长沙至湘潭高速公路(复线)路面结构技术分析建议书

摘 要：上世纪90年代末和本世纪初，我国公路及市政道路建设速度加快，沥青路面的质量亟待提高，废胎胶粉在沥青路面中的应用更引起交通主管部门的重视。但橡胶沥青大面积在高速公路中使用，还未有成熟的经验，因此本文在长湘高速路面工程细化设计的基础上，对橡胶沥青以及SBS改性沥青进行了相关技术比较与分析，对本项目路面结构提出了经济、合理的方案。

关键词：橡胶沥青SBS改性沥青路面

据统计，今年我国废旧轮胎将达到2.21亿条，并以每年12％的速度递增，大量废旧轮胎所产生的黑色污染及其处理问题逐步凸现，橡胶粉改性沥青为废旧轮胎的再利用提供了一条行之有效的途径。以橡胶沥青作为结合料的橡胶沥青混合料路面(Asphalt Rubber Concrete，简称ARC)还具有降低行车噪音、减低环境污染、回收利用废旧轮胎等诸多环保功能，因而在国外得到广泛应用。

近些年各地科研机构和施工单位开展了废旧轮胎粉沥青混凝土路面的工程试用，但试用效果参差不齐，鉴于以上原因，在此对本项目的路面结构做一个技术分析。

一、 橡胶沥青路面的路用性能及发展过程

1、橡胶沥青的路用性能

橡胶沥青是一种性能优良的结构防水、粘结材料，而橡胶沥青混凝土作为道路的路面使用，具有以下技术优势：

 提高了沥青的弹性和弹性恢复能力，具有更强的抗反射裂缝的能力；

 提高了沥青胶结料的稠度，提高了沥青混合料的抗车辙性能；

 有较高的粘度，混合料不易析漏或泛油，提高了路面抗老化性能；

 降低了沥青路面的温度敏感性，改善了抗疲劳开裂的性能，提高了路面的耐久性；

 降低噪音方面功效显著；

 在相同的使用效果前提下，使用橡胶沥青可减薄混合料的厚度；

 路面防滑功能较好，减低溅水，大大提高了行车安全性；

 可延长使用年限，后期养护费用低；

 节约自然资源、降低成本。

2、我国橡胶沥青发展历史

我国交通系统自2000年起系统研究橡胶沥青应用技术。

 在上世纪七十年代末八十年代初，也开展了一些橡 胶沥青的研究，并运用于一些实体工程。

 早期研究以 “干法 ”为主，采用连续级配，与橡胶沥 青特性不适应，路用性能不理想，未能推广应用。

 由于橡胶粉加工工艺落后，加工的橡胶粉颗粒比较 粗，成本也较高，直到九十年代初关于这方面的研 究几乎一直停滞不前。

 国家发展改革委员会早在2003年12月就了1277号文件，将运用废弃橡胶粉生产改性沥青治理黑色污染作为国家扶持发展项目向全国推广。

 2007年，交通部将橡胶沥青技术列入《材料节约和循环利用专向行动计划》，进行高速公路工程示范并向全国推广。

 2009年7月和8月，橡胶沥青技术在北京八达岭高速公路路面加铺改造工程和长安街大修工程中规模化应用，标志着中国自主研发的废旧轮胎循环利用的橡胶沥青技术日臻成熟，并达到国际领先水平。

二、 橡胶沥青混合料的材料要求

1、废胎胶粉

（1）路用废胎胶粉应选用常温研磨的轮胎胶粉，设计选择斜交胎胶粉或天然胶含量较高的胶粉，且路用废胎胶粉颗粒要求应该在30～80目之间。

（2）为了保证橡胶沥青的施工和易性，废胎胶粉的掺量为基质沥青质量的20～30%。

（3）橡胶粉应无铁丝或其他杂质，纤维比例应不超过0.5%，一般应含有橡胶粉4%的碳酸钙，以防止胶粉颗粒相互粘结。

2、橡胶沥青

橡胶沥青技术标准是整个技术的核心，其主要主要指标是：针入度、软化点、弹性恢复及粘度。

 加工橡胶沥青的基质沥青采用A级70#道路石油沥青；

 对天然胶含量低的废胎胶粉，可增添一定比例的天然胶。

3、集料

3.1粗集料

粗集料必须采用石质坚硬、洁净、干燥、无风化、无杂质、近正方体、有棱角优质石料颗粒，必须严格限制集料的针片状颗粒含量，并且具有足够的强度，足够的耐磨耗性，粒径应大于2.36mm，粗集料必须与沥青有很好的粘附性，上面层宜采用玄武岩集料。中、下面层沥青混凝土以及封层和桥面防水粘结层均采用石灰岩集料。

3.2细集料

细集料采用坚硬、洁净、干燥、无风化、无杂质并有适当级配的人工轧制的玄武岩或石灰岩集料，粒径小于2.36mm，细集料不能采用石屑，严禁采用山场下脚料。

3.3矿粉

矿粉宜采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉，原石料中的泥土等杂质应除净。矿粉要求干燥、洁净，严禁使用拌和机回收的粉尘。

