随着中国经济崛起和汽车工业的发展,轮胎的生产和废弃数量越来越多,2013年中国废旧轮胎数量达到3亿多条,总重约1500万t,废旧橡胶轮胎的闲置造成巨大的环境“黑色污染”和资源浪费,已经引起了中国的高度重视。将废旧轮胎磨细成橡胶粉应用于道路工程建设已得到广泛关注,成为大量处理废旧轮胎的有效途径之一。橡胶沥青在降低路面噪声,延缓反射裂缝,减薄沥青路面厚度,抵抗重交通和不良气候等方面都有明显的优势中国沥青网sinoasphalt.com。笔者通过对兰州新区环境、交通状况研究,橡胶沥青路面的技术和经济效益分析,以及橡胶沥青路面的实际工程应用,掌握橡胶沥青路面的施工工艺和实际应用效果,认为在兰州新区道路工程中推广应用橡胶沥青效果显著,意义深远。

橡胶沥青发展历程

国外发展历程

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20世纪40年代的美国。经过半个多世纪的发展,到1998年底,美国铺设的橡胶沥青路面已超过1.1万km。此外南非、瑞典、加拿大、法国、奥地利、澳大利亚、芬兰等也已成功地将橡胶沥青用于修建高速或高等级公路。在南非拥有历时20~25年仍然完好的橡胶沥青路面,应用领域包括混合料、应力吸收层和应力吸收中间层等,基本上已经拥有了一整套橡胶沥青相关的技术指标,目前南非60%以上的道路沥青使用橡胶沥青。

为了有效利用废轮胎,当前许多国家的政府提供优惠政策(国家补贴相应的资金),鼓励橡胶沥青用于道路路面铺筑,因此,废胎胶粉用于道路的修筑已是十分普遍的现象。

中国发展历程

中国对橡胶沥青及混合料研究应用起于20世纪80年代。1983—1984年在青海省成功铺筑了曹家堡民用机场的飞行跑道,并在高原强紫外线环境下经受了包括波音757在内的大型客机作用。1982—1986年在江西省和四川省进行了路面试铺,经过10多年高负荷运行,表明对于减少光线的反射和路面裂缝及提高路面的高温稳定性能等均有良好的效果。后来由于各种原因,对于橡胶沥青路面应用的研究一度停滞。进入21世纪后,开展了多个橡胶沥青应用技术方面的专题研究和交流会,最具代表性的有2001年交通部立项开展的“废旧橡胶粉用于筑路的技术研究”、2007年交通部公路科学研究院承担的“橡胶粉在筑路工程中应用”项目,以及2006年在海南召开的“橡胶沥青在路面工程中应用技术交流会”、2009年11月在南京召开的“第4届国际橡胶沥青大会”等。同时,部分省市和行业部门颁布了关于橡胶沥青设计及施工方面的技术规程、指南等。近年来,在北京、上海、南京、天津、烟台、赣州、泉州等城市道路和安徽、上海、广西、陕西等地的高速公路中成功应用了该项技术,橡胶沥青进入了快速发展期。

橡胶沥青路面类型

橡胶沥青是先将废旧轮胎原质加工成为橡胶粉粒,再按一定的粗细级配比例进行组合,同时添加多种高聚合物改性剂,并在充分拌和的高温条件下(180℃以上),与基质沥青充分熔胀反应后形成的改性沥青胶结材料,主要应用于道路结构的面层和应力吸收层。

面层主要用于新建道路的上面层和中下面层,或旧沥青路面和旧水泥路面养护或者改建的罩面。当用作罩面时,面层可做成两层或三层体系。两层体系一般是将橡胶沥青混合料直接铺筑在橡胶沥青应力吸收层上。如果在应力吸收层之前先做一层调平层,就形成三层体系。近10多年来,橡胶沥青作为旧水泥混凝土路面改造沥青加铺层最为普遍。为了防止反射裂缝,应用橡胶沥青设置应力吸收层收到了很好的效果,尤其是逐步形成了混凝土路面“白加黑”改造的基本模式。

