石振武 王彬驊

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

隨著我國(guó)“十三五”規(guī)劃大力投資交通運(yùn)輸建設(shè)，我國(guó)已成為世界上公路建設(shè)總里程的第一大國(guó)。由于我國(guó)領(lǐng)土廣闊、地勢(shì)復(fù)雜，形成了多變的地理氣候。這促進(jìn)了我國(guó)公路建設(shè)在針對(duì)不同區(qū)域的氣候條件，需要因地制宜地制定政策和研究新型材料。溫拌橡膠瀝青混合料將溫拌技術(shù)和橡膠瀝青結(jié)合，降低拌合攤鋪溫度，節(jié)省能源使用，有效延長(zhǎng)路面的老化周期并兼具路面降噪效果。溫拌橡膠瀝青路面的推廣對(duì)提高黑龍江省寒區(qū)路面性能，完善省內(nèi)公路體系，推動(dòng)節(jié)能環(huán)保綠色公路建設(shè)有著積極的影響。

1 推廣溫拌橡膠瀝青路面的背景

1.1 規(guī)劃引導(dǎo)

2020年“十三五”規(guī)劃進(jìn)入收官之年，十三五規(guī)劃期間，國(guó)家在交通運(yùn)輸方面大力投資建設(shè)，達(dá)到近15萬(wàn)億元，其中公路7.8萬(wàn)億元左右，占比超50%。各省市召開(kāi)規(guī)劃設(shè)計(jì)會(huì)時(shí)，也倡議施工方根據(jù)省市自然條件，制定不同的施工技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 氣候影響

黑龍江省的地理位置獨(dú)特，位于歐亞大陸的東部，中國(guó)的最東北部，地處寒溫帶，氣候?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。全年的氣溫氣候表現(xiàn)為春季溫度低、空氣干燥且有凍土，夏季溫度高、雨水量大，秋季雨量充沛、晝夜溫差逐漸加大，冬季氣溫低、且時(shí)間漫長(zhǎng)。在氣候和環(huán)境的因素中，對(duì)路面影響較大的時(shí)間集中在夏季和冬季，高溫多雨和寒冷低溫影響著瀝青路面的使用壽命。

1.3 技術(shù)缺點(diǎn)

普通瀝青混合料在拌合過(guò)程中，高溫加熱會(huì)使有機(jī)膠結(jié)料老化加劇進(jìn)而影響路面的高溫和低溫性能。普通瀝青在160 ℃～180 ℃高溫拌合過(guò)程中，瀝青易揮發(fā)各類(lèi)氧化物及致癌物，對(duì)施工工人和自然環(huán)境造成危害。我國(guó)現(xiàn)行階段提倡綠色公路建設(shè)，注重環(huán)境友好型施工，將溫拌和橡膠兩者結(jié)合能夠?qū)υ瓱岚铻r青各方面性能進(jìn)行改善，更好的適應(yīng)我國(guó)寒區(qū)環(huán)境。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

溫拌技術(shù)和橡膠瀝青技術(shù)的研究最早起源于歐洲和工業(yè)國(guó)家，自20世紀(jì)60年代～90年代國(guó)外分別對(duì)這兩種技術(shù)開(kāi)展研究。其中溫拌技術(shù)主要成果是降粘型和發(fā)泡型技術(shù)，在20世紀(jì)末，美國(guó)借鑒歐洲先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，在技術(shù)上不斷創(chuàng)新，隨后幾年間提出的Sasobit,Aspha-min,Evotherm三種溫拌技術(shù)被廣泛應(yīng)用[1]。但是各國(guó)家的自然環(huán)境不同，也導(dǎo)致了對(duì)橡膠瀝青技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)、設(shè)計(jì)方法、施工工藝、再生技術(shù)不盡相同。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

