橡胶沥青在路面养护工程中的应用技术研究.docx
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橡胶沥青在路面养护工程中的应用技术研究
专业硕士学位论文
橡胶沥青在路面养护工程中的应用技术研究
Studyonapplicationtechnologyofrubberasphaltinpavementmaintenanceengineering
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年月日
摘要
随着经济和汽车工业的发展,我国的汽车使用量越来越大,而大量的废旧汽车轮胎的处理也成为了一项重要的研究课题。
本文以橡胶沥青技术在浙江的研究和应用为背景,结合新昌江拔线的工程案例,从橡胶沥青的性能、评价指标,橡胶沥青的配合比设计以及橡胶沥青的生产工艺等几个方面进行了研究,并就以下内容进行了试验:
1、新昌橡胶沥青试验路段ARAC-13集料采用玄武岩,同时添加占集料2%的矿粉;
2、ARAC-13混合料配合比设计根据新昌项目特点,结合《橡胶沥青及混合料设计施工技术指南》的要求,采用了断级配密实骨架嵌挤式级配,采用马歇尔击实法(双面各75次),击实温度控制在175~180℃;
3、采用的集料毛体积相对密度2.8,初始油石比采用6.5%,采取双面75次制作马歇尔试件,经过试验确定ARAC1-13的最佳油石比为7.0%。
结合江拔线试验路段的铺设应用,并对该路段橡胶沥青混合料的使用情况进行了跟踪检测,为橡胶沥青在路面养护工程中的应用提供了数据和技术支持。
通过研究,得出如下结论:
1、从试验结果来看,ARAC1-13沥青混合料各项体积指标、水稳定性能、高温性能均满足要求。
2、试验结果表明,橡胶沥青混合料回弹模量值要高于改性沥青混合料,说明橡胶沥青混合料强度要优于改性沥青混合料,抗变形能力更强。
关键词:
橡胶沥青,配合比,评价指标,生产工艺
Abstract
Withthedevelopmentofeconomyandtheautomobileindustry,China'sautomobileuseismoreandmore,andtheprocessingofalargenumberofscraptireshasbecomeanimportantresearchtopic.
ThispapertakestherubberasphalttechnologyresearchandapplicationinZhejiangasthebackground,combinedwiththenewChangjiangpulllineengineeringcase,fromtheperformance,theevaluationindexofasphaltrubber,compoundrubberasphaltwasstudiedmorethanseveraldesignandrubberasphaltproductiontechnologyandotheraspects,andcarriesouttheexperimentonthefollowingcontents:
1.XinchangtestsectionofasphaltrubberARAC-13aggregatebybasalt,whileaddingpowderforaggregate2%;
2.Mixdesignaccordingtothecharacteristicsoftheproject,Xinchang2ARAC-13mixture,combinedwiththe"rubberasphaltandmixturedesignandconstructiontechnicalguidelines"requirements,thefaultgradeddenseskeletonusingblockextrusiontypegradation,usingMarshallcompactionmethod(75sides),compactiontemperaturecontrolat175to180DEGc;
3.Theaggregategrossvolumerelativedensity2.8,thanthe6.5%initialWhetstone,takingsides75productMarshallsample,aftertheoptimumasphalttesttodeterminetheARAC1-13ratioof7%.
Combinedwiththeapplicationoftestsectionofriverpulllinelaying,andpropertiesofthesectionsistrackingdetectionandcomprehensiveevaluation,providedataandtechnicalsupportforthestudyoftheuseofrubberasphaltmixtureinChinaontheroad.Throughtheresearch,drawsthefollowingconclusion:
1.theexperimentalresultsshowthattheARAC1-13asphaltmixturevolumeindex,waterstability,hightemperaturepropertiesaresatisfied.
2.thetestresultsshowthatthematerialmodulusofresilienceofrubberasphaltmixturewashigherthanthatofmodifiedasphaltmixture,showstherubberasphaltmixturestrengthissuperiortothemodifiedasphaltmixture,strongerdeformationresistance.
