摘 要
橡胶沥有具有优异的抗裂、耐久等路用性能，但在其制备拌和及铺设环节存在着耗能高、污染大、气味重、施工难等问题。综述了橡胶沥青的环保化制备及其混合料的温拌、乳化及干法直投工艺，提出了原材料胶粉预处理再生方法，并质疑了橡胶沥青高温加工黏度指标的合理性。还阐述了沥青烟组分的检测及治理方法，最后对橡胶沥青的环保化制备与应用作出总结和展望。
关键词
橡胶沥青|环保|胶粉再生|沥青烟|道路工程
橡胶沥青用于道路工程建设，能够弥补常规沥青或SBS改性沥青的抗裂性和耐久性不足延长路面服役寿命[1]。此外，橡胶沥青能够消耗大量胶粉，从而缓解废旧轮胎堆积造成的“黑色污染”问题。
橡胶沥青的制备过程本质上是胶粉在沥青中溶胀降解再生的过程，加之高黏度特性，因而要求橡胶沥青及其混合料在加工拌和时往往选择较高的温度。这不仅消耗大量燃料，排放CO2、NOx、等温室气体，而且在高温条件下极易挥发沥青烟气，严重危害人体健康和生态环境。因此，橡胶沥青的发展和应用面临着环保问题的制约。温度是影响混合料拌和及铺设过程中的能耗和污染排放的关键因素之一，如何通过有效的方法降低温度，实现橡胶沥青的高性能和绿色可持续发展，是当前及今后工作的重点。
近年来，橡胶沥青的环保化制备方法相继被开发和应用。温拌橡胶沥青通过添加剂的降黏或自润滑作用能够实现混合料在较低温度下的拌和。乳化橡胶沥青借助沥青乳液中连续相的低黏度特性可实现常温下的拌和。干法直投橡胶沥青将湿法工艺中胶粉在沥青中的溶胀及裂解过程提前完成，能够省去橡胶沥青的预制环节，减少燃料消耗和高温拌和时沥青烟气的挥发。对原料胶粉进行预处理，如表面活化、脱硫再生等方法能够增加胶粉表面活性、减小胶粉粒径、降低交联密度，从而降低沥青改性的难度，提高产品性能和环保性。
对橡胶沥青的环保化制备与应用中的温拌乳化及干法直投三种绿色工艺的作用机理、性能及优缺点进行了综述，并详细介绍了胶粉预处理再生的方法，质疑了高温加工黏度指标的合理性，对沥青烟组分的检测手段及治理方法进行了评述。最后，对橡胶沥青的环保化制备与应用作出总结和展望。
1、橡胶沥青环保化应用方法
1.1 温拌橡胶沥青
(WRA Warm mix )
美国改性沥青研究中心[2]将可持续路面定义为“一种通过减少能源、资源消耗及相关排放来最小化环境影响，同时满足所有性能条件和标准的路面”。将橡胶沥青制备方法分别与温拌、乳化及干法直投工艺相结合，用于生产环保型橡胶沥青及其混合料是新颖且极具发展前景的道路铺设技术，可实现沥青路面从理论到实践的环保可持续。
WRA是温拌技术和橡胶沥青制备方法的结合。通过添加剂的作用，实现混合料在较低温度下的拌和及压实，相比热拌橡胶沥青混合料降低了20~40℃[3]。根据添加剂种类，温拌技术分为三种:有机添加剂(蜡基)、化学添加剂、发泡技术。
(1)有机添加剂有机添加剂又称降黏剂主要由蜡组成。通过蜡在熔点以上的融化实现降黏，同时又在降温凝固后增加混合料的机械强度。研究表明，如果路面实际使用温度超过蜡的熔点，将会严重影响混合料的机械强度和路用性能，因此必须根据使用温度合理选择和确定蜡的种类和含量[4]。目前最常用的蜡是南非Sasol Wax公司生产的。
(2)化学添加剂化学添加剂是指表面活性剂、聚合物及其它添加剂的组合。通过与沥青形成内部水膜发挥润滑作用从而降低拌和温度[5]此类添加剂的代表产品是美国公司开发的 -3G/DAT。
(3)发泡技术发泡技术是指利用少量的水发泡沥青。水与沥青混合时受热蒸发，产生大量泡沫，暂时降低混合料黏度，改善和易性。目前最常用的是合成沸石Aspha-min和。
表1列举了不同类型的温拌添加剂对橡胶沥青的性能影响对比。
