干法直投胶粉改性沥青混合料的研究和应用进展

过震文1，琚利平2，于晓晓，徐斌1，王仕峰

（1.上海市市政规划设计研究院有限公司，上海 200031；2.浙江省交通集团检测科技有限公司，杭州 310002；3.上海交通大学化学化工学院，上海 200240）

将废旧轮胎橡胶破碎磨制成胶粉应用于道路建设中，不仅可缓解废旧轮胎带来环境污染，而且可提高沥青混合料的性能、延长道路寿命。与普通沥青路面相比，一方面由于胶粉具有优异的抗疲劳性能，胶粉改性沥青路面厚度可减薄一半[1]，使全周期建设能耗降低、石料等自然资源利用率提高。另一方面，凭借胶粉优异的抗老化性能，胶粉改性沥青路面寿命可提高一倍。因此，胶粉改性沥青路面是一种优质的可持续道路建设方案。

胶粉改性沥青混合料的制备工艺主要有两种，一种为湿法工艺，是指将胶粉与沥青在高温下预混后应用于混合料制备，另一种为干法直投胶粉改性沥青混合料（DRMA）工艺，也称干法工艺是指将胶粉直接掺入拌锅中与石料、沥青一起拌和，如图1所示[2]。湿法工艺研究和应用较多，技术相对成熟，但湿法工艺也存在诸如黏度大、加工温度高，施工难和环境污染性大等不足。干法工艺则无需考虑改性沥青黏度大的问题，具有工艺简洁、环保性较好等优点，从20世纪40年代开始受到应用研究[3]。本文对干法工艺的概念、起源、研究和应用现状进行了综述，介绍了DRMA 的评价方式和改性机理，并展望了DRMA 的未来。

图1 橡胶沥青湿法工艺（左）和干法工艺（右）示意图

1 干法工艺和湿法工艺对比

干法和湿法工艺的对比见表1。干法工艺更有利于简化工艺、节能减排地制备胶粉改性沥青混合料。但是，因热固性的胶粉在混合料中作用时间短（约1 min），难分散和难压实，导致DRMA 各组分间结合力弱，性能变异性大。其次，干法工艺改性机理至今不明确，使得干法工艺难以标准化，其推广应用受到了限制。

2 干法直投胶粉改性沥青混合料的工艺研究

为了提高DRMA 路面的性能稳定性，发挥胶粉的改性作用，研究者们采用了多种方式进行改进。

2.1 胶粉种类和用量

DRMA 的研究主要集中在胶粉用量和粒径上。胶粉最佳用量约集料的1%～2%[4,5]，随着胶粉用量的增加，高低温性能以及抗水损性能均呈现先上升后下降的趋势[6]。胶粉粒径较小时，混合料综合性能更优[7,8]，具体表现为更易压实，高温抗变形和低温抗裂能力提高等[9]。笔者认为粒径较小的优势来源于比表面积的增大提高了胶粉与沥青接触程度，促进两相相互作用[10-12]。胶粉粒径较大时，其改性沥青的研究主要集中在其抗滑、抑冰、除雪特性上[13]。

表1 干法和湿法工艺的对比

2.2 添加改性剂

在拌和时加入改性剂也可以促进胶粉与沥青间的反应[14,15]进而提高DRMA 路面的性能稳定性，研究最多的改性剂是反式聚环辛烯橡胶（TOR）[16]，其化学结构如图2。

TOR 和胶粉一起加入到集料中拌和，随之加入沥青再次拌和制备混合料。据报道，TOR 可以促进胶粉/沥青间的反应，改善两者相容性；可以降低混合料黏度，进一步改善施工和易性[17]。但由于国外技术垄断，该材料价格高、不易推广应用。为此，国内相继研发出了各类国产TOR（CTOR）[15]。对于TOR/CTOR 改性DRMA，从高分子反应共混角度讲，物料间虽有一定的反应，但笔者认为更多是因为采用了较细胶粉和焖料工艺才提高了胶粉/沥青相互作用，并且TOR/CTOR 起到了高分子改性作用。

图2 TOR 的分子组成

2.3 胶粉的活化

胶粉的活化提出于20 世纪70年代。其目的是将湿法工艺中胶粉与沥青的溶胀、降解过程移至胶粉的预处理环节，实质是断硫或表面改性，即破坏胶粉网络结构并改善表面活性。预活化的胶粉更易与沥青融合，具有低温可拌和、易分散、易压实等特点[12,18]。

