（森林工程专业论文）橡胶粉改性沥青及其混合料路用性能研究.pdf

摘要 目前，废旧轮胎堆积造成“黑色污染 已造成世界各国普遍面临的环境问题，将废旧 轮胎生产胶粉用于沥青改性是大量消耗废旧轮胎并使废物增值的有效办法。 本文主要针对南京的气候、环境特点以及当地的材料状况，对橡胶粉改性沥青及其混 合料的路用性能进行综合的测试及分析，主要目的是促进废轮胎胶粉改性沥青在道路建设 中的应用与发展，为橡胶工业化并应用于道路工程，特别是面层橡胶粉改性沥青混合料应 用提供一个技术支持。 本文通过室内试验，制备5 个不同掺量橡胶粉改性沥青，分析橡胶粉掺量对沥青性能 的影响，试验结果表明，橡胶粉的加入有效的提高了沥青高温性能、低温性能和弹性恢复 性能，改善了沥青的温度敏感性。综合得出橡胶粉掺量在2 0 2 2 为佳。 为评价橡胶沥青混合料的路用性能，选用3 种类型的沥青混合料进行测试，其中包括 基质沥青混合料、连续级配橡胶沥青混合料、断级配橡胶沥青混合料。通过车辙试验、低 温弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、劈裂疲劳试验、小梁弯曲疲劳试验，评价 和分析了不同类型混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和抗疲劳性能。试验结果 表明，断级配橡胶沥青混合料具有最好的路用性能。 关键词：橡胶粉改性沥青橡胶粉改性沥青混合料路用性能试验研究 r e s e a r c ho np e r f o r m a n c eo fr u b b e rp o w d e rm o d i f i e da s p h a l ta n dt h e m i x t u r e a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ea c c u m u l a t i o no fw a s t et i r e sl e a d i n gt o “b l a c kp o l l u t i o n ，h a sb e c o m et h e e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sa r o u n dt h ew o r l d t h ec o n t e n tt h a ts c r a pt i r e si n t oaf m ep o w d e ra n d u s i n gi na s p h a l tp r o d u c t i o no fl a r g eq u a n t i t i e so fs c r a pt i r e si s a l le f f e c t i v ew a yt oe n a b l et h e w a s t ev a l u a b l e t h i sp a p e rm a i n l ya i m sa tn a n j i n g sc l i m a t e ，t h ee n v i r o n m e n tc h a r a c t e r i s t i ca sw e l la st h e l o c a lm a t e r i a lc o n d i t i o n ，c a r r i e so nt h es y n t h e s i st ot h er u b b e rp o w d e rm o d i f i e da s p h a l ta n dt h e b l e n dr o a dw i t ht h ep e r f o r m a n c et h et e s ta n dt h ea n a l y s i s ，t h em a i np u r p o s ei sp r o m o t e st h e w a s t et i r er u b b e rp o w d e rm o d i f i e da s p h a l ti n p a t h c o n s t r u c t i o n a p p l i c a t i o n a n dt h e d e v e l o p m e n t ，a n da p p l i e sf o r t h er u b b e ri n d u s t r i a l i z a t i o ni nt h er o a de n g i n e e r i n g ，s p e c i a l l yt h e s u r f a c el a y e rr u b b e rp o w d e rm o d i f i e db i t u m i n o u sm i x t u r ea p p l i c a t i o np r o v i d e sat e c h n i c a l s u p p o r t i nt h i sp a p e r ，t h r o u g ht h ei n d o o rt e s t ，5d i f f e r e n tp r e p a r a t i o no fc r u m br u b