干法直投膠粉改性瀝青混合料的研究和應用進展

過震文1，琚利平2，于曉曉，徐斌1，王仕峰

（1.上海市市政規劃設計研究院有限公司，上海 200031；2.浙江省交通集團檢測科技有限公司，杭州 310002；3.上海交通大學化學化工學院，上海 200240）

將廢舊輪胎橡膠破碎磨制成膠粉應用于道路建設中，不僅可緩解廢舊輪胎帶來環境污染，而且可提高瀝青混合料的性能、延長道路壽命。與普通瀝青路面相比，一方面由于膠粉具有優異的抗疲勞性能，膠粉改性瀝青路面厚度可減薄一半[1]，使全周期建設能耗降低、石料等自然資源利用率提高。另一方面，憑借膠粉優異的抗老化性能，膠粉改性瀝青路面壽命可提高一倍。因此，膠粉改性瀝青路面是一種優質的可持續道路建設方案。

膠粉改性瀝青混合料的制備工藝主要有兩種，一種為濕法工藝，是指將膠粉與瀝青在高溫下預混后應用于混合料制備，另一種為干法直投膠粉改性瀝青混合料（DRMA）工藝，也稱干法工藝是指將膠粉直接摻入拌鍋中與石料、瀝青一起拌和，如圖1所示[2]。濕法工藝研究和應用較多，技術相對成熟，但濕法工藝也存在諸如黏度大、加工溫度高，施工難和環境污染性大等不足。干法工藝則無需考慮改性瀝青黏度大的問題，具有工藝簡潔、環保性較好等優點，從20世紀40年代開始受到應用研究[3]。本文對干法工藝的概念、起源、研究和應用現狀進行了綜述，介紹了DRMA 的評價方式和改性機理，并展望了DRMA 的未來。

圖1 橡膠瀝青濕法工藝（左）和干法工藝（右）示意圖

1 干法工藝和濕法工藝對比

干法和濕法工藝的對比見表1。干法工藝更有利于簡化工藝、節能減排地制備膠粉改性瀝青混合料。但是，因熱固性的膠粉在混合料中作用時間短（約1 min），難分散和難壓實，導致DRMA 各組分間結合力弱，性能變異性大。其次，干法工藝改性機理至今不明確，使得干法工藝難以標準化，其推廣應用受到了限制。

2 干法直投膠粉改性瀝青混合料的工藝研究

為了提高DRMA 路面的性能穩定性，發揮膠粉的改性作用，研究者們采用了多種方式進行改進。

2.1 膠粉種類和用量

DRMA 的研究主要集中在膠粉用量和粒徑上。膠粉最佳用量約集料的1%～2%[4,5]，隨著膠粉用量的增加，高低溫性能以及抗水損性能均呈現先上升后下降的趨勢[6]。膠粉粒徑較小時，混合料綜合性能更優[7,8]，具體表現為更易壓實，高溫抗變形和低溫抗裂能力提高等[9]。筆者認為粒徑較小的優勢來源于比表面積的增大提高了膠粉與瀝青接觸程度，促進兩相相互作用[10-12]。膠粉粒徑較大時，其改性瀝青的研究主要集中在其抗滑、抑冰、除雪特性上[13]。

表1 干法和濕法工藝的對比

2.2 添加改性劑

在拌和時加入改性劑也可以促進膠粉與瀝青間的反應[14,15]進而提高DRMA 路面的性能穩定性，研究最多的改性劑是反式聚環辛烯橡膠（TOR）[16]，其化學結構如圖2。

TOR 和膠粉一起加入到集料中拌和，隨之加入瀝青再次拌和制備混合料。據報道，TOR 可以促進膠粉/瀝青間的反應，改善兩者相容性；可以降低混合料黏度，進一步改善施工和易性[17]。但由于國外技術壟斷，該材料價格高、不易推廣應用。為此，國內相繼研發出了各類國產TOR（CTOR）[15]。對于TOR/CTOR 改性DRMA，從高分子反應共混角度講，物料間雖有一定的反應，但筆者認為更多是因為采用了較細膠粉和燜料工藝才提高了膠粉/瀝青相互作用，并且TOR/CTOR 起到了高分子改性作用。

圖2 TOR 的分子組成

2.3 膠粉的活化

膠粉的活化提出于20 世紀70年代。其目的是將濕法工藝中膠粉與瀝青的溶脹、降解過程移至膠粉的預處理環節，實質是斷硫或表面改性，即破壞膠粉網絡結構并改善表面活性。預活化的膠粉更易與瀝青融合，具有低溫可拌和、易分散、易壓實等特點[12,18]。

