0 引言

我国高速公路沥青路面的设计寿命为15 a，而大部分沥青路面的服役寿命偏短，在9~12 a左右就进入大中修期。路面服役寿命较短产生了大量的养护、改扩建以及新建路面任务，造成资源浪费及环境污染，因此，发展和建设永久性沥青路面有较强的必要性^[1-2]。永久性沥青路面又称为长寿命路面，通过对路面结构及材料设计的优化，使路面服役寿命可达到30~50 a^[3]。橡胶沥青是一种性能优越的改性沥青材料，能够同时实现废旧轮胎的资源化利用。高掺量橡胶沥青可通过进一步提高胶粉掺量以提升路用性能，缓解废旧轮胎堆积造成的环境污染问题。因此，发展永久性路面和高掺量橡胶沥青可有效减少资源消耗和浪费，助力“碳达峰、碳中和”目标的实现^[4]。

永久性沥青路面的关键问题在于路面结构设计理论、材料控制机理、性能监测方法和施工质量控制。“耐久性面层、长寿命基层、永久性路基”组合的永久性路面结构设计体系逐渐替代传统的等寿命设计理论，解决了路面各层性能需求差异的问题^[5]。同济大学孙立军团队^[6-8]依据工程中的具体问题，提出了针对永久性路面各关键环节的精细化设计理论。交通运输部公路科学研究院王旭东等^[9-10]基于RIOHTRACK足尺环道的加速加载试验，对多种永久性路面结构长期性能进行了观测，通过理论分析、数值模拟等方法提出了一系列永久性路面设计理论方法。永久性沥青路面材料设计也是提高路面耐久性的主要技术对策，通过改进混合料配合比设计方法^[11-12]、掺入高性能添加剂^[13-14]、以及开发功能性路面材料^[15]，进一步提升沥青材料的路用性能。橡胶沥青具有优良的路用性能，且符合环保理念，因此被广泛应用于永久性路面之中。

近年来，橡胶沥青受到国内外学者的广泛关注，研究主要集中在生产工艺、微观改性机理、路用性能以及特殊功能性^[16]方面。橡胶沥青的生产工艺主要有湿法和干法两种，孙大权等^[17]研究了不同生产工艺下的胶粉掺量、胶粉颗粒大小、反应温度、反应时间等因素对橡胶沥青性能的影响。Jamal等^[18]通过流变试验研究了橡胶沥青的发育温度、发育时间对性能的影响。胶粉与沥青的相互作用较为复杂，改性机理包括物理和化学的共同作用^[19]。Wang^[20]研究了橡胶沥青反应时间与反应机理的关系，指出随着时间的增加，化学反应更加明显。Cong等^[21]利用宏/微观试验对不同胶粉种类与掺量的橡胶沥青性能进行了研究，结果显示，橡胶沥青的存储稳定性与胶粉颗粒的溶胀和裂解程度密切相关，同时也对流变性能产生影响。胶粉的掺入可以全面提升沥青的低温抗裂性、中温抗疲劳性能以及高温抗车辙性能，不同掺量的橡胶沥青及混合料的路用性能均得到了广泛的验证^[22-25]。同时，由于胶粉颗粒的阻尼及高弹性，橡胶沥青混合料还存在高抗滑和降噪等优良的功能性，此外，胶粉的掺入对沥青混合料的自愈性能也产生影响^[26-28]。

通常，橡胶沥青的胶粉掺量在15%~20%之间，而当胶粉掺量增大时(30%~40%以上)，橡胶沥青的黏度增大，路用性能也更优异，一般用于高等级公路的面层^[16]。大掺量橡胶沥青不仅用于提升路用性能，还由于部分地区废旧轮胎堆积，可缓解环境压力。然而大掺量橡胶沥青及橡胶沥青混合料的性能还需要进一步验证，且针对永久性路面设计理念，不同掺量的橡胶沥青混合料是否满足具体路面各层的性能需求还需要进一步研究。因此，本研究选取30%~50%掺量的橡胶沥青，并制备不同级配的沥青混合料，研究胶粉掺量对沥青及混合料高、中、低温性能的影响，结合永久性路面设计理论，路面表面层为功能层，中面层为抗车辙结构层，下面层为抗疲劳层，进行不同面层的材料设计。

1 原材料及试验方法 1.1 基质沥青

本研究所使用的基质沥青为鑫海70^#道路石油沥青。参考规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)对所选基质沥青的相关指标进行了检测，如表 1所示，所有指标均满足规范要求。