b e rm o d i f i e d a s p h a l tc o n t e n t ，a n a l y s i so fr u b b e rp o w d e rc o n t e n to np r o p e r t i e so fa s p h a l t ，t e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h ea d d i t i o no fr u b b e rp o w d e re f f e c t i v et oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea s p h a l t t e m p e r a t u r e ，l o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c ea n de l a s t i cr e c o v e r yp e r f o r m a n c e ，i m p r o v e dt h e t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yo fa s p h a l t c o m ei n t e g r a t e dr u b b e rp o w d e rc o n t e n t2 0 - 2 2 b e r e r i no r d e rt oa p p r a i s et h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c eo fr u b b e ra s p h a l tm i x t u r e s e l e c t s3l ( i n do f t y p e sa s p h a l tm i x t u r e st oc a r r yo nt h et e s t ，i n c l u d i n gt h eb a s i ca s p h a l tm i x t u r e ，d e n s eg r a d e d r u b b e ra s p h a l tm i x t u r e ，g a pg r a d e dr u b b e ra s p h a l tm i x t u r e t h r o u g ht h ew h e e lr u te x p e r i m e n t ， t h el o wt e m p e r a t u r eb e n dt e s t ，i m m e r s em a r s h a l lt oe x p e r i m e n t ，t h ef r e e z i n ga n dt h a w i n gs p l i t t e s t ，t h ec l e a v a g ee n d u r a n c et e s t ，t h ey o u n gl i a n gb e n d i n gg a t i g u ee x p e r i m e n t ，a p p r a i s e da n d h a sa n a l y z e dt h ed i f f e r e n tt y p eb l e n dh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y ，t h el o wt e m p e r a t u r ec r a c k r e s i s t a n c e ，t h ew a t e rs t a b i l i t ya n dt h ef a t i g u er e s i s t a n c ee n e r g y t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e dt h a t ，g a p 蓼a d e dr u b b e ra s p h a l tm i x t u r eh a v et h eb e s tp a v e m e n tp e r f o r m a n c e k e y w o r d ：c r u m br u b b e rm o d i f i e da s p h a l t ；c r u m br u b b e rm o d i f i e da s p h a l tm i x t u r e ： p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ；e x p e r i m e n t a ls t u d y 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学雠文作者( 枞戳椰炙妒) 年6 胁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在_ 年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密函。 ( 请在以上方框内打“ ” ) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： p 。7 年月肛日 1 年6 月i r 日 致谢 谨以此文献给所有指导、帮助、支持、关心我的人! 本论文是在尊敬的导师王大明副教授的悉心指导下完成的，该项研究在 立题、研究方案及论文撰写、定稿的过程中无一不倾注了导师大量的心血， 求学三年来，导师在学业上给予谆谆教诲、生活上关爱有加，为我营造了一 个宽松舒适的科研环境。恩师严谨的治学态度、严厉宽厚的师德使我在专业 知识和品德修养上受益匪浅，值此论文完成之际，谨向恩师致以最衷心的感 谢和敬意。 真诚地感谢胡亚风老师，在论文的试验和写作中给予的指导和帮助；感 谢土木工程学院实验中心给我提供试验场所和试验仪器；感谢实验中心各位 老师在试验过程中给予的帮助；感谢交通土建教研室每一位老师对我的支持 与帮助。 感谢同学李严和马青娜，感谢师弟朱宇杰等研究生在试验过程中的鼎立 帮助，祝愿他们有一个美好的未来。 最后要感谢我的家人这么多年来对我的默默支持和最无私的爱，借此论 文完成之际，向他们表达我衷心的感谢和祝福，祝愿他们身体健康、幸福一 生! 柳芒英 2 0 0 9 年6 月 - t j _ 一 l 刖吾 1 1 论文研究的意义 1 1 1 环保方面 从环保角度讲，可减轻“黑色污染 ，降低道路交通噪声。 众所周知，废旧轮胎被称为“黑色污染，其回收和处理技术是世界性难题。随着我 国汽车工业的飞速发展和人民生活水平的提高，汽车保有量逐年迅速增加，我国将面临着 大量废旧轮胎的处理问题。据统计我国2 0 0 5 年的废1 日轮胎达到1 2 亿条，预计到2 0 1 0 年 将达到2 亿条。如此大规模的废旧轮胎将给社会带来巨大的环境压力【l 】。废旧轮胎属于工 业有害固体废弃物，它们的大分子分解到不影响土壤植物生长的程度需要数百年的岁月。 大量废旧轮胎长期露天堆放，不仅造成资源的极大浪费，而且会恶化自然环境、破坏植被 生长，经过日晒雨淋，容易积存污水，滋生蚊虫，而且轮胎橡胶缓慢分解时会释放有害气 体，污染空气，影响人类健康，危及地球生态环境，此外，日久自燃还极易造成火灾【2 】。 为此日益增多的废旧橡胶轮胎已成为在各国都迅速蔓延的黑色公害。 随着车流量增加，车速提高，道路交通噪声问题日趋严重，已成为公路沿线主要污染 源之一。交通噪声作为噪声污染源的一种，与大气污染、水污染一样，已经逐渐成为一种 危害人类环境的公害。橡胶粉改性沥青混合料可以有效地减少路面的噪音，减少的幅度大 约在3 7 d b 3 1 。 1 1 2 资源再生方面 将废轮胎磨成胶粉作为改性沥青的原料，可谓是一种伴生资源和接续产业。建立废胶 粉改性沥青企业，是发展循环经济的一项重大举措，是一种经济活动中生态形转化的循环 经济。它实现了沥青工业资源消耗的减量化、废轮胎的再生利用和再循环，符合我国建设 可持续发展、节约型社会的发展理念。 1 1 3 工程质量方面 随着我国的改革开放和国民经济的迅速发展，需要大规模的修建高等级公路。现代高 等级公路的交通特点是：交通密度大、车辆轴载重、荷载作用间歇短，以及高速和渠化。由 于这些特点造成沥青路面高温出现车辙、低温产生裂缝、抗滑性很快衰降、使用年限不长 4 】 o 随着我国道路建筑材料不断更新和改进，路用沥青不断升级换代。有学者把普通沥青 称为第一代沥青，改性沥青称为第二代沥青，橡胶粉改性沥青称为第三代沥青p j 。普通道 路沥青由于自身的组成和结构决定了其感温性能差，弹性和耐老化性能差，高温易流淌，低 温易脆裂，难以满足高等级公路的使用要求，必须对其进行改性以改善其使用性能。所以在 沥青技术性质方面，不断提高沥青的流变性能、改善沥青与集料的粘附性、延长沥青的耐 久性，才能适应现代交通的要求。我国道路建设的要求是铺筑的沥青混凝土道路能做到“夏 季不变形，冬季不开裂 ，而且希望路面具有较强的吸收交通噪音的能力，以满足重交通 流量、高等级公路和城市交通的不同需求。我国大量采用的改性沥青，如s b s 、s b r 等 改性技术已经基本成熟，满足了一定的工程需要。但是由于快速发展的交通、复杂的荷载 和环境条件，沥青路面的损坏依然日益严重。第二代沥青不能满足新的要求，而且聚合物 改性沥青昂贵的价格限制了其推广，特别是在非高速公路上的应用。为此有必要寻找性能 更优越、价格更便宜的改性沥青材料。 废旧橡胶粉可以改善沥青的性能，降低改性沥青的成本。可提高沥青路面路用性能， 延长路面使用寿命。废旧橡胶粉改性沥青用于道路建设是解决目前面临问题的有效途径之 1 2 国内外研究与应用现状 1 2 1 国外研究与应用现状 轮胎橡胶在路面工程中的应用，最早始于2 0 世纪4 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，美国工程师c h a r l e sm c d 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。美国用废轮胎胶粉作为沥青改性 剂，制造改性沥青用于修筑公路己有2 0 多年的历史，1 9 8 2 - - 1 9 8 6 年间已试铺了2 1 0 多个 路段，这种路面的热稳定性能和低温性能都比较好，并可减少维修费用。