在21世紀(jì)初，我國(guó)剛剛進(jìn)入溫拌瀝青的研究階段，主要的成就是中溫改性材料，當(dāng)時(shí)我國(guó)的冷拌技術(shù)、溫拌技術(shù)大多是應(yīng)用于修補(bǔ)和改造。直到我國(guó)引入Sasobit溫拌劑，應(yīng)用于高速公路路面，使得混合料的和易性提升，也改善了小廠(chǎng)溫拌劑易離析、難拌合的弊端。于2006年設(shè)立“廢舊橡膠粉用于筑路技術(shù)研究”項(xiàng)目，目的是為了形成中國(guó)特色的廢舊橡膠粉用于筑路的技術(shù)，同時(shí)顯著增強(qiáng)環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益[2]。目前國(guó)內(nèi)將溫拌技術(shù)和橡膠瀝青技術(shù)結(jié)合的研究數(shù)量不多，北方施工工程更是少之又少，大部分學(xué)者停留在室內(nèi)試驗(yàn)和理論研究，沒(méi)有注重環(huán)境和應(yīng)用效果。

3 原材料性能

瀝青選用橡膠瀝青外摻0.3%溫拌劑，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)原材料進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比表1技術(shù)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，溫拌劑能夠改善原橡膠瀝青的性質(zhì)，軟化點(diǎn)提高至72.6 ℃，改善高溫性能；延度提高至47.6 cm，低溫下延展性更好，提高低溫性能；彈性恢復(fù)提高至92.4%，改善了高溫性能。

表1 瀝青基本性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)

4.1 礦料配合比組成設(shè)計(jì)

根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果分析得出，初試級(jí)配B和C的試驗(yàn)結(jié)果均符合VCAmix16.5%的要求，最終選擇粗集料骨架分界集料通過(guò)率大且VMA較大的級(jí)配B作為設(shè)計(jì)級(jí)配。級(jí)配曲線(xiàn)如圖1所示。

表2 ARAC-16型橡膠瀝青混合料體積指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

4.2 確定最佳油石比

采用5.1%，5.5%，5.9%，6.3%，6.7%五種油石比進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。橡膠瀝青混合料空隙率偏小易出現(xiàn)車(chē)轍變形，偏大導(dǎo)致水分、空氣進(jìn)入混合料內(nèi)部，影響路面水穩(wěn)定性及耐久性。同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，確定采用設(shè)計(jì)空隙率中值對(duì)應(yīng)的瀝青用量5.9%為最佳瀝青用量。最佳瀝青用量的混合料技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表3 ARAC-16型橡膠瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表4 ARAC-16型橡膠瀝青混合料最佳瀝青用量技術(shù)指標(biāo)匯總表

5 溫拌橡膠瀝青混合料性能優(yōu)勢(shì)

5.1 優(yōu)越的降噪效果

橡膠粉摻入瀝青混合料中，分散在骨料的間隙中，由于橡膠粉材料的特有彈性，使得混合料在橡膠顆粒作用下具有高彈性。外部施加荷載時(shí)，能夠有效吸收振動(dòng)和沖擊作用，從而減少振動(dòng)和摩擦發(fā)出的噪聲，達(dá)到降噪的效果[3]。摻入橡膠粉能夠減少由車(chē)輛的振動(dòng)，給路面帶來(lái)的不利荷載影響，也能減少駕駛?cè)艘愿咚傩旭偟牟贿m感。增加路面表面的空隙率，以此將車(chē)輛路過(guò)時(shí)的噪聲進(jìn)行多次反射，汽車(chē)輪胎紋路中的氣體在高速行駛時(shí)壓縮爆破產(chǎn)生的噪聲減小[4]。在碾壓過(guò)程中盡量減小空隙體積，寒區(qū)春季、秋季晝夜溫差大，避免空隙體積過(guò)大會(huì)在水的作用下產(chǎn)生體積膨脹。

5.2 適應(yīng)寒區(qū)低溫環(huán)境

通過(guò)表5低溫彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，能夠發(fā)現(xiàn)溫拌橡膠瀝青的抗彎拉應(yīng)變更大，能夠有效的防止裂縫的產(chǎn)生。黑龍江地區(qū)冬季低溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，瀝青混合料路面在低溫開(kāi)裂時(shí)，通常是由于瀝青混合料的內(nèi)部溫度應(yīng)力，超過(guò)材料的抗拉疲勞強(qiáng)度而引起路面的裂縫。在寒區(qū)路面鋪設(shè)過(guò)程中，水穩(wěn)層在低溫條件下容易應(yīng)力集中產(chǎn)生收縮裂縫，使用溫拌橡膠瀝青混合料能夠有效減緩反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。在橡膠瀝青混合料中加入溫拌劑，不僅能夠使拌合溫度下降20 ℃～30 ℃，增強(qiáng)低溫穩(wěn)定性，在寒區(qū)應(yīng)用可以保證低溫性質(zhì)[5]。