1.2 橡胶沥青

本研究所选用的胶粉为河北唐山志军再生胶厂生产的40目胶粉，其相关物理、化学指标如表 2所示。当胶粉含量过高时，沥青中的轻质组分不足以使胶粉发生充分溶胀，影响橡胶沥青的性能。因此，本研究首先采取一定的措施对胶粉进行预活化处理，并通过使用裂解剂提升胶粉与沥青的相容性，最终通过充分的剪切制备30%，35%，40%，45%，50%掺量的橡胶沥青，具体制备流程如下：

(1) 将一定量的胶粉与其25%质量比的生物油进行充分拌和，并在100 ℃下加热12 h，完成胶粉的预活化；

(2) 将活化后的胶粉按目标占比加入到流动状态的基质沥青中，同时加入胶粉质量2%的二硫化二苯并噻唑(MBTS)作为裂解剂；

(3) 将混合后的橡胶沥青在190 ℃, 3 000 rpm剪切速率的条件下发育1 h，即制得高掺量橡胶沥青。

1.3 沥青混合料

本研究设计了3种级配的橡胶沥青混合料(ARHM)，如图 1所示，ARHM-13一般用于上面层，ARHM-20一般用于中面层，ARHM-25一般用于下面层。

1.4 高掺量橡胶沥青性能试验 1.4.1 多应力蠕变恢复(MSCR)试验

本研究利用Anton Paar MCR 702动态剪切流变仪(DSR)进行橡胶沥青MSCR试验，试验温度为各沥青对应的高温PG温度。参考规范Standard Method of Test for Multiple Stress Creep Recovery(MSCR) Test of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer(DSR) (AASHTO T 350—14)进行MSCR试验，先以0.1 kPa的应力循环加载20个周期，每个周期包括1 s的蠕变阶段和9 s的卸载恢复阶段，其中前10个周期为预试验，再以3.2 kPa的应力循环加载10个周期，获得试验过程中沥青的应力、应变响应，通过式(1)计算不可恢复蠕变柔量(J_nr) 指标评价高掺量橡胶沥青的高温抗车辙性能，通过式(2)计算不可恢复蠕变柔量相对差异(J_nr-diff)指标评价橡胶沥青的应力敏感性。

(1)

式中，ε_c为蠕变结束应变；ε_r为恢复结束应变；σ为蠕变加载应力。

(2)

式中，J_nr0.1为0.1 kPa应力下的J_nr值；J_nr3.2为3.2 kPa应力下的J_nr值。

1.4.2 线性振幅扫描(LAS)试验

LAS试验同样是在DSR上进行的，试验温度选取典型中温25 ℃，参考规范Standard Method of Test for Estimating Fatigue Resistance of Asphalt Binders Using the Linear Amplitude Sweep(AASHTO TP 101—12)进行LAS试验，评价橡胶沥青的抗疲劳性能。测试程序分为两部分，首先进行应变水平为0.1%的频率扫描试验以获得沥青线黏弹性参数，频率范围为0.1~100 Hz；进一步执行应变从0.1%线性增加至30%的振幅扫描程序，加载频率为10 Hz，获得试验过程中的应力、应变响应，以|G^* |·sin δ下降至初始水平的35%为疲劳失效点，进而基于黏弹性连续介质损伤(VECD)模型计算沥青的疲劳寿命方程，如式(3)所示，计算任意应变水平下高掺量橡胶沥青的疲劳寿命(N_fa)：

(3)

式中，A，B为通过VECD模型计算得到的疲劳寿命方程拟合参数；γ为应变。

1.4.3 弯曲梁流变仪(BBR)试验

本研究通过BBR试验评价橡胶沥青的低温抗裂性，参考规范Standard Method of Test for Determining the Flexural Creep Stiffness of Asphalt Binder Using the Bending Beam Rheometer(BBR) (AASHTO T 313)，分别在试验温度为-12，-15 ℃和-18 ℃下对橡胶沥青样品进行240 s的恒定加载试验，得到第8，15，30，60，120 s及240 s的劲度模量S和蠕变速率m指标，本研究选取第60 s的S和m值作为高掺量橡胶沥青的低温性能评价指标。

1.5 高掺量橡胶沥青混合料性能试验 1.5.1 车辙试验

本研究对不同掺量和级配的橡胶沥青混合料进行车辙试验，参考规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中T 0709的车辙试验方法，试验温度为60 ℃，荷载为0.7 MPa，通过动稳定度指标评价混合料的高温性能。

