蠟基溫拌劑對廢橡膠粉改性瀝青車轍與疲勞性能的影響

李佳慶

（岳陽路橋集團有限公司，湖南 岳陽 414000）

0 引言

由于瀝青路面產(chǎn)生永久變形、疲勞開裂等病害，導(dǎo)致其養(yǎng)護成本增加及使用壽命縮短。研究表明，瀝青混合料組分中結(jié)合料對混合料性能影響很大，結(jié)合料的流變特性與混合料的車轍、疲勞性能直接相關(guān)［1］。因此，已有大量研究通過改善結(jié)合料的性能以提高混合料的抗車轍與疲勞性能，其中應(yīng)用最為廣泛的是添加各種改性劑［2］。

研究發(fā)現(xiàn)，在瀝青中摻入廢橡膠粉（CRM）能提高瀝青的抗老化性能，且廢橡膠粉改性瀝青（CRMA）混合料的抗車轍與疲勞性能明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料，使路面使用壽命大大延長［3］。然而，與基質(zhì)瀝青相比，CRMA 黏度較高［4］，生產(chǎn)過程中往往需要較高的拌和與壓實溫度，導(dǎo)致大量的燃料消耗及有毒氣體排放。而且，壓實溫度過低，生產(chǎn)中無法獲得合適的瀝青混合料體積特性（空隙率和壓實度），致使路面在短期和長期內(nèi)表現(xiàn)出不良性能［5］。

近年來，溫拌瀝青（WMA）技術(shù)成為研究熱點，通過在廢橡膠粉瀝青中摻入不同類型的溫拌劑，其黏度明顯降低，從而混合料的拌和與壓實溫度顯著降低［6-10］。然而，溫拌劑的摻入對CRMA 的疲勞與車轍性能有著不同的影響。Xiao 等［11］發(fā)現(xiàn)溫拌劑提高了CRMA 的抗車轍性能，但降低了其抗疲勞性能；Yu 等［12］發(fā)現(xiàn)在高溫條件下，含有Evotherm 溫拌劑的CRMA 呈現(xiàn)出較差的抗車轍與抗疲勞性能；Wang等［13］研究了兩種溫拌劑對CRMA 的高溫和中溫性能的影響，結(jié)果表明蠟基和化學(xué)基溫拌劑均會降低CRMA 的車轍和疲勞性能；但是，Wen 等［14］研究表明蠟基溫拌劑可以提高CRMA 的疲勞性能和耐車轍性。綜上所述，溫拌劑的類型對CRMA 的性能影響較大，選用合適的溫拌劑對CRMA 的車轍與疲勞性能至關(guān)重要。因此，有必要對摻入不同類型溫拌劑的CRMA 性能進行評估，從而為CRMA 混合料生產(chǎn)過程中選取合適的溫拌劑及摻量提供參考。

基于此，本文主要研究蠟基溫拌劑的摻入對CRMA 的疲勞和車轍性能的影響。選取不同摻量的兩種蠟基（松蠟和聚丙烯蠟）溫拌劑摻入到CRMA中，開展了旋轉(zhuǎn)黏度、動態(tài)剪切流變儀、多次應(yīng)力蠕變恢復(fù)和線性振幅掃描試驗，基于測試結(jié)果對比評價了不同摻量溫拌劑下CRMA 的車轍與疲勞性能。

1 原材料與試驗設(shè)計

1.1 原材料

采用70#基質(zhì)瀝青，三大性能指標(biāo)見表1。采用15% 摻量的CRM 作為改性劑，最大尺寸為0.425 mm。采用松蠟和聚丙烯蠟作為溫拌劑，主要特性見表2。

表1 70#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

表2 松蠟與聚丙烯蠟性能指標(biāo)

1.2 試樣制備

采用松蠟和聚丙烯蠟的用量分別占基質(zhì)瀝青的2%、4%和6%。為了制備改性瀝青，首先，在180 ℃下，使用高速剪切儀以3 600 rpm 的轉(zhuǎn)速將基質(zhì)瀝青與15%用量的CRM 剪切45 min；之后，將蠟基溫拌劑摻入到CRMA 中；最后，在160 ℃下，以相同剪切速率再剪切10 min 以獲取試樣?？偣仓苽? 組試樣用于試驗，試樣標(biāo)號如表3 所示。此外，為了在試驗室中模擬瀝青的短期和長期老化，根據(jù)規(guī)范要求，對試樣分別進行滾動薄膜烘箱（RTFO）試驗和壓力老化容器（PAV）試驗。

