永久性路面面層高摻量橡膠瀝青材料路用性能研究

楊 毅，龔 演，鄭 俞，石長洪，劉軍海

(1. 中交第二公路工程局有限公司,陜西 西安 710065；2. 交通運輸部公路科學研究院, 北京 100088；3. 合肥明巢高速公路有限公司,安徽 合肥 231699)

0 引言

我國高速公路瀝青路面的設計壽命為15 a，而大部分瀝青路面的服役壽命偏短，在9～12 a左右就進入大中修期。路面服役壽命較短產生了大量的養護、改擴建以及新建路面任務，造成資源浪費及環境污染，因此，發展和建設永久性瀝青路面有較強的必要性[1-2]。永久性瀝青路面又稱為長壽命路面，通過對路面結構及材料設計的優化，使路面服役壽命可達到30～50 a[3]。橡膠瀝青是一種性能優越的改性瀝青材料，能夠同時實現廢舊輪胎的資源化利用。高摻量橡膠瀝青可通過進一步提高膠粉摻量以提升路用性能，緩解廢舊輪胎堆積造成的環境污染問題。因此，發展永久性路面和高摻量橡膠瀝青可有效減少資源消耗和浪費，助力“碳達峰、碳中和”目標的實現[4]。

永久性瀝青路面的關鍵問題在于路面結構設計理論、材料控制機理、性能監測方法和施工質量控制。“耐久性面層、長壽命基層、永久性路基”組合的永久性路面結構設計體系逐漸替代傳統的等壽命設計理論，解決了路面各層性能需求差異的問題[5]。同濟大學孫立軍團隊[6-8]依據工程中的具體問題，提出了針對永久性路面各關鍵環節的精細化設計理論。交通運輸部公路科學研究院王旭東等[9-10]基于RIOHTRACK足尺環道的加速加載試驗，對多種永久性路面結構長期性能進行了觀測，通過理論分析、數值模擬等方法提出了一系列永久性路面設計理論方法。永久性瀝青路面材料設計也是提高路面耐久性的主要技術對策，通過改進混合料配合比設計方法[11-12]、摻入高性能添加劑[13-14]、以及開發功能性路面材料[15]，進一步提升瀝青材料的路用性能。橡膠瀝青具有優良的路用性能， 且符合環保理念，因此被廣泛應用于永久性路面之中。

近年來，橡膠瀝青受到國內外學者的廣泛關注，研究主要集中在生產工藝、微觀改性機理、路用性能以及特殊功能性[16]方面。橡膠瀝青的生產工藝主要有濕法和干法兩種，孫大權等[17]研究了不同生產工藝下的膠粉摻量、膠粉顆粒大小、反應溫度、反應時間等因素對橡膠瀝青性能的影響。Jamal等[18]通過流變試驗研究了橡膠瀝青的發育溫度、發育時間對性能的影響。膠粉與瀝青的相互作用較為復雜，改性機理包括物理和化學的共同作用[19]。Wang[20]研究了橡膠瀝青反應時間與反應機理的關系，指出隨著時間的增加，化學反應更加明顯。Cong等[21]利用宏/微觀試驗對不同膠粉種類與摻量的橡膠瀝青性能進行了研究，結果顯示，橡膠瀝青的存儲穩定性與膠粉顆粒的溶脹和裂解程度密切相關，同時也對流變性能產生影響。膠粉的摻入可以全面提升瀝青的低溫抗裂性、中溫抗疲勞性能以及高溫抗車轍性能，不同摻量的橡膠瀝青及混合料的路用性能均得到了廣泛的驗證[22-25]。同時，由于膠粉顆粒的阻尼及高彈性，橡膠瀝青混合料還存在高抗滑和降噪等優良的功能性，此外，膠粉的摻入對瀝青混合料的自愈性能也產生影響[26-28]。

