摘要：废轮胎橡胶用于公路建设对废橡胶资源绿色利用和公路交通工业的绿色可持续发展具有耦合协效作用。本文根据我国沥青行业的废轮胎橡胶粉的不同应用方法，从性能、安全性、环保性等方面，分析了不同应用存在的缺点和问题，探讨了废橡胶再生活化的作用和意义。同时，文中分析和探讨了橡胶再生活化技术现状以及技术发展的情况。最后，展望了废轮胎橡胶用于公路建设的可能存在的挑战和未来发展方向。
关键词：废轮胎橡胶；沥青改性；再生活化技术；断硫
我国将废轮胎胶粉用于公路建设已有约40年历史，已成为废橡胶综合利用的重要途径之一。上世纪九十年代开始，首都机场高速公路、广佛高速公路、成渝高速公路等工程，引进了奥地利胶体磨，尝试将胶粉用于公路沥青技术。2001年，交通部公路科学研究院着手主持《废旧橡胶粉用于筑路的技术研究》项目，对橡胶沥青及橡胶粉沥青混合料（干法应用）的路用性能及力学特性开展研究，并在2004年7月于北京通过了课题鉴定。2007年交通部公路科学研究院发起全国废轮胎胶粉、再生胶应用技术研讨会，国家发改委、交通部、建设部和教育部等四部委联手推动废旧轮胎再利用，引起了业内外人士的广泛关注。此后，全国各地一度掀起了废轮胎胶粉用于公路建设研究和应用的浪潮。
然而此后的十多年，各地公路建设项目的废轮胎胶粉应用并不顺利，江苏、湖北等省份在前期试验和应用中都曾不同程度的出现了路面质量问题，同时气味扰民、沥青改性中安全事故等问题时有发生。目前仅有为数不多的地区还在大范围将废轮胎胶粉应用于公路建设。分析其主要原因，主要有应用中对施工条件和工艺控制要求高、胶粉在沥青中的溶胀和降解状态不稳定、混合料级配适应性差、胶粉沥青工厂化改性加工中环保安全问题突出、橡胶沥青稳定性差等。在此情况下，用预处理活化橡胶进行沥青改性应运而生。
当前，国内废轮胎橡胶用于公路沥青主要有现场搅拌法（俗称“干法”）、工厂化用硫化橡胶粉生产改性沥青、用再生活化橡胶进行沥青改性等三类。引用交通部公路科学研究院首席科学家王旭东研究员将这三种工艺的沥青产品分别命名为橡胶沥青、橡胶粉改性沥青、改性橡胶复合改性沥青。其中再生活化橡胶应用技术，在雄安新区建设中获得推广应用后，再一次在全国范围内掀起了废轮胎胶粉用于公路建设研究的热度。本文从以下方面分析橡胶再生活化技术在沥青改性中的作用和应用。
一、轮胎橡胶中影响沥青性能的组分
1、橡胶约50%：天然橡胶（异戊二烯为主）；合成橡胶，包括丁二烯-苯乙烯、聚丁二烯橡胶等。它们的共同特征是与常见的沥青改性剂SBS相似拥有可供交联的双键，且与SBS相容性好，但在硫化成型后呈相对稳定状态。
2、炭黑约28%：主要起补强和提高耐磨作用，不溶于水、酸、碱，能在交联网状结构中起很好的补强作用。
3、防护体系配合剂约3.5%：种类繁多，按防护作用分为抗氧剂，抗臭氧剂、曲挠龟裂抑制剂、有害金属抑制剂、紫外线吸收剂等，在硫化橡胶中不易析出。
4、操作油约5%：烃类复合物，常见的有芳烃油、环烷油、石蜡油，粘度不同，对加工性能及物性有影响；粘度低的操作油，耐寒性提高，加工时（180℃以上）会挥发损失。
5、其他助剂 ：其中粘合增进剂、增粘树脂等对沥青粘度有一定影响。
6、骨架材料：聚酯帘线、钢帘线、胎圈钢丝。其中钢丝会造成沥青加工设备尤其是胶体磨的磨损甚至损坏，轮胎破碎后的聚酯帘线形成的短纤维对沥青混合料粘结有利。
7、填充物：陶土、轻质碳酸钙，主要存在于胎圈橡胶。这些填充物如果过多混入公路沥青混合料，会改变路面级配细骨料和粉料的比例，对沥青混凝土性能造成不良影响。
二、橡胶再生活化的目的
沥青行业传统的废轮胎橡胶粉应用方法主要是现场搅拌法和工厂化用硫化橡胶粉生产改性沥青两类：
