摻RAP的Terminal Blending橡膠瀝青混合料性能研究

陸振盛，劉洪輝 編譯

(1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學院，廣西 柳州 545616；2.西安公路研究院)

目前，橡膠瀝青因其良好的路用性能而被廣泛應用于瀝青混合料中。廢舊輪胎膠粉的制備主要包括常溫法和冷凍法兩種工藝，冷凍法生產(chǎn)的膠粉表面較規(guī)則，而常溫法生產(chǎn)的膠粉表面粗糙。大量研究結(jié)果表明：因常溫法生產(chǎn)的膠粉表面粗糙且具有較大的比表面積，與瀝青的接觸面積較大，可與瀝青充分反應，使橡膠瀝青的各項性能也較優(yōu)。

常用的橡膠瀝青混合料制備包括干法和濕法，干法工藝是將膠粉替代部分細料，從而制備橡膠瀝青混合料；濕法工藝是將膠粉與瀝青預先混合攪拌，形成性能良好的改性瀝青，再通過瀝青混合料配比設計，制備橡膠瀝青混合料。因干法橡膠瀝青混合料性能較差，目前常用的橡膠瀝青主要以濕法工藝制備。傳統(tǒng)的濕法橡膠瀝青制備流程主要是直接將膠粉加入瀝青中攪拌一定時間，但該方法制得橡膠瀝青存在儲存穩(wěn)定性較差、容易發(fā)生離析等缺陷。因此，近年來，研究人員逐漸采用Terminal Blending方法，即通過高速剪切的方式，使膠粉完全溶于瀝青中，以改善其相容性。

高速公路從建設期轉(zhuǎn)向維修養(yǎng)護期, 不可避免地會產(chǎn)生大量的廢舊瀝青混合料(簡稱RAP)，對RAP進行合理的回收利用不僅可以促進綠色交通的發(fā)展，減輕環(huán)境的負擔，還可以使瀝青路面的服務水平和使用狀況得到提升。

目前，為響應國家綠色公路的號召，如何進行環(huán)境友好型的公路工程建設已成為當前研究的主流方向，該文針對Terminal Blending橡膠瀝青混合料的性能進行研究，此外，為提高廢舊瀝青混合料(RAP)的循環(huán)利用，研究過程中向橡膠瀝青中加入20%RAP，從而研究摻RAP的橡膠瀝青混合料各項性能。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

(1)膠粉。目前常用的膠粉生產(chǎn)工藝主要包括常溫生產(chǎn)法(AM)和冷凍生產(chǎn)法(CR)，其中常溫生產(chǎn)工藝的膠粉(AM)是指在常溫條件下通過撕裂和粉碎作用，形成形狀不規(guī)則、表面粗糙的膠粉顆粒，它可以與瀝青充分接觸反應。而冷凍法生產(chǎn)的膠粉(CR)顆粒表面光滑，其表面積較常溫法生產(chǎn)膠粉低，與瀝青間的接觸面積較小。分別采用常溫和冷凍工藝制備兩種不同類型的橡膠粉，從而研究不同生產(chǎn)工藝對橡膠瀝青性能的影響。

(2)改性瀝青。采用PG 64-22基質(zhì)瀝青和SBS改性劑，分別制備PG70-22M和PG 76-22M等級的改性瀝青，從而與橡膠瀝青進行對比試驗。橡膠瀝青的主要制備流程如下：

首先將基質(zhì)瀝青加熱至190 ℃，分別加入10%的AM和CR兩種膠粉制備橡膠瀝青，然后采用高速剪切儀進行剪切，剪切時間為50 min，速率為3 600 r/min；為研究剪切速率對橡膠瀝青性能的影響，采用800 r/min的剪切速率制備另外一組AM橡膠瀝青；此外，為研究橡膠瀝青懸浮劑(ASA)對橡膠瀝青儲存穩(wěn)定性和改性瀝青性能的影響，在CR橡膠瀝青制備過程中，設置了摻ASA+CR橡膠瀝青進行對比試驗。

1.2 瀝青混合料配合比設計

針對不同改性瀝青進行混合料配合比設計，其中集料的最大公稱粒徑為9.5 mm，通過礦料級配設計，最終確定了礦料的配比為：粗集料(47%)、天然砂(16%)、機制砂(17%)以及RAP(20%)。瀝青混合料的設計空隙率為3.5%，通過馬歇爾配合比試驗，最終確定不同改性瀝青的最佳油石比分別為70-22M(6.1%)、70-26M(6.2%)、GTR AM(5.8%)、GTR CR(5.7%)和GTR CR + ASA(5.7%)。分別對不同瀝青混合料的主要性能進行測試，包括瀝青混合料疲勞性能、水穩(wěn)定性、低溫開裂以及高溫抗車轍性能，以評價不同改性瀝青對橡膠瀝青混合料性能的影響。

