王永寧， 李曉民， 楊濤， 魏定邦， 李波

（1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)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(shè)集團(tuán)有限公司 甘肅 蘭州 730030）

回收膠粉因其內(nèi)部復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)使之與瀝青不易相容［1?2］，進(jìn)而導(dǎo)致其儲(chǔ)存穩(wěn)定性差、不易施工、加工困難等，限制了其推廣應(yīng)用.目前，學(xué)者們主要采用化學(xué)活化、微波活化和機(jī)械活化等手段對(duì)膠粉進(jìn)行預(yù)處理，以提高其與瀝青的相容性等［3?6］.但普遍認(rèn)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(nèi)部的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保留膠粉的部分彈性且降低交聯(lián)密度，使其易與瀝青融合，彌補(bǔ)了橡膠瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性差、施工和易性差、摻量低等問題［6?7］.此外，學(xué)者們采用四點(diǎn)疲勞彎曲試驗(yàn)、裂縫擴(kuò)展性能試驗(yàn)、半圓彎曲試驗(yàn)和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)等手段對(duì)橡膠瀝青混合料的力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為橡膠瀝青混合料具有良好的抗裂性能［8?10］.然而，目前對(duì)于活化橡膠瀝青混合料的開裂研究較少，尤其對(duì)于活化膠粉復(fù)合改性后的瀝青混合料開裂特性更是鮮有報(bào)導(dǎo).

本文用測(cè)力延度、半圓彎曲（SCB）和裂縫擴(kuò)展性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)了SBS改性瀝青（SBS?MA）、未活化膠粉復(fù)合SBS改性瀝青（CR/SBS?MA）和雙螺桿活化膠粉復(fù)合SBS改性瀝青（ACR/SBS?MA）的低溫性能指標(biāo)，為雙螺桿活化膠粉復(fù)合SBS改性瀝青的推廣應(yīng)用提供理論與技術(shù)支撐.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

采用甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司提供的鎮(zhèn)海90#基質(zhì)瀝青、420 μm（40目）膠粉和1301線性SBS改性劑、糠醛抽出油和穩(wěn)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(xiàn)［11］，改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)見表1.根據(jù)JT/T 797—2019《路用廢胎橡膠粉》中附錄A的溶解度試驗(yàn)方法，測(cè)試活化膠粉的活化度為49.2%.

表1 改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of modified asphalts

1.2 混合料配合比設(shè)計(jì)

采用SMA?10成型瀝青混合料，其級(jí)配見表2.對(duì)級(jí)配最佳混合料的瀝青含量進(jìn)行了測(cè)定，確定其瀝青含量為6.3%.

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

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 測(cè)力延度試驗(yàn)

采用澳大利亞IPC global公司生產(chǎn)的81?PV10B0研究型延度儀，按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)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(yàn)

采用AMPT設(shè)備引進(jìn)LLD控制模式進(jìn)行加載，利用LVDT位移傳感器對(duì)試件底部的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到加載過程中試件底部位移的變化規(guī)律.根據(jù)文獻(xiàn)［12］，采用0.02 mm/s的LLD加載速率可以保證裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，試件厚度為25 mm，切口長度為15 mm.

1.3.3 裂縫擴(kuò)展性能試驗(yàn)

采用AMPT中的Overlay Tester模塊評(píng)價(jià)活化膠粉復(fù)合改性瀝青的抗裂性能，根據(jù)文獻(xiàn)［13］，試驗(yàn)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(yàn)溫度為25 ℃，終止條件為載荷損失率達(dá)到93%或周期達(dá)到1 200 次.

2 結(jié)果與討論

2.1 水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性

根據(jù)JTG E20—2011對(duì)改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)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(wěn)定度比MS0、抗拉強(qiáng)度比TSR和動(dòng)穩(wěn)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(wěn)定度比分別提高了16.6%、16.4%，抗拉強(qiáng)度比分別提高了4.19%、10.6%，動(dòng)穩(wěn)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(wěn)定性能較為突出.

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

2.2 測(cè)力延度試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 測(cè)力延度及計(jì)算指標(biāo)分析

測(cè)力延度試驗(yàn)結(jié)果見圖1.由圖1可見：改性瀝青的測(cè)力延度曲線均可分為3個(gè)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(cè)力延度試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Results of force?measuring ductility test

為進(jìn)一步量化分析，分別計(jì)算各項(xiàng)測(cè)力延度指標(biāo)，結(jié)果見表4（表中Wf為斷裂功；Fmax為峰值力；Lmax為最大屈服應(yīng)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(yīng)變能較CR/SBS?MA和SBS?MA低，說明膠粉活化后其黏彈性降低；對(duì)比拉伸柔量和黏彈性面積可以發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)致其改性瀝青最大屈服應(yīng)變和屈服應(yīng)變能較小.

2.2.2 測(cè)力延度計(jì)算指標(biāo)熵權(quán)法綜合評(píng)價(jià)

前文采用多指標(biāo)方式綜合評(píng)判了改性瀝青的低溫性能，但對(duì)于多指標(biāo)的離散程度尚不清晰，為此，本節(jié)采用熵權(quán)法的熵值來判斷指標(biāo)的離散程度.熵值越小，指標(biāo)的離散程度越大，該指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的權(quán)重就越大.具體步驟如下：

（1）確定基本指標(biāo)體系

根據(jù)前文分析，本文選擇斷裂功、韌性比、最大屈服應(yīng)變、屈服應(yīng)變能、黏彈性面積、韌性面積、拉伸柔量和峰值力這8個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià).