表1中各项性能的差异变化主要与温拌添加剂的种类、结构及作用方式有关。有机添加剂中的正构烷烃能够与沥青组分作用从而降低黏度[16]。混合物中的残留结晶蜡结构，使橡胶沥青具有良好的高温抗车辙性能，但抗疲劳性能较差[17]。-3G能够提升混合料的抗水损性能，可能与温拌剂增强了橡胶沥青与集料间的结合力和黏附性有关[8]。-DAT与橡胶沥青之间几乎没有明显的化学反应[19]。发泡技术对橡胶沥青性能的影响与含水率有关，含水率的提高降低橡胶沥青的高温性能，但能够提高其低温、抗疲劳性能和温度稳定性[20]。
降低黏度并不是降低拌和及压实温度的唯一机制，添加剂与沥青作用形成内部水膜的润滑性也是影响温度降低的关键因素[21]。研究发现混合料拌和温度降低52℃，能够减少21%的燃料消耗和20%的CO2排放，同时减少沥青烟的排放[22]。
WRA混合料路用性能表现优异，并且降低了路面铺设及后期维护对环境和施工人员的负面影响。但其技术新颖，应用时间短，且大部分性能评价来自实验室，实际工程的长期表现有待进一步观察。此外，较低的拌和温度可能造成集料不完全干燥、老化程度低，从而损害混合料性能。由此带来的后期维护成本降低了WRA的竞争潜力。各种添加剂是否存在潜在污染，也有待进一步确认。
1.2 乳化橡胶沥青
(ERA )
ERA是指在机械搅挫作用下，将热橡胶沥青以微细液滴状态分散在含有乳化剂的水溶液中，形成水包油的乳化溶液[23]。乳化剂分子亲水亲油的特殊基团结构，促进形成了稳定分散的均勾乳液体系。
ERA体系存在乳化难度大、分散不稳定破乳时间难控制等问题。黏度是导致这些问题的关键因素之一。只有体系黏度低于 600cP 时才能对胶粉改性沥青实现良好的乳化[24]。Fred 等[25]研究发现，在乳化过中加人环烷烃油，能够降低胶粉改性沥青的黏度，同时增加胶粉在沥青中的溶胀程度，提高储存稳定性。另外，适当提高乳化温度、延长剪切时间也能够降低黏度，提高体系稳定性。
胶粉的大颗粒度是导致ERA体系存在上述问题的另一个关键因素。董大伟等[26] 对比研究了不同粒径胶粉对乳化沥青性能的影响，结果表明，胶粉粒径大小对改性沥青的软化点、延度及混合料的储存稳定性均有明显影响。粒径较大的胶粉难以溶解且易团聚破乳，不利于乳化体系的稳定悬浮。主要原因是胶粉与基质沥青的相容性较差[27]。 V.[28]等首次提出在乳液制备过程中加入钠基膨润土和胶乳，以改善胶粉颗粒在沥青乳液体系中的分散稳定。或通过溶剂预溶胀胶粉来增加胶粉与基质沥青的相容性。
多类型乳化剂复配的ERA体系具有优异的综合性能。较低的生产温度能够避免高温条件下的过度老化，减少沥青烟气的挥发，具有极高的环保价值和应用前景。但是当前国内的乳化剂品种太少，类型单一，且应用范围较窄。同时,乳化难度大、体系不稳定等问题，仍有待进一步解决。
1.3 干法直投橡胶沥青
(DRA Dry mix )
干法直投又叫直投胶粉复合改性技术，是指通过添加一定量的助剂，制备成可直投使用的胶粉复合改性剂。直投工艺在混合料拌和时一步完成，无需预制橡胶沥青，从而减少了燃料消耗和沥青烟等污染气体排放。图1为干法直投工艺和湿法工艺制备橡胶沥青及其混合料的生产流程。
DRA混合料与SBS改性沥青混合料相比具有更加优异的高低温、抗疲劳性能和水稳定性[29]。杨博等[30]研究了干拌直投胶粉对基质沥青的改善效果及高温改善机理，结果发现，干拌直投胶粉具备同时改善沥青胶浆和混合料骨架结构的双重改性功能。并且对混合料骨架结构的改善作用相对更为突出，这是因为橡胶与沥青的“溶胀”反应需要充分的时间，而随着胶粉掺量的增加，“溶胀”反应越不彻底，胶粉作为填料骨架的改善作用越突出。
