橡胶沥青混凝土路面在我国的应用现状

曹艳霞 谢天赐

（湖南交通工程学院交通运输工程学院,湖南 衡阳 421000）

汽车保有量的逐年增加导致了大量废旧轮胎的积累，对环境造成了严重的“黑色污染”和资源浪费。中国现在是世界上最大的废旧橡胶轮胎产生大国。由于橡胶和沥青均属于有机材料，具有高度亲和性，将旧轮胎研磨成橡胶粉以制作道路用橡胶沥青，是处理大量旧轮胎的最有效方法之一。橡胶沥青是将橡胶粉颗粒与基质沥青在180 ℃以上的高温下充分搅拌混合，形成二者完全溶解的改性沥青黏结材料，主要用于道路结构的面层或应力吸收层。而稳定型橡胶沥青改善了传统橡胶沥青的储存稳定性和抗离析性。

1 橡胶沥青改性机理研究

橡胶粉的化学成分十分复杂。在高温下，橡胶粉的组成成分会与沥青发生一系列反应，改变原本沥青的性能。通过查阅国内外相关文献资料可知，目前关于橡胶沥青的改性机理，主要有以下3种观点。

1.1 物理共混说

当橡胶粉加入沥青中时，橡胶粉吸收沥青中的轻质成分（如石蜡、饱和分等）后会引起膨胀和溶解作用，其反应不是化学反应，而是物理反应。在物理反应后，沥青的性质会发生变化，原沥青基体中4种成分的比例有所改变，沥青质和胶质的比例相对增加，而橡胶粉的体积膨胀增大，橡胶粉颗粒在沥青中的平均间距减小，导致沥青的黏度明显增加。另外，橡胶成分在一定程度上溶解于沥青，从而增加了沥青的黏度，改善沥青的黏弹性能。然而，橡胶粉和沥青之间的相容性并不完美，橡胶沥青在高温下长期储存会出现结块和离析等现象，而且相容性与原材料的性质和制备过程有很大关系[1]。一些学者认为，在理想状态下，橡胶粉和沥青是一个连续稳定的两相系统，该系统在宏观上是均匀的，在微观上是精细的分布。

1.2 化学共混说

通过红外光谱试验证实，橡胶沥青在制备过程中发生了化学反应。当橡胶的C-S键断裂（脱硫）时，橡胶变得更加黏稠，弹性降低；当C-C键断裂（降解）时，橡胶的分子链断裂，其分子量降低。决定橡胶沥青是以溶胀占主导地位的物理反应还是以脱硫和降解占主导的化学反应，最主要的因素是温度。试验表明，当制备温度低于150 ℃时，预计橡胶沥青中根本不会发生化学反应；在150～200 ℃之间，化学反应的强度随着制备温度的升高而增加，超过200 ℃，化学反应的强度急剧增加。

1.3 网络填充说

当橡胶粉完全溶胀时，其体积会膨胀3～5倍，占胶结料总体积的30%～40%。橡胶粉掺量的多少使得橡胶粉在沥青中形成不同的结构状态。当橡胶粉的掺量较少时，膨胀的橡胶粉会悬浮在沥青中，而不是连续的颗粒；当橡胶粉的掺量增加到一定程度时，溶胀后的胶粉在沥青中能够相互搭接形成网络结构；进一步增加橡胶粉的掺量，沥青中溶胀后的胶粉颗粒彼此连接接触，形成半固态的连续结构，使得沥青不能自由运动。溶胀是橡胶沥青改性的重要环节，而沥青中橡胶网络结构分散程度不同的这种现象也会使沥青的性能指标发生不同程度的变化。

2 橡胶沥青路面的优点

2.1 良好的路用性能

通过在沥青中加入橡胶粉，沥青的黏度会得到极大的改善，在高温下的抗变形能力会有显著的提高，抗变形能力的提高可提供防水性能。橡胶沥青具有较高的低温回弹力和良好的黏性韧性，这使得它不容易出现低温开裂，尤其是在高寒地区，在旧路修复中能有效减少路面开裂和反射裂缝。橡胶沥青对太阳的红外线和紫外线也不太敏感，这使其成为一种出色的抗老化材料。