在濕法工藝中，膠粉在瀝青中發生溶脹、降解等結構演變[19]。結構演變受溫度影響很大，低溫（180 ℃）下，膠粉的交聯網絡被破壞，膠粉表面的粗糙部分溶解至瀝青中，其表面比原始膠粉光滑，如圖3。而在高溫（240 ℃）下，溶脹和降解過程加快和增強，膠粉溶解，炭黑和無機填料從膠粉中被釋放至瀝青里，被釋放的炭黑表面覆蓋有微結構或納米結構尺寸的薄層結合膠，如圖4。研究發現，經歷過溶脹、降解等結構演變的斷硫膠粉具有較低的分子量和凝膠含量，在瀝青中分布更均勻和分散更細，能更好地發揮其改性作用[20,21]。

圖3 （a）原始粒狀膠粉（b）低溫處理后殘留膠粉的形貌

圖4 經過60 min 高溫處理后（a）殘留膠粉表面（b）瀝青中被釋放的炭黑

在干法工藝中，采用預活化膠粉同樣可以更好地發揮膠粉的改性作用。Sousa 等[22]開發了活化膠粉（RAR）。S Chen 等[23]設計了一種適用于濕凍氣候地區的改進版RAR 并鋪筑了試驗路。Chavez 等[24]將制備的預活化膠粉采用干法工藝制備了DRMA，為了顯示與傳統干法的不同，文中稱之為半濕法（SWP）工藝。研究表明，預活化可以促進膠粉與瀝青之間的相互作用，減少反應時間，降低加工溫度，有利于提高膠粉摻量。從性能上看，活化后的膠粉更易壓實[12]，疲勞壽命更長。總而言之，活化膠粉在改進DRMA 的研究中有著較好的前景，但其改性機理和改性過程中活化膠粉與瀝青的結構演變的研究尚不明晰。

2.4 級配、礦粉用量和油石比

DRMA 更適于粗集料比例較高的間斷級配[14,25,26]。首先，間斷級配存在足夠的空間來容納膠粉和其體積膨脹[25]，更容易碾壓成型[27]，高低溫性能更優[23]，但水穩定性稍差[17]。其次，粗集料比例較高的混合料（65%～70%）更致密、耐用和穩定[26]。

礦粉比表面積大，會消耗瀝青來裹覆礦粉，這樣就間接減少了裹覆集料以及與膠粉反應的瀝青量，進而降低集料間的粘附性又影響了膠粉改性作用的發揮。另外，礦粉的加入會增大瀝青黏度，影響加工性能。所以，DRMA 級配中可適量減少礦粉的用量[17]。

同一級配下，DRMA 的油石比比一般瀝青混合料要高1%～2%[28]，總用量達7%～9.5%[24]。膠粉吸油量大，瀝青用量較少時容易出現混合料發干，粘結不牢，難以壓實的現象。提高瀝青含量有利于提高與膠粉的相互作用，改善體積性質、抗老化、耐疲勞性能[4,12,29]。但高油石比增加了筑路成本，阻礙了DRMA 在工程中的廣泛應用。

2.5 燜料

為提高膠粉和瀝青的相互作用，建議DRMA在拌和后、壓實前進行燜料。一方面，燜料可以延長瀝青和膠粉的反應時間，讓兩者進一步融合。另一方面，燜料提供給膠粉更長的時間去吸收瀝青中的輕質組分使自身體積膨脹達到平衡。混合料的微觀形貌如圖5[4]，燜料后的膠粉顆粒可大范圍溶脹，與各相間結合效果更好。

圖5 混合料中膠粉顆粒的顯微圖片

研究表明，燜料有利于提高膠粉用量[9]，燜料后的混合料易壓實，其抵抗車轍、開裂和水損害等的能力提升[4,5]。現有研究中的燜料溫度在160 ～180 ℃之間，燜料時間大多在0.5 ～2 h[16]，也有研究者將燜料時間延長至5 h[5]甚至更長[12]。然而，燜料工藝仍存在著受熱不均勻和供熱不連續等問題，尤其是工程中采用運輸車來燜料的情況下。

2.6 施工工藝和其它

提高拌和與擊實溫度可使膠粉表層的溶脹作用增強，使混合料更好地固結為一體；同時瀝青黏度降低，更易壓實[29]。延長拌和時間可以提高混合料均勻度和膠粉瀝青反應程度。但溫度過高、時間過長容易造成瀝青老化[27]，所以應選擇合適的拌和與擊實溫度以及拌和時間。

