干法橡胶沥青混合料的研究进展.pdf

-22-干法橡胶沥青混合料的研究进展张 超（苏州科技大学 道路工程研究中心，江苏 苏州 215000）摘要：废旧车辆轮胎胶粉在沥青路面中的应用主要通过湿法和干法两种工艺来实施，研究至今，有关湿法橡胶粉改性沥青工艺，以及橡胶沥青混合料在实际路面工程中的应用经验已相当成熟，而且其长期路用性能稳定。而干法工艺制备橡胶沥青混合料，它是将废旧橡胶粉、集料和沥青一起投入搅拌缸拌和而成，性能较湿法相比十分不稳定。众多学者尝试了多种方法用于其性质的改进。目前国内主要采用的就是通过掺加维他连接剂（TOR）或国产连接剂（CTOR）来改进干法工艺的施工和易性。总结近十年来国内外干法橡胶沥青混合料研究进展及发展趋势，并对干法橡胶沥青混合料的未来研究方向进行了展望。关键词：干法橡胶沥青混合料；废旧橡胶粉；CTOR；研究进展中图分类号：U416.217 文献标识码：AResearch progress of dry rubberized asphalt mixtureZHANG Chao（Road Engineering Research Center,Suzhou University of Science and Technology,Jiangsu Suzhou 215000 China）Abstract:The application of waste vehicle tire rubber powder in asphalt pavement is mainly implemented by wet method and dry method.So far,the application experience of wet rubber powder modified asphalt and rubber asphalt mixture in actual pavement engineering has been quite mature,and its long-term road performance is stable.The rubber asphalt mixture prepared by the dry process is made by putting the waste rubber powder,aggregate and asphalt into the mixing tank,and its performance is very unstable compared with the wet process.Many scholars have tried various methods to improve its properties.At present,the main method used in China is to improve the construction work ability of dry process by mixing TOR or CTOR.The research progress and development trend of dry rubber asphalt mixture at home and abroad in the past ten years are summarized.The future research direction of dry rubber asphalt mixture is prospected.Key words:dry rubber asphalt mixture;waste rubber powder;CTOR;research progress引言废旧汽车轮胎常常被称作为“黑色污染”，属于国际上公认的工业有害固体废物，是危害人类健康、甚至被认为是危及地球生态环境的最有害垃圾之一。据统计数据显示，仅 2020 年我国废旧轮胎产生量高达 1 390 万 t1。面对如此巨大的报废汽车轮胎数量，与国际水平相比，我国的回收利用水平依旧有巨大的提升空间。