表3 瀝青試樣標(biāo)號

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 旋轉(zhuǎn)黏度（RV）試驗

RV 測試選取溫度為135 ℃（標(biāo)準(zhǔn)測試溫度）、165 ℃和185 ℃。根據(jù)SHRP 標(biāo)準(zhǔn)，改性瀝青135 ℃黏度不得超過3 Pa · s，以此技術(shù)要求來控制改性瀝青的施工性能。

1.3.2 動態(tài)剪切流變儀（DSR）試驗

DSR 試驗通過測試復(fù)數(shù)剪切模量（G*）和相位角（δ）來評價瀝青的彈性和黏性性能。SHRP 定義了從DSR 試驗獲得的車轍因子（G*/sinδ）用以評估瀝青的抗車轍性能，G*/sinδ越高，表明瀝青抗車轍性能越好。對于未老化和經(jīng)RTFO 老化的膠結(jié)料，其G*/sinδ參數(shù)分別要高于1 kPa 和2.2 kPa。此外，參數(shù)G*·sinδ也被定義用于評估瀝青在中溫下的疲勞性能。根據(jù)SHRP 要求，對于經(jīng)PAV 老化的膠結(jié)料，可以通過限制G*·sinδ小于5 000 kPa 來控制疲勞開裂。

1.3.3 多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)（MSCR）試驗

有研究表明G*/sinδ參數(shù)不能完整地表征瀝青車轍性能，特別是對應(yīng)力水平敏感的聚合物改性瀝青?；诖?，聯(lián)邦公路管理局引入了MSCR 試驗來評估瀝青的車轍性能，之后由Bouldin 等［15］對此試驗方法進行拓展與改進，其測試的有效性得到了充分的驗證。

在本研究中，對經(jīng)RTFO 老化瀝青在64 ℃下進行了MSCR 試驗，采用了0.1 kPa 和3.2 kPa 兩個應(yīng)力水平。MSCR 試驗中主要得到兩個參數(shù)：不可恢復(fù)的蠕變?nèi)崃浚↗nr）和應(yīng)變恢復(fù)率（R）。此外，通過兩個應(yīng)力水平下的Jnr計算出Jnr-diff參數(shù)，該參數(shù)用于評估瀝青的應(yīng)力水平敏感性。

1.3.4 線性振幅掃描（LAS）試驗

目前研究中，先后有不同參數(shù)被提出用來評估瀝青的疲勞性能。其中包括SHRP 引入的瀝青疲勞參數(shù)評價指標(biāo)G*·sinδ，但該參數(shù)是在線性黏彈性范圍內(nèi)確定的，并具有較小的剪切應(yīng)變，其與瀝青疲勞性能相關(guān)性較差，用作疲勞性能評價指標(biāo)并不可靠。之后，NCHRP 9-10 研究計劃提出時間掃描試驗來評價瀝青疲勞性能，但該試驗所基于的應(yīng)力或應(yīng)變水平，其耗時非常長，不適合常規(guī)測試。為了解決上述問題，目前廣泛采用的LAS 試驗，其作為一種用于測試荷載振幅增加而導(dǎo)致的損傷累積，能有效預(yù)估瀝青的疲勞性能，且大大節(jié)省試驗時間。

本研究中，基于AASHTO TP101 規(guī)范，在25 ℃下，對經(jīng)PAV 老化瀝青進行LAS 試驗。此外，使用黏彈性連續(xù)體損傷（VECD）理論分析了LAS 試驗結(jié)果，如式（1）所示：

式中：Nf為疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)；γmax為在給定路面結(jié)構(gòu)下的瀝青最大期望應(yīng)變；A和B為從VECD 分析中得到的疲勞模型參數(shù)。A描述材料保持其完整性的能力，與瀝青的疲勞壽命直接相關(guān)，B表示瀝青對應(yīng)變水平變化的敏感性，B越大，表示應(yīng)變水平幅度增加越大，疲勞壽命降低更快。

2 結(jié)果與分析

2.1 RV 試驗結(jié)果

圖1 顯示了蠟基溫拌劑對CRMA 旋轉(zhuǎn)黏度的影響。在135 ℃時，CR15 的黏度約為基質(zhì)瀝青黏度的3倍。明顯可以看到，添加兩種蠟基溫拌劑的CRMA黏度均明顯降低。同等摻量下，聚丙烯蠟對降低CRMA的黏度更為顯著。當(dāng)溫度為135 ℃時，CR15P6 相比于CR15 的旋轉(zhuǎn)黏度降低約50%。

