橡胶沥青在道路中的应用概况

谭大龙

(湖南省常德市临澧公路局,湖南临澧 415200)

随着我国汽车行业的飞速发展,上个世纪90年代,每年报废轮胎8 000万条,废胶达100万t;2005年以后,废胶达到200万t,如何有效利用这些废胶粉是摆在我们面前的迫切任务。将废胶粉制成橡胶沥青是变废为宝的重要途径,目前,橡胶沥青在道路行业应用非常广泛,如利用橡胶沥青的高粘性的AK,SMA和OGFC等路面,利用其优异的防水性的应力吸收防水层,同步碎石封层等等,将橡胶沥青应用到普通的AC型混合料,对其高温、低温性能均有显著提高。

橡胶沥青混合料最早出现在上世纪40年代的美国,从上个世纪70年代以来,美国、英国、法国、日本和南非等国家先后开展了橡胶沥青和橡胶粉沥青混合料的应用研究。国际上橡胶粉沥青混合料在上世纪60年代主要研究橡胶沥青在应力吸收层中的应用;到70年代,扩展到应力吸收中间层;70年代中期,应用的重点转移到开级配沥青混合料中,70年代末期,开始了在连续级配中应用橡胶沥青的尝试;到目前为止,研究的重点为在断级配中的使用橡胶沥青。

1 生产工艺

目前橡胶沥青的生产工艺主要为2种:干法和湿法。所谓干法,即将橡胶粉末、集料、沥青同时投入拌合楼的拌缸中搅拌,此时,橡胶粉在混合料中仅仅起到填隙的作用,未与沥青发生复杂的溶胀反应,因此这种橡胶沥青混合料的粘结料未能发生化学改性,性能改变较少。湿法即首先将橡胶粉末投入到沥青中搅拌,充分使其在沥青中发育、溶胀,此时的胶结料除了物理改性,还存在一定的化学改性,因此生产的橡胶沥青具有高粘、高弹的特性,较大地改善了混合料高温、低温性能。

在湿法中橡胶粉末加入到沥青中,发生了复杂的物理化学反应,这种共混现象叫做溶胀,首先在搅拌的作用下,不断吸收基质沥青中的轻油组分,是橡胶颗粒的体积发生物理膨胀,基质沥青中的轻油组分含量降低,沥青粘度提高;其次,在高温的持续作用下,橡胶颗粒中的硫等化学物质进入到基质沥青,改善基质沥青的低温性能和高温性能;最后,浸入到橡胶颗粒的油分与橡胶发生复杂的化学反应,形成凝胶,包裹住橡胶颗粒,使橡胶沥青形成复杂的固液两相结构,富有弹性和抗老化性能的固体橡胶颗粒通过凝胶和液态的基质沥青相连,使橡胶沥青同时具备了沥青和固体橡胶的性能。橡胶颗粒在基质沥青中发生的这种改性作用并不一定全部都有利于改善路用性能,当过度反应时,路用性能回发生衰退,这是由于:当橡胶沥青达到了高粘弹性、优良的高低温性能及抗老化性能后,橡胶颗粒继续物质交换和溶胀反应,在高温状态下,固相成份逐渐减少,而液相成份继续增加,因此整体趋向液相。

2 橡胶粉沥青性能指标及影响因素

影响橡胶沥青的物理性能主要因素为橡胶粉的来源,基质沥青的性质,橡胶粉的浓度及尺寸、形态,生产过程中的温度、剪切速度、剪切时间等因素。

通常通过传统的针入度、软化点、延度、粘度及弹性恢复等指标来反映橡胶沥青的物理性能,也可采用劲度、蠕变模量、车辙因子、疲劳因子等较复杂的粘弹性指标来反映。通常要求粘度为177℃时1.5～4 Pa◦s;25℃针入度大于25(0.1mm);软化点大于54;25℃弹性恢复大于60%[1]。

