橡膠改性瀝青技術(shù)在甘肅的應(yīng)用探討

付劍鋒FU Jian-feng

（甘肅公航旅石墨烯科技發(fā)展有限責(zé)任公司，蘭州 730099）

0 引言

隨著甘肅省經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，公路建設(shè)也迎來了高速發(fā)展期。瀝青路面表面平整、行車舒適，還具有施工期短、養(yǎng)護(hù)簡便等諸多優(yōu)勢，使其成為甘肅省各類公路路面主要的形式。從氣候角度看，甘肅省屬于北方季凍區(qū)，四季溫度有大幅變化，溫差最高可達(dá)到70℃以上。隨著公路交通流量的不斷增大，在長期重交通車輛荷載、大溫差等共同作用下，裂縫、車轍成為甘肅瀝青路面最主要的道路病害。裂縫、車轍也進(jìn)一步加劇了瀝青路面的水損害，使瀝青路面出現(xiàn)了松散、坑槽、麻面、沉陷等諸多病害，因此，也降低了路面的服役質(zhì)量和年限。

改善瀝青性能、延長瀝青路面的使用壽命，已成為甘肅高海拔地區(qū)道路建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程亟待解決的課題。目前，已開展較多的瀝青改性研究，有SBS 改性瀝青、橡膠改性瀝青、PE 改性瀝青、橡塑纖維改性瀝青等。這些改性方法對(duì)提高瀝青路面的路用性能，以及避免路面早期破壞起到了非常重要的作用。另一方面，基于我國目前大量廢舊輪胎的產(chǎn)生，將廢橡膠磨粉摻入瀝青中制備橡膠瀝青，鋪筑橡膠瀝青路面開始受到廣泛關(guān)注。研究表明，橡膠瀝青路面能有效地提高瀝青混合料的高、低溫穩(wěn)定性、抗疲勞裂縫能力、耐久性和抗老化性能，具有延長瀝青路面的使用壽命、降低行車噪音和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。

目前，甘肅省政府已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到廢橡膠等高分子固廢給人們生活和環(huán)境造成的負(fù)面影響，將高分子固廢再利用列為重點(diǎn)科技資助項(xiàng)目進(jìn)行針對(duì)性研究。同時(shí)，構(gòu)筑高性能瀝青路面也是經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要訴求。因此，這些因素共同為橡膠瀝青在甘肅省道路工程的應(yīng)用研究提供了良好的機(jī)遇。

1 國內(nèi)外橡膠路面的研究現(xiàn)狀

1.1 國外橡膠瀝青路面的研究應(yīng)用概況

橡膠瀝青用于路面始于20 世紀(jì)60 年代，由Chales McDonald 首先發(fā)明該技術(shù)，并應(yīng)用于應(yīng)力吸收層（SAM）；70 年代，美國亞利桑那州精煉公司推出了脫硫膠粉改性瀝青，將脫硫橡膠瀝青用于開級(jí)配瀝青混凝土中；從20 世紀(jì)70 年代到90 年代，美國利用濕法和干法工藝的橡膠瀝青分別鋪筑了試驗(yàn)路段，并對(duì)路面的施工工藝和路用性能進(jìn)行了總結(jié)。90 年代后，美國聯(lián)邦通過立法要求，在瀝青道路工程中逐漸增加廢胎膠粉用量，至1997 年廢胎膠粉的添加量能夠達(dá)20%。共有27 個(gè)州研究了橡膠粉改性瀝青及其混合料技術(shù)，也研究了采用橡膠瀝青進(jìn)行路面表面處治。

1996 年，伊利諾斯大學(xué)的Abdelrahman 博士研究了瀝青和橡膠粉的反應(yīng)機(jī)理機(jī)理。研究結(jié)果表明，在反應(yīng)初期，橡膠粉以吸收瀝青輕質(zhì)組分溶脹為主；隨著膠粉的溶脹，膠粉的液相部分勁度增加，瀝青與橡膠固相部分接觸的可能性也增加；當(dāng)溫度升高和反應(yīng)時(shí)間延長，橡膠粉在瀝青中的脫硫裂解逐步取代溶脹反應(yīng)，橡膠固相的交聯(lián)減弱，但液相部分的勁度仍增加。

