摘 要

橡胶沥青作为一种环保型路面材料，在过去几十年里已经得到了广泛的应用。为进一步推动、推广橡胶沥青及橡胶沥青混合料的应用，掌握其发展现状并梳理发展需求，系统汇总了胶粉应用于沥青改性技术中的指标要求、制备工艺、性能评价与工程难题。首先，回顾了国内外胶粉应用于沥青改性技术的发展历程，并对国内外相关技术规范中胶粉的相关物理技术指标要求进行了总结分析沥青网sinoasphalt.com。其次，以1.0mm为粒径界限，对比分析了胶粉在沥青和沥青混合料中的干法工艺和湿法工艺，揭示了胶粉在沥青中的改性机理，包括沥青胶体结构变化、胶粉颗粒体积溶胀、胶粉颗粒脱硫和降解。进而，围绕胶粉粒径、胶粉掺量等胶粉材料组成特点，总结归纳了其对沥青及沥青混合料路用性能的影响。最后，阐述了主要由胶粉和橡胶沥青自身物理性质所导致的工程应用中的常见难点问题及对应解决措施，包括高质量胶粉供应渠道与加工处理问题、橡胶沥青高温贮存稳定性差问题、橡胶沥青及其混合料高温拌合与施工及其能耗和排放问题等。

关键词

道路工程 | 橡胶沥青混合料 | 综述 | 胶粉粒径 | 改性机理 | 路用性能

0、引言

随着环境保护受到广泛关注，越来越多的可回收材料被应用于公路建设与养护维修领域。废旧轮胎属于有害固废，被称为“黑色污染”，其回收和处理技术一直是世界性难题。将废旧轮胎加工成胶粉并应用于沥青改性和路面铺筑是公认的废弃轮胎橡胶资源化、无害化利用的主要途径之一，可以有效解决废弃轮胎带来的环境压力[1-2]。国内外科研人员在胶粉改性沥青技术领域经过了几十年的研究探索，已经验证胶粉改性沥青及其混合料作为一种环保型路面材料，在高低温性能、疲劳性能以及降噪环保等方面具有良好的性能优势，由此也进一步推动了胶粉改性沥青技术的广泛应用[3-5]。随着绿色环保和可持续发展成为现代公路建设的发展主题，综合考虑经济、环保、使用效果和使用寿命等因素，进一步完善和推广胶粉改性沥青技术，具有显著的经济和社会效益。

基于宏观需求，国内外研究人员围绕橡胶沥青改性机理、胶粉的理化特性、胶粉掺量以及改性效果等方面开展了深入研究。虽然相关研究成果已充分证明胶粉对沥青及其混合料的性能提升作用明显，但由于研究手段、原材料来源、测试及应用场景等多种不可控因素的影响，使得多个国家、地区和组织颁布的相关技术要求和规范中，针对胶粉物理性质的要求存在较大差异，主要体现在对胶粉的粒径和级配的要求上。此外，相关研究也揭示了胶粉粒径等物理性质对橡胶沥青路用性能有着重要影响。

鉴于此，本文在回顾国内外胶粉改性沥青技术发展历程的基础上，针对国内外技术规范中胶粉相关物理性质的要求进行了总结与比较；进而重点基于胶粉粒径，围绕胶粉应用于沥青混合料生产的2种工艺，分析了胶粉的不同作用原理；并在此基础上，对胶粉材料的性能特点及其对沥青及沥青混合料路用性能的影响进行了归纳总结；最后对当前由胶粉以及橡胶沥青自身物理性质所导致的工程难题及其对应解决措施进行了概括。

1、胶粉用于沥青改性的技术发展与规范

1.1 国外胶粉改性沥青技术概况

国际上，橡胶改性沥青的文献始见于1843年的英国专利，该专利首次尝试将天然橡胶拌合到基质沥青中用以制备改性沥青。此后，合成橡胶和天然橡胶开始被用来改性基质沥青。但是直到1930年，橡胶改性沥青的制备过程才得到了更有效的完善。

20世纪60年代，通过加工处理废弃轮胎得到的胶粉，开始被一些国家添加到基质沥青中用以制备橡胶沥青并将其应用于修筑道路[6]。

应用橡胶沥青已经成为国际上公认的提高道路长期使用寿命的有效手段之一。美国、南非、西班牙等国家是应用橡胶沥青或橡胶沥青混合料较多且具有代表性的国家。尤其是美国拥有长期的橡胶沥青使用历史与丰富的使用经验，更重要的是其很多州都有使用橡胶沥青及其混合料完善的技术规范。此外，加拿大和澳大利亚是近年来有强烈意向使用橡胶沥青作为筑路材料的代表性国家。本文在总结国外橡胶沥青技术发展历程的基础上，重点归纳对比了各个国家常用规范里对胶粉的技术要求，这对于深入理解胶粉应用于沥青改性技术有着重要的辅助作用。

1.1.1美国

美国是将胶粉应用于沥青改性技术最早的国家之一，也是橡胶沥青用量最大、经验最丰富的国家之一。在20世纪中叶，橡胶被用作改性剂应用于美国各州的道路工程中[1]。1965年，将废旧轮胎加工成胶粉的工艺便在亚利桑那州的凤凰城发展起来。自1978年起，美国新泽西州、俄勒冈州、华盛顿州、阿拉斯加州、佛罗里达州、亚利桑那州和加利福尼亚州运输部分别对胶粉应用的干法和湿法技术进行了大量的对比试验与试验路段铺筑验证。