1.5.2 四点弯曲疲劳试验

本研究制备尺寸为380.0 mm×63.5 mm×50.0 mm的小梁，参考规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中T 0739的四点弯曲疲劳试验方法，试验温度为典型中温25 ℃，加载频率为10 Hz，应变水平为0.3%，0.5%，0.7%。以第50次加载的模量为混合料的初始模量，疲劳失效点定义为模量下降至初始值的50%，此时对应的加载次数为混合料的疲劳寿命(N_fm)。

1.5.3 低温半圆弯曲(SCB)试验

本研究参考规范Provisional Standard Method of Test for Determining the Fracture Potential of Asphalt Mixtures Using Semicircular Bend Geometry(SCB) at Intermediate Temperature (AASHTO TP 124)，切割旋转压实成型试件，制备直径150 mm、厚度25 mm的半圆试件，并预制1 mm的切缝，进行低温SCB试验，试验温度为-12 ℃。试验前对试件施加初始荷载0.1 kN，加载速率为0.05 kN/s，当达到初始荷载后，以50 mm/min的加载速率进行测试，最终当荷载低于0.1 kN以下时试验停止，记录试验过程中的荷载及位移数据。SCB试验过程中典型的荷载与位移曲线如图 2所示，试验初期，荷载随着位移的增加而不断增大，当荷载达到峰值后开始降低。参考规范中的数据分析方法，将曲线以峰值荷载点划分为两部分，根据式(4)对曲线前半部分进行多项式拟合，根据式(5) 对曲线后半部分进行多项高斯曲线拟合，断裂功(W_f) 可根据式(6)进行积分求得，最终根据式(7) 计算断裂能(G_f)指标，其中A为试件韧性区面积，根据测量试件的几何尺寸计算得到。

(4)

式中，P₁ (u)为第一阶段曲线多项式拟合方程；c₁，c₂，c₃，c₄为方程拟合参数；u为SCB试验过程中的位移。

(5)

式中，P₂ (u)为第二阶段高斯曲线拟合方程；d_i，e_i，f_i为方程拟合参数; n为高斯曲线方程阶数，此处为3。

(6)

式中，u₀，u₁分别为峰值荷载对应的位移和试验结束对应的位移。

(7)

式中，A为试件韧性区面积，通过(r-a)×d计算得到；r为试件半径；a为预制裂缝长度；d为试件厚度。

2 高掺量橡胶沥青性能分析 2.1 高温性能分析

通过对30%~50%掺量的橡胶沥青进行MSCR试验，计算J_nr0.1，J_nr3.2和J_nr-diff指标，将结果汇总于图 3。从图中可以看出，随着胶粉掺量的增加，J_nr0.1，J_nr3.2的值均降低，说明橡胶沥青的高温抗车辙性能随着胶粉掺量的增加而提升。此外，J_nr-diff值的逐渐增加说明胶粉掺量的增加提升了高掺量橡胶沥青的应力敏感性，这是由橡胶沥青中的弹性成分增多导致的。橡胶材料与沥青类似，同样是一种典型的黏弹性材料，具有显著的温度依赖性。然而，橡胶材料的温度敏感性弱于沥青材料，当温度升高时，沥青的黏性增加较快，难以抵抗荷载的作用，易产生永久变形，而橡胶颗粒在一定程度的高温下仍具有较高的弹性，因此胶粉的掺入增加了橡胶沥青中的弹性成分，进一步提升了高温抗车辙性能。然而由于胶粉与沥青的物理、化学作用机理，当胶粉掺量过高时，胶粉无法与沥青相容，导致橡胶沥青的黏度过大，不易拌和，且容易发生离析，因此高掺量橡胶沥青的掺量一般不超过50%。

2.2 疲劳性能分析

本研究以LAS试验中橡胶沥青模量下降至初始值的35%为疲劳失效判定指标，结合试验过程中材料的应力、应变响应，基于VECD模型得到橡胶沥青的疲劳寿命方程，计算2.5%和5%应变水平下材料的疲劳寿命，结果如表 3所示。通过分析表中数据结果可以发现，2.5%和5%应变水平下高掺量橡胶沥青的疲劳寿命均随着胶粉掺量的增加而增加，50%掺量的橡胶沥青疲劳性能显著优于较低掺量的橡胶沥青。胶粉的掺入增加了沥青的黏度，本研究通过橡胶沥青制备过程中的预活化处理和加入裂解剂进一步促进了胶粉在沥青中的溶胀效应，进而提升了橡胶沥青的抗疲劳性能。