通常，橡膠瀝青的膠粉摻量在15%～20%之間，而當膠粉摻量增大時(30%～40%以上)，橡膠瀝青的黏度增大，路用性能也更優異，一般用于高等級公路的面層[16]。大摻量橡膠瀝青不僅用于提升路用性能，還由于部分地區廢舊輪胎堆積，可緩解環境壓力。然而大摻量橡膠瀝青及橡膠瀝青混合料的性能還需要進一步驗證，且針對永久性路面設計理念，不同摻量的橡膠瀝青混合料是否滿足具體路面各層的性能需求還需要進一步研究。因此，本研究選取30%～50%摻量的橡膠瀝青，并制備不同級配的瀝青混合料，研究膠粉摻量對瀝青及混合料高、中、低溫性能的影響，結合永久性路面設計理論，路面表面層為功能層，中面層為抗車轍結構層，下面層為抗疲勞層，進行不同面層的材料設計。

1 原材料及試驗方法

1.1 基質瀝青

本研究所使用的基質瀝青為鑫海70#道路石油瀝青。參考規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)對所選基質瀝青的相關指標進行了檢測，如表1所示，所有指標均滿足規范要求。

表1 基質瀝青性能指標

1.2 橡膠瀝青

本研究所選用的膠粉為河北唐山志軍再生膠廠生產的40目膠粉，其相關物理、化學指標如表2所示。當膠粉含量過高時，瀝青中的輕質組分不足以使膠粉發生充分溶脹，影響橡膠瀝青的性能。因此，本研究首先采取一定的措施對膠粉進行預活化處理，并通過使用裂解劑提升膠粉與瀝青的相容性，最終通過充分的剪切制備30%，35%，40%，45%，50%摻量的橡膠瀝青，具體制備流程如下：

表2 膠粉物理及化學指標

(1)將一定量的膠粉與其25%質量比的生物油進行充分拌和，并在100 ℃下加熱12 h，完成膠粉的預活化；

(2)將活化后的膠粉按目標占比加入到流動狀態的基質瀝青中，同時加入膠粉質量2%的二硫化二苯并噻唑(MBTS)作為裂解劑；

(3)將混合后的橡膠瀝青在190 ℃,3 000 rpm剪切速率的條件下發育1 h，即制得高摻量橡膠瀝青。

1.3 瀝青混合料

本研究設計了3種級配的橡膠瀝青混合料(ARHM)，如圖1所示，ARHM-13一般用于上面層，ARHM-20一般用于中面層，ARHM-25一般用于下面層。

圖1 瀝青混合料級配曲線

1.4 高摻量橡膠瀝青性能試驗

1.4.1 多應力蠕變恢復(MSCR)試驗

本研究利用Anton Paar MCR 702動態剪切流變儀(DSR)進行橡膠瀝青MSCR試驗，試驗溫度為各瀝青對應的高溫PG溫度。參考規范StandardMethodofTestforMultipleStressCreepRecovery(MSCR)TestofAsphaltBinderUsingaDynamicShearRheometer(DSR)(AASHTO T 350—14)進行MSCR試驗，先以0.1 kPa的應力循環加載20個周期，每個周期包括1 s的蠕變階段和9 s 的卸載恢復階段，其中前10個周期為預試驗，再以3.2 kPa的應力循環加載10個周期，獲得試驗過程中瀝青的應力、應變響應，通過式(1)計算不可恢復蠕變柔量(Jnr)指標評價高摻量橡膠瀝青的高溫抗車轍性能，通過式(2)計算不可恢復蠕變柔量相對差異(Jnr-diff)指標評價橡膠瀝青的應力敏感性。

(1)

式中，εc為蠕變結束應變；εr為恢復結束應變；σ為蠕變加載應力。

(2)