在低溫性能測試時，采用瀝青混合料低溫開裂試驗(ACCD)。在具體測試時，將150 mm高圓柱形混合料試件中間鉆孔，孔徑為60 mm，并在混合料試件外側(cè)預制一道裂縫，裂縫的深度為22.4 mm。然后將ACCD測試環(huán)及試件放置在65 ℃的烘箱內(nèi)保溫60 min，安裝ACCD測試環(huán)于試件孔內(nèi)，再將試樣放置在環(huán)境箱中，試驗溫度逐漸降低，隨著溫度的降低，瀝青混合料試樣收縮并擠壓ACCD環(huán)，測試環(huán)內(nèi)置的傳感器測量并記錄下溫度和應力，直到試件開裂時，測試環(huán)上受到的應力突然松弛，從而得到實際開裂的溫度。

ACCD試驗主要針對短期和長期老化后的瀝青混合料試件，短期老化是將松散瀝青混合料置于烘箱中并在壓實溫度條件下保溫4 h，然后成型試件；長期老化是將壓實成型后的短期瀝青混合料試件在85 ℃的烘箱中放置5 d，然后從烘箱中取出并冷卻后測試。

2 測試結(jié)果及分析

2.1 改性瀝青高低溫等級分析

圖1、2分別為改性瀝青的PG高、低溫分級。

從圖1可以看出：所有橡膠瀝青的高溫等級都超過了76 ℃；剪切速率對橡膠瀝青性能產(chǎn)生一定影響，具體表現(xiàn)為采用800 r/min制備的橡膠瀝青高溫等級明顯低于3 600 r/min制備的橡膠瀝青。而冷凍法生產(chǎn)工藝的膠粉較常溫法生產(chǎn)的膠粉具有較高的PG高溫等級；此外，懸浮劑的加入同樣改善了橡膠瀝青的高溫分級。從圖2可以看出：除800 r/min制備的橡膠瀝青外，其他橡膠瀝青的PG低溫等級都低于-22 ℃，表明剪切速率對橡膠瀝青性能影響較大，在后面的研究中未考慮采用800 r/min制備的橡膠瀝青。

圖1 改性瀝青高溫等級

圖2 改性瀝青低溫等級

2.2 間接拉伸強度測試結(jié)果

采用間接拉伸試驗來評價瀝青混合料的疲勞開裂性能，圖3為橡膠瀝青混合料間接拉伸強度ITS和硬度指數(shù)(TI)測試結(jié)果，ITS值越高，表明瀝青混合料的強度越高，抵抗車輛荷載破壞的能力就越強；而硬度指數(shù)TI表示瀝青混合料在拉伸應變作用下吸收能量的大小，TI值越小，表明瀝青混合料在荷載作用過程中可吸收的能量越小，即瀝青混合料就越脆，在受到外力作用時，容易發(fā)生開裂。

圖3 瀝青混合料ITS和TI測試結(jié)果(1 psi=6.895 kPa)

從圖3中可以明顯看出：橡膠瀝青的ITS值普遍高于聚合物改性瀝青的ITS值。相反地，橡膠瀝青的TI值卻明顯低于聚合物改性瀝青。表明橡膠瀝青較聚合物改性瀝青具有較高的強度，但其韌性較低，在荷載作用下容易發(fā)生脆性開裂，且AM膠粉制備的橡膠瀝青混合料性能略優(yōu)于CR法制備的橡膠瀝青。

2.3 凍融劈裂試驗結(jié)果分析

為研究橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性，采用凍融劈裂試驗分別測試在干燥(Dry)和飽水(Wet)條件下瀝青混合料的間接拉伸強度(ITS)，并以兩者的比值(Wet/Dry)作為評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的指標(TSR)，TSR值越大，表明瀝青混合料抵抗水損害的能力就越強。

圖4為不同浸水條件下橡膠瀝青混合料的ITS測試結(jié)果。

圖4 不同浸水條件下瀝青混合料ITS測試值

從圖4可以看出：經(jīng)浸水作用后(Wet)，瀝青混合料的ITS值顯著降低，但所有瀝青混合料都表現(xiàn)出相似的下降趨勢，但其降低程度略有不同。常溫生產(chǎn)法(AM)的膠粉改性瀝青具有明顯較高的水穩(wěn)定性，其抗水損害的能力明顯優(yōu)于其他改性瀝青，且CTR橡膠瀝青與CTR+ASA橡膠瀝青雖具有相同的ITS值(Dry)，但經(jīng)飽水凍融后，CTR+ASA橡膠瀝青表現(xiàn)出明顯的抗水損害優(yōu)勢，其結(jié)果同樣在圖5中TSR測試結(jié)果顯示出來，但總體上，所用瀝青混合料的TSR值都大于0.8，滿足規(guī)范對瀝青混合料抗水損害性能的要求。