橡胶沥青应力吸收层是设置在沥青面层与旧路面或半刚性基层之间防止反射裂缝的橡胶沥青碎石层,可用于半刚性基层、旧沥青路面或旧水泥混凝土路面之上。它具有吸收下承层上传应力并使之消散的功能,同时还能防止雨水下渗,具有防水层的作用,因此也可用作桥面或者隧道铺装的防水粘结层。

旧路加铺改造时,采用橡胶沥青应力吸收层与橡胶沥青混合料面层的结构组合,效果会更好。

橡胶沥青路面经济效益分析

城市道路建设应追求可持续发展,因此对橡胶沥青路面的经济效益进行科学的评价是十分必要的。沥青路面结构的设计使用年限长达10~15年,初期建设费用低并不代表最终经济效益最优,应把路面寿命周期内所有费用(设计费、新建费、改建费、养护费等管理部门费用和车辆运营费、延误费、行程时间费、事故费等用户费用)都考虑在内,并把不同时间发生的费用以现值表示,才能对各个方案做出合理的经济比较。采用这种方法对橡胶沥青路面与普通沥青路面、SBS改性沥青路面的费用进行定量对比,如对于修建长1km的六车道(宽24m)的沥青混凝土高速公路的4cm厚表层来讲,普通沥青路面费用比橡胶沥青至少多44万元,而SBS改性沥青路面总费用比橡胶沥青多24万元。因此从长远考虑,橡胶沥青具有良好的经济效益。

同时,在同等交通量、路面状况条件和使用年限的情况下,橡胶沥青路面方案与其他沥青路面方案相比较,可降低约1/3的厚度,典型橡胶沥青路面结构(采用4cm+6cm)比常用的高速公路路面结构(采用4cm+6cm+8cm)造价降低18.8%。如果考虑减少一层沥青混凝土的摊铺,可缩短沥青路面施工工期近1/3,节约大量的人力物力财力。所以按总的路面结构进行比较,橡胶沥青带来的经济效益将更加显著。

推广应用可行性分析

兰州新区的环境特点

(1)冬季寒冷,夏季温度高兰州新区属典型的温带半干旱大陆性气候,四季分明,阳光充足,昼夜温差大,冬季寒冷干燥,最低气温达-25.4℃,春季多风少雨,夏季温度高,最高气温接近40℃,秋季温凉。在极端高温天气下,路面温度可达60~70℃,车辆荷载的反复作用极易导致车辙等永久变形的出现,严重影响路面的使用寿命和服务水平。

(2)海拔高,紫外线强烈兰州新区海拔在1800~2000m之间,平均海拔1910m,日照强度大,紫外线辐射强。在海拔较高的强紫外线辐射地区,太阳光中的紫外线辐射是引起沥青在路面服务期间发生老化的主要自然因素之一,然而将废胎胶粉加入到石油沥青中用于铺筑路面,能有效改善沥青的老化状况,进而提高道路的使用寿命。

兰州新区的道路交通状况

兰州新区是西北地区第一个国家级新区,主要发展石油化工、装备制造、生物医药、新材料、现代物流、电子信息和现代农业7大产业,并承接东部产业转移,最终把兰州新区建设成为国家重要先进制造业产业基地与西部现代服务业基地,形成循环经济示范区。因此,兰州新区交通特性主要表现在:一是重载车所占比重较大,这主要是因为新区以发展新型产业为主,企业生产所需的设备、原材料和最终产品等都需重载车运输;二是近期过境交通超载超限现象严重,这主要是因为新区周边近期对外通道还没有建设,过境交通目前都需穿越新区。

严寒及高温天气,以及频繁的重载交通导致路面出现裂缝、车辙和推移、水损坏、坑槽和泛油等破坏,严重影响沥青路面的使用质量和城市居民的出行环境。因此,考虑兰州新区气候条件、交通状况、材料供应等条件,应因地制宜,设计适合于兰州新区的沥青路面结构形式。

