維他橡膠瀝青干法在黃衢南高速公路中的應(yīng)用研究

陳建榮,周紅升,賈莉芬,王建中

(1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,杭州 310006;2.浙江金筑交通建設(shè)有限公司,杭州 310009;3.嵊州市交通建設(shè)管理所,浙江 嵊州 312400)

黃衢南高速公路浙江段是國家重要干線北京至臺(tái)北公路的重要路段,被交通部和浙江省列為我省第一個(gè)勘察設(shè)計(jì)典型示范和創(chuàng)精品試點(diǎn)工程。

本文依托衢南高速公路開展了 《橡膠粉改性瀝青路面 (干法)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究》的課題研究,研究成果表明通過添加維他聯(lián)接劑 (TOR)可以加強(qiáng)橡膠粉和瀝青的化學(xué)變化合成新分子,改善橡膠瀝青的相容性和提高橡膠瀝青混合料的施工和易性,提高干法橡膠瀝青混合料的性能。該研究在黃衢高速公路路面設(shè)計(jì)中得到了推廣應(yīng)用。

1 橡膠瀝青施工方法

橡膠瀝青路面施工有濕法和干法兩大類。濕法工藝是指將較細(xì)的廢輪胎橡膠粉加入瀝青中,在高溫條件下攪拌均勻形成具有改性瀝青特性的橡膠瀝青。干法工藝是指將相對(duì)顆粒較粗廢輪胎橡膠粉直接加入集料中,然后噴入熱瀝青拌制成橡膠瀝青混凝土。兩者主要區(qū)別如下:

(1)傳統(tǒng)干法采用的橡膠粉顆粒尺寸一般為1.0～6.3 mm,而傳統(tǒng)濕法采用的橡膠粉粒度較細(xì),一般都1.0 mm以下。因而傳統(tǒng)干法所用的橡膠粉加工工藝相對(duì)簡單,成本相對(duì)較低。

(2)但傳統(tǒng)干法中橡膠顆粒主要是作為部分集料,對(duì)瀝青基本上沒有改性作用,存在的主要問題是橡膠顆粒與集料或?yàn)r青不能完全相容,混合料壓實(shí)困難或壓實(shí)后出現(xiàn)體積膨脹,因此目前傳統(tǒng)干法應(yīng)用較少。而傳統(tǒng)濕法工藝中,橡膠粉主要作為瀝青的改性劑,可起到改善瀝青性能的作用。

(3)在瀝青拌和廠中,干法工藝不需要特殊的設(shè)備或?qū)υO(shè)備進(jìn)行較大的改裝;而濕法工藝需要專門的橡膠瀝青生產(chǎn)設(shè)備。

傳統(tǒng)橡膠瀝青生產(chǎn)工藝主要存在的問題是橡膠瀝青的穩(wěn)定性和沉淀問題以及空氣污染和勞動(dòng)保護(hù)問題。維他橡膠瀝青 (添加維他連接劑)干法工藝與傳統(tǒng) (干法、濕法)橡膠瀝青都有一定區(qū)別,生產(chǎn)中有毒氣體、濃煙大為減少;施工和易性好,攤鋪與SBS改性瀝青基本一致;化學(xué)反應(yīng)進(jìn)一步提升了橡膠瀝青性能。

2 維他干法橡膠瀝青研究成果

在衢南高速公路中開展了橡膠瀝青路面干法的課題研究,試驗(yàn)研究涉及到路面結(jié)構(gòu)中的上、中面層兩層。室內(nèi)試驗(yàn)上面層采用SBS-Sup13、ARAC13、AR-Sup13-D(維他干法)和AR-Sup13-W(濕法);中面層采用 SBS-Sup20、ARAC20、AR-Sup20-D。試驗(yàn)路段方案:K188+210～K121+000、K121+000～K122+400、K122+400～K122+900左幅上面層分別采用AR-Sup13-D、AR-Sup13-W和AR-AC13-W三種結(jié)構(gòu)類型;相應(yīng)路段左幅中面層除K188+210～K119+340段采用AR-Sup20-D外,其余均采用AC-20C結(jié)構(gòu)。

