废旧轮胎在道路工程中的应用ppt课件.ppt

1 废旧轮胎橡胶在道路工程中应用的过去 现状和发展 2 1 研究与应用背景 1 1 黑色污染 与资源短缺废旧轮胎被称为 黑色污染 其回收和处理技术是世界性难题 处置废旧轮胎 长期一直以来是环境保护的难题 据统计 目前全世界每年有15亿条轮胎报废 其中北美占大约4亿条 西欧占近2亿条 日本占1亿条 在20世纪90年代 世界各国最普遍的做法是把废旧轮胎掩埋或堆放 这不仅需征用土地 且大量堆积 极易引起火灾 造成第二次公害 3 1 1 黑色污染 与资源短缺据统计 我国2002年的废旧轮胎达到8000万条 并以每年12 的速度增加 到2005年将达到1 2亿条 预计到2010年将达到2亿条 如此大规模的废旧轮胎将给社会带来巨大的环境压力 因此 为废旧轮胎寻找出路迫在眉睫 我国是一个生胶资源相对短缺的国家 几乎每年生胶消耗量的45 左右需要进口 寻找橡胶原料来源及其代用材料是十分迫切的任务 因此 处理好废橡胶 对充分利用再生资源 摆脱自然资源匮乏 减少环境污染 改善人们的生存环境具有重要意义 4 1 2废旧轮胎的应用途径原形改制热能利用热分解轮胎翻新生产再生胶用于土木工程建设 5 1 2废旧轮胎的应用途径废橡胶在道路工程中的应用由废旧轮胎加工而成橡胶粉其主要化学成分是天然橡胶和合成橡胶 如丁苯橡胶 丁基橡胶 聚丁二烯橡胶 另外还含有硫 碳黑 氧化硅 氧化铁 氧化钙等添加剂成分 以上这些成分都是良好的沥青改性剂 能够改善沥青的高低温性能 抗老化性能 抗疲劳性能 起到减薄路面 延长路面使用寿命 延缓反射裂缝 降低轮胎 路面噪声等作用 废旧轮胎橡胶粉用于改性沥青 沥青混合料工艺简单 成本低 不但可改善路面质量 且对废胶的可容量大 其研究和应用具有深远的环保效益 经济效益和社会效益 此外 废橡胶还可用于防冻路面 路基材料 基层补强层等等 6 1 3研究与应用的意义 保护环境资源利用可持续发展 改善工程性能循环经济节约型社会 7 2 国外研究应用的过去和现在 2 1橡胶沥青的概念依照美国ASTM的定义 所谓橡胶沥青 AsphaltRubber 是由一般铺路沥青和废旧轮胎橡胶粉 CrumbRubberModifier 简称CRM 有时视需要另加添加剂 均匀拌和而成 用作为铺筑路面的粘结料 此种粘结料中的橡胶粉末 应与高温的沥青充分接触混和 使橡胶颗粒的体积膨胀后才加以使用 美国联邦公路管理局 FHWA 曾于1991年针对添加废轮胎橡胶粉的沥青产品 根据工艺的差异加以分类 并将不同工艺的技术名词予以标准化 如图2 1所示 8 2 1橡胶沥青的概念 产品 9 2 1橡胶沥青的概念 湿法湿法工艺 WetProcess 是指将废轮胎橡胶粉加入传统的沥青中 拌和成具有改性沥青特性的橡胶沥青 简称AR 可用作密级配 间断级配或开级配沥青混凝土的粘结料干法干法工艺 DryProcess 是指将废轮胎橡胶粉加入集料中 然后喷入沥青拌制成橡胶改性沥青混凝土 RubberModifiedHotMixAsphaltConcrete 简称RUMAC 10 2 1橡胶沥青的概念 干法 湿法区别 干法采用的橡胶粉颗粒尺寸一般为1 6 3mm 而湿法采用的橡胶粉粒径都在1mm以下 因而干法所用的橡胶粉加工工艺相对简单 成本相对较低 干法中橡胶粉的掺量 一般为集料干重的1 5 约为湿法工艺 一般为沥青重量的5 20 的2 4倍 因而干法工艺能消耗大量废旧轮胎 干法中橡胶颗粒主要是作为部分集料 对沥青的改性作用甚微 湿法中 橡胶粉主要作为沥青的改性剂 在沥青拌和厂中 干法工艺不需要特殊的设备或较大的设备改装 而湿法工艺需要专门的混和容器 反应和拌和罐等 11 2 2美国对橡胶沥青的研究进展 起源美国将废旧轮胎橡胶加入到沥青或沥青混合料中作为铺路材料的历史可追溯到20世纪40年代 当时美国回收公司推出名为RamflexTM的脱硫橡胶改性颗粒 60年代中 CharlesMcdonald 橡胶沥青之父 开始开发废胶粉改性沥青 OverflexTM 同时期 橡胶粉首次用于应力吸收层 Stress absorbingmembrane 