活化膠粉復合改性瀝青混合料的路用性能評價

王永寧， 李曉民， 楊濤， 魏定邦， 李波

（1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司高性能材料研究所，甘肅 蘭州 730030； 3.甘肅省公路交通建設集團有限公司 甘肅 蘭州 730030）

回收膠粉因其內部復雜的網絡交聯結構使之與瀝青不易相容［1?2］，進而導致其儲存穩定性差、不易施工、加工困難等，限制了其推廣應用.目前，學者們主要采用化學活化、微波活化和機械活化等手段對膠粉進行預處理，以提高其與瀝青的相容性等［3?6］.但普遍認為雙螺桿活化是最為理想的活化方式，因其可部分打開膠粉內部的三維網絡結構，保留膠粉的部分彈性且降低交聯密度，使其易與瀝青融合，彌補了橡膠瀝青儲存穩定性差、施工和易性差、摻量低等問題［6?7］.此外，學者們采用四點疲勞彎曲試驗、裂縫擴展性能試驗、半圓彎曲試驗和數字圖像相關技術等手段對橡膠瀝青混合料的力學性能進行了大量研究，認為橡膠瀝青混合料具有良好的抗裂性能［8?10］.然而，目前對于活化橡膠瀝青混合料的開裂研究較少，尤其對于活化膠粉復合改性后的瀝青混合料開裂特性更是鮮有報導.

本文用測力延度、半圓彎曲（SCB）和裂縫擴展性能試驗評價了SBS改性瀝青（SBS?MA）、未活化膠粉復合SBS改性瀝青（CR/SBS?MA）和雙螺桿活化膠粉復合SBS改性瀝青（ACR/SBS?MA）的低溫性能指標，為雙螺桿活化膠粉復合SBS改性瀝青的推廣應用提供理論與技術支撐.

1 試驗

1.1 原材料

采用甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司提供的鎮海90#基質瀝青、420 μm（40目）膠粉和1301線性SBS改性劑、糠醛抽出油和穩定劑分別制備SBS?MA、CR/SBS?MA和ACR/SBS?MA.改性瀝青及活化膠粉的制備過程參考文獻［11］，改性瀝青的技術指標見表1.根據JT/T 797—2019《路用廢胎橡膠粉》中附錄A的溶解度試驗方法，測試活化膠粉的活化度為49.2%.

表1 改性瀝青的技術指標Table 1 Technical indexes of modified asphalts

1.2 混合料配合比設計

采用SMA?10成型瀝青混合料，其級配見表2.對級配最佳混合料的瀝青含量進行了測定，確定其瀝青含量為6.3%.

表2 瀝青混合料的級配Table 2 Gradation（by mass） of asphalt mixtures Unit：%

1.3 試驗方法

1.3.1 測力延度試驗

采用澳大利亞IPC global公司生產的81?PV10B0研究型延度儀，按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》澆筑延度試件，拉伸速率為50 mm/min，水浴溫度為5 ℃.

1.3.2 半圓彎曲試驗

采用AMPT設備引進LLD控制模式進行加載，利用LVDT位移傳感器對試件底部的位移進行監測，得到加載過程中試件底部位移的變化規律.根據文獻［12］，采用0.02 mm/s的LLD加載速率可以保證裂縫穩定擴展，試驗溫度為-10 ℃，試件厚度為25 mm，切口長度為15 mm.

1.3.3 裂縫擴展性能試驗

采用AMPT中的Overlay Tester模塊評價活化膠粉復合改性瀝青的抗裂性能，根據文獻［13］，試驗最大拉伸位移為0.625 mm，加載周期為10 s（加載5 s＋卸載5 s），試驗溫度為25 ℃，終止條件為載荷損失率達到93%或周期達到1 200 次.

2 結果與討論

2.1 水穩定性和高溫穩定性

根據JTG E20—2011對改性瀝青混合料的水穩定性和高溫穩定性進行測試，結果見表3.由表3可見：ACR/SBS?MA混合料比SBS?MA、CR/SBS?MA混合料的殘留穩定度比MS0、抗拉強度比TSR和動穩定度DS大；與SBS?MA和CR/SBS?MA混合料相比，ACR/SBS?MA混合料的殘留穩定度比分別提高了16.6%、16.4%，抗拉強度比分別提高了4.19%、10.6%，動穩定度分別提高了87.5%、100.0%.綜上，ACR/SBS?MA混合料的高溫性能非常突出，水穩定性能較為突出.