通過室內(nèi)不同橡膠粉、不同摻量和不同加工時(shí)間試驗(yàn)得到的橡膠瀝青針入度數(shù)據(jù)表明:不同摻量橡膠瀝青的針入度受基質(zhì)瀝青的影響較大,一般略小于基質(zhì)瀝青的針入度;不同膠粉摻量的橡膠瀝青針入度相差較小;干法橡膠瀝青的針入度平均值43.9比濕法的要小10.5,這在一定程度上說明干法橡膠粉改性瀝青的熱穩(wěn)定性稍好一些。

同樣通過室內(nèi)試驗(yàn)得到的橡膠瀝青軟化點(diǎn)數(shù)據(jù)表明:不同摻量橡膠瀝青的軟化點(diǎn)都比70#瀝青的軟化點(diǎn)大;不同膠粉摻量的橡膠瀝青軟化點(diǎn)增加有一定的差別,隨著膠粉用量的提高軟化點(diǎn)增加越多,一般軟化點(diǎn)提高幅度在5℃～11℃;干法橡膠瀝青的軟化點(diǎn)比濕法的要大,一般要大2℃～4℃。

隨著橡膠粉摻量的增加,橡膠瀝青的粘度增大比較顯著,呈指數(shù)增長,干法制備的橡膠瀝青粘度比濕法的要小,這說明在添加TOR之后,橡膠瀝青高溫時(shí)的粘度下降,這也為較好的施工和易性創(chuàng)造了條件。

通過對(duì)室內(nèi)及試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)的瀝青混合料進(jìn)行抽提及馬歇爾試驗(yàn),主要從高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性三個(gè)方面來評(píng)價(jià)橡膠瀝青混合料性能。

2.1 高溫性能

高溫性能以車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度為主要指標(biāo)。

由表1和圖1可以看出,同一級(jí)配的瀝青混合料隨橡膠粉摻量的增加其動(dòng)穩(wěn)定度增大,這說明橡膠粉的摻入并沒有降低混合料的高溫穩(wěn)定性,相反,卻有不同程度的改善;與SBS改性瀝青混合料相比,橡膠瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定隨著膠粉摻入量的增加,在摻加18%時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度與SBS改性瀝青相當(dāng);采用間斷級(jí)配的橡膠瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度略小于連續(xù)級(jí)配混合料,這說明混合料級(jí)配類型對(duì)高溫穩(wěn)定性有一定的影響;比較干法和濕法橡膠瀝青混合料,加入TOR的干法橡膠瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度略大于濕法橡膠瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度。

圖1 室內(nèi)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度比較圖

表1 試驗(yàn)路瀝青混合料車轍檢驗(yàn)

2.2 低溫性能

低溫性能以小梁低溫彎曲試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度、破壞應(yīng)變及勁度模量為指標(biāo)。

由表2和圖2低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果可知,在低溫條件下,同一級(jí)配混合料破壞彎拉應(yīng)變隨著橡膠粉摻量的增加而升高,說明橡膠顆粒的加入使混合料低溫性能有一定的提高;維他橡膠瀝青混合料的低溫性能優(yōu)于濕法橡膠瀝青混合料,更有利于提高混合料的低溫性能,滿足規(guī)范的要求。

圖2 室內(nèi)瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)比較圖

表2 試驗(yàn)路瀝青混合料彎曲試驗(yàn)檢驗(yàn)

2.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性以浸水馬歇爾試驗(yàn)的殘留穩(wěn)定度和劈裂凍融試驗(yàn)的劈裂強(qiáng)度比作為評(píng)定指標(biāo)。

從表3、圖3和圖4可以得出,橡膠瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比和浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度,隨著橡膠粉摻量變化有一定變化;與SBS改性瀝青混合料相比基本相當(dāng),變化幅度很小,能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

圖3 室內(nèi)瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)比較圖

表3 試驗(yàn)路瀝青混合料彎曲試驗(yàn)檢驗(yàn)

