摘 要：
基质沥青加入一定细度和比例的橡胶粉，通过高温搅拌会产生一系列反应。这样生成的改性沥青是沥青、废旧轮胎橡胶粉和添加剂的混合物，属于高分子复合材料，是目前全世界推广的材料。文章主要研究橡胶沥青的微观机理及特性，通过试验研究发现湿拌法橡胶沥青改性微观机理，同时，论述该材料应用于实际项目的注意事项及拓展思维。
关键词：橡胶沥青；微观；配合比；应用
橡胶沥青是基于当代汽车工业迅速发展和人们健康和环保意识提高而兴起的道路改性使用材料。该材料的应用一方面能有效消耗废旧轮胎，另一方面符合当代社会低碳要求。橡胶沥青自 19世纪 30 年代出现，已经历了近 200 年的发展。橡胶沥青以湿拌法和干拌法两种形式应用在路面建设，其因自身高温自愈性、低温抗裂性和行车舒适性的特效，在道路使用性能方面得到了使用者的认可。
1 橡胶沥青研究背景
第一，道路使用者需求。近年来，人们对道路使用提出高标准要求，如舒适、噪声、病害等要求，而传统沥青在高温下容易出现车辙，低温下抗裂效果差。工程师们通过橡胶沥青能有效改善这一问题。第二，环境保护需要。随着汽车工业的发展，轮胎已经成为现代文明不能解决的工业垃圾。通过将轮胎磨碎，脱硫，加入基质沥青或者改性沥青中，不仅可以消化大部分轮胎废弃物，对环境起到很好的保护作用，而且可以延长路面使用寿命，具有显著的双重效益。第三，经济效益。橡胶沥青费用低，完全能替代常规的改性沥青，为中国大面积交通发展发挥很好的经济作用。第四，改性沥青发展需要。常规的改性沥青存在高温和低温不稳定性，而橡胶沥青能很好兼顾高温抗车辙性和低温抗裂性，使得道路行业继续发展。
2 橡胶沥青微观机理
微观机理主要涉及橡胶颗粒与基质沥青之间的相互作用。当橡胶颗粒和基质沥青混合时，它们之间会产生相互作用，橡胶沥青表面可能和沥青分子发生化学反应，形成结合面，增加沥青的黏附性和内聚力。此外，橡胶颗粒还可以在沥青中形成交联网络，增强沥青的弹性和韧性，从而使橡胶颗粒的变形可以吸收和分散外部荷载，提高沥青混凝土的抗疲劳性能。另一个重要微观机理是橡胶颗粒对沥青起到填充和增强作用。橡胶颗粒可以填充沥青中的空隙，减少空隙率，提高沥青的密实性和耐久性。但目前具有代表性的机理形成成套理论的有物理共混说、网络填充说及化学共混说。
第一，物理共混说。当一定比例和细目的橡胶颗粒加入高温沥青中后，在高温作用下，橡胶分子键受到沥青中的化学成分如芳香烃、饱和烃的作用会发胀和溶解，均匀分散在高温沥青中。橡胶和沥青相互溶解，重新组合，在搅拌作用下形成颗粒状或丝状均匀分散在沥青中，形成混合体。第二，网络填充说。橡胶颗粒融入高温沥青中后，橡胶分子和沥青分子相互作用，重新组合，发生溶胀和溶解；橡胶粉以细颗粒或丝状以网络状分布在沥青基体当中，形成的丝状网络与掺配比例有很大的关系。第三，化学共混说。沥青属于石油产品，有烷烃、烯烃和芳香烃等有机物。橡胶沥青中加入硫化物质，可以和橡胶分子发生化学反应，从而生成新的硫化大分子网化学键。
一系列试验表明，橡胶沥青中既有稳定的橡胶颗粒，又有沥青密度增大的数据，这说明该过程包括物理填充和化学反应。
研究表明，橡胶粉融入沥青后，在加热过程中橡胶粉溶胀，胶团相互分散，使胶粉以微观和丝状共同存在沥青基体内。
3 橡胶沥青的特性
一系列试验表明，橡胶沥青的软化点升高，针入度、延度降低。针入度降低，高温性能上升，同时相互反应，形成三维网结构，因此，橡胶沥青具有很好的塑性和韧性，总结为以下几大特点。