1 9 9 1 年，美国 国会通过了联邦地表协调联运效率法案( i s t e a ，又称冰茶法) ，其中一条要求从1 9 9 4 年起 凡使用联邦经费的热拌沥青混合料都必须以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 【6 j 。据统计，到1 9 9 7 年废胶粉改性沥青己消耗了8 0 0 0 万吨废轮胎。目前，美国的亚利桑那、加利福尼亚、德克萨斯和佛罗里达己成为废胶粉沥 青使用最多的地区，并早已将废轮胎橡胶沥青视为常规的公路铺筑材料，且己有完整的品 质规范依据。最新的美国加州政府公共资源条例第3 3 8 条规定：从2 0 0 7 年起2 0 的柔性路 面必须采用橡胶沥青，2 0 1 3 年起增加到3 5 。 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 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 8 k m 。通过比较，沥青 橡胶热拌路面( 橡胶占混合料的2 o ) 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【j 7 1 。 在多孔隙路面的发源地法国，1 9 9 5 年时，橡胶沥青多孔隙混凝土路面的累积摊铺面 积就己经超过了1 0 0 万m z ，多年的多孔路面室内研究和实际应用效果表明：橡胶沥青多 孔隙混凝土比普通多孔隙沥青混凝土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。 俄罗斯伏尔加格勒公路交通部门废轮胎胶粒用于铺设路面，因此可有效地预防冬季路 面结冰而发生交通事故。 2 南非的废旧轮胎橡胶粉在公路建设中的应用十分成功，在工程实践中己拥有历时 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；基本上己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，而且经验表明对于超重轴载的使用环境，橡胶沥青混凝土路面尤 为有利。 1 9 8 1 年，在比利时的布鲁塞尔，橡胶沥青首次被发现具有降低道路交通噪声的功能， 它被称作“d r a i n a s p h a l t ”。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。 19 8 4 年，法国对采用沿塞纳河采用d r a i n a s p h a l 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 等国家也先后展开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，俄勒冈州在1 9 8 9 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l o d b ，即声音强度降低了8 8 【引。2 0 0 3 年，德克萨斯 的检测结果发现，使用橡胶沥青的开级配抗滑层( o g f c ) 平均降噪8 d b ，而且路表磨擦提 高了两倍以上。 但从日本的研究来看，橡胶沥青路面的成功与失败各占一半，主要原因是橡胶粉使得 路面具有较大的弹性，碾压比较困难，由于压实不足使空隙率增大，所产生的负面影响抵 消了橡胶粉改性沥青的效果。但是对于这种问题只有通过改进路面的碾压工艺才可以解 决。 通过以上可以看到世界不同国家和地区都积极开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。经过 近半个世纪的应用，废旧橡胶粉在公路工程中的应用大致经过了5 个发展阶段：应力吸收 层；应力中间吸收层；开级配沥青混凝土；连续级配沥青混凝土；断级配沥青混凝土。经 过实践检验和经验总结，美国使用废轮胎橡胶于路面上相当成功的亚利桑纳卅i 主张不要将 橡胶沥青使用在密级配，应将其用在间断级配结构层，或是开级配磨耗层。当前大多数国 家的技术指南中也都明确规定橡胶粉应用于断级配沥青混凝土。 1 2 2 国内研究与应用现状 与国外相比，国内的研究起步较晚。上世纪7 0 年代末8 0 年代初，出于改善我国性能 不佳的国产沥青的目的，同济大学研究了橡胶粉与沥青共熔反应的变化规律和对橡胶沥青 路用性能的影响。通过系统的试验研究，分析验证了磨细橡胶粉改性沥青的主要特性和路 用价值，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。1 9 8 0 年和1 9 8 1 年分别在江西省的铅山县和贵溪县铺筑了橡胶沥青试验路。由于试验路的等级 较低，路面工艺是较低等级的贯入式和表处，研究成果不适用于高等级公路。2 0 0 1 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3 0 ( 相对于沥青用量) 的 橡胶粉，该桥面经受了两个夏季的重交通考验，基本保持完好。2 0 0 1 2 0 0 3 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粉沥青混合料的 室内试验研究，初步提出了橡胶粉改性沥青的技术标准、橡胶粉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3 0 k m 的试验路和实体工程。