1、现场搅拌法：硫化橡胶粉作为小颗粒填充物，在沥青混凝土中起到降低噪音、提高防冻、提高热稳定性等作用。因这种工艺主要是物理混合，轮胎橡胶中有效成分基本上无法作用于沥青，因此产品称作橡胶沥青而不能称作橡胶改性沥青。这种应用方式缺点还有：橡胶颗粒物影响沥青粘度，不易施工；拌合和施工现场烟气和气味较明显；因作为填充物，油石比需提高以补充沥青实际用量，因此建造成本没有降低等。
2、工厂化用硫化橡胶粉生产改性沥青：在足够的温度、剪切力和时间作用下，橡胶原有交联结构逐步破坏，有效成分逐步作用于沥青，改性效果随着加工程度提高，其改性沥青的耐老化性能和低温性能优异。本质上可理解为在沥青中实现了传统再生胶再生加工过程，这种应用方式缺点是：达到较高的改性效果需要长时间保温和足够剪切，因此能耗偏高、生产效率低、设备投资大；高温加工易使沥青品质下降；沥青改性性能受橡胶掺量和加工程度的限制大，一般不能超过20%内掺比例，其改性沥青中含有的橡胶颗粒物影响运动粘度，造成施工困难；工厂加工异味大，胶粉易黏附在罐壁在加热时引发火灾等。
根据上述分析和近十多年废轮胎橡胶应用于沥青改性的经验和教训，我们对废轮胎硫化橡胶粉进行预处理改性活化的目的主要有两点：一是破坏轮胎橡胶原有的交联网状结构，使其中有益组分能更有效作用于沥青，获得高性能、匀质、稳定的改性沥青；二是再生活化技术可控，能解决传统干法和工厂化沥青改性的安全性、环保性、稳定性等问题；三是提高橡胶沥青的加工效率和使用时不用改变混合料级配，油石比低，具有良好经济性。
三、橡胶断硫活化生产技术现状
当前工业化应用的橡胶断硫活化技术主要用于生产再生橡胶，有动态脱硫（罐）法、密炼法、常压螺旋连续加热法、常压螺杆连续加热挤出法（包括单螺杆、双螺杆）、常压高混生热法等。其中密炼法和常压高混生热法从工艺上不适合生产深度活化的橡胶产品，不适合用于改性沥青用的断硫活化橡胶，仅能浅度活化用于现场搅拌法和工厂化用硫化橡胶粉生产改性沥青，因此在本文不予详细介绍。因环保性和安全性问题，除了常压连续法（常压螺旋连续加热法、常压螺杆连续加热挤出法、常压高混生热法等）以外的再生橡胶生产工艺已被国家发改委列入限制类目录。
1、动态脱硫法（高压加热罐法）：以水（蒸汽）为导热介质的橡胶断硫活化方法，其工艺对橡胶用于沥青改性具有一定参考价值：将水、橡胶粉、软化油、断硫活化剂的混合物用密闭容器加热至2MPa左右（约215℃），并保温保压，用时约130分钟，排气后获得活化胶粉（断硫活化比例较低，主要断键S-S，橡胶分子量仍较大、多重交联网络仍存在），活化产生的硫化氢等刺激性气体和VOCs随水蒸气排出，部分因气压降低冷凝残留。
此工艺的优点是得益于水蒸气高渗透特性，断硫活化均匀。缺点有：压力容器维保要求高，维保不到位或操作失误情况下生产极易发生爆炸和火灾事故；污染严重，排放基础量大；不同批次性能差异较大，稳定性不高；罐体清洁维保工作量较大。
2、常压螺旋连续加热法：以料筒为导热介质，使橡胶在螺旋输送过程中受热的橡胶断硫活化方法，将水、橡胶粉、软化油、断硫活化剂的混合物经过多阶加热螺旋，以高温热能断键，获得活化效果。
该工艺优点是不添加水，污染物排放总量大大减少。缺点有：高温使与空气直接接触的橡胶发生热氧老化和劣化，橡胶性能下降严重；热能损失大，能耗高；螺旋推送力有限，无法实现深度活化生产；因氧化焦烧，产品气味大等。
3、常压螺杆连续加热挤出法（包括单螺杆、双螺杆）：以螺杆和料筒导热和提供剪切力，使橡胶在输送过程中受热和力作用的橡胶断硫活化方法，将水、橡胶粉、软化油的混合物经过加热的精密螺杆，以高温热能和精密螺杆、料筒之间的剪切力提供断键能量，获得活化效果。