1978年，在加利福尼亚州的高海拔地区铺筑了第1条橡胶沥青路面，橡胶的添加起到了良好的抗滑和抗反射裂缝的效果。1989年，佛罗里达州开展了橡胶沥青道路的试验项目，并将橡胶沥青成功应用于密级配和开级配面层结构。亚利桑那州在现有道路和新建道路上应用橡胶沥青混合料作为加铺的磨耗层，橡胶沥青磨耗层除了起到良好的抗滑与抗老化作用以外，也提高了路面的抗反射裂缝和抗疲劳开裂的性能。此外，在凤凰城居民区铺筑的橡胶沥青磨耗层被证明起到了良好的降噪作用，其在提高道路使用舒适性的同时改善了周围居民的生活品质。德克萨斯州将橡胶沥青用于开级配排水磨耗层，多年使用后路用性能依旧良好，并发现橡胶沥青的应用对抗剥落和抗反射裂缝均具有显著的效果[7-8]。1994年，美国参众两院立法规定：自该年起，5％的热拌沥青混合料联邦经费必须用于废橡胶沥青混合料。值得注意的是，该数值于1997年涨至20％。纵观美国联邦，各州也相继通过法令推广胶粉改性沥青的应用，在美国橡胶沥青也被视为常规的公路铺筑使用材料之一[1]。至今，胶粉改性沥青技术已经在美国40多个州得到了广泛应用。

在橡胶沥青及其混合料的相关规范方面，美国国家或州级机构都有自己的规范标准。下文分别节选了美国各级机构一些比较有代表性的相关规范，并对其要求使用的胶粉参数进行了归纳，其中包括美国材料试验学会(American Society for Testingand Materials，ASTM)、加利福尼亚州交通部(Californian Department of Transportation)、亚利桑那州交通部(Arizona Department of Transportation)德克萨斯州交通部(Texas Department of Transportation)以及弗罗里达州交通部(Florida Department of Transportation)。

(1)美国材料试验学会[9]

美国材料试验学会(ASTM)编写的《橡胶沥青施工规范(ASTMＤ6114/Ｄ6114Ｍ-19)》建议了3类用于不同气候区域的不同劲度模量的橡胶沥青。劲度模量最高的一类橡胶沥青适用于热带地区，劲度模量较低的二类橡胶沥青适用于温带地区，劲度模量最小的三类橡胶沥青适用于寒带地区；同时要求橡胶沥青混合料中的纤维最大含量不应超过0.5％。该规范对胶粉材料的级配未作详细要求，但建议2.36mm的筛孔通过率应达到100％，表1总结了其详细的技术指标要求。

(2)加利福尼亚州交通部[10]

加利福尼亚州交通部(Caltrans)的《橡胶沥青施工规范》分别针对橡胶沥青用于间断级配、开级配和封层中有不用的技术指标要求。规范要求橡胶沥青的制备需要包含基质沥青、添加油和胶粉。用于间断级配和开级配沥青混合料中的橡胶沥青，其胶粉掺量应为橡胶沥青总质量的20％±2％，添加油的掺量应为基质沥青的2.0％~6.0％，拌合橡胶沥青的制备温度应该在191℃~218℃之间，胶粉与沥青需搅拌至少45min。针对胶粉，该规范要求必须来源于产自美国本土的废弃橡胶轮胎，且由75％±2％普通废弃轮胎胶粉和25％±2％的含天然橡胶量高的废弃轮胎胶粉，按照规定级配组成。普通废弃轮胎一般是来自废弃的加州小汽车和卡车轮胎，其天然橡胶的含量在22％~39％之间；高天然橡胶含量废弃轮胎主要来自于废弃卡车轮胎，其天然橡胶含量在40％~48％之间。加利福尼亚州交通部给出的胶粉材料详细技术要求见表1，针对胶粉的具体化学性能指标要求见表2。

(3)亚利桑那州交通部[11]

亚利桑那州交通部(ADOT)在《橡胶沥青施工规范》中分别提出了胶粉材料和橡胶沥青的技术指标要求。针对胶粉材料的详细技术要求见表1。规范要求胶粉应来自美国本土的机动车、卡车或其他设备的废弃橡胶轮胎，且提出了2类胶粉材料的技术指标要求：A类相对较粗级配的胶粉用于沥青应力吸收层；B类相对较细级配的胶粉用于开级配和间断级配沥青混合料。规范要求橡胶沥青中的胶粉含量不得少于基质沥青质量的20％，且不得使用添加油、煤油，或者其他溶液；拌合橡胶沥青的温度需要维持在163℃~191℃之间，拌合时长不得短于1h。依据所使用地区的气候特点，可以选择3种不同的基质沥青制备橡胶沥青，分别是适用于热带地区的PG64-16，适用于温带地区的PG58-22及合适用于寒带地区的PG52-28基质沥青。

(4)德克萨斯州交通部[12]

德克萨斯州交通部(TxDOT)在《建设和养护高速公路、城镇街道和桥梁施工技术规范》中分别提出了胶粉材料和橡胶沥青的技术指标要求。规范要求胶粉材料需要由机动车和卡车的废弃轮胎经常温研磨制成。胶粉的添加量不得小于橡胶沥青质量的15％。规范建议了3种可以使用的不同级配的胶粉，分别为A等级(最粗的)、B等级(较细的)和C等级(最细的)。A等级和B等级的胶粉适用于制备填缝类材料，B类胶粉也可以用于封层技术。B类和C类胶粉可用于沥青混合料不同级配中，例如，沥青玛蹄脂碎石(Stone Mastic Asphalt)、透水磨耗层(Permeable Friction Course)、开级配磨耗层(Operrgraded Friction Course)等。用于沥青混合料中的B类和C类胶粉材料的详细技术要求见表1。该规范对于橡胶沥青的技术指标要求采用了上文提到的美国材料试验学会(ASTM)《橡胶沥青使用规范》(ASTMＤ6114／Ｄ6114Ｍ-19)中的相关要求。因此，该规范依据不同地区的气候特征也建议了3类橡胶沥青。其中，用于热拌沥青混合料的一类和二类橡胶沥青是由Ｃ等级胶粉掺拌制得，用于表面处置的二类和三类橡胶沥青是由Ｂ等级胶粉掺拌制得。

(5)弗罗里达州交通部[13]

弗罗里达州交通部(FDOT)在《道路和桥梁施工技术规范》中明确了胶粉材料和橡胶沥青的技术指标要求。除了PG76-22橡胶沥青以外，其他等级的橡胶沥青不做特殊要求。PG76-22橡胶沥青需要符合一些外加要求：胶粉含量不得少于基质沥青质量的7％；可以选择性添加多聚磷酸作为额外添加剂，但其用量不得多于基质沥青质量的0.75％。规范要求胶粉必须由废弃橡胶轮胎加工制得，且胶粉中的天然橡胶含量应该在16％~45％之间。规范中还对胶粉的化学性能指标做出了相关要求(表2)：丙酮抽出物不得大于25％，橡胶烃含量要求在40％~60％之间，天然橡胶含量要求在16％~45％之间，炭黑含量要求在20％~40％之间，灰分要求小于8％。弗罗里达州交通部给出的胶粉材料的详细技术要求见表1。