圖4 室內(nèi)瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)比較圖

3 黃衢高速橡膠瀝青路面設(shè)計(jì)

浙江黃衢南高速公路有限公司于2009年12月13日在杭州召開了 “橡膠瀝青路面試驗(yàn)路段專題設(shè)計(jì)方案”評(píng)審會(huì),經(jīng)討論并形成專家組意見,明確了橡膠瀝青試驗(yàn)路段采用兩種結(jié)構(gòu)形式,專題設(shè)計(jì)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)物和路基工程上的路面不同情況進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì),并在設(shè)計(jì)中控制橡膠粉和原材料的質(zhì)量,明確施工工藝和實(shí)際工程監(jiān)測(cè)內(nèi)容和方案等。

3.1 橡膠瀝青設(shè)計(jì)方案

方案一:4cmAR-SUP13橡膠瀝青上面層+6cmSBS改性瀝清中面層AC-20C。方案二:4cmAR-SUP13橡膠瀝青上面層+6cmAR-SUP20橡膠瀝青中面層。

黃衢高速橡膠瀝青路段設(shè)計(jì)樁號(hào)為:K60+300～K63+000左右幅和K64+221.5～K65+264左右幅,路線長為3.7425 km,其中方案一適用于K60+300～K63+000左右幅,方案二適用于K64+221.5～K65+264左右幅。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

瀝青混凝土路面的設(shè)計(jì)以雙輪組單軸載100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載,設(shè)計(jì)年限為15年。路面厚度計(jì)算中以設(shè)計(jì)彎沉值為路面整體剛度的設(shè)計(jì)指標(biāo),以容許彎拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。主線路面設(shè)計(jì)彎沉值為22.0(0.01mm);當(dāng)以設(shè)計(jì)彎沉值為指標(biāo)及瀝青層層底拉應(yīng)力驗(yàn)算時(shí),路面竣工后第一年日平均當(dāng)量軸次為3 494次,設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道上累計(jì)當(dāng)量軸次為1.514535×107次;當(dāng)進(jìn)行半剛性基層層底拉應(yīng)力驗(yàn)算時(shí),路面竣工后第一年日平均當(dāng)量軸次為4 078次,設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道上累計(jì)當(dāng)量軸次為1.76768×107次。

橡膠瀝青混合料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。

表4 路面結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)參數(shù)表(單位:MPa)

采用驗(yàn)算程序HPDS2006,按照相同的當(dāng)量軸次,相同的結(jié)構(gòu)層厚度,輸入各結(jié)構(gòu)層參數(shù),采用橡膠瀝青上面層的路表彎沉為0.19 mm,小于施工圖設(shè)計(jì)上面層的路表彎沉0.203 mm。按照規(guī)范中要求高速公路的設(shè)計(jì)年限是15年,對(duì)交通量進(jìn)行換算可以推算橡膠瀝青路面設(shè)計(jì)壽命為18年,即承受相同交通量的情況下、采用相同結(jié)構(gòu)層厚度時(shí),橡膠瀝青路面的設(shè)計(jì)年限可以達(dá)到18年,比設(shè)計(jì)壽命15年要延長3年。

3.3 橡膠瀝青路面混合料設(shè)計(jì)

(1)材料要求

瀝青采用優(yōu)質(zhì)A級(jí)70#道路石油瀝青,粗集料、細(xì)集料和礦粉等技術(shù)指標(biāo)均應(yīng)滿足省廳的有關(guān)要求,見表5至表7。

表5 橡膠粉技術(shù)要求

表6 橡膠粉篩分規(guī)格

表7 橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)要求

維他連接劑 (TOR)是一種具有雙鍵結(jié)構(gòu)的聚合物,它可以將硬瀝青質(zhì)和軟瀝青質(zhì)中的硫與橡膠屑表面的硫交聯(lián)起來形成一大環(huán)狀和鏈狀聚合物組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),大量的試驗(yàn)和工程實(shí)際表明,其在改善橡膠瀝青的相容性和提高橡膠瀝青混合料的施工和易性方面具有良好的效果。采用維他干法拌制的橡膠粉瀝青混合料需要加入維他連接劑 (TOR),一般加入劑量為橡膠粉質(zhì)量的4.5%。

