橡膠在路用瀝青改性中的應(yīng)用

劉家敏 崔英明

在公路建設(shè)中，由于瀝青路面具有良好的行車舒適性和優(yōu)異的使用性能，而且建設(shè)速度快，維修方便，因此，瀝青材料已經(jīng)成為公路路面最主要的建筑材料之一。隨著交通量的迅速增加，車輛大型化、超載嚴(yán)重，瀝青混凝土路面面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。使用普通瀝青鋪設(shè)的路面易產(chǎn)生嚴(yán)重車轍、開(kāi)裂、坑槽等早期破壞。瀝青的最大缺點(diǎn)是溫度敏感性大，高溫流淌，低溫發(fā)脆，不能適應(yīng)高等級(jí)公路的要求。另外地表水通過(guò)裂縫滲透到道路基層和路基上，遇冬季氣溫下降或夜間變冷凍結(jié)膨脹，使裂縫增大，致使路面早期破損。為此，人們?cè)噲D通過(guò)改性的方法克服瀝青的上述不足，橡膠瀝青就是其中的一種。

橡膠瀝青產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，80年代后技術(shù)上逐步成熟，在設(shè)計(jì)和施工良好的情況下橡膠瀝青材料能夠表現(xiàn)出良好的性能，橡膠瀝青路面與結(jié)構(gòu)厚度厚一倍的普通瀝青路面相比，損壞發(fā)展更緩慢，特別是在抗開(kāi)裂方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能[1，2]。橡膠瀝青常用于舊水泥混凝土道路維修改造項(xiàng)目，這樣既能充分發(fā)揮舊路面原有的結(jié)構(gòu)性能，又能充分發(fā)揮橡膠瀝青優(yōu)異的抗裂性能、抗疲勞性能和吸音降噪能力，通過(guò)橡膠瀝青混合料罩面恢復(fù)表面性能，可改善瀝青路面使用品質(zhì)、延長(zhǎng)使用壽命、降低工程造價(jià)、保護(hù)環(huán)境，獲得超長(zhǎng)的使用壽命。本文將對(duì)橡膠粉對(duì)瀝青的改性機(jī)理及橡膠瀝青的路用性能加以探討。

1 橡膠粉及其對(duì)瀝青的改性機(jī)理

1.1 膠粉

膠粉主要是由廢舊載重輪胎或客車輪胎破碎而制得，成分主要為天然膠(NR)和丁苯膠(SBR)等。其橡膠含量在55%左右。這里提到的橡膠的結(jié)構(gòu)指的是生橡膠，即沒(méi)有經(jīng)過(guò)硫化。人們習(xí)慣上把熟橡膠稱作硫化橡膠。硫化橡膠與生橡膠的主要區(qū)別在于硫化橡膠中的分子形成網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)，整個(gè)一塊橡膠可以看成是由許多分子網(wǎng)鏈構(gòu)成的三維空間立體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)一般條件下十分穩(wěn)定。膠粉就是由這種空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成的。

1.2 橡膠瀝青的改性作用機(jī)理

瀝青由瀝青質(zhì)和可溶質(zhì)兩部分組成，被視為可溶質(zhì)的、粘度小的低分子油分和蠟占瀝青成分的一半以上，由于硫化橡膠與瀝青同屬非極性材料，橡膠經(jīng)過(guò)一定的處理能溶解于瀝青低分子油分中，所以瀝青本身也是硫化橡膠再生的良好軟化劑。由此可見(jiàn)，橡膠與瀝青的關(guān)系是溶質(zhì)與溶劑的關(guān)系。當(dāng)橡膠粉與瀝青加熱混溶時(shí)，橡膠粉在高溫下被瀝青中的低分子油分溶脹后，一方面使油分粘度增加和稠度提高，另一方面使橡膠分子的作用力減小。由于橡膠是一種高分子化合物，除富有彈性外，還有很高的自粘性和互粘性[2]，它比瀝青的粘度高得多，當(dāng)橡膠粉和瀝青混溶成一體后，瀝青的粘度提高了，說(shuō)明橡膠在瀝青中發(fā)生了變化;當(dāng)橡膠被充分溶脹而未裂解時(shí)，它既能以單獨(dú)的相存在，又能形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)。因橡膠的高彈性質(zhì)，只要瀝青中有這種高粘度、高彈性的網(wǎng)絡(luò)，瀝青的粘彈性和可塑性就會(huì)發(fā)生明顯的變化[2，3]。大多數(shù)研究人員認(rèn)為，橡膠粉改性瀝青的機(jī)理為:在較低的溫度下橡膠粉在瀝青中溶脹;在較高溫度下，橡膠分子間的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)被打破，發(fā)生脫硫、降解反應(yīng)。關(guān)于膠粉改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)分析可歸納為以下三種[2-4]:

