废轮胎胶粉在公路工程中的应用及前景展望
    

废轮胎胶粉在公路工程中的应用及前景展望

南京李工

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。我国将面临目前国外发达国家早已遇到的大量废旧轮胎的处理问题。据统计,我国的废旧轮胎2002年达8000万条,并将以每年12%的速度增加,到2005年将达到1.2亿条,到2010年将达到2亿条。大量的废旧轮胎将会带来严峻的环保问题。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法,其中废轮胎胶粉应用在公路行业中是废旧轮胎处理的主要途径之一。

同时,从1988-2003年底的15年中,我国建成了3万多km的高速公路。根据国家的规划,到2030年我国将建成8.5万km的高速公路网。因此,我国目前正处在以高速公路为代表的公路建设的快速发展期。改善路面使用性能,延长路面使用寿命,节约建设投资,是我国公路行业所面临的紧迫问题。应该看到,我国幅员广阔,气候和自然环境十分复杂,加之超载运输现象十分普遍,对公路路面,特别是沥青混凝土面层提出了较高的技术要求。将废旧轮胎橡胶粉用于公路建设是解决当前面临问题的有效途径之一。

2 国内外应用现状

废旧轮胎橡胶粉在公路行业中特别是在沥青和沥青混凝土中的研究、应用在国际上已有比较悠久的历史。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40-60年代的美国。美国橡胶回收公司(Rubber Reclaiming Company)在上世纪40年代首先采用干拌法的生产工艺,生产了Ramflex TM橡胶粉沥青混合料,美国专家Cbarles McDdonald则首先采用湿拌法的生产工艺,在60年代生产了Overflex TM橡胶沥青混合料。国际上橡胶粉在公路上使用的领域主要有:橡胶沥青、橡胶(粉)沥青混凝土、橡胶粉改性乳化沥青、橡胶粉在基层中的使用、橡胶粉排水性材料。

2.1 国外现状

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,全美每年大概废弃2.35亿条汽车轮胎,其中小车轮胎约2亿条,以各种状态堆积的轮胎数量大致为20-25亿条。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(ISTEA)1038条款(要求在路面工程中逐步增加回收橡胶舶用量),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,橡胶粉用于公路建设进入了新阶段。截止到1993年,有27个州研究了橡胶颗粒改性沥青及混合料,而总计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。

1990-1993年,弗吉尼亚州用McDonald法(掺量约18%)和Rouse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。

在多孔隙路面的发源地法国,截止到1995年,橡胶沥青多孔隙混凝土累积已经摊铺了超过100万m2路面,Alain SAINTON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:和美国加利福尼亚州一样,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、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。经过近半个世纪的应用,废旧橡胶粉在公路工程中的应用大致经过了5个发展阶段,应力吸收层;应力中间吸收层;开级配沥青混凝土;连续级配沥青混凝土;断级配沥青混凝土。经过实践检验和经验总结,当前大多数国家的技术指南中都明确规定橡胶粉应用于断级配沥青混凝土。

2.2 国内现状

相比于国外,国内的研究起步不晚,早在70年代末80年代初,几乎是与美国在路面工程中使用橡胶粉处于同一时期。但由于早期橡胶粉生产工艺落后,废旧轮胎的环保压力不大等方面的原因,早期的重复研究多,实质性整体性的突破少。

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%的橡胶粉(相对于沥青用量),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。同年由交通部设立,交通部公路科学研究所主持了交通部西部科研项目“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的路用性能及力学特性开展了全面、系统的试验研究。该项目对橡胶粉在沥青混合料中的作用机理以及橡胶沥青、橡胶沥青混合料的力学特性和路用性能进行了试验研究,结合我国实际,提出了路用橡胶粉、橡胶改性沥青和橡胶粉沥青混合料技术标准的建议稿。在广东、山东、河北、四川、贵州等地修筑总长近30km的试验路和实体工程,到目前为止应用效果良好。涉及到华南地区、西南地区、轻冰冻地区,三个气候片区,为我国今后在道路工程中大规模推广应用橡胶粉技术奠定了基础。

3 废轮胎胶粉对路用性能的改善

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基料先行拌和共混后再喷入沥青拌制混合料的工艺。国内外大量的试验结果和应用实践证明橡胶粉对沥青和混合料都有显著的改善效果。本文从橡胶粉对沥青和橡胶粉对沥青混合料的性能改善两方面入手,分析橡胶粉的作用机理和对路用性能的改善作用。

3.1 废轮胎胶粉在沥青中的作用机理及性能改善

由于橡胶粉和沥青的化学成分不相同,且都具有较强的惰性,它们相互接触一般不产生直接的化学反应,橡胶粉与沥青拌和主要是融胀反应。无论通过橡胶粉沥青混合料反算的橡胶粉密度、采用沥青浸渍法检测橡胶粉密度、橡胶沥青性能指标,还是观察其微观照片,都发现橡胶粉的掺入改变了沥青的性能,具有显著的化学作用,但同时也能看到无论采用哪种拌和方式,橡胶粉颗粒在橡胶沥青中都是天然存在的。大量研究成果认为橡胶粉和沥青两种材料是在高温条件下共混,其过程比较复杂,既不能用简单的物理过程来描述,也不能用复杂的化学过程论之。橡胶粉正是在这双重作用下在沥青和沥青混合料中产生作用,使得橡胶粉沥青混凝土表现出与一般沥青混凝土不同的路用性能。

