橡胶改性冷拌沥青在可持续铁路碎石路基中的应用：力学、振动与环境性能评估

本研究针对铁路路基材料的环境与经济瓶颈，开发了一种融合高比例再生沥青路面（RAP）和废旧轮胎橡胶的冷拌沥青（CMA）技术。通过优化水泥掺量（2–3%）、骨料级配及橡胶含量（约3.0%），实现刚度提升500%、应力消散增强59%、振动阻尼率提高195%，同时全球变暖潜势（GWP）较热拌沥青（HMA）降低20–40%。该技术为铁路基础设施提供了兼具高机械性能、减振功能和低碳效益的创新解决方案。

　　

论文解读

研究背景：破解铁路路基的"三重矛盾"

现代铁路建设中，传统碎石路基（Gran. Sub.）因承载力有限易导致轨道沉降，而热拌沥青（HMA）虽能提升刚度却面临高能耗、高碳排放（生产温度达150–180°C）的经济环境双重压力。更棘手的是，列车运行引发的振动不仅加速轨道劣化，还影响乘客舒适度——这要求新材料必须兼顾"承重骨架"与"减振器官"的双重角色。在此背景下，西班牙研究团队创新性地将目光投向冷拌沥青（CMA）：一种常温施工、可大比例掺入再生沥青路面（RAP）和废旧轮胎橡胶的低碳材料，试图通过多变量协同设计破解性能、成本与可持续性的三角难题。

关键技术方法

研究团队采用多尺度实验与模拟结合的策略：

1. 材料设计：以乳化沥青为基体，调控水泥掺量（0–4%）、橡胶粒径（0.2–4 mm）及掺量（0–4%）、RAP比例（>70%）和骨料级配（致密骨架/间断级配），制备17组CMA配方；
2. 力学表征：通过间接抗拉强度（ITS）、动态模量测试评估承载能力；
3. 振动分析：采用激振台模拟列车荷载，测量阻尼比和频响函数；
4. 可持续性评估：基于生命周期评价（LCA）量化全球变暖潜势（GWP）与经济成本；
5. 对照设置：以天然碎石路基和HMA为基准参照系。

研究结果

1. 力学性能：颠覆性提升

• 刚度飞跃：含3%水泥的CMA刚度达基准碎石层的6倍（+500%），源于水泥水化产物与沥青-骨料界面的协同增强；
• 应力消散：优化骨料级配使应力传递效率提升59%，显著降低轨道基层疲劳风险；
• 橡胶悖论：橡胶颗粒虽轻微降低强度，但3%掺量下仍维持HMA级承载力（ITS > 0.7 MPa）。

2. 振动阻尼：橡胶的"黄金阈值"

• 阻尼突变：当橡胶掺量达3%时，混合料阻尼比飙升至195%（对照HMA仅65%），因橡胶颗粒在动态荷载下发生黏弹性耗能；
• 粒径效应：0.2–2 mm细橡胶粉的减振效能优于粗颗粒（>2 mm），因其更高比表面积增强能量转化。

3. 可持续性：三重红利

• 碳减排：CMA的GWP较HMA降低20–40%，主要来自免加热工艺（能耗降57–63%）；
• 循环经济：RAP与橡胶的利用使天然骨料消耗减少82%，契合欧盟循环经济行动计划；
• 成本优势：材料成本较HMA低25–31%，且施工效率提升30%。

结论与意义

西班牙科学与创新部资助的ECO-WAVE项目团队（Guerrero-Bustamante等）在《Journal of Cleaner Production》发表的这项研究，首次系统论证了橡胶改性CMA在铁路路基中的"四维优势"：

1. 性能突破：通过水泥-橡胶-级配三要素平衡设计（2–3%水泥+3%橡胶+致密骨架），同时实现HMA级刚度与超凡阻尼性能；
2. 技术替代：CMA可完全替代碎石层，且性能碾压传统方案——刚度提升5倍的同时还具备主动减振功能；
3. 低碳里程碑：40%的GWP降幅为交通基建领域提供了可量化的碳中和路径；
4. 循环经济范式：>70% RAP与废旧轮胎的高值化利用，推动"废物即资源"理念在基建领域落地。

该技术已通过欧盟FEDER基金支持的中试试验，下一步将开展全尺寸轨道加速加载验证。正如研究者所言："当碎石路基遇见橡胶改性CMA，就像蒸汽机车升级为磁悬浮——我们不仅在建轨道，更在铺设通向可持续交通未来的减振低碳走廊。"