橡膠改性瀝青在高速公路中的應用研究

馬亦斌 錢穎穎 李春雷

一方面,汽車保有量快速增長帶來了廢棄輪胎大量堆積引發的環保問題,另一方面,輪胎用橡膠的性能遠遠高于瀝青膠結料的路用技術標準。上述原因加快了橡膠瀝青在交通工程中的應用,符合國家的循環經濟方針。江蘇寧常高速公路(沿江高速公路寧常段)于2007年 9月建成通車,其中常州段近30 km六車道路段的上面層結構形式為4 cm厚橡膠改性瀝青混凝土路面(簡稱ARAC-13),是國內高等級公路大規模應用橡膠改性瀝青路面的典型。本文通過相關的理論研究、施工實踐以及路用性能觀測評價,較為系統的闡述橡膠改性瀝青路面的應用。

1 橡膠瀝青改性機理研究[1]

輪胎橡膠材料性能的高標準,決定了橡膠瀝青的優良路用性能。輪胎橡膠粉與瀝青之間主要是橡膠粉吸收瀝青輕質成分熔脹,物理反應是主要的。研究表明,橡膠粉摻入量一般約為20%,經熔脹后,橡膠的體積比重在30%～40%之間,使得橡膠優異的物理、化學、力學性能能夠在橡膠瀝青中明顯的表現出來。

國內外的研究表明,摻入橡膠能夠明顯的增加瀝青的粘度,從而提高抗高溫變形能力,其改性效果與SBS改性瀝青相當。由于在制作輪胎的配方中,曾加入了大量的防老化劑,包括抗氧劑、碳黑填充劑以及混合料的膠結料膜,都會顯著提高路面的抗老化性能,這是一般高聚物改性瀝青做不到的,其寬廣的彈性溫度工作區間和橡膠瀝青的高橡膠粉體積含量,決定了橡膠瀝青混合料是一種性能突出的柔性路面材料,擁有優異的抗疲勞性能以及作為應力吸收薄膜具備極好的防反射裂縫能力。

2 橡膠瀝青生產工藝研究[2]

2.1 “干法”施工工藝

“干法”為將膠粉直接添加到正在攪拌的拌和樓中,生產膠粉改性瀝青混合料,拌合工藝與常規混合料基本相同,無需專用的設備,但是拌合溫度比普通的拌合溫度要高一些。由于拌合時間較短,橡膠與瀝青之間只能產生較少的反應,這種較少的反應不能使舊輪胎中所含的橡膠烴、紫外線抑制劑、抗氧化劑等改性成分釋放出來,膠粉也難以發生充分的熔脹作用,因此,所生產的混合料性能不及“濕法”橡膠瀝青。目前“干法”生產的瀝青混合料一般攤鋪在路面的中下面層或更低的層位,而較少攤鋪在表面層。

2.2 “濕法”生產工藝

“濕法”工藝應用最為廣泛。目前國外應用的橡膠瀝青大部分是采用“濕法”生產,國內近年來也主要針對這種工藝進行研究。主要包括將橡膠粉添加到較高溫度(176℃～226℃)的基質瀝青中,經過高速剪切后,泵送到反應罐中保持一定的溫度(150℃～218℃),經過一定時間的反應制成(一般為45 min～60 min)。典型的加工流程如圖1所示。

按照膠粉粒徑和橡膠瀝青性能不同,“濕法”又可分為“高粘橡膠瀝青”和“可存儲橡膠瀝青”兩種。

“高粘橡膠瀝青”需要采用較高的橡膠粉用量,一般在15%以上,且采用粒徑較大的膠粉(如20目膠粉),其粘度較高,177℃粘度要求在 1.5 Pa?s以上,因此具有優良的路用性能,是國外應力吸收層中應用最多的橡膠瀝青類型。但是由于膠粉粒徑較大,存儲過程中容易離析,通常需要現場加工使用。