圖1 不同瀝青結(jié)合料黏度試驗結(jié)果

由圖1 可知：CR15 的最低拌和溫度超過了177 ℃，壓實溫度處于160～164 ℃，而摻入兩種蠟基溫拌劑的拌和與壓實溫度均有所降低，且摻量越高，降低效果越顯著。其中聚丙烯蠟相對松蠟對CRMA混合料拌和與壓實溫度降低效果更大，CR15S6 的拌和溫度范圍為166～175 ℃，溫度降低約10 ℃，而CR15P6 的拌和溫度范圍為156～161 ℃，溫度降低約20 ℃。

2.2 DSR 試驗結(jié)果

圖2 為高溫條件下未老化和經(jīng)RTFO 老化的不同瀝青結(jié)合料G*/sinδ測試結(jié)果。可以看出：①與基質(zhì)瀝青相比，所有CRMA 的G*/sinδ值均提高，表明改性瀝青在高溫條件下的抗車轍能力增強。此外，對于含聚丙烯蠟的CRMA，CR15P2 車轍參數(shù)值最大，抗車轍能力隨聚丙烯蠟含量的增加而降低；②相同溫度下，添加松蠟溫拌劑CRMA 的G*/sinδ值均低于CR15，表明添加松蠟對CRMA 的抗車轍能力無積極作用。

圖2 不同瀝青結(jié)合料G*/sinδ 測試結(jié)果

表4 為25 ℃下不同瀝青類型的Superpave 疲勞參數(shù)的計算結(jié)果。表中所有溫拌劑摻量的瀝青結(jié)合料 的G*·sinδ均 不 超 過5 000 kPa，滿 足 疲 勞 開 裂 要求。Superpave 規(guī)范指出，G*·sinδ越低，瀝青疲勞性能更好。以此指標(biāo)評判混合料的疲勞性能，數(shù)值顯示：含松蠟溫拌劑的CRMA 疲勞性能優(yōu)于CR15，而含聚丙烯蠟的CRMA 對疲勞性能無提升作用。

表4 25℃下不同瀝青類型的Superpave 疲勞參數(shù)計算結(jié)果

2.3 MSCR 試驗結(jié)果

圖3、4 顯示了在0.1 kPa 和3.2 kPa 兩個應(yīng)力水平下的瀝青結(jié)合料MSCR 測試結(jié)果。其中，Jnr值越低，表示結(jié)合料抗永久變形能力更強，即抗車轍性能更好。R值越高，表明結(jié)合料的應(yīng)變恢復(fù)能力更好。

圖3 不同瀝青結(jié)合料Jnr值測試結(jié)果

圖4 不同瀝青結(jié)合料R 值測試結(jié)果

由圖3、4 可知：①與基質(zhì)瀝青相比，所有CRMA的Jnr值較低，而R值較高，表明廢橡膠粉改性瀝青對永久變形的抵抗能力更強；②松蠟的摻入增加了CRMA 的Jnr值，且 在3.2 kPa 應(yīng) 力 水 平 下，還 降 低 了CRMA 的R值。但 是，在0.1 kPa 的 應(yīng) 力 水 平 下，松蠟的摻入使CRMA 的R值略微提高，且隨著松蠟摻量的增加，R值逐漸降低。因此，與CR15 相比，含松蠟的CRMA 對永久變形的抵抗能力更弱；③聚丙烯蠟降低了CRMA 的Jnr值，并在0.1 kPa 應(yīng)力水平下，提高了R值。但在3.2 kPa 應(yīng)力水平下，R值無明顯變化。因此，聚丙烯蠟可有效改善CRMA 的抗車轍性能。在8 組瀝青試樣中，CR15P2 在兩種應(yīng)力水平下都具有最優(yōu)的抗車轍性能。

此外，本研究還計算了Jnr-diff參數(shù)用以評估瀝青的應(yīng)力水平敏感性，該參數(shù)值越小，表示結(jié)合料對應(yīng)力水平變化的敏感程度越低。圖5 顯示了不同瀝青結(jié)合料的Jnr-diff參數(shù)大小關(guān)系。

圖5 不同瀝青結(jié)合料Jnr-diff測試結(jié)果

由圖5 可知：CRMA 相比于基質(zhì)瀝青，其對應(yīng)力水平變化的敏感性明顯增加。隨著兩種蠟基添加劑的增加，CRMA 的Jnr-diff值均越大，但結(jié)果均滿足規(guī)范要求（小于75%）。7 組CRMA 中，CR15S6 的Jnr-diff值最大，CR15P2 的Jnr-diff值最小，表明低摻量聚丙烯蠟降低了CRMA 對應(yīng)力水平變化的敏感性。