Keywords:
Rubberasphalt,Themixtureratio,Evaluationindex,Productionprocess
第一章绪论
1.1研究背景和意义
1.1.1研究背景
随着我国经济持续快速的发展,在短短的二十年呈现了迅猛的发展势头。
截至2011年,我国高速公路总通车里程数达到了8.5万公里,居世界第二,而我国新建的高速公路大多是沥青路面。
按照国家高速公路发展的规划,我国到2020年将实现高速公路总通车里程10万公里。
我国近年来新建的沥青路面中,受到环境和人为的破坏,出现了个各种损坏和永久变形,不得不进行修复和改建。
我国每年有大约有2~3千公里的路面需要大修罩面。
因此,我国公路建设行业为了节约建设资金,提高公路使用质量和性能,必须研究经济优质的路面建设方案,
我国的汽车保有量随着汽车工业技术的进步和发展,每年呈上升趋势。
每年有大批的废旧汽车轮胎等待处理。
据统计,2010年全国民用汽车保有量为9088万辆,产生的废旧轮胎数量超过2亿个,我国正面临大量废旧轮胎处理的问题。
大量的废旧轮胎不利于存放,更会严重污染环境。
从国外的研究和应用经验看,废旧轮胎加工成废胎胶粉并且用于公路建设工程,不仅可以化废为宝,合理利用资源,更能降低对环境的污染,符合我国发展资源节约型、环境友好型社会的战略。
废旧轮胎中的主要成分天然橡胶、合成橡胶等成分,都是良好的沥青改性剂,加工后的橡胶沥青用于路面建设不仅可以节约建设成本,增加使用寿命,还能减少路面反射裂缝,提高公路的使用性能。
1.1.2研究意义
1.1.2.1社会效益
废旧橡胶轮胎目前已成为我国污染环境的隐患,因此,对于废旧橡胶轮胎的处理,具有显著的社会效益。
废旧轮胎具有抗热、抗机械性等特点,一般很自然降解,长期堆放,造成了大量资源的浪费,而且易滋生细菌、引发火灾等。
图1.1大量废旧轮胎堆放引发的环境灾难
我国是橡胶消耗大国,2002年起,年消耗橡胶已居世界第一位。
浙江地处长三角地区,经济发达,汽车保有量高,截至2009年底,浙江省汽车保有量达到433.3万辆,每年产生的废旧轮胎达数百万条,如何合理有效地利用废旧轮胎已成为相关部门亟待解决的问题。
据统计,我国公路总里程数,截止到2010年,已达到了309.4万公里,其中高速公路为6.4万公里。
与此同时,高速公路里程的快速增加对我国公路的使用质量也提出了更高的要求。
到2010年浙江省公路总里程超过10万公里,高速公路3500公里,一级公路3500公里,二级公路8000公里。
浙江省近些年已经开始开展橡胶沥青的应用研究,并取得了一定的成果。
2007年依托黄衢南高速公路,开展了《橡胶粉改性沥青路面(干法)设计与应用研究》的课题研究,积累了干法橡胶沥青混合料的应用经验,2008年开展了《浙江省橡胶沥青路面(湿法)应用技术研究》的课题研究,并积累了相关的应用经验。
总体上说,橡胶沥青在浙江省的应用尚处于探索和发展阶段,可以预见,路面工程中大规模的使用橡胶沥青,不仅可以很好的解决废旧轮胎日益增长的问题,又可以提高浙江省道路的服务质量,促进浙江省公路行业科技发展,推动多个产业发展,同时可以改善沿线居民生活环境质量,促进社会和谐进步,经济持续发展,有利于建设资源节约型、环境友好型社会,是提升公路建设单位企业形象的一项好举措。
1.1.2.2经济效益
从目前的研究成果和使用情况来看,使用橡胶沥青用于路面工程将比普通沥青路面工程或者改性沥青路面工程具有更好的经济效益。
1)原材料成本
目前每吨橡胶沥青价格在5500元左右,比SBS改性沥青低。
2)橡胶沥青路面结构造价
大量的研究和使用经验证明,橡胶沥青混凝土的使用从路面结构承载能力和抗反射裂缝角度都可以有效减薄路面结构厚度。
表1.1和表1.2所示分别为橡胶沥青混凝土和普通沥青混凝土在路面结构承载能力和反射裂缝角度两方面的对比数据。
表1.1路面结构承载能力对比表(in)
一般密实型沥青混凝土
断级配橡胶沥青混凝土
断级配橡胶沥青混凝土与SAMI组合
