膠粉類改性瀝青技術理念及性能指標體系對比研究

李正中，柴東然，李翠紅，肖慶一

(1.天津市交通科學研究院，天津市 300074；2.長安大學 公路學院；3.北京市首都公路發展集團有限公司；4.天津海泰環保科技發展股份有限公司；5.河北工業大學 土木與交通學院)

將廢舊輪胎膠粉用于道路石油瀝青改性，能夠變廢為寶、節約資源、降低造價，有效改善普通瀝青的路用性能，提升瀝青路面服務品質和使用壽命，同時，解決廢舊輪胎大量堆積衍生的環境污染問題，實現技術、經濟、社會效益的統一，已經被國內外公認為一種有效的循環再生利用技術，并被納入行業科技成果推廣目錄和示范工程項目。經過近20年的試驗研究和工程實踐，膠粉類改性瀝青的應用領域越來越廣，應用規模逐年上升，行業對膠粉類改性瀝青的認識也越來越理性、客觀，對膠粉類改性瀝青的研究也越來越深入。

天津市早在2004年開始，就在市政道路和國省干線公路試用膠粉類改性瀝青，于2006年編制了中國首部膠粉改性瀝青路面施工技術規范。截至目前，天津市高速公路中上面層已大部分使用膠粉類改性瀝青，可以說是中國膠粉類改性瀝青應用最廣泛、最深入的省份，在研發、生產、應用等方面積累了豐富的經驗。筆者有幸全程參與了天津市膠粉類改性瀝青的研發應用全過程，該文結合工程實踐，對膠粉類改性瀝青的技術研發理念和性能指標體系進行探討。

1 研發應用理念梳理

膠粉類改性瀝青作為新型道路建筑材料，主要應用于各等級公路和城市道路領域。由于其組成材料的復雜性、改性工藝的多樣性，以及獨特的環保特性和高黏、高耐久性等技術優勢，公路建設、橡膠工業、石油化工等行業都從各自專業角度，不斷推動此類材料的機理分析、產品研發、工程應用、標準編制等工作。經過近20年的工程應用實踐，膠粉改性瀝青已形成了兩套相對獨立的技術體系，分別是依托于公路建設領域的“橡膠瀝青”體系和依托于橡膠石化領域的“膠粉改性瀝青”體系。

1.1 橡膠瀝青

20世紀90年代，由同濟大學牽頭，在中國首次開展了對橡膠瀝青的試驗研究，但最終因受廢舊輪胎處理工藝、改性瀝青加工工藝等限制，未能實現大規模應用。伴隨著中國廢舊汽車輪胎堆積問題日益嚴重，以及大規模瀝青路面建設對高性能瀝青的市場需求，交通運輸部公路科學研究院、廣州金邦橡膠瀝青有限公司等單位借鑒并引進美國設備，于2001年再次啟動了對橡膠瀝青的理論研究、試驗驗證、裝備研發及產業化應用等工作，由此推動了橡膠瀝青行業的蓬勃發展，并建立了相對完整的產學研用體系。

公路建設領域主要借鑒美國的濕法橡膠瀝青技術，其對應的“橡膠瀝青”是一種不同于傳統SBS改性瀝青結構的新型改性材料，主要通過膠粉與瀝青在高溫狀態(200 ℃以上)下充分融脹反應所得。“橡膠瀝青”加工工藝強調高溫攪拌混合，以物理溶脹為主，主要為發揮膠粉顆粒的彈性作用；通常采用現場改性模式，工藝末端直接對接拌和樓；以黏度作為主要控制指標。目前，公路建設領域對“橡膠瀝青”的研究方向主要集中于橡膠瀝青性能測試方法的適用性、混合料級配優化及配合比設計、混合料路用性能及力學性能評價、產品應用領域拓展等方面，更加關注膠粉顆粒在改性瀝青中的存在形式，通常建議只能用于間斷級配并采用高油石比。

1.2 膠粉改性瀝青

橡膠及石油化工行業對膠粉類改性瀝青也非常青睞，并于同期并行開展了相關的研究應用工作。作為重要的國家戰略資源，橡膠行業對廢舊輪胎的循環利用需求更加關注，而且，依托于對橡膠、瀝青材料特性的深入認識，以及橡膠工業的技術進步，該領域對膠粉改性瀝青的研究更為深入，更偏重于機理分析和產業化應用。

