于曉曉1，，梁亞軍1，琚利平3，謝艷玲，王仕峰

（1.上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200031；2.上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海 200240；3.浙江省交通集團(tuán)檢測(cè)科技有限公司，杭州 310002）

采用廢舊輪胎磨制的橡膠膠粉改性瀝青混合料是一種優(yōu)質(zhì)的可持續(xù)道路建設(shè)方案。與普通瀝青路面相比，膠粉改性瀝青（CRMA）路面不但路面厚度可減薄一半[1]，而且CRMA 路面壽命更長(zhǎng)，可降低道路的全周期建設(shè)能耗，提高石料等自然資源利用率。CRMA 的加工工藝主要有濕法和干法兩種。濕法工藝既可現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)也可工廠化加工，技術(shù)已趨于成熟，但仍存在加工溫度高、環(huán)境污染嚴(yán)重且工藝復(fù)雜等問(wèn)題；干法工藝相對(duì)簡(jiǎn)潔，但該工藝制備的混合料難壓實(shí)且粘結(jié)性較差，易發(fā)生局部損害。CRMA 干濕法工藝難點(diǎn)的根源在于膠粉的三維化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，限制了其分散，難于跟瀝青發(fā)生快速相互作用。

目前，為提高CRMA 的加工和應(yīng)用性能，研究者們從材料和工藝兩個(gè)方面分析探索不同條件下CRMA 的路用性能。材料因素主要包括膠粉來(lái)源及種類、膠粉表面特性、膠粉尺寸及用量和瀝青種類等，比如為提高膠粉與瀝青相互作用程度，常使用40 目及以上的細(xì)膠粉［2-6］；工藝因素主要包括級(jí)配、拌和溫度和時(shí)間、發(fā)育時(shí)間及壓實(shí)溫度等，比如干法中常使用燜料來(lái)強(qiáng)化相互作用等［7-9］。這些研究雖然取得較大進(jìn)展，但由于忽略膠粉三維化學(xué)交聯(lián)的熱固性彈性的本質(zhì)，還未能全面解決實(shí)際工程應(yīng)用的變異性和環(huán)保問(wèn)題。三維化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)使得膠粉在瀝青中難以溶脹溶解，在混合料中難以快速分散，繼而引起難壓實(shí)、粘結(jié)性差、能耗高及污染嚴(yán)重等問(wèn)題。高效解交聯(lián)破壞膠粉的三維化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以促進(jìn)膠粉的快速溶解分散［10-17］。

因此，本研究選用高效解交聯(lián)后的速溶膠粉，采用干法和濕法兩種工藝分別制備干法、濕法速溶膠粉改性瀝青混合料，并以相同工藝下制備的原膠粉改性瀝青混合料為對(duì)照樣，進(jìn)行了速溶膠粉改性瀝青混合料的路用性能研究。

1 試驗(yàn)原料和級(jí)配

1.1 基質(zhì)瀝青

本試驗(yàn)所用瀝青為埃索70#道路石油瀝青，具體性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

1.2 膠粉和速溶膠粉

普通原膠粉采用24 目廢舊大卡車輪胎膠粉，溶膠含量8.5%；速溶膠粉由前述24 目原膠粉通過(guò)中溫常壓催化解交聯(lián)法制備，添加劑含量小于1%，溶膠含量58.3%，門尼黏度為46（ML1001+4）。

1.3 礦料級(jí)配及其它

礦料配合比和試驗(yàn)礦料級(jí)配采用AC-13，具體組成如表2、表3（石料均為輝綠巖）所示，集料密度見(jiàn)表4。

表2 礦料配合比

表3 試驗(yàn)礦料級(jí)配組成

表4 集料密度

2 試驗(yàn)方案

2.1 干法制備改性瀝青混合料

基質(zhì)瀝青、集料、礦粉和擊實(shí)模具置于鼓風(fēng)干燥烘箱中預(yù)熱，拌和鍋預(yù)熱。將熱集料倒入拌和鍋，適當(dāng)混合后倒入膠粉（1%，以集料為基數(shù)），拌和30 s 后倒入基質(zhì)瀝青（X%，以集料為基數(shù)），拌和30 s 后倒入礦粉，拌和5 min后保溫燜料或直接成型。稱取適量混合料制備馬歇爾試件，相關(guān)技術(shù)要求見(jiàn)表5。試樣編號(hào)：DRMA-X（原膠粉）或DSRMA-X（速溶膠粉），其中X表示基質(zhì)瀝青用量。