4、混合料级配

本项目橡胶沥青混凝土级配根据设计空隙率的水平，按照骨架嵌挤原理形成，均采用间断型级配设计。

5、外掺剂

目前来说，橡胶沥青外掺剂主要有维他连接剂（TOR）和多米克斯抗车辙剂（Domix）。

（1）维他连接剂（TOR）

TOR是一种具有双键结构的聚合物，它可以将硬沥青质和软沥青质中的硫与橡胶屑表面的硫交联起来形成一大环状和链状聚合物组成的网状结构，大量的试验和工程表明，其在改善橡胶沥青的相容性和提高橡胶沥青混合料施工和易性方面具有良好的效果。

（2）抗车辙剂（Domix）

Domix 是德国巴赛尔集团推出的第二代沥青道路抗车辙产品，为表面呈灰黑色的固体颗粒。适用于各类型沥青混合料中，高效的改善沥青混合料的性能。

三、 影响橡胶沥青性能的主要因素

橡胶沥青的性能影响因素比较多，综合起来主要有两大类：

一类是材料因素，具体有废胎胶粉的因素、沥青的因素、废胎胶粉的掺配比例、外掺剂等；二是加工因素，具体有拌和工艺、反应时间、反应温度等。

1、废胎胶粉

废胎胶粉是橡胶沥青的基本组成之一，对沥青的影响主要体现在废胎胶粉的来源、废胎胶粉的目数、废胎胶粉的掺量等因素。

一般来说，天然橡胶含量高的斜交胎的废胎胶粉在相同条件下，对橡胶沥青的性能改善好于合成橡胶含量高的子午胎。

2、基质沥青

基质沥青的品质不同，相同掺量的橡胶沥青的品质也不一样，基质沥青的配伍性是改性沥青的研究要点之一。试验研究表明，为了促进橡胶沥青的反应，国外一些橡胶沥青的技术指标中采用延展油，增加轻质组分，可促进废胎胶粉与沥青产生反应，使废胎胶粉更稳定地分散在沥青中。

3、外掺剂的因素

废胎胶粉和沥青都是惰性物，为了促进两者之间的反应，常在橡胶沥青中掺加一定比例的添加剂或改善废胎胶粉的活性，以增强废胎胶粉和沥青的反应，使废胎胶粉更容易分散在橡胶沥青中，充分发挥其优良的性能。

目前，国内外橡胶沥青中的添加剂种类主要有以下几种：

（1）活化剂（笨酚二硫化物）、优质芳烃油、松香丁苯橡胶和溶剂等；

（2）采用重油剂和脂肪酸等与废胎胶粉混合后再与沥青反应；

（3）成批生产的活性废胎胶粉。

4、搅拌工艺的影响

改性沥青的加工工艺主要有直接投入法和预混法两种。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太大，在改性成品中颗粒还会溶胀变大，而且废胎胶粉颗粒具有较高的韧性和弹性，高温状态下在沥青中的分布保持相对独立。

对橡胶沥青的加工而言，最节省、最实用的搅拌工艺是简单搅拌和低速剪切。当前国际上橡胶沥青的生产几乎都是采用简单搅拌和低速剪切的方式。

5、反应时间的影响

反应时间是影响橡胶沥青性能的一个非常重要的参数。大量试验结果表明，在高温下橡胶沥青的反应时间越长，橡胶沥青的高温性能会降低。

6、反应温度的影响

反应温度是影响废胎胶粉和沥青反应效果的另一个重要参数。在橡胶沥青加工过程中，反应的温度直接影响到最终生产的橡胶沥青的性能。

四、 橡胶沥青混合料路面在工程上的应用实例

自2004年由南非蓝派公司引入橡胶沥青生产、加工技术，目前已经在安徽、北京等近十个项目中得到应用，其中包括北京顺义潮白河右堤路、西城区展西路、朝阳区白庙路等北京市重点工程。

此外，江苏省交通科学研究院对橡胶沥青的技术研究也取得了较好的成果。下面，对目前几条应用橡胶沥青技术的公路做一下介绍：

五、 橡胶沥青混凝土与SMA及AC-C型沥青混合料性能比较

下面通过借鉴江苏省交通科学研究院曹荣吉撰写的《橡胶沥青断级配混合料AR-AC13S的性能评价》对橡胶沥青混合料、沥青玛蹄脂碎石（SBS改性）和密级配沥青混凝土（SBS改性）三种混合料的性能进行一下比较。

1、高温性能的比较

（1）车辙试验

车辙试验采用，试验温度60°，轮胎压力0.7MPa，采用混合料的蠕变曲线的斜率作为高温性能的评价指标。

三种混合料车辙动稳定度试验结果

由于SMA-13和AR-AC13均属于骨架密实型结构，因此混合料的高温性能优于AC-13C型结构，但AR-AC13结构的高温性能还是低于SMA-13混合料。

（2）动态模量

通过试验总结，AR-AC13混合料在无围压条件下，低频区的模量低于SMA-13及AC-13C，但在有围压条件下（100kPa，200kPa），其模量高于SMA-13及AC-13C。但在行车情况下，路面上混合料的变形均受到侧向约束。