试验路施工有干法和湿法两种工艺。由于试验路 通车时间短，路用性能尚待跟踪观测【9 1 。 1 3 研究内容 本课题主要针对南京的气候、环境特点以及当地的材料状况，对橡胶粉改性沥青及其 混合料的路用性能进行综合的测试及分析，主要目的是促进废轮胎胶粉改性沥青材料在道 路建设中的应用与发展，为橡胶粉工业化并应用于道路工程，特别是面层橡胶粉改性沥青 混合料应用提供一个技术支持。从目前国内所完成的相关工作来看，还有以下问题值得深 入探讨： ( 1 ) 胶粉的选择无法与实际应用相结合。目前国内试验所用胶粉主要是粒径6 0 - 8 0 目的胶粉，这一细度胶粉的生产工艺要求很高，很难将其应用在橡胶沥青的实际生产过程 中。另外，国内研究中胶粉掺量的选择多集中在5 1 5 ，而对于胶粉含量1 5 以上的橡 胶沥青的性能研究并不多。 ( 2 ) 将橡胶沥青应用于不同级配类型的混合料的研究很少。 结合以上问题的分析以及当地的气候特点、材料状况和试验条件等因素，拟定本文的 主要研究内容如下： ( 1 ) 橡胶粉改性沥青的性能测试 对橡胶粉改性沥青进行基本性能试验，分析不同掺量( 1 5 、1 8 、2 0 、2 2 、2 4 ) 的橡胶粉对沥青的高温性能、低温性能、感温性和弹性恢复的影响。 ( 2 ) 橡胶粉改性沥青混合料的性能测试 根据当地的使用要求，选择两种类型的沥青混合料，包括基质沥青混合料( a c 1 3 c ) 和间断级配橡胶粉沥青混合料( r a c g ) ，另外还制作了连续级配橡胶粉沥青混合料 ( r a c d ) 进行对比试验来说明连续级配在橡胶沥青混合料中使用的不足，通过车辙试 验、弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、劈裂疲劳度试验和小梁弯曲疲劳试验来 评价并分析不同类型混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和抗疲劳性能。 4 2 原材料分析及试验 2 1 沥青简介 2 1 1 沥青的元素组成 沥青不是单一的物质，而是由多种化合物组成的混合物，成分极其复杂。但从化学元 素分析，其主要由碳( c ) ，氢( h ) 两种化学元素组成，故又称为碳氢化合物。此外，沥青中 还含有少量的硫( s ) ，氮( n ) 、氧( 0 ) 以及一些金属元素，如钠( n a ) 、镍( n i ) 、铁( f e ) 、镁( m g ) 和钙( c a ) 等，它们以无机盐或氧化物的形式存在，约占5 。几种沥青的元素组成见表 2 一i 3 2 1 。 表2 - 1 几种沥青的元素组成 沥青名称 c l c h ( 原子比)平均分子式 阿拉伯轻质原油沥青 8 41 0 3o 6 6 c 6 8 5 h 1 0 4 2 0 1i s o 1 伊朗重质原油沥青 8 3 61 0 20 。6 8c 7 1 。8 h 1 0 5 s i 2 科威特沥青 8 3 91 0 3o 6 8c 6 9 9 h 1 0 3 s i 2 大庆丙脱沥青 8 6 11 1o ，6 6c 6 8 5 h 1 0 4 。2 0 1i s o 1 胜利氧化沥青8 4 51 0 60 6 7c 7 1 8 h 1 0 7 3 0 1i s o 8 由表2 1 可知，沥青的成分随原油的来源不同而不同，同时，沥青在炼制过程中组分 也会发生变化。c h 的比例可以在很大程度上反映沥青的化学成分，c h 愈大，表明沥青 的环状结构，尤其是芳香环结构愈多。在沥青中，碳和氢的含量占9 8 - 9 9 9 6 ，其中，碳的 含量为8 3 - 8 7 ，氢为1i - 1 4 。 2 1 2 沥青的化学组分 沥青的组分是将沥青分离为几个化学性质相近并与路面性质有一定联系的组 2 l 】。 根据实验方法的不同，沥青可以分离成以下几种组分： ( 1 ) 二组分 把沥青分为沥青质和可溶质( 软沥青质) 两部分。 ( 2 ) 三组分 溶解一吸附分析法，把沥青分解成沥青质、树脂和油分三部分。 ( 3 ) 四组分 色谱分析法，把沥青分解成饱和分、芳香分、胶质和沥青质四部分。 ( 4 ) 五组分 化学沉淀分析法，把沥青分解成沥青质、氮基、第一酸性分、第二酸性分和链烷分五 5 部分。 我国目前广泛采用五组分分析方法，该法已于1 9 7 8 年列入美国材料试验协会( a s t m ) 推荐方法。 沥青的五组分有以下所述的不同特型2 5 】： ( 1 ) 沥青质 沥青质是深褐色至黑色的无定形物质，有的文献中又称之为沥青稀。沥青质比重大于 l ，不溶于乙醚、石油醚，易溶于苯、氯仿、四氯化碳等溶剂。这是复杂的芳香分物质， 有很强的极性，分子量在1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 范围内，颗粒的粒径为5 - 3 0 n m ，c h 原子比例约为 1 1 6 1 2 8 。沥青质在沥青中的含量一般为5 2 5 ，其含量的多少对沥青的流变特性有很 大的影响。 沥青质对沥青中的油分虽有憎液性，而对胶质呈亲液性。