式中，Jnr0.1為0.1 kPa應力下的Jnr值；Jnr3.2為3.2 kPa應力下的Jnr值。

1.4.2 線性振幅掃描(LAS)試驗

LAS試驗同樣是在DSR上進行的，試驗溫度選取典型中溫25 ℃，參考規范StandardMethodofTestforEstimatingFatigueResistanceofAsphaltBindersUsingtheLinearAmplitudeSweep(AASHTO TP 101—12)進行LAS試驗，評價橡膠瀝青的抗疲勞性能。測試程序分為兩部分，首先進行應變水平為0.1%的頻率掃描試驗以獲得瀝青線黏彈性參數，頻率范圍為0.1～100 Hz；進一步執行應變從0.1%線性增加至30%的振幅掃描程序，加載頻率為10 Hz，獲得試驗過程中的應力、應變響應，以|G*|·sinδ下降至初始水平的35%為疲勞失效點，進而基于黏彈性連續介質損傷(VECD)模型計算瀝青的疲勞壽命方程，如式(3)所示，計算任意應變水平下高摻量橡膠瀝青的疲勞壽命(Nfa)：

Nfa=A(γ)B，

(3)

式中，A，B為通過VECD模型計算得到的疲勞壽命方程擬合參數；γ為應變。

1.4.3 彎曲梁流變儀(BBR)試驗

本研究通過BBR試驗評價橡膠瀝青的低溫抗裂性，參考規范StandardMethodofTestforDeterminingtheFlexuralCreepStiffnessofAsphaltBinderUsingtheBendingBeamRheometer(BBR) (AASHTO T 313)，分別在試驗溫度為-12，-15 ℃ 和-18 ℃下對橡膠瀝青樣品進行240 s的恒定加載試驗，得到第8，15，30，60，120 s及240 s 的勁度模量S和蠕變速率m指標，本研究選取第60 s的S和m值作為高摻量橡膠瀝青的低溫性能評價指標。

1.5 高摻量橡膠瀝青混合料性能試驗

1.5.1 車轍試驗

本研究對不同摻量和級配的橡膠瀝青混合料進行車轍試驗，參考規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中T 0709的車轍試驗方法，試驗溫度為60 ℃，荷載為0.7 MPa，通過動穩定度指標評價混合料的高溫性能。

1.5.2 四點彎曲疲勞試驗

本研究制備尺寸為380.0 mm×63.5 mm×50.0 mm 的小梁，參考規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中T 0739的四點彎曲疲勞試驗方法，試驗溫度為典型中溫25 ℃，加載頻率為10 Hz，應變水平為0.3%，0.5%，0.7%。以第50次加載的模量為混合料的初始模量，疲勞失效點定義為模量下降至初始值的50%，此時對應的加載次數為混合料的疲勞壽命(Nfm)。

1.5.3 低溫半圓彎曲(SCB)試驗

本研究參考規范ProvisionalStandardMethodofTestforDeterminingtheFracturePotentialofAsphaltMixturesUsingSemicircularBendGeometry(SCB)atIntermediateTemperature(AASHTO TP 124)，切割旋轉壓實成型試件，制備直徑150 mm、厚度25 mm的半圓試件，并預制1 mm的切縫，進行低溫SCB試驗，試驗溫度為-12 ℃。試驗前對試件施加初始荷載0.1 kN，加載速率為0.05 kN/s，當達到初始荷載后，以50 mm/min的加載速率進行測試，最終當荷載低于0.1 kN以下時試驗停止，記錄試驗過程中的荷載及位移數據。SCB試驗過程中典型的荷載與位移曲線如圖2所示，試驗初期，荷載隨著位移的增加而不斷增大，當荷載達到峰值后開始降低。參考規范中的數據分析方法，將曲線以峰值荷載點劃分為兩部分，根據式(4)對曲線前半部分進行多項式擬合，根據式(5)對曲線后半部分進行多項高斯曲線擬合，斷裂功(Wf)可根據式(6)進行積分求得，最終根據式(7)計算斷裂能(Gf)指標，其中A為試件韌性區面積，根據測量試件的幾何尺寸計算得到。

圖2 低溫SCB試驗荷載-位移曲線

P1(u)=c1×u3+c2×u2+c3×u+c4，

(4)

式中，P1(u)為第一階段曲線多項式擬合方程；c1，c2，c3，c4為方程擬合參數；u為SCB試驗過程中的位移。

(5)