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.10
0.10
0.15
0.15
0.20
0.20
-
-
-
0.10
0.10
0.15
0.20
0.20
表1.2反射裂缝对比表(in)
一般密实型沥青混凝土
断级配橡胶沥青混凝土
断级配橡胶沥青混凝土与SAMI组合
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.10
0.10
0.15
0.15
0.15~0.20
-
-
-
-
0.10
注:
1in=25.4mm
从上述对比表可以看出,在承载能力和反射裂缝的减少上,橡胶粉的加入可以使沥青厚度明显减少。
以浙江省沥青路面结构为例,浙江省目前的高速公路普遍采用4cm+6cm+8cm的结构形式,在基层相同情况下,从考虑抗车辙角度出发,橡胶沥青的使用减少了路面铺设厚度,缩减了费用。
同时,由于减薄的路面结构可以缩短施工工期,所带来的社会效益和经济效益将更为显著。
另一方面,我省目前普遍使用半刚性基层,其自身存在的缺陷将导致沥青路面产生大量的反射裂缝,严重影响路面使用质量,当使用橡胶沥青作为应力吸收层和结构层时,按照抗反射裂缝标准设计路面结构可以有效减薄路面厚度,节省路面建设、养护成本,避免重复投资的作用。
通常情况下橡胶沥青路面可以延长道路养护维修周期3年以上,每公里每年的养护成本费用在2万元左右。
3)道路运营及用户成本
橡胶沥青路面由于其良好的路用性能,道路日常养护维修及大修的次数、时间有所缩减,同时避免或减少了道路交通事故的发生概率,给公路交通运输通畅、高效、安全带来很好的经济效益,另外从用户角度出发,橡胶沥青路面可以节省汽车行驶油耗约0.6%,按照一辆汽车每百公里油耗15升计算,200km橡胶沥青路面每年可节省燃油费约194万元。
4)路面周期费用
由于国内橡胶沥青混凝土路面试验数据较少,目前还没有可供参考的橡胶沥青路面周期费用分析。
借鉴2002年美国亚利桑那州交通厅和亚利桑那州立大学联合开展的橡胶沥青路面与传统路面结构的寿命周期费用分析结果:
该研究采用40号洲际公路里程范围196~204西侧路段橡胶沥青路段,路面结构为20.32cm破旧混凝土路面+7.62cm传统沥青混凝土+5.08cm橡胶沥青混凝土+1.27cm橡胶沥青开级配磨耗层,总厚度34.4cm,作为对比采用传统路面结构的路段为40号洲际公路,里程范围为191~194的西侧路段,路面结构为10.16cm级配碎石基层+15.24沥青处治基层+27.94cm沥青混凝土面层,总厚度为53.34cm。
对比路段中传统结构类型的单位造价为1515008美元,橡胶沥青路面单位造价为875776美元,从1991年到2001年,使用11年后在橡胶沥青铺设路段路面效果良好,路面情况明显优于传统路面结构。
根据该路段的统计数据,采用世界银行公路设计和养护系统HDM-4和NCHRP开发的MicroBENCOST系统,进行两种路面的全寿命周期费用分析,分析周期取25年,平均折现率4%,表1.3所示为采用MicroBENCOST系统计算分析两种路面的建设费用、养护费用和用户费用情况,结果显示:
相比于传统沥青混凝土路面,采用橡胶沥青混凝土路面可以大大降低道路的寿命周期费用。
表1.3建设、养护和用户费用比较(MicroBENCOST)
年份
传统沥青混凝土
橡胶沥青混凝土
差价
MC($)
UC($1000)
MC($)
UC($1000)
MC($)
UC($1000)
0
5
10
15
20
25
1515008
1844
7477
10471
11998
12649
/
12296
12705
13288
13981
14800
875776
1317
4295
5853
6471
6683
/
12325
12288
12890
13172
13565
639232
527
3182
4618
5527
5966
/
-29
417
398
809
1235
注:
