過(guò)震文1，琚利平2，于曉曉，徐斌1，王仕峰

（1.上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200031；2.浙江省交通集團(tuán)檢測(cè)科技有限公司，杭州 310002；3.上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海 200240）

將廢舊輪胎橡膠破碎磨制成膠粉應(yīng)用于道路建設(shè)中，不僅可緩解廢舊輪胎帶來(lái)環(huán)境污染，而且可提高瀝青混合料的性能、延長(zhǎng)道路壽命。與普通瀝青路面相比，一方面由于膠粉具有優(yōu)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(shè)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(yōu)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(yōu)質(zhì)的可持續(xù)道路建設(shè)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(yù)混后應(yīng)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(yīng)用較多，技術(shù)相對(duì)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(huán)境污染性大等不足。干法工藝則無(wú)需考慮改性瀝青黏度大的問(wèn)題，具有工藝簡(jiǎn)潔、環(huán)保性較好等優(yōu)點(diǎn)，從20世紀(jì)40年代開(kāi)始受到應(yīng)用研究[3]。本文對(duì)干法工藝的概念、起源、研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，介紹了DRMA 的評(píng)價(jià)方式和改性機(jī)理，并展望了DRMA 的未來(lái)。

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(duì)比

干法和濕法工藝的對(duì)比見(jiàn)表1。干法工藝更有利于簡(jiǎn)化工藝、節(jié)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(shí)間短（約1 min），難分散和難壓實(shí)，導(dǎo)致DRMA 各組分間結(jié)合力弱，性能變異性大。其次，干法工藝改性機(jī)理至今不明確，使得干法工藝難以標(biāo)準(zhǔn)化，其推廣應(yīng)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(wěn)定性，發(fā)揮膠粉的改性作用，研究者們采用了多種方式進(jìn)行改進(jìn)。

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(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)[6]。膠粉粒徑較小時(shí)，混合料綜合性能更優(yōu)[7,8]，具體表現(xiàn)為更易壓實(shí)，高溫抗變形和低溫抗裂能力提高等[9]。筆者認(rèn)為粒徑較小的優(yōu)勢(shì)來(lái)源于比表面積的增大提高了膠粉與瀝青接觸程度，促進(jìn)兩相相互作用[10-12]。膠粉粒徑較大時(shí)，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(duì)比

2.2 添加改性劑

在拌和時(shí)加入改性劑也可以促進(jìn)膠粉與瀝青間的反應(yīng)[14,15]進(jìn)而提高DRMA 路面的性能穩(wěn)定性，研究最多的改性劑是反式聚環(huán)辛烯橡膠（TOR）[16]，其化學(xué)結(jié)構(gòu)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(jù)報(bào)道，TOR 可以促進(jìn)膠粉/瀝青間的反應(yīng)，改善兩者相容性；可以降低混合料黏度，進(jìn)一步改善施工和易性[17]。但由于國(guó)外技術(shù)壟斷，該材料價(jià)格高、不易推廣應(yīng)用。為此，國(guó)內(nèi)相繼研發(fā)出了各類國(guó)產(chǎn)TOR（CTOR）[15]。對(duì)于TOR/CTOR 改性DRMA，從高分子反應(yīng)共混角度講，物料間雖有一定的反應(yīng)，但筆者認(rèn)為更多是因?yàn)椴捎昧溯^細(xì)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(jì)70年代。其目的是將濕法工藝中膠粉與瀝青的溶脹、降解過(guò)程移至膠粉的預(yù)處理環(huán)節(jié)，實(shí)質(zhì)是斷硫或表面改性，即破壞膠粉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并改善表面活性。預(yù)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(shí)等特點(diǎn)[12,18]。

