废旧橡胶粉改性沥青材料在道路工程中的应用与研究

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基金项目重庆市交通建设重点科技项目(200631881478作者简介肖川(1984,男,湖南湘潭人,硕士研究生,研究方向:道路路面设计与筑路材料研究。废旧橡胶粉改性沥青材料在道路工程中的应用与研究肖川,凌天清(重庆交通大学土木建筑学院,重庆400074摘要依据橡胶沥青作用机理,从内、外因两方面对橡胶沥青改性效果的影响因素进行研究。结合国内外相关成果,分析橡胶沥青评价指标体系,并从配合比设计及路用性能方面,对橡胶沥青混合料的技术性能进行了分析。最后提出

2、了废旧胶粉改性沥青材料在道路工程应用方面的展望。关键词道路工程;橡胶粉改性沥青;作用机理;影响因素;评价指标;橡胶沥青混合料中图分类号U 414.1文献标识码B 文章编号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最早的橡胶沥青文献见于1843年的英国专利。纵观废旧橡胶粉改性沥青技术的发展历程,可以分为湿法和干法两种工艺1。干法工艺中,胶粉主要作为部分集料,起填充作用,改性作用甚微。所以真正意义上的废旧胶粉改性沥青主要是以湿法工艺为主。本文涉及的废旧橡胶粉改性沥青(简称橡胶沥青最早在20世纪60年代由ChalesMc Donald 开始使用,这种Mc

4、 Donald 处理法是湿法工艺的代表1。在美国、南非等国家,橡胶粉改性沥青技术已成为一项在道路的设计、铺筑和维修养护中被广泛采用的成熟技术。我国橡胶沥青技术尚处于推广使用的初期阶段,有不少学者对橡胶沥青及混合料的各方面特性等展开了全面、系统的研究,并取得了一些成果2,由于我国气候、道路结构、汽车荷载等方面的差异,橡胶沥青在我国的应用还需要进一步研究。本文将结合国内外关于废旧橡胶粉改性沥青材料最新的研究成果,对橡胶粉沥青改性沥青材料在道路工程中的应用进行总结和探讨,力求对橡胶沥青材料的知识体系有一个更加全面、深入的理解。1橡胶沥青作用机理橡胶沥青是一种以废旧胶粉为改性剂的改性材料。由于废旧橡胶

5、粉与沥青材料具有不同的化学组分,两者的相互作用比较复杂,其作用过程既不是胶粉与沥青完全融合,也不能以简单的填充作用来解释。国内外很多专家通过微观分析、性能研究等方式,对橡胶沥青作用机理进行研究、探讨,综合国内外学者的研究成果,概括起来可以分为以下几大类:物理共混说:橡胶沥青的作用过程主要发生物理反应。传统的物理共混说3认为橡胶粉与基质沥青在混溶过程中,胶粉的分子吸收沥青中的轻质组分,发生溶胀,最终形成均匀共混体系。He 2itz man 4也通过分析认为,沥青与胶粉之间没有发生化学反应,胶粉不会溶解于沥青中,而是橡胶粉把沥青组分中的轻质组分吸附到胶粉聚合物链中而产生溶胀,形成凝胶状物质。美国学

6、者H.Barry Takal 2l ou 博士等通过抽提试验发现橡胶沥青的改性过程是可逆的,反应以物理反应为主。化学共混说:橡胶粉与沥青作用是一个化公路工程34卷网络填充学说3:从结构形态的角度来考虑橡胶沥青作用机理。在橡胶沥青的改性过程中,橡胶粉中的聚合物分子受到轻质组分的作用而被分开,经过分散过程后以微粒或丝状分布在沥青基体中。聚合物分子的自由基相互关联,形成松弛的网状结构。聚合物分子的网状化也对基质沥青形成分化,使基质沥青形成网络结构,最终胶粉与沥青形成相互贯穿的网络结构。以上三类理论提出的反应过程在废旧胶粉与沥青的相互作用中都可能存在,只是程度不同。橡胶沥青的反应机理可以概括为:反应初

7、期,胶粉的溶胀作用占主导地位,胶粉恢复部分生胶性质形成疏松絮状结构,同时由于轻质油分被胶粉吸收,沥青黏度增大,两者逐步互溶。溶胀达到一定阶段后,沥青中的轻质组分进入橡胶链空隙,使其脱硫与降解加速发展,橡胶粉部分溶解,分布更加均匀,同时导致黏度较前期有所下降,最终胶粉通过凝胶膜连接,形成黏度很大的半固态连续相体系。2橡胶沥青改性效果的影响因素橡胶沥青改性效果的影响因素大体分为内因和外因两大类。内因就是生产橡胶沥青的原材料因素,外因包括生产橡胶沥青的生产工艺因素。2.1原材料影响因素胶粉来源。O liever6等学者发现,天然橡胶含量高的废旧胶粉对基质沥青性能的改善好于合成橡胶含量高的胶粉,但合成

