張戰(zhàn)軍,溫麗瑗,2,陳東慶,柯海,袁凱恒,陳小平,2
(1.廣東石油化工學(xué)院,廣東茂名525000;2.廣東省石油化工污染過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東茂名525000;3.廣東省公路管理局茂名瀝青儲(chǔ)運(yùn)中心,廣東茂名525000)
瀝青具有良好的路用性能,在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。而在基質(zhì)瀝青中加入橡膠粉制備得到的橡膠瀝青,改善了其路用使用性能,其抗老化性、抗車轍性、抗疲勞性和降噪效果得到了很大提高,同時(shí)提高了路面的使用壽命[1]。2020年,國(guó)內(nèi)廢舊輪胎產(chǎn)量將達(dá)到2 000×104t,廢舊輪胎堆積焚燒污染極大,將其磨成粉末添加到瀝青中,廢物再利用,應(yīng)用前景廣闊價(jià)值非凡;然而,橡膠瀝青混合料粘而稠,實(shí)際鋪筑施工采用熱拌工藝,拌和溫度達(dá)到180℃,熱拌生產(chǎn)和施工過程中不僅產(chǎn)生危害氣體、粉塵及大量能量的消耗,也會(huì)使得瀝青混合料部分老化結(jié)塊,制約橡膠瀝青路面的使用壽命[2]。因此,國(guó)內(nèi)外許多研究者將溫拌技術(shù)引入到橡膠瀝青中,降低了施工過程中橡膠瀝青的粘稠度,提高了瀝青混合料的易和性,降低了20~30℃的操作溫度,節(jié)約成本,減少能耗,同時(shí)保證橡膠瀝青路面的使用性能,延長(zhǎng)設(shè)備的使用年限。文中主要圍繞溫拌橡膠瀝青進(jìn)行國(guó)內(nèi)外研究情況綜述,分析各類溫拌技術(shù)機(jī)理,闡述今后解決的主要問題及未來發(fā)展趨勢(shì)。
橡膠瀝青,亦稱橡膠粉改性瀝青,即廢舊輪胎加工磨制的橡膠粉粒與瀝青加入一定的外加劑在高溫狀態(tài)下溶脹而成的復(fù)合瀝青材料。橡膠瀝青的文獻(xiàn)最早報(bào)道于1843年英國(guó)的1項(xiàng)專利?,F(xiàn)實(shí)意義上的橡膠瀝青的生產(chǎn)始于20世紀(jì)40年代,美國(guó)1家橡膠回收公司率先采用干法工藝生產(chǎn)了Ramflex TM橡膠粉瀝青混合料[3]。
國(guó)外學(xué)者在橡膠瀝青路面推廣與使用中,開展大量的實(shí)驗(yàn)室模擬研究的同時(shí)也進(jìn)行了試驗(yàn)路段的鋪筑。1979~1981年,阿拉斯加州采用干法鋪設(shè)了7段試驗(yàn)路,對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),橡膠瀝青路面抗滑能力和疲勞性能有了很大的提高[4];1983~1991年間,俄勒岡州同時(shí)采用干法、濕法工藝鋪筑了橡膠瀝青混合料試驗(yàn)路,結(jié)果得出橡膠粉改性瀝青對(duì)低溫抗裂的性能改善顯著,對(duì)混合料的模量等強(qiáng)度指標(biāo)降低了,但大大增加了抗疲勞性能[5]。1990~1993年,弗吉尼亞州對(duì)鋪筑的5段橡膠瀝青路面試驗(yàn)路,進(jìn)行行車荷載作用后性能測(cè)試實(shí)驗(yàn),得出抗車轍能力和抗滑性能均有提高[6]。1990~1992年,加拿大安大略省11條試驗(yàn)路段進(jìn)行橡膠粉改性瀝青路面鋪筑,96年提交了評(píng)估報(bào)告,全面評(píng)價(jià)了橡膠瀝青路面錄用性能,包括橡膠瀝青混合料設(shè)計(jì)和生產(chǎn)及環(huán)境影響、路面使用性能、路面建設(shè)初始費(fèi)用、路面壽命評(píng)估費(fèi)用等方面[7]。從1988年開始亞利桑那州全面推廣實(shí)施橡膠瀝青項(xiàng)目,截止2011年消耗掉了1 500×104條廢舊輪胎制成橡膠粉,生產(chǎn)并使用420×104t的橡膠瀝青。此外,南非順利推廣并成功應(yīng)用橡膠瀝青鋪筑了公路路面,橡膠瀝青路面鋪筑已60%以上,與普通瀝青路面相對(duì)比,當(dāng)前鋪設(shè)的橡膠瀝青混合料路面的使用壽命顯著提高,長(zhǎng)達(dá)20~25 a[8]。
