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从再生沥青路面中提取的改性剂对橡胶
胶结料的高温和中温性能影响
Dharamveer Singh1* , Dheeraj Sawant1 , Feipeng Xiao2
(1印度孟买技术研究所土木工程系，孟买 400076 印度；
2, 同济大学交通工程学院道路工程系，中国)
摘要:本研究旨在研究从再生沥青路面（RAP）中提取的改性剂与橡胶胶结料（CRMB60）在不同配合比下（即0％，15％，25％和40％）混合后的新材料改性胶结料的高温和中温性能。本文测量了改性胶结料的旋转黏度、Superpave高性能等级（PG）和复数模量。使用动态剪切蠕变试验（MSCR）和线性幅度扫描（LAS）试验测试不同配合比下改性胶结料的抗车辙和抗疲劳能力。结果表明，添加RAP可提高CRMB60的温度敏感性。添加15％和25％RAP的CRMB60胶结料的Superpave高性能等级在一个分级范围内（即PG88-PG94）。然而，RAP的进一步增加（40％RAP）并未改变PG，这与文献报道的情况相反。MSCR试验表明，CRMB60的不可恢复蠕变量（Jnr）随着RAP掺配比例的增加（25％）而降低，表明CRMB60胶结料的抗车辙能力得到了改善。然而，当RAP的掺配比例的进一步增加时（即40％），Jnr增加，与对照的CRMB60相比表现出更差的抗车辙能力。LAS试验显示，与对照的CRMB60相比，混有15％和25％RAP的CRMB60胶结料的疲劳损伤抗性较低。总体而言， RAP掺配比例的增加提高了CRMB60胶结料的抗车辙能力，但是降低了抗疲劳性能。RAP在高掺配比例下的的试验结果与预期不同，这可能是由于加入较多的RAP后橡胶颗粒浓度降低或橡胶颗粒解聚。
关键词：再生沥青路面，橡胶粉末改性胶结料，MSCR，LAS，车辙，疲劳
High and Intermediate Temperature Performance Evaluation of Crumb Rubber Modified Binders with RAP
Dharamveer Singh 1*, Dheeraj Sawant1, Feipeng Xiao2
1,Dept. of Civil Engineering, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai 400076, India
2,Department of Road and Airport Engineering, College of Transportation Engineering, Tongji University, China
Abstract；The present study was undertaken to evaluate high and intermediate temperature perfor- mance of a crumb rubber modified binder (CRMB60) blended with different percentages (i.e., 0%, 15%, 25% and 40%) of binder extracted from reclaimed asphalt pavement (RAP). The Brookfield viscosity, Superpave high performance grade (PG), and complex modulus were measured for CRMB60 blended with RAP. The rutting and fatigue resistances of CRMB60 with and without RAP were evaluated using multiple stress creep and recovery (MSCR) and linear amplitude sweep (LAS) tests, respectively. The results showed that addi- tion of RAP improves temperature susceptibility of CRMB60. The Superpave high PG of CRMB60 binder bumped by one PG interval (i.e., PG88–PG94) with addition of 15% and 25%RAP. However, further increase in RAP (40%RAP) did not alter PG, which is contrary to what have been reported in literature. The MSCR test showed that non-recoverable creep compliance (Jnr) of CRMB60 decreased with an addition of RAP up to 25%, indicating the improved rutting resistance of CRMB60. However, Jnr of CRMB60 increased with addi- tion of higher percentage of RAP (i.e., 40%), showing poor rutting resistance compared to control CRMB60. The LAS test showed that fatigue damage resistance of CRMB60 with 15% and 25% RAP was less compared to control CRMB60. Overall the present work showed the addition of RAP increased rutting resistance, however, deteriorated fatigue perfor- mance of CRMB60. The higher percentage of RAP showed a different trend than expected, which might be due to reduced concentration of rubber particles or depolymerization of rubber particles after addition of high content of RAP