（2）歸一化處理

按式（1）、（2）對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理：若指標(biāo)為正，選用式（1）；若指標(biāo)為負(fù)，選用式（2）.

（3）計(jì)算指標(biāo)的熵和權(quán)重

第i個(gè)樣本的第j個(gè)指標(biāo)的比重yij為：

第j個(gè)指標(biāo)的信息熵ej為：

式中：ej≥0；若yij=0，定義ej=0.

第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重wj為：

式中：m為指標(biāo)數(shù)量.

（4）指標(biāo)加權(quán)后計(jì)算得其綜合評(píng)分S

S的計(jì)算式為：

測(cè)力延度熵權(quán)法評(píng)價(jià)結(jié)果見表5.由表5可見，指標(biāo)權(quán)重綜合評(píng)分最大的為Lmax，最小的為Fmax.由此可見，最大屈服應(yīng)變Lmax能較好地表征3種改性瀝青的低溫性能.

表5 測(cè)力延度熵權(quán)法評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Evaluation results of force extension entropy weight method

2.3 半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證Lmax的測(cè)試結(jié)果，采用半圓彎曲試驗(yàn)對(duì)ACR/SBS?MA、SBS?MA和CR/SBS?MA混合料的低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)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(dāng)；CR/SBS?MA混合料的力-位移面積最大.Saed等［14］認(rèn)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(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of SCB test

為進(jìn)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(yàn)計(jì)算其斷裂功Wf、韌性區(qū)面積Alig、斷裂能Gf、柔性指數(shù)FI和斜率k，結(jié)果見表6.由表6可見，CR/SBS?MA混合料的斷裂能和柔性指數(shù)最大，SBS?MA和ACR/SBS?MA混合料的斷裂能和柔性指數(shù)相當(dāng).馮德成等［12］認(rèn)為斷裂能越大，低溫性能越好，尤其是低溫抗裂性能越好.對(duì)比CR/SBS?MA與ACR/SBS?MA混合料，可以發(fā)現(xiàn)膠粉經(jīng)雙螺桿活化后對(duì)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(yàn)的計(jì)算指標(biāo)Table 6 Calculated indexes of SCB test

2.4 裂縫擴(kuò)展性能試驗(yàn)結(jié)果分析

Gu等［15］認(rèn)為裂縫擴(kuò)展性能試驗(yàn)可以有效區(qū)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(jìn)一步論證ACR/SBS?MA混合料的低溫性能，采用裂縫擴(kuò)展性能試驗(yàn)分析了3種瀝青的抗裂性能，結(jié)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(dāng)，說明CR/SBS?MA混合料抗裂性能更好.

圖3 裂縫擴(kuò)展性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of overlay test

由裂縫擴(kuò)展性能試驗(yàn)計(jì)算了改性瀝青混合料的臨界斷裂能Gc、Wf和Alig，結(jié)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(jìn)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(kuò)展性能試驗(yàn)的計(jì)算指標(biāo)Table 7 Calculated indexes of overlay test

2.5 機(jī)理分析

2.5.1 熒光顯微鏡結(jié)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(jié)構(gòu)，結(jié)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(tuán)簇狀態(tài)，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(nèi)部的交聯(lián)鍵被破壞，橡膠分子鏈不斷發(fā)生斷裂，變成細(xì)小的鏈段，進(jìn)而均勻分散于基質(zhì)瀝青體系中，形成穩(wěn)定的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的高溫性能.

圖4 熒光顯微鏡結(jié)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(rèn)為隨著瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量的增加，瀝青材料的水穩(wěn)定性呈衰減的趨勢(shì)；王勤芳等［18］認(rèn)為瀝青質(zhì)含量越高，瀝青材料的低溫性能越好.為了進(jìn)一步分析ACR/SBS?MA的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)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(yàn)，分析了CR/SBS?MA、SBS?MA和ACR/SBS?MA中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、飽和分及芳香分的占比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），結(jié)果見圖5.圖5可見：CR/SBS?MA的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)占比最大，SBS?MA的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)占比次之，ACR/SBS?MA的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)占比最小，ACR/SBS?MA的水穩(wěn)定性最好，與前文研究結(jié)果一致；CR/SBS?MA的飽和分和芳香分輕質(zhì)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(jìn)行了充分的物理溶脹，分散在瀝青的連續(xù)相中，從而提高了其低溫性能.

圖5 四組分試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of four components test

2.6 相關(guān)性分析

對(duì)2.2中提出的指標(biāo)——最大屈服應(yīng)變Lmax與斷裂功Wf、臨界斷裂能Gc進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見圖6.由圖6可見，Lmax與Wf、Gc均有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，這說明測(cè)力延度的最大屈服應(yīng)變指標(biāo)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(yīng)變與斷裂能、臨界斷裂能的相關(guān)性分析Fig.6 Correlation analysis of Lmax and Wf，Gc

3 結(jié)論

（1）雙螺桿活化過程中打開了膠粉的部分交聯(lián)鍵，使其與SBS在基質(zhì)瀝青中形成穩(wěn)定的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使雙螺桿活化膠粉復(fù)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(wěn)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(jìn)行充分的物理溶脹，進(jìn)而分散在瀝青的連續(xù)相中，使未活化膠粉復(fù)合SBS改性瀝青混合料具有較為突出的低溫性能.

（3）測(cè)力延度指標(biāo)中最大屈服應(yīng)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(yàn)計(jì)算的斷裂功和裂縫擴(kuò)展性能試驗(yàn)計(jì)算的臨界斷裂能的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上.

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