橡膠改性瀝青在重交通荷載路面上的應(yīng)用

張光明

(河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司，河南鄭州 450016)

隨著高等級公路建設(shè)的發(fā)展，基于平整性好、行車平穩(wěn)舒適、噪聲低的瀝青混凝土路面已成為公路路面的主要形式。但是，在已建成道路的運(yùn)營中，新的問題接踵而來，由于近年來交通量迅速增長、車輛大型化、超載嚴(yán)重、車輛渠道化等現(xiàn)象的出現(xiàn)，使瀝青混凝土路面面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。據(jù)山西省近年來對運(yùn)輸車輛的調(diào)查分析表明:在某些運(yùn)煤干線及砂石料運(yùn)輸干線上，東風(fēng)、解放等載重車單車載重達(dá)50 t以上，對路面破壞相當(dāng)嚴(yán)重。因此，研究提高瀝青混凝土路面使用性能的關(guān)鍵技術(shù)，即采用改性瀝青混合料，已成為我國公路建設(shè)的迫切需要。而選擇改性劑的品種和劑量是技術(shù)性很強(qiáng)的工作，需要根據(jù)所在地區(qū)的氣候條件、交通條件、經(jīng)濟(jì)實(shí)力、改性瀝青制備條件，以及當(dāng)?shù)貫r青路面的主要破壞形式來綜合確定采用適合的改性劑。我國JTG F40-2004公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定氣候區(qū)是選擇不同改性瀝青等級的主要依據(jù)。對北方低溫寒冷地區(qū)，以載重汽車為對象的高速公路、一級公路，尤其是重車比例大、超載車多的干線公路，對抵抗車轍、開裂的要求較高，采用橡膠瀝青路面可以很好地延長路面使用壽命。

1 橡膠改性瀝青的特性

橡膠改性瀝青是先將廢舊輪胎加工成為具有一定細(xì)度的橡膠粉粒，再按一定的粗細(xì)級配比例進(jìn)行組合，同時(shí)添加多種高聚合物改性劑材料，并在高溫條件下(180℃以上)充分拌合，其中橡膠組分含量應(yīng)為全部混合料重量的15%以上，橡膠顆粒膨脹與基質(zhì)瀝青充分熔脹后反應(yīng)形成改性瀝青膠結(jié)材料［4］。在2011年以前我國尚無橡膠改性瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，大多參考美國FHWA(美國聯(lián)邦公路局)橡膠改性瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(SA-002-1992)，見表1［1］。橡膠改性瀝青交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布對我國橡膠改性瀝青技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用具有明確的指導(dǎo)意義(見表2［6］)。

表1 美國FHWA橡膠改性瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(SA-002-1992)

1)提高瀝青的粘度。粘性是瀝青高溫穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，高粘性瀝青可以增強(qiáng)抗變形能力、使混合料油膜較厚而不易析漏或泛油，可以很好地提高瀝青與碎石的粘結(jié)力，在封水性能方面具有良好表現(xiàn)［5］。據(jù)相關(guān)試驗(yàn)資料表明，同等條件下20%膠粉含量的橡膠改性瀝青190℃時(shí)的動(dòng)力粘度與4%SBS含量的改性瀝青135℃時(shí)的動(dòng)力粘度值相當(dāng)，約3 Pa·s;橡膠瀝青的軟化點(diǎn)較基質(zhì)瀝青提高了約10℃，大于55℃。

表2 橡膠改性瀝青技術(shù)指標(biāo)(JT/T 798-2011)

2)改善瀝青的低溫性能。瀝青的低溫性能是指低溫條件下的脆性和抗裂性。據(jù)南非某公司通過試驗(yàn)比較，橡膠改性瀝青的弗拉氏脆點(diǎn)比4%SBS改性瀝青降低約9℃，為－19℃～－17℃。橡膠瀝青良好的低溫柔韌性明顯降低了溫度對瀝青路面的影響，在低溫寒冷地區(qū)，由于膠結(jié)材料含量高、彈性好，對于降低路面開裂或修復(fù)舊路面反射裂縫，效果較明顯。

