橡胶沥青在道路工程中的研究与应用

橡胶沥青在道路工程中的研究与应用

金家明

合肥市公路管理局安徽合肥230000

摘要：本文介绍了橡胶沥青的应用背景以及国内外的研究发展历程，从内、外因两方面对橡胶沥青改性效果的影响因素进行研究分析；介绍了橡胶沥青混凝土路面的高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性能以及抗水损坏性能；介绍了橡胶沥青在道路工程中的应用前景。

关键词：橡胶沥青；道路工程；研究应用

橡胶沥青在道路工程的建设过程中主要起到的作用就是能够进一步改进沥青路面的路用性能，延长路面的使用寿命，降低噪声影响，减少路面的维护费用，能够有效缓解交通荷载对路面的损坏，除此之外，还有利于废旧轮胎的循环使用，降低对生态环境的污染。

1橡胶沥青的应用技术背景

1.1高速公路建设

随着我国高速公路建设的不断发展，我国高速公路2008年底通车里程达到5.3万公里，2010年我国高速公路通车里程达到6.5万公里，沥青路面因其良好的行驶性能和维修方便等特点，成为高等级公路主要的路面结构形式。

1.2废旧轮胎污染

随着我国人民生活水平的提高和经济建设的发展，汽车工业飞速发展，汽车保有量逐年迅速增加，随之而来的是废旧轮胎的数量不断增加，造成废旧轮胎的堆积和废弃，并对生态环境造成了严重的污染。相关资料显示，2006年我国废弃轮胎达到1.5亿条，到2010年已超过2亿条，大量的废旧轮胎造成了严峻的环保问题。这些废弃轮胎如不及时处理，存在巨大的安全隐患，同时占用了宝贵的土地资源，造成资源的浪费。传统的废旧轮胎处理方式：堆放、填埋、焚烧，造成问题：污染环境、占用土地资源、滋生蚊虫、传播疾病等。目前的废旧轮胎处理方式：生产胶粉（国家政策鼓励推广占10%）；再生胎（脱硫工艺污染大、能耗高、被国家限制占90%）；土法炼油（污染严重，国家严令禁止）。

2橡胶沥青技术在国内外的研究发展历程

2.1橡胶沥青在国外道路工程中的发展历程

国际上最早的橡胶沥青的文献见于1843年的英国专利。现代意义上橡胶沥青首先出现在20世纪40年代的美国。美国橡胶回收公司在20世纪40年代首先采用干拌生产工艺生产RamlpexTIM橡胶粉沥青混合料。

从上世纪六、七十年代以来，美国、瑞典、英国、法国、比利时、澳大利亚、日本、南非、印度等国家先后开展了橡胶沥青和橡胶沥青混凝土的应用研究。近20年来，美国、加拿大、韩国、日本等国成功的应用胶粉改性沥青修筑高速公路、高等级公路。

美国用废轮胎作为改性剂制造改性沥青用于修筑公路已经有了20年的历史。1982年~ 1986年间已试验铺筑210多个路段，共1.1万km，这种路面的热稳定性能和防冻性能都比较好，并可以减少维修费用。美国联邦法院在1991年通过了联邦地表协调联运效率法案1038条款（要求在路面工程中逐步增加回收橡胶的用量），同时，大多数州启动了相关立法程序，极大地促进了废旧轮胎在道路工程中的利用，橡胶粉路用研究进入了新的阶段。据美国联邦统计局统计，到1997年废胶粉改性沥青已消耗了8000万t废轮胎，相当于大约4亿条废旧轮胎。

德日耗200t废轮胎用于修筑公路、运动场及机场跑道。法国、比利时、奥地利在公路建设中亦广泛采用废胶粒、胶粉配料；俄罗斯伏尔加格勒公路交通部门将废轮胎粒用于铺设路面，可有效地预防冬季路面结冰而产生交通事故。他们的做法是在用沥青铺筑路面后，当沥青尚未干时在上面洒一层废轮胎胶粒。这样，冬季路面的冰块容易被压碎，车辆行驶就不会因为打滑而发生冲撞事件。

2.2橡胶沥青在国内道路工程中的发展历程

2.2.1八十年代起步阶段

伴随着我国高等级沥青路面的发展，老一辈科技工作者进行了橡胶沥青技术的科研研究，研制出了简单的橡胶沥青生产设备并铺筑了部分试验段，但由于当时的橡胶粉技术装备水平和国内的社会环境，该技术并未得到广泛的关注和发展。

2.2.2九十年代技术积累阶段

伴随着我国经济的快速发展，加工制造业水平不断提升，发展橡胶沥青技术具备了一定的基础和条件，但制约该技术的三个瓶颈仍没有得到根本解决，广大工程技术人员仍在不断探索和积累经验。三个技术瓶颈：废胎胶粉的规模化生产，降低成本、保证质量；橡胶沥青规模化生产设备及工艺；适应中国国情的橡胶沥青混合料级配构成原理。