因此，胶质包裹沥青质而成 胶团悬浮在油分之中，形成胶体溶液，这样，沥青质含量多少对胶体体系的性质有很大的 影响。 沥青质的存在对沥青的粘度、粘结力、温度稳定性都有很大的影响。所以，优质沥青 必须含有一定数量的沥青质。 ( 2 ) 胶质 胶质也称为树脂或极性芳烃，是半固体或液体状的黄色至褐色的粘稠状物质，有很强 的极性。这一突出的特性使胶质有很好的粘结力。胶质比重为1 0 1 0 8 ，分子量在6 0 0 1 0 0 0 范围内，其在沥青中的含量为1 5 3 0 。胶质溶于石油醚、汽油、苯等有机溶剂。 胶质是沥青的扩散剂或胶溶剂，胶质与沥青质比例在一定程度上决定沥青是溶胶或是 凝胶的特性，胶质的h c 原子比为1 3 0 1 4 7 。 胶质赋予沥青以可塑性、流动性和粘结性，对沥青的延性、粘结力有很大的影响。 ( 3 ) 芳香分 芳香分是由沥青中最低分子量的环烷芳香化合物组成的，它是胶溶沥青质的分散介质 芳香分在沥青中占4 0 一6 5 ，是深棕色的粘稠液体，h c 原子比为1 5 6 1 6 7 ，平均分子 量为3 0 0 6 0 0 范围内。 ( 4 ) 饱和分 饱和分是由直链烃和支链烃所组成的，是一种非极性稠状油类，h c 原子比在2 左右， 平均分子量为3 0 0 6 0 0 ，饱和分在沥青中占5 2 0 。饱和分对温度较为敏感。 芳香分和饱和分都为油分，在沥青中起着润滑和柔软作用。油分含量愈多，沥青的软 化点愈低，针入度愈大，稠度降低。 油分经丁酮一苯脱蜡，在一2 0 冷冻，会分离出固态的烷烃，即为蜡。 ( 5 ) 蜡分 蜡的化学组成以纯正构烷烃或其熔点接近纯正构烷烃的其他烃类为主。蜡有石蜡和地 蜡之分，地蜡是微晶蜡，沥青中的蜡主要是地蜡。在常温下，蜡都是以固体的形式存在， 蜡对沥青的性能有较大的影响。 1 ) 对沥青流变性能的影响 在沥青中，蜡主要溶解在油分中，当它以溶解状态存在时，则会降低分散相的粘度， 6 这是蜡在液体状态时使粘度降低，仅1 0 1 3 厘泊；当蜡以结晶状态存在时，沥青具有屈服 应力的结构；如果以松散粒子存在，就类似于沥青中加入矿粉而使沥青的粘度增加。沥青 中蜡含量增加，会使沥青在常温下的粘度增大；而当接近石蜡融化温度( 5 0 ) 时，蜡含量 增加，反而使沥青的粘度降低。因此，蜡含量高的沥青温度敏感性强。 2 ) 对沥青的低温性能的影响 低温下高含蜡量沥青的结晶结构网增加了沥青的刚性，表现出较高的弹性和粘性，随 着蜡含量的增加，沥青的脆性也增大。 3 ) 对沥青界面性能的影响 当沥青与石料接触时，蜡的存在会降低沥青对石料界面粘附。同时，蜡会集中在沥青 的表面使沥青失去光泽，并影响沥青路面的摩阻性能。 4 ) 对沥青胶体结构的影响 蜡的结晶网格会促使沥青向凝胶型胶体结构发展，使胶体系统不稳定而具有明显的触 变性。 2 1 3 沥青的胶体结构 现代胶体理论认为，沥青的胶体结构是以固态超微粒的沥青质为分散相。通常是若干 个沥青质聚集在一起，它们吸附了极性半固态的胶质，而形成“胶团 。由于胶溶剂一胶 质的胶溶作用，而使胶团胶溶、分散于液态的芳香分和饱和分组成的分散介质中，形成稳 定的胶体。 在沥青中，分子量很高的沥青质不能直接胶溶于分子量很低的芳香分和饱和分的介质 中，特别是饱和分为胶凝剂，它会阻碍沥青质的胶溶。沥青所以能形成稳定的胶体，是因 为强极性的沥青质吸附极性较强的胶质，胶质中极性最强的部分吸附在沥青质表面，然后 逐步向外扩散，极性逐渐减小，芳香度也逐渐减弱，距离沥青质愈远，则极性愈小，直至 与芳香分接近，甚至到几乎没有极性的饱和分。这样，在沥青胶体结构中，从沥青质到胶 质，乃至芳香分和饱和分，它们的极性是逐步递变的，没有明显的分界线。所以只有在各 组分的化学组成和相对含量相匹配时，才能形成稳定的胶体。 根据沥青中各组分的化学组成和相对含量的不同，可以形成不同的胶体结构。沥青的 胶体结构可分为以下3 种类型： ( 1 ) 溶胶型结构 当沥青中沥青质分子量较低，并且含量很少，同时有一定数量的芳香度较高的胶质时， 胶团能够完全胶溶而分散在芳香分和饱和分的介质中，胶团相距较远，它们之间吸引力很 小，胶团可以在分散介质粘度许可范围之内自由运动，这种胶体结构的沥青，称为溶胶型 沥青。其特点是流动性和塑性较好，开裂后自行愈合能力较强，但对温度的敏感性强。 ( 2 ) 凝胶型结构 沥青中沥青质含量很高，并有相当数量芳香度高的胶质来形成胶团，这样，沥青中胶 团浓度很大程度的增加，它们之间相互吸引力增强，使胶团靠得很近，形成空间网络结构。 此时，液态的芳香分和饱和分在胶团的网络中成为“分散相”，连续的胶团成为“分散介 7 质”，这种胶体结构有沥青，称为凝胶型沥青。这类沥青具有较好的温度感觉性，但低温 变形能力较差。 ( 3 ) 溶凝胶型结构 沥青中沥青质含量适当，并有较多数量芳香度较高的胶质，这样形成的胶团数量增多， 胶体中胶团的浓度增加，胶团距离相对靠近，它们之间有一定的吸引力。这是一种介于溶 胶与凝胶之间的结构。这类沥青在高温时具有较低的感温性，低温时又具有较好的变形能 力。 沥青的胶体结构与其工程性能有密切的关系。胶体结构类型，可以根据流变学的方法 和物理化学的方法等确定，为工程使用方便，通常采用根据其对温度的敏感程度一针入度 指数来进行判断： p i 2 ，凝胶结构 2 2 橡胶粉简介 2 2 1 橡胶粉来源 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。