3)提高抗老化、抗疲勞性能。大量廢輪胎膠粉的加入，增加了瀝青抗老化、防氧化和熱穩(wěn)定性，輪胎橡膠寬廣的彈性溫度工作區(qū)間和橡膠瀝青的高橡膠粉體積含量，使橡膠瀝青混合料成為一種性能良好的柔性路面材料，具有優(yōu)良的抗疲勞和抗反射裂縫能力。對部分采用橡膠改性瀝青路面調(diào)查顯示，同等條件下橡膠改性瀝青路面可很好地延長路面使用壽命。

4)提高行車的舒適性和安全性。橡膠改性瀝青路面作為一種柔性路面，能較好地緩沖路面局部不平整引起的車輛顛簸，提高輪胎與地面的附著性能，明顯縮短車輛制動(dòng)距離，橡膠中的炭黑成分能夠使路面長期保持黑色，與路面標(biāo)線的對比度高，駕駛員在車輛運(yùn)行中會(huì)感到更加的舒適和安全。

5)降低車輛運(yùn)行的噪聲危害。道路噪聲隨著公路建設(shè)和汽車工業(yè)的發(fā)展已成為道路周邊居民的一大公害，降低車輛運(yùn)行的噪聲已成了人們關(guān)心的重要社會(huì)問題之一。據(jù)分析，橡膠改性瀝青的彈性和平整的路面可有效地降低車輛運(yùn)行的噪聲，相當(dāng)于減少了行車數(shù)量或節(jié)省一道高的隔音墻，被譽(yù)為“消音瀝青”。有資料顯示，橡膠改性瀝青路面上車速為50 km/h～100 km/h時(shí)，降低噪聲3 dB～8 dB，相當(dāng)于減少80%的行車量［3］。

6)降低道路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。要對橡膠改性瀝青的性能作出綜合評價(jià)，不僅要關(guān)注它的技術(shù)可行性，還要看它與其他瀝青相比較的使用經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)最近三年的基本材料市場價(jià)格:SBS約為22 000元/t，40目(橡膠粉的細(xì)度)的廢舊橡膠粉約為2 600元/t(40目以下價(jià)格更低)，基質(zhì)瀝青約為3 500元/t。常用配合比的1 t 5%SBS含量改性瀝青與20%橡膠含量的改性瀝青參考價(jià)格(未計(jì)其他瀝青添加劑價(jià)格)見表3。通過比較可知:橡膠改性瀝青的材料費(fèi)不僅低于SBS改性瀝青1 005元/t，而且低于基質(zhì)瀝青。除填充材料與工藝參數(shù)有一定的區(qū)別外，等量的橡膠改性瀝青與SBS改性瀝青加工價(jià)格相當(dāng)。橡膠改性瀝青路面的經(jīng)濟(jì)性還在于提高了路面的耐久性，或在同等條件下可減少路面鋪筑的厚度，從而降低了路面建設(shè)和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

表3 瀝青價(jià)格對比表

7)節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境。廢舊輪胎是一種難以自行降解的高分子化工合成材料，自然條件下埋在地下數(shù)百年都不會(huì)分解，且會(huì)污染地下水源。這些“黑色垃圾”無論采用堆放還是采用焚燒的方法處理都將成為新的污染源，污染環(huán)境、占用土地資源且容易滋生蚊蟲傳播疾病。車輛的報(bào)廢逐年增加，世界上廢舊輪胎積存以每年約億條遞增，但是能夠得到翻新利用的只占很小一部分。橡膠改性瀝青含有大量的廢舊輪胎橡膠粉(18%～22%)，可計(jì)算出高等級公路中1車道(3.75 m寬)、1 km長的橡膠改性瀝青路面可消耗約1 000條廢舊輪胎。循環(huán)利用這些廢輪胎對我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展、緩解環(huán)境和資源匱乏帶來的壓力起到積極的作用。

