CN108101420A - 胶粉改性沥青混合料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种胶粉改性沥青混合料及其制备方法，所述胶粉改性沥青混合料包括粗集料、细集料、矿粉和胶粉改性沥青，其中，所述胶粉改性沥青混合料的配合比采用GTM方法进行设计；所述沥青混合料的油石比为5.2％～5.6％。本发明利用废轮胎橡胶粉制备胶粉改性沥青并应用于公路建设，不仅能够有效地提高普通沥青的品质，改善路面使用性能，而且还可以降低工程建设造价，节省项目投资。本发明在基于GTM设计方法进行胶粉改性沥青混合料的设计，在降低沥青用量的同时，能够充分发挥材料的技术优势，能够显著地提高路面性能，降低后期维护费用。

Description

胶粉改性沥青混合料及其制备方法

技术领域

本发明涉及改性沥青领域，具体涉及一种胶粉改性沥青混合料及其制备方法。

背景技术

随着汽车工业的发展，社会汽车保有量的迅速增长，我国废旧橡胶的产出量近几年急 剧增长。目前橡胶的回收和综合利用方式主要有两种：焚烧生热和生产再生橡胶。但是针 对焚烧橡胶，在焚烧的过程中会对空气造成二次污染，考虑到保护环境的需要，这种废旧 橡胶的处理方法已逐渐减少；另外针对生产再生橡胶，由于生产的再生胶质量差，生产过 程中污染高，能耗大，目前再生胶的产量也逐渐降低。如何能够更有效的综合利用废旧橡 胶，使其资源化，是当今世界范围内的紧迫任务。

近年来，将废旧橡胶制作橡胶粉用于筑路技术的研究逐渐进入了国内外的研究范围。 经试验研究表明，将废旧轮胎制作成橡胶粉，作为改性剂加入沥青中，能够改善沥青的高 低温性能、抗老化性能、抗疲劳性能，起到减薄路面、延长路面使用寿命、延缓反射裂缝、减轻行车噪声的作用。

胶粉改性沥青是一种半固态连续相的混溶体系，完全区别于传统的基质沥青和聚合物 改性沥青，大部分未发生脱硫裂解反应的胶粉颗粒悬浮于该混溶体系中。胶粉改性沥青的 这种特性势必给沥青混合料的设计方法带来较大的影响，传统的设计方法以及矿料级配结 构是否仍然适应于胶粉改性沥青混合料值得进一步研究。传统的马歇尔设计方法使用已有 很多年了，它通过使用锤击来使沥青混合料获得一定的压实功来成型试件，并用压实试件 的体积结构来决定混合料的最佳沥青用量。马歇尔设计方法属于体积设计方法，该方法对 混合料的密度、空隙率、矿料间隙率等指标有明确的要求。马歇尔方法是我国现行《公路 沥青路面施工规范》规定的配合比设计方法，影响最为深远，应用最为广泛的沥青混合料 设计方法。马歇尔试验的优点就是试验方法简单，费用较低。但大量实践证明，传统马歇 尔设计方法的整个指标体系，既不能确切反映沥青混合料的力学性能，也不能较好的对应 沥青路面的技术性能。国内外的研究成果均表明，马歇尔设计的体积指标与实际路用性能 指标有较大差距。

GTM是柔性路面在荷载作用下的机械模拟。该试验机采用类似于施工中压路机作用的 揉搓方法压实沥青混合料，并且模拟了现场压实设备与随后交通的作用，具有改变垂直压 力的灵活性。GTM把混合料成型压实实验机、力学剪切实验机和车辆模拟机合并成为了一 台实验机，一旦试件成型完毕，根本不用进行另外的强度试验即可得到混合料的设计密度 和沥青用量，所以GTM具有设计周期短、设计成本较低的特点。GTM采用了和应力有关的推理方法进行混合料的力学分析和设计，克服了马歇尔等经验方法的不足。GTM方法可较真实地模拟实际路面材料的受力状况以及预测材料到服务期限末的应力应变力学性质，从而避免了路面材料的早期破坏。GTM成型试件的原理，既可模拟路面碾压成型阶段，混 合料所受到的碾压、揉搓作用，还可根据路面所承受的轮胎接地压强设定垂直压力，也可 变化对试件的揉搓旋转角度。GTM除了能设计沥青混合料外，还可用于基层、土基的材料 组成设计。GTM是通过搓揉、旋转来压实制作试件，工程技术人员已经证实通过这种方法 制作的试件的应力—应变特性对于实际柔性路面结构具有很好的代表性。

因此，将GTM方法应用于胶粉改性沥青混合料的配比设计的研究具有极其重大的意 义。

发明内容

本发明的目的是为了使大量的废旧轮胎得到循环利用，减少环境污染，并使采用改性 沥青用于筑路的路面的提高使用品质和使用寿命，降低路面寿命周期成本，节省成本，将 GTM方法应用于胶粉改性沥青混合料的配比设计的研究，从而提出了一种胶粉改性沥青混 合料及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种胶粉改性沥青混合料，包括粗集料、细集 料、矿粉和胶粉改性沥青；所述胶粉改性沥青包括橡胶粉、基质沥青和外加剂；按质量百分比计，所述橡胶粉为15～25％，所述外加剂为0.1％，余量为基质沥青，所述橡胶粉的粒径为40～60目，所述基质沥青为70#基质沥青或90#基质沥青；所述胶粉改性沥青混合料 的配合比采用旋转压实剪切方法进行设计且油石比为5.2％～5.6％。

进一步讲，本发明的胶粉改性沥青混合料，其中，所述外加剂为橡胶油。

所述粗集料为玄武岩或石灰岩，所述细集料是天然砂、机制砂和石屑中的一种或多种， 所述矿粉是石灰岩或是岩浆岩矿粉。

所述粗集料的颗粒级配为连续性级配，包括粒径为10mm～15mm和5mm～10mm的两个粒级。

所述胶粉改性沥青混合料为AR-AC13橡胶沥青混合料，所述AR-13型沥青混合料配合 比为粒径为10mm～15mm的粗集料：粒径为5mm～10mm的粗集料：细集料：矿粉＝30： 26：40：4；所述AR-AC 13型沥青混合料的油石比为5.4％。