1)結(jié)構(gòu)變化改性。橡膠粉的加入能吸附瀝青中的某些組分。瀝青中與改性劑結(jié)構(gòu)相似的輕組分(主要是油蠟)經(jīng)過(guò)滲透，擴(kuò)散進(jìn)入橡膠網(wǎng)絡(luò)，使橡膠粉溶脹，從而有效地降低游離蠟含量，組分的變化使得高蠟含量的瀝青從溶膠結(jié)構(gòu)變?yōu)槿堋z型結(jié)構(gòu)。感溫性顯著下降，其他性能也得到改善，蠟含量的降低最終改善了瀝青的感溫性，表現(xiàn)為瀝青的針入度增大，軟化點(diǎn)明顯升高，升溫過(guò)程中相變吸熱峰顯著下降。

2)相溶性改性。由于瀝青與橡膠存在相對(duì)分子質(zhì)量、化學(xué)結(jié)構(gòu)上的差異，因而屬于熱力學(xué)相溶性差的體系，體系中不同組分相界面上的相互作用，使瀝青的性能得到改善。橡膠在瀝青中的理想狀態(tài)是細(xì)分布而不是完全溶解，橡膠粉在瀝青中分散成絲狀與瀝青質(zhì)膠團(tuán)均勻地分布于瀝青油分中，形成一個(gè)穩(wěn)定的不會(huì)發(fā)生相分離的物理意義上的相容體系，與橡膠的溶度參數(shù)相近的油蠟組分會(huì)緩慢地?cái)U(kuò)散進(jìn)入橡膠鏈段的空隙中，使橡膠鏈段松動(dòng)、脫離以至溶解。好的相容性是改性瀝青的首要條件，也是降低瀝青材料溫度敏感性的先決條件。

3)橡膠粉的增強(qiáng)作用改性。橡膠粒子在橡膠瀝青體系中起著增強(qiáng)作用:橡膠粒子體積小，數(shù)量多，在低溫時(shí)它們與瀝青基體的模量不同，可產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中，誘發(fā)大量銀紋和剪切帶，銀紋和剪切帶的產(chǎn)生和發(fā)展消耗大量的能量，因此可提高瀝青的沖擊強(qiáng)度和可塑性;而較大的橡膠粒子能防止單個(gè)銀紋的生長(zhǎng)和斷裂，使其不致于很快發(fā)展為破壞性裂紋，改善瀝青的低溫柔韌性。從這種意義上說(shuō)橡膠是瀝青的增強(qiáng)增韌劑。

橡膠瀝青的一個(gè)本質(zhì)特征就是粗顆粒的橡膠屑在高溫的瀝青中浸泡，并與瀝青中的輕質(zhì)油分發(fā)生溶脹后，仍然保持著固體顆粒的核心。它與普通瀝青、高分子聚合物改性瀝青最大的不同就在于它是一種液—固兩相的混合物，正是由于存在著通過(guò)凝膠體與瀝青分子相連的谷子橡膠顆粒核心，因此橡膠瀝青粘結(jié)劑所呈現(xiàn)的特征就不僅僅與基質(zhì)瀝青和凝膠體的特征有關(guān)，而且也反映了固體橡膠顆粒的性質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)可以通過(guò)控制橡膠屑在基質(zhì)瀝青中的溶脹過(guò)程來(lái)調(diào)節(jié)橡膠瀝青的液相和固相性質(zhì)的比例，從而調(diào)整橡膠瀝青粘結(jié)劑的特性使之滿足不同應(yīng)用條件的需要。