推广应用可行性分析

根据国内外大量的研究和工程实例,橡胶沥青具有以下优点:1)耐久性:沥青中由于橡胶粉的加入,提高了沥青混合料的粘性,从而显著地提高抗高温变形能力;橡胶沥青低温回弹率高,粘韧性好,可抵抗低温开裂,尤其在高寒地区,对于降低路面开裂或维修旧路时的反射裂缝,非常有效;对阳光中的红外线和紫外线不敏感,抗老化性能好。因此,橡胶沥青路面在抗高温变形、抗裂缝和抗老化方面具有优异的性能;2)安全性:橡胶沥青路面具有良好的抗滑性能,还能减少雨雪天气下喷溅的发生。同时,由于废旧轮胎中含有炭黑,路面更加黝黑,使路面与标线颜色对比强烈,增强了驾驶员夜间行车的可视性。在低温高寒地区,橡胶沥青路面能有效改善积雪结冰问题,消除安全隐患,这些都将提高行车安全性;3)经济性:橡胶沥青路面具有很高的成本效益。它的建设成本,以及长使用寿命是重要的特性。另外,与其他路面材料相比,养护和改建时间短,可减少使用者的延误;4)降噪:使用橡胶沥青路面时,轮胎噪声减小3~8dB,相当于道路上的交通量减半,车速降低25%,与建筑物距离增加1倍,能有效改善城市环境;5)低碳、环保、节能:橡胶沥青路面的利用减少了废旧轮胎对环境造成的污染,节约了能源。可延缓灯光反射,有利于环保。

综上所述,橡胶沥青路面能较好地适应兰州新区的环境与交通特点,将产生环境保护、废物利用和延长道路使用寿命的多赢效果,形成巨大的社会效益和经济效益,具有较好的推广应用价值。

技术要求及工程应用

结合兰州新区特殊的地理、气候和当地材料情况,通过多次试验和示范工程应用,提出适宜兰州新区铺筑使用的橡胶沥青混合料组成,并提出满足该地区气候及交通特点的橡胶沥青混合料施工主要控制参数。

技术要求

橡胶沥青技术指标要求。参照美国ASTM橡胶沥青技术标准,结合兰州新区具体情况和道路的特点,使用的橡胶沥青技术指标要求及检测数值。

混合料配合比设计。橡胶沥青混合料分为开级配混合料(AR-OGFC)和间断级配混合料(AR-SMA/AR-AC)两类。经过室内试验和中国已建工程的广泛调研后,选用ARAC-13作为表面层混合料,完成了混合料配合比设计。

油石比优化。分别采用6.5%、6.9%、7.5%共3种油石比进行马歇尔试验,根据试验结果、经验及兰州新区气候条件,确定最佳油石比采用6.9%。

工程应用

以上研究、检测和试验成果已应用于连接兰州新区与老城区的兰秦快速通道,以及兰州新区经三支路(次干路)的建设中,积累了新区橡胶沥青路面铺筑经验,为以后全面推广打下了良好基础。

结论

橡胶沥青路面具有优良的冬季柔性,可有效降低高寒地区路面开裂和改善积雪结冰问题,显著提高抗高温变形能力,有效改善紫外线引起的沥青老化状况,有效解决重载交通造成的疲劳开裂、反射裂缝等病害,并降低路面噪音,非常适合兰州新区冬季寒冷,夏季温度高,紫外线强烈,重载车所占比重大和城市需要安静生产生活环境的特点。

同时,采用橡胶沥青路面可以降低路面投资,这对于减缓新区目前基础设施建设资金紧张的局面也是有好处的。目前通过试验路段的成功铺设,已积累了一定的经验。兰州新区已建成道路不及规范的1/5(规划快速路、主次干路等高等级道路长达近千公里),从经济、技术、机遇各方面分析,橡胶沥青路面在兰州新区具有良好的应用前景,应大力进行推广。