瑞典的研究人員研究得到了干法橡膠的表面層瀝青混合料工藝。研究結(jié)果表明，加入橡膠粉后，瀝青路面的低溫性能和抗水損害能力明顯改善，在抗滑除冰、防反射裂縫、防溫度裂縫、抗永久變形等性能方面，也比參照路段具有更好的效果。但在施工上，瀝青路面出現(xiàn)了離析現(xiàn)象、壓實(shí)度不足等問題，可能與膠粉顆粒過大有關(guān)。

南非的廢舊輪胎橡膠粉在公路建設(shè)中的應(yīng)用也相對(duì)成功，截止到目前有超過60%的路面使用橡膠瀝青。應(yīng)用領(lǐng)域包括熱拌橡膠瀝青混合料、應(yīng)力吸收層、應(yīng)力吸收中間層等，基本擁有了一整套橡膠瀝青相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，且擁有服役超過20 年仍然完好的橡膠瀝青路面。在法國，橡膠瀝青的攤鋪量也已超過100 萬m2。橡膠瀝青主要應(yīng)用于多孔隙路面，在排水、重交通和抗剪切等方面，具有比普通瀝青多孔路面更多的優(yōu)勢。

另外，橡膠瀝青路面在加拿大、德國、新西蘭、澳大利亞、沙特阿拉伯和日本也有著廣泛的工程應(yīng)用。

1.2 國內(nèi)橡膠瀝青路面的研究應(yīng)用概況

20 世紀(jì)80 年代初，為改善國產(chǎn)瀝青品質(zhì)，國內(nèi)的科研院所、公路建設(shè)部門等借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn)，先后進(jìn)行了橡膠在瀝青路面中的應(yīng)用研究，并鋪筑了大量試驗(yàn)路。2001 年第一批交通部西部科技項(xiàng)目立項(xiàng)，進(jìn)行了“廢舊輪胎膠粉用于筑路的技術(shù)研究”，從橡膠粉標(biāo)準(zhǔn)、橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)、混合料配合比設(shè)計(jì)方法、混合料加工工藝，再到橡膠瀝青路面的設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行了大量系統(tǒng)的研究。

橡膠瀝青的工程應(yīng)用難點(diǎn)在于粘度大、存貯不穩(wěn)定（瀝青/膠粉相容性），使得橡膠摻量不能過高。橡膠摻量大于20%瓶頸的橡膠改性瀝青生產(chǎn)工藝得到突破，如橡膠脫硫、添加降粘劑（如生物油，溫拌劑）是目前主流增加橡膠的方法。隨后，Terminal Blend 橡膠瀝青方法的問世，從膠粉的“溶解”角度為生產(chǎn)高摻量橡膠瀝青提供了新方法，其核心思想是通過化學(xué)能、熱能與機(jī)械能相互結(jié)合以及共同作用，將橡膠粉的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)完全破壞，而后使其溶解于基質(zhì)瀝青中。

2014 年，河北工業(yè)大學(xué)王國清等也研究了高摻量橡膠改性瀝青及其制備方法。該工藝的具體做法是：直接將橡膠粉加入瀝青中，然后加入脫硫劑，延長脫硫時(shí)間，并且提高了膠粉摻量。葉奮等研究采用螺桿反應(yīng)擠出技術(shù)對(duì)橡膠粉進(jìn)行深度降解，嘗試提高橡膠瀝青中膠粉的摻量。結(jié)果表明利用螺桿反應(yīng)擠出法的膠粉可較快分散于瀝青中，膠粉摻量可達(dá)50%（外摻），且不增加瀝青粘度、易于加工。