圖5 凍融劈裂比TSR結(jié)果

2.4 ACCD試驗結(jié)果分析

圖6為所有瀝青混合料的ACCD試驗結(jié)果。

從圖6可以看出：相對于短期老化，長期老化后瀝青混合料的低溫抗裂性能明顯變差。不同老化條件下，不同瀝青混合料的低溫開裂溫度表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，所有瀝青混合料中，76-22M的低溫抗裂性能最好，而70-22M的低溫抗裂性能最差，且所有橡膠瀝青混合料具有相近的低溫開裂溫度，比70-22M混合料低-3 ℃。ACCD試驗結(jié)果表明：橡膠瀝青混合料具有顯著的低溫抗裂性能，可作為傳統(tǒng)聚合物改性劑的替代產(chǎn)品，用于低溫地區(qū)瀝青混合料以提高瀝青路面抗開裂性能。

圖6 瀝青混合料ACCD試驗結(jié)果

2.5 高溫車轍試驗結(jié)果分析

圖7為瀝青混合料的高溫車轍試驗結(jié)果。

圖7 瀝青混合料車轍試驗結(jié)果

從圖7可以看出：① 所有橡膠瀝青混合料的車轍深度都低于PG 70-22M瀝青混合料，表明橡膠瀝青具有良好的高溫抗車轍性能，這與前述改性瀝青的高溫PG等級測試結(jié)果一致；② CR橡膠瀝青混合料的車轍深度略高于AM瀝青混合料，但當改性瀝青中摻加懸浮劑(ASA)后，改性瀝青混合料的車轍深度顯著降低，這表明所用的抗沉降劑提高了橡膠瀝青的高溫抗變形能力，改善了橡膠瀝青混合料的車轍性能。

3 基于TOPSIS的改性瀝青綜合性能評價

Topsis法的基本思想：針對評價指標的原始數(shù)據(jù)矩陣，通過矩陣歸一化處理，得到有限方案中的最優(yōu)方案和最劣方案，然后分別計算各評價對象與最優(yōu)方案的距離(D+)和最劣方案的距離(D-)，獲得各評價對象與最優(yōu)方案的相對接近程度(CI)，然后進行排序，以此距離作為評價優(yōu)劣的依據(jù)。

對所有改性瀝青的性能進行綜合評價，主要評價指標包括改性瀝青的間接拉伸強度(ITS)、硬度指數(shù)(TI)、凍融劈裂比(TSR)、低溫抗裂指標(ACCD)、以及高溫車轍深度(RD)，各個評價指標的試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同改性瀝青混合料各評價指標測試結(jié)果

針對表1的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，得到如表2所示規(guī)范矩陣。

表2 各評價指標歸一化處理矩陣

得到矩陣的最優(yōu)和最劣向量分別為：

Y+=(0.479 2 0.524 4 0.490 0 -0.413 2 0.578 7)

Y-=(0.425 6 0.418 8 0.419 3 -0.514 6 0.326 9)

分別求得各方案到理想點的相對接近度，結(jié)果如表3所示。

表3 各個樣本排序指標值

由表3可以看出，基于多指標優(yōu)化評價，最終得到不同改性瀝青的綜合排序為：CR+ASA>76-22M>AM GTR>CR GTR>70-22M，其中CR+ASA橡膠瀝青的性能最好，然后依次為76-22M聚合物改性瀝青、常溫膠粉橡膠瀝青AM GTR、冷凍法膠粉橡膠瀝青CR GTR，而70-22M聚合物改性瀝青性能最差。一般地，常溫法生產(chǎn)的膠粉較低溫生產(chǎn)的膠粉性能更好，其主要原因在于常溫生產(chǎn)的膠粉具有較大的比表面積，反應時與瀝青的接觸面積較大，反應更充分。橡膠瀝青中加入懸浮劑，改善了橡膠瀝青存儲穩(wěn)定性，使得其各項性能顯著提升。

4 結(jié)論

(1)橡膠瀝青可顯著提升瀝青的PG等級，冷凍法生產(chǎn)的膠粉較常溫法生產(chǎn)的膠粉具有更高的PG等級；攪拌速率對橡膠瀝青性能影響較大，高攪拌速率制備的橡膠瀝青性能明顯較好；懸浮劑的添加也可以明顯提升橡膠瀝青的高溫等級。

(2)采用橡膠瀝青、且用RAP代替集料可制備出性能良好的瀝青混合料。所有橡膠瀝青具有良好的抗水損害能力(遠高出規(guī)范要求)；橡膠瀝青的低溫性能測試表明，橡膠瀝青混合料具有良好的低溫抗裂性能；且常溫法膠粉的性能略優(yōu)于冷凍法生產(chǎn)的膠粉；此外，相對于聚合物，橡膠瀝青的高溫性能明顯較好。

(3)針對所有改性瀝青的性能進行綜合評價，懸浮劑可以改善橡膠瀝青的存儲性能，并顯著提升其多方面性能；常溫法膠粉在穩(wěn)定性提升程度上的表現(xiàn)略優(yōu)于冷凍法生產(chǎn)的膠粉。