废旧橡胶粉在道路工程中应用的历史和现状

1、第22卷第7期2005年7月公路交通科技Journal of Highway and T ransportation Research and DevelopmentV ol 122N o 17Jul 12005文章编号:10020268(200507001904收稿日期:20040915基金项目:西部交通科技项目(200131822342作者简介:杨志峰(1964-,男,山西万荣人,高级工程师,研究方向为公路工程1废旧橡胶粉在道路工程中应用的历史和现状杨志峰1,2,李美江1,王旭东1(11交通部公路科学研究所,北京100088;21武汉理工大学,湖北武汉430070摘要:本文介绍国际上橡胶粉

2、用于筑路技术的发展历程和我国橡胶粉在筑路中应用的最新研究成果,通过总结国内外多年的成功应用经验,指出在筑路工程中应用橡胶粉不仅能改善沥青混合料的路用性能并有减噪作用,具有显著的环保效益和明显的经济社会效益,应提倡大力推广。关键词:橡胶粉;橡胶沥青;降噪;废旧物利用;沥青混凝土中图分类号:U415文献标识码:AThe H istory and Status Quo of Rubber Powder Used In RoadbuildingY ANG Zhi feng1,2,LI Mei jiang 1,WANG Xu dong1(11Research Institute of Highway T

3、he M inistry of C ommunications ,Beijing 100088,China ;21Wuhan University of T echnology ,Hubei Wuhan 430070,China Abstract :In the the development of rubber powder used in roadbuilding w orldwide and the new development in China are intro 2duced 1The success ful experiences of application of rubber

4、 powder in roadbuilding not only im proves the per formance of asphalt mixture but als o reduces noice ,s o it is of great value in environmental protection and economic benefit ,and its application should be prom oted 1K ey words :Rubber powder ;Asphalt rubber ;Utilization of waste ;Asphalt concret

5、e据统计,我国2002年废旧轮胎达到8000万条,并将以每年12%的速度增加,到2005年将达到112亿条,到2010年将达到2亿条,这样大规模的废旧轮胎将会造成固体废弃物环保问题。将废旧轮胎加工成橡胶粉是国际上通用的废旧轮胎再生处理方式,其中废旧胶粉在公路行业中的应用是废旧轮胎处理的主要途径之一。轮胎的设计寿命一般为50100年,轮胎在使用12年后因磨损就报废了。废旧轮胎橡胶粉主要的化学成分还是天然橡胶和合成橡胶(如丁苯橡胶、顺丁橡胶,还有硫、碳黑、氧化硅、氧化铁、氧化钙等添加剂成分。以上这些成分都是良好的沥青改性剂,能够改善沥青的高低温性能、抗老化性能、抗疲劳性能,起到减薄路面、延长路面使

6、用寿命、延缓反射裂缝、减轻行车噪声、优良的冬季柔性等作用,因此,废旧橡胶粉的应用技术具有十分重要的现实意义。1橡胶粉在筑路工程中应用的历史和现状国际上最早的橡胶沥青文献见于1843年的英国专利。现代意义上的橡胶沥青混合料首先出现在上世纪的4060年代的美国。美国橡胶回收公司(Rub 2ber Reclaiming C om pany 在上世纪40年代首先采用干拌法的生产工艺生产了Ram flex T M 橡胶粉沥青混合料,美国专家Charles McDdonald 则首先采用湿拌法的生产工艺,在60年代生产了Overflex T M 橡胶沥青混合料。国际上橡胶粉在公路上使用的技术领域主要有:橡

