橡胶改性沥青在重交通荷载路面上的应用

2012-11-06张光明

山西建筑 2012年33期

张光明

(河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州 450016)

随着高等级公路建设的发展，基于平整性好、行车平稳舒适、噪声低的沥青混凝土路面已成为公路路面的主要形式。但是，在已建成道路的运营中，新的问题接踵而来，由于近年来交通量迅速增长、车辆大型化、超载严重、车辆渠道化等现象的出现，使沥青混凝土路面面临严峻的考验。据山西省近年来对运输车辆的调查分析表明:在某些运煤干线及砂石料运输干线上，东风、解放等载重车单车载重达50 t以上，对路面破坏相当严重。因此，研究提高沥青混凝土路面使用性能的关键技术，即采用改性沥青混合料，已成为我国公路建设的迫切需要。而选择改性剂的品种和剂量是技术性很强的工作，需要根据所在地区的气候条件、交通条件、经济实力、改性沥青制备条件，以及当地沥青路面的主要破坏形式来综合确定采用适合的改性剂。我国JTG F40-2004公路改性沥青路面施工技术规范规定气候区是选择不同改性沥青等级的主要依据。对北方低温寒冷地区，以载重汽车为对象的高速公路、一级公路，尤其是重车比例大、超载车多的干线公路，对抵抗车辙、开裂的要求较高，采用橡胶沥青路面可以很好地延长路面使用寿命。

1 橡胶改性沥青的特性

橡胶改性沥青是先将废旧轮胎加工成为具有一定细度的橡胶粉粒，再按一定的粗细级配比例进行组合，同时添加多种高聚合物改性剂材料，并在高温条件下(180℃以上)充分拌合，其中橡胶组分含量应为全部混合料重量的15%以上，橡胶颗粒膨胀与基质沥青充分熔胀后反应形成改性沥青胶结材料［4］。在2011年以前我国尚无橡胶改性沥青技术标准发布，大多参考美国FHWA(美国联邦公路局)橡胶改性沥青技术标准(SA-002-1992)，见表1［1］。橡胶改性沥青交通行业标准的发布对我国橡胶改性沥青技术的发展与应用具有明确的指导意义(见表2［6］)。

表1 美国FHWA橡胶改性沥青技术标准(SA-002-1992)

1)提高沥青的粘度。粘性是沥青高温稳定性的重要指标，高粘性沥青可以增强抗变形能力、使混合料油膜较厚而不易析漏或泛油，可以很好地提高沥青与碎石的粘结力，在封水性能方面具有良好表现［5］。据相关试验资料表明，同等条件下20%胶粉含量的橡胶改性沥青190℃时的动力粘度与4%SBS含量的改性沥青135℃时的动力粘度值相当，约3 Pa·s;橡胶沥青的软化点较基质沥青提高了约10℃，大于55℃。

表2 橡胶改性沥青技术指标(JT/T 798-2011)

2)改善沥青的低温性能。沥青的低温性能是指低温条件下的脆性和抗裂性。据南非某公司通过试验比较，橡胶改性沥青的弗拉氏脆点比4%SBS改性沥青降低约9℃，为－19℃～－17℃。橡胶沥青良好的低温柔韧性明显降低了温度对沥青路面的影响，在低温寒冷地区，由于胶结材料含量高、弹性好，对于降低路面开裂或修复旧路面反射裂缝，效果较明显。

3)提高抗老化、抗疲劳性能。大量废轮胎胶粉的加入，增加了沥青抗老化、防氧化和热稳定性，轮胎橡胶宽广的弹性温度工作区间和橡胶沥青的高橡胶粉体积含量，使橡胶沥青混合料成为一种性能良好的柔性路面材料，具有优良的抗疲劳和抗反射裂缝能力。对部分采用橡胶改性沥青路面调查显示，同等条件下橡胶改性沥青路面可很好地延长路面使用寿命。

4)提高行车的舒适性和安全性。橡胶改性沥青路面作为一种柔性路面，能较好地缓冲路面局部不平整引起的车辆颠簸，提高轮胎与地面的附着性能，明显缩短车辆制动距离，橡胶中的炭黑成分能够使路面长期保持黑色，与路面标线的对比度高，驾驶员在车辆运行中会感到更加的舒适和安全。

5)降低车辆运行的噪声危害。道路噪声随着公路建设和汽车工业的发展已成为道路周边居民的一大公害，降低车辆运行的噪声已成了人们关心的重要社会问题之一。据分析，橡胶改性沥青的弹性和平整的路面可有效地降低车辆运行的噪声，相当于减少了行车数量或节省一道高的隔音墙，被誉为“消音沥青”。有资料显示，橡胶改性沥青路面上车速为50 km/h～100 km/h时，降低噪声3 dB～8 dB，相当于减少80%的行车量［3］。

6)降低道路建设和养护费用。要对橡胶改性沥青的性能作出综合评价，不仅要关注它的技术可行性，还要看它与其他沥青相比较的使用经济性。根据最近三年的基本材料市场价格:SBS约为22 000元/t，40目(橡胶粉的细度)的废旧橡胶粉约为2 600元/t(40目以下价格更低)，基质沥青约为3 500元/t。常用配合比的1 t 5%SBS含量改性沥青与20%橡胶含量的改性沥青参考价格(未计其他沥青添加剂价格)见表3。通过比较可知:橡胶改性沥青的材料费不仅低于SBS改性沥青1 005元/t，而且低于基质沥青。除填充材料与工艺参数有一定的区别外，等量的橡胶改性沥青与SBS改性沥青加工价格相当。橡胶改性沥青路面的经济性还在于提高了路面的耐久性，或在同等条件下可减少路面铺筑的厚度，从而降低了路面建设和养护费用。