在发达国家的回收水平中，废旧轮胎的回收利用率已经超过 90%。对废旧汽车轮胎进行回收利用至今仍是世界性难题，除发达国家外，大部分的发展中国家处理废旧轮胎的方法仍是以露天堆存、焚烧和填埋为主。废旧轮胎胶粉最早应用于沥青和沥青混合料中可追溯至 20 世纪 40 年代的美国，随后橡胶沥青之父 McDonald 于上世纪 60 年代发明了胶粉改性沥青，即常说的橡胶沥青，主要由基质沥青、轮胎橡胶和多种外加剂组成。目前国内外对橡胶改性沥青的研究，主要对其作用机理、生产工艺以及路用性能等方面进行了针对性研究。经过多年的探索研究与应用，胶粉作为改性材料掺入沥青或沥青混合料中，已经成为回收利用废旧轮胎最有效的途径之一1。1 橡胶沥青混合料的制备工艺橡胶沥青混合料的制备通常分为干法、湿法工艺。干法工艺是指在拌和过程中，将适量的胶粉代替细集料与粗骨料进行拌和，再与基质沥青进行混合制备出橡胶沥青混合料。该工艺与传统的湿法工收稿日期：2022-11-28作者简介：张超（1998），男，江苏连云港人，硕士研究生，研究方向为建筑材料。2023 年第 3 期山东交通科技-23-艺相比有操作方便、温度要求低的优势，但该工艺在拌和过程中会出现胶粉与沥青不能充分反应的现象，从而在混合料成型应用于路面后常有松散、剥落等病害出现。而湿法是首先将橡胶粉作为改性剂添加到原基质沥青中生产橡胶沥青胶结料，然后将该胶结料与集料混合生产沥青混合料，橡胶掺量通常为沥青质量的 5%25%2。目前国内外应用的制备方法大多是采用湿法工艺，该工艺目前发展的已经相当成熟，制备出来的沥青混合料路用性能也十分稳定，因此在实际工程应用中较为广泛，但是该工艺制备过程非常复杂，不仅需要大型仪器进行高温搅拌，而且还会产生有害物质，污染环境。相比来说，干法工艺制备过程中需要的设备较湿法更方便操作，实际施工更为便捷，但制备出来的橡胶沥青混合料性能不稳定，特别是耐久性能没有湿法制备出的混合料稳定可靠。目前国内外对干法工艺的改良方法的研究主要是添加维他连接剂（TOR）使胶粉能够达到对沥青进行改性的效果，通过改善沥青和橡胶粉颗粒界面特性，进而可以实现改善橡胶沥青混合料长期耐久性能的效果。2 干法橡胶沥青混合料国外研究现状在湿法工艺中，胶粉颗粒被添加到传统的磨具中，并与具有改性沥青特性的原始沥青混合，可作为沥青混合料的黏合剂。在干法过程中，将含有较粗颗粒的胶粉添加到骨料中，然后喷洒到热沥青中，形成橡胶沥青混合料。与湿法工艺相比，干法工艺更简单，不需要特殊设备，并且可以消耗更多废旧轮胎。通过对不同级配橡胶沥青混合料性能的对比研究，众多学者开始对橡胶沥青混合料的设计方法进行了探究3。BILIGIRI 等4通过对橡胶沥青断级配混合料设计方法以及应用的研究，结果表明：在沥青混合料配合比设计中，橡胶沥青混合料采用断级配与开级配的试验结果更优越，并总结出混合料的断级配设计方法还有很大的改进空间。HERNANDEZ-OLIVARES 等5研究了不同密级配的干法橡胶粉改性沥青混合料，以橡胶粉掺量的不同，分为三组试件，分别为掺量 0%（对照）、3%和 5%。胶粉沥青混合料经过短期、长期老化后试验结果表明：短期老化对试件的力学性能的影响与长期老化试件相比的影响更大，在短期老化试验中，沥青混合料的疲劳和抗永久变形均得到一定程度的改善，而在长期老化后沥青混合料的疲劳和抗永久变形都变差。此外，许多研究已经证明骨架密实结构可以保留足够的空间来容纳橡胶膨胀量，从而防止其干扰沥青混合料级配。同时，骨架密实型结构还降低了沥青用量，与原始沥青混合料相比，沥青用量通常可节省 0.3%0.6%6。在不同掺量对橡胶沥青混合料性能的影响研究中，胶粉粒径大小对混合料的改性效果有很大影响。胶粉的颗粒粒径越小，在拌和过程中与沥青的反应就更彻底。DIAS 等7 通过对橡胶沥青混合料性能进行室内试验，同时应用在试验路段中，对试验路段进行取样发现：将未掺胶粉湿法工艺制备的沥青混合料作为对照试验进行对比，采用粒径 0.6 mm的胶粉制备出的间断级配沥青混合料具有更优越的力学性能。当干法工艺制备橡胶粉改性沥青混合料时，橡胶颗粒越细，橡胶与沥青之间的反应越充分，混合料性能提高越显著8。