0为初始建设费用,MC为养护费用,UC为用户费用。
1.2研究概况
橡胶沥青的应用最早于1984年起源于英国,20世纪40年代,美国的橡胶回收公司首次采用了干拌法生产出了橡胶沥青混合料。
20世纪60年代,亚利桑那州凤凰城的工程师CharlesMcDonald开发出了橡胶沥青的“湿法”工艺,生产了OverflexTM橡胶沥青混合料,并在路面养护工程中大量的使用了橡胶沥青,从而开启了橡胶沥青大规模应用时代。
橡胶沥青根据其加工工艺的不同可以分为两类:
“干法”和“湿法”。
“干法”生产工艺是将橡胶粉作为细集料与集料拌合,喷入沥青后制成橡胶粉(屑)改性沥青混合料。
“湿法”是指将橡胶粉(屑)与沥青拌合,通过一定工艺制成橡胶沥青,再与集料拌合成橡胶沥青混合料。
本项目主要是研究“湿法”橡胶沥青在路面工程中的应用。
1.2.1国外研究概况
国外对于橡胶沥青的研究较早,英国、美国、法国、澳大利亚、南非等国家都在橡胶沥青的研究和应用上积累了丰富技术经验。
国外应用研究成果,橡胶沥青在路面工程中的应用大致经历了以下几个阶段,见图1.2所示。
图1.2橡胶沥青在路面工程中的应用过程
橡胶沥青在20世纪60年代最早是被用于应力吸收层(SAM),直到70年代美国一家精炼公司才开始了废胎胶粉改性沥青的研究。
瑞典一家公司也在同时期研制开发了干法混合料工艺,该工艺后被引进美国,并申请了专利。
美国在1979~1981年间进行了多条橡胶沥青路段的实验,数据表明,实验路段具有良好的性能。
干法和湿法工艺分别铺设的橡胶沥青路面,经过10年观测,结果表明橡胶沥青具有较好的低温抗裂性。
1977~1984年间,美国16个州共铺设219段试验路,若干年后的观测表明橡胶沥青路面在抗滑除冰、防反射裂缝、温度裂缝、抗永久变形等方面具有特有的优势。
美国于1991年通过了一项综合运输经济法案,其中对于路面使用橡胶沥青混凝土的建设进行了规定,规定各州新建和维修路面工程必须使用废旧轮胎橡胶粉,对于使用联邦经费的废橡胶沥青混合料所占的比例不能低于5%,并且每年以5%递增,直到达到总费用的20%。
该法案出台,有效的减少了废轮胎带来的环境压力。
据统计,到1997年美国共消耗掉8000万吨废旧轮胎。
美国现已将废旧轮胎橡胶沥青普遍应用于路面工程,并且形成了相应的技术规范和标准。
美国加州政府规定2007年起将橡胶沥青路面的使用比例提高到20%,2013年将达到35%。
美国费吉尼亚州也于90年代铺筑了5条试验路段,经过使用后,检测性能良好,橡胶沥青路面明显车辙减小,抗滑性能明显增加。
加拿大于1990年首次将废胎粉应用于试验路,分别铺筑了6.5km的橡胶沥青混合料路面和普通沥青路面。
经过使用后的比较,橡胶沥青混合料所铺路面明显优于普通沥青路面性能。
该省目前将橡胶沥青混合料大量用于公路路面工程建设。
法国最早开始多孔隙路面的研究,1995年,法国已累计铺设了100万m2的多孔隙混凝土路面。
多孔隙路面的研究和使用性能表明了橡胶沥青多空混凝土更容易保持持久排水性能和抵抗气候天气的影响。
南非在公路建设中废旧轮胎橡胶粉的应用是非常成功的。
据了解,目前已经有超过60%的路面工程中使用橡胶沥青,经验表明橡胶沥青在超重轴载的环境中更加具有优势。
南非的橡胶沥青路面在使用超过年限25年仍然较完好,南非在橡胶沥青路面的研究和应用上取得了一定的成就。
橡胶沥青首次被发现
1981年,比利时的布鲁塞尔,橡胶沥青首次被发现具有降低道路交通噪声的功能,被称作“Drainasphalt”。
随后,许多国家开始研究和评估橡胶沥青作为降噪措施的功效。
1984年,法国对采用沿塞纳河采用Drainasphalt铺筑的城市道路进行研究,发现在没有载重车时路面噪声降低3~5dB,有5%的重车时,噪声可降低2~3dB。
加拿大,荷兰,南非等国家也先后展开了橡胶沥青对于路面减噪性能的研究,均得到了不同程度的减噪效果。
美国的加利福尼亚,亚利桑那,德克萨斯,俄勒冈州在1989至今对多条橡胶沥青混凝土路段进行了噪声测试,研究表明,与传统的沥青路面相比,橡胶路面噪音的降低在3dB以上,其中凤凰城的降噪效果达到10dB,即声音强度降低了88%。
