將廢舊輪胎橡膠破碎磨制成膠粉應用于道路建設中，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(cháng)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)的可持續道路建設方案。

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混后應用于混合料制備，另一種為干法直投膠粉改性瀝青混合料(DRMA)工藝，也稱(chēng)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所示見(jiàn)濕法工藝研究和應用較多，技術(shù)相對成熟，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40年代開(kāi)始受到應用研究[3]。本文對干法工藝的概念、起源、研究和應用現狀進(jìn)行了綜述，介紹了DRMA的評價(jià)方式和改性機理，并展望了 DRMA的未來(lái)。

干法工藝和濕法工藝對比

干法和濕法工藝的對比見(jiàn)表1。干法工藝更有利于簡(jiǎn)化工藝、節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1min),難分散和難壓實(shí)，導致DRMA各組分間結合力弱，性能變異性大。其次，干法工藝改性機理至今不明確，使得干法工藝難以標準化，其推廣應用受到了限制。

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)。

膠粉種類(lèi)和用量

DRMA的研究主要集中在膠粉用量和粒徑上。膠粉*佳用量約集料的1%~2%[4,5]，隨著(zhù)膠粉用量的增加，高低溫性能以及抗水損性能均呈現先上升后下降的趨勢[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]。筆者認為粒徑較小的優(yōu)勢來(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]。

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[14,15]進(jìn)而提高DRMA路面的性能穩定性，研究*多的改性劑是反式聚環(huán)辛烯橡膠(TOR)[16],其化學(xué)結構如圖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。據報道，TOR可以促進(jìn)膠粉/瀝青間的反應，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]。但由于國外技術(shù)壟斷，該材料價(jià)格高、不易推廣應用。為此，國內相繼研發(fā)出了各類(lèi)國產(chǎn)TOR(CTOR)[15]。對于TOR/CTOR改性DRMA，從高分子反應共混角度講，物料間雖有一定的反應，但筆者認為更多是因為采用了較細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。

膠粉的活化

膠粉的活化提出于20世紀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)程移至膠粉的預處理環(huán)節，實(shí)質(zhì)是斷硫或表面改性，即破壞膠粉網(wǎng)絡(luò )結構并改善表面活性。預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、降解等結構演變[19]。結構演變受溫度影響很大，低溫(180°C)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°C)下，溶脹和降解過(guò)程加快和增強，膠粉溶解，炭黑和無(wú)機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構或納米結構尺寸的薄層結合膠，如圖4。研究發(fā)現，經(jīng)歷過(guò)溶脹、降解等結構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，能更好地發(fā)揮其改性作用[20,21]。

在干法工藝中，采用預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)。SChen等[23]設計了一 種適用于濕凍氣候地區的改進(jìn)版RAR并鋪筑了試驗路。

Chavez等[24)將制備的預活化膠粉采用干法工藝制備了DRMA,為了顯示與傳統干法的不同，文中稱(chēng)之為半濕法(SWP)工藝。研究表明，預活化可以促進(jìn)膠粉與瀝青之間的相互作用，減少反應時(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(cháng)?？偠灾?，活化膠粉在改進(jìn)DRMA的研究中有著(zhù)較好的前景，但其改性機理和改性過(guò)程中活化膠粉與瀝青的結構演變的研究尚不明晰。

級配、礦粉用量和油石比

DRMA更適于粗集料比例較高的間斷級配[14,25.26]。首先，間斷級配存在足夠的空間來(lái)容納膠粉和其體積膨脹[25]，更容易輾壓成型[27]，高低溫性能更優(yōu)[23]，但水穩定性稍差[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級配中可適量減少礦粉的用量[17]。

同一級配下，DRMA的油石比比一般瀝青混合料要高1%~2%[28]，總用量達7%~9.5%[24]。膠粉吸油量大，瀝青用*較少時(shí)容易出現混合料發(fā)干，粘結不牢，難以壓實(shí)的現象。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在工程中的廣泛應用。

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(cháng)瀝青和膠粉的反應時(shí)間，讓兩者進(jìn)一步融合。另一方面，燜料提供給膠粉更長(cháng)的時(shí)間去吸收瀝青中的輕質(zhì)組分使自身體積膨脹達到平衡?；旌狭系奈⒂^(guān)形貌如圖5[4]，燜料后的膠粉顆?？纱蠓秶苊?，與各相間結合效果更好。

