將廢舊輪胎橡膠破碎磨制成膠粉應(yīng)用于道路建設(shè)中，不僅可緩解廢舊輪胎帶來環(huán)境污染，而且可提高瀝青混合料的性能、延長道路壽命。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(shè)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(xù)道路建設(shè)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(yù)混后應(yīng)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所示見濕法工藝研究和應(yīng)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。干法工藝則無需考慮改性瀝青黏度大的問題，具有工藝簡潔、環(huán)保性較好等優(yōu)點，從20世紀40年代開始受到應(yīng)用研究[3]。本文對干法工藝的概念、起源、研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進行了綜述，介紹了DRMA的評價方式和改性機理，并展望了 DRMA的未來。

干法工藝和濕法工藝對比

干法和濕法工藝的對比見表1。干法工藝更有利于簡化工藝、節(jié)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間短(約1min),難分散和難壓實，導(dǎo)致DRMA各組分間結(jié)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(yīng)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(wěn)定性，發(fā)揮膠粉的改性作用，研究者們采用了多種方式進行改進。

膠粉種類和用量

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]，隨著膠粉用量的增加，高低溫性能以及抗水損性能均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢[6]。膠粉粒徑較小時，混合料綜合性能更優(yōu)[7,8]，具體表現(xiàn)為更易壓實，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)勢來源于比表面積的增大提高了膠粉與瀝青接觸程度，促進兩相相互作用[10-12]。膠粉粒徑較大時，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

在拌和時加入改性劑也可以促進膠粉與瀝青間的反應(yīng)[14,15]進而提高DRMA路面的性能穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(jù)報道，TOR可以促進膠粉/瀝青間的反應(yīng)，改善兩者相容性；可以降低混合料黏度，進一步改善施工和易性[17]。但由于國外技術(shù)壟斷，該材料價格高、不易推廣應(yīng)用。為此，國內(nèi)相繼研發(fā)出了各類國產(chǎn)TOR(CTOR)[15]。對于TOR/CTOR改性DRMA，從高分子反應(yīng)共混角度講，物料間雖有一定的反應(yīng)，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、降解過程移至膠粉的預(yù)處理環(huán)節(jié)，實質(zhì)是斷硫或表面改性，即破壞膠粉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并改善表面活性。預(yù)活化的膠粉更易與瀝青融合，具有低溫可拌和、易分散、易壓實等特點[12,18]。在濕法工藝中，膠粉在瀝青中發(fā)生溶脹、降解等結(jié)構(gòu)演變[19]。結(jié)構(gòu)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，溶脹和降解過程加快和增強，膠粉溶解，炭黑和無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(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)尺寸的薄層結(jié)合膠，如圖4。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷過溶脹、降解等結(jié)構(gòu)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(yù)活化膠粉同樣可以更好地發(fā)揮膠粉的改性作用。Sousa等[22]開發(fā)了活化膠粉(RAR)。SChen等[23]設(shè)計了一 種適用于濕凍氣候地區(qū)的改進版RAR并鋪筑了試驗路。

Chavez等[24)將制備的預(yù)活化膠粉采用干法工藝制備了DRMA,為了顯示與傳統(tǒng)干法的不同，文中稱之為半濕法(SWP)工藝。研究表明，預(yù)活化可以促進膠粉與瀝青之間的相互作用，減少反應(yīng)時間，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[12]，疲勞壽命更長。總而言之，活化膠粉在改進DRMA的研究中有著較好的前景，但其改性機理和改性過程中活化膠粉與瀝青的結(jié)構(gòu)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(wěn)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(wěn)定[26]。

礦粉比表面積大，會消耗瀝青來裹覆礦粉，這樣就間接減少了裹覆集料以及與膠粉反應(yīng)的瀝青量，進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*較少時容易出現(xiàn)混合料發(fā)干，粘結(jié)不牢，難以壓實的現(xiàn)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(yīng)用。