橡膠及石化行業采用的技術路線屬于中國首創，與公路建設領域研發理念顯著不同，盡管都是將廢舊輪胎膠粉用于瀝青改性，但其研發的“膠粉改性瀝青”的改性機理和產品特性與“橡膠瀝青”存在較大差別。“膠粉改性瀝青”是以膠粉作為改性劑加入瀝青中并輔以其他化學助劑，通過物理和化學反應所得。其加工工藝強調高溫多次剪切或研磨，需要添加各種化學助劑實現膠粉與瀝青的反應，以化學改性為主；現場改性和工廠化加工均可，實現了長時間儲存和遠距離運輸，產品更加穩定和均勻；產品性能特點接近于常見的聚合物改性瀝青。目前，“膠粉改性瀝青”的研究主要集中于膠粉的選擇及預處理、膠粉與瀝青的混熔界面處理、改性工藝優化、改性助劑優化研究等方面，更強調膠粉顆粒在改性瀝青中的分布均勻性以及混熔體系的穩定性，對連續級配和間斷級配具有普適性，且油石比與SBS改性瀝青混合料基本相當。

總體來說，“橡膠瀝青”與“膠粉改性瀝青”源于不同的技術路線，“橡膠瀝青”概念源于美國橡膠瀝青路面協會，其主要出發點是解決廢舊輪胎積存所衍生的環境問題，以廢物利用為研發導向，重點是解決廢舊輪胎的消耗問題。“膠粉改性瀝青”概念由中國橡膠及石化行業提出，其主要出發點是解決膠粉改性瀝青的路用可行性和技術實現路徑，以提升普通瀝青技術性能為研發導向，重點是實現瀝青的高性能需求。隨著工程應用的不斷深入，“膠粉改性瀝青”技術體系能夠解決“橡膠瀝青”的儲存穩定性、特定級配、高油石比等問題，使用更加方便、造價相對較低、更加符合國情，已逐步得到中國學術界、產業界及建設單位的廣泛認同，也獲得了美國橡膠瀝青協會的認可，已成為膠粉類瀝青應用的首選方案。同時，“橡膠瀝青”和“膠粉改性瀝青”兩種技術理念互為借鑒、日益融合，膠粉預處理、混熔工藝優化、改性過程中的均化分散及脫硫過程控制等內容，已成為中國從事膠粉類改性瀝青研究需要考慮的主要因素。

2 改性機理及特性分析

目前，對膠粉類改性瀝青改性機理的研究主要基于界面理論、混熔理論；測試方法主要有四組分試驗、黏度變化試驗、掃描電鏡試驗、紅外光譜試驗等。宏觀層面，膠粉類改性瀝青的改性過程主要分為4個階段。第1階段，膠粉顆粒體積熔脹，吸收瀝青中的輕質組分，通過組分遷移促使瀝青膠體結構的發育轉變；第2階段，膠粉顆粒通過凝膠膜連接，形成連續相的混熔體系；第3階段，膠粉顆粒脫硫降解，與瀝青發生物質交換，對瀝青膠體體系進行化學改性；第4階段，未完成降解的膠粉顆粒在瀝青中懸浮分布，依靠凝膠膜實現弱連接，起到一定程度的物理加筋作用。盡管“膠粉改性瀝青”與“橡膠瀝青”的核心理念都是通過膠粉顆粒在熱瀝青中的混熔、熔脹、交聯來實現對原瀝青結構體系的改變，但在改性機理、改性工藝、技術性能等方面存在較大差異。

2.1 改性機理差異

“橡膠瀝青”是膠粉與基質瀝青按照一定比例在高溫環境下不停攪拌發育而成，通常只采用簡單機械慢速攪拌工藝，主要經歷了膠粉的溶脹、吸附等過程，以物理改性過程為主，而“膠粉改性瀝青”在攪拌和混熔發育之間增加了高速剪切研磨工序，并添加了相應的穩定劑、交聯劑等化學助劑，目的是催化和控制膠粉顆粒與原瀝青的化學改性過程，使膠粉分散更加均勻、性能更加穩定。