國(guó)內(nèi)橡膠瀝青起步較晚,20世紀(jì)90年代,國(guó)家開始提倡環(huán)保和廢物回收利用,國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出部分橡膠企業(yè)將廢舊輪胎的回收再利用生產(chǎn)用于瀝青里面的橡膠粉。文獻(xiàn)報(bào)道國(guó)內(nèi)橡膠瀝青的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室研究,道路應(yīng)用較少。
1.2.1 橡膠瀝青實(shí)驗(yàn)室研究國(guó)內(nèi)很多學(xué)者研究制備得到橡膠瀝青的高低溫性能及存儲(chǔ)穩(wěn)定性。周海生、蘇慶國(guó)等人[9]通過膠粉改性瀝青試驗(yàn)證明膠粉改性性能良好,尤其改善了瀝青與集料粘附性。分析了橡膠粉摻入拌制的瀝青瑪蹄脂碎石(SMA)中對(duì)混合料性能的影響,結(jié)果表明橡膠粉在一定程度上可以替代纖維降低生產(chǎn)成本,而且具有良好的高溫性能與水穩(wěn)性。
楊永順[10]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同反應(yīng)時(shí)間和不同反應(yīng)溫度加入不同粒徑、不同摻量的廢輪胎橡膠粉對(duì)瀝青改性效果及變化規(guī)律。結(jié)果表明:反應(yīng)溫度為200℃,反應(yīng)時(shí)間為60 min,采用粒度為80目、摻量15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的橡膠粉制備橡膠瀝青性能最優(yōu)。
東南大學(xué)曹榮吉博士[11]通過室內(nèi)試驗(yàn)和試驗(yàn)路段,研究了橡膠瀝青的改性機(jī)理及混合料設(shè)計(jì)方案,認(rèn)為橡膠瀝青混溶體系改性以物理共混為主,過程中存在脫硫降解等學(xué)學(xué)反應(yīng);同時(shí)通過橡膠瀝青生產(chǎn)工藝參數(shù)的系列研究,提出了橡膠瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
房斌等人[12]開發(fā)了1套橡膠瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性測(cè)定儀,考察了橡膠粉摻量、存儲(chǔ)時(shí)間、溫度對(duì)橡膠瀝青穩(wěn)定性的影響規(guī)律。試驗(yàn)分析得出提高橡膠瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性可采用攪拌存儲(chǔ)和添加穩(wěn)定劑2種方式。
何立平[13]通過正交試驗(yàn),考察了橡膠粉摻量、硫摻量、剪切溫度及剪切時(shí)間對(duì)橡膠瀝青混合料性能的變化趨勢(shì)影響,并確定了橡膠瀝青制備工藝各參數(shù)及外摻劑的優(yōu)化組合方案。
何東坡[14]通過馬歇爾擊實(shí)實(shí)驗(yàn),對(duì)熱拌橡膠瀝青混合料最佳油石比隨級(jí)配變化、膠粉類型、膠粉摻量的變化規(guī)律進(jìn)行探究。結(jié)果表明:橡膠瀝青混合料適宜采用60目膠粉,膠粉外摻量不宜超過24%,油 石 比 在8.5~9.5之 間。段 功 瓅[15]將0.3mm、0.6mm的礦料用廢舊橡膠粉0.4%、0.8%(占礦料總質(zhì)量)來代替,采用干法設(shè)計(jì)了不同種類的廢舊橡膠粉改性瀝青混合料,貝雷法優(yōu)化了混合料級(jí)配,結(jié)果顯示混合料具有良好的高溫抗車轍性能,低溫性能與抗水損性能可以滿足行規(guī)。