简称SAM 1975年 橡胶沥青首次用于开级配热拌沥青混合料 70年代 亚利桑那精炼公司推出脱硫废胶粉改性沥青Arm R ShieldTM 80年代 这两种产品的经销商成立了名为 沥青橡胶生产者团体 的同业公会 12 2 2美国对橡胶沥青的研究进展 起源除了美国 瑞典也对橡胶沥青的发展做出了巨大的贡献 20世纪60年代 两个瑞典公司开发了掺加橡胶粉的干法表面层混合料工艺 其产品名称为RubitTM 70年代后期引进美国后由四季铺面公司 Allseasonssurfacingcorporation 申请了专利产品PlusRideTM 13 2 2美国对橡胶沥青的研究进展 进展1993年以前 因为有30年专利权的保护 橡胶沥青只能由少数几家公司应用 1993年技术专利失效后 橡胶沥青开始了全面高速的发展 其技术也在不断地完善中 近年来 废旧轮胎的利用得到迅速发展 这主要归因于技术上的进步和对回收利用废旧轮胎所带来的利益的认识 由于全世界轮胎数量的增加 加之相关的环境问题 促使许多国家正在需求利用这一巨大资源的方法 14 2 2美国对橡胶沥青的研究进展 进展迫于废旧轮胎带来的环境压力 1991年美国国会通过了一个陆上综合运输经济法案 ISTEA 又称冰茶法 其中第1038条款 即关于再生路面材料使用条款 要求从1994年起凡使用联邦经费的热拌沥青混合料都必须用5 的经费用于废橡胶粉沥青混合料 以后每年再增加5 直至1997年达20 截止到1993年 有27个州研究了橡胶粉 颗粒改性沥青及混合料 而总共38个州在沥青混合料中使用过回收橡胶粉 颗粒 15 2 2美国对橡胶沥青的研究进展 现状目前橡胶沥青在美国使用相当成功的州 如亚利桑那州 加州 佛罗里达州 俄勒冈州等 大都使用湿法工艺 并将湿法工艺生产的橡胶沥青视为一种公路常规使用的材料 且已有完整的质量规范依据 设计与使用指南 从1987年开始 加利福尼亚州每年都铺筑一条或两条橡胶沥青工程 混合料采用密实级配或开级配 铺筑厚度为24 76mm 南加利福尼亚州采用干法 PlusRide 湿法和Trickle法铺筑了数条试验路 表2 1是这些工程的概况 各项工程的马歇尔试验结果汇总表2 2 16 表2 1加利福尼亚州交通局沥青橡胶工程总结 17 表2 2马歇尔试验结果汇总 18 试验路总结由表2 2可知 干法沥青混合料的稳定度最低 流值最大 对上述试验路的监测总结表明 在沥青橡胶混合料的摊铺过程中遇到的主要问题是压实困难 粘轮 气味和污染 总体来讲 包含废旧轮胎粉的沥青路面 其性能是令人满意的 但也有些工程的路用性能是不能接受的 湿法工艺似乎是最有效的方法 大多数工程采用此种方法 干法出现的问题比湿法多 Pelham试验路在铺筑后的三年内出现了大量的病害 19 其他州的应用情况 俄勒冈州交通局在1985 1994年期间 采用湿法和干法工艺铺筑了17条橡胶沥青路面 并对这些试验路进行了监测和评估 在这些试验路中 性能最坏的为干法工艺铺筑的道路 性能最好的路面为采用PBA 6GR ARubberModifiedAsphalt 粘结料的开级配混合料 5年后 PBA 6GR路面性能优良或优于普通沥青路面 20 其他州的应用情况 维吉尼亚州采用湿法 密级配 断级配 铺筑了试验路 从短期的路面性能评估来看 橡胶沥青路面与普通路面一样 但橡胶的使用增加50 100 的费用 安达略州评估了11条橡胶沥青路面工程 1990 1993 的性能 其中8项工程采用RUMAC 干法 短期性能表明RUMAC通常较差 路面出现剥落 推挤和少量裂缝 21 其他州的应用情况 科罗拉多州采用两种干法工艺 一种为PlusRide 另一种是将橡胶加入混合料中 铺筑了试验路 其中3项PlusRide工程出现了剥落 松散早期病害 一项PlusRide工程性能良好 以上有限的评估似乎表明 湿法要好于干法 湿法对混合料要求较宽松 而干法工艺混合料需要考虑材料的选择 混合料设计和生产 干法工艺中 不相容性似乎是导致早期损坏的主要因素 22 小结 从美国各州的研究和应用来看 推荐采用的方法是湿法工艺 集料的级配采用间断级配和开级配 