基于江西道路条件的废旧轮胎橡胶沥青路面应用研究

2018-11-20 15:46:41 中城华宇
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摘要:江西省地方标准《废旧轮胎橡胶沥青路面施工技术规范》于2014年2月正式实施,橡胶沥青具有优异的高低温性能以及抗老化、抗水损害、耐疲劳、低噪音,是一种典型的环保型路面材料,江西省各地市也正在因地制宜地开展橡胶沥青路面实施的相关工作。该文在橡胶沥青试验路的基础上针对江西省降雨量大、夏季高温周期长、重载车辆多等特点结合试验路5~7年的后期观测,进一步分析了橡胶沥青路面在江西省的应用条件,明确了部分关键技术指标的合理取值。

 

关键词:江西;高温多雨;橡胶沥青;路面;关键技术指标

 

随着中国经济的快速发展,汽车保有量也大幅上升,废旧轮胎数量不断增加,如何合理处理废旧轮胎逐渐成为一个社会焦点问题。

 

当前废旧轮胎的利用处理方式主要有炼制再生橡胶、燃料、提炼燃油、制作橡胶颗粒供使用。在废旧轮胎中含有大量的SBR、天然橡胶等高分子聚合物、炭黑、抗氧化剂等许多有益于改善沥青性能的材料,如果能够较为广泛地利用废旧轮胎橡胶来改善沥青的性能,这将会对实现中国“建设资源节约型、环境友好型”可持续发展战略起到有力的促进作用。

 

美国国会在1991年通过的“ISTEA”法案要求在1997年(及随后)凡是由联邦拨款生产的热拌沥青混合料利用废旧轮胎橡胶沥青使用的比例必须达到20%,加利福尼亚更是要求在2014年废旧轮胎橡胶沥青的使用比例要达到35%。

 

利用废旧轮胎橡胶作为改性剂的橡胶沥青技术一直是国内外公路界关注的要点,江西省于2014年2月正式开始实施江西省地方标准《废旧轮胎橡胶沥青路面施工技术规范》,目前正逐步推广,为保证废旧轮胎橡胶沥青技术能合理使用,该文将在对既有试验路的5~7年长期跟踪的基础上进一步明确规范规定的部分关键最低指标的合理取值。

 

橡胶沥青在江西省的发展历程

 

(1)20世纪80年代,在沥青混合料中直接加入橡胶粉作为填充料使用。1982年江西省公路管理局在龙南县105国道使用5cm橡胶沥青碎石结构进行了2km试验路罩面,由于当时使用的生产设备较为落后,在路上简易拌和设备中直接投入橡胶颗粒进行拌和,由于温度和拌和均匀性难以控制,实施后改善效果不明显。后来由于种种原因,橡胶沥青路面在江西省公路行业的应用研究一度停滞。

 

(2)2009年在九景高速技改项目中配合江西省交通运输厅和江西省科技厅课题《废旧橡胶粉改性沥青在九景高速公路路面工程中的应用技术研究》实施了10km试验段。详细实施方案:结合路面反射裂缝较为显著,把原沥青路面铣刨10cm冷再生后作为上基层,在上面铺筑1cm的橡胶沥青应力吸收层,再加铺6cm的橡胶沥青混合料(粗粒)中面层,最后加铺4cm的橡胶沥青混合料(细粒)上面层。该方案能有效遏制和延缓基层反射裂缝进一步蔓延,同时还能增强表面层的抗滑性和排水性,提高行车安全性。同时在九景高速雁列山隧道实施“白加黑”项目中使用了1cm橡胶沥青应力吸收层。

 

(3)2012年抚州市迎宾大道采用橡胶沥青技术进行“白加黑”改造江西省抚州市迎宾大道处于抚州交通黄金地段,过往车辆较多,为改善道路通行能力,提升城市形象,在原有水泥路面上加铺1cm应力吸收层、4cm橡胶沥青间断级配混合料中面层和4cm橡胶沥青间断级配混合料面层,抑制了原有路面的裂缝反射,改善道路的噪音污染,增强了道路表面抗滑系数,提高了行车安全性。

 

(4)2012年在抚吉高速新建工程项目中配合江西省地方橡胶沥青路面技术规范编制实施了5km试验段,采用了4cm的橡胶沥青间断级配表面层。

 

(5)2013年12月25日江西省质量技术监督局批复江西省地方标准《废旧轮胎橡胶沥青路面施工技术规范》(以下简称《规范》)于2014年2月正式实施。

 

橡胶沥青在江西的推广分析

 

社会效益分析

 

铺筑橡胶沥青路面,不仅可以大量消耗这些固体废弃物,解决社会的环保问题,而且有助于改善沥青路面质量,节约建设投资。所以橡胶沥青路面是一种生态环保型沥青路面,值得推广应用。

 

经测算,1km橡胶沥青路面需要消耗101t橡胶沥青,生产101t橡胶沥青需要消耗18.2t废旧轮胎胶粉,相当于可以使用600条大卡车的废旧轮胎。如果在江西省路面工程铺开废旧轮胎橡胶沥青的使用,按照每年修筑1000km二级公路沥青路面上中面层,每年将会消耗约100万条大卡车轮胎,将节省社会成本近亿元,同时将大大节省土地资源的占用。

 

同时橡胶沥青路面可以降低噪音,据实地测试,与SBS改性沥青路面相比,橡胶沥青路面可使噪音降低3.2dB,相当于减少了交通车流量75%。相应的道路附近居民将可以更好地享受低噪声路面带来的生活舒适性改善。

