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。

▍一  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: ①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 i t z ma n [ 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。美国学者 H. Ba r r yT a k a l l o u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。 ②化学共混说:橡胶粉与沥青作用是一个化学混溶过程。化学共混说[ 3] 认为沥青与胶粉在高 温下共同混合,由于沥青中含有极性和非极性化合 物,存在羟基、脂基等有机官能团,沥青与胶粉发生 化学共混,生成新的化学键的结合,发生化学反应。 伊利洛伊州大学的 Ab d e l r a h ma n博士[ 5 ] 利用 G ＊和 δ的不同意义和变化规律,证明了反应中的脱硫、降 解等化学过程。 F .J . Na v a r o 等将橡胶沥青中的不溶 物与胶粉中的不溶物对比发现,经过改性作用过程, 橡胶沥青中的不溶物含量减少,说明在混溶过程中 胶粉发生了化学反应。 ③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。

▍二  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 

2. 1. 1　胶粉因素 ①胶粉来源。Ol i e v e r [ 6] 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,但合成橡胶在胶粉改性沥青稳 定性方面更加有利。巴西学者 S i l v r a n oADa n t a s Ne 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] 。 ②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,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 40 ～80目之间为宜。 ③胶粉掺量。 Hus s a i nU.Ba hi a与 Ro b e r tDa v i e s 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,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。

 2. 1. 2　基质沥青性质 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。

 2. 2. 1　拌和方式 目前,国内外橡胶沥青的生产工艺概括起来大 致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。

 2. 2. 2　拌和温度与时间 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 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。

▍三  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、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。 在选择橡胶沥青指标评价体系的过程中,主要 考虑几方面的要求:①保证技术标准能够有效控 制橡胶沥青质量;②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;③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。

▍四  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

4. 1. 1　橡胶沥青混合料技术指标分析 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,以色列专家 Ar i e hSi d e s s 和J a c o bUz a n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。 

4. 1. 2　适用于橡胶沥青的矿料级配 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 胶沥青能有效保证其结构的稳定。

4. 1. 3　最佳油石比的确定 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] Q=q ( 1 +k )+( 0. 1～ 0. 4) 式中:q为普通沥青用量;k为胶粉掺量%; 0. 1 ～ 0. 4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: ①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; ②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; ③抗水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。 ④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。 

▍五  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: ①橡胶粉、基质沥青与拌和方式、时间、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。 ②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。 ③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。