在制备橡胶沥青时,针入度随搅拌温度增加逐渐增加,随搅拌时间的增加存在大体增加的趋势;粘度随搅拌温度增加而增加,随搅拌时间存在峰值;软化点随搅拌温度存在峰值,先增加后减少,随搅拌时间也存在峰值;存在最佳的搅拌时间和温度;延度随搅拌温度和时间增加而增加,15℃延度值一般较小,但从延度仪的测力计看,其数值是普通沥青的数倍。考虑到沥青老化的因素,拌合温度一般为185℃。

随橡胶颗粒的掺量增加,橡胶沥青的物理指标首先经过大幅改良后,性能改善曲线趋于平缓,拐点在15%左右,一般橡胶沥青的掺量在20%。

橡胶颗粒的大小影响橡胶沥青的物理指标以及制备时间,颗粒越小,比表面积越大,溶胀的速度越快,沥青越软。

3 橡胶沥青的应用

3.1 应力吸收层

从半刚性路面的反射裂缝机理可以分析出,橡胶沥青应力吸收层的主要作用用于传递来自上层沥青混合料的轮载应力,将基层裂缝处引起的位移突变、应力集中消散在吸收层,同时,防止水分从裂缝处进入基层,因此橡胶沥青应力吸收层要具备传递荷载的能力、应力吸收的能力以及防水能力。通常橡胶应力吸收层是由单粒径嵌锁集料及高粘橡胶沥青组成,考虑到夏季高温时,橡胶沥青的热膨胀影响,一般首先撒布橡胶沥青,在其上撒布单粒径碎石,撒布的标准为当层铺满,集料与基层构成点接触,充分碾压,碾压时,压路机紧跟摊铺机,避免橡胶沥青温度降低,使橡胶沥青填充石料高度的4/5,剩余的1/5是预防夏季高温,橡胶沥青膨胀的空间,碾压结束后,清扫浮动的集料颗粒,局部沥青未喷洒到位时,人工进行涂刷。

另外,需要注意的是,对原基层裂缝进行灌缝处理时,应清理裂缝中的杂物,改善裂缝处的橡胶沥青粘结效果,提高防水效果,灌缝的沥青用量要避免将来泛油;沥青撒布前应清扫路面浮尘,改善橡胶沥青与路基的粘结效果;填补坑洞,消除软弱部位;沥青和碎石撒布一定要保证均匀,如果撒布不均匀,施工后要必须处理,避免将来路面出现泛油或坑槽。

3.2 抗滑表层

区别于普通沥青混合料,橡胶沥青混合料的混合料设计特征可以概括为4点:一是采用断级配,一般在2.36～4.75 mm,增加矿料的间隙,容纳更多的橡胶沥青;二是矿粉用料少,以减少施工难度;三是拌合的温度较高;四是沥青用量大,一般上面层为7%～8%。

从大量研究资料及国外实际应用看,橡胶沥青混合料路用性能具有3个主要的优点,一是大幅改善高温性能,有些国家将橡胶沥青作为改善重载交通的有效途径;二是优异的低温性能,通过良好的低温粘弹性吸收温度应力,抵抗低温收缩变形;三是远胜于普通沥青混合料的疲劳性能,橡胶沥青混合料优良的疲劳性能来源于橡胶沥青自身的抗老化性、优良的粘弹性,橡胶沥青混合料的厚沥青膜。

在国内的应用看,橡胶沥青多用于抗滑表层,如粗型的AC、SMA及OGFC。传统的抗滑表层,由于强调大的构造深度,要求级配较粗,或采用断级配实现路表面的粗集料突起,但往往造成表面层孔隙率较大,渗水严重,并且过粗的级配特征,导致集料抵抗车辆的冲击荷载的能力差,而橡胶沥青能够有效克服这些缺点,橡胶沥青混合料的沥青膜非常厚,提供优异的抗疲劳性能,阻挡路面水分浸入,并且高粘性,保证了集料与沥青的粘附,橡胶颗粒在集料颗粒之间担任抵抗冲击荷载的缓冲。