DRA的性能稳定性受到胶粉掺量、粒径活化效果及橡胶沥青连接剂(TOR)等条件的影响[1]。随胶粉掺量的增加，混合料的高低温抗疲劳性能和水稳定性呈现先上升后下降的趋势，这与橡胶和沥青的“溶胀”反应不充分有关[31]。胶粉粒径较小时，混合料更易分散和压实，能够提高其高温抗变形和低温抗裂性能[32]。胶粉预活化完成了湿拌橡胶沥青中胶粉和沥青的溶胀及裂解过程[29]，能够改善胶粉表面活性减小粒径，降低沥青改性的难度。TOR 能够改善橡胶与沥青的相容性，从而降低黏度、改善施工和易性，提升混合料的高温性能和弹性恢复[33]。
DRA技术仍有很多问题尚未解决。比如容易出现松散、剥落、病虫害等现象，对于施工过程中的微观机理、胶粉的分布分散情况、橡胶与沥青的两相界面作用等问题也缺乏更为深人的基础研究。
2、胶粉预处理再生
常规胶粉表面呈现较强惰性，与基质沥青的相容性较差[34]，导致常规橡胶沥青存在黏度大分散差、拌和困难等问题[35，36]，且高温储存时经常团聚，易发生分层离析现象[37]。
通过表面活化、脱硫再生等方法对胶粉进行预处理再生，能够提高胶粉表面活性，增强胶粉与基质沥青的相容性，使橡胶沥青的软化点和黏度降低，针入度增大，并且具有良好的耐老化性能和热存储稳定性[38，39，40]。胶粉活化度(脱硫程度)的增加还可以明显改善乳化沥青的乳化效果和储存稳定性[26]。
根据再生原理，胶粉的预处理再生方式分为表面活化、接枝改性、机械化学再生、机械物理再生、植物再生、微生物再生等，如表2所示。
胶粉的预处理再生，在降低黏度、减小粒径、均匀分散等方面，能够显著降低胶粉改性沥青的难度，更有利于温拌、乳化和干法直投橡胶沥青的生产和应用。
3、橡胶沥青高温加工黏度指标的合理性
传统橡胶沥青考虑胶粉颗粒的存在，导致高温加工的黏度指标较大。通过对胶粉的预处理再生及环保化制备方法的应用，能够降低体系黏度，同时又不损害橡胶沥青的低温抗裂、耐老化等性能，不必过分强调胶粉颗粒的存在，因此可以考虑使用胶粉掺量更高、黏度更低的橡胶沥青。
胡吉良等[38]研究发现，改性沥青黏度随胶粉掺量提高而增大，但是在相同掺量和目数情况下，脱硫胶粉改性沥青的黏度较硫化胶粉改性沥青更小，这是由于脱硫处理破坏了胶粉的网络结构和部分主链，使橡胶分子量减小。
关庆文等[38]分析了不同胶粉掺量和不同温度条件下改性沥青的黏度变化，当胶粉掺量大于10%，温度在120 ~150℃时，脱硫胶粉改性沥青的黏度明显低于硫化胶粉改性沥青。同时，脱硫处理能够明显改善胶粉与基质沥青的相容性提高沥青储存稳定性和低温性能。
高掺量胶粉导致改性沥青黏度较高的问题可以通过对胶粉的预处理再生及环保化制备方法得到妥善解决。如此看来，现行的高温加工黏度指标能否满足当前橡胶沥青体系的评价要求，其合理性有待商榷。
4、沥青烟检测及治理技术
沥青由性质和分子量不同的烃类及其衍生物组成，在高温状态下，轻质组分极易挥发至空气中，以气溶胶的形式形成沥青烟，粒径在0.1~1.0um之间[47]。沥青烟中含有大量多环芳烃苯并[a]花等有毒致癌物质，对生态环境和人体健康有极大的危害。
4.1 沥青烟检测技术
沥青烟的检测手段可以分为沥青烟混合物浓度的测定和沥青烟全组分的定性定量测定两类主要包括紫外分光光度法、气相色谱法、气相色谱-质谱联用法、高效液相色谱法、重量法、荧光分光光度法等.这些检测技术极大提高了沥青烟浓度及组分含量的测定精度[48]。表3详细列举了不同检测方法的测试原理、适用范围等信息。
4.2青烟治理技术
