廢輪胎膠粉在公路工程中的應(yīng)用及前景展望
時(shí)間:2005-10-24
隨著我國(guó)人民生活水平的提高和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，汽車工業(yè)飛速發(fā)展，汽車保有量逐年迅速增加。我國(guó)將面臨目前國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家早已遇到的大量廢舊輪胎的處理問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的廢舊輪胎2002年達(dá)8000萬(wàn)條，并將以每年12%的速度增加，到2005年將達(dá)到1.2億條，到2010年將達(dá)到2億條。大量的廢舊輪胎將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)峻的環(huán)保問(wèn)題。將廢舊輪胎加工成橡膠粉是國(guó)際上通用的廢舊輪胎再生處理方法，其中廢輪胎膠粉應(yīng)用在公路行業(yè)中是廢舊輪胎處理的主要途徑之一。
同時(shí)，從1988-2003年底的15年中，我國(guó)建成了3萬(wàn)多km的高速公路。根據(jù)國(guó)家的規(guī)劃，到2030年我國(guó)將建成8.5萬(wàn)km的高速公路網(wǎng)。因此，我國(guó)目前正處在以高速公路為代表的公路建設(shè)的快速發(fā)展期。改善路面使用性能，延長(zhǎng)路面使用壽命，節(jié)約建設(shè)投資，是我國(guó)公路行業(yè)所面臨的緊迫問(wèn)題。應(yīng)該看到，我國(guó)幅員廣闊，氣候和自然環(huán)境十分復(fù)雜，加之超載運(yùn)輸現(xiàn)象十分普遍，對(duì)公路路面，特別是瀝青混凝土面層提出了較高的技術(shù)要求。將廢舊輪胎橡膠粉用于公路建設(shè)是解決當(dāng)前面臨問(wèn)題的有效途徑之一。
2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀
廢舊輪胎橡膠粉在公路行業(yè)中特別是在瀝青和瀝青混凝土中的研究、應(yīng)用在國(guó)際上已有比較悠久的歷史。國(guó)際上最早的橡膠瀝青文獻(xiàn)見(jiàn)于1843年的英國(guó)專利?，F(xiàn)代意義上的橡膠瀝青混合料首先出現(xiàn)在上世紀(jì)的40-60年代的美國(guó)。美國(guó)橡膠回收公司(Rubber
Reclaiming Company)在上世紀(jì)40年代首先采用干拌法的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)了Ramflex TM橡膠粉瀝青混合料，美國(guó)專家Cbarles
McDdonald則首先采用濕拌法的生產(chǎn)工藝，在60年代生產(chǎn)了Overflex
TM橡膠瀝青混合料。國(guó)際上橡膠粉在公路上使用的領(lǐng)域主要有：橡膠瀝青、橡膠(粉)瀝青混凝土、橡膠粉改性乳化瀝青、橡膠粉在基層中的使用、橡膠粉排水性材料。
2.1 國(guó)外現(xiàn)狀
從上世紀(jì)六七十年代以來(lái)，美國(guó)、瑞典、英國(guó)、法國(guó)、比利時(shí)、澳大利亞、日本、南非、印度等國(guó)家先后開(kāi)展了橡膠瀝青和橡膠粉瀝青混凝土的應(yīng)用研究。并通過(guò)立法和技術(shù)推廣，極大地促進(jìn)了廢舊輪胎在道路工程中的利用。
上世紀(jì)90年代，全美每年大概廢棄2.35億條汽車輪胎，其中小車輪胎約2億條，以各種狀態(tài)堆積的輪胎數(shù)量大致為20-25億條。迫于輪胎帶來(lái)的環(huán)境壓力，美國(guó)通過(guò)了1991年聯(lián)邦地表協(xié)調(diào)聯(lián)運(yùn)效率法案(ISTEA)1038條款(要求在路面工程中逐步增加回收橡膠舶用量)，同時(shí)，大多數(shù)州啟動(dòng)了相關(guān)立法程序，極大地促進(jìn)了廢舊輪胎在道路工程中的利用，橡膠粉用于公路建設(shè)進(jìn)入了新階段。截止到1993年，有27個(gè)州研究了橡膠顆粒改性瀝青及混合料，而總計(jì)38個(gè)州在瀝青混合料中使用過(guò)回收橡膠顆粒。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到1997年的6年間，公路行業(yè)共消耗廢舊輪胎橡膠粉8000萬(wàn)t，大約4億條廢舊輪胎。美國(guó)應(yīng)用廢舊輪胎橡膠粉較多的州有：亞利桑那州、加利福尼亞州、佛羅里達(dá)州、德克薩斯州等。
1990-1993年，弗吉尼亞州用McDonald法(摻量約18%)和Rouse法(摻量5%-10%)建設(shè)了5段試驗(yàn)路。在經(jīng)過(guò)最長(zhǎng)4年的行車作用后性能檢測(cè)表明，添加橡膠粉的路段比對(duì)比路段的車轍要明顯小、抗滑性