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(chē)轍、開(kāi)裂和水損害等的能力提升[4,5]?，F有研究中的燜料溫度在160-180℃之間，燜料時(shí)間大多在0.5-2h[16]，,也有研究者將燜料時(shí)間延長(cháng)至5h[5]，甚至更長(cháng)[12]。然而，燜料工藝仍存在著(zhù)受熱不均勻和供熱不連續等問(wèn)題，尤其是工程中采用運輸車(chē)來(lái)燜料的情況下。

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，使混合料更好地固結為一體；同時(shí)瀝青黏度降低，更易壓實(shí)[29]。延長(cháng)拌和時(shí)間可以提高混合料均勻度和膠粉瀝青反應程度。但溫度過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(cháng)容易造成瀝青老化[27]，所以應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，影響各相間的結合并改變其流變行為，所以礦粉和膠粉的加入順序對DRMA的微觀(guān)結構有較大影響，但尚未有學(xué)者對用料順序進(jìn)行系統對比。

考慮到不同路面結構組合對瀝青混合料路用性能的影響，且在實(shí)際使用時(shí)路面結構內部還會(huì )產(chǎn)生變化，道路結構設計與道路實(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)測數據的驗證，所取得的研究成果離實(shí)際應用要求仍有一定差距[30,31]。

干法直投膠粉改性瀝青混合料的性能評價(jià)

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

體積指標

由于膠粉的彈性和受熱膨脹特性，DRMA難壓實(shí)[32]，容易出現空隙率太大的問(wèn)題[32]，進(jìn)而造成混合料耐水性能不佳[12,23,33]，抗車(chē)轍能力下降[23]，后期使用時(shí)易出現松散、脫粒、坑槽等病害。建議空隙率控制在1.5%~3.5%[23,32]。相同級配下，膠粉用量對空隙率影響較大，當目標空隙率確定時(shí)，可以應用數學(xué)公式計算*大膠粉可用量[34]。在實(shí)際空隙率的測定中，需要指出的是DRMA混合料的理論密度應采用真空測量得出。另一個(gè)可以表征混合料體積性質(zhì)的指標是膨脹率[27]，通過(guò)測定馬歇爾試件擊實(shí)后的試件在冷熱兩種情況下兩個(gè)高度來(lái)計算。

高低溫性能

溫度較高時(shí)，瀝青混合料強度變弱，路面在外力作用下容易發(fā)生變形，繼而產(chǎn)生車(chē)轍、擁包等病害。一方面，膠粉具有交聯(lián)結構，有助于DRMA保持原有形狀。另一方面瀝青硬度增強，因此混合料高溫穩定性提高[35]。常采用車(chē)轍試驗來(lái)評估高溫性能，一般的DRMA的動(dòng)穩定度(DS)在4000次/mm左右，通常加入抗車(chē)轍劑來(lái)進(jìn)一步提高抗車(chē)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，瀝青路面容易出現裂縫。而膠粉在低溫范圍內具有較好的柔性和彈性，可提高混合料低溫柔性。評價(jià)低溫性能常用的方法是低溫彎曲小梁試驗和預制凹口的半圓形彎曲斷裂試驗(SCB)。小梁試驗中，DRMA混合料在-10℃的*大破壞應變在4000με左右。SCB中，混合料的抗裂強度可達到11.5N/mm^3/2。

水穩定性能

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，路面出現掉粒、坑槽等病害的現象，是DRMA性能研究中*大的挑戰。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]。評價(jià)水穩定性常采用的是浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。

抗疲勞性能

傳統瀝青路面一旦出現裂縫，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、擴展和愈合能力[36-38]，擁有更長(cháng)的疲勞壽命[39,40]。這可能是得益于膠粉的彈性特質(zhì)，當混合料受到載荷作用時(shí)，膠粉吸收載荷應力發(fā)生變形，而當載荷撤去，膠粉恢復至初始狀態(tài)，如圖6所示[23]。目前，評價(jià)低溫疲勞性能*常用的試驗方法是四點(diǎn)彎曲疲勞壽命試驗，還有預制誘導裂紋[41]或其它試驗方法[37]。

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、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)噪聲測試來(lái)評定。再次，膠粉中的炭黑可以提高DRMA耐老化性能[42]，延長(cháng)路面壽命。

除此之外，膠粉的加工性、熔融指數和儲存時(shí)板結情況均有相應的性能評價(jià)方法[43]。