表5 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)對(duì)比

5.3 兼顧應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境

表6中車(chē)轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)動(dòng)穩(wěn)定度的提高能夠說(shuō)明，加入溫拌劑對(duì)原橡膠瀝青如軟化點(diǎn)提高，提高了高溫穩(wěn)定性。橡膠粉能夠在混合料間，在不同荷載作用下能夠有效回彈，溫拌劑能夠在降溫時(shí)保證橡膠粉不被老化，大大提高了抗車(chē)轍的性能。在黑龍江地區(qū)高溫環(huán)境主要發(fā)生在夏季，白天路面溫度能夠達(dá)到60 ℃左右。加入溫拌劑的橡膠瀝青混合料相比于普通橡膠瀝青混合料溫度敏感性低，同時(shí)能夠降低加熱后的橡膠瀝青粘度，碾壓降溫后溫拌劑析出形成網(wǎng)狀晶體結(jié)構(gòu)大幅提高低溫下的粘度[6]。

表6 瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5.4 延長(zhǎng)路面使用壽命

表7中浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)，溫拌橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性均比原橡膠瀝青強(qiáng)，在黑龍江地區(qū)能夠更適應(yīng)寒冷環(huán)境下的使用，達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的。溫拌橡膠瀝青混合料在加熱、拌合、攤鋪過(guò)程中，避免了傳統(tǒng)高溫施工，使有機(jī)膠結(jié)料和橡膠粉更好的粘結(jié)骨料，減少高溫對(duì)有機(jī)材料的老化作用。摻入橡膠粉能夠使瀝青彈性恢復(fù)變大，老化前后的彈性恢復(fù)穩(wěn)定，使改性后的瀝青有抗老化的性能[7]。

表7 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5.5 推動(dòng)綠色公路建設(shè)

綠色公路注重公路建設(shè)的全過(guò)程統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、因地制宜[8]。目前國(guó)內(nèi)施工現(xiàn)場(chǎng)大多使用燃油加熱，溫拌橡膠瀝青混合料在拌合、攤鋪、碾壓過(guò)程均比熱拌瀝青混合料溫度低，降低施工溫度，可節(jié)省燃油使用，減少對(duì)不可再生資源的利用，降低實(shí)際運(yùn)營(yíng)成本?？蓽p少CO，CO2,NOX等溫室氣體以及致癌煙氣，不僅能夠保障施工工人身體健康，還能減少對(duì)大氣環(huán)境的污染。其中橡膠粉外加劑可以通過(guò)回收廢舊橡膠輪胎獲得，形成資源循環(huán)利用，減少了對(duì)有機(jī)資源的浪費(fèi)。使用溫拌橡膠瀝青混合料建設(shè)公路，路面穩(wěn)定性強(qiáng)、路用性能好都為后續(xù)的養(yǎng)護(hù)工作減少了大量的成本和工作。

6 結(jié)語(yǔ)

溫拌橡膠瀝青混合料將溫拌技術(shù)和橡膠技術(shù)相結(jié)合，平衡兩者使用關(guān)系，最大限度發(fā)揮兩者優(yōu)點(diǎn)，在低溫環(huán)境下發(fā)揮優(yōu)越性能，適合黑龍江等寒區(qū)地區(qū)積極推廣使用。施工過(guò)程能夠有效控制有害氣體排放，建成通車(chē)后路面具有降噪的效果，整個(gè)建造過(guò)程發(fā)揮了資源利用、節(jié)能減排等優(yōu)勢(shì)，切實(shí)推行了我國(guó)綠色公路發(fā)展政策。相比于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)綠色公路建設(shè)仍存在差距，要吸取國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)實(shí)情進(jìn)行新技術(shù)、新材料的推廣。