所述橡胶粉的粒径为40目；所述基质沥青为70#基质沥青。

所述橡胶粉是常温法粉碎的斜交轮胎橡胶粉，所述橡胶粉的掺量为胶粉改性沥青的 20％。

上述胶粉改性沥青混合料的制备方法，步骤如下：

步骤一、制备胶粉改性沥青，包括：1-1)处理原材料：将粒径为40～60目的橡胶粉烘干，烘干温度为105～115℃；将基质沥青脱水后备用；1-2)混溶反应：将步骤1-1)中 脱水后的基质沥青加热至180～190℃，将步骤1-1)中烘干后的橡胶粉按照质量百分比加入 所述基质沥青中，搅拌溶胀40～45min，得混合液；1-3)将步骤1-2)中的混合液泵入胶体 磨，剪切研磨，再输入至发育罐以260-300r/min转速搅拌，在搅拌过程中一次按照质量百 分比添加外加剂后，连续搅拌4小时，得胶粉改性沥青成品，在发育过程中，采用布氏粘 度计实时检测胶粉改性沥青175℃下运动粘度是否在1.0～4.0Pa·s之间，通过发育时间控制 离析指标不大于5℃；

步骤二、粗集料和细集料的选用及处理：按照颗粒级配选用洁净、干燥、无风化的粗 集料和细集料；所述粗集料、细集料和矿粉符合《公路沥青路面施工技术规范》对沥青混合料用矿粉的技术要求；

步骤三、混合料生产拌和：用导热油对供给管道进行30～60分钟预热；将步骤二中选 用的粗集料、细集料和矿粉加热至200℃～210℃备用；将步骤一制备得到的胶粉改性沥青 加热至185℃～195℃备用；按照沥青混合料油石比为5.2％～5.6％将粗集料、细集料、矿粉 和胶粉改性沥青进行混合搅拌，搅拌温度为180℃～185℃，搅拌速度为40r/min，搅拌时间 为55-70秒，其中，干拌时间≥10秒，湿拌时间≥40秒。

进一步讲，上述胶粉改性沥青混合料的制备方法的步骤一的1-2)中，将橡胶粉加入至 基质沥青过程中，边搅拌边加入，采用搅拌机搅拌，搅拌速度由慢到快，自260-300r/min 开始搅拌，20分钟内搅拌速度升至1000r/min，最终稳定在1000r/min搅拌10-15min，搅拌 温度控制在190℃～210℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明利用废轮胎橡胶粉制备胶粉改性沥青并应用于公路建设，不仅能够有效地提 高普通沥青的品质，改善路面使用性能，而且还可以降低工程建设造价，节省项目投资。

2、本发明能够治理废旧轮胎所带来的“黑色污染”问题，有效利用废物，节约资源，能 够更好地促进公路建设与环境保护工作的可持续发展。

3、本发明在基于GTM设计方法进行胶粉改性沥青混合料的设计，在降低沥青用量的 同时，能够充分发挥材料的技术优势，能够显著地提高路面性能，降低后期维护费用。本发明将GTM方法应用于胶粉改性沥青混合料的组成设计，结果表明GTM方法更适合粗集 料含量相对较多的连续型级配，且连续型级配的胶粉改性沥青混合料更易压实，并得到实 体工程验证。

4、本发明对于废旧轮胎资源的循环利用能够有效节约沥青资源，不仅节省工程投资， 且废轮胎胶粉改性沥青代替SBS改性沥青，每吨节省费用500元，经济效益显著。

5、本发明的技术方案，减少了废旧轮胎的环境污染，减少了堆放土地的占用率；可延 长路面使用寿命1～3倍，从而减少道路维修费用，具有显著的经济和社会效益。

6本发明采用废轮胎胶粉对普通沥青进行改性，能够有效提高沥青品质和路面使用性 能，延长路面使用寿命；采用胶粉改性沥青代替SBS改性沥青，能够节约材料费13％，如 果我国每年有1/3的改性沥青采用胶粉改性沥青，按2006年用量计算，可为国家节约沥青 材料费用2亿多元；胶粉改性沥青对废轮胎带来的“黑色污染”进行循环利用，20％的外掺 比例可以有效节约石油资源，双向6车道高速公路每公里可节约石油近40吨，同时使用近 7500条废轮胎，能够有效地缓解环境压力，改善生存环境。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对 本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明提供的一种胶粉改性沥青混合料，所述胶粉改性沥青混合料包括粗集料、细集 料、矿粉和胶粉改性沥青，其中，所述胶粉改性沥青混合料的配合比采用GTM方法进行设 计；所述沥青混合料的油石比为5.2％～5.6％。

在如上所述的胶粉改性沥青混合料，优选，所述粗集料为玄武岩或石灰岩，所述细集 料为天然砂、机制砂或石屑，所述矿粉为石灰岩或岩浆岩矿粉。

在如上所述的胶粉改性沥青混合料，优选，所述粗集料为连续性级配；所述粗集料为 10mm～15mm、5mm～10mm。

在如上所述的胶粉改性沥青混合料，优选，所述胶粉改性沥青混合料为AR-13型沥青 混合料，所述AR-13型沥青混合料配合比为粗集料10mm～15mm：粗集料5mm～10mm： 细集料：矿粉＝30：26：40：4，所述沥青混合料的油石比为5.4％。