尹建偉[16]以再生橡膠粉摻量為變量,采用干法工藝研究了40目再生橡膠粉從0~60%摻入瀝青混合料中,綜合考察再生橡膠粉改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及低溫抗裂性等性能,摻量為25%~35%,橡膠瀝青混合料大幅提升瀝青路用性能。
實(shí)驗(yàn)室研究得出的橡膠粉改性瀝青高低溫性能、水穩(wěn)定性及存儲(chǔ)性能均優(yōu)于普通瀝青且達(dá)到了對(duì)廢橡膠輪胎粉的回收瀝青,大規(guī)模道路鋪筑使用更加環(huán)保節(jié)能。
1.2.2 橡膠瀝青道路應(yīng)用現(xiàn)狀2001年西部交通建設(shè)項(xiàng)目“廢舊橡膠粉用于筑路的技術(shù)研究”,展開了對(duì)國(guó)內(nèi)橡膠粉應(yīng)用情況的全面調(diào)查,并通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)橡膠粉路用性能能進(jìn)行評(píng)價(jià),同時(shí)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行設(shè)計(jì),綜合研究1套成熟可靠的橡膠瀝青施工工藝[17]。2004年,張金喜[18]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出廢橡膠摻量達(dá)到9.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),瀝青混凝土具有明顯的防路面凍結(jié)性能;在實(shí)際工程中,預(yù)計(jì)摻入2%~3%左右的廢橡膠即可達(dá)到防路面凍結(jié)效果。
2008年北京承辦奧運(yùn)會(huì)、2010年上海承辦世界博覽會(huì)、2010年廣州承辦夏季亞運(yùn)會(huì)都將城市降噪作為提升城市品位的手段,紛紛啟動(dòng)橡膠瀝青混合料的應(yīng)用研究項(xiàng)目。
國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者通過室內(nèi)和室外試驗(yàn)相結(jié)合對(duì)橡膠瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試研究得出橡膠瀝青具有更好的路用性能和更長(zhǎng)的使用壽命,但是橡膠瀝青粘稠鋪筑過程中需要高溫施工,對(duì)環(huán)境及人體的危害較大,道路材料也向著綠色環(huán)保發(fā)展,溫拌技術(shù)的出現(xiàn)并與橡膠瀝青相結(jié)合開創(chuàng)了全新的研究技術(shù)領(lǐng)域。
溫拌瀝青混合料(Warm Mix Asphalt簡(jiǎn)稱WMA)是指在基本不改變?yōu)r青混合料配合比和施工工藝的前提下,通過技術(shù)手段,使瀝青混合料的拌合溫度降低30~40℃以上,性能達(dá)到熱拌瀝青混合料的新型瀝青混合料。一般情況施工溫度100~120℃的瀝青混合料稱為溫拌瀝青混合料。
2.1.1 溫拌瀝青國(guó)外應(yīng)用情況20世紀(jì)90年代溫拌技術(shù)在歐洲部分國(guó)家開始使用,1995年首個(gè)工程項(xiàng)目竣工[19]。而溫拌瀝青的概念正式得到闡述是2000年美國(guó)殼牌公司和挪威公司在國(guó)際瀝青路面會(huì)議發(fā)表的。許多學(xué)者相繼研發(fā)泡沫型和有機(jī)降粘型2類溫拌技術(shù),并成功開始應(yīng)用,之后溫拌技術(shù)盛行于歐美、日本和南非等國(guó)家,推廣使用路用性能對(duì)溫拌技術(shù)又進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用[20]。