8、橡胶在胶粉改性沥青稳定性方面更加有利。巴西学者Silvrano A Dantas Ne2 t o等人3研究认为,由冷冻法生产的胶粉制得的橡胶沥青性能低于常温法生产的材料。原因在于常温胶粉更加粗糙,比表面积更大,对改性有利。国内外工程应用状况进一步证明了这一观点3。胶粉粗细程度。研究表明在一定生产工艺条件下,胶粉越细,橡胶沥青达到黏度最大值需要的时间越短,反之,若胶粉较粗,橡胶沥青的黏度增长过程就会延长7。根据交通部公路科学研究院将胶粉目数与橡胶沥青黏度和沥青三大指标等建立的关系表明,胶粉目数对沥青改性效果的提高存在一个最佳值。因为胶粉变细,有助于溶胀效果与相容性的提高,促使胶粉与沥青相互渗透,

9、融为一体。但过细的胶粉在沥青中难以形成稳定骨架结构,失去其颗粒改性复合材料的特性。结合胶粉加工成本考虑,一般以4080目之间为宜。胶粉掺量。Hussain U.Bahia与Robert Da2 vies等研究发现8,胶粉掺量提高,橡胶沥青的旋转黏度随之增加,但改性沥青的延度总体上有下降趋势。同济大学的黄彭教授对橡胶粉掺量对沥青性能的影响进行了研究9,表明橡胶沥青中的废旧胶粉存在一个最优掺量,胶粉掺量增长到一定阶段,其改性效果不再提高甚至出现下降。针对橡胶沥青的改性效果,胶粉掺量应控制在适宜的范围。掺量过小,溶胀作用不明显,无法在分散介质中形成半固态稳定体系;而掺量超过饱和程度后,会影响溶胀作用

10、,过多的胶粉会出现结块或成团现象,胶粉团内部不具备结合力,影响粘结性能,还会影响混合料的拌和,同时导致橡胶沥青混合料碾压不易压实,增加施工难度。从国内外应用情况来看,大多将胶粉掺量控制在20%附近。橡胶沥青的性质,与基质沥青的指标有很大关系。除去基质沥青自身性能高低之外,基质沥青的性质最主要是影响橡胶粉改性沥青的配伍性或相容性。基质沥青越软,即沥青组分中沥青质含量较低,饱和分及芳香分等轻质组分含量较高,胶粉与沥青的相容性较好,因此橡胶粉的改性效果越好。2.2拌和工艺橡胶沥青的拌和工艺包括了拌和方式、拌和温度与时间以及对原材料预处理或外加剂等方面的内容。目前,国内外橡胶沥青的生产工艺概括起来大致

11、可以分为以搅拌互溶和高速剪切两类制备方法10。针对两种拌和工艺的原理和特性,实验室分别采用直接拌和法、高速剪切搅拌法、搅拌-剪切-搅拌法这三种工艺进行对比7,搅拌时间与60黏度对应关系见图1。试验数据表明,高速剪切使得胶粉脱硫、降解加05第4期肖川,等:废旧橡胶粉改性沥青材料在道路工程中的应用与研究图1搅拌方式对橡胶沥青性能的影响剧,使橡胶沥青的黏度衰减。而简单剪切或低速剪切的方式能够实现胶粉在基质沥青中的分散和均匀,有助于橡胶沥青形成稳定体系,并具有一定的经济性,所以是适宜推广的拌和方式。在一定的拌和工艺条件下,拌和温度与时间联系十分紧密,它们共同决定了橡胶沥青的性能。结合对橡胶沥青反应机理

12、与试验分析的研究来看7,11,在适宜范围内,橡胶沥青的拌和温度越高,达到最佳改性效果的反应时间越短。拌和温度是拌和工艺的一个重点,也是改性沥青性能的关键因素。拌和温度太低时,沥青中分散相的热运动较低,难以与胶粉相结合形成稳定体系,改性效果不佳,达到最佳改性效果的时间过长,影响生产效率;而拌和温度高于200后,橡胶沥青过度降解,并发生老化。在一定的温度条件下,拌和时间过短,胶粉溶胀不够充分,且分散不均,难以与分散相充分结合,无法形成稳定体系。时间过长,在拌和的后期,胶粉发育趋于停止,长时间的高温导致胶粉过度脱硫、降解,并使沥青的油分散失,产生不同程度的老化。根据S mall提出的溶解度参数概念1