2.2 提高行车安全性

旧轮胎含有炭黑，可使橡胶沥青路面更加黝黑，增加与道路标记的对比度，从而提高司机在夜间驾驶的能见度。同时，橡胶沥青路面采用骨架密实间断结构，可长期保持良好的抗滑性能，并且在高寒地区橡胶沥青路面能有效改善积雪结冰问题，提高行车的安全性。

2.3 良好的经济效益

路面寿命周期内的费用主要包括管理部门费用，如设计、施工、改造和维护费用；用户费用，如车辆运行费用、延误费、行程时间费和事故费用。因此要评价橡胶沥青路面与普通沥青路面、SBS改性沥青路面的最终经济效益，需要用现值表示不同时间发生的费用，才能对各个方案做出合理的经济比较。相比之下，对于修建24 m宽（6车道）、4 cm厚表层的沥青混凝土路面，与橡胶沥青相比，普通沥青的每公里费用至少多44万元，SBS改性沥青的每公里费用至少多24万元[2]。另外，在同等的交通路面状况、交通量和使用寿命下，橡胶沥青路面与其他沥青路面相比较，可降低约1/3的厚度，对应可降低造价18.8%，并大大地缩短施工工期。因此，橡胶沥青具有良好的经济效益。

2.4 有效降低噪音

据统计，5 cm厚的橡胶沥青路面所产生的噪音与10 cm厚的普通沥青路面相同，尤其是当车辆在高速公路上以60～100km/h的速度行驶时，与传统公路相比，橡胶沥青路面噪音能够有效降低3～8dB[3]。相当于道路上的交通量减半，或者车速降低25%，大幅降低的噪音能有效改善城市环境。

2.5 减少“黑色污染”，推进资源集约利用

生产橡胶沥青可以消耗大量的废旧橡胶轮胎，可有效减少“黑色污染”，缓解了废旧轮胎带来的环保问题。另外，橡胶沥青在沥青混合料再生技术中的应用，提高了废弃沥青混合料的利用率，避免了废旧料的堆积，能有效推进资源集约利用。

3 橡胶沥青路面的应用

国际上关于橡胶沥青的第一份文献是1843年在英国授予的专利。20世纪40年代，美国成功地生产了橡胶沥青混合料，1988年，在亚利桑那州的一个实际项目中使用具有间断级配的橡胶沥青混合料，标志着橡胶沥青技术的全面成熟[4]。到1998年底，美国已经铺设的橡胶沥青路面已超过11 000km。此外，其他国家如加拿大、法国、澳大利亚、芬兰等也已经成功地将橡胶沥青用于高速公路和高等级道路的建设。

国内关于橡胶沥青起步于20世纪80年代，2000年后橡胶沥青为快速发展阶段，最具代表性的是在2001年交通部立项开展的“废旧橡胶粉用于筑路的技术研究”中，首次全面分析了橡胶沥青路面的前景和性能应用。此后，国内学者开始对橡胶沥青混合料进行研究，同时，一些省、市和行业部门发布了关于橡胶沥青设计和施工的法规和技术指南。目前，国内对橡胶沥青的研究和应用主要集中在以下3个方面。

3.1 铺筑新建高速公路

新建高速公路中，橡胶沥青可作为应力吸收层材料、罩面材料、开级配表层材料等，从实际效果来看，橡胶沥青能够减少反射裂缝，提高道路的抗疲劳等性能，并且能够延长道路使用寿命。

1982年至1986年间，对江西和四川省的橡胶沥青路面进行了测试，经过10多年的密集使用，橡胶沥青取得了良好的效果，如光反射和路面开裂减少、提高了路面的高温稳定性等。

