质量的因素包括很多：拌合温度、拌合时间、 反应温度、搅拌速度、反应时间、基质沥青性质、胶粉性质、胶粉掺量等，目前这 第一章绪论 种简单的工艺最终导致的试验结果差异巨大，很难得出合理的配方和工艺参数。如 果试验室给出的配方和工艺参数，有一点不合理，放在大型机械生产设备上生产橡 胶沥青，每试生产一次都会浪费掉大量的沥青。室内试验的成果不能正确指导实际 生产，橡胶沥青供应商又不愿意损失，致使不合格的橡胶沥青用在了实际施工中， 最终导致“问题路面”的产生。国内大部分的试验室，橡胶沥青的生产采用不合适的 加工设备，导致的试验结果差异巨大，很难得出合理的配方和工艺参数。室内试验 的结果不能正确指导实际生产，最终导致的“问题路面”不仅仅是质量的问题，而且 会让人们对橡胶沥青本身提出怀疑，坏了橡胶沥青的名声，影响橡胶沥青的健康、 顺利发展。所以亟需制造适合室内制备橡胶沥青的生产设备，满足室内生产的需要， 为后续的研究提供技术保证，并通过对由自研的橡胶沥青室内生产设备自制橡胶沥 青的研究，定性分析橡胶沥青的性能，期望积累经验。 故本文从以下三个方面进行研究。 ( 1 ) 橡胶沥青室内制备设备的研究 ( 2 ) 橡胶沥青室内制备工艺的研究 ( 3 ) 橡胶沥青性能的研究 1 5 技术路线 ( 1 ) 橡胶沥青室内制备设备研究的技术路线 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 橡胶沥青室内制备工艺研究的技术路线 ( 3 ) 橡胶沥青性能研究技术路线 7 第二章橡胶沥青生产技术 第二章橡胶沥青生产技术 废旧胎粉以某种方式与沥青混合形成胶结材料，用于公路工程，已经有1 5 0 年的历史。混合方式分为干法和湿法两种工艺，干法工艺是指胶粉与集料先行拌合 共混后再喷入沥青拌制混合料的工艺，湿法工艺是指将胶粉和沥青先行混合成胶结 料，然后再作为粘结剂与集料拌合的工艺，湿法由美国工程师c h a r l e sm c d o n a l d 发 明。美国联邦公路局使用( c r u m b r u b b e r m o d i f i e r ( c i 溯) ) 废胎胶粉改性剂来 表示废胎胶粉加入沥青材料中的概念，直到1 9 9 7 年美国a s t m 用橡胶沥青( a s p h a l t r u b b e r ) 定义这个概念。 2 1 橡胶沥青的概念 1 9 9 7 年美国a s t m 将橡胶沥青定义为：由沥青、回收轮胎橡胶及一定的添加 剂组成的混合料，其中胶粉的含量不少于总重的1 5 ( 内掺) ，且要求橡胶颗粒在 热沥青中充分反应并膨胀，又称沥青橡胶( a s p h a l tr u b b e r ) 。由此看出，形成橡胶 沥青一般需要三个条件：胶粉掺量要达到一定的量，且要有一定的融涨反应时间， 并达到相应的技术标准。这里的添加剂是指为了改善橡胶沥青的某些路用性能而掺 加的一些外加剂量，如一些改善胶粉活性的材料、轻质油分、天然橡胶和沥青改性 剂等。 美国加利福尼亚洲将橡胶沥青分为两种：类型i 和类型i i ，类型i 的橡胶沥青 由沥青和胶粉组成，不含任何添加剂。亚利桑那州也使用该种橡胶沥青。类型i i 的 橡胶沥青由沥青和胶粉和天然胶胶粉、扩展油组成。加利福尼亚洲和亚利桑那州均 有使用类型i i 的橡胶沥青。 根据北京市北京市废胎胶粉沥青及混合料设计施工技术指南( 京路科安发 ( 2 0 0 6 ) 9 1 2 撑) 规定： 橡胶沥青：是指一定比例的橡胶粉与沥青( 有的掺加一定比例的添加剂) 拌和 而得到的产物，其中橡胶粉的掺量不小于1 5 ( 内掺) 或1 7 6 ( 外掺) 。又称沥 青橡胶。 橡胶改性沥青：指橡胶粉、沥青和其它某种聚合物改性剂共同拌和得到的产物。 本文为了区别，把不含添加剂的橡胶粉改性沥青称为橡胶沥青，把含有添加剂的 称为废胎胶粉改性沥青。 