1.1.2南非

在南非，橡胶沥青首次使用于1980年，至今有近40年的使用经验与历史。据统计，由于橡胶沥青路面在超重超载环境下表现出了优良的路用性能，南非有60％以上的道路使用了橡胶沥青。橡胶沥青既应用于封层技术，例如应力吸收层(Stress Absorbing Membrane)，也应用于连续级配、间断级配和开级配的沥青混合料中。在过去，常常用干拌工艺制备橡胶沥青混合料。近年来，由于通过湿拌工艺能够更加优化混合料的路用性能，因此用湿拌工艺先制备橡胶沥青再制备橡胶沥青混合料，成为工程上更常用的技术方法。南非沥青组织(Southern African Bitumen Association)编写的《手册19：设计、生产和铺筑橡胶沥青路面指南》，要求在加入胶粉之前，在基质沥青中加入添加油，添加油的最大用量不得超过总沥青混合物(即基质沥青、胶粉和添加油)的3％；建议使用的基质沥青为针入度分级50/70(热带地区)和70/100(温带地区)沥青；使用的胶粉必须由回收的废弃汽车和卡车轮胎加工制得。2015年南非沥青组织出版的《技术指南：应用改性沥青修筑道路》里指出炭黑含量超过30％以上的胶粉可以提高橡胶沥青的耐久性[14]，并建议胶粉的掺加量应为沥青混合物总质量的18％~24％，掺加胶粉的拌合温度应在170℃~210℃之间，且拌合时间不短于45min[15]。南非沥青组织(SABITA)给出的胶粉的详细技术要求见表1。

1.1.3西班牙

橡胶沥青在西班牙道路修筑方面的应用已经有近20年的历史。据统计，截止到2018年，西班牙应用橡胶沥青修筑的道路总里程长达1600km。西班牙交通、运输和城市发展部(Ministry of Transport，Mobility and Urban Agenda)编写的规范对应用在道路建设的橡胶沥青技术提出了明确规定要求。规范里提到沥青应采用针入度等级评定，干拌工艺和湿拌工艺均可用于制备橡胶沥青混合料，湿拌工艺制备的橡胶沥青根据胶粉的添加量和测得的橡胶沥青技术指标可使用在不同工程项目上。橡胶沥青有3种，分别是橡胶改性沥青(Rubber-modi-fied Bitumen)、加强型橡胶沥青(Enhanced  Rubber Bitumen)和高黏度橡胶改性沥青(High Viscosity Rubber Bitumen)。规范要求，在西班牙使用的橡胶沥青需要满足西班牙《改性沥青规范》(PG-3)里对传统改性沥青的技术指标要求。橡胶改性沥青和加强型橡胶沥青中胶粉的掺加量不得高于橡胶沥青总质量的8％。高黏度胶粉改性沥青的胶粉掺量很高，但规范中并未对胶粉掺量给出建议，而是提到除胶粉外允许添加其他聚合物改性剂以达到规范要求的技术指标。高黏度橡胶改性沥青可有效抑制反射裂缝的产生，因此其混合料常用作水泥处治基层和混凝土路面的面层。此外，规范要求所使用废弃橡胶轮胎的主要成分应为天然橡胶和合成橡胶[16]。西班牙交通、运输和城市发展部(MITMA)给出的胶粉材料的详细技术要求见表1。

1.1.4加拿大

加拿大安大略省第1条6.5km长的橡胶沥青试验路铺筑于1990年。到目前为止，橡胶沥青在加拿大主要用做裂缝和路面接缝处的填补材料。由于橡胶沥青在道路建设中并不常用，因此加拿大的交通部门并没有专门编制橡胶沥青技术的相关规范。安大略省交通部在《道路设计与修复手册》中声明，使用胶粉修筑道路遵循了回收再利用材料的省级倡议[17]。2002年，加拿大西部的亚伯达省成功修筑了间断级配橡胶沥青试验路段。此路段设计与制备的橡胶沥青及其混合料，均基于与亚利桑那州交通部和亚利桑那州施工单位的多次深入探讨与经验借鉴，并且严格遵循了上文提到的亚利桑那州交通部《橡胶沥青施工规范》。用于试验路的胶粉来自于加工处理回收的废弃卡车轮胎，胶粉的级配严格遵循亚利桑那州交通部规范里的B类胶粉级配要求(表1)。胶粉的掺加量为橡胶沥青总质量的19％。此橡胶沥青试验路段的长期使用效果还在密切的观察与检测中。与此同时，在得出该路段的全寿命周期费用后，相关部门才会考虑是否将胶粉纳入规范并作为主流的筑路材料之一[18]。

1.1.5澳大利亚

在澳大利亚，橡胶沥青主要应用于路面的封层技术，而很少应用在混合料中。随着澳洲联邦政府大力支持将废弃材料回收利用于工程建设中，在过去的几年里，越来越多的国家级道路科研项目开始试用橡胶沥青。2017年，昆士兰州铺筑了2条开级配橡胶沥青试验路段，胶粉含量均为橡胶沥青总质量的18％，其中一条添加了0.5％的温拌剂。2018年，昆士兰州铺筑了间断级配的橡胶沥青试验路段，使用的橡胶沥青是由澳洲的C170基质沥青中掺加17％~18％的胶粉制得。这3条铺筑在昆州的橡胶沥青试验路段，其路用性能都在密切的观察与检测中，并将与同期铺筑的常规改性沥青路段的长期路用性能进行对比分析[19]。