 

经济效益分析

 

胶结料。以2016年江西省平均市场价格70#道路石油沥青3000元/t为例。

 

混合料配合比。对于同等交通组成的情况下,相同的面层厚度,基质沥青价格分别为3000、5000元/t。

 

价格变动分析结果可知:若基质沥青价格保持在相对低位,橡胶沥青混合料的价格比SBS改性沥青混合料稍高。但总体来说即使基质沥青价格从3000元/t上涨至5000元/t,橡胶沥青混合料与SBS改性沥青混合料价格相差不大,平均增加混合料费用5%~10%。

 

路面全寿命周期成本。路面全寿命周期是指路面在有效使用期间所发生的与路面有关的所有成本,它包括设计成本、修筑成本、使用成本、维修保养成本、废弃处置成本等。

 

具体来说包含机构成本(建设成本、养护成本、残余成本)、使用者成本(车辆运营成本、阻塞引起的成本、绕行引起的成本、交通事故引起的成本)、社会成本(环境影响成本、风险成本)。目前国内外相关研究数据表明:①橡胶沥青路面的使用寿命较长于SBS改性沥青,这意味着在建设成本基本相当的前提下,橡胶沥青的大修周期更长,养护费用更少;②同一路段加铺橡胶沥青路面之后交通事故较加铺之前可减少主要事故50%以上,雨天主要事故更减小为40%左右。相关事故引发的直接损失和间接损失均大为减少;③路面噪音的降低可以大大缓解居民聚集区受交通噪声的困扰,减少相关疾病带来的支出。

 

综合以上分析可知:橡胶沥青混凝土路面较SBS改性沥青混凝土路面全寿命周期成本低。

 

路面结构设计

 

(1)根据交通运输部公路科学研究院研究结果:在常温或者统一荷载级位下,橡胶沥青混合料模量与SBS改性沥青混合料非常接近。故采用橡胶沥青混合料铺筑沥青路面,在结构层厚度计算上仍与一般路面结构设计计算一样,不受任何影响。

 

(2)根据国内外研究结果及多年的工程实践经验,无论普通AC混合料还是SBS改性沥青混合料,均可以用同等厚度的橡胶沥青混合料代替。

 

相关技术要求的进一步明确

 

橡胶沥青技术要求

 

《规范》所列橡胶沥青最低技术要求,在实际运用阶段应结合具体工程项目所处区域、承担的任务进行详细设计和分析。经过长期观测认为:江西省最高气温时间较长,城镇区域路段热岛效应明显,应将软化点设计为65℃为妥,但不应超过67℃,弹性恢复设计为≥80%,针入度设计为45。

 

上面层

 

《规范》阐述橡胶沥青混合料分为开级配和密级配两种。对于密实级配橡胶沥青混合料,应采用间断型级配。根据项目组连续后期观测,上面层采用AR-AC-13完全能够满足江西省的实际要求,故推荐上面层采用AR-AC-13。

 

面层应符合的性能要求

 

《规范》规定采用车辙试验检验橡胶沥青混合料的高温稳定性。

 

根据项目组对试验路的长期观测和试验分析,发现部分红绿灯管控的平交道口由于大量超载货车频繁地启动刹车,存在轻微的推移现象,故推荐将重交通上、中面层动稳定度提高到4000次/mm,下面层相应提高为3000次/mm。重及特重交通等级上、中面层提高为5000次/mm,下面层提高为4000次/mm,若较难以达到时,建议适当添加抗车辙剂以满足要求。

 

同时混合料级配设计时,通过9.5、4.75mm的质量百分率往中位值以上靠更能符合使用要求。

 

结论与展望

 

江西省地处亚热带季风气候区,夏季高温多雨,道路车辙多发、水损坏严重;冬季低温潮湿,冰冻深度较大,这种气候状况为道路建设带来很多难题。将橡胶沥青技术应用在江西省的路面建设中,既能将废旧轮胎变废为宝,实现资源的循环利用,减少对土地资源的占用,又能改善江西省道路路面的服务质量,延长道路的服务寿命,降低道路的全寿命周期成本,实现资源循环利用与设施建设的“双赢”局面。

 

现有的橡胶沥青技术已逐渐成熟,在欧美、日本等发达国家广泛应用。中国部分城市也铺设了橡胶沥青的试验路段,路用状况良好,但由于中国对橡胶沥青技术的应用起步较晚,现在尚未形成大规模的应用状况,这是由于橡胶沥青用于筑路技术的应用仍然存在着不少问题。例如:①掺入橡胶粉的沥青黏度大,需要提高施工时的生产、摊铺、碾压温度,目前可以通过温拌技术予以适当降低;②橡胶沥青的生产需要专门的技术和设备,初期投入大,如果能够得到较大规模的应用可以摊销直接投入费用;③路面结构厚度受一定限制,更适宜于制作磨耗层。

 

江西省适逢路网迅速发展的契机,高速公路技术改造及大量国省公路和城市道路都需要服务水平好、使用寿命长、性能优异的改性沥青材料。《废旧轮胎橡胶沥青路面施工技术规范》2014年2月已经在江西省开始实施,该文希望通过对已经修筑的橡胶沥青应力吸收层及橡胶沥青混合料的试验路长期跟踪,进一步探索橡胶沥青混合料的施工技术要求和工艺,为橡胶沥青技术在江西省的大规模应用提供切实有效的技术支持。