在湿法工艺中，胶粉在沥青中发生溶胀、降解等结构演变[19]。结构演变受温度影响很大，低温（180 ℃）下，胶粉的交联网络被破坏，胶粉表面的粗糙部分溶解至沥青中，其表面比原始胶粉光滑，如图3。而在高温（240 ℃）下，溶胀和降解过程加快和增强，胶粉溶解，炭黑和无机填料从胶粉中被释放至沥青里，被释放的炭黑表面覆盖有微结构或纳米结构尺寸的薄层结合胶，如图4。研究发现，经历过溶胀、降解等结构演变的断硫胶粉具有较低的分子量和凝胶含量，在沥青中分布更均匀和分散更细，能更好地发挥其改性作用[20,21]。

图3 （a）原始粒状胶粉（b）低温处理后残留胶粉的形貌

图4 经过60 min 高温处理后（a）残留胶粉表面（b）沥青中被释放的炭黑

在干法工艺中，采用预活化胶粉同样可以更好地发挥胶粉的改性作用。Sousa 等[22]开发了活化胶粉（RAR）。S Chen 等[23]设计了一种适用于湿冻气候地区的改进版RAR 并铺筑了试验路。Chavez 等[24]将制备的预活化胶粉采用干法工艺制备了DRMA，为了显示与传统干法的不同，文中称之为半湿法（SWP）工艺。研究表明，预活化可以促进胶粉与沥青之间的相互作用，减少反应时间，降低加工温度，有利于提高胶粉掺量。从性能上看，活化后的胶粉更易压实[12]，疲劳寿命更长。总而言之，活化胶粉在改进DRMA 的研究中有着较好的前景，但其改性机理和改性过程中活化胶粉与沥青的结构演变的研究尚不明晰。

2.4 级配、矿粉用量和油石比

DRMA 更适于粗集料比例较高的间断级配[14,25,26]。首先，间断级配存在足够的空间来容纳胶粉和其体积膨胀[25]，更容易碾压成型[27]，高低温性能更优[23]，但水稳定性稍差[17]。其次，粗集料比例较高的混合料（65%～70%）更致密、耐用和稳定[26]。

矿粉比表面积大，会消耗沥青来裹覆矿粉，这样就间接减少了裹覆集料以及与胶粉反应的沥青量，进而降低集料间的粘附性又影响了胶粉改性作用的发挥。另外，矿粉的加入会增大沥青黏度，影响加工性能。所以，DRMA 级配中可适量减少矿粉的用量[17]。

同一级配下，DRMA 的油石比比一般沥青混合料要高1%～2%[28]，总用量达7%～9.5%[24]。胶粉吸油量大，沥青用量较少时容易出现混合料发干，粘结不牢，难以压实的现象。提高沥青含量有利于提高与胶粉的相互作用，改善体积性质、抗老化、耐疲劳性能[4,12,29]。但高油石比增加了筑路成本，阻碍了DRMA 在工程中的广泛应用。

2.5 焖料

为提高胶粉和沥青的相互作用，建议DRMA在拌和后、压实前进行焖料。一方面，焖料可以延长沥青和胶粉的反应时间，让两者进一步融合。另一方面，焖料提供给胶粉更长的时间去吸收沥青中的轻质组分使自身体积膨胀达到平衡。混合料的微观形貌如图5[4]，焖料后的胶粉颗粒可大范围溶胀，与各相间结合效果更好。

图5 混合料中胶粉颗粒的显微图片

研究表明，焖料有利于提高胶粉用量[9]，焖料后的混合料易压实，其抵抗车辙、开裂和水损害等的能力提升[4,5]。现有研究中的焖料温度在160 ～180 ℃之间，焖料时间大多在0.5 ～2 h[16]，也有研究者将焖料时间延长至5 h[5]甚至更长[12]。然而，焖料工艺仍存在着受热不均匀和供热不连续等问题，尤其是工程中采用运输车来焖料的情况下。

2.6 施工工艺和其它

提高拌和与击实温度可使胶粉表层的溶胀作用增强，使混合料更好地固结为一体；同时沥青黏度降低，更易压实[29]。延长拌和时间可以提高混合料均匀度和胶粉沥青反应程度。但温度过高、时间过长容易造成沥青老化[27]，所以应选择合适的拌和与击实温度以及拌和时间。