西澳洲将橡胶沥青应用在封层技术中已经有近30年的使用经验，但是并没有将橡胶沥青应用于混合料中的相关科研项目。近几年，国家相关机构通过西澳洲道路研究和创新项目(Western Australian Road Research and Innovation Program)大力推动橡胶沥青路面的相关科研项目。2019年，在西澳的珀斯市修筑了4条开级配橡胶沥青试验路段，胶粉掺量分别为5.0％和5.5％，并且橡胶沥青混合料中均添加了温拌剂以降低混合料的生产温度并提高施工和易性。同年，在南澳也铺筑了一条橡胶沥青试验路段，其胶粉掺量为橡胶沥青总质量的15％[20]。维多利亚州交通部也在推动橡胶沥青的使用，其于2020年在墨尔本市修筑了4条橡胶沥青试验路段，并分别采用密级配(Densegraded Gradation)、沥青碎石玛蹄脂级配(Stone Mastic Asphalt)和间断级配(Gap-graded Gradation)。

澳洲道路协会(Austorads)编写的《技术规范ATS3110：改性沥青的制备》，给出了胶粉以及橡胶沥青的详细性能指标要求。规范要求只有16目和30目的胶粉可以用来制备改性沥青。16目的胶粉颗粒较粗，用来制备用于封层技术的橡胶沥青；30目胶粉颗粒较细，建议采用干拌工艺制备橡胶沥青混合料[21]。澳洲道路协会给出的胶粉的详细技术要求见表1。

1.2 中国胶粉改性沥青技术概况

在中国，将橡胶沥青用于道路研究始于20世纪80年代，至今已经有30多年的发展与使用历史(表3)。90年代伴随着技术的积累分别解决了废胎胶粉低成本加工工艺、橡胶沥青规模化制备工艺以及橡胶沥青混合料级配构成原理3个技术瓶颈问题。从2000~2010年，在交通运输部的大力倡导，以及诸多省、市交通部门的积极推动下，通过大量的研究试验和实践验证，形成了一整套具有自主知识产权的中国橡胶沥青技术[1]。

随着技术的发展与完善，橡胶沥青的工程应用也越来越广泛。2002年，广东中山105国道(9km＋3km)、河北沧州二级路(4km)、衡小高速公路(2km)、山东(6km)和四川成都(3km)均铺筑了橡胶沥青试验路段和实体工程，分别涉及到华南地区、西南地区，轻冰冻地区等3个气候片区，总修筑里程近30km，为橡胶沥青在中国实现规模化使用与推广奠定了良好技术基础[1]。自2007年国家号召建设“资源节约、环境友好”型社会起，回收利用废弃轮胎胶粉并将其用于沥青改性技术的工程应用得到了极大的关注与积极的推广[22]。同年，交通运输部编制了橡胶沥青路面设计、施工技术指南，并大力推广应用与研究橡胶沥青筑路技术。2009年，铺筑了22km橡胶沥青路面的沪蓉高速公路被评为示范项目。2010年，铺筑80km橡胶沥青路面的忻阜高速公路被评为交通运输部的科技示范项目。2014年底，拓宽改造的京港澳高速河北段全线采用了橡胶沥青材料。2016年通车的吉林省鹤大高速也应用了橡胶沥青技术并被评为“双示范”工程[23]。表3为部分省份应用橡胶沥青的高速公路工程情况。

中国橡胶沥青技术中，常用的胶粉目数有30目、40目、80目、120目，胶粉掺量有10％、20％、30％，添加工艺有人工添加法和机械添加法，适用的混合料级配有SAC10，OGFC10，SMA10，SMA13，SUP10，SAC16等。橡胶沥青混合料适用的公路等级包括了高速、一级、二级及城市道路。交通运输部发布的《路用废胎胶粉橡胶沥青》(JT/T798-2019)行业标准给出了橡胶沥青的详细技术指标要求，建议使用的基质沥青为Ａ级和Ｂ级道路石油沥青或SBS改性沥青，胶粉的掺加量不得小于基质沥青质量的20％[24]。交通运输部发布的《路用废胎橡胶粉》(JT/T798-2019)行业标准对胶粉材料提出了相关技术要求，胶粉规格主要分为3类：Ⅰ类(30目及以下)、Ⅱ类(30~80目)、Ⅲ类(80~200目)，未对胶粉的级配提出要求，但对胶粉的物理性能(表4)和化学性能指标(表2)做出了要求[25]。

综上所述，不同国家和地区针对橡胶沥青和胶粉材料给出的性能指标参数以及建议的拌和工艺要求均有所不同，其主要原因与该国或地区的废弃轮胎种类及产量、胶粉处理工艺、地理气候、交通流量、设计使用目的等各种主客观因素密切相关。其中部分国家及州级机构明确了用于沥青混合料中的胶粉级配，例如美国的亚利桑那州、弗罗里达州、德克萨斯州以及澳大利亚。而其他国家或州级机构只给出了允许的胶粉最大粒径要求值，以此来控制在改性沥青应用中允许使用的胶粉粒径。此外，在节选的上述国家以及州级规范中仅有美国的加利福尼亚州交通部、美国的弗罗里达州交通部以及中国交通运输部颁布的规范里对废弃胶粉的化学性能指标做出了要求，并且要求的化学组分指标范围基本相似。其中，美国的加利福尼亚州和弗罗里达州交通部规范里特别对天然橡胶含量进行了要求。因为废弃橡胶轮胎主要组成为小车轮胎和货车轮胎，相较于小车轮胎，货车轮胎中含有较高的天然橡胶与丁苯橡胶，天然橡胶含量高可以有效地加快胶粉改性沥青的反应速率且增加改性沥青的黏附性；丁苯橡胶(SBR)作为一种常用的沥青改性聚合物可以有效改善沥青的延度与黏度。因此，对胶粉中的天然橡胶含量提出要求也是为了保证废弃轮胎原材料的来源与应用，进而保障胶粉对沥青的改性效果[26]。