維他連接劑TOR技術(shù)要求:外觀為白色夥粒;粘度為110～130ml/g;密度為0.91 g/cm3;軟化點(diǎn)為50℃～58℃;自燃點(diǎn)＞400℃;揮發(fā)性≤0.50。

(2)配合比設(shè)計(jì)

配合比設(shè)計(jì)包括目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)、生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)配合比驗(yàn)證三個(gè)階段。

采用浙江交工路橋建設(shè)有限公司提供的原材料:1#、2#玄武巖江西廣豐生產(chǎn),3#、4#集料為施工單位自制的石灰?guī)r,礦粉為常山產(chǎn)礦粉,瀝青為70#SK道路石油瀝青。目標(biāo)配合比委托南京東交工程檢測(cè)有限公司進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)結(jié)果如表8。

表8 礦料配合比及油石比

在普通瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,按照先加礦料、橡膠粉和TOR干拌30秒→摻入目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)80%瀝青用量+橡膠粉質(zhì)量的30%瀝青→拌和→保溫至少1小時(shí) (180℃)→成型 (溫度160℃～165℃)的方法添加橡膠粉成型試件。該試件各試驗(yàn)結(jié)果見表9～表12。

表9 橡膠瀝青混合料馬歇爾體積指標(biāo)檢驗(yàn)表

表10 橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)性能檢驗(yàn)表

表11 橡膠瀝青混合料高溫性能檢驗(yàn)表

表12 橡膠瀝青混合料低溫性能檢驗(yàn)表

4 經(jīng)濟(jì)成本分析

經(jīng)濟(jì)成本分析應(yīng)從工程項(xiàng)目全壽命周期出發(fā)去考慮造價(jià)和成本問題,不僅考慮工程建設(shè)成本,而且需考慮到其壽命期結(jié)束時(shí)的養(yǎng)護(hù)等的總費(fèi)用,要實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目整個(gè)壽命周期的總收益最大化或總成本的最小化。

4.1 接工程費(fèi)

以4cm瀝青混合料上面層為例進(jìn)行分析。

按招標(biāo)文件改性瀝青基價(jià)為4 623元/t,進(jìn)口普通瀝青3 540元/t,4cm厚AC-13改性瀝青細(xì)粒式瀝青混合料清單價(jià)為43.73元/m2。

SBS改性瀝青AC-13C根據(jù)試驗(yàn)確定其油石比為5.6%,橡膠瀝青TOR干法油石比為4.6%,橡膠粉是瀝青質(zhì)量的20%,維他連接劑是橡膠粉質(zhì)量的4.5%。

TOR橡膠瀝青維他干法單價(jià)費(fèi)用在原有投標(biāo)清單的基礎(chǔ)上,需考慮瀝青混合料減少基質(zhì)瀝青費(fèi)用、增加橡膠粉、維他連接劑的費(fèi)用以及增加人工、機(jī)具設(shè)備等費(fèi)用。

經(jīng)計(jì)算分析,每噸干法橡膠瀝青減少基質(zhì)瀝青費(fèi)用128.616元,增加橡膠粉39.04元,增加維他連接劑 55.166元,增加人工、機(jī)具設(shè)備等費(fèi)用3.86元,減少總費(fèi)用33.72元。折算后干法橡膠瀝青單價(jià)為40.36元/m2,比原清單AC-13C減少費(fèi)用為-3.37元/m2?？梢姴捎孟鹉z瀝青路面前期投入和SBS改性瀝青路面基本相當(dāng),施工成本稍有減少。

4.2 養(yǎng)護(hù)費(fèi)用

從設(shè)計(jì)得知,在相同的路面結(jié)構(gòu)層厚度情況下,施工圖采用SBS改性瀝青的設(shè)計(jì)年限為15年,橡膠瀝青的為18年,橡膠瀝青的使用壽命可以延長3年。由于衢州地區(qū)夏季潮濕多雨,地表溫度也較高,對(duì)瀝青路面的水穩(wěn)定性和抗車轍能力有較高的要求。維他橡膠瀝青混合料的抗車轍性能更好,使用壽命較長。