2003年,德克萨斯的检测结果发现,使用橡胶沥青的开级配抗滑层(OGFC)平均降噪5dB,而且路表磨擦提高了两倍以上。
为了有效利用废胶粉,当前许多国家的政府提供优惠政策,鼓励废胎胶粉用于公路工程。
到1998年,美国铺设的废胎胶粉改性沥青路面已超过1.1万公里,加利福尼亚州、德克萨斯州、福罗里达州等地已有成功使用10年以上的工程。
此外,澳大利亚、南非、加拿大、日本、俄罗斯、瑞典、韩国等国家也已成功将废胎胶粉改性沥青应用于修建高速或高等级公路。
1.2.2国内研究概况
我国于20世纪70年代末80年代初开始开展橡胶沥青及混合料技术的研究。
为修建高级路面,解决优质沥青缺乏,改善与提高沥青路面性能,在八十年代中后期,加深了废旧轮胎橡胶粉在沥青混合料应用,并逐渐成为路面材料的应用热点。
2001年底,交通部开展了废旧橡胶粉在路面应用的研究课题,在全国各地进行了总共近30公里的试验路段,覆盖可华南、西南、冰冻地区等多个气候分区,为我国在橡胶沥青的研究和应用推广奠定了理论和实践基础,到目前为止,取得了良好的应用效果,并于2004年通过了交通部鉴定和验收。
基于提高沥青路面使用性能和解决废旧轮胎环境污染问题的双重考虑,2007年交通部进行了废旧橡胶轮胎用于路面工程的研究课题,由交通部公路科学研究院承担,2011年4月通过鉴定和验收。
目前全国已有20多个省市开展橡胶沥青的研究与应用。
2008年,交通部编制出版了《橡胶沥青及混合料设计施工技术指南》。
各个地方省市也出版了各自的地方标准,北京市2006年出版了《北京市废胎胶粉沥青及混合料设计施工技术指南》,江苏省于2005年出版《江苏橡胶沥青路面技术规程》,天津市于2006年颁布《天津市废轮胎胶粉改性沥青路面技术规程》等,各个规程和指南的出现极大程度地推动了橡胶沥青在我国的应用与发展。
近些年,橡胶沥青路面在我国逐步得到推广应用,先后铺筑了一些试验路段和实体工程,部分项目的橡胶沥青路面使用情况摘述如下:
2001年使用橡胶沥青混合料对马房桥进行路面改建,通车两年后。
极端最大车辙深度5mm,3段路段车辙平均深度3.9mm,实现了良好的抗车辙效果。
2002年广东105国道改造工程,沙朗路段自改建后,在大交通量的环境下使用至今没有发生结构性破坏。
四川石胜路试验段于2002年完成一期工程,2003年完成二期工程,一期工程至今使用情况良好,但是二期工程由于当时质量控制不到位,沥青混合料拌合温度过高出现老化,基层施工不到位导致个别路段出现了松散和不均匀沉陷等问题,可见铺设好的橡胶沥青路面离不开严格的施工质量控制。
河北京秦高速罩面工程于2004年完成,通车观测一年后发现构造深度较高,车辙较少,行车道出现1处油斑,此外由于原有路面裂缝多,仅采用玻纤格栅和封缝处理,导致橡胶沥青出现较多的反射裂缝,说明在利用橡胶沥青罩面之前,对原有路面的结构性破坏处进行彻底处理方能保证新铺橡胶沥青路面的质量。
北京门头沟南雁路试验段于2005年完工,目前使用情况良好。
1.3研究内容与目标
1.3.1研究内容
1)橡胶沥青材料性能研究
橡胶沥青做为结合料,其特性对橡胶沥青混凝土的性能有着重要的影响。
而橡胶沥青作为沥青和橡胶粉的共混体系,橡胶粉的性质、沥青的性质、两者之间的共混方式都可能影响到橡胶沥青的性能。
从橡胶粉、沥青和拌和工艺三个角度,对橡胶沥青的性能进行深入的研究,研究不同类型的橡胶粉、不同的掺加剂量等对橡胶沥青性能的影响及各个因素的影响程度,研究橡胶粉对沥青的改性作用机理,橡胶沥青材料的评价指标及标准,比较橡胶沥青和基质沥青以及其它改性沥青的性能特点,分析橡胶沥青的优势与劣势。
2)橡胶沥青混合料的配合比设计和性能研究
通过室内试验对橡胶沥青混凝土的性能进行系统的研究,分析矿料级配、不同结合料等对橡胶沥青混合料性能的影响,用合
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