总体而言，胶粉掺量较低(10％左右)的橡胶沥青性能改善也相对较弱，其使用的主要目的是提高沥青-集料的黏附性和降低沥青路面的温度敏感性，该种橡胶沥青多用于较低交通量的沥青路面面层；胶粉掺量居中(15％左右)的橡胶沥青性能得到明显改善，使用橡胶沥青能减缓路面病害的发生并提高路面的耐久性，且兼具抗滑及耐磨的优势，这种橡胶沥青多用于交通量较大、原路况较差以及急需养护修复的干线公路路面面层；胶粉掺量大(20％~30％以上)的橡胶沥青具有显著的高黏结特性和突出的路用性能，其橡胶沥青路面也具有优异的抗疲劳和抗反射裂缝性能以及较高的回弹模量，常作为高等级公路的面层使用[27]。使用大胶粉掺量橡胶沥青的国家或地区多为废弃轮胎产量较大的区域，除了利用橡胶沥青的优异路用性能外，还兼具有效合理消耗大量废弃轮胎，从而缓解环境压力的目的。但是，大胶粉掺量的橡胶沥青往往对施工工艺的要求也相对更高，除了需要较高的橡胶沥青拌和温度(230℃~270℃)以外，对于摊铺机械与工艺也有特定要求。

2、胶粉用于沥青改性的技术原理与方法

将胶粉应用于沥青改性的技术手段主要分为干法(Dry Process)和湿法(Wet Process)。根据美国加州橡胶沥青使用指南的定义，干法是将胶粉作为一部分细集料先与石料干拌，然后喷入沥青拌制成橡胶沥青混合料；湿法是将胶粉先与沥青拌和，制备成被称为橡胶沥青的改性沥青胶结料，然后再与集料拌和制备橡胶沥青混合料。

2.1 干法生产工艺

如图1所示，干法工艺是将胶粉颗粒充当集料使用，可替代部分细集料，亦可直接投入集料。胶粉用量占集料总质量的1％~5％，胶粉颗粒尺寸为1.0~6.3mm。干法工艺可以使用颗粒尺寸较粗的胶粉，并且可以有效地消耗大量废弃轮胎胶粉。由于拌合过程中不需要特殊设备，干法工艺还有施工方便的优势[28]。

干法工艺主要将胶粉作为部分集料参与混合料拌合，因此胶粉对沥青的改性作用有限。但是高弹性胶粉作为骨料的一般分，在混合料中起到了阻尼的作用并增加了路面的弹性，从而起到了提高沥青路面减震、降噪的作用[28]。

但是，干法工艺容易导致集料和胶粉搅拌不均匀，也难以控制集料级配和胶粉在施工过程中的体积变化，因此容易存在混合料性能不稳定的问题。由于需要热沥青胶浆将胶粉与集料有效黏结，因此干法工艺只适用于热拌沥青混合料，并不适用于以乳化石油沥青或稀释沥青生产的常温沥青混合料。上述施工特点使得干法工艺橡胶沥青混合料主要适用于沥青路面上面层[28-29]。

2.2湿法生产工艺

如图2所示，在湿法工艺中，胶粉主要作为改性剂发挥改性基质沥青的作用。通过特殊设备在高温、高速剪切搅拌条件下将胶粉与基质沥青混溶，使之在基质沥青中溶胀或溶解，获得橡胶沥青胶结料。相较干法工艺，湿法工艺宜采用颗粒尺寸较小的细胶粉，尺寸一般在1.0mm以下。湿法工艺的胶粉掺量一般为沥青总质量的5％~20％[28]。

国内外专家学者通过宏观性能试验(如针入度、软化点、延度、弹性恢复等试验)与微观结构分析(如红外光谱、核磁共振、荧光显微镜、电子显微镜等试验)对湿法工艺橡胶沥青的改性机理进行了大量研究。研究结果表明，胶粉加入沥青后发生相互渗透作用，在共混的过程中会产生一系列不同程度的物理和化学反应[30-31]。从形态学角度分析高温充分拌合后的橡胶沥青可知，胶粉颗粒会吸收基质沥青中的轻质组分而发生溶胀，并且会在胶粉颗粒表面形成沥青质含量很高的一层凝胶膜[32]。溶胀后的胶粉体积可增长150％~200％，并通过凝胶膜相互牵连形成高黏度的半固态连续项体系。该连续项体系的形成与基质沥青的轻质组分含量以及胶粉溶胀程度(小颗粒胶粉易充分溶胀)是密不可分的。此外，通过对基质沥青四组分(沥青质、胶质、芳香分、饱和分)的分析得知，胶粉的加入会改变基质沥青的组分和结构类型。胶粉发育过程中的溶胀降低了基质沥青中的游离蜡含量，增加了基质沥青中的沥青质含量，使沥青胶体结构逐渐转向溶凝胶型结构，从而降低基质沥青的温度敏感性，提高基质沥青的黏结性和耐久性[30-31]。

然而，随着橡胶沥青拌合时间的增长，橡胶颗粒的脱硫和橡胶分子的降解2个化学反应会随着胶粉在沥青中的溶胀过程慢慢发生。在初期的发育与溶胀中，胶粉与沥青进行物质交换，从而提高了基质沥青的黏度、耐久性、低温性能等性能指标；随着拌合时间的增加，胶粉在沥青中的溶胀达到一定程度，脱硫和降解反应开始加速发展；脱硫和降解反应导致橡胶分子链断裂且橡胶分子量下降，因此橡胶沥青的黏度开始降低，力学性能也开始下降，并预示着有效胶粉含量的减少和橡胶性质的丧失，最终将导致橡胶沥青的失效[31]。

总体而言，橡胶沥青的最终性能，与基质沥青的化学组分、胶粉的物理化学性能(如种类、粒径、用量等)、制备工艺(如制备温度、剪切速度、拌合时长等)均密切相关，只有从原材料质量到制备工艺均严格把控，才能制备出性能优异的橡胶沥青。

3、胶粉用于沥青改性的路用性能影响

通过上文对国内外规范的总结可以看出，各国对于胶粉材料自身性能指标的规范和把控均非常严格，其目的是针对不同工程应用提供质量可靠、性能优异的橡胶沥青胶结料。而分析国内外研究成果也发现，大量文献研究了胶粉粒径和级配对橡胶沥青或其混合料性能的影响，说明这2项指标在胶粉材料质量控制环节中的重要性。因此，本文通过回顾、概括国内外学者研究成果，重点归纳总结胶粉粒径和掺量对橡胶沥青和橡胶沥青混合料路用性能的影响。

