李佳慶

（岳陽(yáng)路橋集團(tuán)有限公司，湖南 岳陽(yáng) 414000）

0 引言

由于瀝青路面產(chǎn)生永久變形、疲勞開裂等病害，導(dǎo)致其養(yǎng)護(hù)成本增加及使用壽命縮短。研究表明，瀝青混合料組分中結(jié)合料對(duì)混合料性能影響很大，結(jié)合料的流變特性與混合料的車轍、疲勞性能直接相關(guān)［1］。因此，已有大量研究通過(guò)改善結(jié)合料的性能以提高混合料的抗車轍與疲勞性能，其中應(yīng)用最為廣泛的是添加各種改性劑［2］。

研究發(fā)現(xiàn)，在瀝青中摻入廢橡膠粉（CRM）能提高瀝青的抗老化性能，且廢橡膠粉改性瀝青（CRMA）混合料的抗車轍與疲勞性能明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料，使路面使用壽命大大延長(zhǎng)［3］。然而，與基質(zhì)瀝青相比，CRMA 黏度較高［4］，生產(chǎn)過(guò)程中往往需要較高的拌和與壓實(shí)溫度，導(dǎo)致大量的燃料消耗及有毒氣體排放。而且，壓實(shí)溫度過(guò)低，生產(chǎn)中無(wú)法獲得合適的瀝青混合料體積特性（空隙率和壓實(shí)度），致使路面在短期和長(zhǎng)期內(nèi)表現(xiàn)出不良性能［5］。

近年來(lái)，溫拌瀝青（WMA）技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，通過(guò)在廢橡膠粉瀝青中摻入不同類型的溫拌劑，其黏度明顯降低，從而混合料的拌和與壓實(shí)溫度顯著降低［6-10］。然而，溫拌劑的摻入對(duì)CRMA 的疲勞與車轍性能有著不同的影響。Xiao 等［11］發(fā)現(xiàn)溫拌劑提高了CRMA 的抗車轍性能，但降低了其抗疲勞性能；Yu 等［12］發(fā)現(xiàn)在高溫條件下，含有Evotherm 溫拌劑的CRMA 呈現(xiàn)出較差的抗車轍與抗疲勞性能；Wang等［13］研究了兩種溫拌劑對(duì)CRMA 的高溫和中溫性能的影響，結(jié)果表明蠟基和化學(xué)基溫拌劑均會(huì)降低CRMA 的車轍和疲勞性能；但是，Wen 等［14］研究表明蠟基溫拌劑可以提高CRMA 的疲勞性能和耐車轍性。綜上所述，溫拌劑的類型對(duì)CRMA 的性能影響較大，選用合適的溫拌劑對(duì)CRMA 的車轍與疲勞性能至關(guān)重要。因此，有必要對(duì)摻入不同類型溫拌劑的CRMA 性能進(jìn)行評(píng)估，從而為CRMA 混合料生產(chǎn)過(guò)程中選取合適的溫拌劑及摻量提供參考。

基于此，本文主要研究蠟基溫拌劑的摻入對(duì)CRMA 的疲勞和車轍性能的影響。選取不同摻量的兩種蠟基（松蠟和聚丙烯蠟）溫拌劑摻入到CRMA中，開展了旋轉(zhuǎn)黏度、動(dòng)態(tài)剪切流變儀、多次應(yīng)力蠕變恢復(fù)和線性振幅掃描試驗(yàn)，基于測(cè)試結(jié)果對(duì)比評(píng)價(jià)了不同摻量溫拌劑下CRMA 的車轍與疲勞性能。

1 原材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

采用70#基質(zhì)瀝青，三大性能指標(biāo)見(jiàn)表1。采用15% 摻量的CRM 作為改性劑，最大尺寸為0.425 mm。采用松蠟和聚丙烯蠟作為溫拌劑，主要特性見(jiàn)表2。

表1 70#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

表2 松蠟與聚丙烯蠟性能指標(biāo)

