橡膠瀝青混凝土路面在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀

曹艷霞 謝天賜

（湖南交通工程學(xué)院交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 衡陽 421000）

汽車保有量的逐年增加導(dǎo)致了大量廢舊輪胎的積累，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的“黑色污染”和資源浪費(fèi)。中國現(xiàn)在是世界上最大的廢舊橡膠輪胎產(chǎn)生大國。由于橡膠和瀝青均屬于有機(jī)材料，具有高度親和性，將舊輪胎研磨成橡膠粉以制作道路用橡膠瀝青，是處理大量舊輪胎的最有效方法之一。橡膠瀝青是將橡膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青在180 ℃以上的高溫下充分?jǐn)嚢杌旌?，形成二者完全溶解的改性瀝青黏結(jié)材料，主要用于道路結(jié)構(gòu)的面層或應(yīng)力吸收層。而穩(wěn)定型橡膠瀝青改善了傳統(tǒng)橡膠瀝青的儲存穩(wěn)定性和抗離析性。

1 橡膠瀝青改性機(jī)理研究

橡膠粉的化學(xué)成分十分復(fù)雜。在高溫下，橡膠粉的組成成分會與瀝青發(fā)生一系列反應(yīng)，改變原本瀝青的性能。通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，目前關(guān)于橡膠瀝青的改性機(jī)理，主要有以下3種觀點(diǎn)。

1.1 物理共混說

當(dāng)橡膠粉加入瀝青中時，橡膠粉吸收瀝青中的輕質(zhì)成分（如石蠟、飽和分等）后會引起膨脹和溶解作用，其反應(yīng)不是化學(xué)反應(yīng)，而是物理反應(yīng)。在物理反應(yīng)后，瀝青的性質(zhì)會發(fā)生變化，原瀝青基體中4種成分的比例有所改變，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的比例相對增加，而橡膠粉的體積膨脹增大，橡膠粉顆粒在瀝青中的平均間距減小，導(dǎo)致瀝青的黏度明顯增加。另外，橡膠成分在一定程度上溶解于瀝青，從而增加了瀝青的黏度，改善瀝青的黏彈性能。然而，橡膠粉和瀝青之間的相容性并不完美，橡膠瀝青在高溫下長期儲存會出現(xiàn)結(jié)塊和離析等現(xiàn)象，而且相容性與原材料的性質(zhì)和制備過程有很大關(guān)系[1]。一些學(xué)者認(rèn)為，在理想狀態(tài)下，橡膠粉和瀝青是一個連續(xù)穩(wěn)定的兩相系統(tǒng)，該系統(tǒng)在宏觀上是均勻的，在微觀上是精細(xì)的分布。

1.2 化學(xué)共混說

通過紅外光譜試驗(yàn)證實(shí)，橡膠瀝青在制備過程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)橡膠的C-S鍵斷裂（脫硫）時，橡膠變得更加黏稠，彈性降低；當(dāng)C-C鍵斷裂（降解）時，橡膠的分子鏈斷裂，其分子量降低。決定橡膠瀝青是以溶脹占主導(dǎo)地位的物理反應(yīng)還是以脫硫和降解占主導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)，最主要的因素是溫度。試驗(yàn)表明，當(dāng)制備溫度低于150 ℃時，預(yù)計(jì)橡膠瀝青中根本不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；在150～200 ℃之間，化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度隨著制備溫度的升高而增加，超過200 ℃，化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度急劇增加。

1.3 網(wǎng)絡(luò)填充說

當(dāng)橡膠粉完全溶脹時，其體積會膨脹3～5倍，占膠結(jié)料總體積的30%～40%。橡膠粉摻量的多少使得橡膠粉在瀝青中形成不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。當(dāng)橡膠粉的摻量較少時，膨脹的橡膠粉會懸浮在瀝青中，而不是連續(xù)的顆粒；當(dāng)橡膠粉的摻量增加到一定程度時，溶脹后的膠粉在瀝青中能夠相互搭接形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；進(jìn)一步增加橡膠粉的摻量，瀝青中溶脹后的膠粉顆粒彼此連接接觸，形成半固態(tài)的連續(xù)結(jié)構(gòu)，使得瀝青不能自由運(yùn)動。溶脹是橡膠瀝青改性的重要環(huán)節(jié)，而瀝青中橡膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分散程度不同的這種現(xiàn)象也會使瀝青的性能指標(biāo)發(fā)生不同程度的變化。