2.2 改性工藝差異

“橡膠瀝青”是在高溫(不低于210 ℃)下，將粒徑較大的膠粉(22～26目)與基質瀝青混熔發育一定時間后制得。而“膠粉改性瀝青”生產溫度一般為180～190 ℃，膠粉粒徑通常選用30～60目，混熔過程中需要經過膠體磨研磨分散，并添加各種化學助劑。“膠粉改性瀝青”通過化學改性作用，增強了膠粉與瀝青混熔體系的穩定性，因此，其性能的可控性、均勻性、穩定性、膠粉顆粒與瀝青間的節點效應力均明顯強于“橡膠瀝青”，可根據工程使用要求對生產工藝進行多角度的優化調整，如調整工藝參數(順序、時間、溫度)、調整膠粉摻量或粒徑、調整助劑類型及摻量等，以更好地符合設計使用要求，實現一定程度的定制化。

2.3 技術性能差異

“橡膠瀝青”采用的廢輪胎膠粉顆粒較粗，膠粉在普通瀝青內部很難形成較強的網絡結構，其整體性能指標較“膠粉改性瀝青”要低，尤其表現在軟化點、低溫延度、離析等方面；且“橡膠瀝青”生產工藝靈活性小，產品性能指標難以調整。在施工泵送方面，“橡膠瀝青”中膠粉顆粒較粗，膠粉在瀝青中的流動阻力較大，成品瀝青表觀黏度大，不利于管道輸送，易造成管道堵塞。另外，較大顆粒的膠粉也會影響碾壓效果，容易因級配或施工不合理導致碾壓不密實。而“膠粉改性瀝青”采用了更細的膠粉，降低了改性溫度，延緩了瀝青老化和膠粉衰減，也可以與多種聚合物形成復配，因此，其性能指標可調節性巨大，且較細的膠粉有利于改善改性瀝青的流動性，混合料的施工和易性更強，更易于碾壓密實。

“橡膠瀝青”與“膠粉改性瀝青”主要性能指標對比如表1所示。

由表1可以看出:“膠粉改性瀝青”和“橡膠瀝青”均將旋轉黏度作為關鍵控制指標，采用180 ℃作為試驗溫度，主要是考慮膠粉與瀝青混熔過程中的脫硫反應過程特點，180 ℃旋轉黏度測試值較為平穩，更能反映其工程應用特性。天津市地方標準明確了“膠粉改性瀝青”黏度試驗所采用的轉子型號及轉速(27號轉子、轉速為20 r/min)，實踐證明，同一種轉子型號下，轉速越快所測黏度值越小，如果采用不同的轉子型號及轉速，將使得試驗結果缺乏可比性。同時，“膠粉改性瀝青”的軟化點、延度指標均高于“橡膠瀝青”，黏度調整范圍也更廣，且增加了儲存穩定性(離析)指標，主要考慮了膠粉改性瀝青工廠化加工和長距離運輸的特點，設定的離析技術指標≤5 ℃不僅滿足工程需要，也符合中國膠粉改性瀝青行業的生產應用技術水平，能夠有效提升其使用性能。

表1 “橡膠瀝青”與“膠粉改性瀝青”主要性能指標對比

3 結語

“膠粉改性瀝青”與“橡膠瀝青”作為兩種不同的技術體系，其改性機理、工藝和產品指標存在較大的差異，各有特點，均能夠有效利用輪胎膠粉的技術特性，在工程實踐中應根據項目需求進行針對性的選擇應用。相對來說，“膠粉改性瀝青”改性工藝更為復雜，但性能更加穩定，且能夠實現長距離運輸，對礦料級配具有很好的適應性，油石比相對較低，產品性能調整方便，更加符合國情。同時，膠粉類改性瀝青由于組成材料的復雜性以及節能環保的優越性，其理論研究、技術研發、應用實踐日益深入，部分技術瓶頸問題正在逐步突破，諸如高摻量、低黏度、凈味型等以傳統膠粉類改性瀝青為主體的各項新技術、新產品已經相繼涌現并用于實體工程，產品標準及應用指南也在逐步完善，必將給瀝青路面建設養護提供一些新的解決方案。