1.2 試樣制備

采用松蠟和聚丙烯蠟的用量分別占基質(zhì)瀝青的2%、4%和6%。為了制備改性瀝青，首先，在180 ℃下，使用高速剪切儀以3 600 rpm 的轉(zhuǎn)速將基質(zhì)瀝青與15%用量的CRM 剪切45 min；之后，將蠟基溫拌劑摻入到CRMA 中；最后，在160 ℃下，以相同剪切速率再剪切10 min 以獲取試樣?？偣仓苽? 組試樣用于試驗(yàn)，試樣標(biāo)號(hào)如表3 所示。此外，為了在試驗(yàn)室中模擬瀝青的短期和長(zhǎng)期老化，根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)試樣分別進(jìn)行滾動(dòng)薄膜烘箱（RTFO）試驗(yàn)和壓力老化容器（PAV）試驗(yàn)。

表3 瀝青試樣標(biāo)號(hào)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 旋轉(zhuǎn)黏度（RV）試驗(yàn)

RV 測(cè)試選取溫度為135 ℃（標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試溫度）、165 ℃和185 ℃。根據(jù)SHRP 標(biāo)準(zhǔn)，改性瀝青135 ℃黏度不得超過(guò)3 Pa · s，以此技術(shù)要求來(lái)控制改性瀝青的施工性能。

1.3.2 動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）試驗(yàn)

DSR 試驗(yàn)通過(guò)測(cè)試復(fù)數(shù)剪切模量（G*）和相位角（δ）來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的彈性和黏性性能。SHRP 定義了從DSR 試驗(yàn)獲得的車轍因子（G*/sinδ）用以評(píng)估瀝青的抗車轍性能，G*/sinδ越高，表明瀝青抗車轍性能越好。對(duì)于未老化和經(jīng)RTFO 老化的膠結(jié)料，其G*/sinδ參數(shù)分別要高于1 kPa 和2.2 kPa。此外，參數(shù)G*·sinδ也被定義用于評(píng)估瀝青在中溫下的疲勞性能。根據(jù)SHRP 要求，對(duì)于經(jīng)PAV 老化的膠結(jié)料，可以通過(guò)限制G*·sinδ小于5 000 kPa 來(lái)控制疲勞開裂。

1.3.3 多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)（MSCR）試驗(yàn)

有研究表明G*/sinδ參數(shù)不能完整地表征瀝青車轍性能，特別是對(duì)應(yīng)力水平敏感的聚合物改性瀝青。基于此，聯(lián)邦公路管理局引入了MSCR 試驗(yàn)來(lái)評(píng)估瀝青的車轍性能，之后由Bouldin 等［15］對(duì)此試驗(yàn)方法進(jìn)行拓展與改進(jìn)，其測(cè)試的有效性得到了充分的驗(yàn)證。

在本研究中，對(duì)經(jīng)RTFO 老化瀝青在64 ℃下進(jìn)行了MSCR 試驗(yàn)，采用了0.1 kPa 和3.2 kPa 兩個(gè)應(yīng)力水平。MSCR 試驗(yàn)中主要得到兩個(gè)參數(shù)：不可恢復(fù)的蠕變?nèi)崃浚↗nr）和應(yīng)變恢復(fù)率（R）。此外，通過(guò)兩個(gè)應(yīng)力水平下的Jnr計(jì)算出Jnr-diff參數(shù)，該參數(shù)用于評(píng)估瀝青的應(yīng)力水平敏感性。

1.3.4 線性振幅掃描（LAS）試驗(yàn)

目前研究中，先后有不同參數(shù)被提出用來(lái)評(píng)估瀝青的疲勞性能。其中包括SHRP 引入的瀝青疲勞參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)G*·sinδ，但該參數(shù)是在線性黏彈性范圍內(nèi)確定的，并具有較小的剪切應(yīng)變，其與瀝青疲勞性能相關(guān)性較差，用作疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)并不可靠。之后，NCHRP 9-10 研究計(jì)劃提出時(shí)間掃描試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青疲勞性能，但該試驗(yàn)所基于的應(yīng)力或應(yīng)變水平，其耗時(shí)非常長(zhǎng)，不適合常規(guī)測(cè)試。為了解決上述問(wèn)題，目前廣泛采用的LAS 試驗(yàn)，其作為一種用于測(cè)試荷載振幅增加而導(dǎo)致的損傷累積，能有效預(yù)估瀝青的疲勞性能，且大大節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間。