2 橡膠瀝青路面的優(yōu)點(diǎn)

2.1 良好的路用性能

通過在瀝青中加入橡膠粉，瀝青的黏度會得到極大的改善，在高溫下的抗變形能力會有顯著的提高，抗變形能力的提高可提供防水性能。橡膠瀝青具有較高的低溫回彈力和良好的黏性韌性，這使得它不容易出現(xiàn)低溫開裂，尤其是在高寒地區(qū)，在舊路修復(fù)中能有效減少路面開裂和反射裂縫。橡膠瀝青對太陽的紅外線和紫外線也不太敏感，這使其成為一種出色的抗老化材料。

2.2 提高行車安全性

舊輪胎含有炭黑，可使橡膠瀝青路面更加黝黑，增加與道路標(biāo)記的對比度，從而提高司機(jī)在夜間駕駛的能見度。同時，橡膠瀝青路面采用骨架密實(shí)間斷結(jié)構(gòu)，可長期保持良好的抗滑性能，并且在高寒地區(qū)橡膠瀝青路面能有效改善積雪結(jié)冰問題，提高行車的安全性。

2.3 良好的經(jīng)濟(jì)效益

路面壽命周期內(nèi)的費(fèi)用主要包括管理部門費(fèi)用，如設(shè)計(jì)、施工、改造和維護(hù)費(fèi)用；用戶費(fèi)用，如車輛運(yùn)行費(fèi)用、延誤費(fèi)、行程時間費(fèi)和事故費(fèi)用。因此要評價(jià)橡膠瀝青路面與普通瀝青路面、SBS改性瀝青路面的最終經(jīng)濟(jì)效益，需要用現(xiàn)值表示不同時間發(fā)生的費(fèi)用，才能對各個方案做出合理的經(jīng)濟(jì)比較。相比之下，對于修建24 m寬（6車道）、4 cm厚表層的瀝青混凝土路面，與橡膠瀝青相比，普通瀝青的每公里費(fèi)用至少多44萬元，SBS改性瀝青的每公里費(fèi)用至少多24萬元[2]。另外，在同等的交通路面狀況、交通量和使用壽命下，橡膠瀝青路面與其他瀝青路面相比較，可降低約1/3的厚度，對應(yīng)可降低造價(jià)18.8%，并大大地縮短施工工期。因此，橡膠瀝青具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 有效降低噪音

據(jù)統(tǒng)計(jì)，5 cm厚的橡膠瀝青路面所產(chǎn)生的噪音與10 cm厚的普通瀝青路面相同，尤其是當(dāng)車輛在高速公路上以60～100km/h的速度行駛時，與傳統(tǒng)公路相比，橡膠瀝青路面噪音能夠有效降低3～8dB[3]。相當(dāng)于道路上的交通量減半，或者車速降低25%，大幅降低的噪音能有效改善城市環(huán)境。

2.5 減少“黑色污染”，推進(jìn)資源集約利用

生產(chǎn)橡膠瀝青可以消耗大量的廢舊橡膠輪胎，可有效減少“黑色污染”，緩解了廢舊輪胎帶來的環(huán)保問題。另外，橡膠瀝青在瀝青混合料再生技術(shù)中的應(yīng)用，提高了廢棄瀝青混合料的利用率，避免了廢舊料的堆積，能有效推進(jìn)資源集約利用。