為了比較方便,根據(jù)現(xiàn)有高速公路的實(shí)際情況,假設(shè)兩種路面在設(shè)計(jì)年限內(nèi)的養(yǎng)護(hù)維修總費(fèi)用相同 (假設(shè)總費(fèi)用為M),并且按照使用年限平均計(jì)算。橡膠瀝青路面每年的養(yǎng)護(hù)平均費(fèi)用為M/18;SBS瀝青路面每年的養(yǎng)護(hù)平均費(fèi)用為M/15;以15年的設(shè)計(jì)年限為分析周期,則橡膠瀝青路面的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用∶SBS瀝青路面的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用=(M/18×15)∶(M/15×15)=5∶6;即從全壽命角度來看,橡膠瀝青路面15年內(nèi)的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用要比SBS改性瀝青路面節(jié)省資金約16.7%。

總的來看,使用橡膠瀝青路面前期投入和SBS改性瀝青路面基本相當(dāng),但其路面耐高溫、抗車轍效果好,具有較好路用性能,較長的使用壽命,因而大大減少了后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用,經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)明顯。

5 干法橡膠瀝青混合料施工要點(diǎn)

5.1 級(jí)配控制

在生產(chǎn)過程中,混合料抽提和篩分都是瀝青混凝土施工的重要環(huán)節(jié),在添加了橡膠粉后,需要對(duì)抽提和篩分方法做簡單的調(diào)整來適應(yīng)橡膠粉改性瀝青混合料的特點(diǎn)?；旌狭铣樘嵩囼?yàn)宜采用溶劑法,這樣可以獲得比較準(zhǔn)確的油石比數(shù)據(jù)。燃燒爐會(huì)把橡膠粉一起燒掉,造成油石比數(shù)據(jù)得不到準(zhǔn)確值,不適用?；旌狭虾Y分可以采用通常的方法,但是要注意橡膠粉顆粒容易堵塞篩孔,應(yīng)及時(shí)清理,并保證不要灑落出去。

5.2 橡膠粉的自動(dòng)添加和稱量

可以利用瀝青混凝土拌合樓的礦粉提升設(shè)備和礦粉添加設(shè)備,來達(dá)到橡膠粉的自動(dòng)計(jì)量添加的目的。但是要注意,在施工過程中,宜動(dòng)態(tài)添加橡膠粉,因?yàn)橄鹉z粉具有很好的彈性,在粉罐中大量儲(chǔ)存,由于膠粉的自重容易起拱,而影響橡膠粉的添加。在正式施工過程中,可以采用邊提升邊使用的方式,提前提升適量橡膠粉進(jìn)入稱量罐,避免橡膠粉起拱而不能自動(dòng)添加;同時(shí)必須保證拌和好的橡膠粉改性瀝青混合料有足夠的 “悶料”時(shí)間。

6 結(jié) 語

通過黃衢南高速公路干法橡膠瀝青的應(yīng)用研究和推廣,實(shí)踐表明:在橡膠瀝青中添加維他聯(lián)接劑(TOR),改善橡膠瀝青的相容性,提高橡膠瀝青混合料高溫、低溫以及水穩(wěn)性能,解決傳統(tǒng)干法橡膠瀝青混合料壓實(shí)困難或壓實(shí)后出現(xiàn)體積膨脹問題;同時(shí)具有環(huán)保、降噪、行車舒適、延緩和抵抗反射裂縫等優(yōu)點(diǎn),對(duì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]交通部公路科學(xué)研究院.橡膠瀝青及混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2]浙江省交通廳.浙江省高速公路瀝青路面規(guī)范化施工與質(zhì)量管理指導(dǎo)意見[M].上海:上海科學(xué)普及出版社,2007.

[3]JTG D50-2004,公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].