王仕峰等采用雙螺桿擠出將廢橡膠淺度熱解為液態(tài)橡膠（LPR），用其制備橡膠瀝青，膠粉摻量最高可達(dá)到50%。結(jié)果表明，淺度熱解的液態(tài)橡膠可改善瀝青的流變性和低溫性能，液態(tài)橡膠顆粒可均勻地分布在瀝青中。近來，又利用多階連續(xù)綠色脫硫技術(shù)制備速溶橡膠粒，膠粉成功實(shí)現(xiàn)了低溫速溶，制備橡膠瀝青不用改造現(xiàn)有SBS改性設(shè)備，即可與SBS、瀝青能簡捷快速混合達(dá)到納米分散和溶解，制備高粘彈復(fù)合改性瀝青。該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)膠粉易混溶于瀝青中，突破了復(fù)合瀝青產(chǎn)品的穩(wěn)定熱儲(chǔ)存和良好的加工和易性，并且在工程應(yīng)用中不增加混合料的油石比，增加了橡膠瀝青的經(jīng)濟(jì)性。

2 橡膠瀝青路面的優(yōu)勢

甘肅高海拔地區(qū)，屬于高低溫更替交換的季凍區(qū)，瀝青面層的破壞主要表現(xiàn)為路基的反射裂縫引起的剪切破壞與循環(huán)溫度應(yīng)力或車輛荷載造成的破壞。瀝青材料老化后變脆，可能會(huì)在服役期內(nèi)發(fā)生疲勞破壞，尤其在甘肅季凍環(huán)境中更為突出。橡膠粉自身具有較寬泛的彈性溫度適應(yīng)區(qū)間，決定了橡膠瀝青作為一種性能優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)的路面材料，會(huì)更加適合甘肅季凍區(qū)道路的鋪筑。

橡膠瀝青路面在甘肅高海拔季凍區(qū)應(yīng)用意義在于，橡膠瀝青路面在抵抗高溫變形的穩(wěn)定性、低溫脆裂性、反復(fù)荷載下的疲勞性能、水損害、溫度老化性能等方面都具有顯著的優(yōu)勢。

①高溫穩(wěn)定性和水損害方面：由于在瀝青中添加了橡膠，橡膠瀝青的黏性大大提高，高溫抵抗永久變形能力增強(qiáng)，瀝青與碎石間的黏結(jié)力增加，從而使抗水損壞能力提高。

②低溫抗裂方面：由于橡膠粉中含有低溫韌性好的硫化橡膠，因而橡膠瀝青具有非常突出的低溫韌性和抗裂能力。良好的低溫性能非常有利于甘肅季凍區(qū)寒冷季節(jié)的低溫條件，能夠有效減少瀝青路面低溫裂縫的產(chǎn)生，延緩路面早期破壞，從而延長道路的使用壽命。

③在抗老化、氧化、疲勞方面：由于廢舊輪胎橡膠中含有大量的抗老劑、炭黑成分，使橡膠瀝青的抗老化能力明顯提高。

最近，甘肅公航旅集團(tuán)將廢輪胎膠粉進(jìn)行預(yù)先脫硫降解造粒，采用傳統(tǒng)SBS 生產(chǎn)設(shè)備放大化生產(chǎn)高摻量橡膠瀝青，在蘭州新區(qū)瀝青道路表面層實(shí)施工程化驗(yàn)證，最后，采用高摻量橡膠瀝青混合料實(shí)驗(yàn)路段鋪設(shè)，鋪設(shè)過程中易施工易壓實(shí)，無明顯煙氣和氣味（見圖1）。其膠結(jié)料性能和混合料關(guān)鍵性能指標(biāo)經(jīng)過驗(yàn)證，優(yōu)于傳統(tǒng)的SBS 瀝青。采用工廠生產(chǎn)的瀝青制備的混合料性能與實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果相似，滿足施工要求（見表1、表2）。