2004年美國(guó)在加利福尼亞州和北卡羅萊納州首次完成了溫拌瀝青現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[21]。2004年以后,以美國(guó)瀝青路面技術(shù)研究中心(NCAT)對(duì)歐洲溫拌瀝青技術(shù)進(jìn)行全面調(diào)研,采用3種比較成熟的溫拌劑,開展了一系列的相關(guān)試驗(yàn)研究。
2.1.2 溫拌瀝青國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況溫拌瀝青的起步國(guó)內(nèi)比國(guó)外晚,直到2005年,國(guó)內(nèi)第1條Evotherm溫拌瀝青混合料路面在北京成功鋪筑,采用了乳化瀝青分散技術(shù);2006年11月,在西藏林周地區(qū)試驗(yàn)路段,零下4℃環(huán)境條件下,重慶交通科學(xué)研究設(shè)計(jì)院研究人員采用有機(jī)降黏溫拌技術(shù)進(jìn)行了鋪設(shè),混合料的拌和碾壓溫度降低20~40℃。2007年,在340省道成功采用Evotherm技術(shù)和SAK降粘劑進(jìn)行了溫拌瀝青試鋪,施工效果良好。2008年,浦東路橋公司對(duì)SMA溫拌材料性能進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度和抗疲勞評(píng)估,得出的結(jié)論與和交通部公路科研院的研究結(jié)論相吻合。
目前國(guó)內(nèi)外成熟的溫拌技術(shù)大致可分為4類:沸石溫拌技術(shù)、泡沫溫拌技術(shù)、乳化瀝青溫拌技術(shù)和有機(jī)降粘溫拌技術(shù),見表1。
(1)溫拌技術(shù)的沸石是人工合成Aspha-min沸石,該種沸石主要成分是含有結(jié)合水的硅鋁酸鈉(AlNaO6Si2);
(2)泡沫溫拌技術(shù)是由美國(guó)Shell和挪威公司合作研制的2階段溫拌技術(shù),首先將軟道路瀝青(溫度為100~120℃)與其它骨料混合攪拌,然后通過發(fā)泡機(jī)將硬瀝青泡沫化,達(dá)到良好的施工性;
(3)乳化瀝青溫拌技術(shù)主要采用的是在瀝青混合料中添加化學(xué)外加劑(如乳化劑)和瀝青分散技術(shù),實(shí)現(xiàn)了瀝青混合料的溫拌;
(4)有機(jī)降粘溫拌技術(shù)是指在瀝青混合料中加入熔點(diǎn)低的有機(jī)物,降低瀝青混合料的粘稠度。
溫拌橡膠瀝青結(jié)合料是指在橡膠瀝青中融入溫拌劑的技術(shù),而且確保橡膠瀝青路面強(qiáng)度、耐久性與使用性能與熱拌橡膠瀝青混合料一致,達(dá)到道路使用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。
2.3.1 國(guó)外溫拌橡膠瀝青研究情況2005年,美國(guó)瀝青技術(shù)研究中心環(huán)道中首次使用溫拌橡膠瀝青進(jìn)行鋪設(shè),并對(duì)道路性能各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證,該中心提交了3種溫拌橡膠瀝青技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果研究報(bào)告。2008年Akisetty、Jones等人在室內(nèi)進(jìn)行溫拌橡膠瀝青模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出溫拌劑可有效降低橡膠瀝青的旋轉(zhuǎn)粘度,抗車轍性能增強(qiáng),但降低了低溫抗開裂性能。2009年Akisetty學(xué)者在5種不同基質(zhì)瀝青中摻入10%的橡膠粉,同時(shí)加入溫拌劑Aspha-min和Sasobit進(jìn)行拌和,得到溫拌橡膠瀝青,發(fā)現(xiàn)Sasobit溫拌劑改善了橡膠瀝青高溫下抗永久形變力,明顯降低了橡膠瀝青膠結(jié)料粘度,結(jié)構(gòu)破壞溫度被提升。