表3 改性瀝青混合料的水穩定性和高溫穩定性Table 3 Water stability and high temperature stability performance of modified asphalt mixtures

2.2 測力延度試驗結果分析

2.2.1 測力延度及計算指標分析

測力延度試驗結果見圖1.由圖1可見：改性瀝青的測力延度曲線均可分為3個階段，即快速上升段、下降段和緩慢上升段；第一階段3種瀝青的特征相似；第二階段SBS?MA和ACR/SBS?MA的特征相似，CR/SBS?MA的斜率較??；第三階段SBS?MA和ACR/SBS?MA的特征相似，CR/SBS?MA的斜率較小；ACR/SBS?MA具有更大的位移，CR/SBS?MA位移最小.

圖1 測力延度試驗結果Fig.1 Results of force?measuring ductility test

為進一步量化分析，分別計算各項測力延度指標，結果見表4（表中Wf為斷裂功；Fmax為峰值力；Lmax為最大屈服應變）.由表4可見：ACR/SBS?MA的斷裂功、韌性面積、韌性比均較CR/SBS?MA和SBS?MA高，說明雙螺桿活化后增加了膠粉的韌性；ACR/SBS?MA的黏彈性面積、屈服應變能較CR/SBS?MA和SBS?MA低，說明膠粉活化后其黏彈性降低；對比拉伸柔量和黏彈性面積可以發現，膠粉活化后拉伸柔量變小，說明膠粉活化后彈性降低.綜上，膠粉活化后韌性增加，彈性降低，導致其改性瀝青最大屈服應變和屈服應變能較小.

2.2.2 測力延度計算指標熵權法綜合評價

前文采用多指標方式綜合評判了改性瀝青的低溫性能，但對于多指標的離散程度尚不清晰，為此，本節采用熵權法的熵值來判斷指標的離散程度.熵值越小，指標的離散程度越大，該指標對綜合評價的權重就越大.具體步驟如下：

（1）確定基本指標體系

根據前文分析，本文選擇斷裂功、韌性比、最大屈服應變、屈服應變能、黏彈性面積、韌性面積、拉伸柔量和峰值力這8個指標進行評價.

（2）歸一化處理

按式（1）、（2）對上述指標進行歸一化處理：若指標為正，選用式（1）；若指標為負，選用式（2）.

（3）計算指標的熵和權重

第i個樣本的第j個指標的比重yij為：

第j個指標的信息熵ej為：

式中：ej≥0；若yij=0，定義ej=0.

第j個指標的權重wj為：

式中：m為指標數量.

（4）指標加權后計算得其綜合評分S

S的計算式為：

測力延度熵權法評價結果見表5.由表5可見，指標權重綜合評分最大的為Lmax，最小的為Fmax.由此可見，最大屈服應變Lmax能較好地表征3種改性瀝青的低溫性能.

表5 測力延度熵權法評價結果Table 5 Evaluation results of force extension entropy weight method

2.3 半圓彎曲試驗結果分析

為進一步驗證Lmax的測試結果，采用半圓彎曲試驗對ACR/SBS?MA、SBS?MA和CR/SBS?MA混合料的低溫性能進行評價，結果見圖2.由圖2可見：CR/SBS?MA混合料的峰值力最高，ACR/SBS?MA混合料次之， SBS?MA混合料最?。籆R/SBS?MA混合料的位移最大，SBS?MA和ACR/SBS?MA混合料相當；CR/SBS?MA混合料的力-位移面積最大.Saed等［14］認為峰值力和力-位移面積越大，瀝青混合料的低溫抗裂性能越好，可見CR/SBS?MA混合料的低溫抗裂性能最好.

圖2 半圓彎曲試驗結果Fig.2 Results of SCB test

為進一步定量描述3種改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，由半圓彎曲試驗計算其斷裂功Wf、韌性區面積Alig、斷裂能Gf、柔性指數FI和斜率k，結果見表6.由表6可見，CR/SBS?MA混合料的斷裂能和柔性指數最大，SBS?MA和ACR/SBS?MA混合料的斷裂能和柔性指數相當.馮德成等［12］認為斷裂能越大，低溫性能越好，尤其是低溫抗裂性能越好.對比CR/SBS?MA與ACR/SBS?MA混合料，可以發現膠粉經雙螺桿活化后對瀝青低溫性能有較為顯著的影響，但ACR/SBS?MA混合料低溫性能仍高于SBS?MA混合料.

表6 半圓彎曲試驗的計算指標Table 6 Calculated indexes of SCB test

2.4 裂縫擴展性能試驗結果分析

Gu等［15］認為裂縫擴展性能試驗可以有效區分瀝青混合料的抗裂性能，力-位移面積表示斷裂功，斷裂功越大，其抗裂性能越好.為了進一步論證ACR/SBS?MA混合料的低溫性能，采用裂縫擴展性能試驗分析了3種瀝青的抗裂性能，結果見圖3.由圖3可見，CR/SBS?MA混合料斷裂功最大，SBS?MA和ACR/SBS?MA混合料的斷裂功基本相當，說明CR/SBS?MA混合料抗裂性能更好.