第一，高弹性能。橡胶沥青具备很好的自愈性能，由于加入橡胶颗粒的原因，提高了混凝土的弹性，能在可控变形范围内自行恢复。第二，降噪声性能。由于橡胶颗粒的掺入，碎石之间包裹为橡胶沥青，缝隙填充为橡胶颗粒，与传统路面相比，其能有效解决噪声分贝问题。第三，黏附性。橡胶沥青本身具备的高黏性，使得能很好包裹碎石，能有效提高路面的抗水毁能力。第四，高温稳定性。新形成的分子键将使得沥青路面性能稳定。第五，抗疲劳性。研究发现，在连续行车荷载下，橡胶沥青能在短时间恢复到原有状态。第六，耐低温。在低温环境下能够保持良好的柔韧性，减少裂缝的产生。第七，自愈能力。研究发现，冬季出现的微弱裂缝在夏季高温环境中，通过车辆荷载作用具备自愈能力。第八，施工性能。黏度高，使得施工过程中摊铺和碾压更容易得到控制，不需要胶轮进行揉搓。
4 橡胶沥青微观构造
通过原子显微镜扫描发现，橡胶沥青黏度大，热熔温度高，加热后不能形成平面；而在低温情况下，橡胶颗粒率先聚集可形成微裂，在其表面张力作用下，形成一个内凹的不规则圆，其表面粗糙度相对于基质沥青较大，黏附性能强。第一，橡胶颗粒。橡胶颗粒进入基质沥青后，其理想状态是均匀分散到基质沥青中，分散的均匀性会影响橡胶沥青的使用效果。第二，基质沥青。基质沥青和橡胶沥青的相容性决定了改性后的使用效果，它将橡胶颗粒包裹在一起，并相互发生化学作用形成稳定的化学键。第三，界面层。橡胶颗粒会以颗粒状态和基质沥青结合，形成一个界面层，界面层越多，那么黏附性越强。第四，微观结构。形成的改性沥青存在很小的空隙，称之为微孔。这些微孔的大小、状态、均匀性会影响改性沥青的使用效果。
5 提高橡胶沥青的微观结构的措施
第一，科学合理选择橡胶颗粒的粒径和掺量。通过研究发现，脱硫橡胶颗粒和 18% 左右的橡胶颗粒含量能够达到预期效果，有效改善沥青中的分散性、均匀性和充盈性，达到提高微观结构的目的。第二，科学加工。通过剪切搅拌、研磨等现代化工艺能够达到较好的分散作用，形成均匀的微观结构。第三，添加剂。所有道路成品都要通过使用添加剂，更进一步改善橡胶和沥青之间界面的黏结力，改善微观结构。第四，控制基质沥青加热问题。基质沥青的加热问题会影响改性沥青的性能。第五，使用高质量材料。选择有效的原材料能够达到理想的使用效果，使得改性沥青能很好地发挥效果。
6 橡胶沥青与集料黏附机理
通过对橡胶沥青微观研究，橡胶沥青未以蜂窝状结构出现，而是以凹陷状态存在。胶粉改变了基质沥青的原来构造，提升了现有橡胶沥青的吸附能力，使沥青表面粗糙度增加，增加其黏结性。
第一，化学键。橡胶沥青中的成分与集料表面可能发生反应，生成新的化学键，这种共价键或氢键会大幅增加黏附力。第二，机械连锁。橡胶沥青可以填充空隙和细微裂缝，增加集料和沥青之间的摩擦力，使混凝土更加稳定。第三，表面能。橡胶沥青中的沥青成分具有较低的表面能，能很好地湿润集料表面，形成物理吸附。第四，集料特性。集料表面纹理、形状等会严格影响其黏附性，粗糙是第一大要素，强度为第二大要素。
7 评价橡胶沥青与集料黏附性方法
橡胶沥青黏附性为主要研究方向和目的。足够好的黏附力是沥青混凝土后期运行稳定性的主要保证，可以减少剥落，延长道路使用寿命。对此，本项指标尤为关键，下面简单罗列几种检测黏附性的方法。
第一，水煮法。该试验目的是模拟橡胶沥青在高温有水环境下的黏附性能，方法为将集料和橡胶沥青样品在热水中煮沸一段时间，观察集料表面沥青的剥离程度，并根据剥离的程度来判断黏附性的好坏。
第二，直接拉伸试验。该试验目的是模拟橡胶沥青在外力作用下的抗拉伸能力。方法为通过对集料与橡胶沥青黏结的试件进行直接拉伸，测量其断裂强度和伸长率，以评估整体性。
第三，水稳定性试验。该试验目的是模拟橡胶沥青在冻融及雨水天气下的遇水稳定性。方法为将样品浸泡在水中，观察沥青与集料的剥离情况，以评估在水的作用下的黏附性。