3 橡膠瀝青路面的應(yīng)用

國際上關(guān)于橡膠瀝青的第一份文獻(xiàn)是1843年在英國授予的專利。20世紀(jì)40年代，美國成功地生產(chǎn)了橡膠瀝青混合料，1988年，在亞利桑那州的一個實(shí)際項(xiàng)目中使用具有間斷級配的橡膠瀝青混合料，標(biāo)志著橡膠瀝青技術(shù)的全面成熟[4]。到1998年底，美國已經(jīng)鋪設(shè)的橡膠瀝青路面已超過11 000km。此外，其他國家如加拿大、法國、澳大利亞、芬蘭等也已經(jīng)成功地將橡膠瀝青用于高速公路和高等級道路的建設(shè)。

國內(nèi)關(guān)于橡膠瀝青起步于20世紀(jì)80年代，2000年后橡膠瀝青為快速發(fā)展階段，最具代表性的是在2001年交通部立項(xiàng)開展的“廢舊橡膠粉用于筑路的技術(shù)研究”中，首次全面分析了橡膠瀝青路面的前景和性能應(yīng)用。此后，國內(nèi)學(xué)者開始對橡膠瀝青混合料進(jìn)行研究，同時，一些省、市和行業(yè)部門發(fā)布了關(guān)于橡膠瀝青設(shè)計(jì)和施工的法規(guī)和技術(shù)指南。目前，國內(nèi)對橡膠瀝青的研究和應(yīng)用主要集中在以下3個方面。

3.1 鋪筑新建高速公路

新建高速公路中，橡膠瀝青可作為應(yīng)力吸收層材料、罩面材料、開級配表層材料等，從實(shí)際效果來看，橡膠瀝青能夠減少反射裂縫，提高道路的抗疲勞等性能，并且能夠延長道路使用壽命。

1982年至1986年間，對江西和四川省的橡膠瀝青路面進(jìn)行了測試，經(jīng)過10多年的密集使用，橡膠瀝青取得了良好的效果，如光反射和路面開裂減少、提高了路面的高溫穩(wěn)定性等。

在2003年10月開始施工的寧昌高速公路上，采用了ARAC20橡膠瀝青混合料作為路面結(jié)構(gòu)的上面層，以提高路面的抗疲勞和抗裂性。實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果表明，AR-AC20瀝青的疲勞壽命比同等級的SBS改性瀝青長5倍，表明其抗疲勞性能優(yōu)越。此外，橡膠瀝青路面還具有比普通瀝青混凝土路面噪音小的優(yōu)點(diǎn)[5]。

2015年10月底，連接蘭州新區(qū)與老城區(qū)的蘭秦快速路全線通車，該路段選用ARAC-13作為表面層混合料。由于橡膠瀝青路面優(yōu)良的冬季柔性、抗高溫變形能力、抗老化性和低噪音性能，而蘭州冬季寒冷，夏季炎熱，紫外線強(qiáng)烈，重型車輛比例高，需要安靜的生活環(huán)境，因此該橡膠瀝青路面是蘭州新區(qū)理想的選擇。

此外，河北省頒布了省級標(biāo)準(zhǔn)DB13/T 1013—2009《廢輪胎橡膠瀝青及混合料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和DB13/T 2780—2018《穩(wěn)定型廢輪胎橡膠改性瀝青技術(shù)要求》，建立了瀝青及混合料的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系已被應(yīng)用于邢汾高速（2013年）京港澳高速（2014年）京港澳高速公路京石段（2014年）、保滄高速（2015年）張承高速（2016年）邢臺外環(huán)西線（2017年）曲港高速（2018年）等項(xiàng)目。鋪設(shè)的里程數(shù)已經(jīng)超過1 000km。通過后續(xù)觀察表明了這一應(yīng)用的有效性。通過研究和實(shí)際應(yīng)用，河北在橡膠改性瀝青混凝土的設(shè)計(jì)和施工方面已經(jīng)有了成熟的技術(shù)[6]。

3.2 路面改造維修工程

2013年7—8月，京臺高速公路曲阜段養(yǎng)護(hù)維修工程中，將單層鋪筑厚度為4 cm的SMA-13穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料用于東幅樁號 K528+200—K522+100 施工段落的表面瀝青層施工。自建設(shè)和運(yùn)營結(jié)束以來道路狀況良好，沒有病害，證明了穩(wěn)定型橡膠改性瀝青和瀝青混合料的良好道路性能。此外，與常用的改性瀝青相比，使用穩(wěn)定型橡膠改性瀝青可以節(jié)省10%的材料成本[7]。