在如上所述的胶粉改性沥青混合料，优选，所述胶粉改性沥青包括橡胶粉、基质沥青 和外加剂；按质量百分比计，所述橡胶粉的掺量为胶粉改性沥青的15～25％。

在如上所述的胶粉改性沥青混合料，优选，所述橡胶粉的粒径为40～60目，所述基质 沥青为70#基质沥青或90#基质沥青。

在如上所述的胶粉改性沥青混合料，优选，所述橡胶粉的粒径为40目；所述基质沥青 为70#基质沥青。

在如上所述的胶粉改性沥青混合料，优选，所述橡胶粉的掺量为胶粉改性沥青的20％； 所述外加剂为橡胶油。所述橡胶粉为常温法粉碎的斜交胎橡胶粉。常温粉碎法是指在常温 下对废旧橡胶用辊筒或其他设备的剪切作用进行粉碎的一种方法。常温粉碎法的生产工序 主要为粗碎与细碎。一般分三个阶段：首先将大块废旧橡胶破碎成50mm大小的胶块；第 二步是采用粗碎机将上述胶块再粉碎成20mm的胶粒，然后将粗胶粒送入金属分离机中分 离出金属杂质，再送入风选机中除去废纤维；第三步是用细碎机将上述胶粒进一步磨碎后， 经筛选分级最后得到粒径40～200μm的胶粉。

本发明的胶粉改性沥青的制备方法中，将基质沥青加热到要求的温度时，开动高剪切 分散乳化机，边剪切边均匀地加入橡胶粉，搅拌规定的时间并注意搅拌过程温度的保持， 即可制出胶粉改性沥青样品。本发明的实施例采用的高剪切分散乳化机为上海尚贵机械电 子有限公司生产的敞口式实验室用高剪切混合乳化机，其原理是通过高速剪切把橡胶粉剪 碎、分散于沥青中形成橡胶粉沥青。它能够真实模拟施工现场生产橡胶粉沥青材料的实际 情况。本发明的实施例中采用的搅拌机的搅拌器为螺旋杆搅拌器。

如上所述的胶粉改性沥青混合料中的所述胶粉改性沥青的制备方法包括以下操作步 骤：

1)处理原材料：将橡胶粉烘干，烘干温度为105～115℃；将基质沥青脱水后备用；

2)混溶反应：将步骤1)中脱水后的基质沥青加热至180～190℃后以下后，将步骤1) 中烘干后的橡胶粉加入所述基质沥青中，搅拌溶胀40～45min，得混合液；将橡胶粉加入至 基质沥青时，须边搅拌边加入，以防止在搅拌过程中产生喷溅伤人；开动搅拌机搅拌时，搅拌速度应由慢到快，自260-300r/min开始搅拌，20分钟内搅拌速度升至1000r/min，最终稳定在1000r/min搅拌10-15min，并将搅拌温度控制在190℃～210℃；所述搅拌机的搅拌器为螺旋杆搅拌器；

3)成品：将步骤2)中的混合液泵入胶体磨，剪切研磨，再输入至发育罐低速搅拌，在搅拌过程中一次按照质量百分比添加外加剂后，连续搅拌4小时，得胶粉改性沥青成品，备用；其中在制备胶粉改性沥青的过程中，须控制胶粉改性沥青在175℃下的运动粘度为1.0～4.0Pa·s，离析指标不大于5℃。

本发明中提出的一种胶粉改性沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：

1)原材料选用及处理：粗集料选用洁净、干净且表面粗糙的碎石；细集料包括天然砂、 机制砂和石屑，细集料应该洁净、干燥、无风化、无杂质，并有适当的颗粒级配；矿粉必须采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细而得，所有集料质量必须符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)对沥青混合料用矿粉的技术要求；胶粉改性沥青175℃运动粘度控制在1.0～4.0Pa·s之间，离析指标应不大于5℃；

2)混合料生产拌和：将步骤1)中的粗集料、细集料、矿粉和胶粉改性沥青进行混合搅拌；在胶粉改性沥青混合料生产过程中，应提前30～60分钟用导热油对供给管道进行预热，以方便胶粉改性沥青的泵送，同时应以混合料拌和均匀、所有矿料颗粒全部裹覆沥青结合料为原则，延长拌和时间；

搅拌速度为40r/min，搅拌时间为55-70秒，其中，干拌时间不得少于10秒，湿拌时间 不得少于40秒，拌和阶段应充分考虑材料特性，实施监测胶粉改性沥青及矿料的加热温度， 并对混合料的温度逐车进行测量，生产拌合阶段的温度控制要求为：胶粉改性沥青加热温 度185℃～195℃，矿料加热温度200℃～210℃，混合料温度180℃～185℃；

3)胶粉改性沥青混合料应随拌随用，实时监测成品料的外观质量，发现异常及时分析 原因，并采取措施纠正。

实验例：

GTM成型试件时，有效模拟了路面行车荷载作用下沥青混合料的最终压实状态：即在 规定的机械旋转角度和设定垂直压力下沥青混合料试件被不断揉搓、剪切、压实，直到平 衡状态(指每旋转100次试件的密度变化率为0.016g/cm³)。在试件成型过程中，GTM能自动采集试件的应力、应变数据，并显示抗剪强度变化曲线。试件的应变是通过机器角的大小来表征的，抗剪强度SG则是用滚轮压力推理换算而得的。

GTM成型试验的目的在于模拟路面行车荷载作用下沥青混合料的最终压实状态即平衡 状态，并测试分析试样在被压实到平衡状态过程中剪切强度和最终塑性形变大小，以判断 混合料组成是否合理。在混合料被压实到平衡状态过程中，若机器角上升，滚轮压力下降， 说明混合料的抗剪强度在降低，变形在增加，呈现出了塑性状态，即表明沥青混合料的沥 青用量已经过多。压实试件的最终塑性变形特性是用旋转稳定系数GSI(GyratoryStability Index)来表示的。GSI是试验结束时的机器角与压实过程中的最小机器角的比值，是表征 试件受剪应力作用的变形稳定程度参数。GSI接近于1.0时所对应的沥青用量为混合料的最 大沥青用量。试件成型过程中的强度特性是用抗剪强度安全系数GSF来表示的。GSF是试 件成型后由设备检测到的试件抗剪强度与实际路面在设定的垂直荷载下的最大剪应力之比 值，表征了所设计混合料的抗剪强度安全程度，因此，设计中要求GSF必须大于或等于1.0。