沥青烟的末端治理技术包括:高压静电捕集法、低温等离子技术、燃烧法、吸附法、吸收法等。表4详细列举了不同治理方法的作用原理优缺点等信息。
单一治理技术存在多种弊端，往往无法达到理想的净化效果，因而实际应用中通常将两种或多种沥青烟气治理技术组合使用[59]。当前对于橡胶沥青烟气治理技术的报道较少，但其它行业的沥青烟治理手段同样值得借鉴。
廖志强等[60]采用洗油吸收-燃烧法净化处理焦油加工产生的沥青烟气，首先吸收法除去大部分沥青烟组分，对于无法吸收的有害物质，通过高温燃烧转化为无害小分子。图2为洗油吸收燃烧法净化流程图。
赵秉文等[61]采用燃烧室+热回收室+ 喷淋塔的组合方法净化处理防水卷材加工产生的沥青烟气，经过燃烧后的高温气体经过热回收室，完成余热回收，再通过喷淋塔除尘后排放，实现了对沥青烟气净化处理和余热回收的双重功能。
广吉高速GJGX2标段采用烟气喷淋+高压静电捕集 +等离子光催化组合法对SBS改性沥青烟气进行分级净化处理，实现了沥青道路的绿色生产和施工[62]。
上述技术值得被借鉴用于橡胶沥青及其混合料拌和时的沥青烟治理。结合前文介绍的温拌乳化及干法直投橡胶沥青制备方法，可解决或减缓拌和及道路施工时沥青烟气的排放问题，从而实现沥青路面的绿色可持续发展。
5总结与展望
5.1 总结
废胎胶粉作为沥青改性剂用于路面铺设，相较于常规沥青或SBS改性沥青路面，拥有更长的服役寿命和优异的高低温、耐老化、抗疲劳抗水损等性能优势。但高温拌和及施工条件带来的燃料消耗和环境污染问题不容忽视。温度是影响混合料性能及污染排放的关键因素。温拌和乳化工艺通过添加剂作用能够明显降低橡胶沥青及其混合料的拌和施工温度，干法直投省去了橡胶沥青的预制环节，从而达到降低能耗和减少污染的目的。三种环保型工艺制备的橡胶沥青拥有与传统热拌橡胶沥青相当的路用性能，但仍然存在一些问题有待解决。较低的拌和施工温度容易导致温拌橡胶沥青混合料压实度和老化程度低，从而损害部分长期性能。乳化橡胶沥青存在乳化难度大、体系不稳定的问题。干法直投橡胶沥青混合料路面后期容易出现松散、剥落、病虫害等现象。
通过对胶粉的预处理再生，如增加胶粉表面活性、减小胶粉粒径、降低交联密度，可降低沥青改性的难度，进一步降低黏度及拌和温度。将来可以使用掺量更高的橡胶沥青，而不必过多考虑胶粉颗粒存在带来的黏度问题。
沥青烟中含有大量有毒致癌物质，严重危害生态环境和人体健康，开发高效适用的沥青烟组分及含量检测方法，能够为橡胶沥青生产施工过程中沥青烟的治理提供有力指导。
5.2 展望
在未来对于橡胶沥青的环保化制备与应用研究中，建议着重考虑以下方面:
(1)跟踪监测道路工程的长期性能表现。
(2)研究胶粉在沥青中的分布分散情况，以及温拌剂、乳化剂、改性助剂等与橡胶和沥青之间的相互作用机理。
(3)建立评价橡胶沥青路用性能和污染排放的双重标准。
(4)开发高效适用的针对路面无组织排放沥青烟气的检测及治理方法，注意监测混合料中各种添加剂对于大气、土壤和水源的潜在污染。
全文完。首发于《石油沥青》2021年8月。作者简介:张子轮《1995-)，男，汉，安徽宿州人，上海交通大学研究生，在读硕士，从事道路材料的研究。E-mail:@ 。添加主编微信，链接中国沥青路面资源。
1、本站发布的内容部分购买于网络，仅供读者学习与参考，如有侵权，请联系站长进行删除处理。
2、本站一切资源不代表本站立场，不代表本站赞同其观点和对其真实性负责。
3、本站仅分享资源，以极低的价格降低大家被割韭菜的损失。本站无法保证资源质量，所以介意的小伙伴请勿下单！
4、资源大多存储在云盘，如发现链接失效，请联系站长第一时间更新。
