橡膠改性瀝青在重交通荷載路面上的應用

張光明

(河南省水利勘測設計研究有限公司，河南鄭州 450016)

隨著高等級公路建設的發展，基于平整性好、行車平穩舒適、噪聲低的瀝青混凝土路面已成為公路路面的主要形式。但是，在已建成道路的運營中，新的問題接踵而來，由于近年來交通量迅速增長、車輛大型化、超載嚴重、車輛渠道化等現象的出現，使瀝青混凝土路面面臨嚴峻的考驗。據山西省近年來對運輸車輛的調查分析表明:在某些運煤干線及砂石料運輸干線上，東風、解放等載重車單車載重達50 t以上，對路面破壞相當嚴重。因此，研究提高瀝青混凝土路面使用性能的關鍵技術，即采用改性瀝青混合料，已成為我國公路建設的迫切需要。而選擇改性劑的品種和劑量是技術性很強的工作，需要根據所在地區的氣候條件、交通條件、經濟實力、改性瀝青制備條件，以及當地瀝青路面的主要破壞形式來綜合確定采用適合的改性劑。我國JTG F40-2004公路改性瀝青路面施工技術規范規定氣候區是選擇不同改性瀝青等級的主要依據。對北方低溫寒冷地區，以載重汽車為對象的高速公路、一級公路，尤其是重車比例大、超載車多的干線公路，對抵抗車轍、開裂的要求較高，采用橡膠瀝青路面可以很好地延長路面使用壽命。

1 橡膠改性瀝青的特性

橡膠改性瀝青是先將廢舊輪胎加工成為具有一定細度的橡膠粉粒，再按一定的粗細級配比例進行組合，同時添加多種高聚合物改性劑材料，并在高溫條件下(180℃以上)充分拌合，其中橡膠組分含量應為全部混合料重量的15%以上，橡膠顆粒膨脹與基質瀝青充分熔脹后反應形成改性瀝青膠結材料［4］。在2011年以前我國尚無橡膠改性瀝青技術標準發布，大多參考美國FHWA(美國聯邦公路局)橡膠改性瀝青技術標準(SA-002-1992)，見表1［1］。橡膠改性瀝青交通行業標準的發布對我國橡膠改性瀝青技術的發展與應用具有明確的指導意義(見表2［6］)。

表1 美國FHWA橡膠改性瀝青技術標準(SA-002-1992)

1)提高瀝青的粘度。粘性是瀝青高溫穩定性的重要指標，高粘性瀝青可以增強抗變形能力、使混合料油膜較厚而不易析漏或泛油，可以很好地提高瀝青與碎石的粘結力，在封水性能方面具有良好表現［5］。據相關試驗資料表明，同等條件下20%膠粉含量的橡膠改性瀝青190℃時的動力粘度與4%SBS含量的改性瀝青135℃時的動力粘度值相當，約3 Pa·s;橡膠瀝青的軟化點較基質瀝青提高了約10℃，大于55℃。

表2 橡膠改性瀝青技術指標(JT/T 798-2011)

2)改善瀝青的低溫性能。瀝青的低溫性能是指低溫條件下的脆性和抗裂性。據南非某公司通過試驗比較，橡膠改性瀝青的弗拉氏脆點比4%SBS改性瀝青降低約9℃，為－19℃～－17℃。橡膠瀝青良好的低溫柔韌性明顯降低了溫度對瀝青路面的影響，在低溫寒冷地區，由于膠結材料含量高、彈性好，對于降低路面開裂或修復舊路面反射裂縫，效果較明顯。

3)提高抗老化、抗疲勞性能。大量廢輪胎膠粉的加入，增加了瀝青抗老化、防氧化和熱穩定性，輪胎橡膠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，使橡膠瀝青混合料成為一種性能良好的柔性路面材料，具有優良的抗疲勞和抗反射裂縫能力。對部分采用橡膠改性瀝青路面調查顯示，同等條件下橡膠改性瀝青路面可很好地延長路面使用壽命。

4)提高行車的舒適性和安全性。橡膠改性瀝青路面作為一種柔性路面，能較好地緩沖路面局部不平整引起的車輛顛簸，提高輪胎與地面的附著性能，明顯縮短車輛制動距離，橡膠中的炭黑成分能夠使路面長期保持黑色，與路面標線的對比度高，駕駛員在車輛運行中會感到更加的舒適和安全。