一般不采用密实级配混合料 橡胶粉的掺量为沥青质量的5 25 采用湿法工艺铺筑的大多数试验路性能良好 与普通沥青路面相比 橡胶粉改性沥青混合料提高了路面的高温抗车辙 低温抗裂能力和耐久性 橡胶沥青的应用类型包括热拌沥青混合料 稀浆封层和应力吸收层等 23 2 3其他国家对橡胶沥青的研究 南非南非对橡胶沥青的应用十分成功 与美国加利福尼亚州一样拥有历时20 25年仍然完好的橡胶沥青路面 应用领域包括混合料 应力吸收层 应力吸收中间层等 基本上已经拥有了一整套橡胶沥青的技术指标 据统计 目前南非60 以上的道路沥青使用橡胶沥青 而且根据他们的经验 认为对于重载交通环境 橡胶沥青路面比较有利 24 2 3其他国家对橡胶沥青的研究 法国1900年在法国首先铺筑了第一条橡胶沥青路面 同时法国也是多孔性路面的发源地 法国在多孔性沥青路面中大量采用橡胶沥青作为粘结料 据统计 截止到1995年底 橡胶沥青多孔性路面已经累计摊铺了超过1000 000m2 研究与应用的实践表明 采用橡胶沥青铺筑的多孔性路面 比普通多孔性路面在保持排水性能 抵抗重交通 抗剪切和不良气候影响等方面有明显的优势 25 2 3其他国家对橡胶沥青的研究 瑞典 日本等还将废旧轮胎橡胶颗粒用于防冻路面 防冻路面是将橡胶颗粒作为部分粗骨料掺入 从而形成使部分橡胶颗粒突出于路表面的面层 该路面的基本概念是在60年代由瑞典道路研究所提出的 日本从70年代末期开始进行防冻路面的研究开发 当时是参考瑞典的资料 采用日本国内使用的沥青混合料试验方法进行室内试验的 从1979年开始 日本在北海道及本州的山间公路上已铺筑了十几处这种掺橡胶颗粒的路面 在有积雪的情况下有较好的防滑性能 但由于橡胶颗粒的混入 路面不易达到充分的密实度 26 2 3其他国家对橡胶沥青的研究 日本自1993年研究开发了新型低噪声路面 即多孔弹性路面 PorousElasticRoadSurface 简称PERS PERS由聚氨酯树脂粘结橡胶颗粒而成 废旧轮胎磨制而成 胶颗粒形状 大小各异 可以是宽1 2mm 长10 20mm的菱形橡胶颗粒 也可是直径为2 3mm圆形颗粒 路面结构空隙率为30 40 面层板的厚度为2 5cm 其施工工艺一般采用厂内预制的方法 即将PERS的混合料压制成1 1 0 05m的板块 然后用聚氨酯胶将PERS粘结在基层上 试验路如图2 2 27 多孔弹性路面 28 2 3其他国家对橡胶沥青的研究 其他还有一些国家 如加拿大 法国 英国 德国 比利时 巴西等国家都对橡胶沥青的研究与应用做出了贡献 29 3我国研究应用概况 3 1同济大学的研究研究历程与国外相比 国内的研究起步稍晚 80年代初 由于国产多蜡沥青的性能不良 沥青改性剂匮乏 为此 同济大学率先与几个省市合作开展了废橡胶粉改性沥青的研究 1980年同济大学道交所与江西省合作 在国内首次进行了 利用废旧橡胶粉改善沥青路面技术性能 的课题研究 通过大量的室内试验 多种试验路的实践和多条生产路的验证 性能良好 效果显著 认为采用废旧橡胶粉改善国产沥青性能是一条技术可行 经济合理的有效途径 1980年和1981年在江西省的铅山县和贵溪县铺筑了橡胶沥青试验路 30 3 1同济大学的研究 研究历程该课题于1982年由省内外专家学者进行了技术鉴定 获得江西省科技进步三等奖 与浙江省合作开展了 重交通道路橡胶沥青路面研究 研究开发的橡胶沥青薄层罩面技术首先于1988年在杭萧线上扩大试用 实践证明这种橡胶沥青薄层罩面对荷载型裂缝确有显著的防治能力 至1991年杭萧线全部铺上了橡胶沥青路面 大大改善了道路状况 尤其在雨季 与其它道路相比路况明显要好 与此同时 该技术又在杭温线 104国道 320线等公路上推广应用 31 3 1同济大学的研究 研究历程橡胶沥青薄层罩面技术还在城市道路中得到应用 浙江萧山市至1991年累计铺筑了7 5万平方米 几乎市区主要街道都铺上了橡胶沥青路面 路容明显改善 曾在全省城市道路质量评比中获得过满分 重交通道路橡胶沥青路面研究 项目获浙江省科技进步优秀奖 与上海市公路管理处合作项目 半刚性基层上减薄沥青面层的研究 