橡胶颗粒沥青路面应用技术的研究

橡胶颗粒沥青路面应用技术的研究周纯秀，谭忆秋（哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150090）摘要：为了探索废旧橡胶轮胎回收再利用的新途径，研究了橡胶颗粒沥青混合料（CRMAM）的级配组成及拌和、成型方法，并通过车辙试验、低温小梁弯曲试验和冻融劈裂试验等分析了CRMAM的高低温性能和抗水损害性能等基本路用性能。

室内模拟试验研究和实体工程观测结果表明，橡胶颗粒沥青路面具有良好的路用性能，而且，其在除冰雪性能和抗滑性能方面优势明显。

关键词：废旧轮胎橡胶颗粒；沥青混合料；橡胶颗粒沥青路面；路用性能；中图分类号：U414 文献标识码：AThe Study on the Application Technology of Crumb Rubber AsphaltPavementZHOU Chun-xiu， TAN Yi-qiu( School of Communication Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China) Abstract: To explore the new method of reclaiming waste tire, the method of incorporating waste tire crumb rubber into the mixture and the method of compacting the mixture were studied. And then the properties at high and low temperatures and anti-stripping property were analyzed through Track Test and Bend Test and Freeze-thaw Split Test. The feasibility of applying waste tire crumb rubber into hot-mixed asphalt mixture as aggregates was studied. The result shows that it is feasible to apply waste tire crumb rubber into asphalt mixture. The results indicated the performance of CRMAP was very well, especially its anti-ice-snow and skid-resisting performance. Key words：Waste tire crumb rubber; Hot-Mixed Asphalt Mixture; CRMAP; Applied performance;汽车轮胎全世界年报废量在10亿条以上，我国每年约有5000~6000万条橡胶轮胎报废，若以每条15kg计，每年废旧橡胶的产生量应为750~900kt[1-2]。

而且有数据表明，废旧橡胶轮胎对环境的污染可长达几十年之久。

若将废旧轮胎弃之不管，会给我国的环境带来极大的压力，同时也造成资源的巨大浪费。

对废旧橡胶轮胎的处理，人们曾尝试用掩埋或焚烧的方法，但是，由于在掩埋中要占用大量的土地，造成了土地资源的巨大浪费，而且还会造成土壤污染；而在废旧橡胶轮胎的焚烧过程中，释放出的有害物质不但会造成空气和地下水污染，而且会加剧全球气候变暖，不但不能从根本上解决废旧轮胎的处理问题，而且还会带来新的、更严重的环境污染问题。

对废旧橡胶轮胎的回收利用有直接利用（轮胎翻修、轨道缓冲材料等）和间接利用（再生橡胶、胶粉和热分解等）两种方式[3]。

其中把废旧橡胶轮胎加工成胶粉（包括粗胶粉、细胶粉、精细胶粉和超细胶粉）是废旧橡胶轮胎再利用的主导方向，而将废旧轮胎应用于道路铺装，于20世纪60年代由瑞典道路研究所开发，美国、日本和西欧一些国家也相继开展了橡胶沥青混合料在道路铺装工程中的应用方面的研究，并取得了一定的良好效果。

目前，将废旧橡胶轮胎应用于道路铺装有两种方式：一种是橡胶粉改性技术的应用，即采用一定细度的橡胶粉通过干法或湿法直接掺于沥青或混合料中，其主要目的在于改善沥青性能；另一种是橡胶颗粒沥青混合料的应用，即将废旧的橡胶轮胎破碎成具有一定形状和粒径的颗粒，用其代替部分矿料，以骨料的形式直接掺于沥青混合料中铺筑路面[4-5]。

橡胶粉改性沥青技术的应用研究在国内已进行了路面研究，而橡胶颗粒作为骨料直接掺入沥青混合料在国内尚未见相关的研究报道。

综合国内外的研究状况，哈尔滨工业大学在国内率先开展了橡胶颗粒沥青混合料及橡胶颗粒沥青路面的基础性的试验研究。

在橡胶颗粒沥青混合料中，由废旧的橡胶轮胎破碎成具有一定形状和粒径的橡胶颗粒，以骨料的形式直接掺于沥青混合料中，用其代替部分矿料，通过充分的拌和，橡胶颗粒在热项目来源：交通部西部交通建设科技项目（200331882007）“十一五”国家科技支撑计划重点项目（No.2006BAJ18B05）能和机械力的作用下，部分恢复橡胶材料的黏性和可塑性，并均匀的分布于沥青混合料中，使这种混合料在高温下具有较强的变形恢复能力，低温时又具有相当的柔韧性。

1 橡胶颗粒对混合料性能的影响根据橡胶颗粒路面除冰雪机理的研究发现，橡胶颗粒作为一种特殊的柔性材料，具有较高的弹性，其变形能力大；而冰的力学性质受分子中氢键的脆弱程度、晶格的几何特性等的影响；在连续外荷载作用下，冰体与其他物体一样呈现变形特性。

一般冰体的极限变形能力较橡胶的变形能力要小得多。

而沥青混合料中的粗集料是一种刚度大和强度高的材料，因此，将橡胶颗粒掺入沥青混合料中，混合料的柔性得到了极大的改善，其整体的变形能力有了较大程度的改善和提高，在行车荷载的重复作用下，道路表面的冰就会由于损伤累积发生疲劳破碎。