能略強(qiáng)，但抗裂方面并沒(méi)有很大的區(qū)別。
在多孔隙路面的發(fā)源地法國(guó)，截止到1995年，橡膠瀝青多孔隙混凝土累積已經(jīng)攤鋪了超過(guò)100萬(wàn)m2路面，Alain
SAINTON總結(jié)多年的PAC路面室內(nèi)研究和實(shí)際應(yīng)用效果表明：橡膠粉改性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?xì)夂蛴绊懙确矫嬗忻黠@的優(yōu)勢(shì)。
南非的廢舊輪胎橡膠粉在公路行業(yè)中的應(yīng)用十分成功：和美國(guó)加利福尼亞州一樣，擁有歷時(shí)20-25年仍然完好的橡膠瀝青路面；應(yīng)用領(lǐng)域包括混合料、應(yīng)力吸收層、應(yīng)力吸收中間層等；基本上已經(jīng)擁有了一整套橡膠瀝青相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。據(jù)了解，目前南非60%以上的道路瀝青使用橡膠瀝青，而且根據(jù)他們的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為對(duì)于超重軸載的使用環(huán)境，橡膠粉瀝青混凝土尤為有利。經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的應(yīng)用，廢舊橡膠粉在公路工程中的應(yīng)用大致經(jīng)過(guò)了5個(gè)發(fā)展階段，應(yīng)力吸收層；應(yīng)力中間吸收層；開(kāi)級(jí)配瀝青混凝土；連續(xù)級(jí)配瀝青混凝土；斷級(jí)配瀝青混凝土。經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，當(dāng)前大多數(shù)國(guó)家的技術(shù)指南中都明確規(guī)定橡膠粉應(yīng)用于斷級(jí)配瀝青混凝土。
2.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀
相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)的研究起步不晚，早在70年代末80年代初，幾乎是與美國(guó)在路面工程中使用橡膠粉處于同一時(shí)期。但由于早期橡膠粉生產(chǎn)工藝落后，廢舊輪胎的環(huán)保壓力不大等方面的原因，早期的重復(fù)研究多，實(shí)質(zhì)性整體性的突破少。
2001年春，交通部公路科學(xué)研究所首次在鋼橋橋面鋪裝中采用了30%的橡膠粉(相對(duì)于瀝青用量)，該橋面經(jīng)受了4個(gè)夏季的超重交通考驗(yàn)，基本保持完好，各項(xiàng)性能指標(biāo)保持優(yōu)良。同年由交通部設(shè)立，交通部公路科學(xué)研究所主持了交通部西部科研項(xiàng)目“廢舊橡膠粉用于筑路的技術(shù)研究”，對(duì)橡膠瀝青及橡膠粉瀝青混合料的路用性能及力學(xué)特性開(kāi)展了全面、系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。該項(xiàng)目對(duì)橡膠粉在瀝青混合料中的作用機(jī)理以及橡膠瀝青、橡膠瀝青混合料的力學(xué)特性和路用性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)合我國(guó)實(shí)際，提出了路用橡膠粉、橡膠改性瀝青和橡膠粉瀝青混合料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建議稿。在廣東、山東、河北、四川、貴州等地修筑總長(zhǎng)近30km的試驗(yàn)路和實(shí)體工程，到目前為止應(yīng)用效果良好。涉及到華南地區(qū)、西南地區(qū)、輕冰凍地區(qū)，三個(gè)氣候片區(qū)，為我國(guó)今后在道路工程中大規(guī)模推廣應(yīng)用橡膠粉技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
3 廢輪胎膠粉對(duì)路用性能的改善
橡膠粉瀝青混凝土包括干法和濕法兩種方法生產(chǎn)的瀝青混凝土。濕法指橡膠粉或顆粒與瀝青混煉或混合制成橡膠瀝青，橡膠瀝青作為粘結(jié)劑再與礦料拌和的工藝。干法則是指橡膠粉與基料先行拌和共混后再噴入瀝青拌制混合料的工藝。國(guó)內(nèi)外大量的試驗(yàn)結(jié)果和應(yīng)用實(shí)踐證明橡膠粉對(duì)瀝青和混合料都有顯著的改善效果。本文從橡膠粉對(duì)瀝青和橡膠粉對(duì)瀝青混合料的性能改善兩方面入手，分析橡膠粉的作用機(jī)理和對(duì)路用性能的改善作用。