13、2,橡胶与沥青由于自身性质的差异,较难互溶,需通过机械力使其处于动力学稳定状态,提高其工艺相容性。橡胶沥青的溶胀发育在一定程度上可逆,一旦停止搅拌,橡胶沥青会发生离析现象。为提高其储存稳定性,除延长发育时间的方法外,美国率先开展了胶粉预处理技术,改善其改性效果13。我国的石洪波、廖明义、解建光等11,14,15通过不同的胶粉预处理技术,提高了橡胶沥青稳定性。外加剂分为:使胶粉分散,促进反应的物理外加剂和缩短反应时间,降低反应温度的化学外加剂。为了提高改善效果或生产效率,必需使用外加剂。综上所述,橡胶沥青各因素之间是相互影响的。我们可以凭借正交分析法或灰色关联分析法为数学理论基础,结合不同因素影

14、响作用下的试验数据,分析其共同改性效果,从而确定最佳的橡胶沥青制备方案。从我国情况来看,现阶段,采用3060目左右的常温粉碎胶粉,以20%左右作为胶粉掺量,运用机械搅拌和低速剪切的工艺,辅以适当的外加剂或预处理技术,在180200的温度下拌和45 60m in,是制备橡胶沥青的一种可行性方案。3橡胶沥青评价指标体系沥青材料的评价体系与沥青材料的性能是密切相关的,其评价体系中所包含的技术内容应直接或间接地反映沥青的使用性能。橡胶沥青材料,由于不同国家和地区对其使用的范围和方式不同,评价体系各不相同。3.1国外指标评价体系橡胶沥青的技术指标体系与普通沥青一样,需包括分级指标,以及高温、低温、耐老化

15、、施工及安全指标等,同时橡胶沥青又有其自身特点。在国外,橡胶沥青的分级指标大致是依据橡胶沥青组分,由基质沥青性能与胶粉掺量分级,或者是依据橡胶沥青应用的气候环境划分3。我国和南非等一些国家只是针对橡胶沥青这种材料提出了技术标准,没有分级。此外,对于其他评价指标,各国也有自己的标准。图2是国外主要橡胶沥青技术指标的汇总。3.2国内指标评价体系国内学者通过对国外先进技术的学习和交流,参考国外的指标体系,提出了我国的橡胶沥青性能评价指标。孙祖望教授1在橡胶沥青技术应用指南中提出了我国的沥青-橡胶黏结剂的技术标准,如表1所示。交通部公路科学研究院也提出了我国推荐采用的橡胶沥青技术标准,见表2。在选择橡

16、胶沥青指标评价体系的过程中,主要考虑几方面的要求:保证技术标准能够有效控制橡胶沥青质量;结合胶粉与基质沥青已有的控制指标,抓住评价橡胶沥青性能的核心指标,简化评价体系;根据橡胶沥青的特殊复合改性材料机理,淘汰一些无法准确评价,或与改性机理不相符的指标。综合各种指标来看,黏度指标由于能够准确反映橡胶沥青品质好坏,并能有效控制住胶粉掺量,而且可以反映改性沥青的工作性,在国内外评价体系15公路工程34 卷图2国外主要橡胶沥青技术指标体系表1沥青-橡胶黏结剂的技术标准技术要求Haake黏度(190/(10-3Pas锥入度(25/(0.1mm弹性恢复(25/%软化点/最小1500251852最大4000

17、7074表2橡胶沥青技术指标(推荐180旋转黏度/(Pas25针入度/(0.1mm软化点/弹性恢复/%5延度/c m薄膜烘箱老化质量损失/%25针入度比/%5延度比/%1.04.04080>47>55>10<0.4>80>40中成为了核心指标。弹性恢复指标是表征橡胶沥青抗疲劳和反射裂缝性能的最好指标,而这两方面正好体现橡胶沥青的优势,弹性恢复指标也成为一个关键指标。与此同时,我国常用的沥青“3大指标”在橡胶沥青评价体系中的地位发生了变化。传统的针入度对于橡胶沥青之类的颗粒改性材料而言,具有较大随机偏差,常被锥入度所取代。软化点对胶粉改性沥青材料性能评价的灵敏

18、性也受到了质疑。但二者由于测试方法统一、方便,并且便于橡胶沥青材料与其他沥青材料进行对比,仍然沿用或作为参考性指标。而延度由于其偏离了材料实际使用状态,不能准确评价橡胶沥青使用性能而逐渐不被采用,低温性可由当量脆点来评价16。4橡胶粉改性沥青混合料性能分析4.1橡胶沥青混合料配合比设计橡胶沥青混合料的技术指标分为两大类:一是混合料的体积参数指标,包括密度、孔隙率、矿料间隙率、饱和度等。另一类是力学参数指标,即混合料试件的马歇尔稳定度和流值。在配合比设计过程中,往往通过体积参数指标来保证沥青油膜需要的矿料间隙以及具有较高弹性的混合料的回弹空间,保证橡胶沥青混合料结构的稳定性。对于力学指标而言,以