在濕法工藝中，膠粉在瀝青中發(fā)生溶脹、降解等結(jié)構(gòu)演變[19]。結(jié)構(gòu)演變受溫度影響很大，低溫（180 ℃）下，膠粉的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(guò)程加快和增強(qiáng)，膠粉溶解，炭黑和無(wú)機(jī)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(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)尺寸的薄層結(jié)合膠，如圖4。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷過(guò)溶脹、降解等結(jié)構(gòu)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(xì)，能更好地發(fā)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(jīng)過(guò)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(yù)活化膠粉同樣可以更好地發(fā)揮膠粉的改性作用。Sousa 等[22]開(kāi)發(fā)了活化膠粉（RAR）。S Chen 等[23]設(shè)計(jì)了一種適用于濕凍氣候地區(qū)的改進(jìn)版RAR 并鋪筑了試驗(yàn)路。Chavez 等[24]將制備的預(yù)活化膠粉采用干法工藝制備了DRMA，為了顯示與傳統(tǒng)干法的不同，文中稱之為半濕法（SWP）工藝。研究表明，預(yù)活化可以促進(jìn)膠粉與瀝青之間的相互作用，減少反應(yīng)時(shí)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(shí)[12]，疲勞壽命更長(zhǎng)。總而言之，活化膠粉在改進(jìn)DRMA 的研究中有著較好的前景，但其改性機(jī)理和改性過(guò)程中活化膠粉與瀝青的結(jié)構(gòu)演變的研究尚不明晰。

2.4 級(jí)配、礦粉用量和油石比

DRMA 更適于粗集料比例較高的間斷級(jí)配[14,25,26]。首先，間斷級(jí)配存在足夠的空間來(lái)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(yōu)[23]，但水穩(wěn)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(wěn)定[26]。

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

同一級(jí)配下，DRMA 的油石比比一般瀝青混合料要高1%～2%[28]，總用量達(dá)7%～9.5%[24]。膠粉吸油量大，瀝青用量較少時(shí)容易出現(xiàn)混合料發(fā)干，粘結(jié)不牢，難以壓實(shí)的現(xiàn)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(zhì)、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(yīng)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(shí)前進(jìn)行燜料。一方面，燜料可以延長(zhǎng)瀝青和膠粉的反應(yīng)時(shí)間，讓兩者進(jìn)一步融合。另一方面，燜料提供給膠粉更長(zhǎng)的時(shí)間去吸收瀝青中的輕質(zhì)組分使自身體積膨脹達(dá)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(jié)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(shí)，其抵抗車轍、開(kāi)裂和水損害等的能力提升[4,5]?，F(xiàn)有研究中的燜料溫度在160 ～180 ℃之間，燜料時(shí)間大多在0.5 ～2 h[16]，也有研究者將燜料時(shí)間延長(zhǎng)至5 h[5]甚至更長(zhǎng)[12]。然而，燜料工藝仍存在著受熱不均勻和供熱不連續(xù)等問(wèn)題，尤其是工程中采用運(yùn)輸車來(lái)燜料的情況下。

2.6 施工工藝和其它

提高拌和與擊實(shí)溫度可使膠粉表層的溶脹作用增強(qiáng)，使混合料更好地固結(jié)為一體；同時(shí)瀝青黏度降低，更易壓實(shí)[29]。延長(zhǎng)拌和時(shí)間可以提高混合料均勻度和膠粉瀝青反應(yīng)程度。但溫度過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)容易造成瀝青老化[27]，所以應(yīng)選擇合適的拌和與擊實(shí)溫度以及拌和時(shí)間。

礦粉的加入會(huì)增大體系黏度，影響各相間的結(jié)合并改變其流變行為，所以礦粉和膠粉的加入順序?qū)RMA 的微觀結(jié)構(gòu)有較大影響，但尚未有學(xué)者對(duì)用料順序進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比。

考慮到不同路面結(jié)構(gòu)組合對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，且在實(shí)際使用時(shí)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部還會(huì)產(chǎn)生變化，道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與道路實(shí)用性模擬分析被納入到DRMA 的研究中，但大部分模擬都沒(méi)有得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，所取得的研究成果離實(shí)際應(yīng)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(píng)價(jià)

為了確保DRMA 路面具有良好的服務(wù)性能，必須對(duì)瀝青混合料的重要路用性能進(jìn)行合適的測(cè)試和評(píng)價(jià)。

3.1 體積指標(biāo)

由于膠粉的彈性和受熱膨脹特性，DRMA難壓實(shí)[32]，容易出現(xiàn)空隙率太大的問(wèn)題[32]，進(jìn)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(shí)易出現(xiàn)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(jí)配下，膠粉用量對(duì)空隙率影響較大，當(dāng)目標(biāo)空隙率確定時(shí)，可以應(yīng)用數(shù)學(xué)公式計(jì)算最大膠粉可用量[34]。在實(shí)際空隙率的測(cè)定中，需要指出的是DRMA 混合料的理論密度應(yīng)采用真空測(cè)量得出。另一個(gè)可以表征混合料體積性質(zhì)的指標(biāo)是膨脹率[27]，通過(guò)測(cè)定馬歇爾試件擊實(shí)后的試件在冷熱兩種情況下兩個(gè)高度來(lái)計(jì)算。