圖1 高摻量橡膠瀝青路段鋪設(shè)現(xiàn)場

表1 高摻量橡膠瀝青與SBS 改性瀝青的常規(guī)性能比較

表2 工程放大的高摻量橡膠瀝青及其混合料性能

公航旅建設(shè)集團(tuán)低碳路材聯(lián)合研發(fā)中心還利用SBS/微納橡膠雙重網(wǎng)絡(luò)互穿原理，成功研發(fā)出高性能高粘彈橡膠復(fù)合改性瀝青。高粘彈橡膠復(fù)合改性瀝青混合料主要性能指標(biāo)優(yōu)于SBS 改性瀝青混合料主要性能指標(biāo)，尤其是抗車轍性能、低溫彎曲性能更加優(yōu)異，達(dá)到了低味、補(bǔ)強(qiáng)、防滑、耐熱、耐寒、耐腐蝕、抗沖擊、降噪音的作用，不但碳排放量減小，鋪筑成本也低于常規(guī)SBS 改性瀝青路面。公航旅建設(shè)集團(tuán)還采用高粘彈橡膠復(fù)合改性瀝青進(jìn)行了SUP 上面層路面試驗(yàn)段應(yīng)用（見表3、表4、圖2）。

圖2 高粘彈橡膠瀝青路段鋪設(shè)現(xiàn)場

表4 Sup-13 瀝青混合料性能測試結(jié)果

在成本方面，由于SBS 改性劑為石油產(chǎn)品，價(jià)格較高，目前已高達(dá)1.4 萬元/噸。而用廢舊輪胎生產(chǎn)的橡膠粉價(jià)格相對(duì)便宜，價(jià)格約為2000 元/噸。瀝青價(jià)格為3000 元/噸。廢舊橡膠價(jià)格大幅低于SBS 改性劑，且低于瀝青的價(jià)格。因此，將廢橡膠用于道路，摻量越大成本優(yōu)勢越明顯。

目前，甘肅高等級(jí)公路建設(shè)大都采用SBS 改性瀝青。如果利用廢舊輪胎生產(chǎn)的橡膠粉來鋪筑道路面層，其成本大約僅為SBS 改性瀝青的三分之二。按照甘肅廢舊輪胎產(chǎn)生量不斷上升，橡膠瀝青產(chǎn)業(yè)也將成為龐大而穩(wěn)定的道路材料。

以甘南為代表的西部甘肅高海拔地區(qū)，屬于高低溫更替交換的季凍區(qū)，瀝青面層的破壞主要表現(xiàn)為路基的反射裂縫引起的剪切破壞與循環(huán)溫度應(yīng)力或車輛荷載造成的破壞。瀝青材料老化后變脆，可能會(huì)在服役期內(nèi)發(fā)生疲勞破壞，尤其在甘肅季凍環(huán)境中更為突出。橡膠粉自身具有較寬泛的彈性溫度適應(yīng)區(qū)間，決定了橡膠瀝青作為一種性能優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)的路面材料，會(huì)更加適合甘肅季凍區(qū)道路的鋪筑。

3 結(jié)論與展望

甘肅經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展使得廢舊輪胎橡膠產(chǎn)生量也必然越來越多，將橡膠瀝青用于道路工程，既能減輕由廢橡膠堆積導(dǎo)致的“黑色污染”，又能解決甘肅特殊氣候下瀝青路面易發(fā)生各類病害的難題，變廢為寶，一舉兩得。

橡膠瀝青在抵抗高溫變形的穩(wěn)定性、低溫脆裂性，以及反復(fù)荷載下的疲勞性能、水損害、溫度和光照的老化性能具有明顯優(yōu)勢。隨著對(duì)橡膠瀝青的更加深入研究與廣泛應(yīng)用，將促使在今后甘肅的公路建設(shè)鋪筑越來越多的橡膠瀝青路面。