2.3 低温抗裂性能分析

本研究利用BBR试验评价高掺量橡胶沥青的低温抗裂性能，3种低温(-12，-15，-18 ℃)下橡胶沥青BBR试验中第60 s的S和m值如图 4所示。从图中可以看出，在同一温度下，随着胶粉掺量的增加，橡胶沥青的S值逐渐减小而m值逐渐增大，说明胶粉掺量的增加改善了橡胶沥青的低温抗裂性能，其原理是由于胶粉颗粒的掺入提升了沥青在低温情况下的柔性，进而改善沥青的低温性能。对比不同温度下橡胶沥青的S和m值发现，温度降低使橡胶沥青进一步硬化，劲度模量上升，m值下降，橡胶沥青低温抗裂性能降低。一般要求S值大于300 MPa，m值大于0.3，从图中可以看出，-12 ℃下的橡胶沥青符合性能需求，而-15 ℃和-18 ℃下不满足低温抗裂性能需求。通常，冬季低温在-5 ℃至5 ℃范围内，本研究所制备的橡胶沥青符合该温度下的性能需求，针对特殊的寒冷地区(如东北、新疆等地)，需采用低温性能更优的沥青或进行复合改性进一步提升橡胶沥青的低温性能。

3 高掺量橡胶沥青混合料性能分析 3.1 车辙性能分析

本研究分别制备了30%，40%，50%掺量下ARHM-13，ARHM-20，ARHM-25的高掺量橡胶沥青混合料，车辙试验结果如图 5所示。从图中可以看出，随着胶粉掺量的增加，橡胶沥青混合料的动稳定度值逐渐增大，抗车辙性能提升，与橡胶沥青MSCR试验结果一致。级配也对橡胶沥青混合料的车辙性能产生影响，随着最大公称粒径的增大，车辙性能提升，这是由于集料粒径的增加提升了混合料抵抗变形的能力。通过所有试件的动稳定度值(>5 000)可以看出，高掺量橡胶沥青混合料的抗车辙性能优异，显著高于一般的路面性能需求。

3.2 疲劳性能分析

图 6汇总了30%，40%，50%胶粉掺量的橡胶沥青混合料分别在应变水平为0.3%，0.5%和0.7%下的四点弯曲疲劳试验结果，通过应变与疲劳寿命的关系，建立疲劳寿命曲线。图 6(a)为在胶粉掺量(30%)一定的情况下，不同级配沥青混合料的疲劳曲线结果，从图中可以看出，随着应变水平的增加，混合料的疲劳寿命不断降低。级配对混合料疲劳寿命的影响规律不明显，ARHM-20与ARHM-25的疲劳寿命结果较为接近，低应变水平下ARHM-13的疲劳寿命大于ARHM-20和ARHM-25；高应变水平下ARHM-20和ARHM-25的疲劳寿命大于ARHM-13。进一步选定级配(ARHM-20)，研究胶粉掺量对混合料疲劳性能的影响，结果如图 6(b)所示。从图中可以看出，胶粉掺量对疲劳寿命的影响规律较为明显，随着掺量的增加，橡胶沥青混合料的疲劳寿命逐渐增加，与橡胶沥青LAS试验结果一致。此外，图 5通过混合料四点弯曲试验应变与疲劳寿命的关系建立的疲劳寿命曲线均有较好的拟合效果，R²均大于0.9。

3.3 低温抗裂性能分析

本研究采用低温SCB试验对同一级配(ARHM-20) 不同掺量(30%，40%，50%)橡胶沥青混合料的低温性能进行测试，试验温度为-12 ℃，不同试件在试验过程中的荷载与位移曲线如图 7所示。从图中可以看出，所有橡胶沥青混合料在SCB试验过程中的荷载均随位移的增加呈先增大后减小的规律，50%掺量的橡胶沥青混合料的峰值荷载大于30%，40%掺量，且峰值荷载值对应的位移也大于30%，40%掺量。进一步通过式(4)~式(7)计算断裂能(G_f)指标，并汇总于图 8中。从图中可以看出，随着胶粉掺量的增加G_f值不断增大，说明高掺量橡胶沥青的低温性能随着胶粉掺量的增加而提升。橡胶颗粒在低温环境下会发生硬化，但仍比普通沥青具有更高的黏性，而沥青在低温下变硬变脆，易发生低温开裂，所以沥青中的胶粉增加了沥青在低温下的黏性，因此掺量高的橡胶沥青具有更优的低温抗裂性能。

