溫拌橡膠瀝青發展現狀及展望

張戰軍，溫麗瑗，2，陳東慶，柯海，袁凱恒，陳小平,2

（1.廣東石油化工學院，廣東茂名525000；2.廣東省石油化工污染過程與控制重點實驗室，廣東茂名525000；3.廣東省公路管理局茂名瀝青儲運中心，廣東茂名525000）

瀝青具有良好的路用性能，在世界范圍內得到了廣泛的應用。而在基質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，同時提高了路面的使用壽命［1］。2020年，國內廢舊輪胎產量將達到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，應用前景廣闊價值非凡；然而，橡膠瀝青混合料粘而稠，實際鋪筑施工采用熱拌工藝，拌和溫度達到180℃，熱拌生產和施工過程中不僅產生危害氣體、粉塵及大量能量的消耗，也會使得瀝青混合料部分老化結塊，制約橡膠瀝青路面的使用壽命［2］。因此，國內外許多研究者將溫拌技術引入到橡膠瀝青中，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，節約成本，減少能耗，同時保證橡膠瀝青路面的使用性能，延長設備的使用年限。文中主要圍繞溫拌橡膠瀝青進行國內外研究情況綜述，分析各類溫拌技術機理，闡述今后解決的主要問題及未來發展趨勢。

1 橡膠瀝青

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下溶脹而成的復合瀝青材料。橡膠瀝青的文獻最早報道于1843年英國的1項專利。現實意義上的橡膠瀝青的生產始于20世紀40年代，美國1家橡膠回收公司率先采用干法工藝生產了Ramflex TM橡膠粉瀝青混合料［3］。

1.1 橡膠瀝青混合料國外研究現狀

國外學者在橡膠瀝青路面推廣與使用中，開展大量的實驗室模擬研究的同時也進行了試驗路段的鋪筑。1979～1981年，阿拉斯加州采用干法鋪設了7段試驗路，對比分析發現，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，俄勒岡州同時采用干法、濕法工藝鋪筑了橡膠瀝青混合料試驗路，結果得出橡膠粉改性瀝青對低溫抗裂的性能改善顯著，對混合料的模量等強度指標降低了，但大大增加了抗疲勞性能［5］。1990～1993年，弗吉尼亞州對鋪筑的5段橡膠瀝青路面試驗路，進行行車荷載作用后性能測試實驗，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條試驗路段進行橡膠粉改性瀝青路面鋪筑，96年提交了評估報告，全面評價了橡膠瀝青路面錄用性能，包括橡膠瀝青混合料設計和生產及環境影響、路面使用性能、路面建設初始費用、路面壽命評估費用等方面［7］。從1988年開始亞利桑那州全面推廣實施橡膠瀝青項目，截止2011年消耗掉了1 500×104條廢舊輪胎制成橡膠粉，生產并使用420×104t的橡膠瀝青。此外，南非順利推廣并成功應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比，當前鋪設的橡膠瀝青混合料路面的使用壽命顯著提高，長達20～25 a［8］。

1.2 橡膠瀝青混合料國內研究與應用現狀

國內橡膠瀝青起步較晚，20世紀90年代，國家開始提倡環保和廢物回收利用，國內涌現出部分橡膠企業將廢舊輪胎的回收再利用生產用于瀝青里面的橡膠粉。文獻報道國內橡膠瀝青的研究主要集中在實驗室研究，道路應用較少。

1.2.1 橡膠瀝青實驗室研究國內很多學者研究制備得到橡膠瀝青的高低溫性能及存儲穩定性。周海生、蘇慶國等人［9］通過膠粉改性瀝青試驗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）中對混合料性能的影響，結果表明橡膠粉在一定程度上可以替代纖維降低生產成本，而且具有良好的高溫性能與水穩性。

楊永順［10］通過室內試驗研究了不同反應時間和不同反應溫度加入不同粒徑、不同摻量的廢輪胎橡膠粉對瀝青改性效果及變化規律。結果表明：反應溫度為200℃，反應時間為60 min，采用粒度為80目、摻量15%（質量分數）的橡膠粉制備橡膠瀝青性能最優。

東南大學曹榮吉博士［11］通過室內試驗和試驗路段，研究了橡膠瀝青的改性機理及混合料設計方案，認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學反應；同時通過橡膠瀝青生產工藝參數的系列研究，提出了橡膠瀝青的技術標準。

房斌等人［12］開發了1套橡膠瀝青存儲穩定性測定儀，考察了橡膠粉摻量、存儲時間、溫度對橡膠瀝青穩定性的影響規律。試驗分析得出提高橡膠瀝青存儲穩定性可采用攪拌存儲和添加穩定劑2種方式。

何立平［13］通過正交試驗，考察了橡膠粉摻量、硫摻量、剪切溫度及剪切時間對橡膠瀝青混合料性能的變化趨勢影響，并確定了橡膠瀝青制備工藝各參數及外摻劑的優化組合方案。

何東坡［14］通過馬歇爾擊實實驗，對熱拌橡膠瀝青混合料最佳油石比隨級配變化、膠粉類型、膠粉摻量的變化規律進行探究。結果表明：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%（占礦料總質量）來代替，采用干法設計了不同種類的廢舊橡膠粉改性瀝青混合料，貝雷法優化了混合料級配，結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。

