橡膠瀝青在道路中的應用概況

譚大龍

(湖南省常德市臨澧公路局,湖南臨澧 415200)

隨著我國汽車行業的飛速發展,上個世紀90年代,每年報廢輪胎8 000萬條,廢膠達100萬t;2005年以后,廢膠達到200萬t,如何有效利用這些廢膠粉是擺在我們面前的迫切任務。將廢膠粉制成橡膠瀝青是變廢為寶的重要途徑,目前,橡膠瀝青在道路行業應用非常廣泛,如利用橡膠瀝青的高粘性的AK,SMA和OGFC等路面,利用其優異的防水性的應力吸收防水層,同步碎石封層等等,將橡膠瀝青應用到普通的AC型混合料,對其高溫、低溫性能均有顯著提高。

橡膠瀝青混合料最早出現在上世紀40年代的美國,從上個世紀70年代以來,美國、英國、法國、日本和南非等國家先后開展了橡膠瀝青和橡膠粉瀝青混合料的應用研究。國際上橡膠粉瀝青混合料在上世紀60年代主要研究橡膠瀝青在應力吸收層中的應用;到70年代,擴展到應力吸收中間層;70年代中期,應用的重點轉移到開級配瀝青混合料中,70年代末期,開始了在連續級配中應用橡膠瀝青的嘗試;到目前為止,研究的重點為在斷級配中的使用橡膠瀝青。

1 生產工藝

目前橡膠瀝青的生產工藝主要為2種:干法和濕法。所謂干法,即將橡膠粉末、集料、瀝青同時投入拌合樓的拌缸中攪拌,此時,橡膠粉在混合料中僅僅起到填隙的作用,未與瀝青發生復雜的溶脹反應,因此這種橡膠瀝青混合料的粘結料未能發生化學改性,性能改變較少。濕法即首先將橡膠粉末投入到瀝青中攪拌,充分使其在瀝青中發育、溶脹,此時的膠結料除了物理改性,還存在一定的化學改性,因此生產的橡膠瀝青具有高粘、高彈的特性,較大地改善了混合料高溫、低溫性能。

在濕法中橡膠粉末加入到瀝青中,發生了復雜的物理化學反應,這種共混現象叫做溶脹,首先在攪拌的作用下,不斷吸收基質瀝青中的輕油組分,是橡膠顆粒的體積發生物理膨脹,基質瀝青中的輕油組分含量降低,瀝青粘度提高;其次,在高溫的持續作用下,橡膠顆粒中的硫等化學物質進入到基質瀝青,改善基質瀝青的低溫性能和高溫性能;最后,浸入到橡膠顆粒的油分與橡膠發生復雜的化學反應,形成凝膠,包裹住橡膠顆粒,使橡膠瀝青形成復雜的固液兩相結構,富有彈性和抗老化性能的固體橡膠顆粒通過凝膠和液態的基質瀝青相連,使橡膠瀝青同時具備了瀝青和固體橡膠的性能。橡膠顆粒在基質瀝青中發生的這種改性作用并不一定全部都有利于改善路用性能,當過度反應時,路用性能回發生衰退,這是由于:當橡膠瀝青達到了高粘彈性、優良的高低溫性能及抗老化性能后,橡膠顆粒繼續物質交換和溶脹反應,在高溫狀態下,固相成份逐漸減少,而液相成份繼續增加,因此整體趨向液相。

2 橡膠粉瀝青性能指標及影響因素

影響橡膠瀝青的物理性能主要因素為橡膠粉的來源,基質瀝青的性質,橡膠粉的濃度及尺寸、形態,生產過程中的溫度、剪切速度、剪切時間等因素。

通常通過傳統的針入度、軟化點、延度、粘度及彈性恢復等指標來反映橡膠瀝青的物理性能,也可采用勁度、蠕變模量、車轍因子、疲勞因子等較復雜的粘彈性指標來反映。通常要求粘度為177℃時1.5～4 Pa?s;25℃針入度大于25(0.1mm);軟化點大于54;25℃彈性恢復大于60%[1]。