2 橡膠瀝青的制作工藝

橡膠瀝青制作方法一般分為干法和濕法。加工流程主要有以下步驟:基質(zhì)瀝青、廢舊橡膠粉等原材料的添加和預(yù)混，橡膠瀝青的反應(yīng)過程及質(zhì)量監(jiān)控［6］。干法是將瀝青混合料總量2%～3%的橡膠粉噴在攪拌的熱瀝青拌合鍋中，攪拌約20 min即成為橡膠粉改性瀝青混合料。干法制成的橡膠改性瀝青適用于攤鋪路面的底層或者中層，不適宜攤鋪面層。濕法是將精細(xì)橡膠粉、活化膠粉或脫硫膠粉按配方劑混合材料(一般為瀝青質(zhì)量的10%～20%)投入到180℃～200℃的基質(zhì)瀝青中，在攪拌瀝青時(shí)緩慢添加橡膠粉，攪拌后再進(jìn)入膠體磨或高速剪切乳化機(jī)中加工處理，達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，即可制成高性能的橡膠改性瀝青［2］。制作過程中橡膠粉用量、攪拌時(shí)間、瀝青溫度隨基質(zhì)瀝青和橡膠粉性質(zhì)不同而有很大區(qū)別。改性瀝青的性能與橡膠粉的粒徑關(guān)系密切，粒徑越小分布越均勻，其改性瀝青性能越優(yōu)良，且不易離析。橡膠改性瀝青的原料及其配合比一般經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室配置、試驗(yàn)并通過現(xiàn)場使用進(jìn)行調(diào)整后確定，目前我國僅有地方性行業(yè)技術(shù)指南發(fā)布，如北京市廢輪胎膠粉瀝青混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南，為便于當(dāng)前推廣橡膠瀝青并為形成國內(nèi)規(guī)范積累經(jīng)驗(yàn)，可參考國內(nèi)地方行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國外的路用橡膠粉技術(shù)指標(biāo)(見表4)。試驗(yàn)依據(jù)可綜合借鑒國內(nèi)外橡膠改性瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 國內(nèi)外路用橡膠粉技術(shù)指標(biāo)

3 橡膠改性瀝青的應(yīng)用工藝

1)橡膠改性瀝青應(yīng)力吸收層。高溫狀態(tài)下把橡膠改性瀝青灑布在路面上，然后滿鋪單一粒徑的石料，用膠輪壓路機(jī)進(jìn)行嵌擠碾壓使橡膠瀝青被擠壓到石料高度的約3/4位置，石料嵌鎖形成后將構(gòu)成結(jié)構(gòu)性支撐，形成碎石封層模式的路面即為橡膠瀝青應(yīng)力吸收層。主要作用為應(yīng)力吸收、抗反射裂縫、防水及粘結(jié)等［2］。

2)橡膠改性瀝青路面面層。把橡膠改性瀝青注入到瀝青攪拌站，按配合比與碎石、砂粒等混合料拌合，攤鋪、碾壓后形成橡膠改性瀝青路面。適用于開級配抗滑表面和間斷密級配路面。橡膠改性瀝青路面的設(shè)計(jì)、施工，以及施工、檢測設(shè)備和方法與傳統(tǒng)瀝青路面或其他改性瀝青路面基本相同(見圖1)。

4 施工注意事項(xiàng)

橡膠改性瀝青灑布過程中部分膠粉顆粒過大或橡膠瀝青生產(chǎn)時(shí)未能均勻攪拌，使膠粉顆粒聚結(jié)成塊狀無法通過噴嘴噴出，可采取以下措施:使橡膠瀝青制作過程中膠粉顆粒大小相對均勻并攪拌均勻。