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定性、水穩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。

實驗室研究得出的橡膠粉改性瀝青高低溫性能、水穩定性及存儲性能均優于普通瀝青且達到了對廢橡膠輪胎粉的回收瀝青，大規模道路鋪筑使用更加環保節能。

1.2.2 橡膠瀝青道路應用現狀2001年西部交通建設項目“廢舊橡膠粉用于筑路的技術研究”，展開了對國內橡膠粉應用情況的全面調查，并通過室內試驗對橡膠粉路用性能能進行評價，同時對瀝青混合料進行設計，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］通過室內實驗得出廢橡膠摻量達到9.4%（質量分數）時，瀝青混凝土具有明顯的防路面凍結性能；在實際工程中，預計摻入2%～3%左右的廢橡膠即可達到防路面凍結效果。

2008年北京承辦奧運會、2010年上海承辦世界博覽會、2010年廣州承辦夏季亞運會都將城市降噪作為提升城市品位的手段，紛紛啟動橡膠瀝青混合料的應用研究項目。

國內外研究學者通過室內和室外試驗相結合對橡膠瀝青各項性能指標的測試研究得出橡膠瀝青具有更好的路用性能和更長的使用壽命，但是橡膠瀝青粘稠鋪筑過程中需要高溫施工，對環境及人體的危害較大，道路材料也向著綠色環保發展，溫拌技術的出現并與橡膠瀝青相結合開創了全新的研究技術領域。

2 溫拌瀝青技術及溫拌橡膠瀝青

2.1 溫拌瀝青技術

溫拌瀝青混合料（Warm Mix Asphalt簡稱WMA）是指在基本不改變瀝青混合料配合比和施工工藝的前提下，通過技術手段，使瀝青混合料的拌合溫度降低30～40℃以上，性能達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 溫拌瀝青國外應用情況20世紀90年代溫拌技術在歐洲部分國家開始使用，1995年首個工程項目竣工［19］。而溫拌瀝青的概念正式得到闡述是2000年美國殼牌公司和挪威公司在國際瀝青路面會議發表的。許多學者相繼研發泡沫型和有機降粘型2類溫拌技術，并成功開始應用，之后溫拌技術盛行于歐美、日本和南非等國家，推廣使用路用性能對溫拌技術又進行了大量研究和應用［20］。

2004年美國在加利福尼亞州和北卡羅萊納州首次完成了溫拌瀝青現場試驗［21］。2004年以后，以美國瀝青路面技術研究中心（NCAT）對歐洲溫拌瀝青技術進行全面調研，采用3種比較成熟的溫拌劑，開展了一系列的相關試驗研究。

2.1.2 溫拌瀝青國內應用情況溫拌瀝青的起步國內比國外晚，直到2005年，國內第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；2006年11月，在西藏林周地區試驗路段，零下4℃環境條件下，重慶交通科學研究設計院研究人員采用有機降黏溫拌技術進行了鋪設，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技術和SAK降粘劑進行了溫拌瀝青試鋪，施工效果良好。2008年，浦東路橋公司對SMA溫拌材料性能進行動穩定度和抗疲勞評估，得出的結論與和交通部公路科研院的研究結論相吻合。

2.2 溫拌技術分類

目前國內外成熟的溫拌技術大致可分為4類：沸石溫拌技術、泡沫溫拌技術、乳化瀝青溫拌技術和有機降粘溫拌技術，見表1。

（1）溫拌技術的沸石是人工合成Aspha-min沸石，該種沸石主要成分是含有結合水的硅鋁酸鈉（AlNaO6Si2）；

（2）泡沫溫拌技術是由美國Shell和挪威公司合作研制的2階段溫拌技術，首先將軟道路瀝青（溫度為100～120℃）與其它骨料混合攪拌，然后通過發泡機將硬瀝青泡沫化，達到良好的施工性；

（3）乳化瀝青溫拌技術主要采用的是在瀝青混合料中添加化學外加劑（如乳化劑）和瀝青分散技術，實現了瀝青混合料的溫拌；

（4）有機降粘溫拌技術是指在瀝青混合料中加入熔點低的有機物，降低瀝青混合料的粘稠度。

2.3 溫拌橡膠瀝青

溫拌橡膠瀝青結合料是指在橡膠瀝青中融入溫拌劑的技術，而且確保橡膠瀝青路面強度、耐久性與使用性能與熱拌橡膠瀝青混合料一致，達到道路使用規范標準。

2.3.1 國外溫拌橡膠瀝青研究情況2005年，美國瀝青技術研究中心環道中首次使用溫拌橡膠瀝青進行鋪設，并對道路性能各項指標進行相關試驗驗證，該中心提交了3種溫拌橡膠瀝青技術試驗結果研究報告。2008年Akisetty、Jones等人在室內進行溫拌橡膠瀝青模擬實驗，實驗結果得出溫拌劑可有效降低橡膠瀝青的旋轉粘度，抗車轍性能增強，但降低了低溫抗開裂性能。2009年Akisetty學者在5種不同基質瀝青中摻入10%的橡膠粉，同時加入溫拌劑Aspha-min和Sasobit進行拌和，得到溫拌橡膠瀝青，發現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料粘度，結構破壞溫度被提升。