3.2 高低溫性能

溫度較高時(shí)，瀝青混合料強(qiáng)度變?nèi)?，路面在外力作用下容易發(fā)生變形，繼而產(chǎn)生車轍、擁包等病害。一方面，膠粉具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)，有助于DRMA 保持原有形狀。另一方面瀝青硬度增強(qiáng)，因此混合料高溫穩(wěn)定性提高[35]。常采用車轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)估高溫性能，一般的DRMA 的動(dòng)穩(wěn)定度（DS）在4 000 次/mm 左右，通常加入抗車轍劑來(lái)進(jìn)一步提高抗車轍性能。

溫度較低時(shí)，瀝青變形能力降低，加之老化變硬變脆，瀝青路面容易出現(xiàn)裂縫。而膠粉在低溫范圍內(nèi)具有較好的柔性和彈性，可提高混合料低溫柔性。評(píng)價(jià)低溫性能常用的方法是低溫彎曲小梁試驗(yàn)和預(yù)制凹口的半圓形彎曲斷裂試驗(yàn)（SCB）。小梁試驗(yàn)中，DRMA 混合料在-10 ℃的最大破壞應(yīng)變?cè)? 000 με 左右。SCB 中，混合料的抗裂強(qiáng)度可達(dá)到11.5 N/mm3/2。

3.3 水穩(wěn)定性能

水損害指的是在水或凍融循環(huán)以及外力的作用下，瀝青混合料無(wú)法保持整體性，路面出現(xiàn)掉粒、坑槽等病害的現(xiàn)象，是DRMA 性能研究中最大的挑戰(zhàn)。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(shí)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(huì)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(huì)導(dǎo)致難以壓實(shí)、空隙率大，這些問(wèn)題又會(huì)使混合料耐水性能變差[32]。評(píng)價(jià)水穩(wěn)定性常采用的是浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)。

3.4 抗疲勞性能

傳統(tǒng)瀝青路面一旦出現(xiàn)裂縫，路面損害將迅速發(fā)展。而膠粉改性瀝青混合料具有較高的抗疲勞裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和愈合能力[36-38]，擁有更長(zhǎng)的疲勞壽命[39,40]。這可能是得益于膠粉的彈性特質(zhì)，當(dāng)混合料受到載荷作用時(shí)，膠粉吸收載荷應(yīng)力發(fā)生變形，而當(dāng)載荷撤去，膠粉恢復(fù)至初始狀態(tài)，如圖6所示[23]。目前，評(píng)價(jià)低溫疲勞性能最常用的試驗(yàn)方法是四點(diǎn)彎曲疲勞壽命試驗(yàn)，還有預(yù)制誘導(dǎo)裂紋[41]或其它試驗(yàn)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(shù)、改變冰雪層的受力狀態(tài)，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(guò)噪聲測(cè)試來(lái)評(píng)定。再次，膠粉中的炭黑可以提高DRMA 耐老化性能[42]，延長(zhǎng)路面壽命。