在2003年10月开始施工的宁昌高速公路上，采用了ARAC20橡胶沥青混合料作为路面结构的上面层，以提高路面的抗疲劳和抗裂性。实验室测试结果表明，AR-AC20沥青的疲劳寿命比同等级的SBS改性沥青长5倍，表明其抗疲劳性能优越。此外，橡胶沥青路面还具有比普通沥青混凝土路面噪音小的优点[5]。

2015年10月底，连接兰州新区与老城区的兰秦快速路全线通车，该路段选用ARAC-13作为表面层混合料。由于橡胶沥青路面优良的冬季柔性、抗高温变形能力、抗老化性和低噪音性能，而兰州冬季寒冷，夏季炎热，紫外线强烈，重型车辆比例高，需要安静的生活环境，因此该橡胶沥青路面是兰州新区理想的选择。

此外，河北省颁布了省级标准DB13/T 1013—2009《废轮胎橡胶沥青及混合料技术标准》和DB13/T 2780—2018《稳定型废轮胎橡胶改性沥青技术要求》，建立了沥青及混合料的相关技术指标体系。该指标体系已被应用于邢汾高速（2013年）京港澳高速（2014年）京港澳高速公路京石段（2014年）、保沧高速（2015年）张承高速（2016年）邢台外环西线（2017年）曲港高速（2018年）等项目。铺设的里程数已经超过1 000km。通过后续观察表明了这一应用的有效性。通过研究和实际应用，河北在橡胶改性沥青混凝土的设计和施工方面已经有了成熟的技术[6]。

3.2 路面改造维修工程

2013年7—8月，京台高速公路曲阜段养护维修工程中，将单层铺筑厚度为4 cm的SMA-13稳定型橡胶改性沥青混合料用于东幅桩号 K528+200—K522+100 施工段落的表面沥青层施工。自建设和运营结束以来道路状况良好，没有病害，证明了稳定型橡胶改性沥青和沥青混合料的良好道路性能。此外，与常用的改性沥青相比，使用稳定型橡胶改性沥青可以节省10%的材料成本[7]。

在常州常武路改造工程中，考虑到该路段的交通特点、施工、成本和环保等因素，最终决定采用SAMI+8 cm Sup20+4 cm AR-AC13（夹层—中、下面层—上面层）。从使用情况看，常武路路面整体抗滑性能、路面车辙系数、摩擦系数均优良，而且路面没有出现泛油病害，这证明ARAC13橡胶沥青能有效地适应于水泥路面的修复工程[8]。

S309省道江拔线新昌段路面大中修工程K60+300 —K62+562 段病害处治后加铺 5 cmAC-16 沥青砼+4 cmAR-13C橡胶沥青砼，这是橡胶沥青施工技术首次应用于绍兴的路面修复项目。该项目实时降低路面噪音1/3、每公里省道节约中修经费近30万元，还大大提高了车辆行驶的安全性和舒适性。经过浙江省交通科学研究院和新昌县公路段近2年时间的实践论证，橡胶沥青路面技术向我们展示出其未来非凡的应用前景[9]。

盐靖高速公路试验段在原路面上面层铣刨4 cm后，回填4 cm PAC-13 高胶高黏改性橡胶沥青混合料。根据盐靖高速公路沥青排水沥青路面开通后的现场勘察数据以及开通6个月后的数据，排水路面铺筑后的路面外观良好，路面平整度、透水性、抗滑性等指标均符合设计要求[10]。

3.3 厂拌热再生

到2020年底，中国的公路总里程已达到519.81万km，其中16.1万km为高速公路，已建成的高速公路中，沥青路面覆盖率超过90%。由于不断增长的交通量、重载超载、复杂自然环境、施工控制不当等因素综合影响，一些沥青路面，特别是交通量大的路面，在达到设计寿命之前就已经出现了不同程度的损坏，进入了大保养和维修阶段，产生了大量的废旧沥青混合料。