在制備橡膠瀝青時,針入度隨攪拌溫度增加逐漸增加,隨攪拌時間的增加存在大體增加的趨勢;粘度隨攪拌溫度增加而增加,隨攪拌時間存在峰值;軟化點隨攪拌溫度存在峰值,先增加后減少,隨攪拌時間也存在峰值;存在最佳的攪拌時間和溫度;延度隨攪拌溫度和時間增加而增加,15℃延度值一般較小,但從延度儀的測力計看,其數值是普通瀝青的數倍。考慮到瀝青老化的因素,拌合溫度一般為185℃。

隨橡膠顆粒的摻量增加,橡膠瀝青的物理指標首先經過大幅改良后,性能改善曲線趨于平緩,拐點在15%左右,一般橡膠瀝青的摻量在20%。

橡膠顆粒的大小影響橡膠瀝青的物理指標以及制備時間,顆粒越小,比表面積越大,溶脹的速度越快,瀝青越軟。

3 橡膠瀝青的應用

3.1 應力吸收層

從半剛性路面的反射裂縫機理可以分析出,橡膠瀝青應力吸收層的主要作用用于傳遞來自上層瀝青混合料的輪載應力,將基層裂縫處引起的位移突變、應力集中消散在吸收層,同時,防止水分從裂縫處進入基層,因此橡膠瀝青應力吸收層要具備傳遞荷載的能力、應力吸收的能力以及防水能力。通常橡膠應力吸收層是由單粒徑嵌鎖集料及高粘橡膠瀝青組成,考慮到夏季高溫時,橡膠瀝青的熱膨脹影響,一般首先撒布橡膠瀝青,在其上撒布單粒徑碎石,撒布的標準為當層鋪滿,集料與基層構成點接觸,充分碾壓,碾壓時,壓路機緊跟攤鋪機,避免橡膠瀝青溫度降低,使橡膠瀝青填充石料高度的4/5,剩余的1/5是預防夏季高溫,橡膠瀝青膨脹的空間,碾壓結束后,清掃浮動的集料顆粒,局部瀝青未噴灑到位時,人工進行涂刷。

另外,需要注意的是,對原基層裂縫進行灌縫處理時,應清理裂縫中的雜物,改善裂縫處的橡膠瀝青粘結效果,提高防水效果,灌縫的瀝青用量要避免將來泛油;瀝青撒布前應清掃路面浮塵,改善橡膠瀝青與路基的粘結效果;填補坑洞,消除軟弱部位;瀝青和碎石撒布一定要保證均勻,如果撒布不均勻,施工后要必須處理,避免將來路面出現泛油或坑槽。

3.2 抗滑表層

區別于普通瀝青混合料,橡膠瀝青混合料的混合料設計特征可以概括為4點:一是采用斷級配,一般在2.36～4.75 mm,增加礦料的間隙,容納更多的橡膠瀝青;二是礦粉用料少,以減少施工難度;三是拌合的溫度較高;四是瀝青用量大,一般上面層為7%～8%。

從大量研究資料及國外實際應用看,橡膠瀝青混合料路用性能具有3個主要的優點,一是大幅改善高溫性能,有些國家將橡膠瀝青作為改善重載交通的有效途徑;二是優異的低溫性能,通過良好的低溫粘彈性吸收溫度應力,抵抗低溫收縮變形;三是遠勝于普通瀝青混合料的疲勞性能,橡膠瀝青混合料優良的疲勞性能來源于橡膠瀝青自身的抗老化性、優良的粘彈性,橡膠瀝青混合料的厚瀝青膜。

在國內的應用看,橡膠瀝青多用于抗滑表層,如粗型的AC、SMA及OGFC。傳統的抗滑表層,由于強調大的構造深度,要求級配較粗,或采用斷級配實現路表面的粗集料突起,但往往造成表面層孔隙率較大,滲水嚴重,并且過粗的級配特征,導致集料抵抗車輛的沖擊荷載的能力差,而橡膠瀝青能夠有效克服這些缺點,橡膠瀝青混合料的瀝青膜非常厚,提供優異的抗疲勞性能,阻擋路面水分浸入,并且高粘性,保證了集料與瀝青的粘附,橡膠顆粒在集料顆粒之間擔任抵抗沖擊荷載的緩沖。