GTM试验机最大限度地模拟汽车在公路上行驶时轮胎与路面的相互作用，通过旋转压 实，使沥青混合料密度达到汽车轮胎实际作用于路面时所产生的密实度，在进行沥青混合 料设计时有以下几个方面的优越性：

(1)GTM试验应用科学推理的方法，采用应力应变原理进行设计，试验时在一定的压力下对试件揉搓成型，使其对试件的作用和汽车轮胎对路面的作用力非常相似，并在旋转成型过程中减少骨料的破碎。

(2)GTM拥有三种试模型号，直径分别为10.16cm、15.24cm和20.32cm，在进行沥 青混合料配合比设计时，可根据沥青混合料的类型选择试模，尤其是对于粒径大于26.5cm 的粗粒式沥青混合料更显示出其优越性。

(3)GTM试验方法与公路实际情况联系更紧密。充分考虑公路行车荷载的实际情况， 根据每条公路的实际情况选择不同的设计压强，设计出的沥青混合料更具有针对性和合理 性。

(4)考虑了车辙产生的因素。从理论分析讲，产生车辙的因素主要有两个，一是由于 沥青路面在行车荷载的反复碾压下进一步压密；二是因沥青混合料在高温时的强度不足以 抵抗车轮荷载的反复作用，轮下部分沥青混凝土产生剪切变形逐渐被挤压到两侧，形成侧 向流变而产生车辙。GTM设计时采用的压强为公路汽车轮胎对路面的实际压强，并且试件 在该压强下被压实到平衡状态，因此，几乎避免了产生第一种变形的可能性。同时，GTM 设计的沥青混合料满足了行车荷载作用下所需要的抗剪强度，第二种变形也会大大减小。

(5)马歇尔法在设计沥青混合料时考虑空隙率、饱和度等体积指标，GTM法没有将这些体积指标作为确定沥青用量的指标，但是从GTM法确定沥青用量的指标中可以看出，旋转稳定度系数GSI与体积指标有一定的关系。当沥青混合料过度压实或者填充较多的沥青时，旋转稳定度系数值变大，开始出现塑性变形。

(6)GTM设计方法运用碾压揉搓成型的方法，在抗车辙性能方面是以往的马歇尔设计方法所无法比拟的。它实质上提供了一个不会产生车辙的柔性路面设计方法，而不是去规范车辙的容许深度。摒弃了不能反映实际路用性能的各种强度指标(如马歇尔稳定度、维姆稳定度、无侧限抗压强度等)。而用推理方法直接测量计算混合料试件在压实过程中的力学指标，较之经验式的体积分析方法更为准确、科学合理，还使设计周期大大缩短。

通过对GTM、马歇尔两种不同的沥青混合料设计方法进行对比分析可知：马歇尔试验 试验方法简单，费用较低，应用时间长，有深远的影响。但传统马歇尔设计方法为体积设计方法，既不能确切反映沥青混合料的力学性能，也不能较好的对应沥青路面的技术性能。GTM设计方法考虑到了抗剪因素的要求，设计沥青混合料时不固定压实功，以极限平衡状态作为结束条件，GTM试验机最大限度地模拟汽车在公路上行驶时轮胎与路面的相互作用，从而基于GTM设计的沥青混合料各项指标表现良好。

本发明是基于GTM设计方法进行胶粉改性沥青的研究，胶粉改性沥青混合料配合比优 化设计。基于GTM旋转成型方式，连续型级配的胶粉改性沥青混合料更易压实。相对于传 统的马歇尔锤击成型方式，GTM旋转成型下的胶粉改性沥青混合料在相对较低的油石比下 具有更好的路用性能。

本发明具体实施例在制备胶粉改性沥青的过程中，要注意以下几点：

(1)准备工作阶段

①严格控制胶粉烘干温度，温度太低，胶粉中的水分不易除尽，温度太高，可能会破 坏胶粉的空间网状结构，烘干温度按规定控制在105～115℃；

②沥青脱水的目的是在沥青加热时不会出现溢锅现象，以免引起火灾。

(2)试验搅拌阶段

①在称取定量脱水基质沥青加热时，注意温度，应在沥青的闪点以下。本发明具体实 施例中所用的沥青的闪点为230℃，基质沥青加热温度加热至180℃～190℃。

②胶粉加入热的沥青中时，一定要边搅拌边加入，以防产生喷溅伤人。

③开动搅拌机搅拌时，速度应由慢到快，使转速逐渐稳定下来。搅拌温度必须控制严 格在190℃～210℃。

④要控制好搅拌时间，橡胶屑颗粒应在上述高温的基质沥青中至少反应40～45min，使 他们充分溶胀，但仍保持着固体颗粒的核心。优选为反应45min。

(3)后期试样准备阶段

搅拌以后的沥青进行二次脱水，其目的是将搅拌时混入改性沥青中的水汽排出，以免 影响性能的测试结果。

胶粉改性沥青制备过程中应注意：当基质沥青加热至180℃后，将橡胶粉缓慢倒入基 质沥青中，切忌倒在喷头上(以免橡胶粉成团堵塞剪切仪)，同时不要急于启动高速剪切仪， 而是要边倒边搅拌，至分散均匀了再启动高速剪切仪。

实施例1

本实施例提供一种胶粉改性沥青制备方法，包括以下操作步骤：

1)处理原材料：将橡胶粉烘干，烘干温度为105℃；将基质沥青脱水后备用；

2)混溶反应：将步骤1)中脱水后的基质沥青加热至180℃后，再将步骤1)中烘干后的橡胶粉加入基质沥青中，搅拌溶胀42min，得混合液；将橡胶粉加入至基质沥青时，须边搅拌边加入，以防止在搅拌过程中产生喷溅伤人；开动搅拌机搅拌时，搅拌速度应由慢到快，自260-300r/min开始搅拌，20分钟内搅拌速度升至1000r/min，最终稳定在1000r/min搅拌15min，并将搅拌温度控制在190℃～210℃；