表3 沥青价格对比表

7)节约能源保护环境。废旧轮胎是一种难以自行降解的高分子化工合成材料，自然条件下埋在地下数百年都不会分解，且会污染地下水源。这些“黑色垃圾”无论采用堆放还是采用焚烧的方法处理都将成为新的污染源，污染环境、占用土地资源且容易滋生蚊虫传播疾病。车辆的报废逐年增加，世界上废旧轮胎积存以每年约亿条递增，但是能够得到翻新利用的只占很小一部分。橡胶改性沥青含有大量的废旧轮胎橡胶粉(18%～22%)，可计算出高等级公路中1车道(3.75 m宽)、1 km长的橡胶改性沥青路面可消耗约1 000条废旧轮胎。循环利用这些废轮胎对我国经济社会的可持续发展、缓解环境和资源匮乏带来的压力起到积极的作用。

2 橡胶沥青的制作工艺

橡胶沥青制作方法一般分为干法和湿法。加工流程主要有以下步骤:基质沥青、废旧橡胶粉等原材料的添加和预混，橡胶沥青的反应过程及质量监控［6］。干法是将沥青混合料总量2%～3%的橡胶粉喷在搅拌的热沥青拌合锅中，搅拌约20 min即成为橡胶粉改性沥青混合料。干法制成的橡胶改性沥青适用于摊铺路面的底层或者中层，不适宜摊铺面层。湿法是将精细橡胶粉、活化胶粉或脱硫胶粉按配方剂混合材料(一般为沥青质量的10%～20%)投入到180℃～200℃的基质沥青中，在搅拌沥青时缓慢添加橡胶粉，搅拌后再进入胶体磨或高速剪切乳化机中加工处理，达到规定的标准，即可制成高性能的橡胶改性沥青［2］。制作过程中橡胶粉用量、搅拌时间、沥青温度随基质沥青和橡胶粉性质不同而有很大区别。改性沥青的性能与橡胶粉的粒径关系密切，粒径越小分布越均匀，其改性沥青性能越优良，且不易离析。橡胶改性沥青的原料及其配合比一般经过实验室配置、试验并通过现场使用进行调整后确定，目前我国仅有地方性行业技术指南发布，如北京市废轮胎胶粉沥青混合料设计施工技术指南，为便于当前推广橡胶沥青并为形成国内规范积累经验，可参考国内地方行业标准和国外的路用橡胶粉技术指标(见表4)。试验依据可综合借鉴国内外橡胶改性沥青技术标准。

表4 国内外路用橡胶粉技术指标

3 橡胶改性沥青的应用工艺

1)橡胶改性沥青应力吸收层。高温状态下把橡胶改性沥青洒布在路面上，然后满铺单一粒径的石料，用胶轮压路机进行嵌挤碾压使橡胶沥青被挤压到石料高度的约3/4位置，石料嵌锁形成后将构成结构性支撑，形成碎石封层模式的路面即为橡胶沥青应力吸收层。主要作用为应力吸收、抗反射裂缝、防水及粘结等［2］。

2)橡胶改性沥青路面面层。把橡胶改性沥青注入到沥青搅拌站，按配合比与碎石、砂粒等混合料拌合，摊铺、碾压后形成橡胶改性沥青路面。适用于开级配抗滑表面和间断密级配路面。橡胶改性沥青路面的设计、施工，以及施工、检测设备和方法与传统沥青路面或其他改性沥青路面基本相同(见图1)。

4 施工注意事项

橡胶改性沥青洒布过程中部分胶粉颗粒过大或橡胶沥青生产时未能均匀搅拌，使胶粉颗粒聚结成块状无法通过喷嘴喷出，可采取以下措施:使橡胶沥青制作过程中胶粉颗粒大小相对均匀并搅拌均匀。

应力吸收层施工中可能出现料车、摊铺机将吸收层粘起现象。可采取以下措施:保证足够的碎石撒铺量;在车轮上涂抹柴油润滑剂;采用大粒径碎石;橡胶沥青在较短时间固化后与石子牢固的粘在一起;保证碎石的清洁度，避免大量粉尘将橡胶沥青与碎石分隔开来降低粘结效果、导致碎石脱落。

图1 橡胶改性沥青应用工艺流程

橡胶沥青混合料碾压后可能产生裂缝及壅包现象。可采取以下措施:人工挖除壅包后及时填补热混合料并碾压［4］。

由于橡胶沥青粘度和使用温度较高，在路面施工中需注意以下几点:使用橡胶沥青，路面摊铺厚度比传统沥青约减薄50%;橡胶沥青混合料中的集料一般采用开级配或间断级配［5］;橡胶沥青路面的碾压宜在高温下完成，并遵循“高频、低幅、紧跟、慢压”的原则。

5 已建橡胶改性沥青路面设计分析

实例工程为改扩建项目，位于山西中部煤矿资源丰富的地区，载重车较多，受资金因素限制，不能实现面层加厚的方案，为了延长该段沥青路面的使用寿命，设计采用橡胶改性沥青应力吸收层和橡胶改性沥青面层。1)橡胶改性沥青应力吸收层采用掺加20%左右的橡胶粉(20 目)，按 1.8 kg/m2～2.2 kg/m2撒布，同时撒13.2 mm～9.5 mm的单一碎石，按80%撒，以提高基层抗开裂的能力。2)橡胶改性沥青表面层，下面层在原设计AC-25基础上采用添加抗车辙剂或聚酯纤维方法来提高该层的抗车辙和开裂能力;表面层采用橡胶改性沥青技术即采用AC-13(20%橡胶沥青)代替原设计的SBS改性沥青，以提高沥青混合料的抗疲劳与耐久性能。橡胶改性沥青路面结构设计方案见表5。