圖3 裂縫擴展性能試驗結果Fig.3 Results of overlay test

由裂縫擴展性能試驗計算了改性瀝青混合料的臨界斷裂能Gc、Wf和Alig，結果見表7.由表7可見，CR/SBS?MA混合料臨界斷裂能最大，ACR/SBS?MA混合料的臨界斷裂能比SBS?MA略高，進一步說明CR/SBS?MA混合料具有更好的抗裂性能，ACR/SBS?MA混合料抗裂性能略好于SBS?MA混合料.

表7 裂縫擴展性能試驗的計算指標Table 7 Calculated indexes of overlay test

2.5 機理分析

2.5.1 熒光顯微鏡結果分析

采用熒光顯微鏡觀察了CR/SBS?MA、SBS?MA和ACR/SBS?MA的微觀結構，結果見圖4.由圖4可見：CR/SBS?MA中SBS改性劑和膠粉顆粒均呈團簇狀態，且分布不均勻；SBS?MA和ACR/SBS?MA中SBS改性劑和膠粉顆粒分散均較為均勻.這主要是由于在高溫剪切作用下，雙螺桿活化膠粉內部的交聯鍵被破壞，橡膠分子鏈不斷發生斷裂，變成細小的鏈段，進而均勻分散于基質瀝青體系中，形成穩定的交聯網絡結構，表現出良好的高溫性能.

圖4 熒光顯微鏡結果Fig.4 Results of fluorescence microscope

2.5.2 四組分分析

郝培文等［16］、李添帥等［17］認為隨著瀝青質和膠質含量的增加，瀝青材料的水穩定性呈衰減的趨勢；王勤芳等［18］認為瀝青質含量越高，瀝青材料的低溫性能越好.為了進一步分析ACR/SBS?MA的高溫穩定性和水穩定性提升和低溫性能下降的原因，參照于麗梅等［19］的四組分試驗，分析了CR/SBS?MA、SBS?MA和ACR/SBS?MA中膠質、瀝青質、飽和分及芳香分的占比（質量分數），結果見圖5.圖5可見：CR/SBS?MA的瀝青質和膠質占比最大，SBS?MA的瀝青質和膠質占比次之，ACR/SBS?MA的瀝青質和膠質占比最小，ACR/SBS?MA的水穩定性最好，與前文研究結果一致；CR/SBS?MA的飽和分和芳香分輕質組分占比最少［20］，說明未活化膠粉和SBS更多地吸附瀝青中的飽和分和芳香分，并進行了充分的物理溶脹，分散在瀝青的連續相中，從而提高了其低溫性能.

圖5 四組分試驗結果Fig.5 Results of four components test

2.6 相關性分析

對2.2中提出的指標——最大屈服應變Lmax與斷裂功Wf、臨界斷裂能Gc進行相關性分析，結果見圖6.由圖6可見，Lmax與Wf、Gc均有很好的相關性，相關系數均在0.99以上，這說明測力延度的最大屈服應變指標可以有效表征ACR/SBS?MA、SBS?MA和CR/SBS?MA的低溫抗裂性能.

圖6 最大屈服應變與斷裂能、臨界斷裂能的相關性分析Fig.6 Correlation analysis of Lmax and Wf，Gc

3 結論

（1）雙螺桿活化過程中打開了膠粉的部分交聯鍵，使其與SBS在基質瀝青中形成穩定的交聯網絡結構，從而使雙螺桿活化膠粉復合SBS改性瀝青混合料具有非常突出的高溫和較突出的水穩定性能.

（2）未活化膠粉和SBS更多地吸附瀝青中的飽和分和芳香分，并進行充分的物理溶脹，進而分散在瀝青的連續相中，使未活化膠粉復合SBS改性瀝青混合料具有較為突出的低溫性能.

（3）測力延度指標中最大屈服應變可有效表征改性瀝青的低溫抗裂性能，且與半圓彎曲試驗計算的斷裂功和裂縫擴展性能試驗計算的臨界斷裂能的相關系數均在0.99以上.

（4）本文僅僅針對同一活化度的活化膠粉復合SBS改性瀝青與未活化膠粉復合SBS改性瀝青、SBS改性瀝青對比分析，后期將進一步研究不同活化度膠粉對其復合改性瀝青低溫性能的影響規律.