3)成品：将步骤2)中的混合液泵入胶体磨，剪切研磨，再输入至发育罐低速搅拌，在搅拌过程中一次按照质量百分比添加外加剂后，连续搅拌4小时，得胶粉改性沥青成品，备用。

在本实施例制备胶粉改性沥青的过程中，须控制胶粉改性沥青在175℃下的运动粘度为1.0～4.0Pa·s，离析指标不大于5℃。

实施例2

本实施例提供一种胶粉改性沥青制备方法，包括以下操作步骤：

1)处理原材料：将橡胶粉烘干，烘干温度为115℃；将基质沥青脱水后备用；

2)混溶反应：将步骤1)中脱水后的基质沥青加热至185℃后，再将步骤1)中烘干后的橡胶粉加入基质沥青中，搅拌溶胀45min，得混合液；将橡胶粉加入至基质沥青时，须边搅拌边加入，以防止在搅拌过程中产生喷溅伤人；开动搅拌机搅拌时，搅拌速度应由慢到快，自260-300r/min开始搅拌，20分钟内搅拌速度升至1000r/min，最终稳定在1000r/min搅拌10min，并将搅拌温度控制在190℃～210℃；

3)成品：将步骤2)中的混合液泵入胶体磨，剪切研磨，再输入至发育罐低速搅拌，在搅拌过程中一次按照质量百分比添加外加剂后，连续搅拌4小时，得胶粉改性沥青成品，备用。

在本实施例制备胶粉改性沥青的过程中，须控制胶粉改性沥青在175℃下的运动粘度为 1.0～4.0Pa·s，离析指标不大于5℃。

实施例3

本实施例提供一种胶粉改性沥青制备方法，包括以下操作步骤：

1)处理原材料：将橡胶粉烘干，烘干温度为110℃；将基质沥青脱水后备用；

2)混溶反应：将步骤1)中脱水后的基质沥青加热至190℃后，再将步骤1)中烘干后的橡胶粉加入基质沥青中，搅拌溶胀40min，得混合液；将橡胶粉加入至基质沥青时，须边搅拌边加入，以防止在搅拌过程中产生喷溅伤人；开动搅拌机搅拌时，搅拌速度应由慢到快，自260-300r/min开始搅拌，20分钟内搅拌速度升至1000r/min，最终稳定在1000r/min搅拌10min，并将搅拌温度控制在190℃～210℃；

3)成品：将步骤2)中的混合液泵入胶体磨，剪切研磨，再输入至发育罐低速搅拌，在搅拌过程中一次按照质量百分比添加外加剂后，连续搅拌4小时，得胶粉改性沥青成品，备用。

在本实施例制备胶粉改性沥青的过程中，须控制胶粉改性沥青在175℃下的运动粘度为 1.0～4.0Pa·s，离析指标不大于5℃。

本发明中的油石比是指沥青混凝土中沥青与矿料质量比的百分数，它是沥青用量的指 标之一。它的用量高低直接影响路面质量，油石比大则路面容易泛油，反之则影响强度和 防水效果。因此确定最佳的油石比为筑路技术中的关键性技术。

本发明的废轮胎胶粉改性沥青作为橡胶粉和基质沥青的混溶体系，橡胶粉的细度、颗 粒表面状况、掺量和内部组成成分直接影响着橡胶粉与基质沥青混溶发育的速度和程度， 具体见实施例4至实施例6。

实施例4

本实施例是胶粉粒径对胶粉改性沥青性能的影响所做的研究。

本实施例胶粉改性沥青的制备方法与实施例3中相同，在此不再赘述。

本发明的橡胶粉用目数来表征其粒径的大小，目数越大其粒径越小。本实施例中橡胶 粉的掺量固定为外掺20％，粒径分别采用20目、40目和60目，并采用软化点、25℃针入度、175℃旋转粘度、25℃弹性恢复及薄膜烘箱老化试验来评价胶粉改性沥青的性能。

胶粉改性沥青的拌和工艺全部采用简单搅拌，搅拌速度为1000r/min、搅拌时间为10 分钟、混溶温度为190℃。不同胶粉粒径下的胶粉改性沥青的性能试验数据见表1所示。

表1不同胶粉粒径下胶粉改性沥青的性能试验数据

由表1试验数据可知，橡胶粉的掺入对基质沥青起到了良好的改性效果，随着胶粉粒 径的减小，胶粉改性沥青由软变硬，粘度增大、针入度减小、软化点增大，其高温性能有较好的改善。从性能随胶粉粒径的变化趋势来看，胶粉粒径从20目到40目时，其性能改 善较明显，但是从40目到60目时，其性能的提高较缓。

由上述对于胶粉改性沥青高温性能评价指标的适应性分析可以看出，最能表征胶粉改 性沥青真实性能的旋转粘度随胶粉粒径的减小而越来越大，但是针入度试验结果却随着胶 粉粒径的减小而增大，体现出与粘度相反的变化趋势，这是由于橡胶粉越粗时，其对标准 针的影响越大，从而造成试验值偏差较大，也从侧面说明针入度试验从机理上不适应于对 胶粉改性沥青的评价。同时，胶粉粒径从40目到60目时，胶粉改性沥青175℃下的旋转粘 度由1.8Pa.s增加至2.1Pa.s，而软化点却仅从59.2℃增加至60.1℃，其增幅程度远小于粘 度指标，也从侧面反映出常规的软化点试验并不能表征胶粉改性沥青真实的粘度性能，更 多是体现橡胶粉间的轻质成分被吸收的自由沥青的高温抗流动能力，只能说明橡胶粉与基 质沥青随着胶粉粒径的减小，其发育反应的程度更剧烈。

另外，从老化后指标可以看出，当胶粉粒径在20目至40目之间时，胶粉改性沥青老化后的质量变化在0.07％～0.13％之间，针入度比均大于70％，抗老化性能有了很大的提高。 从25℃弹性恢复指标来看，胶粉粒径的变化对胶粉改性沥青加载后的恢复变形能力影响较 小。

