橡膠熱再生混合料低溫性能與細觀特征研究*

汪海年，張 琛，方 俊，李曉燕，尤占平,3

(1.長安大學 道路結構與材料交通行業重點實驗室，陜西 西安 710064；2. 中交通力建設股份有限公司，陜西 西安 710075；3.密歇根理工大學 土木工程與環境學院，美國 霍頓 49931)

低溫條件下的瀝青路面破壞往往伴隨著凍融過程，從而加速了瀝青路面的裂縫產生.橡膠熱再生瀝青混合料就是將橡膠瀝青與熱再生技術相結合，從而在一定程度上增強瀝青混合料的低溫柔韌性，減少凍融現象，并具有環保作用.黃沖[1]通過室內試驗對膠粉熱再生瀝青混合料的低溫性能進行評價后發現，膠粉對于熱再生瀝青混合料的低溫性能具有促進作用.郭朝陽[2]在常溫及低溫條件下研究了廢膠粉在瀝青中的改性機理，其結果表明,改性瀝青中未溶解的膠粉顆粒可提高其低溫抗裂性能并增強瀝青的彈性恢復性能.Widyatmoko[3]采用力學經驗法對RAP摻量分別為10%， 30%及50%時6種類型再生瀝青混合料進行實驗評估.新瀝青的針入度為60～80，并未摻加再生劑.研究結果表明：再生瀝青混合料與傳統新拌瀝青混合料具有相當的路用性能.Jeong[4]采用動態剪切試驗(DSR)與色譜凝膠分析(GPC)方法對7種拌合反應時間、3種拌合溫度、4種膠粉摻量的橡膠粉與瀝青間的相互反應進行室內試驗，研究表明，反應時間與反應溫度對橡膠瀝青的性能影響最為顯著，膠粉摻量對橡膠瀝青的流變參數G*與sinδ有著顯著影響.由此可見，在再生混合料中使用橡膠瀝青，已經得到日益廣泛地研究與應用.然而，對于經凍融過程的橡膠熱再生瀝青混合料低溫性能的研究則鮮有報道.

瀝青混合料自身材料特性及其內部細觀結構特征對其宏觀力學行為起著關鍵作用，同時對瀝青混合料的低溫抗裂性能也有著非常重要的影響[5].縱觀現行的眾多瀝青混合料低溫性能評價方法，仍多限于表象法的室內試驗，同時瀝青混合料內部結構特征與其宏觀力學性能之間的關系也較少涉及，且缺乏瀝青混合料材料性能的細觀特征描述，從而導致了統計指標(諸如瀝青用量、空隙率等)相同而各試件力學性能有較大差異的情況[6].

鑒于此，本研究對凍融前后的小梁試件分別進行低溫彎曲試驗，研究不同膠粉摻量(6.4%，9.2%和14.1%)、不同膠粉細度(20目，40目和80目)和不同RAP摻量(25%，35%和50%)條件下的橡膠熱再生瀝青混合料的低溫性能.基于工業CT無損掃描技術，對凍融前后的試件分別進行掃描，并根據處理后的掃描圖像來定量描述凍融前后試件體積指標的變化，從而更好地解釋了橡膠熱再生瀝青混合料的低溫抗裂機理，促進了橡膠熱再生瀝青材料配合比設計方法從模糊經驗到理論實際的轉化.

1 原材料的技術性能

1.1 RAP料

本研究所采用的RAP料來自于陜西某高速公路試驗段的銑刨舊料，其中銑刨深度為4 cm左右，且盡量保證所取舊料為路面的上面層[7].采用離心抽提法得到的舊瀝青技術性質如表1所示.

表1 舊瀝青的技術性質

根據JTG E42-2005《公路工程集料試驗規程》中的篩分試驗確定RAP料的級配如表2所示.

表2 RAP料的級配

1.2 集料與基質瀝青

本研究中的粗細集料均采用石灰巖，其技術性質如表3所示.

表3 集料的技術性質

本研究結合RAP料的老化程度以及陜西地區氣候特點、交通組成、混合料類型以及經濟性等因素，選擇SK90#瀝青作為基質瀝青.相關技術指標和要求見表4.