礦粉的加入會增大體系黏度，影響各相間的結合并改變其流變行為，所以礦粉和膠粉的加入順序對DRMA 的微觀結構有較大影響，但尚未有學者對用料順序進行系統對比。

考慮到不同路面結構組合對瀝青混合料路用性能的影響，且在實際使用時路面結構內部還會產生變化，道路結構設計與道路實用性模擬分析被納入到DRMA 的研究中，但大部分模擬都沒有得到實測數據的驗證，所取得的研究成果離實際應用要求仍有一定差距[30,31]。

3 干法直投膠粉改性瀝青混合料的性能評價

為了確保DRMA 路面具有良好的服務性能，必須對瀝青混合料的重要路用性能進行合適的測試和評價。

3.1 體積指標

由于膠粉的彈性和受熱膨脹特性，DRMA難壓實[32]，容易出現空隙率太大的問題[32]，進而造成混合料耐水性能不佳[12,23,33]，抗車轍能力下降[23]，后期使用時易出現松散、脫粒、坑槽等病害。建議空隙率控制在1.5%～3.5%[23,32]。相同級配下，膠粉用量對空隙率影響較大，當目標空隙率確定時，可以應用數學公式計算最大膠粉可用量[34]。在實際空隙率的測定中，需要指出的是DRMA 混合料的理論密度應采用真空測量得出。另一個可以表征混合料體積性質的指標是膨脹率[27]，通過測定馬歇爾試件擊實后的試件在冷熱兩種情況下兩個高度來計算。

3.2 高低溫性能

溫度較高時，瀝青混合料強度變弱，路面在外力作用下容易發生變形，繼而產生車轍、擁包等病害。一方面，膠粉具有交聯結構，有助于DRMA 保持原有形狀。另一方面瀝青硬度增強，因此混合料高溫穩定性提高[35]。常采用車轍試驗來評估高溫性能，一般的DRMA 的動穩定度（DS）在4 000 次/mm 左右，通常加入抗車轍劑來進一步提高抗車轍性能。

溫度較低時，瀝青變形能力降低，加之老化變硬變脆，瀝青路面容易出現裂縫。而膠粉在低溫范圍內具有較好的柔性和彈性，可提高混合料低溫柔性。評價低溫性能常用的方法是低溫彎曲小梁試驗和預制凹口的半圓形彎曲斷裂試驗（SCB）。小梁試驗中，DRMA 混合料在-10 ℃的最大破壞應變在4 000 με 左右。SCB 中，混合料的抗裂強度可達到11.5 N/mm3/2。

3.3 水穩定性能

水損害指的是在水或凍融循環以及外力的作用下，瀝青混合料無法保持整體性，路面出現掉粒、坑槽等病害的現象，是DRMA 性能研究中最大的挑戰。膠粉加入后，一方面部分瀝青被膠粉吸收，瀝青的酸性增加，與礦料間的粘附性提高，同時瀝青黏度增大，抵抗水置換能力提升，這些有利于提高耐水性能[17]。另一方面，瀝青量減少會使得瀝青膜厚降低，而膠粉的存在又降低了瀝青和石料粘合的有效面積，且其彈性會導致難以壓實、空隙率大，這些問題又會使混合料耐水性能變差[32]。評價水穩定性常采用的是浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。

3.4 抗疲勞性能

傳統瀝青路面一旦出現裂縫，路面損害將迅速發展。而膠粉改性瀝青混合料具有較高的抗疲勞裂紋產生、擴展和愈合能力[36-38]，擁有更長的疲勞壽命[39,40]。這可能是得益于膠粉的彈性特質，當混合料受到載荷作用時，膠粉吸收載荷應力發生變形，而當載荷撤去，膠粉恢復至初始狀態，如圖6所示[23]。目前，評價低溫疲勞性能最常用的試驗方法是四點彎曲疲勞壽命試驗，還有預制誘導裂紋[41]或其它試驗方法[37]。

圖6 膠粉改性瀝青混合料示意圖

3.5 功能特性

除瀝青混合料基本性能外，由于膠粉高彈、高耐磨、耐老化等特性，DRMA 還具備防滑、破冰、降噪的功能和耐磨、耐老化的性能。首先，粗膠粉可提高路面摩阻系數、改變冰雪層的受力狀態，起到抗滑破冰作用[13]。其次，粗膠粉可以減小沖擊，從而降低路面噪音，其效果可通過噪聲測試來評定。再次，膠粉中的炭黑可以提高DRMA 耐老化性能[42]，延長路面壽命。