综合上述数据，胶粉改性沥青的性能随胶粉粒径的变化较为明显，随着胶粉粒径的减 小，橡胶粉的比表面积越大，在沥青中溶胀越充分，从而胶粉改性沥青的粘度就越大，即 高温稳定性能越好。但是，其性能的改善随胶粉粒径的变化程度并非简单的线性关系，并 不能简单地说橡胶粉越小，其改性沥青的性能就一定越好。而且，从施工及工程成本的角 度来讲，橡胶粉越细，其加工成本也就越高，同时更容易结团而影响改性效果。因此，综合考虑胶粉改性沥青本身的性能及其施工性能，本实施例的生产胶粉改性沥青时应选用40目的橡胶粉为最优。

实施例5

本实施例是胶粉掺量对胶粉改性沥青性能的影响所做的研究

基于实施例4的研究成果，本实施例在40目橡胶粉的前提下，使胶粉掺量分别外掺15％、20％及25％，胶粉改性沥青的加工工艺同实施例3中相同，在此不再赘述。仍然采用软化点、25℃针入度、175℃旋转粘度、25℃弹性恢复及薄膜烘箱老化试验来评价胶粉改性沥青的性能，同时采用SHRP体系中BBR弯曲梁蠕变试验劲度指标对其低温性能进行研究。不同胶粉掺量下的胶粉改性沥青的性能试验数据见表2所示。

表2不同胶粉掺量下胶粉改性沥青的性能试验数据

由表2试验数据可以明显看出，胶粉掺量的变化对胶粉改性沥青性能的影响较大，随 着胶粉掺量的增加，胶粉改性沥青的高温性能、低温性能、加载后变形恢复性能及抗老化 性能均有大幅度的提高。其中，胶粉掺量由15％增加至25％，胶粉改性沥青175℃下的粘度 由1.5Pa.s增加至3.8Pa.s、软化点增加11.1℃、弹性恢复由51％增加至76％，-18℃下劲度 模量减少了75％左右。这主要是由于随着胶粉掺量的增加，橡胶粉吸收基质沥青中的轻质 成分越多，使剩余的自由沥青含有高比值的沥青稀，从而使沥青的粘度及低温蠕变劲度增 大；而且，橡胶粉具有相对更好的变形恢复能力，随着其掺量的增加，胶粉改性沥青的整体变形恢复能力也随之提高。

由此可见，增加胶粉掺量对于改善基质沥青的性能是有利的。但同时也应该注意到随 着胶粉掺量的增加，胶粉改性沥青的粘度有很大的增幅，而过高的粘度会对沥青的泵送及 混合料的拌和、摊铺造成较大的困难，因此，应该将胶粉的掺量限定在一定范围内，考虑 到生产施工过程对胶粉改性沥青175℃下的旋转粘度1.5Pa.s～3.5Pa.s的要求，本实施例将 橡胶粉掺量确定为外掺20％。

实施例6

本实施例是基质沥青等级对胶粉改性沥青性能的影响所做的研究。

本发明的胶粉改性沥青作为橡胶粉与基质沥青的混溶体系，基质沥青的等级对其品质 有重要的影响。在南非的应用过程中，当用于热拌沥青混合料时，选用针入度等级为60～ 70的基质沥青，而用于层间撒布时，则选用偏软的针入度等级为80～100或者100～150的 基质沥青。而美国亚利桑那州将基质沥青进行PG分级，由不同等级基质沥青配制的胶粉改 性沥青分别适用于热区、温区和寒区。

由此可见，不同等级的基质沥青对于胶粉改性沥青的改性效果有所差异。本实施例以 70#和90#基质沥青为研究对象，胶粉外掺20％且粒径采用40目，基于175℃旋转粘度、25 ℃弹性恢复及SHRP体系中BBR弯曲梁蠕变劲度等指标来研究基质沥青等级对胶粉改性沥 青性能的影响情况。其中，胶粉改性沥青的拌和工艺同上节，不同基质沥青下胶粉改性沥 青的性能试验结果如表3所示。

表3不同等级基质的胶粉改性沥青的性能试验数据

由表3试验数据可以看出，由于90#基质沥青中轻质组分含量较高，经橡胶粉改性后的 低温性能略高于70#基质沥青的改性效果，而且其加载后的恢复变形能力也较强，但是从高 温性能指标来看，90#沥青改性后的粘度比70#沥青改性后的小，高温抗流动性能较弱。因 此，在胶粉改性沥青的生产应用中，应该根据不同的气候条件和路面受力特点，有针对性 地选择基质沥青进行改性。本实施例的基质沥青优选为70#基质沥青。

本发明的胶粉改性沥青是一种半固态连续相的混溶体系，完全区别于传统的基质沥青 和聚合物改性沥青，大部分未发生脱硫裂解反应的胶粉颗粒悬浮于该混溶体系中。胶粉改 性沥青的这种特性势必给沥青混合料的设计方法带来较大的影响，传统的设计方法以及矿 料级配结构是否仍然适应于胶粉改性沥青混合料值得进一步研究。本发明具体实施例中采 用的是基于GTM设计方法进行胶粉改性沥青混合料的配合比设计。

本发明实施例提供的AR-13C型胶粉改性沥青混合料配合比设计采用GTM方法，具体 见实施例7。

实施例7

本实施例是对油石比的确定所做的研究。

本实施例的AR-13C型胶粉改性沥青混合料配合比设计采用GTM方法。试件成型条件 为：垂直压力0.8MPa；拌和温度190℃；成型温度175℃～185℃；控制方式为极限平衡状态。

选择油石比5.1％、5.4％、5.7％、6.0％，按上述条件成型GTM试件。按T 0705-2000(表干法)测定试件毛体积相对密度，根据沥青浸渍法实测合成级配矿料混合料的有效相对密度(见表4)并计算沥青混合料最大理论相对密度。GTM试件体积参数及马歇尔试验 结果见表5，GTM试验结果见表6。其中沥青混合料试件的矿料间隙率VMA依据JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》，采用矿料混合料的合成毛体积相对密度计算。