第四，抽屉试验。该试验目的是模拟橡胶沥青抗拉伸能力。方法为将集料和橡胶沥青样品放置在抽屉中，进行拉伸试验，测量沥青与集料的黏结强度。第五，动态剪切流变试验。该试验目的为模拟橡胶沥青在振动环境中的黏附能力，通过测量在振动或剪切作用下的流变性能来评估橡胶沥青与集料的黏附性。
8 橡胶沥青混合料配合比设计研究
第一，在含量相同条件下，不同规格胶粉指标有一定差异，但是粒径变化对混合料指标变化规律没有太大影响，只表现为黏度和弹性恢复，具体表现为胶粉越细，综合指标越低。第二，反应时间的影响。在 190 ℃反应温度下进行黏度测试，不同目数的胶粉都表现为先升高后降低，但80 目的胶粉反应最快。这表明胶粉越细，反应越快，但是时间越长，黏度又下降越厉害。第三，不同胶粉掺量。在 18% 左右附近选取含量，试验表明，规律性越强，含量越高，黏度、软化点和弹性恢复越大，而延度越小。黏度为施工中最为关键因素，施工胶粉量建议选择为 18%~18.5%。
9 隆七路配合比设计
第一，隆七路面层设计为 4+1 橡胶沥青混凝土（ar-ac-13）和橡胶沥青应力吸收层，以保障该路具备高温抗车辙性能、低温抗裂性和行车舒适性。对于油石比确定采用体积法，主要以孔隙率为控制指标，本次混合料油石比为 5.8。第二，根据生产配合比确定建立在目标配合比及生产过程的调试过程。在目标配合比 OAC 和 OAC 正负 0.3三个油石比之间进行马歇尔试验进行调试，综合确定生产配合比的最佳油石比，但是和理论配合比结果相差宜在 0.2 范围之内。第三，试验完成后，对试验数据分析，油石比、车辙和摩擦系数都达到了预期要求，其内在使用功能只能在后期使用后直观评价。
10 橡胶沥青生产施工要点
橡胶沥青从基质沥青选择到橡胶颗粒的掺入，最后到橡胶沥青混凝土施工，几个关键要点总结如下。
第一，橡胶颗粒的选择。选择合适粒径和质量的橡胶颗粒，常用的颗粒目数在 20~100，20 目相对较粗，100 目的相对较细，这与生产的加热温度有必然的联系。细颗粒能提供更好的黏结力和实用性，但会增加施工难度，粗颗粒更容易摊铺，但会影响道路实用性能。
第二，脱硫处理方法包括化学脱硫、微生物脱硫。橡胶颗粒提前脱硫，能使橡胶沥青具有更好的弹性、耐磨性、耐久性，提高产品质量。
第三，橡胶颗粒掺入控制。将沥青加入搅拌，同时加入橡胶颗粒，使橡胶颗粒和沥青充分混合，控制好温度和时间。
第四，橡胶沥青存放特点。由于橡胶沥青本身改性的原因，要做到随用随生产，不能像常规沥青一样可以长时间存放。
第五，橡胶沥青施工。和常规沥青施工一样，对出场温度、摊铺问题、碾压成型温度、开放交通温度进行控制，但是和普通沥青现场施工存在区别是，其不能用胶轮搓压。
11 橡胶沥青应用结论
第一，微观放大查看胶粉与沥青在高温下的融合反应，发现其形成橡胶沥青凝体，而部分胶粉核心没有完全溶解形成网状结构和硫状带，这是与其他沥青不一样的特点。第二，橡胶沥青要即用即生产，不能像常规沥青一样，可以长时间存放，其原因为橡胶颗粒在高温环境中长时间高温会老化，丢失功能。第三，黏度为施工现场最重要控制因素。本项目先从常规施工工艺，钢轮初步碾压，胶轮后面揉搓，但是效果很不理想。项目全程无胶轮揉搓，故增加一台钢轮碾压。
隆七路为整个襄阳片区橡胶沥青混凝土全线应用的项目，在高温裂缝自我恢复、高温抗车辙、低温抗裂、行车舒适及行车低噪声方面都有很好的直观表现。目前已经行车 3 年，在超载车碾压、管养不及时情况下，能保持很好的道路使用状态，值得在该功能道路上推广使用橡胶沥青。
参考文献：
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原创作者：李志平，襄阳市公路建设养护中心，湖北 襄阳 441003。