（3）车辙因子

通过试验总结，在各种加载模式下，55℃车辙因子AR- AC13≈SMA-13＞AC-13C。

综合分析车辙试验动稳定度、动态模量、车辙因子等三个指标的评价结果，可以判定AR―AC13S的高温性能与SBS改性沥青的SMA-13相当，并优于SBS改性的AC-13C混合料。

2、低温性能的比较

通过试验方面总结，AR―AC13S混合料比常规的SBS改性沥青混合料具有更好的低温抗裂性能。主要有几下方面原因：一方面AR―AC13S沥青用量高，改善了混合料的低温变形能力；另一方面橡胶颗粒在AR―AC13S混合料起到增韧作用，橡胶相的存在使得材料的抗破裂能大大提高。

3、水稳定性比较

（1）浸水马歇尔试验

由于使用了改性沥青或橡胶沥青，三种混合料的残留稳定度都很高，均满足≥85的要求，AR―AC13S、 SMA-13的沥青用量高，沥青厚度大，残留稳定度略高于AC-13C。

（2）冻融劈裂试验

试验结果表明，同等条件下，连续级配的混合料劈裂强度会高于间断级配的混合料。传统试验也表明橡胶沥青的水稳定性欠佳，混合料设计时应特别关注，设计时应添加一定剂量的水泥（2%）作为抗剥落剂。

4、疲劳性能比较

抗疲劳性能反映了路面沥青混合料抵抗车辆荷载反复作用下弯拉应力（应变）的能力，对沥青路面的使用寿命有重要的影响。

疲劳试验采用应变控制方式进行，控制应变分别取200με和300με。疲劳试验的温度为15℃，疲劳试验结果表如下：

三种混合料的疲劳性能排序为AR-AC13＞SMA-13＞AC-13C。沥青混合料的弯拉变形依赖于沥青胶结料的应变，理论上混合料中沥青含量越高，则变形能力越强。对比疲劳试验结果，AR-AC13的疲劳寿命分别比SMA-13、和AC-13C提高了17%和87%。

这主要是一方面AR-AC13具有较高的沥青用量及混合料良好的级配构成有关，另一方面则更大程度上得益于橡胶沥青自身的疲劳性能。

综合以上试验及分析，AR-AC13混合料在保持较好的高温稳定性、水稳定性的前提下，具有突出的低温抗裂性能、抗疲劳性能。

六、 本项目橡胶沥青混凝土使用存在的问题

1、长湘高速公路的特点

本项目采用设计速度120km/h的六车道高速公路标准，根据本项目工程情况，本项目路面工程具有以下特点：

 交通等级属特重交通。设计交通量达60000辆，最大累计轴载达4.18×107次/车道；

 本项目所在区域属高温区，极端最高气温40.6°；年最大年降雨量达1751.2mm；

 本项目桥梁长度大，第1、2合同段桥梁长13379km，约占路线全长的38%；

 路基填挖交替频繁，易产生不均匀沉降；

 路线位于望城县境内，设计应符合“两型社会”建设需求；

2、原材料质量控制方面的问题

废胎胶粉来源于废轮胎，而轮胎一般大致可分为两类：一类是斜交胎轮胎，二是子午胎轮胎。从结构来看，主要区别在于是否有钢丝存在。

由于目前国内还未形成一套完整的废胎胶粉质量控制体系，精细胶粉成套生产线在国内仍是空白。尽管近期国内也从国外引进了一些设备，并研制了FCS废轮胎常温法精细胶粉成套生产线。但是橡胶沥青的原材料的采购以及质量控制仍是一个关键性问题。

3、造价方面问题

通过造价结果分析，虽然废胎胶粉叫SBS橡胶便宜很多，废胎胶粉约为3800元/吨，但是优于外掺剂的费用较高，因此采用橡胶沥青混合料的费用和SBS改性沥青SMA沥青玛蹄脂碎石混合料的费用非常接近。

七、 总结与建议

橡胶沥青作为一种新型的路面材料，用于沥青路面可改善路面使用功能，即可延长使用寿命，也可减轻废轮胎带来的环境压力，符合我国当前建设节约型社会和发展循环经济的政策。

近几年国内部分地区在橡胶沥青混凝土路面方面也取得了一定的经验，但橡胶沥青混凝土在高速公路上大面积使用的实例较为有限。面对这种新型的路面材料，在此提出以下建议：

鉴于橡胶沥青施工工艺控制和施工管理难度较大，且本项目位于京珠复线特重交通，为了保证路面的使用质量和效果，建议主线采用SBS改性沥青，橡胶沥青可作为专题研究项目，不推广应用。

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