速溶膠粉改性瀝青混合料的研究

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)劃設計研究院有限公司，上海 200031；2.上海交通大學化學化工學院，上海 200240；3.浙江省交通集團檢測科技有限公司，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)質的可持續(xù)道路建設方案。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，可降低道路的全周期建設能耗，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)場生產也可工廠化加工，技術已趨于成熟，但仍存在加工溫度高、環(huán)境污染嚴重且工藝復雜等問題；干法工藝相對簡潔，但該工藝制備的混合料難壓實且粘結性較差，易發(fā)生局部損害。CRMA 干濕法工藝難點的根源在于膠粉的三維化學交聯(lián)結構，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 的加工和應用性能，研究者們從材料和工藝兩個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 目及以上的細膠粉［2-6］；工藝因素主要包括級配、拌和溫度和時間、發(fā)育時間及壓實溫度等，比如干法中常使用燜料來強化相互作用等［7-9］。這些研究雖然取得較大進展，但由于忽略膠粉三維化學交聯(lián)的熱固性彈性的本質，還未能全面解決實際工程應用的變異性和環(huán)保問題。三維化學交聯(lián)結構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、粘結性差、能耗高及污染嚴重等問題。高效解交聯(lián)破壞膠粉的三維化學交聯(lián)結構，可以促進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照樣，進行了速溶膠粉改性瀝青混合料的路用性能研究。

1 試驗原料和級配

1.1 基質瀝青

本試驗所用瀝青為埃索70#道路石油瀝青，具體性能指標見表1。

表1 基質瀝青性能指標

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 礦料級配及其它

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

表2 礦料配合比

表3 試驗礦料級配組成

表4 集料密度

2 試驗方案

2.1 干法制備改性瀝青混合料

基質瀝青、集料、礦粉和擊實模具置于鼓風干燥烘箱中預熱，拌和鍋預熱。將熱集料倒入拌和鍋，適當混合后倒入膠粉（1%，以集料為基數(shù)），拌和30 s 后倒入基質瀝青（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，相關技術要求見表5。試樣編號：DRMA-X（原膠粉）或DSRMA-X（速溶膠粉），其中X表示基質瀝青用量。

表5 混合料室內試驗溫度

2.2 濕法制備改性瀝青混合料

將膠粉（內摻20%）加入熱基質瀝青后，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、礦粉和擊實模具置于鼓風干燥烘箱中預熱，拌和鍋預熱。將熱集料倒入拌和鍋，適當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，無需燜料，相關技術要求見表5。試樣編號：WRMA（原膠粉）和WSRMA（速溶膠粉）。

2.3 性能測試

瀝青混合料的基本體積指標、標準馬歇爾穩(wěn)定度、肯塔堡飛散性能檢測參照JTG E20—2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行。

2.4 顯微結構觀察

將瀝青混合料溶于甲苯中，用10 目篩網過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，通過光學顯微鏡觀察，拍攝顯微照片。

3 結果與討論

3.1 干法膠粉改性瀝青混合料的結構與性能

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 的基本性能指標見表6。

表6 干法工藝膠粉改性瀝青混合料的基本性能指標

由表6可見，無論燜料與否，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?？癸w散能力大小一定程度上可表征瀝青混合料的粘結情況，DSRMA-4.8 的標準飛散損失明顯小于DRMA-4.8，表明速溶膠粉可提高混合料的粘結力，有利于防止松散、掉粒等病害；DSRMA-4.8 的標準穩(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，但馬歇爾穩(wěn)定度仍在11 kN 以上。DSRMA-4.8 易壓實且具有較好的粘結力，是由于速溶膠粉易形變、彈性降低和粘性增強，速溶膠粉改性瀝青對集料有較好的裹覆作用，這得益于三維網絡結構的破壞。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，說明燜料有利于提高混合料的粘結力。圖1是干法工藝膠粉改性瀝青混合料膠漿的光學顯微照片。

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的毫米級大顆粒轉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程中更易變細且分散更均勻，起到同瀝青一起粘結礦粉的作用。由于分子結構的不同，速溶膠粉的三維化學交聯(lián)結構已在前期部分解開，更容易在混合料體系中實現(xiàn)微細化分散。

圖1 干法工藝膠粉改性瀝青混合料的微觀結構

3.2 濕法膠粉改性瀝青混合料的結構與性能

WRMA 和WSRMA 的基本性能指標見表7。

WSRMA 的空隙率、標準飛散損失小于WRMA，表明速溶膠粉具有較好的壓實性和對石料的裹覆能力。WSRMA 的馬歇爾標準穩(wěn)定度略小于WRMA，但仍較高達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，這也導致了較高的飛散損失率?？偟膩碚f，速溶膠粉比原膠粉容易壓實并可提高混合料的粘結力，這與干法工藝中得出的結論一致。值得提出的是，WSRMA 制備過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

圖2 濕法工藝膠粉改性瀝青混合料的微觀結構

原膠粉經過在180 ℃下與瀝青的預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，速溶膠粉在經過了溫度僅為160 ℃的預拌和以及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程中更易變細且分散更均勻。對于膠粉而言，與干法工藝相對比，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，這說明濕法工藝更利于膠粉顆粒的分散。對于速溶膠粉而言，體系中膠粉顆粒尺寸在幾微米到幾十微米，在此基礎上干法和濕法工藝對顆粒尺寸影響不大，這說明膠粉解交聯(lián)結構對分散尺度的影響更大。

3.3 瀝青用量對DSRMA 性能的影響

由于膠粉改性瀝青混合料過程中一直存在溶脹、降解及溶脹降解反復作用過程，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，指標見表8。拌和結束（左）、燜料2 h（中）及混合料冷卻后（右）的照片見圖3。

由圖3可見，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，稍加翻動可發(fā)現(xiàn)集料間粘結力有一定提高，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，進一步說明了燜料工藝對提高泛油程度的有效性。不同用油量下干法工藝DSRMA 的基本性能指標見表8。

隨著油石比提高，空隙率基本呈現(xiàn)下降趨勢，試件密度和VFA基本呈上升趨勢，其中DSRMA-4.8 和DSRMA-5.6 的空隙率符合范圍要求；標準飛散損失和穩(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，提高混合料粘結性能，同時穩(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

圖3 拌和料照片

4 結論

1）高效解交聯(lián)的速溶膠粉在混合料中分散地更細、更均勻，速溶膠粉改性瀝青混合料更易壓實、粘結性能更佳，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濟性。