3.1 廢輪胎膠粉在瀝青中的作用機(jī)理及性能改善
由于橡膠粉和瀝青的化學(xué)成分不相同，且都具有較強(qiáng)的惰性，它們相互接觸一般不產(chǎn)生直接的化學(xué)反應(yīng)，橡膠粉與瀝青拌和主要是融脹反應(yīng)。無(wú)論通過(guò)橡膠粉瀝青混合料反算的橡膠粉密度、采用瀝青浸漬法檢測(cè)橡膠粉密度、橡膠瀝青性能指標(biāo)，還是觀察其微觀照片，都發(fā)現(xiàn)橡膠粉的摻入改變了瀝青的性能，具有顯著的化學(xué)作用，但同時(shí)也能看到無(wú)論采用哪種拌和方式，橡膠粉顆粒在橡膠瀝青中都是天然存在的。大量研究成果認(rèn)為橡膠粉和瀝青兩種材料是在高溫條件下共混，其過(guò)程比較復(fù)雜，既不能用簡(jiǎn)單的物理過(guò)程來(lái)描述，也不能用復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程論之。橡膠粉正是在這雙重作用下在瀝青和瀝青混合料中產(chǎn)生作用，使得橡膠粉瀝青混凝土表現(xiàn)出與一般瀝青混凝土不同的路用性能。
輪胎的設(shè)計(jì)壽命一般為5-10年，輪胎在使用1-2年后因磨損就報(bào)廢了，因此廢舊輪胎橡膠粉主要的化學(xué)成分還是天然橡膠和合成橡膠(如丁苯橡膠、順丁橡膠)，還有硫黃、炭黑、氧化硅、氧化鐵、氧化鈣等添加劑成分。以上這些成分都是良好的瀝青改性劑，能夠改善瀝青的高低溫性能、抗老化性能、抗疲勞性能等作用。試驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果表明，橡膠粉的摻入能顯著提高瀝青的粘度、彈性恢復(fù)、5℃延度、軟化點(diǎn)，降低橡膠瀝青的脆點(diǎn)，提高瀝青的動(dòng)態(tài)剪切水平、低溫應(yīng)力、增大低溫變形，降低低溫勁度，降低老化前后的指標(biāo)差異。
3.2 廢輪胎膠粉對(duì)瀝青混凝土作用機(jī)理及性能改善
由于橡膠粉用于瀝青混合料既有對(duì)瀝青的改性作用，其顆粒在瀝青混合料中又是天然存在的，賦予了橡膠粉瀝青混合料良好的抗高溫性能、抗老化性能和彈性性能，使得橡膠粉瀝青混合料的受力特性也發(fā)生了變化。橡膠粉混凝土在承受動(dòng)載時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)增加，改善了其在承受動(dòng)態(tài)荷載時(shí)的受力狀態(tài)。多年的研究結(jié)果和工程實(shí)踐表明橡膠粉瀝青混凝土在降低路面噪聲，延緩反射裂縫，減薄瀝青路面厚度，抵抗重交通和不良?xì)夂蚍矫娑加忻黠@的優(yōu)勢(shì)。
3.2.1 降噪效果
由于橡膠粉本身的彈性，瀝青混合料中摻加橡膠粉后，混合料的彈性明顯增加，表現(xiàn)為回彈變形增大，模量減小。改善了瀝青混合料應(yīng)力擴(kuò)散和應(yīng)力吸收的效果，賦予橡膠粉瀝青混凝土良好的降噪效果。1981年，比利時(shí)科學(xué)家在布魯塞爾首先證明了橡膠瀝青混凝土的減噪效果。隨后世界各國(guó)相繼開(kāi)展了這方面的研究，修筑了大量的試驗(yàn)路。
3.2.2 抗高溫和重載性能
由于橡膠粉顆粒在混合料中的作用，橡膠粉摻入混合料后，混合料的內(nèi)摩擦角增大，同時(shí)橡膠厚度，粘聚力有所降低。根據(jù)材料的抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式：τ=c+σ·tgφ。對(duì)于超高溫環(huán)境和重載環(huán)境，橡膠粉混合料所體現(xiàn)出的抗剪強(qiáng)度增加機(jī)理尤為有利，因?yàn)殡S著混合料的溫度增加c值將大幅度降低，但φ值隨溫度的升高，變化不大，φ值的改善對(duì)重載高溫條件是相當(dāng)有利的。大量的工程實(shí)踐也證明橡膠粉混合料有較好的抗高溫和重載性能。
3.2.3 減薄路面厚度效果
國(guó)外研究還表明，橡膠粉瀝青混凝土在用于老路改建工程時(shí)，對(duì)減少路面的反射裂縫，提高路面的整體承載能力都十分有利，在相同的使用效果前提下，適當(dāng)使用廢舊橡膠粉可減薄瀝青混凝土面層的厚度。
4 有待解決的問(wèn)題
橡膠瀝青和橡膠粉瀝青混合料是眾多路面材料中的一種或一類，其技術(shù)性能的優(yōu)勢(shì)是有目共睹的。合理的使用這種材料，不僅有利于環(huán)保，而且對(duì)改善路用性能，延長(zhǎng)使用壽命起到積極的作用。為了更廣泛地推廣這項(xiàng)技術(shù)，在當(dāng)前仍存在一些問(wèn)題需要解決。