3.1 沥青性能影响

Singh等[33]研究了胶粉粒径对橡胶沥青流变性能的影响。试验采用的基质沥青是AC-10(为沥青黏度分级体系，等同于中国针入度分级体系中70＃沥青)，掺加的胶粉粒径尺寸分别为ASTM＃30~40和ASTM＃60~80，胶粉的掺加量为橡胶沥青总质量的13％。如图3~5所示，随着胶粉颗粒尺寸的增大，沥青的黏度、车辙因子G＊/sin(δ)、弹性恢复均有明显提高，说明大尺寸的胶粉颗粒可以有效提高基质沥青的弹性恢复和刚度，使得沥青具有更优的高温抗车辙性能。如图6所示，线性振幅扫描试验结果表明，大粒径胶粉在提高基质沥青的疲劳性方面也有显著的积极作用，可以将基质沥青的疲劳寿命从103提高到106。此外，其还对橡胶沥青的高温存储稳定性进行了试验研究，对高温贮存后的橡胶沥青的上部分和下部分别进行软化点测试，＃30~40较大颗粒的胶粉改性橡胶沥青上下部分软化点的差值为11.1℃，而＃60~80较小颗粒的胶粉改性沥青上下部分软化点差值为8.2℃。试验结果表明，相比较大粒径胶粉，较小粒径胶粉更易于在沥青中扩散和溶胀，因此其拌合而成的橡胶沥青高温贮存稳定性更好。

在Qian等[34]的研究也发现了胶粉粒径对沥青改性效果的相似趋势。试验采用了3种不同粒径的胶粉(0.15~0.30mm，0.30~0.45mm，0.45~0.60mm)且掺加量均为10％，并与掺加量为3％的SBS改性剂一起复合改性＃60~80基质沥青。试验结果表明，较大粒径的胶粉能够显著提高基质沥青的抗车辙性能与抗疲劳性能，然而对沥青的低温性能与高温贮存稳定性有不利影响。胶粉与SBS改性剂复合改性沥青有较好的协同作用，在降低2种添加剂的用量以减少造价的同时可以有效提高沥青的流变性能。

Lei等[35]研究了生物油预处理不同粒径胶粉对基质沥青的改性效果。通过对高温性能、疲劳性能以及高温贮存性能的试验结果进行分析可知，较大粒径胶粉能够有效改善沥青的黏弹性，并提高沥青的抗车辙性能与抗疲劳性能。为了减轻离析的产生，建议使用胶粉粒径为40目(0.38mm)到80目(0.15mm)。Huang等[36]在不同粒径胶粉对沥青抗车辙、低温性能和疲劳性能的研究中也得到了相似结论。

Khalili等[37]基于一系列流变性能指标试验研究了胶粉粒径和掺量对橡胶沥青性能的影响。试验采用的基质沥青为PG64-16，PG58-28，AC-20(为沥青黏度分级体系，等同于中国针入度分级体系中＃40沥青)，胶粉为20目和40目，胶粉掺量分别为橡胶沥青总质量的10％、15％、20％。试验结果表明，沥青黏度会随着胶粉掺量的增加显著增大，小粒径胶粉橡胶沥青的黏度低于大粒径胶粉橡胶沥青。此外，沥青弹性恢复也会随着胶粉掺量的增加而显著增大，这意味着橡胶沥青的加入能够提高混合料的变形恢复能力。然而，胶粉掺量的增加对沥青的延度、韧性和低温劲度均有不利影响。基于试验数据综合分析，推荐胶粉掺量为10％和15％，试验所用2种不同粒径胶粉制备的橡胶沥青均可以达到预期性能。

叶智刚等[38]研究了胶粉种类(胎胶粉和鞋胶粉)、胶粉粒径(30目、40目、60目、80目)、胶粉掺量(10％、20％、30％)、基质沥青种类(Ａ类、Ｂ类、Ｃ类)对橡胶沥青性能的影响。通过软化点、延度(25℃和5℃)、针入度(25℃)、弹性恢复等常规沥青性能试验对橡胶沥青的性能进行了分析。试验结果表明，在胶粉粒径、胶粉掺量、基质沥青一定的情况下，胎胶粉在低温延度和弹性恢复方面的改性效果优于鞋胶粉。其他变化量一定，改变胶粉掺量时试验结果显示：胶粉掺量在20％以下时，软化点和弹性恢复呈线性增长，延度和针入度呈线性下降；胶粉掺量接近20％或达到20％以上时，各项性能指标增长或下降趋势缓慢并趋于平缓。由此可见，胶粉掺量并不是越高越好，此结论与上文Khalili等[37]对胶粉掺量的研究结论保持一致，推荐胶粉的最佳掺量为20％以下，10％~20％之间最佳。在胶粉粒径对改性效果的影响方面，大粒径胶粉对沥青软化点和弹性恢复的改性效果更佳，而小粒径胶粉对沥青延度的改性效果更佳且对针入度的影响较小，说明并不是胶粉粒径越细改性效果就越好[39]。从不同沥青种类对橡胶沥青改性效果的评价可见，轻质组分含量高的基质沥青更有利于胶粉的溶胀反应，可使橡胶沥青获得更优异的改性效果。

以上研究中均采用了传统橡胶改性沥青制备工艺，其胶粉掺量均在10％~20％之间。为了消耗更多的废弃轮胎胶粉并缓解其带来的环境压力，越来越多的研究开始关注大掺量(内掺30％以上)胶粉改性沥青。大掺量胶粉改性沥青的制备工艺一般要求较高的搅拌温度(230℃~270℃)，在这样的高温反应条件下，沥青中发生溶胀的胶粉颗粒会迅速的发生脱硫和裂解反应，而搅拌的温度和时长都会影响到大掺量橡胶沥青的流变性能与低温性能。因此，董瑞琨等[40]研究了制备工艺(加工温度和搅拌时间)对高温裂解胶粉改性沥青低温性能的影响。其分别在230℃、250℃、270℃搅拌温度下，将内掺30％的胶粉缓缓加入基质沥青中搅拌，在每个搅拌温度下的搅拌时间分别为1，2，4h。通过溶解度试验、延度试验、玻璃化转变温度测试和BBR(Bending Beam Rheometer)试验结果分析可知，胶粉通过高温脱硫裂解反应能够有效提高基质沥青的低温性能，并且在250℃的搅拌温度下搅拌1h能够得到低温性能最优的大掺量胶粉改性沥青。