矿粉的加入会增大体系黏度，影响各相间的结合并改变其流变行为，所以矿粉和胶粉的加入顺序对DRMA 的微观结构有较大影响，但尚未有学者对用料顺序进行系统对比。

考虑到不同路面结构组合对沥青混合料路用性能的影响，且在实际使用时路面结构内部还会产生变化，道路结构设计与道路实用性模拟分析被纳入到DRMA 的研究中，但大部分模拟都没有得到实测数据的验证，所取得的研究成果离实际应用要求仍有一定差距[30,31]。

3 干法直投胶粉改性沥青混合料的性能评价

为了确保DRMA 路面具有良好的服务性能，必须对沥青混合料的重要路用性能进行合适的测试和评价。

3.1 体积指标

由于胶粉的弹性和受热膨胀特性，DRMA难压实[32]，容易出现空隙率太大的问题[32]，进而造成混合料耐水性能不佳[12,23,33]，抗车辙能力下降[23]，后期使用时易出现松散、脱粒、坑槽等病害。建议空隙率控制在1.5%～3.5%[23,32]。相同级配下，胶粉用量对空隙率影响较大，当目标空隙率确定时，可以应用数学公式计算最大胶粉可用量[34]。在实际空隙率的测定中，需要指出的是DRMA 混合料的理论密度应采用真空测量得出。另一个可以表征混合料体积性质的指标是膨胀率[27]，通过测定马歇尔试件击实后的试件在冷热两种情况下两个高度来计算。

3.2 高低温性能

温度较高时，沥青混合料强度变弱，路面在外力作用下容易发生变形，继而产生车辙、拥包等病害。一方面，胶粉具有交联结构，有助于DRMA 保持原有形状。另一方面沥青硬度增强，因此混合料高温稳定性提高[35]。常采用车辙试验来评估高温性能，一般的DRMA 的动稳定度（DS）在4 000 次/mm 左右，通常加入抗车辙剂来进一步提高抗车辙性能。

温度较低时，沥青变形能力降低，加之老化变硬变脆，沥青路面容易出现裂缝。而胶粉在低温范围内具有较好的柔性和弹性，可提高混合料低温柔性。评价低温性能常用的方法是低温弯曲小梁试验和预制凹口的半圆形弯曲断裂试验（SCB）。小梁试验中，DRMA 混合料在-10 ℃的最大破坏应变在4 000 με 左右。SCB 中，混合料的抗裂强度可达到11.5 N/mm3/2。

3.3 水稳定性能

水损害指的是在水或冻融循环以及外力的作用下，沥青混合料无法保持整体性，路面出现掉粒、坑槽等病害的现象，是DRMA 性能研究中最大的挑战。胶粉加入后，一方面部分沥青被胶粉吸收，沥青的酸性增加，与矿料间的粘附性提高，同时沥青黏度增大，抵抗水置换能力提升，这些有利于提高耐水性能[17]。另一方面，沥青量减少会使得沥青膜厚降低，而胶粉的存在又降低了沥青和石料粘合的有效面积，且其弹性会导致难以压实、空隙率大，这些问题又会使混合料耐水性能变差[32]。评价水稳定性常采用的是浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。

3.4 抗疲劳性能

传统沥青路面一旦出现裂缝，路面损害将迅速发展。而胶粉改性沥青混合料具有较高的抗疲劳裂纹产生、扩展和愈合能力[36-38]，拥有更长的疲劳寿命[39,40]。这可能是得益于胶粉的弹性特质，当混合料受到载荷作用时，胶粉吸收载荷应力发生变形，而当载荷撤去，胶粉恢复至初始状态，如图6所示[23]。目前，评价低温疲劳性能最常用的试验方法是四点弯曲疲劳寿命试验，还有预制诱导裂纹[41]或其它试验方法[37]。

图6 胶粉改性沥青混合料示意图

3.5 功能特性

除沥青混合料基本性能外，由于胶粉高弹、高耐磨、耐老化等特性，DRMA 还具备防滑、破冰、降噪的功能和耐磨、耐老化的性能。首先，粗胶粉可提高路面摩阻系数、改变冰雪层的受力状态，起到抗滑破冰作用[13]。其次，粗胶粉可以减小冲击，从而降低路面噪音，其效果可通过噪声测试来评定。再次，胶粉中的炭黑可以提高DRMA 耐老化性能[42]，延长路面寿命。