2.2.32000年后快速发展阶段

进入21世纪，我国汽车工业迅猛发展，我国政府对环境保护和经济可持续发展日益重视，整个经济环境和国家政策为橡胶沥青的发展提供了良好的社会基础。国外橡胶沥青技术及成套装备先后进入我国，并在一些公路项目中得到应用。同时我国的一批科研工作者展开了一系列橡胶沥青技术研究，取得了丰富的研究成果。

经过了近三十年曲折的发展过程（20年的摸索，10年的发展），我国橡胶沥青技术逐渐形成。

3橡胶沥青改性效果的影响因素

橡胶沥青改性效果的影响因素大体分为内因和外因两大类。内因就是生产橡胶沥青的原材料因素，外因包括生产橡胶沥青的生产工艺因素。

3.1原材料影响因素

3.1.1基质沥青性质

橡胶沥青的性质，与基质沥青的指标有很大关系。除去基质沥青自身性能高低之外，基质沥青的性质最主要是影响橡胶粉改性沥青的配伍性或相容性。基质沥青越软，即沥青组分中沥青质含量较低，饱和分及芳香分等轻质组分含量较高，胶粉与沥青的相容性较好，因此橡胶粉的改性效果越好。

3.1.2胶粉因素

橡胶粉是橡胶沥青的基本组成成分之一，对沥青性能的影响主要体现在橡胶粉的种类、橡胶粉的细度、橡胶粉的掺量等因素。天然胶含量高的斜交胎所生产出的橡胶粉，对橡胶沥青的性能改善好于合成胶含量高的子午胎。而不同细度的、掺量的橡胶粉所生产出的橡胶沥青性能会有很大的差异，而谢昭彬推荐胶粉粒径范围为0.15～0.60mm，掺量采用18%～20%时，橡胶沥青的综合性能较好。对橡胶粉进行微波辐射的表面活化处理，能提高橡胶粉和沥青之间的界面粘合力，可制备出存储稳定性好、性能优良的橡胶沥青。

3.2生产工艺

3.2.1搅拌方式

改性沥青的加工工艺主要有直接投入法和预混法两种。直接投入法也就是橡胶沥青混合料的干法加工法，所得产品就是经橡胶改性的沥青混合料。预混法即湿法加工法，通常所采用的搅拌方式有简单搅拌法、高速剪切法、胶体磨法、低速剪切法4种类型。橡胶沥青的改性机理和普通高聚物改性沥青最大的不同在于橡胶沥青的改性剂颗粒较大，在改性成品中颗粒还会溶胀变大，而且橡胶粉颗粒具有较高的韧性和弹性，高温状态下在沥青中分布保持独立，因此，橡胶沥青的搅拌工艺与一般改性沥青略有不同。对于橡胶沥青的加工而言，最节约、最实用的搅拌工艺是简单搅拌和低速剪切，即使采用高速剪切或胶体磨对橡胶粉进行分散后，在橡胶沥青反应过程中仍然需要简单剪切的方式来保证橡胶粉处于悬浮状态。搅拌速率需由经验确定，以达到橡胶粉在沥青中更好分散的目的，其一般与橡胶粉掺量有关系。

3.2.2拌和温度与时间

拌和温度是拌和工艺的一个重点,也是改性沥青性能的关键因素。拌和温度太低时，沥青中分散相的热运动较低，难以与胶粉相结合形成稳定体系，改性效果不佳，达到最佳改性效果的时间过长，影响生产效率；而拌和温度高于200℃后，橡胶沥青过度降解，并发生老化。在一定的温度条件下，拌和时间过短，胶粉溶胀不够充分，且分散不均，难以与分散相充分结合，无法形成稳定体系。时间过长，在拌和的后期，胶粉发育趋于停止，长时间的高温导致胶粉过度脱硫、降解，并使沥青的油分散失，产生不同程度的老化。

4橡胶沥青路用性能

橡胶沥青混合料的路用性能主要包括：高温抗变形能力、低温抗开裂能力、抗水损坏能力和抗疲劳破坏能力。目前，为了操作和对比研究的方便，国内外现行沥青技术规范的相关内容，同样适应于橡胶沥青混合料路用性能检验以及试验方法与技术要求。国内外的研究数据表明，橡胶粉改性沥青材料对其混合料各方面性能都得到不同程度的改善。本文对各方面性能提升的原因进行了总结，归纳为：