3.2 混合料性能影响

Wong等[41]研究了不同胶粉粒径对橡胶沥青性能的影响以及对密级配和开级配2种类型橡胶沥青混合料高温性能的影响。其将不同粒径大小的胶粉颗粒(0.15，0.3，0.6mm)分别加入到基质沥青(针入度60/70)中制备橡胶沥青，胶粉的添加量为橡胶沥青总质量的10％。3种橡胶沥青均通过湿法工艺制得，制备过程中的所有条件(如拌合温度、剪切速度、拌合速度、拌合时长等)均保持一致。结果显示，随着胶粉粒径的增大，橡胶沥青的软化点仅有约0.2℃的增加，由此可见不同胶粉粒径对橡胶沥青软化点的影响很小。车辙试验表明，相比基质沥青混合料，2种级配类型橡胶沥青混合料的高温抗车辙性能均显著提升，而车辙深度减小了约70％。不同胶粉粒径对不同级配类型橡胶沥青混合料车辙深度的影响数据如图7所示。结果显示：相较于开级配混合料，胶粉颗粒大小对密级配混合料的影响更大；在密级配橡胶沥青混合料中，采用最小粒径胶粉(0.15mm)制备的混合料展现出了最优的抗车辙能力，其车辙深度仅1.5~2.0mm；而在开级配橡胶沥青混合料中，采用最大粒径胶粉制备的混合料展现出了最优的抗车辙能力，其车辙深度为2.5~4.5mm。

Xiao等[42]将25％掺量的废旧沥青混合料与橡胶沥青混合料混合制备密级配再生沥青混合料，并研究了不同胶粉粒径对该混合料性能的影响。试验中应用的基质沥青为PG64-22，添加的3种胶粉粒径分别为：40目、30目、14目，胶粉的掺量为基质沥青质量的10％。间接拉伸强度试验和沥青路面分析仪车辙试验的结果表明，胶粉粒径大小对混合料的动稳定度、强度、车辙深度均无显著影响。随标准荷载作用次数的增加，混合料车辙深度的变化如图8所示。数据显示，使用30目和40目胶粉的混合料具有非常相似的车辙发展趋势与车辙深度(约1.0mm)，而大粒径14目胶粉橡胶沥青混合料与其他2组较小粒径胶粉橡胶沥青混合料相比其抗车辙性能较差，车辙较深(约1.7mm)。该文与上文提到的Wong等[41]进行的试验研究得出了基本相同的结论，即在密级配橡胶沥青混合料中使用小颗粒胶粉能更有效地提高混合料的抗车辙性能。回弹模量试验结果显示，混合料的劲度模量随着胶粉粒径的增大而逐渐减小。此外，如图9所示，胶粉能够显著提高掺有旧料的沥青混合料的抗疲劳性能，而大粒径胶粉的掺加能够更有效地提高混合料的抗疲劳性能和长期路用性能。

通过对国内外胶粉材料对橡胶沥青及其混合料性能的影响综述(表5)可以看出，胶粉粒径大小对沥青的改性效果具有显著影响。随着胶粉粒径的增大，沥青的软化点、黏度、车辙因子、弹性恢复都逐渐增加。较大粒径的胶粉可以显著提高沥青和沥青混合料的抗疲劳性能，但随着胶粉粒径的增大，沥青混合料的回弹模量有较小幅度的降低，同时较小粒径的胶粉可以更有效地提高橡胶沥青的高温贮存稳定性且显著提高沥青的延度，以及降低沥青的针入度。

其原因可理解为，越细的胶粉越容易在沥青中发生溶胀反应，因此可以有效提高沥青的延度和针入度。然而由于溶胀的有限性且过细的胶粉在沥青中不能构成骨架结构，从而减弱了沥青的弹性恢复并降低其软化点，使其在高温条件下更易流动变形[38]。试验证明，沥青混合料的其他性能受胶粉粒径的影响并不显著，例如混合料的水稳定性、韧性和刚度。为获得更优异的高温抗车辙性能，可在密实级配中使用小粒径胶粉，在开级配中使用大粒径胶粉。

此外，胶粉掺量的增加导致沥青针入度减小、软化点增大、黏度增加、弹性恢复先增大后减小以及离析程度增加。这些指标的变化是由于胶粉吸收了沥青中的轻质油分形成沥青-胶粉共聚物，改变了沥青原有的组分结构，从而改善了沥青的高温流变性能，提高了沥青的黏度和弹性恢复性能；并且在沥青-胶粉共聚物中，橡胶的柔韧性也得到了良好体现，从而使得橡胶沥青具有较好的低温延度。然而沥青中的轻质组分含量有限，在溶胀反应达到极限时，沥青处于饱和状态，过量的胶粉将以颗粒形式分散在沥青中并处于游离状态，从而导致了橡胶沥青各项指标的下降以及离析的出现[39]。因此，建议的胶粉掺量在10％~20％之间，以达到最优异的橡胶沥青及橡胶沥青混合料的路用性能要求。通过对大量相关文献的回顾和总结，Bressi等[43]发现有近50％的橡胶沥青研究项目中使用的胶粉粒径尺寸为0.5~1.0mm。而对于大掺量胶粉改性沥青，为了获得优异的低温性能，建议搅拌温度为250℃，搅拌时长为1h。

4、胶粉用于沥青改性技术的工程难题与解决措施

废胎胶粉掺加到沥青中有着显著的环保价值与社会经济效益。在路用性能方面，与基质沥青相比，橡胶沥青具有优良的高低温性能和耐久性。在环保问题方面，应用废胎胶粉于公路建设中，可以有效地解决废旧轮胎的“黑色污染”问题，并且由于其低廉的价格，可以有效地降低筑路成本。以上这些优势让胶粉成为工程界备受青睐的沥青添加剂之一，然而在橡胶沥青及其混合料的使用中也会发现一些不容忽视的工程问题。