7、胶沥青、橡胶粉改性沥青混凝土、橡胶粉改性乳化沥青、橡胶粉颗粒在基层中的使用、橡胶粉排水性材料。111橡胶沥青将橡胶粉掺入沥青中制成橡胶沥青是橡胶粉在公路行业中最普通的应用方式,从产生至今已有150多年的历史。由于橡胶粉和沥青的化学成分不完全相同,且都具有较强的惰性,橡胶粉与沥青拌和主要是融胀反应,既不仅仅是简单的物理填充,也不完全会发生化学反应,而是处于两者共存的状态,其产物是橡胶粉和沥青的共混体系,对沥青的物理性能和化学性能都有所改善。橡胶粉的性质、沥青的性质、两者之间的共混方式都可能影响到橡胶沥青的性能。但是由于橡胶粉与沥青之间的相互作用十分复杂,至今仍有很多专家对此进行专门研究。橡胶沥青

8、除了生产橡胶沥青混凝土外,还用于应力吸收层(S AM、应力吸收中间层(S AMI、碎石封层(CHIP SE A L、路面防水材料(T ACK C OAT以及填缝料等。而且在这些方面橡胶沥青的使用量甚至超过橡胶沥青混凝土的使用量。112橡胶粉沥青混凝土橡胶粉沥青混凝土包括干法和湿法两种方法生产的沥青混凝土。湿法指橡胶粉或颗粒与沥青混炼或混合制成橡胶沥青,橡胶沥青作为粘结剂再与矿料拌和的工艺。干法则是指橡胶粉与集料先行拌和共混后再喷入沥青拌制混合料的工艺。广义的湿法还包括用于稀浆封层的橡胶粉改性乳化沥青等,广义的干法还包括沥青混合料摊铺后再撒布橡胶颗粒共同碾压的工艺等。在国际上湿法一般指橡胶沥青混

9、凝土(AsphaltRubber C oncrete,干法则主要指橡胶粉改性沥青混凝土(Rubber M odified Asphalt C oncrete。在美国实际应用中,两者的主要区别有:(1橡胶粉改性沥青混凝土中橡胶粉使用量(通常为矿料重的210%5%是橡胶沥青混凝土的(20%的胶结料重,115%的矿料重24倍;(2橡胶粉改性沥青混凝土中橡胶粉添加方法简单,橡胶粉从矿料口进入,用量容易控制;橡胶沥青混凝土的橡胶粉要事先与沥青共混反应,预加工和储存,使用成本高;(3橡胶粉改性沥青混凝土使用的橡胶粉(116614mm一般比橡胶沥青混凝土使用的橡胶粉要粗。2国际上橡胶粉在道路工程中的应用情况

10、及效果211橡胶粉在道路工程中的应用情况从上世纪6、70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粉沥青混凝土的应用研究。并通过立法和技术推广,极大地促进了废旧轮胎在道路工程中的利用。上世纪90年代,全美每年就大概要废弃2135亿只汽车轮胎(小车轮胎约有2亿只,以各种状态堆积的轮胎数量大致为2025亿只。迫于轮胎带来的环境压力,美国通过了1991年联邦地表协调联运效率法案(ISTE A1038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,橡胶粉路用进入了新的阶段。截

11、止到1993年,有27个州研究了橡胶颗粒改性沥青及混合料,而总共38个州在沥青混合料中使用过回收橡胶颗粒。据统计,到1997年的6年间,公路行业共消耗废旧轮胎橡胶粉8000万t,大约4亿条废旧轮胎。美国应用废旧轮胎橡胶粉较多的州有:亚利桑那州、加利福尼亚州、佛罗里达州、德克萨斯州等。同样还是ISTE A方案,启动了耗资5000万美元的SHRP沥青研究计划和长期使用性能研究计划,随着SHRP计划的推进,其最终产品Superpave体系(基于使用性能的沥青胶结料规范、热拌混合料设计和分析体系及相应的计算机软件的建立、完善和逐步推广,路用新材料研究的思路、方法和技术手段都有了很大的扩展。正是在这两股