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) i i 。 中国轮胎翻修与循环利用协会将我国的废胎胶粉根据生产原料的不同分为4 个等级： a 级以汽车轮胎胎面橡胶为原料生产的硫化胶粉； b 级以汽车斜交胎整胎为原料生产的硫化胶粉； c 级以汽车子午胎整胎为原料生产的硫化胶粉； d 级以低速轮胎为原料生产的硫化胶粉。 2 2 2 橡胶粉组成及结构 路用橡胶粉主要是由废旧载重轮胎或乘用轮胎破碎而制得，成分主要为天然胶( n r ) 和丁苯胶( s b r ) 等。 1 天然橡胶的组成及结构 天然橡胶是植物的产品，在含胶的器官中生成的，即生成于乳管和含胶细胞中。其具 有类似于异戊二烯( c 5 h 8 ) 的实验式，并被看作是异戊二烯的某种多聚体( c s h 8 ) n 。也有 人认为，天然橡胶是由异戊二烯基： c h 3 c h 2 = d o h m 2 或者具有橡胶性质的异戊烯基： c t t 3 l c h 2 一c = c h c h 2 一 聚合而成。 2 丁苯橡胶的组成及结构 丁苯橡胶是丁二烯和苯乙烯的共聚物，其玻璃化温度为6 0 ，与s b s 同族，二者差 异为丁二烯含量不同。 丁苯橡胶最可能的结构基团是： - c h 2 一c h = c h c h 2 - c h 2 - c h c h 2 - c h = c h c h 2 - 用维茨法测定的丁苯橡胶的不饱和度，并不超过理论的8 9 ，这表明聚合物结构中含有 支链，同时分子链还带有横键。像天然橡胶一样，丁苯橡胶也不能完全溶于溶液中，就是 由于分子链中有支链存在的缘故。 3 胶粉的结构 上面所提到的橡胶的结构指的是生橡胶，即没有经过硫化。人们习惯上把熟橡胶称作 硫化橡胶。硫化橡胶与生橡胶的主要区别在于硫化橡胶中的分子形成网链结构，整个一块 橡胶可以看成是由许多分子网链构成的三维空间立体结构。这种结构一般条件下十分稳 定。胶粉就是由这种空间网络结构组成的。但胶粉的结构与轮胎的结构又有区别： 1 ) 在体积上，胶粉的空间网络结构较轮胎要小得多，整个轮胎可以看成是一个空间 网组成。 2 ) 在内部结构上，胶粉是经过化学或机械加工而制成，所以其空间网络结构中的s c 键有部分被破坏，其交联密度降低，不如轮胎中的网络完整。 3 ) 在表面上，轮胎经过粉碎以后制成的胶粉，其表面不如轮胎的光滑，由于经过化 学或机械的作用，胶粉的表面是由被破坏的空间网络而形成的网络端组成的，其表面呈不 规则的毛刺状且布满微观裂纹。 2 2 3 橡胶粉分类 1 按粉碎方法可分为常温粉碎、低温粉碎和常温化学法粉碎【l o 1 ) 常温粉碎法 常温粉碎法是指在常温下对废旧橡胶用辊筒或其他设备的剪切作用进行粉碎的一种 方法。常温粉碎法的生产工序主要为粗碎与细碎。一般分三个阶段：首先将大块废旧橡胶 破碎成5 0 m m 大小的胶块；第二步是在粗碎机将上述胶块再粉碎成2 0 m m 的胶粒，然后 将粗胶粒送入金属分离机中分离出金属杂质，再送入风选机中除去废纤维；第三步是用细 碎机将上述胶粒进一步磨碎后，经筛选分级最后得到粒径4 0 2 0 m 的胶粉。 2 ) 低温粉碎法 低温粉碎法是废橡胶在经低温作用脆化后而采用机械进行粉碎的一种方法。该方法可 9 比常温粉碎法制得粒径更小的胶粉。低温粉碎的基本原理就是利用冷冻使得橡胶分子链段 不能运动而脆化，而易于粉碎。如轮胎在8 0 时像土豆片一样脆，在锤磨机中，轮胎的 各部分很容易分离。 低温粉碎法有两种：一是利用液氮作为冷冻介质在低温下进行冷冻粉碎；另种是就是空 气涡轮制冷直吹连续式速冻胶管技术。 3 ) 常温化学法 常温化学法是在废旧橡胶粗碎后，使用化学药品或水对粗胶粉进行预处理，再粉碎的 方法。该法分三步进行，第一步是废橡胶粗碎，第二步是使用化学药品或水对粗胶粉进行 前预处理，第三步将预处理后的胶粉投入圆盘胶体磨粉碎成超细胶粉。 2 按粒度的不同可分为粗胶粉、细胶粉、微细胶粉和超细胶粉。 粗胶粉的粒径范围为0 5 一1 5 m m ( 1 2 3 0 目) ；细胶粉的粒径范围为o 3 0 5 m m ( 3 0 4 7 目) ；微细胶粉的粒径范围为o 0 7 5 。0 3 m m ( 4 7 2 0 0 目) ；超细胶粉的粒径范围为 o 0 7 5 m m ( 大于2 0 0 目) 。一般常温法生产的废胎胶粉粒径较粗，低温法生产的废胎胶粉粒径较细 些，可在2 0 0 目以上。 2 3 原材料试验 2 3 1 粗集料 本试验所用粗集料均为玄武岩，粗集料洁净、干燥、无风化、无杂质、表面粗糙，经 试验测定其质量指标符合公路沥青路面施工技术规范( 3 t gf 4 0 2 0 0 4 ) 【1 1 1 中规定的沥 青面层用粗集料质量技术要求。试验方法参照公路工程集料试验规程( j t j 0 5 8 - 2 0 0 4 ) 1 2 】， 其各项质量技术要求如表2 - 2 ： 1 0 表2 - - 2 沥青混合料粗集料技术要求 试验指标单位规范要求 1 #2 #3 # 试验方法 石料压碎值 2 6 1 2 。