式中，P2(u)為第二階段高斯曲線擬合方程；di，ei，fi為方程擬合參數;n為高斯曲線方程階數，此處為3。

(6)

式中，u0，u1分別為峰值荷載對應的位移和試驗結束對應的位移。

(7)

式中，A為試件韌性區面積，通過(r-a)×d計算得到；r為試件半徑；a為預制裂縫長度；d為試件厚度。

2 高摻量橡膠瀝青性能分析

2.1 高溫性能分析

通過對30%～50%摻量的橡膠瀝青進行MSCR試驗，計算Jnr0.1，Jnr3.2和Jnr-diff指標，將結果匯總于圖3。從圖中可以看出，隨著膠粉摻量的增加，Jnr0.1，Jnr3.2的值均降低，說明橡膠瀝青的高溫抗車轍性能隨著膠粉摻量的增加而提升。此外，Jnr-diff值的逐漸增加說明膠粉摻量的增加提升了高摻量橡膠瀝青的應力敏感性，這是由橡膠瀝青中的彈性成分增多導致的。橡膠材料與瀝青類似，同樣是一種典型的黏彈性材料，具有顯著的溫度依賴性。然而，橡膠材料的溫度敏感性弱于瀝青材料，當溫度升高時，瀝青的黏性增加較快，難以抵抗荷載的作用，易產生永久變形，而橡膠顆粒在一定程度的高溫下仍具有較高的彈性，因此膠粉的摻入增加了橡膠瀝青中的彈性成分，進一步提升了高溫抗車轍性能。然而由于膠粉與瀝青的物理、化學作用機理，當膠粉摻量過高時，膠粉無法與瀝青相容，導致橡膠瀝青的黏度過大，不易拌和，且容易發生離析，因此高摻量橡膠瀝青的摻量一般不超過50%。

圖3 橡膠瀝青MSCR試驗結果

2.2 疲勞性能分析

本研究以LAS試驗中橡膠瀝青模量下降至初始值的35%為疲勞失效判定指標，結合試驗過程中材料的應力、應變響應，基于VECD模型得到橡膠瀝青的疲勞壽命方程，計算2.5%和5%應變水平下材料的疲勞壽命，結果如表3所示。通過分析表中數據結果可以發現，2.5%和5%應變水平下高摻量橡膠瀝青的疲勞壽命均隨著膠粉摻量的增加而增加，50%摻量的橡膠瀝青疲勞性能顯著優于較低摻量的橡膠瀝青。膠粉的摻入增加了瀝青的黏度，本研究通過橡膠瀝青制備過程中的預活化處理和加入裂解劑進一步促進了膠粉在瀝青中的溶脹效應，進而提升了橡膠瀝青的抗疲勞性能。

表3 橡膠瀝青LAS試驗結果

2.3 低溫抗裂性能分析

本研究利用BBR試驗評價高摻量橡膠瀝青的低溫抗裂性能，3種低溫(-12，-15，-18 ℃)下橡膠瀝青BBR試驗中第60 s的S和m值如圖4所示。從圖中可以看出，在同一溫度下，隨著膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的S值逐漸減小而m值逐漸增大，說明膠粉摻量的增加改善了橡膠瀝青的低溫抗裂性能，其原理是由于膠粉顆粒的摻入提升了瀝青在低溫情況下的柔性，進而改善瀝青的低溫性能。對比不同溫度下橡膠瀝青的S和m值發現，溫度降低使橡膠瀝青進一步硬化，勁度模量上升，m值下降，橡膠瀝青低溫抗裂性能降低。一般要求S值大于300 MPa，m值大于0.3，從圖中可以看出，-12 ℃下的橡膠瀝青符合性能需求，而-15 ℃和-18 ℃下不滿足低溫抗裂性能需求。通常，冬季低溫在-5 ℃至5 ℃范圍內，本研究所制備的橡膠瀝青符合該溫度下的性能需求，針對特殊的寒冷地區(如東北、新疆等地)，需采用低溫性能更優的瀝青或進行復合改性進一步提升橡膠瀝青的低溫性能。