2010年，Brown D通過多個項目的合作研發及實驗室大量實驗，在橡膠瀝青生產中加入1個發泡系統，可有效降低橡膠化溫度50℃，有效壓實橡膠瀝青路面，節約生產成本及維護費用。

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，通過短期旋轉薄膜老化和長期壓力老化實驗得出，蠟添加劑可降低橡膠瀝青在135℃時的粘度，且蠟添加劑較高時橡膠瀝青可滿足瀝青路面各方面要求，摻量達為3.5%時，可大幅度降低橡膠瀝青的拌合和攤鋪溫度。

2017年Rodríguez-Alloza在膠粉基質瀝青中摻入20%的橡膠粉，然后再添加2種有機拌合劑Sasobit和LicomontBS100，測試橡膠瀝青力學性能。試驗發現2種溫拌劑不僅降低了橡膠瀝青混合料的生產溫度，而且保持橡膠瀝青混合料優良的抗疲勞性能和勁度模量，改善橡膠瀝青混合料的硬度，增強混合料路面結構抗永久形變能力。

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溫度20～25℃，提高了橡膠瀝青混合料的強度。

2.3.2 國內溫拌橡膠瀝青研究情況國內溫拌技術與橡膠瀝青相結合使用，在2008年后，陸續有學者開始研究，以望2種環保型技術手段的優勢互補。2008年，在河北鋪設了世界上第1條溫拌橡膠瀝青試驗路。同年Evotherm溫拌橡膠瀝青技術在石家莊石環公路試驗路得到了應用。

2009年山東大學的商淑杰詳細研究了不同目數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性能指標，研究結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增加生產成本。2012年溫拌橡膠瀝青混合料成功鋪筑與海淀萬柳中路試驗路段，試驗發現溫拌技術應用于橡膠瀝青混合料中顯著降低了橡膠瀝青生產和施工過程中有毒有害氣體的排放。2015年在南京南站與機場連接線試驗段工程中采用溫拌橡膠瀝青SMA-13鋪設，測試結果在相同條件下溫拌橡膠瀝青SMA比橡膠瀝青SMA壓實溫度降低了20℃，水穩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定性。

近幾年，國內更多學者從溫拌橡膠瀝青的宏觀應用研究深入了微觀機理研究。楊國良等人在實驗室模擬溫拌橡膠瀝青老化試驗，對老化前后Evotherm溫拌瀝橡膠青官能團及各組分進行表征分析，紅外光譜峰顯示，老化前后吸收峰及官能團位置基本未變，羥基和羧基峰形變得突出，芳香分和瀝青質增多，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—水蒸氣老化實驗前后官能團及組分變化情況。研究結果發現，熱—氧—水蒸氣老化5針入度降低更快，軟化點提高更多，黏度增加更明顯。短期老化活性基團的生產較少，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、亞砜基等官能團含量增加更多。

廣州大學黃征研究了Hsbit和Evotherm-M1溫拌劑對橡膠瀝青的降黏機理、短期老化及流變性能。研究結果得出，溫拌劑的加入與橡膠瀝青發生化學反應香亞砜S=O和芳香族伯胺—NH2含量增加，C-S發生斷裂減少，降低橡膠瀝青膠結料粘度前者降粘作用優于后者。2種溫拌橡膠瀝青均滿足1級動力學方程。

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構，同時測試了溫拌橡膠瀝青的3大指標、黏度等性質；結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瀝青中分布更均勻，溶脹進程得到改善。

馬育研究了Evotherm DAT和Sasobit溫拌劑制備得到的溫拌橡膠瀝青實驗室模擬老化特征與規律，對比了老化前后溫拌橡膠瀝青的宏觀性能指標和微觀形貌，分別對Evotherm DAT和Sasobit溫拌橡膠瀝青的模擬老化過程進行了研究。結果表明：在163℃老化，DAT溫拌橡膠瀝青低溫勁度和抗疲勞性優于Evotherm DAT溫拌橡膠瀝青，高溫穩定性、降黏效果2者相反。

程培峰利用正交試驗對溫拌橡膠瀝青的制備影響因素權重進行分析，借助灰關聯確定各因素比例，通過針入度、軟化點、粘溫系數綜合評價溫拌橡膠瀝青性能。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%、攪拌時間75 min、攪拌溫度200℃。

3 結束語

改性廢舊橡膠粉在溫拌瀝青中的應用越來越廣泛，拌和施工溫度低，路用性能穩定，是經濟環保的瀝青路面鋪筑技術。但需解決2大主要問題：（1）生產廢舊輪胎膠粉時嚴格把控原料來源和生產工藝確保膠粉產品質量及環保要求；（2）溫拌劑的開發需加大力度，深入分析內在改性機理，加強路面試驗段鋪筑性能測試，優化不同環境下施工工藝，使得溫拌橡膠瀝青在不同條件下都有優良的使用性能，從而促進溫拌橡膠瀝青路面的發展。