沥青橡胶薄膜的应用 32 3 1同济大学的研究 主要研究内容及结论配制方法 工艺 的技术关键适当的细度 必要的配合剂 适当的加热温度及搅拌时间橡胶沥青及沥青混合料的特性橡胶沥青稠度提高 温度敏感性降低 耐流动性提高 低温柔性改善 粘附性增强 抗老化性能提高 试验证明橡胶改性沥青混凝土在应变控制条件下的疲劳寿命可提高4 5倍 33 3 1同济大学的研究 主要研究内容及结论应用范围应力吸收薄膜 SAMI 橡胶沥青薄层罩面 新建沥青路面 机场道面 经济效益分析初期投资增加 但使用寿命延长 养护费用降低 从整个寿命周期分析 经济效益显著 34 3 1同济大学的研究 目前的研究目前 同济大学仍在致力于橡胶沥青和沥青混合料的研究 重点是干法工艺 对密实型橡胶沥青路面的减振降噪性能和路用性能进行了系统的研究 并首次提出了混合法工艺 已申请专利 35 3 1同济大学的研究 主要研究内容及结论干法工艺的技术关键橡胶颗粒的处理 级配设计 改性沥青 路用性能废橡胶颗粒的掺量为1 3 时 沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性能均得到改善 水稳定性略有下降 声学性能噪声测试 降噪机理 36 动稳定度 橡胶掺量 37 TSR 橡胶颗粒掺量 38 低温劲度模量 橡胶掺量 39 3 1同济大学的研究 试验路铺筑为验证密实型橡胶沥青路面的降噪效果 2004年7月10日在上海市南汇区南果公路 南汇 果园乡 铺筑了500m试验段和1000m参照路段 AC 40 41 3 1同济大学的研究 噪声测试2004年8月初进行了现场噪声测试 测试采用单车通过法 SingleVehiclePass byMethod 具体参照国标GB1496 79 机动车辆噪声测量方法 主要仪器为声级计 42 噪声测试准备 43 噪声测试结果 声级 dB A 44 3 2交通部公路科研所的研究 2001年 交通部公路科研所首次在钢桥桥面铺装中用干法工艺加入了30 相对于沥青用量 的橡胶粉 该桥面经受了两个夏季的重交通考验 基本保持完好 2001 2003年 交通部公路科学研究所与同济大学 山东省交通科学研究所等单位合作承担了西部交通建设科技项目 废旧橡胶粉用于筑路的技术研究 该课题全面地开展了橡胶粉沥青混合料的室内试验研究 初步提出了橡胶粉改性沥青的技术标准 橡胶粉沥青混合料设计方法及技术标准 结合室内试验研究结果 在华南地区 西南地区 轻冰冻地区 三个气候片区 修筑总长近30公里的试验路和实体工程 试验路施工有干法和湿法两种工艺 45 3 3其他单位的研究 西安公路研究所 北京市政设计研究院 北京市路政局 北京路桥路兴物资中心 天津市公路局 天津鑫业工贸发展有限公司 广东 江苏的一些单位等等对橡胶沥青的研究与应用都做出了很大的贡献 并在北京 天津等地铺筑了试验路 46 3 3其他单位的研究 台湾地区于2000年起进行废轮胎橡胶再利用于沥青混凝土路面的相关研究 在赴美考察学习的基础上 于实验室中进行试拌与配合比设计 并在主要干道上铺筑完成一段橡胶沥青路面 总长2KM 约使用2000条废轮胎 这段试验路已服务超过四年 没有一般承受重载交通路面常有的变形与开裂 整体性能良好 预估成效将可超越传统的沥青混凝土路面 47 4发展前景与建议 4 1发展前景橡胶沥青推广应用的前景是光明的 这主要基于以下原因 从环保角度考虑 可减轻 黑色污染 降低道路交通噪声 从资源的可持续开发和综合利用考虑 我国的天然橡胶资源匮乏 SBS改性剂价格上涨 由1 3万上涨到现在2 2万元 橡胶沥青的应用具有明显的经济效益 从工程利益考虑 可改善路用性能 延长服务寿命 提高路面使用品质 48 4 2建议 政策 法规 协作橡胶沥青的推广应用需要各个部门 政府部门 协会 科研单位 企业等 的通力合作 尤其是政府的政策支持和财政的支持 特别需要带强制性的法规 只有以持续的市场作后盾 才能从根本上解决废旧轮胎的综合利用问题 有关部门必须介入以协助市场开发 甚至补助仪器设备的投资 并确保投资商足以获利 以降低投资风险 49 4 2建议 举例美国在1994年推行废旧轮