除此之外，膠粉的加工性、熔融指數(shù)和儲(chǔ)存時(shí)板結(jié)情況均有相應(yīng)的性能評(píng)價(jià)方法[43]。

4 干法直投膠粉改性瀝青混合料的應(yīng)用現(xiàn)狀及改性機(jī)理

4.1 干法直投膠粉改性瀝青混合料的應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外常采用大骨料用量較高，油石比較高的間斷級(jí)配，含有燜料過(guò)程的DRMA 工藝，DRMA多用于瀝青道路的上中下面層以及應(yīng)力吸收層，是路面修復(fù)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(guó)內(nèi)關(guān)于DRMA 的研究開(kāi)始于20 世紀(jì)70年代末，但研究進(jìn)展較為緩慢。20 世紀(jì)末，隨著我國(guó)道路大規(guī)模建設(shè)，DRMA 的研究和應(yīng)用取得了較大進(jìn)展[44]。為了解決DRMA 路面易出現(xiàn)松散、剝落、裂縫以及坑槽等病害的問(wèn)題，研究者們嘗試了提高膠粉細(xì)度[45]，加入改性劑[46]，采用預(yù)活化膠粉[18]，膠粉/SBS 復(fù)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(yàn)路。除此外，乳化瀝青作改性劑的DRMA 在路面養(yǎng)護(hù)工程中也有一定的研究和應(yīng)用[49]。從路用性能而言，改進(jìn)后的DRMA 具有突出的高低溫性能和耐久性能，其多項(xiàng)指標(biāo)可達(dá)到改性瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)。從應(yīng)用領(lǐng)域而言，DRMA 更適合于靈活應(yīng)對(duì)一些中小規(guī)模的施工任務(wù)，如養(yǎng)護(hù)施工。

4.2 干法直投膠粉改性瀝青混合料的改性機(jī)理

對(duì)于濕法工藝的改性機(jī)理，一般認(rèn)為基質(zhì)瀝青輕質(zhì)組分減少，其粘結(jié)性、感溫性和耐久性得到提高，同時(shí)膠粉發(fā)生溶脹、降解等結(jié)構(gòu)演變，在瀝青中分布更均勻，分散更細(xì)[27,50]。

干法機(jī)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(jìn)行微觀尺度上的直接觀測(cè)、X射線熒光光譜進(jìn)行元素跟蹤、紅外光譜以及熱裂解-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GCMS）進(jìn)行成分分析，甲苯作溶劑的索氏抽提測(cè)定溶膠凝膠含量，或者拌和后取不同位置的混合料測(cè)試空隙率、肯塔堡損失率和動(dòng)穩(wěn)定度等進(jìn)行比較分析[43]，從側(cè)面去研究改性劑的分布以及具體改性機(jī)理。

但現(xiàn)有的DRMA 機(jī)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(jí)到微米級(jí)上的成分、尺寸和結(jié)構(gòu)變化，同時(shí)忽略了膠粉由填充向粘結(jié)改性作用轉(zhuǎn)換的過(guò)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(zhì)的界面作用。需要關(guān)注的是，在全施工過(guò)程中混合料均會(huì)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(jié)作用和與膠粉相互作用，致使油石比升高的問(wèn)題是否存在也需關(guān)注。

5 展望

DRMA 具有工藝簡(jiǎn)潔、環(huán)保性較好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在混合料性能不穩(wěn)定，強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)。研究者們發(fā)現(xiàn)膠粉種類、粒徑和用量，改性劑，預(yù)活化，配合比，燜料等施工工藝都影響著膠粉改性作用的發(fā)揮，特別是活化和燜料工藝。雖然DRMA 在實(shí)驗(yàn)室和室外均有一定研究和應(yīng)用探索，但其應(yīng)用仍未大規(guī)模進(jìn)行?，F(xiàn)有的DRMA的評(píng)價(jià)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(shí)用的評(píng)價(jià)方法，其改性機(jī)理仍處于發(fā)展中。

DRMA 中仍存在很多問(wèn)題有待研究。首先，關(guān)于DRMA 的基礎(chǔ)理論研究還很匱乏，特別是全施工過(guò)程，主要包括：拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓和冷卻過(guò)程中膠粉的分布分散過(guò)程，各組分間相互作用和界面結(jié)合情況。在這方面，可以借鑒濕法膠粉改性瀝青中關(guān)于多尺度分散及作用和固液轉(zhuǎn)化過(guò)程的研究。其次，膠粉難使用、瀝青用量大的問(wèn)題仍然存在。再次，上中下面層以及道路養(yǎng)護(hù)工程將是DRMA 比較理想的應(yīng)用領(lǐng)域，關(guān)于DRMA 在該領(lǐng)域內(nèi)的工程應(yīng)用情況和路面長(zhǎng)期性能跟蹤以及回收利用等方面的研究也是重點(diǎn)。除此外，目前采用的是基于性能優(yōu)劣的優(yōu)選方式來(lái)評(píng)價(jià)DRMA 的制備方式和應(yīng)用場(chǎng)合，該機(jī)制合理性和評(píng)價(jià)機(jī)理尚需探討。最后，為了進(jìn)一步提高DRMA 的環(huán)保性，溫拌和乳化瀝青的改進(jìn)方式值得繼續(xù)深入研究。