4 考虑永久性路面设计的橡胶沥青材料选取

永久性沥青路面又称为长寿命路面，路面服役寿命需要达到30~50 a。提升路面服役寿命的主要手段包括高性能材料的使用以及材料与结构的一体化设计。因此，本研究通过进一步提升胶粉掺量验证了高掺量橡胶沥青具有优良的路用性能，可以作为永久性路面面层材料使用。此外，对于优化材料与结构的一体化设计方面，普通沥青路面设计过程中未考虑不同面层的受力状况和性能需求的差异选取相同的沥青材料，永久性路面通过优化面层材料设计使其更符合路面的受力特点，进一步提升路面服役寿命。国内外众多学者提出了永久性路面面层设计理论，一般来说，路面表面层主要为功能层，具有良好的平整度和抗滑性能；中面层为抗车辙结构层，在荷载较大的情况下易产生结构性车辙，因此需选取抗车辙性能较优的沥青材料；下面层为抗疲劳层，在车辆反复荷载下，受到层间剪应力的作用易产生裂缝并向上面层扩展，因此宜选取疲劳性能较优的沥青材料。本研究证明了高掺量橡胶沥青具有优异的抗车辙、抗疲劳和低温抗裂性能，因此，基于永久性路面设计理念，结合本研究中橡胶沥青及沥青混合料的试验结果，提出建议选取50%掺量的橡胶沥青作为中面层和下面层的沥青材料，以提升中面层和下面层的抗疲劳和抗车辙性能，减缓路面结构性车辙以及反射裂缝等病害的产生；选取30%掺量的橡胶沥青作为上面层沥青材料，以提供基础的性能保障，满足上面层抗滑性能和平整度需求。高掺量橡胶沥青的使用不仅提升了永久性路面面层的使用性能，满足长寿命需求，降低能源消耗，更极大地缓解了废旧轮胎的堆积问题，促进资源的再生利用，符合“双碳”理念。

5 结论

针对永久性路面面层材料的高性能需求，本研究进一步提升橡胶沥青的胶粉掺量，制备了30%~50%胶粉掺量的橡胶沥青及沥青混合料，通过沥青及沥青混合料尺度下的车辙性能、疲劳性能和低温抗裂性能试验全面评价了高掺量橡胶沥青及沥青混合料的路用性能，得出如下结论：

(1) MSCR试验和车辙试验结果表明，高掺量橡胶沥青的高温抗车辙性能随着胶粉掺量的增加而提升，级配也对高掺量橡胶沥青混合料的车辙性能产生影响，表现为随着集料最大公称粒径的增加，混合料抗车辙性能提升，且胶粉的掺入增加了高温下橡胶沥青的弹性成分，导致橡胶沥青的应力敏感性增加。

(2) LAS试验和四点弯曲疲劳试验结果表明，高掺量橡胶沥青及沥青混合料的疲劳寿命均随着胶粉掺量的增加而增加，级配对于混合料疲劳寿命的影响规律不明显，ARHM-20与ARHM-25的疲劳寿命结果较为接近，低应变水平下ARHM-13的疲劳寿命大于ARHM-20和ARHM-25；高应变水平下ARHM- 20和ARHM-25的疲劳寿命大于ARHM-13。

(3) BBR试验和低温SCB试验结果表明，胶粉掺量的增加提升了橡胶沥青的低温抗裂性能，然而高掺量橡胶沥青的低温性能还需进一步通过复合改性等手段提升，以满足-15 ℃以下低温环境(东北等地区)的需求。

(4) 依据永久性路面设计理念，表面层为功能层，中面层为抗车辙结构层，下面层为抗疲劳层。本研究指出50%掺量的橡胶沥青适用于路面中、下面层，30%掺量的橡胶沥青适用于路面表面层。

本研究主要针对永久性路面结构特点，对高掺量橡胶沥青及沥青混合料的路用性能进行了研究。此外，橡胶沥青功能性及对环境的影响也是关键问题，后续将对橡胶沥青抗滑、降噪等功能性进行验证，并针对高掺量橡胶沥青在施工过程中的环境问题进行研究。