圖4 橡膠瀝青BBR試驗結果

3 高摻量橡膠瀝青混合料性能分析

3.1 車轍性能分析

本研究分別制備了30%，40%，50%摻量下ARHM-13，ARHM-20，ARHM-25的高摻量橡膠瀝青混合料，車轍試驗結果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著膠粉摻量的增加，橡膠瀝青混合料的動穩定度值逐漸增大，抗車轍性能提升，與橡膠瀝青MSCR試驗結果一致。級配也對橡膠瀝青混合料的車轍性能產生影響，隨著最大公稱粒徑的增大，車轍性能提升，這是由于集料粒徑的增加提升了混合料抵抗變形的能力。通過所有試件的動穩定度值(>5 000)可以看出，高摻量橡膠瀝青混合料的抗車轍性能優異，顯著高于一般的路面性能需求。

圖5 橡膠瀝青混合料車轍試驗結果

3.2 疲勞性能分析

圖6匯總了30%，40%，50%膠粉摻量的橡膠瀝青混合料分別在應變水平為0.3%，0.5%和0.7%下的四點彎曲疲勞試驗結果，通過應變與疲勞壽命的關系，建立疲勞壽命曲線。圖6(a)為在膠粉摻量(30%)一定的情況下，不同級配瀝青混合料的疲勞曲線結果，從圖中可以看出，隨著應變水平的增加，混合料的疲勞壽命不斷降低。級配對混合料疲勞壽命的影響規律不明顯，ARHM-20與ARHM-25的疲勞壽命結果較為接近，低應變水平下ARHM-13的疲勞壽命大于ARHM-20和ARHM-25；高應變水平下ARHM-20和ARHM-25的疲勞壽命大于ARHM-13。進一步選定級配(ARHM-20)，研究膠粉摻量對混合料疲勞性能的影響，結果如圖6(b)所示。從圖中可以看出，膠粉摻量對疲勞壽命的影響規律較為明顯，隨著摻量的增加，橡膠瀝青混合料的疲勞壽命逐漸增加，與橡膠瀝青LAS試驗結果一致。此外，圖5通過混合料四點彎曲試驗應變與疲勞壽命的關系建立的疲勞壽命曲線均有較好的擬合效果，R2均大于0.9。

圖6 橡膠瀝青混合料四點彎曲疲勞試驗結果

3.3 低溫抗裂性能分析

本研究采用低溫SCB試驗對同一級配(ARHM-20)不同摻量(30%，40%，50%)橡膠瀝青混合料的低溫性能進行測試，試驗溫度為-12 ℃，不同試件在試驗過程中的荷載與位移曲線如圖7所示。從圖中可以看出，所有橡膠瀝青混合料在SCB試驗過程中的荷載均隨位移的增加呈先增大后減小的規律，50%摻量的橡膠瀝青混合料的峰值荷載大于30%，40%摻量，且峰值荷載值對應的位移也大于30%，40%摻量。進一步通過式(4)～式(7)計算斷裂能(Gf)指標，并匯總于圖8中。從圖中可以看出，隨著膠粉摻量的增加Gf值不斷增大，說明高摻量橡膠瀝青的低溫性能隨著膠粉摻量的增加而提升。橡膠顆粒在低溫環境下會發生硬化，但仍比普通瀝青具有更高的黏性，而瀝青在低溫下變硬變脆，易發生低溫開裂，所以瀝青中的膠粉增加了瀝青在低溫下的黏性，因此摻量高的橡膠瀝青具有更優的低溫抗裂性能。