NAVARRO 和 GAMEZ9研究了胶粉在干法、湿法两种工艺条件下对沥青混合料间接拉伸强度和刚度模量的影响，研究表明，在干法工艺过程中添加橡胶粉能起到提高沥青混合料的刚度和稳定性的作用，同时降低混合物的间接抗拉强度和凝聚力。除了能在一定程度上改善环境效益的同时，将该混合料应用在路面工程中，能够提高沥青路面的长期路用性能。研究发现，干法使用橡胶的主要问题是降低混合料的凝聚力，因为沥青黏合剂和橡胶之间的相互作用较差。此外，由于橡胶具有弹性，高含量橡胶降低了混合料的压实度，从而增加了空隙率。这一缺点使混合料更容易受到水分损害。MIAO 等10通过以空隙率和膨胀率为主要评价指标，研究干法橡胶沥青混合料的压实过程。首先，以空隙率为目标指标，评估胶粉含量、压实温度和压实方法，以确定合适的压实程序。其次，分析了不同胶粉含量的橡胶沥青混合料试件的高度和膨胀率的变化，以计算膨胀率。结果表明，干法橡胶沥青混合料的高度和膨胀率一般随胶粉含量的增加而增加。此外，研究发现，当胶粉添加量为矿物体积的5.5%时，混合料的体积稳定性得到改善，建议该值可用于干法橡胶沥青混合料。LOPEZ MORO11通过荧光显微镜、透射和反射光显微镜、扫描电子显微镜（SEM）以及动态压缩试验，从微观角度出发，在干法过程中添加橡胶会增加沥青的硬度，提高抗车辙性，并由于橡胶和沥青之间的相互作用而改变橡胶的形状和孔隙度。获得了干法过程中橡胶颗粒的最佳尺寸（200 m）。GAWEL 等12发现，在橡胶与沥青相互作用过程中，橡胶颗粒可以膨胀到原始尺寸的三倍，并可能抵抗张 超：干法橡胶沥青混合料的研究进展-24-随后的压实。这种膨胀效应会阻止混合物达到其目标密度，从而导致过早失效，例如开裂和松动。为了提高干法橡胶粉改性沥青混合料的性能，研究人员从多个方面展开了研究。研究表明对废旧橡胶进行一定的预处理，使废旧橡胶中的 S-S 和 S-C键断裂，打破三维交联网络，得到再生胶或者具有低黏性和良好相容性的液体橡胶，可进行二次加工及硫化成型，可以使其与沥青更充分地反应，从而使共混物更稳定，相容性较好13。自 20 世纪末开始，国外开始了对橡胶沥青添加剂的研究，例如在干法工艺中常添加的维他连接剂 TOR。MING 等14通过掺加 TOR 以达到对沥青改性的效果，研究发现TOR 能够起到提高沥青的模量、抗剪性能和变形恢复能力的改性作用。ARABANI 等15通过使用纳米材料对连接剂进行改性，以改进干法橡胶的使用。通过延展性、软化点、渗透性、旋转黏度和动态剪切流变仪试验，研究了纳米材料对连接剂性能的影响。此外，还评估了干法橡胶沥青混合料的力学性能，包括水分敏感性、间接抗拉强度、刚度模量、抗车辙性能等。总结得出纳米材料对黏结剂的流变性能起到了提高作用，同时对沥青混合料的抗车辙和抗疲劳损伤能力有着较为可观的提升。3 干法橡胶沥青混合料国内研究现状我国对于干法工艺的研究起步较晚，从上个世纪 70 年代末开始，我国开展了对于橡胶沥青混合料应用于路面工程的研究并且取得了一定的进展。但由于当时的生产、施工工艺相对落后，导致橡胶沥青混合料在道路中应用的发展受到了诸多限制，并没有取得重大的研究成果16。随着经济水平的不断提升，对橡胶沥青混合料的研究进展有了巨大的飞跃，目前国内对于干法橡胶沥青混合料的研究主要集中在如何提高混合料路用性能方面。李聪等17研究了级配对干法橡胶沥青混合料路用性能的影响，同时结合橡胶沥青混合料在罩面工程中的应用。研究表明：当采用骨架密实连续级配时，橡胶沥青混合料的高、低温稳定性以及水稳定性均符合规范标准，同时也验证了连续级配较间断级配有施工和易性更好和成本更低的优点。徐琦18 在胶粉材料的选择中选用改性胶粉，同时采用间断级配进行干法胶粉沥青混合料配合比试验设计，通过车辙试验、单轴贯入试验、浸水马歇尔试验和四点弯曲试验评价混合料的路用性能，试验结果表明，添加改性胶粉后，橡胶沥青混合料的抗疲劳性能以及高、低温性能均得到了一定程度的改善。勾俊芳19通过研究发现：胶粉掺量的影响大于级配以及胶粉目数，胶粉目数对性能的影响最小。