廢輪胎膠粉在公路工程中的應用及前景展望
時間:2005-10-24
隨著我國人民生活水平的提高和經濟建設的發展，汽車工業飛速發展，汽車保有量逐年迅速增加。我國將面臨目前國外發達國家早已遇到的大量廢舊輪胎的處理問題。據統計，我國的廢舊輪胎2002年達8000萬條，并將以每年12%的速度增加，到2005年將達到1.2億條，到2010年將達到2億條。大量的廢舊輪胎將會帶來嚴峻的環保問題。將廢舊輪胎加工成橡膠粉是國際上通用的廢舊輪胎再生處理方法，其中廢輪胎膠粉應用在公路行業中是廢舊輪胎處理的主要途徑之一。
同時，從1988-2003年底的15年中，我國建成了3萬多km的高速公路。根據國家的規劃，到2030年我國將建成8.5萬km的高速公路網。因此，我國目前正處在以高速公路為代表的公路建設的快速發展期。改善路面使用性能，延長路面使用壽命，節約建設投資，是我國公路行業所面臨的緊迫問題。應該看到，我國幅員廣闊，氣候和自然環境十分復雜，加之超載運輸現象十分普遍，對公路路面，特別是瀝青混凝土面層提出了較高的技術要求。將廢舊輪胎橡膠粉用于公路建設是解決當前面臨問題的有效途徑之一。
2 國內外應用現狀
廢舊輪胎橡膠粉在公路行業中特別是在瀝青和瀝青混凝土中的研究、應用在國際上已有比較悠久的歷史。國際上最早的橡膠瀝青文獻見于1843年的英國專利。現代意義上的橡膠瀝青混合料首先出現在上世紀的40-60年代的美國。美國橡膠回收公司(Rubber
Reclaiming Company)在上世紀40年代首先采用干拌法的生產工藝，生產了Ramflex TM橡膠粉瀝青混合料，美國專家Cbarles
McDdonald則首先采用濕拌法的生產工藝，在60年代生產了Overflex
TM橡膠瀝青混合料。國際上橡膠粉在公路上使用的領域主要有：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 國外現狀
從上世紀六七十年代以來，美國、瑞典、英國、法國、比利時、澳大利亞、日本、南非、印度等國家先后開展了橡膠瀝青和橡膠粉瀝青混凝土的應用研究。并通過立法和技術推廣，極大地促進了廢舊輪胎在道路工程中的利用。
上世紀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，以各種狀態堆積的輪胎數量大致為20-25億條。迫于輪胎帶來的環境壓力，美國通過了1991年聯邦地表協調聯運效率法案(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，大多數州啟動了相關立法程序，極大地促進了廢舊輪胎在道路工程中的利用，橡膠粉用于公路建設進入了新階段。截止到1993年，有27個州研究了橡膠顆粒改性瀝青及混合料，而總計38個州在瀝青混合料中使用過回收橡膠顆粒。據統計，到1997年的6年間，公路行業共消耗廢舊輪胎橡膠粉8000萬t，大約4億條廢舊輪胎。美國應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%)建設了5段試驗路。在經過最長4年的行車作用后性能檢測表明，添加橡膠粉的路段比對比路段的車轍要明顯小、抗滑性
能略強，但抗裂方面并沒有很大的區別。
在多孔隙路面的發源地法國，截止到1995年，橡膠瀝青多孔隙混凝土累積已經攤鋪了超過100萬m2路面，Alain
SAINTON總結多年的PAC路面室內研究和實際應用效果表明：橡膠粉改性PAC比普通PAC在保持持久排水性能、抵抗重交通、抗剪切和抵抗不良氣候影響等方面有明顯的優勢。
南非的廢舊輪胎橡膠粉在公路行業中的應用十分成功：和美國加利福尼亞州一樣，擁有歷時20-25年仍然完好的橡膠瀝青路面；應用領域包括混合料、應力吸收層、應力吸收中間層等；基本上已經擁有了一整套橡膠瀝青相關的技術指標。據了解，目前南非60%以上的道路瀝青使用橡膠瀝青，而且根據他們的經驗，認為對于超重軸載的使用環境，橡膠粉瀝青混凝土尤為有利。經過近半個世紀的應用，廢舊橡膠粉在公路工程中的應用大致經過了5個發展階段，應力吸收層；應力中間吸收層；開級配瀝青混凝土；連續級配瀝青混凝土；斷級配瀝青混凝土。經過實踐檢驗和經驗總結，當前大多數國家的技術指南中都明確規定橡膠粉應用于斷級配瀝青混凝土。