表5 混合料室內(nèi)試驗(yàn)溫度

2.2 濕法制備改性瀝青混合料

將膠粉（內(nèi)摻20%）加入熱基質(zhì)瀝青后，于180 ℃（原膠粉）或160 ℃（速溶膠粉）下攪拌45 min，速度500 r/min 制得改性瀝青。改性瀝青、集料、礦粉和擊實(shí)模具置于鼓風(fēng)干燥烘箱中預(yù)熱，拌和鍋預(yù)熱。將熱集料倒入拌和鍋，適當(dāng)混合后倒入改性瀝青（5%，以集料為基數(shù)），拌和30 s 后倒入礦粉，拌和30 s 后直接制備馬歇爾試件，無(wú)需燜料，相關(guān)技術(shù)要求見(jiàn)表5。試樣編號(hào)：WRMA（原膠粉）和WSRMA（速溶膠粉）。

2.3 性能測(cè)試

瀝青混合料的基本體積指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度、肯塔堡飛散性能檢測(cè)參照J(rèn)TG E20—2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

2.4 顯微結(jié)構(gòu)觀察

將瀝青混合料溶于甲苯中，用10 目篩網(wǎng)過(guò)濾得膠漿溶液或懸浮液，取少量混合液置于載玻片，待其自然晾干后，再加熱至140 ℃，涂布均勻，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察，拍攝顯微照片。

3 結(jié)果與討論

3.1 干法膠粉改性瀝青混合料的結(jié)構(gòu)與性能

相同油石比和膠粉用量下的原膠粉DRMA-4.8與速溶膠粉DSRMA-4.8 的基本性能指標(biāo)見(jiàn)表6。

表6 干法工藝膠粉改性瀝青混合料的基本性能指標(biāo)

由表6可見(jiàn)，無(wú)論燜料與否，DRMA-4.8 的空隙率較大，超出要求范圍，而DSRMA-4.8 的空隙率較小，試件密度和有效瀝青飽和度值更大，表明使用速溶膠粉比原膠粉容易壓實(shí)。抗飛散能力大小一定程度上可表征瀝青混合料的粘結(jié)情況，DSRMA-4.8 的標(biāo)準(zhǔn)飛散損失明顯小于DRMA-4.8，表明速溶膠粉可提高混合料的粘結(jié)力，有利于防止松散、掉粒等病害；DSRMA-4.8 的標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定度略小于DRMA-4.8，這與膠粉解交聯(lián)后交聯(lián)鍵的破壞有關(guān)，但馬歇爾穩(wěn)定度仍在11 kN 以上。DSRMA-4.8 易壓實(shí)且具有較好的粘結(jié)力，是由于速溶膠粉易形變、彈性降低和粘性增強(qiáng)，速溶膠粉改性瀝青對(duì)集料有較好的裹覆作用，這得益于三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞。除此外，增加燜料工藝可使原膠粉改性瀝青混合料的抗飛散性能提高，說(shuō)明燜料有利于提高混合料的粘結(jié)力。圖1是干法工藝膠粉改性瀝青混合料膠漿的光學(xué)顯微照片。

從圖1中可以觀察到較透明白色顆粒為礦粉，黑色顆粒為膠粉。礦粉仍保持原有形狀，尺寸從幾微米到幾十微米不等。黑色原膠粉和速溶膠粉由原來(lái)的毫米級(jí)大顆粒轉(zhuǎn)變成尺寸不等的微顆粒，較均勻地分散在混合料體系中。原膠粉和速溶膠粉分散情況有所不同，DRMA 中膠粉雖然在燜料的過(guò)程中顆粒減小，但仍存在大尺寸膠粉（大約0.2 mm），而DSRMA 中微細(xì)膠粉明顯增多，且尺寸顯著較小（10 um 左右），甚至小于礦粉尺寸，并分散于礦粉中。這表明速溶膠粉在混合料拌和過(guò)程中更易變細(xì)且分散更均勻，起到同瀝青一起粘結(jié)礦粉的作用。由于分子結(jié)構(gòu)的不同，速溶膠粉的三維化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)已在前期部分解開(kāi)，更容易在混合料體系中實(shí)現(xiàn)微細(xì)化分散。

圖1 干法工藝膠粉改性瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)