2010年,Brown D通過多個(gè)項(xiàng)目的合作研發(fā)及實(shí)驗(yàn)室大量實(shí)驗(yàn),在橡膠瀝青生產(chǎn)中加入1個(gè)發(fā)泡系統(tǒng),可有效降低橡膠化溫度50℃,有效壓實(shí)橡膠瀝青路面,節(jié)約生產(chǎn)成本及維護(hù)費(fèi)用。
2015年,Kim等人在橡膠瀝青中添加一系列不同摻量的蠟添加劑,通過短期旋轉(zhuǎn)薄膜老化和長(zhǎng)期壓力老化實(shí)驗(yàn)得出,蠟添加劑可降低橡膠瀝青在135℃時(shí)的粘度,且蠟添加劑較高時(shí)橡膠瀝青可滿足瀝青路面各方面要求,摻量達(dá)為3.5%時(shí),可大幅度降低橡膠瀝青的拌合和攤鋪溫度。
2017年Rodríguez-Alloza在膠粉基質(zhì)瀝青中摻入20%的橡膠粉,然后再添加2種有機(jī)拌合劑Sasobit和LicomontBS100,測(cè)試橡膠瀝青力學(xué)性能。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2種溫拌劑不僅降低了橡膠瀝青混合料的生產(chǎn)溫度,而且保持橡膠瀝青混合料優(yōu)良的抗疲勞性能和勁度模量,改善橡膠瀝青混合料的硬度,增強(qiáng)混合料路面結(jié)構(gòu)抗永久形變能力。
2020年Mahmoud等人在橡膠瀝青中引入slack wax(SW)和polypropylene wax(PPW)2種溫拌劑,添加量為6%可有效降低混合溫度和壓實(shí)溫度20~25℃,提高了橡膠瀝青混合料的強(qiáng)度。
2.3.2 國(guó)內(nèi)溫拌橡膠瀝青研究情況國(guó)內(nèi)溫拌技術(shù)與橡膠瀝青相結(jié)合使用,在2008年后,陸續(xù)有學(xué)者開始研究,以望2種環(huán)保型技術(shù)手段的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。2008年,在河北鋪設(shè)了世界上第1條溫拌橡膠瀝青試驗(yàn)路。同年Evotherm溫拌橡膠瀝青技術(shù)在石家莊石環(huán)公路試驗(yàn)路得到了應(yīng)用。
2009年山東大學(xué)的商淑杰詳細(xì)研究了不同目數(shù)橡膠粉和不同摻量溫拌劑制得的溫拌橡膠瀝青混合料各項(xiàng)性能指標(biāo),研究結(jié)果表明增大粉膠比和增加溫拌劑含量可以降低膠漿的溫度敏感性、改善瀝青混合料的高溫性能,但添加溫拌劑量過多會(huì)增加生產(chǎn)成本。2012年溫拌橡膠瀝青混合料成功鋪筑與海淀萬柳中路試驗(yàn)路段,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溫拌技術(shù)應(yīng)用于橡膠瀝青混合料中顯著降低了橡膠瀝青生產(chǎn)和施工過程中有毒有害氣體的排放。2015年在南京南站與機(jī)場(chǎng)連接線試驗(yàn)段工程中采用溫拌橡膠瀝青SMA-13鋪設(shè),測(cè)試結(jié)果在相同條件下溫拌橡膠瀝青SMA比橡膠瀝青SMA壓實(shí)溫度降低了20℃,水穩(wěn)定性和抗開裂性能保持不變,顯著提高了橡膠瀝青的高溫穩(wěn)定性。