5)降低車輛運行的噪聲危害。道路噪聲隨著公路建設和汽車工業的發展已成為道路周邊居民的一大公害，降低車輛運行的噪聲已成了人們關心的重要社會問題之一。據分析，橡膠改性瀝青的彈性和平整的路面可有效地降低車輛運行的噪聲，相當于減少了行車數量或節省一道高的隔音墻，被譽為“消音瀝青”。有資料顯示，橡膠改性瀝青路面上車速為50 km/h～100 km/h時，降低噪聲3 dB～8 dB，相當于減少80%的行車量［3］。

6)降低道路建設和養護費用。要對橡膠改性瀝青的性能作出綜合評價，不僅要關注它的技術可行性，還要看它與其他瀝青相比較的使用經濟性。根據最近三年的基本材料市場價格:SBS約為22 000元/t，40目(橡膠粉的細度)的廢舊橡膠粉約為2 600元/t(40目以下價格更低)，基質瀝青約為3 500元/t。常用配合比的1 t 5%SBS含量改性瀝青與20%橡膠含量的改性瀝青參考價格(未計其他瀝青添加劑價格)見表3。通過比較可知:橡膠改性瀝青的材料費不僅低于SBS改性瀝青1 005元/t，而且低于基質瀝青。除填充材料與工藝參數有一定的區別外，等量的橡膠改性瀝青與SBS改性瀝青加工價格相當。橡膠改性瀝青路面的經濟性還在于提高了路面的耐久性，或在同等條件下可減少路面鋪筑的厚度，從而降低了路面建設和養護費用。

表3 瀝青價格對比表

7)節約能源保護環境。廢舊輪胎是一種難以自行降解的高分子化工合成材料，自然條件下埋在地下數百年都不會分解，且會污染地下水源。這些“黑色垃圾”無論采用堆放還是采用焚燒的方法處理都將成為新的污染源，污染環境、占用土地資源且容易滋生蚊蟲傳播疾病。車輛的報廢逐年增加，世界上廢舊輪胎積存以每年約億條遞增，但是能夠得到翻新利用的只占很小一部分。橡膠改性瀝青含有大量的廢舊輪胎橡膠粉(18%～22%)，可計算出高等級公路中1車道(3.75 m寬)、1 km長的橡膠改性瀝青路面可消耗約1 000條廢舊輪胎。循環利用這些廢輪胎對我國經濟社會的可持續發展、緩解環境和資源匱乏帶來的壓力起到積極的作用。

2 橡膠瀝青的制作工藝

橡膠瀝青制作方法一般分為干法和濕法。加工流程主要有以下步驟:基質瀝青、廢舊橡膠粉等原材料的添加和預混，橡膠瀝青的反應過程及質量監控［6］。干法是將瀝青混合料總量2%～3%的橡膠粉噴在攪拌的熱瀝青拌合鍋中，攪拌約20 min即成為橡膠粉改性瀝青混合料。干法制成的橡膠改性瀝青適用于攤鋪路面的底層或者中層，不適宜攤鋪面層。濕法是將精細橡膠粉、活化膠粉或脫硫膠粉按配方劑混合材料(一般為瀝青質量的10%～20%)投入到180℃～200℃的基質瀝青中，在攪拌瀝青時緩慢添加橡膠粉，攪拌后再進入膠體磨或高速剪切乳化機中加工處理，達到規定的標準，即可制成高性能的橡膠改性瀝青［2］。制作過程中橡膠粉用量、攪拌時間、瀝青溫度隨基質瀝青和橡膠粉性質不同而有很大區別。改性瀝青的性能與橡膠粉的粒徑關系密切，粒徑越小分布越均勻，其改性瀝青性能越優良，且不易離析。橡膠改性瀝青的原料及其配合比一般經過實驗室配置、試驗并通過現場使用進行調整后確定，目前我國僅有地方性行業技術指南發布，如北京市廢輪胎膠粉瀝青混合料設計施工技術指南，為便于當前推廣橡膠瀝青并為形成國內規范積累經驗，可參考國內地方行業標準和國外的路用橡膠粉技術指標(見表4)。試驗依據可綜合借鑒國內外橡膠改性瀝青技術標準。

表4 國內外路用橡膠粉技術指標

3 橡膠改性瀝青的應用工藝

1)橡膠改性瀝青應力吸收層。高溫狀態下把橡膠改性瀝青灑布在路面上，然后滿鋪單一粒徑的石料，用膠輪壓路機進行嵌擠碾壓使橡膠瀝青被擠壓到石料高度的約3/4位置，石料嵌鎖形成后將構成結構性支撐，形成碎石封層模式的路面即為橡膠瀝青應力吸收層。主要作用為應力吸收、抗反射裂縫、防水及粘結等［2］。