1 t 0 3 1 6 洛杉矶磨耗损失 2 81 3 | t 0 3 1 7 表观相对密度t m 32 6 02 。6 7 82 7 2 42 7 1 8t 0 3 0 4 毛体积相对密度t m 3| 2 6 4 52 6 8 42 6 6t 0 3 0 4 吸水率 2 。o4 75 58 1t 0 3 0 4 坚固性 1 26 35 94 9t 0 3 1 4 针片状颗粒大于9 5 衄， 1 28 89 9 l t 0 3 1 2 针片状颗粒小于9 5 m m ， 1 88 11 1 2 水洗法 0 3 m m 部分) 1 2 1 4 8t 0 3 4 0 含泥量( 小于0 0 7 5 r a m 的含量) 1 51 1 2t 0 3 3 3 砂当量 6 07 2t 0 3 3 4 2 3 3 矿粉 本试验中沥青混合料所用填料均为石灰岩矿粉，矿粉干燥、洁净，经试验测定其质量 符合公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 - 2 0 0 4 ) 中规定的沥青面层用矿粉质量技术。 其各项质量技术要求如表2 - 4 ： 表2 4 沥青混合料矿粉技术要求 t a b l e2 - 4t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n to fa s p h a l tm i n e r a lf i l l e r 试验指标单位规范要求试验数据 试验方法 表观密度t m 32 52 7 0 9 t 0 3 5 2 含水量 10 3t 0 1 0 3 粒度范围 0 6 m m 1 0 01 0 0 0 1 5 m m9 0 - 1 0 09 4 6t 0 3 5 1 0 0 7 5 衄7 5 1 0 08 8 4 外观无团粒结块无团粒结块 亲水系数 10 4t 0 3 5 3 塑性指数 42 2t 0 3 5 4 2 3 4 沥青 本试验所用沥青为台湾c p c 7 0 # 道路石油沥青，按照公路沥青及沥青混合料试验规 程( j t g0 5 2 2 0 0 0 ) 【1 3 1 和试验方法测定各项技术指标均符合公路沥青路面施工技术规 范( j t gf 4 0 - 2 0 0 4 ) 中所规定的要求。其各项质量技术要求如表2 5 ： 表2 57 0 # 道路石油沥青技术要求 t a b l e2 - 5t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n to fp a 、r i n ga s p h a l t7 0 # 试验指标单位规范要求试验数据试验方法 针入度( 2 5 c ，5 s ，1 0 0 9 ) 0 i m m6 0 8 07 4 0t 0 6 0 4 软化点( r b ) 4 64 6 9t 0 6 0 6 i o 。c 延度 c m2 01 4 0t 0 6 0 5 蜡含量( 蒸馏法) 2 21 3 4 t 0 6 1 5 闪点 2 6 02 8 0t 0 6 1 1 溶解度 9 9 59 9 9 1t 0 6 0 7 密度( 1 5 )g c m 3实测记录 1 0 4 2t 0 6 0 3 t f o t ( 或r t f o t ) 后 质量变化 o 80 0 8 t 0 6 1 0 残留针入度比 5 86 8 7t 0 6 0 4 残留延度( 1 0 ) c m48t 0 6 0 5 1 2 2 3 5 橡胶粉 本试验所用橡胶粉为浙江明宇橡胶制品有限公司生产的4 0 目优质钢丝子午胎橡胶粉， 在对橡胶粉的物理指标测试中，各项指标所需满足的要求参照a s t md 6 1 1 4 t 1 4 】“s t a n d a r d s p e c i f i c a t i o nf o ra s p h a l t r u b b e rb i n d e r ”，各项技术要求如表2 6 ： 表2 咱橡胶粉技术要求 t a b l e2 - 6t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n to fc r u m br u b b e r 试验指标单位规范要求试验数据 比重 g m s 1 1 - 1 21 1 1 含水率不大于 0 7 50 6 2 金属含量不大于 o 0 10 0 0 8 纤维含量不大于 0 50 0 7 2 4 试验方案 本课题首先采用4 0 目的橡胶粉分别将15 、18 、2 0 、2 2 、2 4 五个不同掺量胶 粉加入到沥青中制备改性沥青，根据实验室条件对这五组改性沥青进行针入度、延度、软 化点、弹性恢复等常规试验，分析不同掺量的胶粉配制的改性沥青的性能变化，确定一个 最佳掺量范围。然后，制作基质沥青混合料( a c 1 3 c ) 、连续级配橡胶粉改性沥青混合料 ( r a c d ) 、间断级配橡胶粉改性沥青混合料( r a c g ) 三种沥青混合料，通过车辙试验、 低温弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、劈裂疲劳试验和小梁弯曲疲劳试验来评 价分析不同类型混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水