應(yīng)力吸收層施工中可能出現(xiàn)料車、攤鋪機(jī)將吸收層粘起現(xiàn)象。可采取以下措施:保證足夠的碎石撒鋪量;在車輪上涂抹柴油潤滑劑;采用大粒徑碎石;橡膠瀝青在較短時(shí)間固化后與石子牢固的粘在一起;保證碎石的清潔度，避免大量粉塵將橡膠瀝青與碎石分隔開來降低粘結(jié)效果、導(dǎo)致碎石脫落。

圖1 橡膠改性瀝青應(yīng)用工藝流程

橡膠瀝青混合料碾壓后可能產(chǎn)生裂縫及壅包現(xiàn)象?？刹扇∫韵麓胧?人工挖除壅包后及時(shí)填補(bǔ)熱混合料并碾壓［4］。

由于橡膠瀝青粘度和使用溫度較高，在路面施工中需注意以下幾點(diǎn):使用橡膠瀝青，路面攤鋪厚度比傳統(tǒng)瀝青約減薄50%;橡膠瀝青混合料中的集料一般采用開級配或間斷級配［5］;橡膠瀝青路面的碾壓宜在高溫下完成，并遵循“高頻、低幅、緊跟、慢壓”的原則。

5 已建橡膠改性瀝青路面設(shè)計(jì)分析

實(shí)例工程為改擴(kuò)建項(xiàng)目，位于山西中部煤礦資源豐富的地區(qū)，載重車較多，受資金因素限制，不能實(shí)現(xiàn)面層加厚的方案，為了延長該段瀝青路面的使用壽命，設(shè)計(jì)采用橡膠改性瀝青應(yīng)力吸收層和橡膠改性瀝青面層。1)橡膠改性瀝青應(yīng)力吸收層采用摻加20%左右的橡膠粉(20 目)，按 1.8 kg/m2～2.2 kg/m2撒布，同時(shí)撒13.2 mm～9.5 mm的單一碎石，按80%撒，以提高基層抗開裂的能力。2)橡膠改性瀝青表面層，下面層在原設(shè)計(jì)AC-25基礎(chǔ)上采用添加抗車轍劑或聚酯纖維方法來提高該層的抗車轍和開裂能力;表面層采用橡膠改性瀝青技術(shù)即采用AC-13(20%橡膠瀝青)代替原設(shè)計(jì)的SBS改性瀝青，以提高瀝青混合料的抗疲勞與耐久性能。橡膠改性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案見表5。

表5 橡膠改性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

6 結(jié)語

工程建成通車后多荷載在50 t以上重載車輛經(jīng)過，經(jīng)過一個(gè)凍融期的使用和檢測，路面無明顯的車轍、坑洞，證明了比原設(shè)計(jì)減薄后的橡膠瀝青混凝土路面能夠達(dá)到預(yù)期使用要求。在北方低溫寒冷地區(qū)推廣橡膠改性瀝青用于公路建設(shè)具有重要意義。

1)能夠解決廢舊輪胎帶來的環(huán)保問題、減薄路面、延緩反射裂縫、減輕行車噪聲、節(jié)約建設(shè)和維護(hù)資金、延長路面使用壽命等。

2)解決我國當(dāng)前面臨的重載交通、早期損壞問題的有效嘗試。在建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的前提下，修建出優(yōu)質(zhì)瀝青路面是一種很好的可選方案。

［1］AASHTO-FHWA-NAPA［S］.Asphalt Study Tour.Washington:AFN，1990.

［2］孫見林，郝培文.廢橡膠粉改性瀝青在路面工程中的應(yīng)用［J］.工程機(jī)械與維修，2006(8):79-81.

［3］陸小平，涂圣武.橡膠粉瀝青混凝土罩面在干線公路病害處治中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2007，12(4):9-12.

［4］張?jiān)獞c.淺談橡膠瀝青混凝土路面施工［J］.北方交通，2008(3):15-17.

［5］李 農(nóng).橡膠瀝青的推廣運(yùn)用［J］.建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2007(9):77-79.

［6］JT/T 798-2011，公路工程廢胎膠粉橡膠瀝青［S］.