其优点有：不添加水，污染物排放总量大大减少；封闭螺杆内橡胶只有很少部分发生热氧老化和劣化，橡胶性能较大程度保存；得益于现代螺杆挤出机成熟发展，设备工业化程度高、安全性高、连续化生产稳定；螺杆具有较大推送力，可以实现深度活化等。其缺点有：不同螺杆结构设计的维保量差异较大，不成熟的螺杆设计会造成维保量大、维保成本高；单一的螺杆热挤出法易出现活化不充分夹生的质量问题等。
四、橡胶再生活化技术发展
在当前经济和社会形势下，橡胶再生活化技术需考虑以下重要因素：环保性和安全性（容错率）；确保产品性能；较低的设备投资和运行成本；良好的作业环境和较高的自动化程度。在这样的要求下，新工艺技术不断涌现，但通过热能、力化学作用的活化原理不变，法国米其林公司研发了生物断硫法、加拿大滑铁卢大学发明了超临界CO2法等，但因成本、产品性能、生产效率等问题不具备工业化应用条件。目前具备工业化应用可行性的多是传统工艺的异变或多种工艺的组合。比较典型的有如下两种。
1、常压动态加热罐法：因动态脱硫法被国家限制和淘汰，衍生出的活化方法。
将橡胶粉、软化油、断硫活化剂的混合物加入搅拌罐，通过罐壁导热实现断键活化，并间歇加入少量水起到防火保护和提高加热均匀性、带出VOCs等排放物的作用。为提高生产效率，保温和降温排料段采用多阶分体方式。
此工艺的优点是不再使用压力容器，对设备安全要求降低；较传统动态脱硫法生产效率提高；污染物排放总量较传统动态脱硫法减少。缺点有：对水依赖度高，设备故障和供水不及时易出现火灾安全事故，安全容错率低；罐体清洁维保工作量较大；加水间隙易出现橡胶热氧老化和劣化使橡胶性能下降情况。
2、复合型常压螺杆连续热挤出法：基于单一的螺杆热挤出法的优缺点，改进形成的橡胶活化方法，已被列入国家工信部资源综合利用先进适用装备技术和目录。将橡胶粉、软化油、断硫活化剂（可选）的混合物加入搅拌罐，通过罐壁导热或高混摩擦生热实现预分散和浅度活化，再经过加热的精密螺杆，以高温热能和精密螺杆、料筒之间的剪切力提供断键能量，获得活化效果。
该技术的优点有不添加水，污染物排放总量大大减少；封闭螺杆内橡胶只有很少部分发生热氧老化和劣化，橡胶性能较大程度保存；得益于现代螺杆挤出机成熟发展，设备工业化程度高、安全性高、连续化生产稳定性高；活化效果较单一螺杆热挤出法更好，螺杆具有较大推送力，可以实现深度活化；成熟的设计和高质螺杆维保量小，业内已有连续生产5000t螺杆免维保的案例。缺点是设备成本相对略高。
五、总结与展望
1、结语
本文总结阐述了橡胶再生活化的目的，详细分析了橡胶再生活化生产技术现状以及技术发展的情况，其中复合型常压螺杆连续热挤出法因为安全、环保、稳定等优势已被列入国家工信部资源综合利用先进适用装备技术和目录。文中提到的各类技术还具有一定的局限性，还需进一步探索和优化，为实现废橡胶的高值利用、促进公路交通行业实现绿色可持续发展而不断努力。
2、展望
随着再生橡胶产品和裂解产品成熟应用，废旧轮胎资源的价值逐渐体现。从未来发展来看，存在废轮胎橡胶价格高于基质沥青的可能性。对业主单位而言，废轮胎橡胶用于公路建设其价值的主要体现不仅在于其直接成本低，其价值更多的体现在其对路面高性能、长寿命的提升效果和养护量降低，以及在钢桥面、透水路面等特殊高性能需求场景的优异表现。
尽管我国废轮胎橡胶用于公路建设已做了很多工作，也取得了一定的成果，但目前主要还是现场搅拌法和工厂化用硫化橡胶粉生产改性沥青两类，用预处理再生活化橡胶进行沥青改性还需进一步研究。一方面，从橡胶再生技术角度，开发适合工业化应用的装备技术，完善改进再生工艺，提高废轮胎橡胶再生效率，减少应用过程产生的二次污染，发展高效、绿色环保化生产技术。另一方面，从改性沥青角度，研究摸透轮胎橡胶中有益组分对公路沥青混合料的作用，制订改性橡胶改性沥青及其路面施工技术规范，进一步推动公路交通建设的高质、长寿面和绿色发展。