19、色列专家A rieh Sidess和Jacob Uzan指出:橡胶沥青混合料具有稳定度较低、流值较大的特点。这一特点决定了橡胶沥青混合料需适当调整其指标控制范围。橡胶沥青混合料的配合比设计可以与普通沥青混合料设计相似,但适用于橡胶沥青材料的的矿料级配有其特殊性,因此矿料级配的确定成为一个核心问题。由于橡胶沥青是颗粒改性沥青,该特性易使橡胶沥青在集料表面形成较厚的黏结膜,而密级配混合料无法提供足够的空间给橡胶沥青黏结膜。因此橡胶沥青材料更适应于开级配和断级配混合料。同时,开级配或间断级配混合料由于粗料之间的细集料较少,在空隙没有足够细料填充的情况下,普通沥青材料容易在重力下导致垂流,而高黏度橡胶

20、沥青能有效保证其结构的稳定。就实际情况而言,材料的破坏状态与使用状态是两个不同的力学状态,而橡胶沥青材料具有低极限强度、高性能的特点,故确定橡胶沥青混合料最佳油石比时,建议采用体积参数作为主要设计指标,而将马歇尔稳定度等极限强度指标作为参考性指标考虑17,并抓住橡胶沥青的特性,适当放宽极限指标的控制范围。黄彭教授等结合普通沥青用量,提出了橡胶沥青混合料中的沥青用量Q的确定公式9:25第4期肖川,等:废旧橡胶粉改性沥青材料在道路工程中的应用与研究Q=q(1+k+(0.10.4式中:q为普通沥青用量;k为胶粉掺量%;0.1 014为胶粉吸收有份及溶胀时增加量。4.2橡胶沥青混合料路用性能研究橡胶沥

21、青混合料的路用性能主要包括:高温抗变形能力、低温抗开裂能力、抗水损坏能力和抗疲劳破坏能力。目前,为了操作和对比研究的方便,国内外现行沥青技术规范的相关内容,同样适应于橡胶沥青混合料路用性能检验以及试验方法与技术要求。国内外的研究数据表明,橡胶粉改性沥青材料对其混合料各方面性能都得到不同程度的改善16,18。本文对各方面性能提升的原因进行了总结,归纳为:高温稳定性提高的原因在于橡胶沥青具有较高的高温黏度,且胶粉在高温下溶胀,增加了混合料的内摩擦角,所以高温抗裂性能得到提高;低温抗裂性能提升是由于橡胶沥青材料的特殊性能,降低了其混合料在低温时的劲度模量,因而提高了橡胶沥青混合料的极限抗拉强度;抗水

22、损坏得到改善的原因是橡胶沥青中适宜的胶粉掺量,使得橡胶沥青在集料表面形成合适的油膜保护层,不易析漏和泛油,同时油膜的保护提高了道路抗水损坏的能力。与改善低温性能相似,由于橡胶沥青混合料的弹性模量下降,材料弯拉应力也随之下降,这样在动荷载的作用下,混合料动态响应能力提升,从而延长路面疲劳寿命。5结论与展望橡胶粉改性沥青材料的应用领域很广泛,包括:低噪声、排水、抗滑沥青混凝土路面;碎石封层与薄层罩面技术;应力吸收层和防水粘结层,可有效防治反射裂缝和加强层间粘结,如用作“白改黑”工程的粘层和桥面铺装防水层。要大力推广和应用好橡胶粉改性沥青材料,应加强以下几个方面的研究:橡胶粉、基质沥青与拌和方式、时

23、间、温度等因素之间是紧密联系的,如何使各因素达到最优化的配置,在我国形成统一的、规模化生产的成熟技术,还有很大的发展空间。废旧橡胶粉改性沥青的作用机理比较复杂,也决定了它相对其他沥青材料的特异性。目前,针对橡胶沥青的路用性能评价指标及行之有效的试验方法还没有形成体系。橡胶沥青及其混合料力学方面特性需要从力学角度出发,通过对橡胶沥青混合料的本构关系的探讨,研究其性能特点。橡胶沥青作为一种复合改性材料,生产中各种因素影响及其自身特性具有复杂性,决定了这方面是其性能研究的一个难点。参考文献1孙祖望,陈飙.橡胶沥青技术应用指南M.北京:人民交通出版社,2007.2黄文元,徐立廷.国内外轮胎橡胶在路面工

24、程中的应用及研究A.第六届全国路面新材料和技术论坛C.哈尔滨,中国公路学会,2005.3王旭东,李美江,路凯冀,等.橡胶沥青及混凝土应用成套技术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张小英,徐传杰,孔宪明.废橡胶粉改性沥青研究综述(2J.石油沥青,2004,18(5:1-4.7孙大权,徐晓亮,吕伟民.橡胶沥青生产工艺关键技术参数的研究J.长沙交通学院学报,2008,24(3:3337.8Hussain U.Bahia and Robert Davies.Fact ors Contr ollingthe Effec