表4合成集料有效相对密度试验结果

表5AR-13C型胶粉改性沥青混合料GTM试件体积参数及马歇尔稳定度试验结果

表6AR-13C型胶粉改性沥青混合料GTM试验结果

由表6可见，判定沥青混合料这种粒状塑性材料是否会出现塑性变形过大现象的指标 GSI(稳定系数)随油石比的增加而增大，当油石比大于5.4％，GSI大幅度增大，表明混合 料中的沥青已过量，试件的塑性变形过大；从反映沥青混合料抗剪强度方面的参数GSF(安 全系数)随油石比的变化情况来看，油石比等于5.4％时，GSF值最大，当油石比大于5.4％， 随油石比的增加，GSF值减小。综合考虑GTM试验结果并参考体积参数的大小及变化趋势。 考虑到不同工程所处的地区气候特点、公路渠化交通的特点以及便于施工控制，本实施例 的沥青混合料的油石比控制范围为5.2％～5.6％。优选地，将AR-13C型胶粉改性沥青混合 料最佳油石比确定为5.4％。

实施例8

本实施例是对胶粉改性沥青混合料的配合比所做的研究。

基于实施例7的研究结果，本实施例提供的胶粉改性沥青混合料的配合比为：粗集料 10mm～15mm：粗集料5mm～10mm：机制砂：矿粉＝30.0：26.0：40.0：4.0；油石比为5.4％。

本实施例胶粉改性沥青的制备方法与实施例3中相同，在此不再赘述。

本实施例的胶粉改性沥青混合料的制备方法采用现有常规技术手段即可，本发明对此 不作限定。

本实施例制备的胶粉改性沥青混合料的性能检测参数见表7。

表7胶粉改性沥青混合料的性能检测参数

此外，为使集料与胶粉改性沥青能够充分拌和，最大程度地提高胶粉改性沥青混合料 的生产质量，应该严格控制拌和过程中的各个环节。

胶粉改性沥青175℃下的粘度控制在1.0～4.0Pa·s之间，如此之大的粘度可能会造成沥 青泵送时间太长，从而造成热料仓等料，使得混合料出料温度偏高，同时也会降低拌和楼 的产量。因此，应尽可能减少胶粉改性沥青输送管道长度，同时也可以加粗管道或者采用 较大功率的沥青泵输送，而且生产前应提前对管道进行预热。

对于胶粉改性沥青混合料，应适当延长拌和时间，其中干拌时间不得少于10秒，湿拌 时间不得少于40秒。拌和阶段应充分考虑材料特性，实施监测胶粉改性沥青及矿料的加热 温度，并对混合料的温度逐车进行测量。本实施例的胶粉改性沥青混合料生产拌和阶段温 度控制范围见表8。

表8胶粉改性沥青混合料生产拌和阶段温度控制范围

生产拌和阶段	各阶段温度控制要求
		胶粉改性沥青加热温度	185℃～195℃
矿料加热温度	200℃～210℃
		混合料摊铺温度	180℃～185℃
混合料废弃	≥195℃

本实施例的胶粉改性沥青混合料应随拌随用。实时监测成品料的外观质量，发现异常 及时分析原因，并采取措施纠正。

实施例9

按照实施例8制备出的胶粉改性沥青混合料应用于筑路技术中。施工中严格按照规范 要求进行，并进行了相关的数据检测，各项检测结果如表9。

表9试验段试验结果

综上所述，本发明的胶粉改性沥青是在高温条件下(≥180℃)和高速剪切下生产的， 促进了沥青和橡胶成分间的物理反应，使橡胶颗粒悬浮在沥青中。胶粉改性沥青用于各种 沥青路面结构中通常作为胶结料(包括碎石封层和热拌混合料)，也可用作填缝材料。本发 明的胶粉改性沥青改性机理为：废胎胶粉与沥青在高温条件下混溶，一方面橡胶粉吸收沥 青中的轻质组分体积溶胀，废胎胶粉力学特性得到改善：弹性性能降低，但仍高于沥青； 可塑性得到部分恢复。一方面沥青中轻组分含量减少，沥青粘度增加，温度敏感性得到改 善。同时，在溶胀过程中橡胶粉与沥青中活性官能团发生化学反应，橡胶粉部分氧化解聚， 胶粉中的抗老化剂、碳黑、锌化合物活性成分进入沥青胶体体系，使沥青温度稳定性、老 化性能得到改善和提高。胶粉改性沥青在常温或常温以下时，橡胶粉在沥青中起到加筋作 用，提高沥青的弹性及低温抗裂性。简单来说，随着橡胶粉的加入，由于物理和化学改性的共同作用，改善了原本基质沥青的使用性能，达到改性的目的。

本发明的胶粉改性沥青的加工工艺包括拌和温度、拌和时间及存储方式等方面。本实 施例的胶粉改性沥青的最主要的控制指标为温度和粘度。在配制胶粉改性沥青时，还应该 注意以下几点：

(1)一般情况下，胶粉改性沥青在应用过程中不宜在180℃温度下存储超过6h，在140 ℃温度下存储也不宜超过12h，最好能够及时使用。胶粉改性沥青在混溶反应45分钟后， 如果4小时内不使用，应该停止加热。

(2)温度始终是控制胶粉改性沥青生产质量的关键，胶粉改性沥青的生产罐和储存罐 都应有加温和保温措施，能够加热至190～220℃。胶粉改性沥青在现场生产需要采用专用 加工设备，螺旋杆搅拌器也是胶粉改性沥青生产的主要设备，以保证橡胶粉在基质沥青中 分散均匀。

(3)在胶粉改性沥青生产过程中，应随时监控胶粉改性沥青粘度随反应时间的变化， 用于保证生产质量。

(4)结合实体工程应用情况，本发明将胶粉改性沥青175℃运动粘度控制在1.0～4.0 Pa·s之间，离析指标应不大于5℃。胶粉改性沥青在175℃下的粘度指标是在生产应用过程 中最为关键的项目，必须保证胶粉改性沥青使用时的粘度达到技术标准。