在常州常武路改造工程中，考慮到該路段的交通特點(diǎn)、施工、成本和環(huán)保等因素，最終決定采用SAMI+8 cm Sup20+4 cm AR-AC13（夾層—中、下面層—上面層）。從使用情況看，常武路路面整體抗滑性能、路面車轍系數(shù)、摩擦系數(shù)均優(yōu)良，而且路面沒有出現(xiàn)泛油病害，這證明ARAC13橡膠瀝青能有效地適應(yīng)于水泥路面的修復(fù)工程[8]。

S309省道江拔線新昌段路面大中修工程K60+300 —K62+562 段病害處治后加鋪 5 cmAC-16 瀝青砼+4 cmAR-13C橡膠瀝青砼，這是橡膠瀝青施工技術(shù)首次應(yīng)用于紹興的路面修復(fù)項(xiàng)目。該項(xiàng)目實(shí)時降低路面噪音1/3、每公里省道節(jié)約中修經(jīng)費(fèi)近30萬元，還大大提高了車輛行駛的安全性和舒適性。經(jīng)過浙江省交通科學(xué)研究院和新昌縣公路段近2年時間的實(shí)踐論證，橡膠瀝青路面技術(shù)向我們展示出其未來非凡的應(yīng)用前景[9]。

鹽靖高速公路試驗(yàn)段在原路面上面層銑刨4 cm后，回填4 cm PAC-13 高膠高黏改性橡膠瀝青混合料。根據(jù)鹽靖高速公路瀝青排水瀝青路面開通后的現(xiàn)場勘察數(shù)據(jù)以及開通6個月后的數(shù)據(jù)，排水路面鋪筑后的路面外觀良好，路面平整度、透水性、抗滑性等指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求[10]。

3.3 廠拌熱再生

到2020年底，中國的公路總里程已達(dá)到519.81萬km，其中16.1萬km為高速公路，已建成的高速公路中，瀝青路面覆蓋率超過90%。由于不斷增長的交通量、重載超載、復(fù)雜自然環(huán)境、施工控制不當(dāng)?shù)纫蛩鼐C合影響，一些瀝青路面，特別是交通量大的路面，在達(dá)到設(shè)計(jì)壽命之前就已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的損壞，進(jìn)入了大保養(yǎng)和維修階段，產(chǎn)生了大量的廢舊瀝青混合料。

瀝青路面回收料(RAP)的循環(huán)再生利用是發(fā)展環(huán)境友好型交通和促進(jìn)資源集約利用的最重要舉措之一。瀝青路面廠拌熱再生技術(shù)，是根據(jù)再生路面的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)再生舊料預(yù)處理后的技術(shù)特點(diǎn)，按照瀝青混合料的合成級配和新礦物的數(shù)量，將一定比例的瀝青和添加劑加入再生瀝青混合料中熱拌、攤鋪和碾壓的再生瀝青路面技術(shù)。傳統(tǒng)的熱再生瀝青路面的長期性能較差，聚合物改性劑的使用影響了熱再生技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，限制了該技術(shù)的廣泛采用。因此國內(nèi)外學(xué)者專家對橡膠瀝青與再生技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用進(jìn)行研究，以獲得更為優(yōu)異的再生瀝青混合料性能。但目前此研究較少，大多數(shù)是針對橡膠瀝青再生混合料的生產(chǎn)工藝以及優(yōu)化其路用性能方面。