燜料

為提高膠粉和瀝青的相互作用，建議DRMA在拌和后、壓實前進行燜料。一方面，燜料可以延長瀝青和膠粉的反應(yīng)時間，讓兩者進一步融合。另一方面，燜料提供給膠粉更長的時間去吸收瀝青中的輕質(zhì)組分使自身體積膨脹達到平衡。混合料的微觀形貌如圖5[4]，燜料后的膠粉顆粒可大范圍溶脹，與各相間結(jié)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，其抵抗車轍、開裂和水損害等的能力提升[4,5]。現(xiàn)有研究中的燜料溫度在160-180℃之間，燜料時間大多在0.5-2h[16]，,也有研究者將燜料時間延長至5h[5]，甚至更長[12]。然而，燜料工藝仍存在著受熱不均勻和供熱不連續(xù)等問題，尤其是工程中采用運輸車來燜料的情況下。

施工工藝和其它

提高拌和與擊實溫度可使膠粉表層的溶脹作用增強，使混合料更好地固結(jié)為一體；同時瀝青黏度降低，更易壓實[29]。延長拌和時間可以提高混合料均勻度和膠粉瀝青反應(yīng)程度。但溫度過高、時間過長容易造成瀝青老化[27]，所以應(yīng)選擇合適的拌和與擊實溫度以及拌和時間。

礦粉的加入會增大體系黏度，影響各相間的結(jié)合并改變其流變行為，所以礦粉和膠粉的加入順序?qū)RMA的微觀結(jié)構(gòu)有較大影響，但尚未有學(xué)者對用料順序進行系統(tǒng)對比。

考慮到不同路面結(jié)構(gòu)組合對瀝青混合料路用性能的影響，且在實際使用時路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部還會產(chǎn)生變化，道路結(jié)構(gòu)設(shè)計與道路實用性模擬分析被納入到DRMA的研究中，但大部分模擬都沒有得到實測數(shù)據(jù)的驗證，所取得的研究成果離實際應(yīng)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

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行合適的測試和評價。

體積指標

由于膠粉的彈性和受熱膨脹特性，DRMA難壓實[32]，容易出現(xiàn)空隙率太大的問題[32]，進而造成混合料耐水性能不佳[12,23,33]，抗車轍能力下降[23]，后期使用時易出現(xiàn)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(dāng)目標空隙率確定時，可以應(yīng)用數(shù)學(xué)公式計算*大膠粉可用量[34]。在實際空隙率的測定中，需要指出的是DRMA混合料的理論密度應(yīng)采用真空測量得出。另一個可以表征混合料體積性質(zhì)的指標是膨脹率[27]，通過測定馬歇爾試件擊實后的試件在冷熱兩種情況下兩個高度來計算。

高低溫性能

溫度較高時，瀝青混合料強度變?nèi)酰访嬖谕饬ψ饔孟氯菀装l(fā)生變形，繼而產(chǎn)生車轍、擁包等病害。一方面，膠粉具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)，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(wěn)定性提高[35]。常采用車轍試驗來評估高溫性能，一般的DRMA的動穩(wěn)定度(DS)在4000次/mm左右，通常加入抗車轍劑來進一步提高抗車轍性能。

溫度較低時，瀝青變形能力降低，加之老化變硬變脆，瀝青路面容易出現(xiàn)裂縫。而膠粉在低溫范圍內(nèi)具有較好的柔性和彈性，可提高混合料低溫柔性。評價低溫性能常用的方法是低溫彎曲小梁試驗和預(yù)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(yīng)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(wěn)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，瀝青混合料無法保持整體性，路面出現(xiàn)掉粒、坑槽等病害的現(xiàn)象，是DRMA性能研究中*大的挑戰(zhàn)。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，且其彈性會導(dǎo)致難以壓實、空隙率大，這些問題又會使混合料耐水性能變差[32]。評價水穩(wěn)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(tǒng)瀝青路面一旦出現(xiàn)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]，擁有更長的疲勞壽命[39,40]。這可能是得益于膠粉的彈性特質(zhì)，當(dāng)混合料受到載荷作用時，膠粉吸收載荷應(yīng)力發(fā)生變形，而當(dāng)載荷撤去，膠粉恢復(fù)至初始狀態(tài)，如圖6所示[23]。目前，評價低溫疲勞性能*常用的試驗方法是四點彎曲疲勞壽命試驗，還有預(yù)制誘導(dǎo)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(shù)、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，其效果可通過噪聲測試來評定。再次，膠粉中的炭黑可以提高DRMA耐老化性能[42]，延長路面壽命。

除此之外，膠粉的加工性、熔融指數(shù)和儲存時板結(jié)情況均有相應(yīng)的性能評價方法[43]。