表4 SK90#基質瀝青技術指標及要求

1.3 橡膠瀝青

本研究采用濕法工藝制備橡膠瀝青，以SK90#基質瀝青作為調和瀝青，改性溫度定在180～200 ℃之間，改性時間為60 min.不同膠粉摻量的橡膠瀝青性能如表5所示.

由此可知，膠粉的加入使基質瀝青的高低溫性能和彈性恢復性能都有了不同程度的改善[8].

2 低溫性能研究

2.1 試驗方法

本文以橡膠瀝青作為熱再生瀝青混合料的調和瀝青，采用AC-16級配，以最大彎拉應變作為控制指標，采用小梁低溫彎曲試驗研究不同膠粉摻量(6.4%，9.2%和14.1%)、不同膠粉細度(20目，40目和80目)和不同RAP摻量(25%，35%和50%)條件下經凍融過程的橡膠熱再生瀝青混合料的低溫性能，并確定最佳的RAP摻量、膠粉摻量和膠粉細度.在試驗過程中，需要制備兩組平行試件，其中一組為經過16 h、18 ℃控溫的凍融試件，另一組為未凍融的試件.將凍融試件在常溫水中保溫12 h后與未凍融試件分別進行小梁低溫彎曲試驗，并將結果進行對比分析[9].

表5 不同膠粉摻量的橡膠瀝青性能

2.2 不同膠粉摻量的橡膠熱再生瀝青混合料凍融前后對比

本文選取膠粉摻量分別為6.4%，9.2%和14.1%的橡膠熱再生瀝青混合料來研究不同膠粉摻量的橡膠熱再生瀝青混合料凍融前后的低溫性能.其中，RAP摻量為25%，膠粉細度為80目.此外，本試驗還增加了一組RAP摻量為25%的基質瀝青熱再生瀝青混合料以作對比.如圖1所示，橫坐標膠粉摻量為0則代表RAP摻量為25%的基質瀝青熱再生瀝青混合料.下降比率則表示凍融后的最大彎拉應變相對于凍融前的下降程度(下同).由圖1可知，膠粉摻量為14.1%的橡膠瀝青凍融后的低溫性能下降幅度最大，為32.7%；而膠粉摻量為9.2%的橡膠瀝青凍融后的低溫性能下降幅度最小，為10.5%；相對于基質瀝青熱再生混合料來說，膠粉摻量為9.2%的橡膠熱再生瀝青混合料具有更好的抗低溫性能.因此，考慮到實際路面受低溫影響時往往伴隨凍融的現象，結合以上實驗結果可知，膠粉摻量并不一定是越大越好.其原因是瀝青中的膠粉達到飽和后，多余的橡膠粒會聚集成團狀，且膠粉團的內部基本沒有粘結力，膠粉團的自身溶脹能力也隨著溫度的降低而降低，導致橡膠瀝青的延性受阻，從而會對橡膠瀝青的低溫性能造成不利影響[10-11].這個現象也說明了橡膠瀝青在某些條件下會存在一個最佳膠粉摻量的問題，如本研究中所得出的橡膠熱再生瀝青混合料的最佳膠粉摻量為9.2%.

膠粉摻量/%

2.3 不同膠粉細度的橡膠熱再生瀝青混合料凍融前后對比

本文選取膠粉細度分別為20目，40目和80目的橡膠熱再生瀝青混合料來研究不同膠粉細度的橡膠熱再生瀝青混合料凍融前后的低溫性能.其中，RAP摻量為25%，膠粉摻量為9.2%.同樣，本試驗增加了一組RAP摻量為25%的基質瀝青熱再生瀝青混合料以作對比.結果如圖2所示，橫坐標膠粉細度為0則代表RAP摻量為25%的基質瀝青熱再生混合料.由圖2可知，摻40目膠粉的橡膠瀝青凍融后的低溫性能下降幅度最大，為18.7%；而摻80目膠粉的橡膠瀝青凍融后的低溫性能下降幅度最小，為10.4%；相對于基質瀝青熱再生混合料來說，摻80目膠粉的橡膠熱再生瀝青混合料具有更好的抗低溫性能.

膠粉細度/目

2.4 不同RAP摻量的橡膠熱再生瀝青混合料凍融前后對比

本文選取RAP摻量分別為25%,35%和50%的橡膠熱再生瀝青混合料來研究不同RAP摻量的橡膠熱再生瀝青混合料凍融前后的低溫性能.其中，膠粉細度為80目，膠粉摻量為9.2%.此外，本試驗以同樣RAP摻量的基質瀝青熱再生混合料和橡膠熱再生瀝青混合料作對比試驗.結果如圖3和圖4所示.