本研究中，基于AASHTO TP101 規(guī)范，在25 ℃下，對(duì)經(jīng)PAV 老化瀝青進(jìn)行LAS 試驗(yàn)。此外，使用黏彈性連續(xù)體損傷（VECD）理論分析了LAS 試驗(yàn)結(jié)果，如式（1）所示：

式中：Nf為疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)；γmax為在給定路面結(jié)構(gòu)下的瀝青最大期望應(yīng)變；A和B為從VECD 分析中得到的疲勞模型參數(shù)。A描述材料保持其完整性的能力，與瀝青的疲勞壽命直接相關(guān)，B表示瀝青對(duì)應(yīng)變水平變化的敏感性，B越大，表示應(yīng)變水平幅度增加越大，疲勞壽命降低更快。

2 結(jié)果與分析

2.1 RV 試驗(yàn)結(jié)果

圖1 顯示了蠟基溫拌劑對(duì)CRMA 旋轉(zhuǎn)黏度的影響。在135 ℃時(shí)，CR15 的黏度約為基質(zhì)瀝青黏度的3倍。明顯可以看到，添加兩種蠟基溫拌劑的CRMA黏度均明顯降低。同等摻量下，聚丙烯蠟對(duì)降低CRMA的黏度更為顯著。當(dāng)溫度為135 ℃時(shí)，CR15P6 相比于CR15 的旋轉(zhuǎn)黏度降低約50%。

圖1 不同瀝青結(jié)合料黏度試驗(yàn)結(jié)果

由圖1 可知：CR15 的最低拌和溫度超過(guò)了177 ℃，壓實(shí)溫度處于160～164 ℃，而摻入兩種蠟基溫拌劑的拌和與壓實(shí)溫度均有所降低，且摻量越高，降低效果越顯著。其中聚丙烯蠟相對(duì)松蠟對(duì)CRMA混合料拌和與壓實(shí)溫度降低效果更大，CR15S6 的拌和溫度范圍為166～175 ℃，溫度降低約10 ℃，而CR15P6 的拌和溫度范圍為156～161 ℃，溫度降低約20 ℃。

2.2 DSR 試驗(yàn)結(jié)果

圖2 為高溫條件下未老化和經(jīng)RTFO 老化的不同瀝青結(jié)合料G*/sinδ測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯觯孩倥c基質(zhì)瀝青相比，所有CRMA 的G*/sinδ值均提高，表明改性瀝青在高溫條件下的抗車轍能力增強(qiáng)。此外，對(duì)于含聚丙烯蠟的CRMA，CR15P2 車轍參數(shù)值最大，抗車轍能力隨聚丙烯蠟含量的增加而降低；②相同溫度下，添加松蠟溫拌劑CRMA 的G*/sinδ值均低于CR15，表明添加松蠟對(duì)CRMA 的抗車轍能力無(wú)積極作用。

圖2 不同瀝青結(jié)合料G*/sinδ 測(cè)試結(jié)果

表4 為25 ℃下不同瀝青類型的Superpave 疲勞參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。表中所有溫拌劑摻量的瀝青結(jié)合料 的G*·sinδ均 不 超 過(guò)5 000 kPa，滿 足 疲 勞 開 裂 要求。Superpave 規(guī)范指出，G*·sinδ越低，瀝青疲勞性能更好。以此指標(biāo)評(píng)判混合料的疲勞性能，數(shù)值顯示：含松蠟溫拌劑的CRMA 疲勞性能優(yōu)于CR15，而含聚丙烯蠟的CRMA 對(duì)疲勞性能無(wú)提升作用。