沥青路面回收料(RAP)的循环再生利用是发展环境友好型交通和促进资源集约利用的最重要举措之一。沥青路面厂拌热再生技术，是根据再生路面的设计要求，根据再生旧料预处理后的技术特点，按照沥青混合料的合成级配和新矿物的数量，将一定比例的沥青和添加剂加入再生沥青混合料中热拌、摊铺和碾压的再生沥青路面技术。传统的热再生沥青路面的长期性能较差，聚合物改性剂的使用影响了热再生技术的经济性，限制了该技术的广泛采用。因此国内外学者专家对橡胶沥青与再生技术的复合应用进行研究，以获得更为优异的再生沥青混合料性能。但目前此研究较少，大多数是针对橡胶沥青再生混合料的生产工艺以及优化其路用性能方面。

东南大学的董桢从稳定型橡胶沥青及其再生沥青微观结构分析、复合再生沥青胶结料性能、混合料配合比设计及性能研究等方面，对稳定型橡胶沥青与热再生技术复合应用进行全面研究[11]；程其瑜通过实验对30%～ 50% RAP掺量的再生混合料材料组成设计，分析了3种典型级配在不同油石比下RAP掺量对再生沥青混合料马歇尔指标的影响规律，得出RAP 掺量比油石比对马歇尔指标的影响程度更大，4.8%油石比为最佳油石比[12]；另外，该学者还研究得出：稳定型橡胶沥青与 SBS 改性沥青在针入度、软化点和弹性恢复率等指标方面接近，RAP掺量低于50%时，稳定型橡胶沥青再生混合料的各项路用性能如高温、低温稳定性及水稳定性均满足规范要求，但随着RAP掺量的提高，其动态模量、抗车辙能力、抗水损能力提高，但低温稳定性及抗裂性能有所下降[13]。

4 橡胶沥青路面施工要点

（1）橡胶粉作为原材料之一，对其质量特别是橡胶粉的细度应进行严格的控制。

（2）在生产橡胶沥青时，应将反应温度控制在190～218 ℃，保证橡胶沥青的搅拌时间不少于45 min，并连续测量橡胶沥青的粘度指数。一旦橡胶沥青的生产完成，储罐中的温度应调节在190～218 ℃[14]。

（3）通过试验方法来确定橡胶沥青混凝土级配的油石比，拌和橡胶沥青混合料温度通常控制在170～185 ℃，不允许温度超过195 ℃。搅拌时间可以通过试拌来确定，一般情况干拌时间需要大于15 s，湿拌时间需要大于45 s，以确保沥青混合料的均匀混合。

（4）一般情况下橡胶沥青的加工时间是在施工前的1～2 h，并且在加工完毕后，要对其黏度进行检测。加工出的橡胶沥青的使用期限也需少于4 h。

（5）在运输橡胶沥青混合料时，温度通常控制在165 ℃，在炎热天气下短途运输时可降至150 ℃，在寒冷天气下长途运输时升至175 ℃。

（6）在正式铺设沥青路面之前，需要铺设200 m以上的试验段，以测试实际生产配合比和辅助工艺、人员和机械配备的合理化。

（7）摊铺作业时速度控制在1～3 min/m，两台摊铺机距离控制在10 m左右，以形成良好的热接缝。

（8）压实作业包括初压、复压和终压。橡胶沥青混凝土通常是利用钢轮压路机紧跟随摊铺机进行振动碾压。初压需要较高的温度，必须在摊铺后趁着高温及时进行。初压温度宜控制为155～165 ℃，复压温度为135～145 ℃，终压温度为90～100 ℃，橡胶沥青混合料的温度一旦下降，便很难碾压。终压后确保压实度96%及以上，12 h内不允许车辆通行。

5 结语

橡胶沥青路面具有节能环保、性能优异、施工简便等优点，在道路建设中得到越来越广泛的应用。通过国内工程实例，橡胶沥青路面无论是在新建高速公路面层铺筑还是路面改造维修工程中，均具有良好的应用前景，但目前橡胶沥青应用于厂拌热再生技术中，还仅仅停留在理论、实验研究阶段，需要国内更多的学者投入对橡胶沥青的研究。