Keywords:Reclaimed asphalt pavement,Crumb rubber modified binder,MSCR,LAS,
Rutting,Fatigue
绪论
废旧轮胎会造成严重的环境污染和固体废物管理问题，因此有必要将这些材料用于各种路面应用。废旧轮胎产生的废橡胶通常用于建造沥青路面。通常在沥青路面应用中通常用两种方法使用胶粉：（i）干法：首先将橡胶粉与骨料混合，然后用沥青胶结料混合生产沥青，以及（ii）湿法：其中将橡胶粉首先与胶结料，如聚合物改性胶结料，混合，然后用于制备混合料。湿法工艺在许多国家非常流行。湿法生产的胶结料被称为碎橡胶改性胶结料（CRMB）。
添加橡胶颗粒的胶结料本质上是具有化学性质的（Zanzotto和Kennepohl，1996； Heitzman，1992）。废橡胶颗粒吸附轻质芳烃油馏分，导致橡胶颗粒膨胀，并形成凝胶结构（Heitzman，1992）。这种现象导致粒子间距离减小并因此增加胶结料的粘度。 橡胶颗粒与基础胶结料之间的反应速率取决于混合时间，温度，速度，生产方法（环境或低温研磨），颗粒尺寸，比表面积，化学组成（即天然橡胶的含量）和橡胶颗粒的形态（Heitzman，1992；Putman等人，2006；Abdelrahman和Carpenter，1999）。 膨胀将持续到橡胶开始降解/解聚，这可能导致胶结料粘度下降（Billiter等人，1997），并因此影响橡胶颗粒改性胶结料的整体性能。
与废弃轮胎类似，再生沥青路面材料（RAP）用于沥青路面施工也有着非常重要的意义。使用带有RAP的轮胎橡胶改性沥青胶结料有节省材料、降低成本和保护环境等多方面的好处。 RAP含有硬质和老化的粘结剂，因此将RAP添加进混合料后预计会提高车辙性能（Khosla等，201；Hossain等，2013；Huang和Turner，2014）。但另一方面， RAP的加入可能会降低混合物的抗疲劳和抗低温开裂能力（Kennedy等，1998；Lee等，1999； Huang等，2005；Bernier等，2012）。 因此，许多公司在生产沥青混合料时限制RAP的掺配比例。
然而，很少有文献研究RAP对CRMB胶结料的流变和化学特性的影响。 目前还不清楚橡胶颗粒与RAP的相互作用是如何改变胶结料的整体特性的。新开发的测试方法如动态剪切蠕变试验（MSCR）和线性幅度扫描（LAS）具有很好的应用前景，目前，少有文献采用以上两种方法研究RAP对橡胶颗粒胶结料抗车辙能力和抗疲劳能力的影响。 MSCR试验以恢复率（R）和不可恢复蠕变量（Jnr）来衡量胶结料的抗车辙性能。目前观察到MSCR试验与沥青混合料的抗车辙能力具有更好的相关性（D#39;Angelo等人，2007）。
LAS试验采用粘弹性连续损伤（VECD）理论来量化沥青胶结料由于重复载荷而造成的损坏。结果显示LAS试验与实地疲劳开裂数据有很好的相关性（Hintz等，2013）。 此外，对于橡胶颗粒改性胶结料，还没有充分研究添加RAP引起的化学性质和流变性能的变化。本研究评估了不同RAP掺量（即0%,15％，25％和40％）下的CRMB胶结料的抗车辙性能，抗疲劳性能和其它流变性能。预计这项研究的结果将有助于理解RAP胶结料的短期和长期性能。
目标
评估RAP对粘度，温度敏感性和高温Superpave PG的影响，以及在各种温度和频率下的复数模量。
使用MSCR和LAS试验分别评价不同RAP掺配比例下的CRMB胶结料的抗车辙和抗疲劳开裂性能。
通过FTIR了解RAP含量对CRMB胶结料老化过程的影响。
原材料分析
1.CRMB60：
CRMB60用11％橡胶颗粒（100％30号筛和80％80号筛的橡胶颗粒混合）制备。这种胶结料在印度通常用于建造柔性路面。表1中列出了CRMB60的初始性质（即渗透性，软化点，延展性，弹性恢复率和粘度）以及其他流变性能。RAP的高温PG测量值为88℃。在3.2kPa和64℃的条件下测得Jnr和R是0.46kPa-1和16.8％。CRMB60胶结料在135℃条件下的旋转粘度测量值为 1127 mPa·s。 CRMB60的延展性和弹性恢复率分别为15.1cm和30％。 CRMB6的软化点和渗透值分别为62℃和32个单位。胶结料符合相关的标准。
表1 CRMB60和RAP的各项性能
2.RAP：
透等级为50/60。 从RAP中提取改性剂的过程分两个阶段进行。第一步，根据ASTM-D2172，以三氯乙烯（TCE）作为溶剂，采用离心分离提取方法，将聚集体与RAP分离，然后根据ASTM-5404，使用旋转蒸发器将改性物质与溶剂分离。
对从RAP提取的改性物质进行FTIR分析，未发现TCE溶剂。提取的RAP改性材料的各项性能通过各种初步测试和流变试验，结果于表1中。RAP改性材料的软化点和渗透值分别为68℃和24个单位，表明提取的改性材料更硬。提取的RAP的延展性和弹性恢复率分别为21.2cm和15％。测得135℃下RAP改性材料的旋转粘度为1544mPa·s。测得RAP的高温PG为88℃。在3.2kPa和64℃的条件下下测得的Jnr和R分别为0.2kPa-1和24％。
尽管从RAP中提取的改性物质是未经过进一步加工的 ，但是MSCR试验和延展性试验显示初始的RPA有轻微的恢复能力。提取的RAP改性物质具有轻微弹性恢复能力可能是由于在老化的胶结料中形成了凝胶，如沥青质。此外，与RAP（0.2kPa-1）相比，CRMB60胶结料具有更高的Jnr（0.46kPa-1），表明RAP粘合剂具有更硬的性质。渗透测试也可以看到类似的结果。
3.制备混有RAP的CRMB60胶结料。
在本研究中，将四种不同的掺配比例：0％，15％，25％和40％的RAP与的CRMB60胶结料混合。 15％的RAP掺配比例即为85％的CRMB60 15％RAP。 同样，分别有25％和40％的RAP即为75％的CRMB60 25％的RAP，60％的CRMB60 40％的RAP。可以看出，CRMB60胶结料逐渐被RAP替代，这会使混合物中的橡胶颗粒的百分比降低。采用机械混合法，在150℃条件下以500r/m的速度将RAP胶结料混合30分钟。将混合器的刀片上下移动以确保均匀混合。 将CRMB60胶结料单独也加热并搅拌相同的时间，用以与RAP与CRMB混合胶结料进行比较。
实验室试验
在掺有0％，15％，25％和40％RAP的CRMB60胶结料上进行旋转黏度试验，粘弹性试验，高温PG，
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