主要问题之一是高质量的胶粉供应渠道与其加工处理问题。对不同类别和来源的废弃橡胶需要经过分拣、去除、切割、清洗等预加工处理，之后根据不用的要求采用不同的粉碎方法(如常温粉碎法、低温粉碎法、湿法或溶液法)制备胶粉材料。由此可见，无论是胶粉的加工处理过程，还是粉碎机等加工设备均有特殊的要求，因此对某些国家和地区来说橡胶沥青的使用会受到这些因素的显著限制。例如新西兰和澳洲的北领地，目前由于经济受限，在当地不允许修建胶粉加工厂，因此他们不得不从其他州或者国家进口胶粉以生产橡胶沥青。因为很多国家自身的胶粉加工系统(包括回收采集、质量监控、预加工处理、粉碎处理)存在种种漏洞，一旦依赖进口，胶粉的质量与供应就很难得到保证，由此生产出的橡胶沥青的质量也会参差不齐，难以应用于公路工程中[44]。因此，在上文的橡胶沥青技术规范总结中，多数规范均明确要求使用本国、本地区的废胎生产用于沥青改性的胶粉材料，并对胶粉材料自身的物理、化学指标做出了明确要求。只有从添加材料本身开始严格规范、把关，才能确保其沥青改性效果和工程质量。

另一个至关重要的问题是橡胶沥青在高温存储与运输中的离析问题，以及长时间高温贮存条件下，胶粉脱硫和降解反应导致的橡胶沥青失效问题。由于胶粉与基质沥青的多相性以及密度的差异(胶粉相对密度1.10~1.30，基质沥青相对密度0.97~1.03)，在高温贮存条件下，胶粉颗粒易于下沉到沥青拌合厂贮备罐的底部或沥青运输车的沥青储存罐底部。此种情况会导致橡胶沥青的高温贮存稳定性较差以及后期供应施工的橡胶沥青质量不稳定。国际上很多相关研究试图通过添加稳定剂或将其他聚合物与胶粉融合来改变胶粉的密度，使其更接近基质沥青，以此改善橡胶沥青的相容性和均匀性并提高其高温贮存稳定性[45-46]。针对胶粉颗粒在长时间高温贮存条件下产生的脱硫和降解反应问题，最实际、有效的手段就是在贮存期间将贮存温度适当降低，并且严格规划、控制生产和施工使用之间的时间差。

橡胶沥青以及橡胶沥青混合料的拌合与施工温度(在180℃~195℃之间)普遍高于传统沥青及混合料(在135℃~170℃之间)，在拌合和施工过程中会释放更多的气味和烟雾。因此，使用橡胶沥青时排放的有毒气体可能会对周围的自然环境与施工人员的健康产生危害，这一问题也引起了普遍的关注。此外，由于更高的拌合、施工温度需要更多的电力能源供给，因此能源的消耗也成为了另一个关注的问题。为解决这一问题，国内外科研人员提出了在橡胶沥青及其混合料中添加温拌剂的技术措施。研究结果表明，温拌剂的使用能够有效降低橡胶沥青及其混合料施工温度(可降低30℃~60℃)，进而降低有害气体的排放和能源的消耗，并且提高混合料的施工和异性。同时试验证明，温拌剂的添加对橡胶沥青及其混合料的综合路用性能无不良影响[47-48]。

5、结语

(1)本文总结了胶粉用于沥青改性技术的国内外发展概况与相关技术规范，分析了橡胶沥青及其混合料在道路修筑中广泛应用的工程价值。各个国家和地区的橡胶沥青技术规范中，均对胶粉材料的自身特性(胶粉颗粒级配、物理特征等)提出了明确的指标要求，表明为了制备质量可靠、性能优异的橡胶沥青胶结料，需要对胶粉材料自身性能指标进行严格的规范要求和质量监控。

(2)胶粉的掺加工艺分为干拌和湿拌。干法工艺主要是将胶粉作为部分集料参与混合料拌合，因此胶粉对沥青的改性作用较弱。湿法工艺通过特殊设备将胶粉在高温、高速剪切搅拌条件下与基质沥青混溶制备橡胶沥青，胶粉在基质沥青中会溶胀或溶解，因此具有改性剂的作用。胶粉对沥青的改性机理可以分为：沥青胶体结构变化、胶粉颗粒体积溶胀、胶粉颗粒脱硫降解。并且轻质组分含量越高的基质沥青，胶粉的溶胀反应越充分，其橡胶沥青的改性效果越好。

(3)基于国内外学者研究成果，总结和分析了胶粉材料组成特点(胶粉颗粒粒径、胶粉掺加量等)对橡胶沥青及其混合料路用性能的影响。主体表现为：随着胶粉粒径增大，沥青的软化点、黏度、车辙因子、弹性恢复等均有所提升；大粒径胶粉可显著提高沥青和沥青混合料的抗疲劳性能，但随着胶粉粒径的逐渐增大，沥青混合料的回弹模量有较小幅度的降低；较小粒径胶粉在拌合过程中能够更好地扩散在基质沥青中，有助于提高橡胶沥青的高温贮存稳定性；沥青混合料的水稳性、韧性和劲度受胶粉粒径的影响并不显著；为了获得更优异的高温抗车辙性能，建议在密级配混合料中使用小粒径胶粉，在开级配混合料中使用大粒径胶粉；建议的胶粉掺量为10％~20％，建议使用胶粉粒径为0.5~1.0mm，以达到优良的橡胶沥青及其混合料性能指标要求。

(4)随着橡胶沥青及其混合料在工程中的大量应用，需要进一步攻克的难题包括：高质量胶粉的供应渠道与其精细化加工处理问题；橡胶沥青在存储与运输中出现的离析问题，以及长时间高温贮存条件下胶粉脱硫和降解反应导致的橡胶沥青失效问题；高温拌合与施工导致的有害气味和烟雾排放问题，以及能源的高消耗问题。这些技术问题的有效解决将更有利于橡胶沥青在道路工程中的广泛推广与应用。