橡膠瀝青在道路中的應(yīng)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(guó)汽車(chē)行業(yè)的飛速發(fā)展,上個(gè)世紀(jì)90年代,每年報(bào)廢輪胎8 000萬(wàn)條,廢膠達(dá)100萬(wàn)t;2005年以后,廢膠達(dá)到200萬(wàn)t,如何有效利用這些廢膠粉是擺在我們面前的迫切任務(wù)。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(yè)應(yīng)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(yōu)異的防水性的應(yīng)力吸收防水層,同步碎石封層等等,將橡膠瀝青應(yīng)用到普通的AC型混合料,對(duì)其高溫、低溫性能均有顯著提高。

橡膠瀝青混合料最早出現(xiàn)在上世紀(jì)40年代的美國(guó),從上個(gè)世紀(jì)70年代以來(lái),美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、日本和南非等國(guó)家先后開(kāi)展了橡膠瀝青和橡膠粉瀝青混合料的應(yīng)用研究。國(guó)際上橡膠粉瀝青混合料在上世紀(jì)60年代主要研究橡膠瀝青在應(yīng)力吸收層中的應(yīng)用;到70年代,擴(kuò)展到應(yīng)力吸收中間層;70年代中期,應(yīng)用的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到開(kāi)級(jí)配瀝青混合料中,70年代末期,開(kāi)始了在連續(xù)級(jí)配中應(yīng)用橡膠瀝青的嘗試;到目前為止,研究的重點(diǎn)為在斷級(jí)配中的使用橡膠瀝青。

1 生產(chǎn)工藝

目前橡膠瀝青的生產(chǎn)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(shí)投入拌合樓的拌缸中攪拌,此時(shí),橡膠粉在混合料中僅僅起到填隙的作用,未與瀝青發(fā)生復(fù)雜的溶脹反應(yīng),因此這種橡膠瀝青混合料的粘結(jié)料未能發(fā)生化學(xué)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(fā)育、溶脹,此時(shí)的膠結(jié)料除了物理改性,還存在一定的化學(xué)改性,因此生產(chǎn)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(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng),這種共混現(xiàn)象叫做溶脹,首先在攪拌的作用下,不斷吸收基質(zhì)瀝青中的輕油組分,是橡膠顆粒的體積發(fā)生物理膨脹,基質(zhì)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(xù)作用下,橡膠顆粒中的硫等化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入到基質(zhì)瀝青,改善基質(zhì)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(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),形成凝膠,包裹住橡膠顆粒,使橡膠瀝青形成復(fù)雜的固液兩相結(jié)構(gòu),富有彈性和抗老化性能的固體橡膠顆粒通過(guò)凝膠和液態(tài)的基質(zhì)瀝青相連,使橡膠瀝青同時(shí)具備了瀝青和固體橡膠的性能。橡膠顆粒在基質(zhì)瀝青中發(fā)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(dāng)過(guò)度反應(yīng)時(shí),路用性能回發(fā)生衰退,這是由于:當(dāng)橡膠瀝青達(dá)到了高粘彈性、優(yōu)良的高低溫性能及抗老化性能后,橡膠顆粒繼續(xù)物質(zhì)交換和溶脹反應(yīng),在高溫狀態(tài)下,固相成份逐漸減少,而液相成份繼續(xù)增加,因此整體趨向液相。

2 橡膠粉瀝青性能指標(biāo)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(lái)源,基質(zhì)瀝青的性質(zhì),橡膠粉的濃度及尺寸、形態(tài),生產(chǎn)過(guò)程中的溫度、剪切速度、剪切時(shí)間等因素。

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

在制備橡膠瀝青時(shí),針入度隨攪拌溫度增加逐漸增加,隨攪拌時(shí)間的增加存在大體增加的趨勢(shì);粘度隨攪拌溫度增加而增加,隨攪拌時(shí)間存在峰值;軟化點(diǎn)隨攪拌溫度存在峰值,先增加后減少,隨攪拌時(shí)間也存在峰值;存在最佳的攪拌時(shí)間和溫度;延度隨攪拌溫度和時(shí)間增加而增加,15℃延度值一般較小,但從延度儀的測(cè)力計(jì)看,其數(shù)值是普通瀝青的數(shù)倍?？紤]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(biāo)首先經(jīng)過(guò)大幅改良后,性能改善曲線趨于平緩,拐點(diǎn)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(biāo)以及制備時(shí)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(yīng)用

3.1 應(yīng)力吸收層

從半剛性路面的反射裂縫機(jī)理可以分析出,橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的主要作用用于傳遞來(lái)自上層瀝青混合料的輪載應(yīng)力,將基層裂縫處引起的位移突變、應(yīng)力集中消散在吸收層,同時(shí),防止水分從裂縫處進(jìn)入基層,因此橡膠瀝青應(yīng)力吸收層要具備傳遞荷載的能力、應(yīng)力吸收的能力以及防水能力。通常橡膠應(yīng)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(shí),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(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)層鋪滿(mǎn),集料與基層構(gòu)成點(diǎn)接觸,充分碾壓,碾壓時(shí),壓路機(jī)緊跟攤鋪機(jī),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(yù)防夏季高溫,橡膠瀝青膨脹的空間,碾壓結(jié)束后,清掃浮動(dòng)的集料顆粒,局部瀝青未噴灑到位時(shí),人工進(jìn)行涂刷。