轮胎的设计寿命一般为5-10年,轮胎在使用1-2年后因磨损就报废了,因此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),还有硫黄、炭黑、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、抗疲劳性能等作用。试验和应用结果表明,橡胶粉的掺入能显著提高沥青的粘度、弹性恢复、5℃延度、软化点,降低橡胶沥青的脆点,提高沥青的动态剪切水平、低温应力、增大低温变形,降低低温劲度,降低老化前后的指标差异。

3.2 废轮胎胶粉对沥青混凝土作用机理及性能改善

由于橡胶粉用于沥青混合料既有对沥青的改性作用,其颗粒在沥青混合料中又是天然存在的,赋予了橡胶粉沥青混合料良好的抗高温性能、抗老化性能和弹性性能,使得橡胶粉沥青混合料的受力特性也发生了变化。橡胶粉混凝土在承受动载时的动态响应增加,改善了其在承受动态荷载时的受力状态。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方面都有明显的优势。

3.2.1 降噪效果

由于橡胶粉本身的弹性,沥青混合料中掺加橡胶粉后,混合料的弹性明显增加,表现为回弹变形增大,模量减小。改善了沥青混合料应力扩散和应力吸收的效果,赋予橡胶粉沥青混凝土良好的降噪效果。1981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。

3.2.2 抗高温和重载性能

由于橡胶粉颗粒在混合料中的作用,橡胶粉掺入混合料后,混合料的内摩擦角增大,同时橡胶厚度,粘聚力有所降低。根据材料的抗剪强度的计算公式:τ=c+σ·tgφ。对于超高温环境和重载环境,橡胶粉混合料所体现出的抗剪强度增加机理尤为有利,因为随着混合料的温度增加c值将大幅度降低,但φ值随温度的升高,变化不大,φ值的改善对重载高温条件是相当有利的。大量的工程实践也证明橡胶粉混合料有较好的抗高温和重载性能。

3.2.3 减薄路面厚度效果

国外研究还表明,橡胶粉沥青混凝土在用于老路改建工程时,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。

4 有待解决的问题

橡胶沥青和橡胶粉沥青混合料是众多路面材料中的一种或一类,其技术性能的优势是有目共睹的。合理的使用这种材料,不仅有利于环保,而且对改善路用性能,延长使用寿命起到积极的作用。为了更广泛地推广这项技术,在当前仍存在一些问题需要解决。

首先是尽快制定有关的技术标准,其中包括:路用废轮胎橡胶粉的技术标准,橡胶沥青及混合料的设计和施工技术指南等。橡胶粉作为基本原材料,其质量的稳定关系到橡胶粉在公路行业应用的前景。公路行业多年的经验和教训表明,原材料的质量规范化不仅对公路质量起着重要作用,而且对其未来的市场发展有着关键影响。橡胶粉来源于废旧轮胎,而轮胎的种类、配方比较多,因此也就决定了废轮胎胶粉的成分比较复杂,则其对沥青及混合料的性能影响也不尽相同。因此需要从技术和经济两方面的综合评价确定适用于公路的橡胶粉的技术指标。从目前的研究认识看,该指标应包括以下几方面内容:橡胶粉的加工方式;适于沥青及混合料使用的橡胶粉的目数范围;橡胶粉来源的推荐轮胎;橡胶粉中有效成分的规定;橡胶粉中纤维的合理含量等。由于专业上的局限,路用橡胶粉的技术指标宜由橡胶粉行业与公路行业联合制定。

橡胶沥青是橡胶粉和沥青的共混物,其质量受到橡胶粉质量、沥青质量、橡胶粉的掺加剂量,加工工艺等多方面因素的影响。橡胶沥青作为橡胶粉在道路工程中使用的主要方式之一,橡胶沥青的技术指标既要反应其路用性能又要能成为橡胶沥青质量控制的标准。

橡胶粉使用中的另一个技术关口在于橡胶沥青及混合料的设计施工技术指南的制订。尽管已经开展过混合料指标研究,修筑过大量的试验路和实体工程,总结了施工工艺和技术,但由于我国地域广阔,各地的状况不一样,指南的制定也应根据各地情况,从各地做起。在既有研究成果基础上,根据各地区的交通环境和特点,开展橡胶沥青及混合料的性能的研究,制定有关的技术指标、设计标准、设计施工指南,是当前橡胶粉在道路工程中应用的发展趋势。

以上几个问题是不少路用新材料在使用初期都遇到过的问题。一方面需要加大宣传力度,突出橡胶粉再生利用是个利国、利民、利路,有益于子孙的环保项目;另一方面,由于我国当前对废旧轮胎的环境压力还不够大,废旧橡胶粉市场效益还不明显,需要政府进行相应的政策支持,保证废轮胎胶粉的应用优势;第三是需要科研的推动,尽快进行相关技术标准的制定,改变当前一些单位想用而不知道怎么用的现状;第四是要转变观念,改变当前全国同一个标准,一种材料打天下的现状,根据橡胶粉沥青混合料的特点,有针对性的使用。

5 结语

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渐的显示出来。废旧橡胶粉用于筑路是能源再生利用,同时能够降低行车噪声,具有显著的环保效益,对于可持续发展有重要的意义。并且能够改善路用性能,节约建设投资,对我国当前在有限的财力和物力下,修建出优质沥青路面是一种很好的可选方案,具有良好的应用前景

来源:阿里巴巴网

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    收录时间:2013年07月28日 23:57:02 来源:阿里巴巴网 作者:匿名
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