2)橡膠改性瀝青路面面層。把橡膠改性瀝青注入到瀝青攪拌站，按配合比與碎石、砂粒等混合料拌合，攤鋪、碾壓后形成橡膠改性瀝青路面。適用于開級配抗滑表面和間斷密級配路面。橡膠改性瀝青路面的設計、施工，以及施工、檢測設備和方法與傳統瀝青路面或其他改性瀝青路面基本相同(見圖1)。

4 施工注意事項

橡膠改性瀝青灑布過程中部分膠粉顆粒過大或橡膠瀝青生產時未能均勻攪拌，使膠粉顆粒聚結成塊狀無法通過噴嘴噴出，可采取以下措施:使橡膠瀝青制作過程中膠粉顆粒大小相對均勻并攪拌均勻。

應力吸收層施工中可能出現料車、攤鋪機將吸收層粘起現象。可采取以下措施:保證足夠的碎石撒鋪量;在車輪上涂抹柴油潤滑劑;采用大粒徑碎石;橡膠瀝青在較短時間固化后與石子牢固的粘在一起;保證碎石的清潔度，避免大量粉塵將橡膠瀝青與碎石分隔開來降低粘結效果、導致碎石脫落。

圖1 橡膠改性瀝青應用工藝流程

橡膠瀝青混合料碾壓后可能產生裂縫及壅包現象。可采取以下措施:人工挖除壅包后及時填補熱混合料并碾壓［4］。

由于橡膠瀝青粘度和使用溫度較高，在路面施工中需注意以下幾點:使用橡膠瀝青，路面攤鋪厚度比傳統瀝青約減薄50%;橡膠瀝青混合料中的集料一般采用開級配或間斷級配［5］;橡膠瀝青路面的碾壓宜在高溫下完成，并遵循“高頻、低幅、緊跟、慢壓”的原則。

5 已建橡膠改性瀝青路面設計分析

實例工程為改擴建項目，位于山西中部煤礦資源豐富的地區，載重車較多，受資金因素限制，不能實現面層加厚的方案，為了延長該段瀝青路面的使用壽命，設計采用橡膠改性瀝青應力吸收層和橡膠改性瀝青面層。1)橡膠改性瀝青應力吸收層采用摻加20%左右的橡膠粉(20 目)，按 1.8 kg/m2～2.2 kg/m2撒布，同時撒13.2 mm～9.5 mm的單一碎石，按80%撒，以提高基層抗開裂的能力。2)橡膠改性瀝青表面層，下面層在原設計AC-25基礎上采用添加抗車轍劑或聚酯纖維方法來提高該層的抗車轍和開裂能力;表面層采用橡膠改性瀝青技術即采用AC-13(20%橡膠瀝青)代替原設計的SBS改性瀝青，以提高瀝青混合料的抗疲勞與耐久性能。橡膠改性瀝青路面結構設計方案見表5。

表5 橡膠改性瀝青路面結構設計方案

6 結語

工程建成通車后多荷載在50 t以上重載車輛經過，經過一個凍融期的使用和檢測，路面無明顯的車轍、坑洞，證明了比原設計減薄后的橡膠瀝青混凝土路面能夠達到預期使用要求。在北方低溫寒冷地區推廣橡膠改性瀝青用于公路建設具有重要意義。

1)能夠解決廢舊輪胎帶來的環保問題、減薄路面、延緩反射裂縫、減輕行車噪聲、節約建設和維護資金、延長路面使用壽命等。

2)解決我國當前面臨的重載交通、早期損壞問題的有效嘗試。在建設節約型社會的前提下，修建出優質瀝青路面是一種很好的可選方案。

［1］AASHTO-FHWA-NAPA［S］.Asphalt Study Tour.Washington:AFN，1990.

［2］孫見林，郝培文.廢橡膠粉改性瀝青在路面工程中的應用［J］.工程機械與維修，2006(8):79-81.

［3］陸小平，涂圣武.橡膠粉瀝青混凝土罩面在干線公路病害處治中的應用［J］.現代交通技術，2007，12(4):9-12.

［4］張元慶.淺談橡膠瀝青混凝土路面施工［J］.北方交通，2008(3):15-17.

［5］李 農.橡膠瀝青的推廣運用［J］.建設機械技術與管理，2007(9):77-79.

［6］JT/T 798-2011，公路工程廢胎膠粉橡膠瀝青［S］.