利用橡胶沥青作粘结料的OGFC(AR—OGFC),混合料级配主要特征为:2.36 mm通过率一般小于10%,4.75mm通过率在20%附近,矿粉一般在2%以下,允许不添加矿粉;沥青用量一般通过析漏试验和飞散试验确定,前者确定上限,后者确定下限,通过两者与沥青含量的变化曲线进行优化,另外,国外有些州,如亚利桑那州采用经验公式预估[2],沥青含量一般在8%～9%区间;空隙率一般为20%～25%,矿料间隙率一般为35%左右。稳定度较低,动稳定度一般1 300左右。

AR—SMA混合料,级配与普通沥青SMA略有区别,在设计时对级配进行微调以容纳高橡胶沥青,并充分考虑到碾压是橡胶颗粒的弹性,对级配略做调整,值得一提的是,设计空隙率较普通沥青SMA大一些,一般最佳空隙率在5%,估计是考虑到高沥青含量,在高温时沥青的体积膨胀的因素,AR—SMA的最佳沥青含量一般在7.5%～8.5%区间,矿粉的添加量适当地减少了,减少的幅度约为2%[3]。

AR—AC混合料应用较少,或者说仍不成熟,用橡胶沥青作为AC类的粘结料难度较大,一般是借鉴断级配的思想,大幅削减2.36mm以下集料,同时降低4.75mm筛孔的通过率,保证混合料中有足够的粗集料形成骨架体系,而橡胶沥青与细集料形成的胶砂填充、甚至包裹这些骨架,设计空隙率往往达到5.5%,沥青用量约为8%[4]。橡胶粉沥青AC类混合料仍需工程实践检验。

3.3 半柔性路面

将橡胶沥青应用到半柔性路面中,一般有2个途径;一是在制拌母体混合料时,将橡胶沥青作为粘结剂,另外,可将橡胶粉投入到贯入砂浆中;前者改善母体混合料颗粒之间的粘结状况,改善母体混合料与砂浆的接触状况;后者改善砂浆的柔韧性,提高耐久性。半柔性路面在我国应用较少,但从国外看,这是一种很有前途的材料,具备很好的高温性能,较高的模量,疲劳性能和低温性能还有待研究或工程实践检验,目前国内已有一些学者对其路用性能、材料设计、结构设计、施工特性等进行了研究[5]。

3.4 其他类型的应用

针对橡胶沥青混合料拌合时需要较高的温度,对成本、大气污染、施工人员、混合料老化性能均有不利影响,因此通过温拌技术措施,降低拌合时的橡胶沥青粘度,降低拌合温度,具有明显的技术经济优势,因此,此类温拌橡胶沥青混合料应用前景非常好。

乳化橡胶沥青是对橡胶沥青的有利扩展,将应用的层次从面层材料推广到了基层,或者说为冷再生这一在将来主要的筑路技术提供了一种高性能、环保的粘结剂,增加了冷再生工程的适用范围。

4 结论

橡胶沥青及橡胶沥青混合料具有环保、降噪、延长路面使用寿命的技术经济优势,目前作为防水应力吸收层材料已经成熟,作为SMA,OGFC等抗滑表层也具有非常明显的技术优势,另外,在新材料开发中陆续显示出橡胶沥青高粘弹性的优点,在我国新一轮的道路建设中将会占有重要地位。

[1]孙祖望,陈 飙.橡胶沥青应用技术指南[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.橡胶沥青在SMA中的应用[D].重庆交通大学,2009.

[4]宋 毅,王端宜.橡胶沥青在高速公路罩面工程中的应用[J].施工机械与施工技术,2009(12):51-55.

[5]凌天清,董营营,夏 伟,等.橡胶沥青灌入式半柔性路面的应用研究[J].公路,2009(2):61-66.