RAP摻量/%

RAP摻量/%

在圖3中，橫坐標RAP摻量為0%代表的是無RAP料的(采用新集料)基質瀝青混合料.由圖3可知，隨著RAP摻量的增大，基質瀝青熱再生混合料凍融后的抗低溫性能下降幅度逐漸增大.在圖4中，橫坐標RAP摻量為0%代表的是無RAP料的(采用新集料)橡膠瀝青混合料.由圖4可知，當RAP摻量為35%時，橡膠熱再生瀝青混合料凍融后的抗低溫性能下降比率最大.

為了作一個定量的對比，將不同RAP摻量的基質瀝青熱再生混合料和橡膠熱再生瀝青混合料凍融后的抗低溫性能下降比率進行匯總，如圖5所示.

由圖5可知，橡膠瀝青熱再生混合料相對基質瀝青熱再生瀝青混合料有更優越的抗低溫性能.尤其考慮到路面經受低溫影響時往往伴隨著凍融的現象，橡膠瀝青熱再生混合料經凍融后的低溫性能下降較小，且相對基質瀝青熱再生混合料來說具有更好的耐久性及抗低溫性能[11].

RAP摻量/%

3 細觀特征研究

基于工業CT無損掃描技術，對凍融前后的試件分別進行掃描，并以閉口空隙為控制指標來定量描述凍融前后試件的細觀結構特征，從而更好地表征橡膠熱再生瀝青混合料的低溫性能[12].

3.1 實驗條件

根據以上的低溫彎曲試驗結果，確定最佳RAP摻量為25%，膠粉細度80目，膠粉摻量為9.2%，并在室內成型標準馬歇爾試件，相關材料技術指標同上.采用YXLON Compact-225型工業CT對成型后的標準馬歇爾試件進行掃描，其中：掃描電壓為200 kV，掃描電流為0.6 mA，投影數為1 080，積分時間為700 ms，掃描時間為16 min.

3.2 結果分析

為了更方便地研究凍融前后試件的變化，本研究取凍融前后的同一截面掃描圖進行對比，如圖6所示.

空隙體積范圍/mm2

空隙體積范圍/mm2

對比凍融前后的截面圖，可發現凍融后的空隙率明顯變大．為了做一個定量分析，本文采用該工業CT的專用圖像分析軟件VG Studio MAX(以下簡稱VG)對其閉口空隙率進行計算.由于VG軟件包含CT掃描的所有原始數據，故其對閉口空隙率的計算并不影響其最終結果.以每25 mm3為一個體積區間，對VG軟件的空隙率計算結果進行統計分析，可得凍融前后試件空隙體積范圍分布如圖7所示.

(a)凍融前

(b)凍融后

由圖7可知，凍融前的試件空隙主要分布在0～75 mm3范圍內，采用VG軟件計算其閉口空隙率為2.9%；凍融后的試件空隙體積也主要分布在0～75 mm3范圍內，但是相對于凍融前的空隙分布，在0～25 mm3體積范圍內的空隙數量減少了13.8%，而在25～50 mm3體積范圍內的空隙數量則增加了62.9%. 再對凍融后的試件進行閉口空隙率計算，得其空隙率為3.49%，比凍融前增大了20.3%.

4 結 論

1) 相對于基質瀝青熱再生混合料來說，膠粉摻量為9.2%，膠粉細度為80目，RAP摻量為25%的橡膠熱再生瀝青混合料具有更好地抗低溫性能.尤其考慮到路面經受低溫影響時往往伴隨著凍融的現象，橡膠熱再生瀝青混合料經過凍融后的低溫性能下降較小，相對基質瀝青熱再生混合料有更好地耐久性與低溫抗裂性能.

2) 基于工業CT無損掃描技術，分別對橡膠熱再生瀝青混合料凍融前后的試件進行了掃描，通過對比發現，凍融后試件的閉口空隙率增大了20.3%，且在0～25 mm3體積范圍內的空隙數量減少了13.8%，在25～50 mm3體積范圍內的空隙數量則增加了62.9%.

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