目前国际上几种主要的橡胶沥青技术专利见表2 1 长安大学硕士学位论文 表2 1 国际上几种主要的橡胶沥青技术专利 方法 描述说明 含有颗粒和溶解的轮胎 结合料为8 0 的a r 4 0 0 0 a i l l l r s h i e l d沥青+ 1 9 橡胶粉+ 1 橡胶的改性沥青( 湿法) 扩展油 i n t e r n a t i o n a ls u r f a c i n g 基质沥青使用a c 5 和 i n e a s p h a l tr u b b e r i s i a r c c e m e n t 含有颗粒和溶解 p b a - 2 7 7 - 8 1 的沥青 + 1 7 1 9 的橡胶粉 的轮胎橡胶的改性沥青 + 0 - - 6 的扩展油 ( 湿法) p o w d e r e dr u b b e ra s p h a l t基质沥青为p b a - 2 7 9 p r a r c r u b b e rc e m e n t 含有橡 沥青+ 15 橡胶粉+ 6 胶粉的改性沥青( 湿法) 扩展油 p e r f o e m a n c eb a s e d a s p h a l tw i t hg r o u n d p b a _ 6 g r r u b b e r 。橡胶粉改性沥青 加1 0 - 1 2 8 0 目的橡胶粉 ( 湿法) ，与p b a - 6 有 两种变化。 2 2 废胎胶粉的概念 路用废胎胶粉专指用于沥青或沥青混合料中的废胎胶粉，一般为硫化胶粉。国 际上，为了规范废胎胶粉的使用，确保沥青及混合料的技术性能，对路用废胎胶粉 ( 颗粒) 都有比较明确的技术要求，而我国这方面还是空白。废胎胶粉具有多种有 效的化学成分，这些成分在高温条件下与沥青产生某种程度的相互作用和反应，其 反应过程十分复杂。废胎胶粉根据其使用要求的不同，有不同种类和不同的规格。 废胎胶粉( 颗粒) 来自于废轮胎，而轮胎由多种成分按不同配方组成，一般大致可 分为两大类：一是斜交轮胎，二是子午胎轮胎。图2 1 、图2 2 为这两种轮胎的典型 构造图。从结构来说，这两种轮胎最主要的区别在于是否有钢丝存在( 子午胎有， 而斜交胎没有) 。因此，用于加工废胎胶粉的轮胎按来源可分为乘用车轮胎( 子午 胎) 、轻型载货汽车轮胎、重型载货汽车和公共汽车轮胎( 斜交胎) 等。 第二章橡胶沥青生产技术 藏t 蘑翻靛 l t - _ t t 一 矗暑 mm i r e 图2 1斜交轮胎构造图 囊熊昂 轴h i l l 三囊砖砸t i - 一f l i 一- 和， 图2 2子午轮胎构造图 废胎胶粉的化学成分主要包括丙酮抽出物、灰分、炭黑含量、橡胶烃含量、天 然橡胶含量等指标。这些指标的高低将会影响废胎胶粉的路用性能，控制其化学成 分的含量对有效控制废胎胶粉的路用性能的品质是有利的。 粒径是废胎胶粉的主要技术指标之一，废胎胶粉的粒径分布因粉碎机、筛分设 备的种类以及工艺不同而不同，而且有一定的粒径范围。在公路工程应用中，为了 达到混合料密实填充和分布均匀的效果，废胎胶粉一般都有一定的级配。沥青在高 温下是一种粘度较高的液体，废胎胶粉在沥青中首先是分散，然后才能产生反应。 一般来说，目数越大，粒径越小越容易分散；但另一方面，目数越大，废胎胶粉越 容易结团，不利于微细胶粉在沥青中的分散。在使用中，应该综合考虑经济效益和 1 0 长安大学硕士学位论文 使用效果，不宜采用太细的废胎胶粉。国际上，主要国家和地区使用胶粉一般为1 6 - - 10 0 目，并要求胶粉的最大颗粒不得大于2 3 6 m m 。 我国目前一般采用目数选择废胎胶粉的类型，如4 0 目或8 0 目。这并不意味 着我国路用废胎胶粉完全是单一粒径的。当胶粉比较粗，目数比较小时( 如1 0 目或 2 0 目) ，基本上可以认为是单一粒径的，但当与沥青拌合时，容易产生离析，反而 不容易使用。当采用细胶粉时( 如4 0 目或8 0 目) ，由于细胶粉的筛分比较困难， 不可能完全筛分成单一粒径。例如，4 0 目胶粉中不仅有4 0 目的橡胶颗粒，而且含 有一定比例的6 0 目、8 0 目的颗粒，只不过4 0 目颗粒占主要比例。这样的胶粉容易 与沥青结合，施工稳定性好，能够满足工程需要。因此，按目数选择细胶粉也是合 理的。 另外橡胶沥青的性能和橡胶粉的比表面积有很大的关系，因此比表面积是路 面用轮胎橡胶粉的重要指标。废胎胶粉的表面形状取决于其加工工艺。轮胎橡胶粉 的加工工艺主要有常温法和冷冻法两大类型。冷冻法是将橡胶在液氮浴中脆化后再 用机械破碎到指定颗粒尺寸的加工工艺，制作出来的轮胎橡胶粉形状比较规格、破 碎面光滑。常温破碎法的种类比较多，胶粉的而松密度基本能反映比表面积的区别， 因其易于测量，可以用作轮胎橡胶粉几何形态特征的判断依据。 