通过正交试验设计，采用 SMA13-1，掺加 10的 40目粒径的橡胶粉作为干法胶粉沥青混合料相关性能试验的最优组合。并进行了低温弯曲试验、车辙试验、冻融劈裂试验，可以得出，掺加胶粉对沥青混合料的高温性能和抗水损性能有着一定程度的提升，对低温性能也有较为可观的改善。蒋永春20研究了直投式干法橡胶沥青混合料与SBS 改性沥青之间的性能对比，通过混合料马歇尔指标、混合料燃烧后集料筛分、水稳定性、高温稳定性等室内检测，以及沥青厚度及压实度检测、渗水试验、路面摩擦系数检测、平整度、路面弯沉检测等现场试验，结果表明，干法橡胶沥青混合料在压实度、摩擦系数（体现行车安全性）、弯沉方面比SBS 更好，在渗水系数、平整度方面两者均能很好地满足设计和施工要求，同时干法橡胶沥青混合料在高温稳定性、水稳定性及经济效益等方面与 SBS 改性沥青混合料相比，均有很大程度的提高。吕文全等21 通过将消石灰、水泥及水泥和消石灰的复合物掺加在干法工艺制备混合料过程中，研究发现这三种掺剂有改善胶粉颗粒与沥青之间的黏附性的作用，同时能够提高橡胶沥青混合料的抗水损侵害能力，以及能够起到改善橡胶沥青混合料高温性能的效果。马融等22进行了对干法胶粉沥青混合料的时间敏感性分析，分析在热料焖料过程中，随着焖料时间的改变胶粉沥青混合料性能的变化，研究表明：当拌和后得到的胶粉沥青混合料在锅内焖料大约 15 min 时，混合料的水稳定性最高，同时稳定度也达到最大值。从弯曲强度的角度分析，焖料 45 min 的橡胶沥青混合料强度最好。张筱莉23采用干法工艺，通过掺加不同掺量的胶粉来代替矿粉，并在混合料拌和后进行一定时间的焖料，从而起到对沥青混合料进行固化的效果。通过冻融劈裂试验、车辙试验和浸水马歇尔试验等方法评价干法橡胶沥青混合料性能。结果表明：通过焖料固化工艺可以提高橡胶沥青混合料的抗水损能力。同时验证了焖料固化混合料可以改善细胶粉掺量较高时降低沥青混合料性能的影响。在集料与矿料拌和过程中掺加连接剂（TOR），主要目的是提高高分子聚合物改性剂与沥青的相容性。辛烯聚合物橡胶连接剂（TOR）是一种高分子活性橡胶，其分子中含有大量的不饱和键，表现出较高的反应活性。将 TOR 与基质沥青用化学键相连，明显改善沥青和胶粉的相容性，形成交联网状结构，降低橡胶改性沥青在高温下的黏度，同时能够改善2023 年第 3 期山东交通科技-25-沥青混合料的施工和易性24。勾俊芳19研究发现TOR 对提高橡胶粉沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性有一点的效果，同时在改善混合料水稳性能方面也有一定作用，应用前景较为可观。并通过试验推荐 TOR 最佳掺量为 4%，在该掺量下，干法胶粉沥青混合料的路用性能能够达到较优状态。随着国产橡胶沥青反应促进剂的发明，干法橡胶粉改性沥青混合料的整体性能得到了很大的提升。我国研究人员在 TOR 的基础上进行了改进，研制出新型橡胶连接剂 CTOR。周政25通过干、湿法工艺制备胶粉沥青混合料，并在拌和过程中掺入连接剂CTOR，发现两种工艺制备出的胶粉沥青混合料在高、低温性能以及水稳性能方面相似，通过从沥青混合料中抽取出的沥青试样进行性能试验，并对剥离出的橡胶粉颗粒的表面形态进行微观分析，发现在连接剂 CTOR 掺入后，胶粉颗粒对基质沥青有溶胀和脱硫等改性效果，且与湿法工艺中胶粉对沥青的改性效果相似。李聪等17发现在干法工艺中掺 CTOR橡胶粉反应剂，提高了混合料的路用性能，且相对于湿法施工简便。黎治春26通过马歇尔稳定度、浸水马歇尔残留稳定度等试验对 CTOR 干法橡胶沥青混合料性能进行评价，同时结合对某工程中的实际施工应用，研究表明 CTOR 干法橡胶改性沥青混合料在路用性能方面均有提升。且大大降低了干法工艺对环境的影响。