表4 25℃下不同瀝青類型的Superpave 疲勞參數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.3 MSCR 試驗(yàn)結(jié)果

圖3、4 顯示了在0.1 kPa 和3.2 kPa 兩個(gè)應(yīng)力水平下的瀝青結(jié)合料MSCR 測(cè)試結(jié)果。其中，Jnr值越低，表示結(jié)合料抗永久變形能力更強(qiáng)，即抗車轍性能更好。R值越高，表明結(jié)合料的應(yīng)變恢復(fù)能力更好。

圖3 不同瀝青結(jié)合料Jnr值測(cè)試結(jié)果

圖4 不同瀝青結(jié)合料R 值測(cè)試結(jié)果

由圖3、4 可知：①與基質(zhì)瀝青相比，所有CRMA的Jnr值較低，而R值較高，表明廢橡膠粉改性瀝青對(duì)永久變形的抵抗能力更強(qiáng)；②松蠟的摻入增加了CRMA 的Jnr值，且 在3.2 kPa 應(yīng) 力 水 平 下，還 降 低 了CRMA 的R值。但 是，在0.1 kPa 的 應(yīng) 力 水 平 下，松蠟的摻入使CRMA 的R值略微提高，且隨著松蠟摻量的增加，R值逐漸降低。因此，與CR15 相比，含松蠟的CRMA 對(duì)永久變形的抵抗能力更弱；③聚丙烯蠟降低了CRMA 的Jnr值，并在0.1 kPa 應(yīng)力水平下，提高了R值。但在3.2 kPa 應(yīng)力水平下，R值無(wú)明顯變化。因此，聚丙烯蠟可有效改善CRMA 的抗車轍性能。在8 組瀝青試樣中，CR15P2 在兩種應(yīng)力水平下都具有最優(yōu)的抗車轍性能。

此外，本研究還計(jì)算了Jnr-diff參數(shù)用以評(píng)估瀝青的應(yīng)力水平敏感性，該參數(shù)值越小，表示結(jié)合料對(duì)應(yīng)力水平變化的敏感程度越低。圖5 顯示了不同瀝青結(jié)合料的Jnr-diff參數(shù)大小關(guān)系。

圖5 不同瀝青結(jié)合料Jnr-diff測(cè)試結(jié)果

由圖5 可知：CRMA 相比于基質(zhì)瀝青，其對(duì)應(yīng)力水平變化的敏感性明顯增加。隨著兩種蠟基添加劑的增加，CRMA 的Jnr-diff值均越大，但結(jié)果均滿足規(guī)范要求（小于75%）。7 組CRMA 中，CR15S6 的Jnr-diff值最大，CR15P2 的Jnr-diff值最小，表明低摻量聚丙烯蠟降低了CRMA 對(duì)應(yīng)力水平變化的敏感性。

2.4 LAS 試驗(yàn)結(jié)果

不同瀝青結(jié)合料的破壞特征曲線如圖6 所示，圖6 中損傷強(qiáng)度為疲勞損傷參數(shù)；材料完整度為完整性參數(shù)，代表t時(shí)刻的復(fù)數(shù)模量與初始復(fù)數(shù)模量之比。通過(guò)破壞特征曲線，可在特定的損傷強(qiáng)度下判定瀝青結(jié)合料的材料完整性。不同類型蠟基添加劑及摻量對(duì)CRMA 的破壞過(guò)程有不同的影響，松蠟含量較高的CRMA 在任何特定的破壞損傷下均顯示出較高的材料完整性，表明對(duì)疲勞破壞具有更好的抵抗力。然而，聚丙烯蠟摻入?yún)s降低了CRMA 的材料完整性，對(duì)提高抗疲勞性能無(wú)正面作用。

圖6 不同瀝青結(jié)合料的破壞特征曲線

表5 為瀝青結(jié)合料在2.5%和5.0%兩種應(yīng)變水平下的疲勞壽命和LAS 試驗(yàn)中計(jì)算模型A和B參數(shù)結(jié)果。