12、力量的共同推动下,国际上橡胶粉在道路工程中的应用及其研究进入了一个由环保理念和新技术共同驱动的新时代。19901993年,弗吉尼亚州用McD onald法(掺量约18%和R ouse法(掺量5%10%建设了5段试验路。在经过最长4年的行车作用后性能检测表明,添加橡胶粉的路段比对比路段的车辙要明显小、抗滑性能略强,但抗裂方面并没有很大的区别。19901992年,在环境及能源部和运输部的资助和管理下,加拿大安大略省修建了11段橡胶粉改性试验路(包括全新、橡胶改性路面再生、一般路面冷再生添加剂等,1996年提交了评估报告,从路面使用性能、混合料设计和生产问题、路面建设初始费用、全寿命评估路面费用、环

13、境影响等方面评价了橡胶粉路用效果。阿拉斯加在19831986年又用PlusRide铺设了8段单车道总计45km路面,并于1988年首次应用了湿法。1996年,Saboundjian采用弯曲梁疲劳试验、约束试件温度应力测试和佐治亚轮辙试验,对这些使用达717年的路面及对比段落进行了使用性能评价。在多孔隙路面的发源地法国,截止到1995年,02公路交通科技第22卷橡胶沥青多孔隙混凝土路面累积已经摊铺了超过1000000m2,Alain S AI NT ON总结多年的PAC路面室内研究和实际应用效果表明:橡胶粉改性PAC比普通PAC在保持持久排水性能、抵抗重交通、抗剪切和抵抗不良气候影响等方面有明显

14、的优势。南非的废旧轮胎橡胶粉在公路行业中的应用十分成功:和美国加利福利亚州一样拥有历时2025年仍然完好的橡胶沥青路面;应用领域包括混合料、应力吸收层、应力吸收中间层等;基本上已经拥有了一整套橡胶沥青相关的技术指标。据了解,目前南非60%以上的道路沥青使用橡胶沥青,而且根据他们的经验,认为对于超重轴载的使用环境,橡胶粉沥青混凝土尤为有利。概括国际上橡胶沥青及沥青粉改性沥青混凝土的发展历程为:上世纪60年代初,主要研究是橡胶沥青在应力吸收层中的应用技术;到70年代初,橡胶沥青的应用延伸到应力吸收中间层;70年代中期,橡胶粉应用领域的重点转向沥青混凝土,并首先在开级配沥青混凝土中使用;70年代后期

15、,在以连续级配为主的密实型沥青混凝土中开始使用橡胶粉;80年代后期至今,主要研究在断级配沥青混凝土中使用橡胶粉。通过多年的应用和试验总结,大多数国家沥青路面技术指南中都明确规定橡胶粉应用于断级配沥青混凝土。212橡胶粉在道路工程中的应用效果随着橡胶粉工业化生产的推动,施工工艺和道路材料及路面结构研究的深入,橡胶粉作为一种新型的筑路材料,其应用技术和使用效果在工程实践中逐步完善。多年的研究结果和工程实践表明橡胶粉沥青混凝土在降低路面噪音,延缓反射裂缝,减薄沥青路面厚度,抵抗重交通和不良气候都有明显的优势。橡胶粉沥青混凝土由于其高弹性能,具有明显的减少行车噪音的效果,是一种典型的“安静路面”。19

16、81年,比利时科学家在布鲁塞尔首先证明了橡胶沥青混凝土的减噪效果。随后世界各国相继开展了这方面的研究,修筑了大量的试验路。表1为一些主要国家的研究结果。表2为美国几个州相应的研究结果。表1世界部分国家使用橡胶沥青混凝土减噪的效果国家年份减少噪音水平比利时1981810dB(65%85%加拿大1991有减噪效果英国1998项目尚未完成法国198423dB35dB德国19803dB奥地利19883dB荷兰1988215dB表2美国一些州使用橡胶沥青路面的减噪效果州城市年份减噪效果亚利桑那Phoenix199010dBTucs on1989617dB 加利福尼亚Sacramento199371751