3.2 濕法膠粉改性瀝青混合料的結(jié)構(gòu)與性能

WRMA 和WSRMA 的基本性能指標(biāo)見(jiàn)表7。

WSRMA 的空隙率、標(biāo)準(zhǔn)飛散損失小于WRMA，表明速溶膠粉具有較好的壓實(shí)性和對(duì)石料的裹覆能力。WSRMA 的馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定度略小于WRMA，但仍較高達(dá)13.3 kN。穩(wěn)定度均高于干法的膠粉改性瀝青混合料，可能與濕法工藝中瀝青用量比干法工藝中用量少有關(guān)，這也導(dǎo)致了較高的飛散損失率?？偟膩?lái)說(shuō)，速溶膠粉比原膠粉容易壓實(shí)并可提高混合料的粘結(jié)力，這與干法工藝中得出的結(jié)論一致。值得提出的是，WSRMA 制備過(guò)程中所用的攪拌溫度為160 ℃，比WRMA 攪拌溫度低20 ℃，這有利于降低能耗和減少污染物排放。

圖2是濕法工藝膠粉改性瀝青混合料膠漿的光學(xué)顯微照片。

表7 濕法工藝膠粉改性瀝青混合料的基本性能指標(biāo)

圖2 濕法工藝膠粉改性瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)

原膠粉經(jīng)過(guò)在180 ℃下與瀝青的預(yù)拌和以及與瀝青混合料的拌和后仍存在大尺寸膠粉組分（大約0.1 mm）且膠粉尺寸范圍寬、大尺寸膠粉比例高。然而，速溶膠粉在經(jīng)過(guò)了溫度僅為160 ℃的預(yù)拌和以及180 ℃下瀝青混合料拌和后可以以較小尺寸膠粉（10 um）的形式存在。這與干法工藝中的現(xiàn)象一致，速溶膠粉在混合料制備過(guò)程中更易變細(xì)且分散更均勻。對(duì)于膠粉而言，與干法工藝相對(duì)比，濕法工藝下膠粉的顆粒尺寸分布更均勻且大尺度組分尺寸較小，這說(shuō)明濕法工藝更利于膠粉顆粒的分散。對(duì)于速溶膠粉而言，體系中膠粉顆粒尺寸在幾微米到幾十微米，在此基礎(chǔ)上干法和濕法工藝對(duì)顆粒尺寸影響不大，這說(shuō)明膠粉解交聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)分散尺度的影響更大。

3.3 瀝青用量對(duì)DSRMA 性能的影響

由于膠粉改性瀝青混合料過(guò)程中一直存在溶脹、降解及溶脹降解反復(fù)作用過(guò)程，瀝青最佳用量較難確定，下面采用速溶膠粉，在不同瀝青含量下與石料干拌，觀察其拌和狀態(tài)，以獲得較佳瀝青含量，指標(biāo)見(jiàn)表8。拌和結(jié)束（左）、燜料2 h（中）及混合料冷卻后（右）的照片見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，不同用油量的DSRMA 中瀝青和膠粉均可均勻分散，而隨著用油量的提高，混合料狀態(tài)由稍干、適中逐漸變成泛油，對(duì)瀝青用量的使用范圍較寬。燜料也影響著混合料狀態(tài)，燜料前DSRMA-4.3 稍干；燜料2 h 后混合料呈現(xiàn)出微微泛油的狀態(tài)，光亮度增加，稍加翻動(dòng)可發(fā)現(xiàn)集料間粘結(jié)力有一定提高，這與提高瀝青用量效果相似。燜料冷卻后，混合料泛油程度未改變，進(jìn)一步說(shuō)明了燜料工藝對(duì)提高泛油程度的有效性。不同用油量下干法工藝DSRMA 的基本性能指標(biāo)見(jiàn)表8。

隨著油石比提高，空隙率基本呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，試件密度和VFA基本呈上升趨勢(shì)，其中DSRMA-4.8 和DSRMA-5.6 的空隙率符合范圍要求；標(biāo)準(zhǔn)飛散損失和穩(wěn)定度略有下降。表明瀝青用量的提高可以使得混合料易壓實(shí)，提高混合料粘結(jié)性能，同時(shí)穩(wěn)定度略有下降。

表8 不同用油量下干法工藝速溶膠粉改性瀝青混合料的基本性能指標(biāo)

圖3 拌和料照片

4 結(jié)論

1）高效解交聯(lián)的速溶膠粉在混合料中分散地更細(xì)、更均勻，速溶膠粉改性瀝青混合料更易壓實(shí)、粘結(jié)性能更佳，這在干法工藝和濕法工藝中均有體現(xiàn)。

2）使用速溶膠粉可以降低濕法工藝的加工溫度，從而降低能耗、減少污染，同時(shí)保證瀝青混合料的性能。

3）提高瀝青用量以及采用燜料工藝均有助于提高DSRMA 的泛油程度。結(jié)合速溶膠粉和燜料工藝可替代部分瀝青，降低瀝青用量，提高膠粉改性瀝青混合料的經(jīng)濟(jì)性。