首先是盡快制定有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括：路用廢輪胎橡膠粉的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，橡膠瀝青及混合料的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)指南等。橡膠粉作為基本原材料，其質(zhì)量的穩(wěn)定關(guān)系到橡膠粉在公路行業(yè)應(yīng)用的前景。公路行業(yè)多年的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)表明，原材料的質(zhì)量規(guī)范化不僅對(duì)公路質(zhì)量起著重要作用，而且對(duì)其未來(lái)的市場(chǎng)發(fā)展有著關(guān)鍵影響。橡膠粉來(lái)源于廢舊輪胎，而輪胎的種類、配方比較多，因此也就決定了廢輪胎膠粉的成分比較復(fù)雜，則其對(duì)瀝青及混合料的性能影響也不盡相同。因此需要從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的綜合評(píng)價(jià)確定適用于公路的橡膠粉的技術(shù)指標(biāo)。從目前的研究認(rèn)識(shí)看，該指標(biāo)應(yīng)包括以下幾方面內(nèi)容：橡膠粉的加工方式；適于瀝青及混合料使用的橡膠粉的目數(shù)范圍；橡膠粉來(lái)源的推薦輪胎；橡膠粉中有效成分的規(guī)定；橡膠粉中纖維的合理含量等。由于專業(yè)上的局限，路用橡膠粉的技術(shù)指標(biāo)宜由橡膠粉行業(yè)與公路行業(yè)聯(lián)合制定。
橡膠瀝青是橡膠粉和瀝青的共混物，其質(zhì)量受到橡膠粉質(zhì)量、瀝青質(zhì)量、橡膠粉的摻加劑量，加工工藝等多方面因素的影響。橡膠瀝青作為橡膠粉在道路工程中使用的主要方式之一，橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)既要反應(yīng)其路用性能又要能成為橡膠瀝青質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)。
橡膠粉使用中的另一個(gè)技術(shù)關(guān)口在于橡膠瀝青及混合料的設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南的制訂。盡管已經(jīng)開(kāi)展過(guò)混合料指標(biāo)研究，修筑過(guò)大量的試驗(yàn)路和實(shí)體工程，總結(jié)了施工工藝和技術(shù)，但由于我國(guó)地域廣闊，各地的狀況不一樣，指南的制定也應(yīng)根據(jù)各地情況，從各地做起。在既有研究成果基礎(chǔ)上，根據(jù)各地區(qū)的交通環(huán)境和特點(diǎn)，開(kāi)展橡膠瀝青及混合料的性能的研究，制定有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)施工指南，是當(dāng)前橡膠粉在道路工程中應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。
以上幾個(gè)問(wèn)題是不少路用新材料在使用初期都遇到過(guò)的問(wèn)題。一方面需要加大宣傳力度，突出橡膠粉再生利用是個(gè)利國(guó)、利民、利路，有益于子孫的環(huán)保項(xiàng)目；另一方面，由于我國(guó)當(dāng)前對(duì)廢舊輪胎的環(huán)境壓力還不夠大，廢舊橡膠粉市場(chǎng)效益還不明顯，需要政府進(jìn)行相應(yīng)的政策支持，保證廢輪胎膠粉的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)；第三是需要科研的推動(dòng)，盡快進(jìn)行相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，改變當(dāng)前一些單位想用而不知道怎么用的現(xiàn)狀；第四是要轉(zhuǎn)變觀念，改變當(dāng)前全國(guó)同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一種材料打天下的現(xiàn)狀，根據(jù)橡膠粉瀝青混合料的特點(diǎn)，有針對(duì)性的使用。
5 結(jié)語(yǔ)
隨著橡膠粉工業(yè)化生產(chǎn)的推動(dòng)，施工工藝和道路材料及路面結(jié)構(gòu)研究的深入，橡膠粉作為一種新型的筑路材料，其應(yīng)用技術(shù)和使用效果在工程實(shí)踐中逐漸的顯示出來(lái)。廢舊橡膠粉用于筑路是能源再生利用，同時(shí)能夠降低行車噪聲，具有顯著的環(huán)保效益，對(duì)于可持續(xù)發(fā)展有重要的意義。并且能夠改善路用性能，節(jié)約建設(shè)投資，對(duì)我國(guó)當(dāng)前在有限的財(cái)力和物力下，修建出優(yōu)質(zhì)瀝青路面是一種很好的可選方案，具有良好的應(yīng)用前景。