東南大學(xué)的董楨從穩(wěn)定型橡膠瀝青及其再生瀝青微觀結(jié)構(gòu)分析、復(fù)合再生瀝青膠結(jié)料性能、混合料配合比設(shè)計(jì)及性能研究等方面，對穩(wěn)定型橡膠瀝青與熱再生技術(shù)復(fù)合應(yīng)用進(jìn)行全面研究[11]；程其瑜通過實(shí)驗(yàn)對30%～ 50% RAP摻量的再生混合料材料組成設(shè)計(jì)，分析了3種典型級配在不同油石比下RAP摻量對再生瀝青混合料馬歇爾指標(biāo)的影響規(guī)律，得出RAP 摻量比油石比對馬歇爾指標(biāo)的影響程度更大，4.8%油石比為最佳油石比[12]；另外，該學(xué)者還研究得出：穩(wěn)定型橡膠瀝青與 SBS 改性瀝青在針入度、軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)率等指標(biāo)方面接近，RAP摻量低于50%時，穩(wěn)定型橡膠瀝青再生混合料的各項(xiàng)路用性能如高溫、低溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，但隨著RAP摻量的提高，其動態(tài)模量、抗車轍能力、抗水損能力提高，但低溫穩(wěn)定性及抗裂性能有所下降[13]。

4 橡膠瀝青路面施工要點(diǎn)

（1）橡膠粉作為原材料之一，對其質(zhì)量特別是橡膠粉的細(xì)度應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

（2）在生產(chǎn)橡膠瀝青時，應(yīng)將反應(yīng)溫度控制在190～218 ℃，保證橡膠瀝青的攪拌時間不少于45 min，并連續(xù)測量橡膠瀝青的粘度指數(shù)。一旦橡膠瀝青的生產(chǎn)完成，儲罐中的溫度應(yīng)調(diào)節(jié)在190～218 ℃[14]。

（3）通過試驗(yàn)方法來確定橡膠瀝青混凝土級配的油石比，拌和橡膠瀝青混合料溫度通?？刂圃?70～185 ℃，不允許溫度超過195 ℃。攪拌時間可以通過試拌來確定，一般情況干拌時間需要大于15 s，濕拌時間需要大于45 s，以確保瀝青混合料的均勻混合。

（4）一般情況下橡膠瀝青的加工時間是在施工前的1～2 h，并且在加工完畢后，要對其黏度進(jìn)行檢測。加工出的橡膠瀝青的使用期限也需少于4 h。

（5）在運(yùn)輸橡膠瀝青混合料時，溫度通?？刂圃?65 ℃，在炎熱天氣下短途運(yùn)輸時可降至150 ℃，在寒冷天氣下長途運(yùn)輸時升至175 ℃。

（6）在正式鋪設(shè)瀝青路面之前，需要鋪設(shè)200 m以上的試驗(yàn)段，以測試實(shí)際生產(chǎn)配合比和輔助工藝、人員和機(jī)械配備的合理化。

（7）攤鋪?zhàn)鳂I(yè)時速度控制在1～3 min/m，兩臺攤鋪機(jī)距離控制在10 m左右，以形成良好的熱接縫。

（8）壓實(shí)作業(yè)包括初壓、復(fù)壓和終壓。橡膠瀝青混凝土通常是利用鋼輪壓路機(jī)緊跟隨攤鋪機(jī)進(jìn)行振動碾壓。初壓需要較高的溫度，必須在攤鋪后趁著高溫及時進(jìn)行。初壓溫度宜控制為155～165 ℃，復(fù)壓溫度為135～145 ℃，終壓溫度為90～100 ℃，橡膠瀝青混合料的溫度一旦下降，便很難碾壓。終壓后確保壓實(shí)度96%及以上，12 h內(nèi)不允許車輛通行。

5 結(jié)語

橡膠瀝青路面具有節(jié)能環(huán)保、性能優(yōu)異、施工簡便等優(yōu)點(diǎn)，在道路建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。通過國內(nèi)工程實(shí)例，橡膠瀝青路面無論是在新建高速公路面層鋪筑還是路面改造維修工程中，均具有良好的應(yīng)用前景，但目前橡膠瀝青應(yīng)用于廠拌熱再生技術(shù)中，還僅僅停留在理論、實(shí)驗(yàn)研究階段，需要國內(nèi)更多的學(xué)者投入對橡膠瀝青的研究。