除此之外，膠粉的加工性、熔融指數和儲存時板結情況均有相應的性能評價方法[43]。

4 干法直投膠粉改性瀝青混合料的應用現狀及改性機理

4.1 干法直投膠粉改性瀝青混合料的應用現狀

國外常采用大骨料用量較高，油石比較高的間斷級配，含有燜料過程的DRMA 工藝，DRMA多用于瀝青道路的上中下面層以及應力吸收層，是路面修復工程中路面覆蓋層的良好選擇，尤其是中低交通量的道路[2,7,23,39,41]。

國內關于DRMA 的研究開始于20 世紀70年代末，但研究進展較為緩慢。20 世紀末，隨著我國道路大規模建設，DRMA 的研究和應用取得了較大進展[44]。為了解決DRMA 路面易出現松散、剝落、裂縫以及坑槽等病害的問題，研究者們嘗試了提高膠粉細度[45]，加入改性劑[46]，采用預活化膠粉[18]，膠粉/SBS 復合改性[47]，二次碾壓工藝[48]等方式改性，獲得了一定成就并鋪筑了眾多試驗路。除此外，乳化瀝青作改性劑的DRMA 在路面養護工程中也有一定的研究和應用[49]。從路用性能而言，改進后的DRMA 具有突出的高低溫性能和耐久性能，其多項指標可達到改性瀝青混合料的標準。從應用領域而言，DRMA 更適合于靈活應對一些中小規模的施工任務，如養護施工。

4.2 干法直投膠粉改性瀝青混合料的改性機理

對于濕法工藝的改性機理，一般認為基質瀝青輕質組分減少，其粘結性、感溫性和耐久性得到提高，同時膠粉發生溶脹、降解等結構演變，在瀝青中分布更均勻，分散更細[27,50]。

干法機理研究中可以采用高溫-凝膠滲透色譜（HP-GPC）表征分子量變化[16]，掃描電子顯微鏡（SEM）進行微觀尺度上的直接觀測、X射線熒光光譜進行元素跟蹤、紅外光譜以及熱裂解-氣相色譜質譜聯用儀（GCMS）進行成分分析，甲苯作溶劑的索氏抽提測定溶膠凝膠含量，或者拌和后取不同位置的混合料測試空隙率、肯塔堡損失率和動穩定度等進行比較分析[43]，從側面去研究改性劑的分布以及具體改性機理。

但現有的DRMA 機理研究主要集中在膠粉的分布情況上而忽略了膠粉分散情況，即膠粉從毫米級到微米級上的成分、尺寸和結構變化，同時忽略了膠粉由填充向粘結改性作用轉換的過程和膠粉/瀝青間的相互作用以及膠粉-集料-瀝青-礦粉等物質的界面作用。需要關注的是，在全施工過程中混合料均會受到空氣里氧氣的作用，燜料的影響尤為重要。另外，礦粉率先吸附瀝青，影響瀝青粘結作用和與膠粉相互作用，致使油石比升高的問題是否存在也需關注。

5 展望

DRMA 具有工藝簡潔、環保性較好等優點，但同時也存在混合料性能不穩定，強度較低的缺點。研究者們發現膠粉種類、粒徑和用量，改性劑，預活化，配合比，燜料等施工工藝都影響著膠粉改性作用的發揮，特別是活化和燜料工藝。雖然DRMA 在實驗室和室外均有一定研究和應用探索，但其應用仍未大規模進行。現有的DRMA的評價方式涉及高低溫、疲勞、耐水以及功能特性等，但微觀研究尚缺乏適用和實用的評價方法，其改性機理仍處于發展中。

DRMA 中仍存在很多問題有待研究。首先，關于DRMA 的基礎理論研究還很匱乏，特別是全施工過程，主要包括：拌和、運輸、攤鋪、碾壓和冷卻過程中膠粉的分布分散過程，各組分間相互作用和界面結合情況。在這方面，可以借鑒濕法膠粉改性瀝青中關于多尺度分散及作用和固液轉化過程的研究。其次，膠粉難使用、瀝青用量大的問題仍然存在。再次，上中下面層以及道路養護工程將是DRMA 比較理想的應用領域，關于DRMA 在該領域內的工程應用情況和路面長期性能跟蹤以及回收利用等方面的研究也是重點。除此外，目前采用的是基于性能優劣的優選方式來評價DRMA 的制備方式和應用場合，該機制合理性和評價機理尚需探討。最后，為了進一步提高DRMA 的環保性，溫拌和乳化瀝青的改進方式值得繼續深入研究。