2.2 國內現狀
相比于國外，國內的研究起步不晚，早在70年代末80年代初，幾乎是與美國在路面工程中使用橡膠粉處于同一時期。但由于早期橡膠粉生產工藝落后，廢舊輪胎的環保壓力不大等方面的原因，早期的重復研究多，實質性整體性的突破少。
2001年春，交通部公路科學研究所首次在鋼橋橋面鋪裝中采用了30%的橡膠粉(相對于瀝青用量)，該橋面經受了4個夏季的超重交通考驗，基本保持完好，各項性能指標保持優良。同年由交通部設立，交通部公路科學研究所主持了交通部西部科研項目“廢舊橡膠粉用于筑路的技術研究”，對橡膠瀝青及橡膠粉瀝青混合料的路用性能及力學特性開展了全面、系統的試驗研究。該項目對橡膠粉在瀝青混合料中的作用機理以及橡膠瀝青、橡膠瀝青混合料的力學特性和路用性能進行了試驗研究，結合我國實際，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標準的建議稿。在廣東、山東、河北、四川、貴州等地修筑總長近30km的試驗路和實體工程，到目前為止應用效果良好。涉及到華南地區、西南地區、輕冰凍地區，三個氣候片區，為我國今后在道路工程中大規模推廣應用橡膠粉技術奠定了基礎。
3 廢輪胎膠粉對路用性能的改善
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。國內外大量的試驗結果和應用實踐證明橡膠粉對瀝青和混合料都有顯著的改善效果。本文從橡膠粉對瀝青和橡膠粉對瀝青混合料的性能改善兩方面入手，分析橡膠粉的作用機理和對路用性能的改善作用。
3.1 廢輪胎膠粉在瀝青中的作用機理及性能改善
由于橡膠粉和瀝青的化學成分不相同，且都具有較強的惰性，它們相互接觸一般不產生直接的化學反應，橡膠粉與瀝青拌和主要是融脹反應。無論通過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橡膠粉密度、橡膠瀝青性能指標，還是觀察其微觀照片，都發現橡膠粉的摻入改變了瀝青的性能，具有顯著的化學作用，但同時也能看到無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。大量研究成果認為橡膠粉和瀝青兩種材料是在高溫條件下共混，其過程比較復雜，既不能用簡單的物理過程來描述，也不能用復雜的化學過程論之。橡膠粉正是在這雙重作用下在瀝青和瀝青混合料中產生作用，使得橡膠粉瀝青混凝土表現出與一般瀝青混凝土不同的路用性能。
輪胎的設計壽命一般為5-10年，輪胎在使用1-2年后因磨損就報廢了，因此廢舊輪胎橡膠粉主要的化學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。試驗和應用結果表明，橡膠粉的摻入能顯著提高瀝青的粘度、彈性恢復、5℃延度、軟化點，降低橡膠瀝青的脆點，提高瀝青的動態剪切水平、低溫應力、增大低溫變形，降低低溫勁度，降低老化前后的指標差異。
3.2 廢輪胎膠粉對瀝青混凝土作用機理及性能改善
由于橡膠粉用于瀝青混合料既有對瀝青的改性作用，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生了變化。橡膠粉混凝土在承受動載時的動態響應增加，改善了其在承受動態荷載時的受力狀態。多年的研究結果和工程實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，抵抗重交通和不良氣候方面都有明顯的優勢。
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，表現為回彈變形增大，模量減小。改善了瀝青混合料應力擴散和應力吸收的效果，賦予橡膠粉瀝青混凝土良好的降噪效果。1981年，比利時科學家在布魯塞爾首先證明了橡膠瀝青混凝土的減噪效果。隨后世界各國相繼開展了這方面的研究，修筑了大量的試驗路。