圖7 橡膠瀝青混合料荷載-位移曲線

圖8 橡膠瀝青混合料斷裂能

4 考慮永久性路面設計的橡膠瀝青材料選取

永久性瀝青路面又稱為長壽命路面，路面服役壽命需要達到30～50 a。提升路面服役壽命的主要手段包括高性能材料的使用以及材料與結構的一體化設計。因此，本研究通過進一步提升膠粉摻量驗證了高摻量橡膠瀝青具有優良的路用性能，可以作為永久性路面面層材料使用。此外，對于優化材料與結構的一體化設計方面，普通瀝青路面設計過程中未考慮不同面層的受力狀況和性能需求的差異選取相同的瀝青材料，永久性路面通過優化面層材料設計使其更符合路面的受力特點，進一步提升路面服役壽命。國內外眾多學者提出了永久性路面面層設計理論，一般來說，路面表面層主要為功能層，具有良好的平整度和抗滑性能；中面層為抗車轍結構層，在荷載較大的情況下易產生結構性車轍，因此需選取抗車轍性能較優的瀝青材料；下面層為抗疲勞層，在車輛反復荷載下，受到層間剪應力的作用易產生裂縫并向上面層擴展，因此宜選取疲勞性能較優的瀝青材料。本研究證明了高摻量橡膠瀝青具有優異的抗車轍、抗疲勞和低溫抗裂性能，因此，基于永久性路面設計理念，結合本研究中橡膠瀝青及瀝青混合料的試驗結果，提出建議選取50%摻量的橡膠瀝青作為中面層和下面層的瀝青材料，以提升中面層和下面層的抗疲勞和抗車轍性能，減緩路面結構性車轍以及反射裂縫等病害的產生；選取30%摻量的橡膠瀝青作為上面層瀝青材料，以提供基礎的性能保障，滿足上面層抗滑性能和平整度需求。高摻量橡膠瀝青的使用不僅提升了永久性路面面層的使用性能，滿足長壽命需求，降低能源消耗，更極大地緩解了廢舊輪胎的堆積問題，促進資源的再生利用，符合“雙碳”理念。

5 結論

針對永久性路面面層材料的高性能需求，本研究進一步提升橡膠瀝青的膠粉摻量，制備了30%～50%膠粉摻量的橡膠瀝青及瀝青混合料，通過瀝青及瀝青混合料尺度下的車轍性能、疲勞性能和低溫抗裂性能試驗全面評價了高摻量橡膠瀝青及瀝青混合料的路用性能，得出如下結論：

(1)MSCR試驗和車轍試驗結果表明，高摻量橡膠瀝青的高溫抗車轍性能隨著膠粉摻量的增加而提升，級配也對高摻量橡膠瀝青混合料的車轍性能產生影響，表現為隨著集料最大公稱粒徑的增加，混合料抗車轍性能提升，且膠粉的摻入增加了高溫下橡膠瀝青的彈性成分，導致橡膠瀝青的應力敏感性增加。

(2)LAS試驗和四點彎曲疲勞試驗結果表明，高摻量橡膠瀝青及瀝青混合料的疲勞壽命均隨著膠粉摻量的增加而增加，級配對于混合料疲勞壽命的影響規律不明顯，ARHM-20與ARHM-25的疲勞壽命結果較為接近，低應變水平下ARHM-13的疲勞壽命大于ARHM-20和ARHM-25；高應變水平下ARHM-20和ARHM-25的疲勞壽命大于ARHM-13。

(3)BBR試驗和低溫SCB試驗結果表明，膠粉摻量的增加提升了橡膠瀝青的低溫抗裂性能，然而高摻量橡膠瀝青的低溫性能還需進一步通過復合改性等手段提升，以滿足 -15 ℃以下低溫環境(東北等地區)的需求。

(4)依據永久性路面設計理念，表面層為功能層，中面層為抗車轍結構層，下面層為抗疲勞層。本研究指出50%摻量的橡膠瀝青適用于路面中、下面層，30%摻量的橡膠瀝青適用于路面表面層。

本研究主要針對永久性路面結構特點，對高摻量橡膠瀝青及瀝青混合料的路用性能進行了研究。此外，橡膠瀝青功能性及對環境的影響也是關鍵問題，后續將對橡膠瀝青抗滑、降噪等功能性進行驗證，并針對高摻量橡膠瀝青在施工過程中的環境問題進行研究。