近幾年,國(guó)內(nèi)更多學(xué)者從溫拌橡膠瀝青的宏觀應(yīng)用研究深入了微觀機(jī)理研究。楊國(guó)良等人在實(shí)驗(yàn)室模擬溫拌橡膠瀝青老化試驗(yàn),對(duì)老化前后Evotherm溫拌瀝橡膠青官能團(tuán)及各組分進(jìn)行表征分析,紅外光譜峰顯示,老化前后吸收峰及官能團(tuán)位置基本未變,羥基和羧基峰形變得突出,芳香分和瀝青質(zhì)增多,飽和分減少。
劉宇等人采用紅外光譜分析了溫拌橡膠瀝青短期老化和熱—氧—水蒸氣老化實(shí)驗(yàn)前后官能團(tuán)及組分變化情況。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),熱—氧—水蒸氣老化5針入度降低更快,軟化點(diǎn)提高更多,黏度增加更明顯。短期老化活性基團(tuán)的生產(chǎn)較少,熱—氧—水蒸氣老化后溫拌橡膠瀝青中的羥基、羰基、脂肪族亞甲基和甲基、亞砜基等官能團(tuán)含量增加更多。
廣州大學(xué)黃征研究了Hsbit和Evotherm-M1溫拌劑對(duì)橡膠瀝青的降黏機(jī)理、短期老化及流變性能。研究結(jié)果得出,溫拌劑的加入與橡膠瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)香亞砜S=O和芳香族伯胺—NH2含量增加,C-S發(fā)生斷裂減少,降低橡膠瀝青膠結(jié)料粘度前者降粘作用優(yōu)于后者。2種溫拌橡膠瀝青均滿足1級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。
張偉采用掃描電鏡分析了溫拌劑添加前后2種不同配比工藝下橡膠粉在瀝青中的分散度及溶脹情況,采用紅外光譜儀表征了溫拌橡膠瀝青微觀結(jié)構(gòu),同時(shí)測(cè)試了溫拌橡膠瀝青的3大指標(biāo)、黏度等性質(zhì);結(jié)果表明橡膠粉摻量為18%~20%,溫拌劑宜為3%,先加橡膠粉后加溫拌劑可使橡膠粉在基質(zhì)瀝青中分布更均勻,溶脹進(jìn)程得到改善。
馬育研究了Evotherm DAT和Sasobit溫拌劑制備得到的溫拌橡膠瀝青實(shí)驗(yàn)室模擬老化特征與規(guī)律,對(duì)比了老化前后溫拌橡膠瀝青的宏觀性能指標(biāo)和微觀形貌,分別對(duì)Evotherm DAT和Sasobit溫拌橡膠瀝青的模擬老化過程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:在163℃老化,DAT溫拌橡膠瀝青低溫勁度和抗疲勞性優(yōu)于Evotherm DAT溫拌橡膠瀝青,高溫穩(wěn)定性、降黏效果2者相反。
程培峰利用正交試驗(yàn)對(duì)溫拌橡膠瀝青的制備影響因素權(quán)重進(jìn)行分析,借助灰關(guān)聯(lián)確定各因素比例,通過針入度、軟化點(diǎn)、粘溫系數(shù)綜合評(píng)價(jià)溫拌橡膠瀝青性能。最終得出溫拌橡膠瀝青制備最佳配比工藝:溫拌劑摻量0.6%、膠粉摻量20%、攪拌時(shí)間75 min、攪拌溫度200℃。
改性廢舊橡膠粉在溫拌瀝青中的應(yīng)用越來越廣泛,拌和施工溫度低,路用性能穩(wěn)定,是經(jīng)濟(jì)環(huán)保的瀝青路面鋪筑技術(shù)。但需解決2大主要問題:(1)生產(chǎn)廢舊輪胎膠粉時(shí)嚴(yán)格把控原料來源和生產(chǎn)工藝確保膠粉產(chǎn)品質(zhì)量及環(huán)保要求;(2)溫拌劑的開發(fā)需加大力度,深入分析內(nèi)在改性機(jī)理,加強(qiáng)路面試驗(yàn)段鋪筑性能測(cè)試,優(yōu)化不同環(huán)境下施工工藝,使得溫拌橡膠瀝青在不同條件下都有優(yōu)良的使用性能,從而促進(jìn)溫拌橡膠瀝青路面的發(fā)展。