除此之外，胶粉的加工性、熔融指数和储存时板结情况均有相应的性能评价方法[43]。

4 干法直投胶粉改性沥青混合料的应用现状及改性机理

4.1 干法直投胶粉改性沥青混合料的应用现状

国外常采用大骨料用量较高，油石比较高的间断级配，含有焖料过程的DRMA 工艺，DRMA多用于沥青道路的上中下面层以及应力吸收层，是路面修复工程中路面覆盖层的良好选择，尤其是中低交通量的道路[2,7,23,39,41]。

国内关于DRMA 的研究开始于20 世纪70年代末，但研究进展较为缓慢。20 世纪末，随着我国道路大规模建设，DRMA 的研究和应用取得了较大进展[44]。为了解决DRMA 路面易出现松散、剥落、裂缝以及坑槽等病害的问题，研究者们尝试了提高胶粉细度[45]，加入改性剂[46]，采用预活化胶粉[18]，胶粉/SBS 复合改性[47]，二次碾压工艺[48]等方式改性，获得了一定成就并铺筑了众多试验路。除此外，乳化沥青作改性剂的DRMA 在路面养护工程中也有一定的研究和应用[49]。从路用性能而言，改进后的DRMA 具有突出的高低温性能和耐久性能，其多项指标可达到改性沥青混合料的标准。从应用领域而言，DRMA 更适合于灵活应对一些中小规模的施工任务，如养护施工。

4.2 干法直投胶粉改性沥青混合料的改性机理

对于湿法工艺的改性机理，一般认为基质沥青轻质组分减少，其粘结性、感温性和耐久性得到提高，同时胶粉发生溶胀、降解等结构演变，在沥青中分布更均匀，分散更细[27,50]。

干法机理研究中可以采用高温-凝胶渗透色谱（HP-GPC）表征分子量变化[16]，扫描电子显微镜（SEM）进行微观尺度上的直接观测、X射线荧光光谱进行元素跟踪、红外光谱以及热裂解-气相色谱质谱联用仪（GCMS）进行成分分析，甲苯作溶剂的索氏抽提测定溶胶凝胶含量，或者拌和后取不同位置的混合料测试空隙率、肯塔堡损失率和动稳定度等进行比较分析[43]，从侧面去研究改性剂的分布以及具体改性机理。

但现有的DRMA 机理研究主要集中在胶粉的分布情况上而忽略了胶粉分散情况，即胶粉从毫米级到微米级上的成分、尺寸和结构变化，同时忽略了胶粉由填充向粘结改性作用转换的过程和胶粉/沥青间的相互作用以及胶粉-集料-沥青-矿粉等物质的界面作用。需要关注的是，在全施工过程中混合料均会受到空气里氧气的作用，焖料的影响尤为重要。另外，矿粉率先吸附沥青，影响沥青粘结作用和与胶粉相互作用，致使油石比升高的问题是否存在也需关注。

5 展望

DRMA 具有工艺简洁、环保性较好等优点，但同时也存在混合料性能不稳定，强度较低的缺点。研究者们发现胶粉种类、粒径和用量，改性剂，预活化，配合比，焖料等施工工艺都影响着胶粉改性作用的发挥，特别是活化和焖料工艺。虽然DRMA 在实验室和室外均有一定研究和应用探索，但其应用仍未大规模进行。现有的DRMA的评价方式涉及高低温、疲劳、耐水以及功能特性等，但微观研究尚缺乏适用和实用的评价方法，其改性机理仍处于发展中。

DRMA 中仍存在很多问题有待研究。首先，关于DRMA 的基础理论研究还很匮乏，特别是全施工过程，主要包括：拌和、运输、摊铺、碾压和冷却过程中胶粉的分布分散过程，各组分间相互作用和界面结合情况。在这方面，可以借鉴湿法胶粉改性沥青中关于多尺度分散及作用和固液转化过程的研究。其次，胶粉难使用、沥青用量大的问题仍然存在。再次，上中下面层以及道路养护工程将是DRMA 比较理想的应用领域，关于DRMA 在该领域内的工程应用情况和路面长期性能跟踪以及回收利用等方面的研究也是重点。除此外，目前采用的是基于性能优劣的优选方式来评价DRMA 的制备方式和应用场合，该机制合理性和评价机理尚需探讨。最后，为了进一步提高DRMA 的环保性，温拌和乳化沥青的改进方式值得继续深入研究。