4.1高温稳定性

高温稳定性提高的原因在于橡胶沥青具有较高的高温黏度，且胶粉在高温下溶胀，增加了混合料的内摩擦角，所以高温抗裂性能得到提高。

4.2低温抗裂性

低温抗裂性能提升是由于橡胶沥青材料的特殊性能，降低了其混合料在低温时的劲度模量，因而提高了橡胶沥青混合料的极限抗拉强度。

4.3抗水损坏性

抗水损坏得到改善的原因是橡胶沥青中适宜的胶粉掺量，使得橡胶沥青在集料表面形成合适的油膜保护层，不易析漏和泛油，同时油膜的保护提高了道路抗水损坏的能力。

4.4抗疲劳破坏

与改善低温性能相似，由于橡胶沥青混合料的弹性模量下降，材料弯拉应力也随之下降，这样在动荷载的作用下，混合料动态响应能力提升，从而延长路面疲劳寿命。

5橡胶沥青的应用前景

5.1橡胶沥青应力吸收层

将单一粒径的石料均匀的满铺在橡胶沥青层上，用胶轮压路机进行嵌挤碾压，橡胶沥青被挤压到石料高度的约3/4，石料嵌锁形成后将构成结构性支撑，这时所形成碎石封层模式的路面即为橡胶沥青应力吸收层。

在橡胶沥青应力吸收层中，高用量的橡胶沥青与单一粒径的碎石强力粘结，形成约1cm厚的裂缝反射结构层，水稳层或旧水泥路面的各种裂缝将很难穿透该层，可以有效遏制裂缝的反射；橡胶沥青用量较大(2.3kg/m2)，在路面上会形成约3mm厚度的沥青膜，完全可以防止雨水的向下渗透，对路基起到保护作用。其次，在上面摊铺沥青混合料时，橡胶沥青应力吸收层顶部的橡胶沥青会二次熔化，经路面压实后会充分填充其面层混合料底部的缝隙，从而排除了层间存水的可能，起到防止水损坏的作用；橡胶沥青拥有超强的粘性，它可以非常牢固的吸附粘结在水稳层或旧水泥路面上，从而起到与路面的粘结作用。

5.2橡胶沥青用于胶粉改性沥青

橡胶粉改性沥青（AsphaltRubber,简称AR）是一种新型的优质复合材料。他在重交沥青与废旧轮胎橡胶粉和外加剂的共同作用下，橡胶粉通过吸收沥青中的树脂，烃类等多种有机质，经过一系列的物理和化学变化，是胶粉湿润，膨胀，粘度增大，软化点提高，并兼顾了橡胶和沥青的粘性，韧性，弹性，从而提高了橡胶沥青的路用性能。

“橡胶粉改性沥青”是指把废旧轮胎制成的胶粉，作为改性剂添加到基质沥青中，在一个专门的特殊设备中，经高温、添加剂和剪切混合等一系列作用制成的黏合材料。

橡胶粉改性沥青的特点：①针入度减小，软化点提高，黏度增大，说明沥青高温稳定性提高，对夏季行车的路面车辙、推挤现象有改善；②温度敏感性降低。在温度较低时，沥青变脆使路面发生应力开裂；在温度较高时，路面变软，受承载车辆作用而变形。而用胶粉改性后，沥青的感温性得到改善，抗流动性提高，橡胶粉改性沥青的黏度系数大于基质沥青，说明改性后的沥青有较高的抗流动变形能力；③低温性能得到改善。胶粉可提高沥青的低温延度，增加沥青的柔韧性；④黏附性增强。由于石料表面黏附的橡胶沥青膜厚度增加，可提高沥青路面抗水侵害能力，延长路用寿命；⑤降低噪声污染；⑥增加车辆轮胎与路面的抓着性，提高行驶安全。

5.3橡胶沥青用于桥面防水

目前中国高速公路混凝土桥面沥青铺装层的损坏率远大于一般路面的损坏率。病害的成因以水损坏为主，常表现为坑槽、唧浆、推移等。解决铺装结构的水损坏问题是提高桥面铺装质量、增强耐久性的主要技术措施之一。

水泥混凝土桥面板的防水问题不同干一般建筑的防水。由于在使用过程中不断承受汽车荷载的作用．水泥混凝土桥梁将产生不断的振动。同时，由于水泥混凝土桥面板的刚度远远大于铺装的沥青混凝土(一般相差10倍以上)，因此在荷载作用下水泥混凝土面板与铺装沥青混凝土层之间存在较大的剪应力。

橡胶沥青在压、剪状态下具有较高的黏结强度，且在180℃高温下仍具有较高的旋转黏度值（40目胶粉，23％掺量条件下旋转黏度约为2～4Pa•S），可使沥青洒布量增大到2.2kg•m-2左右，增强防水黏结层的耐久性。

国内外的实际工程表明，橡胶沥青防水黏结层用于桥面防水，有以下特点：防水效果优良；与混凝土板的黏结性及变形追随性极佳；提高桥面铺装的耐久性；缩短桥面铺装的施工日寸间；节约能源和自然资源；降低养护和维修费用。

结语（1）橡胶沥青应力吸收层技术应用于半刚性路面上就有良好的抗反射裂缝和封水的效果；（2）胶粉改姓沥青用于道路的上中面层路用性能良好，同时也是资源再利用的重要手段。