2 橡膠瀝青在道路中的應(yīng)用

橡膠粉應(yīng)用于瀝青路面的技術(shù)主要分為濕法和干法兩大類[1，3]。濕法是先把膠粉分散到瀝青粘結(jié)劑中形成橡膠粉改性瀝青，然后用橡膠粉改性瀝青與集料通過(guò)熱拌和生產(chǎn)混合料;干法是先把廢膠粉與集料混合，然后把瀝青先加入到混有橡膠粉的集料中。在干法中橡膠粉實(shí)際上不是瀝青改性劑，而是起填料的作用。干法只限于熱拌瀝青應(yīng)用中。濕法主要用于不同表面處理和裂縫密封膠，最近朝著HMA應(yīng)用方向發(fā)展，成為越來(lái)越受歡迎的方法。

橡膠瀝青是瀝青、回收輪胎橡膠和某些添加劑混合而成的膠結(jié)料，橡膠成分最少占到總量的15%，并且與熱瀝青充分反應(yīng)，橡膠顆粒產(chǎn)生融脹，具有高的彈性性能和低的彈性模量，永久變形和相對(duì)變形也都非常小。橡膠瀝青是在高溫條件下和高速剪切下生產(chǎn)的，促進(jìn)了瀝青和橡膠成分間的物理反應(yīng)，使橡膠顆粒懸浮在瀝青中。

橡膠瀝青用于各種瀝青路面結(jié)構(gòu)中通常作為膠結(jié)料(包括碎石封層和熱拌混合料)，也可用作填縫材料。橡膠粉改性瀝青在公路上的主要用途:1)用來(lái)拌制瀝青混合料，鋪筑瀝青路面的上面層，以全面提高路面的使用性能;2)用作封層，即應(yīng)力吸收層，以抑制路面基層裂縫的向上反射。對(duì)于熱拌混合料，橡膠瀝青用于斷級(jí)配和開(kāi)級(jí)配混合料的效果最好，特別是使用于薄層表面。橡膠瀝青還可用于碎石封層，碎石封層主要用于養(yǎng)護(hù)和路面保護(hù)。橡膠瀝青碎石封層也可以作為夾層，上面再用混合料罩面，這時(shí)封層稱為橡膠瀝青應(yīng)力吸收層。由于在瀝青中摻加了膠粉，提高了瀝青膠結(jié)料的粘稠度，混合料油膜較厚而不易析漏或泛油;提高了路面使用溫度下的彈性和彈性恢復(fù)性能;在降低了路面的溫度敏感性、低溫性能不降低的情況下改善了抗變形能力和抗疲勞開(kāi)裂的性能。橡膠瀝青的適用性廣，只要是普通瀝青適用的地方，也能使用橡膠瀝青。

3 結(jié)語(yǔ)

研究表明，橡膠瀝青具有粘稠度好、較好的彈性和彈性恢復(fù)性能、較低的溫度敏感性、較好的抗變形能力和抗疲勞開(kāi)裂性能，在用于老路改建時(shí)，對(duì)減少路面的反射裂縫，提高路面的整體承載能力都十分有利，在相同的使用效果前提下，適當(dāng)使用廢舊橡膠粉可減薄瀝青混凝土面層的厚度。一般可減薄30%～70%，當(dāng)瀝青結(jié)構(gòu)層中使用橡膠瀝青的應(yīng)力吸收層時(shí)，厚度還可以進(jìn)一步減薄。在國(guó)外橡膠瀝青的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但由于我國(guó)氣候、道路結(jié)構(gòu)、汽車荷載等方面的差異，橡膠瀝青在我國(guó)的應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究。

[1] 張小英，徐傳杰，孔究明.廢橡膠粉改性瀝青研究綜述[J].石油瀝青，2004，18(4):1-5.

[2] 夏 瑋.廢膠粉改性瀝青及瀝青混合料路用性能研究[D].重慶:重慶交通大學(xué)，2009.

[3] 石洪波，鄒明旭，廖克儉，等.廢橡膠粉改性道路瀝青的研究進(jìn)展[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2005，26(2):27-29.

[4] 張廣彬.國(guó)內(nèi)廢橡膠粉改性瀝青的研究進(jìn)展[J].中國(guó)建筑防水，2006(9):24-27.