2 3 橡胶沥青作用机理 在2 0 0 3 年美国学者h b a r r y t a k a l l o u 博士和m o j i e b t a k a l l o u 博士对橡胶沥青 进行了大量的宏观现象研究，对在1 6 3 下反应4 5 m i n 橡胶沥青进行抽提试验表明， 9 l 的废胎胶粉能够回收，并且回收的废胎胶粉保持与加入时相似的级配。这些研 究都表明橡胶粉在沥青中以物理作用为主，化学反应也存在，即证明物化反应共存。 在2 0 0 5 年 一2 0 0 7 年间，美国克莱姆森大学的b r a d l e yj p u t m a n 和s e r j i n a m i r k h a n i a n 等人，采用黏度和d s r 等s h r p 设备，对橡胶粉掺量在1 0 - - - 1 5 的橡 胶沥青的作用机理进行细致的分析，从流变特性的角度提出了一些基本的概念和想 法。 目前关于橡胶沥青作用机理的理论相对成功的理论是溶胀反应理论。b r u l e b 等 人的研究表明：胶粉吸收沥青中的轻质组分而发生“溶胀”，与沥青的其他组分相 互作用，形成部分相容体系，其改性机理是胶粉加入沥青后不发生化学反应，只是 胶粉在沥青的轻组分作用下发生部分溶解和体积上的溶胀。少量胶粉加入沥青中， 被沥青所溶胀的橡胶相分散在沥青中呈“海岛”状微观结构。胶粉和沥青的混合物成 第二章橡胶沥青生产技术 为分散相共混结构，胶粉为分散相，沥青为分散介质，形成了胶粉与沥青连续或者 相互交错连续的三维空间结构。橡胶沥青的一个特点就是粗颗粒的橡胶屑( 1 2 m m ) 在高温的沥青中浸泡，并与沥青中的轻质油分发生溶胀后，仍然保持着固体 颗粒的核心。橡胶屑即使在反应结束，投入使用时仍然保持着固体颗粒的核心。图 2 3 反应前后橡胶粒子的对比图，图2 4 橡胶沥青融涨机理示意图。 图2 3 反应前( 左) 后( 右) 橡胶粒子的对比 基质沥青 一、。 图2 4 橡胶沥青融涨机理示意图 运用该理论分析胶粉在橡胶沥青中的作用，认为胶粉与沥青同属非极性材料， 并且由于橡胶粉是一种高分子化合物，除富有弹性外，还有很高的自黏性和互黏性， 1 2 长安大学硕士学位论文 它比沥青的黏度高得多，当橡胶和沥青混溶成一体后，沥青的黏度提高了；当橡胶 被充分溶胀而未裂解时，它既能以单独的相存在又形成连续的网络。橡胶的加入能 吸附沥青中的某些轻组分经过渗透，使橡胶溶胀，组成橡胶沥青网络结构。橡胶粒 子在橡胶沥青体系中起着增强作用：橡胶粒子体积小，数量多，在低温时它们与沥 青基体的模量不同，可产生高度的应力集中，诱发大量银纹和剪切带，银纹和剪切 带的产生和发展消耗大量的能量，因此，可提高沥青的冲击强度和可塑性；而较大 的橡胶粒子能防止单个银纹的生长和断裂，使其不致于很快发展为破坏性裂纹，改 善沥青的低温柔韧性。从这种意义上说橡胶粉是沥青的增强增韧剂。 现在世界上许多的学者通过借助红外吸收光谱( 瓜) ；核磁共振波谱( 卜m r ) ； 荧光显微镜；扫描电镜( s e m ) 等现代的设备进行微观性能分析，研究橡胶沥青改 性机理，期望通过掌握橡胶沥青作用机理解决以下四个问题： ( 1 ) 橡胶粉和沥青的配伍问题； ( 2 ) 橡胶沥青的指标体系问题； ( 3 ) 橡胶沥青的存储问题； ( 4 ) 橡胶沥青混凝土的评价指标。 2 4 橡胶沥青指标体系 表2 2 橡胶沥青指标体系 得州、加 a s t m ( d 6 11 4 9 7 )亚利桑纳州智利南非佛罗里达州 州 表观粘度旋转粘度 粘度 粘度粘度 旋转枯度 ( 1 7 7 ( 1 5 0 ( 1 7 5 )( 1 7 7 )( 1 7 5 )( 1 9 0 ) 1 9 1 )1 7 5 ) 针入度 锥入度 ( 2 5 ， 针入度 压缩恢复 ( 2 5 c ，1 0 0 9 , 5 s )( 2 5 1 2 ，1 0 0 9 , 5 s ) 1 5 0 9 , 5 s ) 针入度针入度针入度 ( 4 ，2 0 0 9 , 6 0 s )( 4 2 0 0 9 , 6 0 s )( 4 ，2 0 0 9 6 0 s ) 软化点 软化点软化点软化点软化点 a s t md 3 6 弹性恢复 弹性恢复弹性恢复弹性恢复 ( 2 5 )( 2 5 )( 2 5 )( 2 5 ) 密度 密度 ( 1 5 ) 针入度指数 2 4 橡胶沥青技术指标 第二章橡胶沥