17、1dBOrange199235dBLos Angeles199137dBSan Dieg o1998项目正在进行德克萨斯San Antonio1992未提供数据俄勒根C orvallis1994未提供数据同时,国外研究还表明,橡胶粉沥青混凝土在用于老路改建时,对减少路面的反射裂缝,提高路面的整体承载能力都十分有利,在相同的使用效果前提下,适当使用废旧橡胶粉可减薄沥青混凝土面层的厚度。表3、表4为美国加利福尼亚州橡胶粉沥青混凝土技术指南分别从承载能力和减少反射裂缝角度,提出的橡胶粉沥青混凝土与一般沥青混凝土厚度的对比。表3按结构整体强度标准减薄面层厚度m DG AC ARH MGG ARH MG

18、G+S AMI01150110-01200110-01450120注:DG AC为连续级配密实型沥青混凝土、ARH MGG为断级配橡胶粉沥青混合料、S AMI为应力中间吸收层表4按减少反射裂缝标准减薄面层厚度m DG AC ARH MGG ARH MGG+S AMI01150110-01200110-01250115-01300115-0135011501200110注:DG AC为连续级配密实型沥青混凝土、ARH MGG为断级配橡胶粉沥青混合料、S AMI为应力中间吸收层从表3、4中数据可以看出,无论是承载能力标准还是减少反射裂缝标准,沥青混凝土中掺加橡胶粉后,沥青面层的厚度可减薄30%70

19、%,当沥青结构层中使用橡胶沥青的应力吸收中间层时,厚度还可以进一步减薄。3我国橡胶粉用于筑路技术的最新成果2001年春,交通部公路科学研究所首次在钢桥桥面铺装中采用了30%(相对于沥青用量的橡胶粉,该桥面经受了4个夏季的超重交通考验,基本保持完好,各项性能指标保持优良。同年由交通部设12第7期杨志峰,等:废旧橡胶粉在道路工程中应用的历史和现状立,交通部公路科学研究所主持的西部交通科技项目“废旧橡胶粉用于筑路的技术研究”,对橡胶沥青及橡胶粉沥青混合料(包括橡胶沥青混合料和橡胶粉改性沥青混合料的路用性能及力学特性开展了全面、系统的研究。该项目采用室内试验研究和现场实体工程同步开展的研究方案,结合以

20、往的研究经验,从试验路配合比设计的研究入手,在实践中总结经验和教训,主要研究了以下几方面的技术性能指标。(1路用橡胶粉技术指标的研究。从微观特性入手,采用电镜的手段,对不同目数、不同粉碎工艺的橡胶粉微观形状进行分析,提出适合路用的橡胶粉粉碎工艺。然后对比国外路用胶粉的要求,着重研究橡胶粉的纤维含量和天然橡胶含量对橡胶粉沥青混合料性能影响,结合室内试验研究结果和国外的一些标准提出了我国路用硫化胶粉的推荐指标。(2橡胶沥青性能指标研究。采用常规性能指标和美国SHRP项目研究成果的一些沥青指标进行橡胶沥青的性能研究,全面研究了橡胶粉的掺入对沥青的高低温性能、弹性性能、抗老化性能的改善情况,确定了橡胶

21、粉的掺量、目数、胶源、加工工艺和基质沥青对橡胶沥青性能改善的影响程度。结合国外橡胶沥青技术标准、大量橡胶沥青的试验结果和我国的具体情况,提出橡胶沥青技术标准的推荐稿。(3橡胶粉沥青混凝土物理、力学性质和路用性能分析。开展橡胶粉沥青混合料的全套试验,进行混合料的配合比设计的研究;橡胶粉混合料马歇尔指标的分析研究;橡胶粉混合料的路用性能研究(高温性能、低温性能、水稳性能、疲劳性能;对橡胶粉沥青混合料的力学作用机理进行了分析。全面研究橡胶粉沥青混合料的力学作用机理和工作性能,提出橡胶粉混合料技术标准的推荐稿。(4橡胶粉沥青混凝土生产工艺的研究。在广东、山东、河北、四川、贵州等地,涉及到华南地区、西南地区、轻冰冻地区,三个气候片区,修筑总长近30km试验路和实体工程。橡胶粉使用的目数有40、80、120目;