此外，本发明将GTM方法应用于胶粉改性沥青混合料的组成设计，结果表明GTM方法更适合粗集料含量相对较多的连续型级配，且连续型级配的胶粉改性沥青混合料更易压实。胶粉改性沥青混合料可以采用粗集料含量相对较多的连续型级配，胶粉改性沥青中的胶粉颗粒并未对混合料的组成结构产生较大的干涉作用而影响使用性能。基于GTM旋转成型方式，连续型级配的胶粉改性沥青混合料更易压实。相对于传统的马歇尔锤击成型方式，GTM旋转成型下的胶粉改性沥青混合料在相对较低的油石比下具有更好的路用性能。

据有关机构研究分析，利用1t废轮胎可节约0.4吨标准煤，减少30t污水排放，减少1.8t固体废弃物排放，减少23t大气污染物排放。据此，2008年废旧轮胎行业总节能约115t标准煤，减少废水排放8600万吨，减少固体废弃物排放515万吨，减少排放二氧化硫6.6 万吨。再者，随着国际及国内原油价格持续上升，沥青价格也在不断增长。我国广泛用SBS 作为沥青改性剂，SBS价格昂贵，且多数依靠进口，而胶粉与其它改性剂相比，价格低廉。 且与SBS相比较，胶粉的加入量增加，胶粉改性沥青的成本反而降低。生产一吨废轮胎胶 粉改性沥青(20％)替代SBS改性沥青(4％)，能够减少二氧化碳排放约0.35吨。以目前 国内每年消耗SBS改性沥青200万吨计，如果其中25％由废轮胎胶粉改性沥青代替，则每 年可消耗废轮胎10万吨，使得一千万条废轮胎得到利用，减少SBS用量2万吨，节约沥青 8万吨，减少二氧化碳排放17.5万吨，因此胶粉改性沥青技术的推广，具有显著的经济、 社会、环境和低碳效益。

尽管上面对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的 具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示 下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种胶粉改性沥青混合料，其特征在于，包括粗集料、细集料、矿粉和胶粉改性沥青；

所述胶粉改性沥青包括橡胶粉、基质沥青和外加剂；按质量百分比计，所述橡胶粉为15～25％，所述外加剂为0.1％，余量为基质沥青，所述橡胶粉的粒径为40～60目，所述基质沥青为70#基质沥青或90#基质沥青；

所述胶粉改性沥青混合料的配合比采用旋转压实剪切方法进行设计且油石比为5.2％～5.6％。

2.如权利要求1所述胶粉改性沥青混合料，其特征在于，所述外加剂为橡胶油。

3.如权利要求1所述胶粉改性沥青混合料，其特征在于，所述粗集料为玄武岩或石灰岩，所述细集料是天然砂、机制砂和石屑中的一种或多种，所述矿粉是石灰岩或是岩浆岩矿粉。

4.如权利要求3所述胶粉改性沥青混合料，其特征在于，所述粗集料的颗粒级配为连续性级配，包括粒径为10mm～15mm和5mm～10mm的两个粒级。

5.如权利要求1所述胶粉改性沥青混合料，其特征在于，所述胶粉改性沥青混合料为AR-AC13橡胶沥青混合料，所述AR-13型沥青混合料配合比为粒径为10mm～15mm的粗集料：粒径为5mm～10mm的粗集料：细集料：矿粉＝30：26：40：4；所述AR-AC 13型沥青混合料的油石比为5.4％。

6.如权利要求1所述胶粉改性沥青混合料，其特征在于，所述橡胶粉的粒径为40目；所述基质沥青为70#基质沥青。

7.如权利要求1所述胶粉改性沥青混合料，其特征在于，所述橡胶粉是常温法粉碎的斜交轮胎橡胶粉，所述橡胶粉的掺量为胶粉改性沥青的20％。

8.如权利要求1至7中任一所述胶粉改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、制备胶粉改性沥青，包括:

1-1)处理原材料：将粒径为40～60目的橡胶粉烘干，烘干温度为105～115℃；将基质沥青脱水后备用；

1-2)混溶反应：将步骤1-1)中脱水后的基质沥青加热至180～190℃，将步骤1-1)中烘干后的橡胶粉按照质量百分比加入所述基质沥青中，搅拌溶胀40～45min，得混合液；

1-3)将步骤1-2)中的混合液泵入胶体磨，剪切研磨，再输入至发育罐以260-300r/min转速搅拌，在搅拌过程中一次按照质量百分比添加外加剂后，连续搅拌4小时，得胶粉改性沥青成品，在发育过程中，采用布氏粘度计实时检测胶粉改性沥青175℃下运动粘度是否在1.0～4.0Pa·s之间，通过发育时间控制离析指标不大于5℃；

步骤二、粗集料和细集料的选用及处理：按照颗粒级配选用洁净、干燥、无风化的粗集料和细集料；所述粗集料、细集料和矿粉符合《公路沥青路面施工技术规范》对沥青混合料用矿粉的技术要求；

步骤三、混合料生产拌和：用导热油对供给管道进行30～60分钟预热；将步骤二中选用的粗集料、细集料和矿粉加热至200℃～210℃备用；将步骤一制备得到的胶粉改性沥青加热至185℃～195℃备用；按照沥青混合料油石比为5.2％～5.6％将粗集料、细集料、矿粉和胶粉改性沥青进行混合搅拌，搅拌温度为180℃～185℃，搅拌速度为40r/min，搅拌时间为55-70秒，其中，干拌时间≥10秒，湿拌时间≥40秒。

9.如权利要求8所述胶粉改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，

步骤一的1-2)中，将橡胶粉加入至基质沥青过程中，边搅拌边加入，采用搅拌机搅拌，搅拌速度由慢到快，自260-300r/min开始搅拌，20分钟内搅拌速度升至1000r/min，最终稳定在1000r/min搅拌10-15min，搅拌温度控制在190℃～210℃。