杨胜高27对在橡胶沥青混合料中掺 CTOR 连接剂的干法工艺进行了优化：将 CTOR 与胶粉以一定比例均匀预混，然后对沥青混合料进行了水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性等性能试验，研究表明：CTOR 胶粉沥青混合料的动稳定度接近普通胶粉沥青混合料的两倍，说明在改善沥青混合料高温稳定性方面 CTOR 对于胶粉的改性效果已经达到 TOR 的效果甚至更好；在低温抗裂性方面，CTOR 对于胶粉的改性也有不错的效果；在水稳定性方面，CTOR 胶粉沥青混合料、湿法和 TOR 胶粉沥青混合料的水稳定性接近，均明显高于普通胶粉橡胶沥青。掺加 CTOR 的干法新工艺近些年才逐步实际应用于路面工程中，研究发现在工程应用早期，路用性能表现优异，但长期路用耐久性能能否达到普通沥青混合料的规范要求，还有待进一步的试验研究。为此，朱翔等28对干法橡胶沥青混合料进行研究并结合实际路面工程，应用通过掺加连接剂 CTOR对橡胶沥青混合料进行改性。通过室内配合比和性能试验，总结得出了 CTOR 和胶粉的最佳掺量，再通过高、低温等性能评价试验，结果表明，掺入连接剂的干法橡胶沥青混合料的路用性能均有不同程度的提高。结合施工现场和对试样检测结果表明，CTOR 干法橡胶沥青混合料路用性能均满足标准规范，且具有在施工过程中操作简便、节约资源保护环境等特点，符合改性沥青路面使用规范要求。虽然 TOR 橡胶沥青混合料改善了常规橡胶沥青混合料生产和施工过程中的一些不足之处，但仍存在着施工温度太高的问题。温拌技术是通过一定的方法降低沥青的黏度，能够使沥青在相对低的温度下完成拌和施工。在这种背景下，将温拌沥青技术和 TOR 胶粉改性沥青技术结合起来是一种很好的尝试。康爱红和姚明部29在干、湿法工艺中添加温拌剂，通过高温车辙试验、低温弯曲试验等室内试验，对橡胶沥青混合料的路用性能进行评价。结果表明，干法温拌 TOR 橡胶沥青混合料的路用性能如抗车辙性能、低温抗裂性能等均优于湿法工艺制备的橡胶沥青混合料，而水稳定性二者相比则无明显差异。总结得出干法工艺温拌的沥青混合料较湿法的路用性能更好，并且干法施工工艺简单、易操作，可降低工程造价，因此温拌 TOR 橡胶沥青混合料中的温拌剂 Sasobit 采用干法添加更好。4 结语目前国内外对于干法胶粉沥青混合料的研究主要集中在提高混合料耐久性表现方面，通过改性胶粉、添加连接剂（TOR）、焖料固化等方法，对橡胶沥青混合料各项路用性能均有不同程度的提升效果。通过对干法橡胶沥青混合料进行微观分析，证实了橡胶粉在 TOR 的催化下，对沥青起到了改性的效果。大量研究可以确定，干法橡胶沥青混合料的耐久性能够达到湿法工艺制备的沥青混合料的水平，符合规范要求。综合国内外文献，在研究干法橡胶沥青混合料性能时，主要是从胶粉掺量、胶粉目数以及级配作为变量进行试验探究。而对于在干拌橡胶粉沥青混合料性能研究试验中，将连接剂（TOR 或 CTOR）作为自变量的研究还较少。因此，在后续的研究中，可以将级配、胶粉目数以及 CTOR 掺量作为变量，将几种因素综合考虑，进行多次试验得出各因素的最佳范围；再进一步研究对于不同因素如何同时影响干法橡胶沥青混合料的路用耐久性能，得出各项因素对耐久性影响的规律。同时为了推广掺连接剂的干法橡胶沥青混合料在我国沥青路面中的应用，可在实际工程项目中进行铺筑路面，验证其可行性。张 超：干法橡胶沥青混合料的研究进展-26-参考文献：1 岳红亚,毕玉峰,徐润,等.废旧轮胎在道路工程中的应用研究进展J.材料导报,2022,36（16）:76-86.2 曹卫东,王超,韩恒春.废旧轮胎在道路工程中的应用综述J.交通标准化,2005（6）:78-82.3 李鑫鑫.浅裂解橡胶颗粒干法改性SMA性能及作用机理研究D.济南:山东大学,2018.4 BILIGIRI,KRISHNA,PRAPOORNA,et al.Asphalt-rubber gap-graded mixture design practices:a state-of-the-art research review and future perspectiveJ.Road materials and pavement design:an international 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