“可存儲橡膠瀝青”采用80目左右較細的橡膠粉,由于橡膠粉很細,能較好的熔融、分散于瀝青中,可存儲一段時間不會發生離析。可像常用的SBS改性瀝青一樣廠拌生產,遠距離運輸施工。這種橡膠瀝青膠粉摻量不高,通常為10%以下,所以粘度較低,177℃粘度一般很難達到1.5 Pa?s,混合料中的瀝青用量不如前者高,混合料的性能也不如前者。

3 橡膠瀝青路面日常生產及施工技術研究[3]

通過日常的生產及施工總結,主要關鍵工序控制有：1)溫度控制：對混合料拌合溫度必須嚴格控制。具體溫度控制要求：橡膠瀝青：185℃～195℃,礦料：185℃,成品料：170℃～180℃左右。每天攤鋪時熨平板溫度確保大于100℃以上才開始攤鋪,到場溫度控制大于170℃,攤鋪溫度大于165℃。2)計量控制：施工嚴格按生產配合比要求執行。隨時關注拌和樓等溢料現象,對逐盤打印記錄進行在線檢查,同時對每天各熱料倉用量、礦粉用量、瀝青用量進行總量校核,發現問題及時進行處理。3)時間及拌合順序控制：拌合總時間65 s左右,其中干拌10 s,濕拌 40 s,拌合順序為：二次篩分熱料倉進料→添加礦粉→添加橡膠瀝青,確保拌和均勻,無花白料和粗細集料離析。

橡膠瀝青由于粘度較大,泵送時間較長,易造成熱料倉等料,導致礦料過熱,進而使得混合料出料溫度偏高,同時還將影響拌和樓混合料產量。應保證生產橡膠瀝青的基質瀝青供給溫度大于160℃,供給拌和樓的橡膠瀝青大于185℃,同時盡量縮短橡膠瀝青供給管道長度,并于供給橡膠瀝青前提前30 min～60 min用導熱油對管道進行預熱,并加強對橡膠瀝青粘度的動態檢測,一般每小時檢測一次,確保粘度穩定。

4 橡膠瀝青路面路用性能觀測評價

寧常高速公路是江蘇省規劃建設的“四縱四橫四聯”中“聯三”的重要組成部分。

1)常規改性路面結構。路面：SMA-13S(4.5 cm)+AC-20S(6.5 cm)+AC-25S(9 cm)+改性乳化瀝青下封層,總厚度20 cm。

2)橡膠改性瀝青混凝土路面結構。路面：橡膠AR-AC13(4 cm)+AC-20S(6 cm)+AC-25S(8 cm)+SAMI(應力吸收層0.5 cm),總厚度 18.5 cm。

對比兩種設計結構,一方面明確橡膠瀝青路面的優良性能可以合理的減薄路面結構;另一方面由于橡膠瀝青混凝土價格相對昂貴,為降低造價,合理的調整路面結構。

從2007年9月底正式通車營運,到目前為止,整個路段尚未出現明顯的裂縫、坑槽等早期破壞現象,隨著車流量的增加以及運營時間的推移,道路材料的長期路用性能有待于進一步的原始數據的積累、分析、評價,今后將通過建立基礎數據庫的方式,跟蹤觀測橡膠瀝青的路用性能,進一步指導橡膠瀝青路面的建設。

5 結語

瀝青改性技術是十分復雜的研究課題,而從廢舊輪胎的回收利用成套技術研究到橡膠改性瀝青路面路用性能的綜合評價,更有很漫長的道路,要使得這項具有深遠環保意義以及能源革新的技術得到更廣泛的應用,達到規模化生產從而降低造價,迅速推廣,依賴于跨學科的科技工作者更為艱苦的技術聯合攻關,也依賴于國家相關政策的扶持,任重而道遠。

[1] 覃 峰,包惠明,董開亮.橡膠粉改性瀝青混合料的路用性能研究[J].施工技術,2007(3)：92-95.

[2] 劉超鋒,楊振如.廢橡膠制取的膠粉在建筑材料中的應用進展[J].路基工程,2006(5)：10-12.

[3] 方新雨,曾 輝.路面改造項目橡膠瀝青施工技術[J].公路,2007(11)：95-99.

[4] 騰康保,趙 松.橡膠粉瀝青混合料的設計與施工控制[J].山西建筑,2008,34(3)：187-188.