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，混合料的內摩擦角增大，同時橡膠厚度，粘聚力有所降低。根據材料的抗剪強度的計算公式：τ=c+σ·tgφ。對于超高溫環境和重載環境，橡膠粉混合料所體現出的抗剪強度增加機理尤為有利，因為隨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值的改善對重載高溫條件是相當有利的。大量的工程實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
國外研究還表明，橡膠粉瀝青混凝土在用于老路改建工程時，對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，其技術性能的優勢是有目共睹的。合理的使用這種材料，不僅有利于環保，而且對改善路用性能，延長使用壽命起到積極的作用。為了更廣泛地推廣這項技術，在當前仍存在一些問題需要解決。
首先是盡快制定有關的技術標準，其中包括：路用廢輪胎橡膠粉的技術標準，橡膠瀝青及混合料的設計和施工技術指南等。橡膠粉作為基本原材料，其質量的穩定關系到橡膠粉在公路行業應用的前景。公路行業多年的經驗和教訓表明，原材料的質量規范化不僅對公路質量起著重要作用，而且對其未來的市場發展有著關鍵影響。橡膠粉來源于廢舊輪胎，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雜，則其對瀝青及混合料的性能影響也不盡相同。因此需要從技術和經濟兩方面的綜合評價確定適用于公路的橡膠粉的技術指標。從目前的研究認識看，該指標應包括以下幾方面內容：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范圍；橡膠粉來源的推薦輪胎；橡膠粉中有效成分的規定；橡膠粉中纖維的合理含量等。由于專業上的局限，路用橡膠粉的技術指標宜由橡膠粉行業與公路行業聯合制定。
橡膠瀝青是橡膠粉和瀝青的共混物，其質量受到橡膠粉質量、瀝青質量、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，橡膠瀝青的技術指標既要反應其路用性能又要能成為橡膠瀝青質量控制的標準。
橡膠粉使用中的另一個技術關口在于橡膠瀝青及混合料的設計施工技術指南的制訂。盡管已經開展過混合料指標研究，修筑過大量的試驗路和實體工程，總結了施工工藝和技術，但由于我國地域廣闊，各地的狀況不一樣，指南的制定也應根據各地情況，從各地做起。在既有研究成果基礎上，根據各地區的交通環境和特點，開展橡膠瀝青及混合料的性能的研究，制定有關的技術指標、設計標準、設計施工指南，是當前橡膠粉在道路工程中應用的發展趨勢。
以上幾個問題是不少路用新材料在使用初期都遇到過的問題。一方面需要加大宣傳力度，突出橡膠粉再生利用是個利國、利民、利路，有益于子孫的環保項目；另一方面，由于我國當前對廢舊輪胎的環境壓力還不夠大，廢舊橡膠粉市場效益還不明顯，需要政府進行相應的政策支持，保證廢輪胎膠粉的應用優勢；第三是需要科研的推動，盡快進行相關技術標準的制定，改變當前一些單位想用而不知道怎么用的現狀；第四是要轉變觀念，改變當前全國同一個標準，一種材料打天下的現狀，根據橡膠粉瀝青混合料的特點，有針對性的使用。
5 結語
隨著橡膠粉工業化生產的推動，施工工藝和道路材料及路面結構研究的深入，橡膠粉作為一種新型的筑路材料，其應用技術和使用效果在工程實踐中逐漸的顯示出來。廢舊橡膠粉用于筑路是能源再生利用，同時能夠降低行車噪聲，具有顯著的環保效益，對于可持續發展有重要的意義。并且能夠改善路用性能，節約建設投資，對我國當前在有限的財力和物力下，修建出優質瀝青路面是一種很好的可選方案，具有良好的應用前景。