表5 不同瀝青結(jié)合料疲勞壽命及計(jì)算模型A 和B 參數(shù)結(jié)果

由表5 可以看到：①CR15 的A參數(shù)的值與基質(zhì)瀝青相比增加了約3 倍，表明廢橡膠粉摻入改善了瀝青的抗疲勞性能。此外，松蠟含量越高，A值越大，表明CRMA 抗疲勞性能越好，而聚丙烯蠟的含量增加降低了參數(shù)A值。與基質(zhì)瀝青相比，CRMA 參數(shù)B值更大，其中松蠟的摻入增大了CRMA 參數(shù)B值，而聚丙烯蠟反之，表明前者隨應(yīng)變水平的變化敏感性更強(qiáng)；②CRMA 相比基質(zhì)瀝青的疲勞壽命大大延長(zhǎng)，原因在于CRM 顆粒與基質(zhì)瀝青之間的相互作用形成聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而能有效抵抗疲勞破壞。此外，不同蠟基溫拌劑對(duì)CRMA 疲勞性能有不同的影響，松蠟延長(zhǎng)了CRMA 的疲勞壽命，而聚丙烯蠟相反，原因在于不同蠟基溫拌劑的添加對(duì)CRMA 的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)影響不同；③CR15S6 在2.5%和5.0% 兩種應(yīng)變水平下均具有最長(zhǎng)的疲勞壽命，與CR15 相比，CR15S2、CR15S4 和CR15S6 膠結(jié)料的疲勞壽命在2.5%的應(yīng)變水平下分別提高了15%、39%和71%，而在5.0%的應(yīng)變水平下分別提高了7.5%、19%和33%，表明松蠟的摻入對(duì)CRMA 疲勞性能在低應(yīng)變水平下改善效果更明顯。

2.5 討論

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，蠟基溫拌劑的加入明顯降低了CRMA 的拌和與壓實(shí)溫度，其對(duì)CRMA 改性瀝青的生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益。然而，不同類型蠟基溫拌劑的摻入對(duì)CRMA 車轍與疲勞性能有不同的影響，雖然蠟基溫拌劑摻入降低了CRMA 的車轍性能，聚丙烯蠟的摻入降低了CRMA 的疲勞性能，總體上溫拌劑的摻入對(duì)CRMA 的車轍與疲勞性能影響程度不大，但相比基質(zhì)瀝青的性能仍有明顯的提升，且可通過(guò)摻入合適的溫拌劑摻量來(lái)使其對(duì)車轍與疲勞性能的負(fù)面影響降至最低。此外，可以針對(duì)不同路面結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境及服役性能要求選擇合適的蠟基溫拌劑，例如，在高溫環(huán)境下，可選擇聚丙烯蠟溫拌劑以達(dá)到更優(yōu)的抗車轍性能。

3 結(jié)論

（1）松蠟和聚丙烯蠟的摻入均降低了CRMA 的黏度，且摻量越多，其降低程度越明顯，其中聚丙烯蠟相比于松蠟效果更顯著。6%摻量的聚丙烯蠟?zāi)苁笴RMA 的旋轉(zhuǎn)黏度降低約50%，且使拌和溫度降低約20 ℃。

（2）高溫性能試驗(yàn)表明聚丙烯蠟可提高CRMA的高溫性能，但隨摻量的增加其提高效果越不顯著，而松蠟降低了CRMA 的高溫性能。其中含2%聚丙烯蠟的CRMA 抗車轍性能最好。

（3）LAS 試驗(yàn)表明松蠟可以改善CRMA 的抗疲勞性能，且隨摻量的增加其疲勞壽命也增加，在應(yīng)變水平分別為2.5% 和5% 時(shí)，松蠟摻量為6% 的CRMA 疲勞壽命分別提高了71%和33%。然而，聚丙烯蠟對(duì)改善CRMA 疲勞性能效果不顯著，摻量為6%的聚丙烯蠟CRMA 的疲勞壽命與基質(zhì)瀝青無(wú)明顯差別。