另外，由于橡胶颗粒的掺入，在橡胶颗粒路表面将会在粗集料周围分布大量的橡胶颗粒，道路表面结冰的时候由于橡胶颗粒的存在，使得道路表面的结冰状况很不均匀，冻结冰的强度就会降低，加之橡胶颗粒与粗集料的刚度相差较大，橡胶颗粒的变形能力很强，那么当大量的车辆通过后，由于行车荷载的作用，此时冰较容易破碎。

因此，希望混合料中掺加尽可能多的橡胶颗粒，但是由于橡胶颗粒本身的特性与石料有较大差别，致使混合料的性能发生较大变化，因此有必要对橡胶颗粒对混合料性能的影响进行研究。

橡胶是一种高分子材料，它具有密度小，对流体的渗透性低等特点，尤其是它在较大的温度范围内表现出较强的柔韧性和高弹性，这与石料的性质差异较大，因此，当其被掺加到沥青混合料中时，会对混合料的内部组成结构产生很大的影响，进而影响混合料的使用性能。

橡胶颗粒一方面可以填充部分空隙，改变混合料的空隙率；另一方面也会对石料的接触模式产生影响，由“石料—石料”刚性接触模式改变为“石料—橡胶颗粒—石料”的刚柔性接触模式，降低混合料的强度和刚度，其影响程度会随着橡胶颗粒粒径和掺入量的变化而变化[6]。

为了明确橡胶颗粒对混合料性能的影响，试验时对于材质不同、外观形状（立方体、扁平状）不同和掺入量不同的橡胶颗粒在级配类型、矿料和结合料相同的条件下通过正交试验分别进行了相关试验。

试验结果表明，掺加了由废旧轮胎生产得到的近似立方体的橡胶颗粒的混合料的性能较好；而且随着橡胶颗粒掺入量的增加，混合料的空隙率和回弹变形在增大，原因在于过多的橡胶颗粒会对石料之间的骨架密实结构产生干涉作用，致使混合料的空隙率变大。

而回弹变形的增大在于橡胶颗粒在较大温度范围内的所表现出来的高弹特性。

2 橡胶颗粒沥青混合料的级配组成设计为了获得良好的路用性能，对橡胶颗粒沥青混合料组成材料的配比范围、级配组成设计方法、最佳沥青用量的确定方法等进行了研究。

首先，采用多目标的星点设计—效应面法，确定了混合料中粗集料、橡胶颗粒和粗橡胶颗粒的配比范围；在此基础上，运用体积设计法进行了混合料配合比设计；针对橡胶颗粒沥青混合料组成材料的特点，提出修正的马歇尔法用于橡胶颗粒沥青混合料最佳沥青用量的确定，在考察常规马歇尔体积指标的基础上，增加飞散损失率这一评价指标；最后，进行了混合料路用性能验证。

2.1混合料配比范围的确定研究中主要针对橡胶颗粒的掺量X1(%)、粗石料含量X2(%)以及粗橡胶颗粒含量X3(%)3个影响因素，以混合料的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度和回弹变形作为考察指标，采用星点设计－效应面优化法进行配比范围的优化确定。

研究结果如图1-1~图1-3所示。

经过综合分析，确定3个因素较佳工艺范围分别为：X1：2%~6%；X2：60%~75%；X3：30%~60%。

2.2 最佳沥青用量的确定马歇尔试验是目前沥青混合料配合比设计的重要试验项目。

它既是确定最佳沥青用量的有效手段，也是评价沥青混合料高温稳定性的常用方法[5-8]。

故本试验采用修正的马歇尔法确定最佳沥青用量。

橡胶颗粒作为骨料加入到混合料中，在其加入的同时从级配中扣除相同质量和粒径的石料。

试验采用的级配见表5，其中，橡胶颗粒掺量为4%。

依据现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）进行马歇尔试验。

图1-1 X 1和X 2对OD 的效应面 图1-2 X 1和X 3对OD 的效应面图1-3 X 2和X 3对OD 的效应面2.2.1研究用原材料① 沥青。

采用辽河炼厂生产的SBS改性沥青[8]，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》实测其技术指标，试验结果见表1。

表1 沥青技术指标测定结果针入度/0.1mm （25℃） 延度（15℃）软化点/℃ 密度/g .cm -389 100 76 1.002②矿料。

本研究采用平山采石场的石料（玄武岩）、矿粉的技术指标见表2和表3。

表2 石料的物理、力学性能表观密度/g .cm -3No.3 No.2 石屑 天然砂 细长扁平颗粒含量 %压碎值 % 粘附性 2.700 2.682 2.709 2.581 10.823.2 Ⅴ表3 矿粉技术指标测定结果级配 表观密度 /g .cm -3含水量% 粒径 /mm 0.15 0.0752.689 0.1 累计通过率% 100 91.4③橡胶颗粒。

试验采用的橡胶颗粒是由废旧橡胶轮胎经机械破碎生产的，其技术指标测定结果见表4。

表4 橡胶颗粒技术指标测定结果表观密度 /g .cm -3粒径/mm 4.75 2.36 0.6 <0.6 粘附性表观密度/g.cm-3 1.152 1.140 1.132 1.135Ⅴ2.2.2最佳沥青用量的确定①混合料成型工艺由于橡胶颗粒具有轻质、高回弹的特性，为了使橡胶颗粒能够在混合料中均匀分布，并充分发挥橡胶颗粒在较高温度下的表面的溶胀作用，增强黏结作用，提高橡胶颗粒沥青混合料的密实度，同时减小成型后的回弹变形，本文还对橡胶颗粒沥青混合料的成型工艺进行了研究。