另外,需要注意的是,對(duì)原基層裂縫進(jìn)行灌縫處理時(shí),應(yīng)清理裂縫中的雜物,改善裂縫處的橡膠瀝青粘結(jié)效果,提高防水效果,灌縫的瀝青用量要避免將來(lái)泛油;瀝青撒布前應(yīng)清掃路面浮塵,改善橡膠瀝青與路基的粘結(jié)效果;填補(bǔ)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(lái)路面出現(xiàn)泛油或坑槽。

3.2 抗滑表層

區(qū)別于普通瀝青混合料,橡膠瀝青混合料的混合料設(shè)計(jì)特征可以概括為4點(diǎn):一是采用斷級(jí)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(guó)外實(shí)際應(yīng)用看,橡膠瀝青混合料路用性能具有3個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn),一是大幅改善高溫性能,有些國(guó)家將橡膠瀝青作為改善重載交通的有效途徑;二是優(yōu)異的低溫性能,通過(guò)良好的低溫粘彈性吸收溫度應(yīng)力,抵抗低溫收縮變形;三是遠(yuǎn)勝于普通瀝青混合料的疲勞性能,橡膠瀝青混合料優(yōu)良的疲勞性能來(lái)源于橡膠瀝青自身的抗老化性、優(yōu)良的粘彈性,橡膠瀝青混合料的厚瀝青膜。

在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用看,橡膠瀝青多用于抗滑表層,如粗型的AC、SMA及OGFC。傳統(tǒng)的抗滑表層,由于強(qiáng)調(diào)大的構(gòu)造深度,要求級(jí)配較粗,或采用斷級(jí)配實(shí)現(xiàn)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(yán)重,并且過(guò)粗的級(jí)配特征,導(dǎo)致集料抵抗車(chē)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(diǎn),橡膠瀝青混合料的瀝青膜非常厚,提供優(yōu)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(dān)任抵抗沖擊荷載的緩沖。

利用橡膠瀝青作粘結(jié)料的OGFC(AR—OGFC),混合料級(jí)配主要特征為:2.36 mm通過(guò)率一般小于10%,4.75mm通過(guò)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(guò)析漏試驗(yàn)和飛散試驗(yàn)確定,前者確定上限,后者確定下限,通過(guò)兩者與瀝青含量的變化曲線進(jìn)行優(yōu)化,另外,國(guó)外有些州,如亞利桑那州采用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)估[2],瀝青含量一般在8%～9%區(qū)間;空隙率一般為20%～25%,礦料間隙率一般為35%左右。穩(wěn)定度較低,動(dòng)穩(wěn)定度一般1 300左右。

AR—SMA混合料,級(jí)配與普通瀝青SMA略有區(qū)別,在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)級(jí)配進(jìn)行微調(diào)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(duì)級(jí)配略做調(diào)整,值得一提的是,設(shè)計(jì)空隙率較普通瀝青SMA大一些,一般最佳空隙率在5%,估計(jì)是考慮到高瀝青含量,在高溫時(shí)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(qū)間,礦粉的添加量適當(dāng)?shù)販p少了,減少的幅度約為2%[3]。

AR—AC混合料應(yīng)用較少,或者說(shuō)仍不成熟,用橡膠瀝青作為AC類(lèi)的粘結(jié)料難度較大,一般是借鑒斷級(jí)配的思想,大幅削減2.36mm以下集料,同時(shí)降低4.75mm篩孔的通過(guò)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(xì)集料形成的膠砂填充、甚至包裹這些骨架,設(shè)計(jì)空隙率往往達(dá)到5.5%,瀝青用量約為8%[4]。橡膠粉瀝青AC類(lèi)混合料仍需工程實(shí)踐檢驗(yàn)。

3.3 半柔性路面

將橡膠瀝青應(yīng)用到半柔性路面中,一般有2個(gè)途徑;一是在制拌母體混合料時(shí),將橡膠瀝青作為粘結(jié)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(jié)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(guó)應(yīng)用較少,但從國(guó)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(shí)踐檢驗(yàn),目前國(guó)內(nèi)已有一些學(xué)者對(duì)其路用性能、材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工特性等進(jìn)行了研究[5]。

3.4 其他類(lèi)型的應(yīng)用

針對(duì)橡膠瀝青混合料拌合時(shí)需要較高的溫度,對(duì)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(guò)溫拌技術(shù)措施,降低拌合時(shí)的橡膠瀝青粘度,降低拌合溫度,具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),因此,此類(lèi)溫拌橡膠瀝青混合料應(yīng)用前景非常好。

乳化橡膠瀝青是對(duì)橡膠瀝青的有利擴(kuò)展,將應(yīng)用的層次從面層材料推廣到了基層,或者說(shuō)為冷再生這一在將來(lái)主要的筑路技術(shù)提供了一種高性能、環(huán)保的粘結(jié)劑,增加了冷再生工程的適用范圍。

4 結(jié)論

橡膠瀝青及橡膠瀝青混合料具有環(huán)保、降噪、延長(zhǎng)路面使用壽命的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),目前作為防水應(yīng)力吸收層材料已經(jīng)成熟,作為SMA,OGFC等抗滑表層也具有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì),另外,在新材料開(kāi)發(fā)中陸續(xù)顯示出橡膠瀝青高粘彈性的優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)新一輪的道路建設(shè)中將會(huì)占有重要地位。

[1]孫祖望,陳 飆.橡膠瀝青應(yīng)用技術(shù)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(yīng)用[D].重慶交通大學(xué),2009.

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

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