2.4 LAS 試驗結(jié)果

不同瀝青結(jié)合料的破壞特征曲線如圖6 所示，圖6 中損傷強度為疲勞損傷參數(shù)；材料完整度為完整性參數(shù)，代表t時刻的復(fù)數(shù)模量與初始復(fù)數(shù)模量之比。通過破壞特征曲線，可在特定的損傷強度下判定瀝青結(jié)合料的材料完整性。不同類型蠟基添加劑及摻量對CRMA 的破壞過程有不同的影響，松蠟含量較高的CRMA 在任何特定的破壞損傷下均顯示出較高的材料完整性，表明對疲勞破壞具有更好的抵抗力。然而，聚丙烯蠟摻入?yún)s降低了CRMA 的材料完整性，對提高抗疲勞性能無正面作用。

圖6 不同瀝青結(jié)合料的破壞特征曲線

表5 為瀝青結(jié)合料在2.5%和5.0%兩種應(yīng)變水平下的疲勞壽命和LAS 試驗中計算模型A和B參數(shù)結(jié)果。

表5 不同瀝青結(jié)合料疲勞壽命及計算模型A 和B 參數(shù)結(jié)果

由表5 可以看到：①CR15 的A參數(shù)的值與基質(zhì)瀝青相比增加了約3 倍，表明廢橡膠粉摻入改善了瀝青的抗疲勞性能。此外，松蠟含量越高，A值越大，表明CRMA 抗疲勞性能越好，而聚丙烯蠟的含量增加降低了參數(shù)A值。與基質(zhì)瀝青相比，CRMA 參數(shù)B值更大，其中松蠟的摻入增大了CRMA 參數(shù)B值，而聚丙烯蠟反之，表明前者隨應(yīng)變水平的變化敏感性更強；②CRMA 相比基質(zhì)瀝青的疲勞壽命大大延長，原因在于CRM 顆粒與基質(zhì)瀝青之間的相互作用形成聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而能有效抵抗疲勞破壞。此外，不同蠟基溫拌劑對CRMA 疲勞性能有不同的影響，松蠟延長了CRMA 的疲勞壽命，而聚丙烯蠟相反，原因在于不同蠟基溫拌劑的添加對CRMA 的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)影響不同；③CR15S6 在2.5%和5.0% 兩種應(yīng)變水平下均具有最長的疲勞壽命，與CR15 相比，CR15S2、CR15S4 和CR15S6 膠結(jié)料的疲勞壽命在2.5%的應(yīng)變水平下分別提高了15%、39%和71%，而在5.0%的應(yīng)變水平下分別提高了7.5%、19%和33%，表明松蠟的摻入對CRMA 疲勞性能在低應(yīng)變水平下改善效果更明顯。

2.5 討論

基于上述試驗結(jié)果，蠟基溫拌劑的加入明顯降低了CRMA 的拌和與壓實溫度，其對CRMA 改性瀝青的生產(chǎn)帶來了巨大的經(jīng)濟與環(huán)保效益。然而，不同類型蠟基溫拌劑的摻入對CRMA 車轍與疲勞性能有不同的影響，雖然蠟基溫拌劑摻入降低了CRMA 的車轍性能，聚丙烯蠟的摻入降低了CRMA 的疲勞性能，總體上溫拌劑的摻入對CRMA 的車轍與疲勞性能影響程度不大，但相比基質(zhì)瀝青的性能仍有明顯的提升，且可通過摻入合適的溫拌劑摻量來使其對車轍與疲勞性能的負面影響降至最低。此外，可以針對不同路面結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境及服役性能要求選擇合適的蠟基溫拌劑，例如，在高溫環(huán)境下，可選擇聚丙烯蠟溫拌劑以達到更優(yōu)的抗車轍性能。

3 結(jié)論

（1）松蠟和聚丙烯蠟的摻入均降低了CRMA 的黏度，且摻量越多，其降低程度越明顯，其中聚丙烯蠟相比于松蠟效果更顯著。6%摻量的聚丙烯蠟?zāi)苁笴RMA 的旋轉(zhuǎn)黏度降低約50%，且使拌和溫度降低約20 ℃。

（2）高溫性能試驗表明聚丙烯蠟可提高CRMA的高溫性能，但隨摻量的增加其提高效果越不顯著，而松蠟降低了CRMA 的高溫性能。其中含2%聚丙烯蠟的CRMA 抗車轍性能最好。

（3）LAS 試驗表明松蠟可以改善CRMA 的抗疲勞性能，且隨摻量的增加其疲勞壽命也增加，在應(yīng)變水平分別為2.5% 和5% 時，松蠟摻量為6% 的CRMA 疲勞壽命分別提高了71%和33%。然而，聚丙烯蠟對改善CRMA 疲勞性能效果不顯著，摻量為6%的聚丙烯蠟CRMA 的疲勞壽命與基質(zhì)瀝青無明顯差別。