利用橡膠瀝青作粘結料的OGFC(AR—OGFC),混合料級配主要特征為:2.36 mm通過率一般小于10%,4.75mm通過率在20%附近,礦粉一般在2%以下,允許不添加礦粉;瀝青用量一般通過析漏試驗和飛散試驗確定,前者確定上限,后者確定下限,通過兩者與瀝青含量的變化曲線進行優化,另外,國外有些州,如亞利桑那州采用經驗公式預估[2],瀝青含量一般在8%～9%區間;空隙率一般為20%～25%,礦料間隙率一般為35%左右。穩定度較低,動穩定度一般1 300左右。

AR—SMA混合料,級配與普通瀝青SMA略有區別,在設計時對級配進行微調以容納高橡膠瀝青,并充分考慮到碾壓是橡膠顆粒的彈性,對級配略做調整,值得一提的是,設計空隙率較普通瀝青SMA大一些,一般最佳空隙率在5%,估計是考慮到高瀝青含量,在高溫時瀝青的體積膨脹的因素,AR—SMA的最佳瀝青含量一般在7.5%～8.5%區間,礦粉的添加量適當地減少了,減少的幅度約為2%[3]。

AR—AC混合料應用較少,或者說仍不成熟,用橡膠瀝青作為AC類的粘結料難度較大,一般是借鑒斷級配的思想,大幅削減2.36mm以下集料,同時降低4.75mm篩孔的通過率,保證混合料中有足夠的粗集料形成骨架體系,而橡膠瀝青與細集料形成的膠砂填充、甚至包裹這些骨架,設計空隙率往往達到5.5%,瀝青用量約為8%[4]。橡膠粉瀝青AC類混合料仍需工程實踐檢驗。

3.3 半柔性路面

將橡膠瀝青應用到半柔性路面中,一般有2個途徑;一是在制拌母體混合料時,將橡膠瀝青作為粘結劑,另外,可將橡膠粉投入到貫入砂漿中;前者改善母體混合料顆粒之間的粘結狀況,改善母體混合料與砂漿的接觸狀況;后者改善砂漿的柔韌性,提高耐久性。半柔性路面在我國應用較少,但從國外看,這是一種很有前途的材料,具備很好的高溫性能,較高的模量,疲勞性能和低溫性能還有待研究或工程實踐檢驗,目前國內已有一些學者對其路用性能、材料設計、結構設計、施工特性等進行了研究[5]。

3.4 其他類型的應用

針對橡膠瀝青混合料拌合時需要較高的溫度,對成本、大氣污染、施工人員、混合料老化性能均有不利影響,因此通過溫拌技術措施,降低拌合時的橡膠瀝青粘度,降低拌合溫度,具有明顯的技術經濟優勢,因此,此類溫拌橡膠瀝青混合料應用前景非常好。

乳化橡膠瀝青是對橡膠瀝青的有利擴展,將應用的層次從面層材料推廣到了基層,或者說為冷再生這一在將來主要的筑路技術提供了一種高性能、環保的粘結劑,增加了冷再生工程的適用范圍。

4 結論

橡膠瀝青及橡膠瀝青混合料具有環保、降噪、延長路面使用壽命的技術經濟優勢,目前作為防水應力吸收層材料已經成熟,作為SMA,OGFC等抗滑表層也具有非常明顯的技術優勢,另外,在新材料開發中陸續顯示出橡膠瀝青高粘彈性的優點,在我國新一輪的道路建設中將會占有重要地位。

[1]孫祖望,陳 飆.橡膠瀝青應用技術指南[M].北京:人民交通出版社,2007.

[2]Arizona Department of Transportation of America.Standard specifications for road and bridge construction[S].2000.

[3]武立超.橡膠瀝青在SMA中的應用[D].重慶交通大學,2009.

[4]宋 毅,王端宜.橡膠瀝青在高速公路罩面工程中的應用[J].施工機械與施工技術,2009(12):51-55.

[5]凌天清,董營營,夏 偉,等.橡膠瀝青灌入式半柔性路面的應用研究[J].公路,2009(2):61-66.