聚酯纤维及沥青对高RAP掺量沥青混合料路用性能的研究

周 刚，李培国，陈天泉，王火明，沈金生

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；2. 重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074；3. 新疆交通建设集团股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830016)

聚酯纤维及沥青对高RAP掺量沥青混合料路用性能的研究

周 刚1，李培国2，陈天泉1，王火明1，沈金生3

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；2. 重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074；3. 新疆交通建设集团股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830016)

通过车辙试验、小梁弯曲试验、冻融劈裂试验，深入研究了聚酯纤维掺量和沥青用量分别对高RAP掺量沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性的影响。研究结果表明:相对纤维本身的作用而言，沥青混合料的高温稳定性更多地是通过沥青膜厚度及自由沥青的多少来产生影响；纤维和沥青的合理比例是影响沥青混合料低温及水稳定性能的最关键因素。相对而言，纤维自身的强度对沥青混合料低温及水稳定性能的影响非常有限，沥青含量超过最佳油石比时，沥青含量和沥青膜厚度的增加，不但不一定会提高沥青混合料的低温及水稳定性能，还有可能造成负面影响。

道路工程；聚酯纤维；再生沥青混合料；路用性能；RAP

纤维作为沥青及沥青混合料的添加剂在国内外已经得到了广泛的应用，且取得了良好的效果[1-4]。相比于木质素纤维、玻璃纤维、矿物纤维，聚酯纤维作为再生沥青混合料的加筋纤维，具有熔点高、断裂延伸率高等优点，可以有效地改善沥青路面的抗弯拉性能，延缓路面的低温裂缝[5-7]。

根据近些年来的研究趋势来看[8-15]，将纤维作为外掺剂加入到废旧沥青混合料(以下简称RAP)中，将其再生进而获得性能较好的再生沥青混合料的研究并不多见。另一方面，众所周知，纤维具有较强的吸油能力，随着纤维掺量的变化，沥青用量也会随之变化；因此，在平常分析纤维对沥青混合料路用性能的影响时存在着两个变量(纤维掺量和沥青用量)。为了方便，一般忽略沥青用量变化的影响，将路用性能的改善全部归功于纤维的作用。

笔者针对以上两个问题，采用聚酯纤维作为外掺剂再生高RAP掺量的废旧沥青混合料，验证其路用性能，并深入研究纤维掺量和沥青用量分别对高RAP掺量沥青混合料路用性能的影响。通过此研究，可以深刻地认识到对于纤维掺量和沥青用量这两个参数，哪一个是影响再生沥青混合料路用性能的关键因素，进而可以为提高沥青混合料的路用性能的技术方案提供指导。

1 原材料

笔者采用的新沥青为新疆克拉玛依产90 #基质沥青，RAP中集料为安山岩，矿粉由石灰石磨细而成，新集料为安山岩，矿粉也是由石灰石磨细而成。为增加黏结性，用42.5 #普通硅酸盐水泥代替部分矿粉，新集料分为0～5 mm，5～10 mm，10～18 mm，18～23 mm，23～30 mm这5档，材料性质均符合规范要求(除老化沥青外)，RAP的掺量为50%，混合料级配采用AC-25C级配结构，其具体的级配见图1，聚酯纤维指标见表1。

图1 RAP再生沥青混合料AC-25C级配曲线Fig.1 AC-25C grading curve of RAP recycled asphalt mixture表1 聚酯纤维技术性能Table 1 Technical performance of polyester fiber

聚酯纤维指标取值聚酯纤维指标取值公称长度L/mm3断裂伸长率δ/%≤4.8单丝直径D/μm10可燃物含量S/%0.1～1.4外观合格率M/%≥95含水率Pw/%≤0.2密度ρ/(g·cm-3)2.2～2.6耐热性断裂强度保留率P/%≥90断裂强度Rm/MPa≥1.5×103耐碱性断裂强度保留率N/%≥75弹性模量E/MPa≥12×103

再生沥青混合料制作工艺：①将RAP置于烘箱中加热至110 ℃，加热时间为2 h，以减少RAP中沥青的进一步老化；②新集料加热温度为190 ℃，加热时间为4 h，新沥青的加热温度为150 ℃，加热时间为4 h；③在添加RA-101再生剂对RAP沥青混合料进行再生时，混合料的投料顺序是将RAP、粗细集料倒入预热的拌和机，加入再生剂进行搅拌90 s，然后加入沥青搅拌90 s，最后加入矿粉和水泥搅拌90 s，总拌合时间为4.5 min；④在添加纤维对RAP沥青混合料进行再生时，为了纤维能够均匀的分散在沥青混合料中，混合料的投料顺序是将纤维、RAP、粗细集料倒入预热的拌和机搅拌90 s，然后加入沥青搅拌90 s，最后加入矿粉和水泥搅拌90 s，总拌合时间为4.5 min。

其它未经特殊说明事项，均按JTG E20—2011《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(以下简称《规程》)进行。

在研究纤维掺量对沥青混合料路用性能的影响时，纤维掺量分别定为0，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，油石比定为5.5%(文中的油石比中包括废旧沥青的用量，且在文中的沥青混合料中不添加再生剂，90 #基质沥青在混合料中充当一部分的再生剂作用)。在研究沥青用量对沥青混合料路用性能的影响时，油石比分别定为：4.8%，5.0%，5.2%，5.4%，5.6%，纤维掺量定为0.2%。试验方法按照《规程》中的规定进行。值得注意的是，为避免孔隙率因素对混合料性能的影响，在成型试件时，应细心操作，对每个试件单独拌合成型，以保证混合料的孔隙率变化范围在1.5%以内。

2 试验结果与讨论

2.1 纤维掺量和沥青用量分别对沥青混合料高温性能的影响

2.1.1 纤维掺量对沥青混合料高温性能的影响

按照JTJ 052—2004《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》中的T0719-2011试件成型方法成型试件并进行车辙试验，其试验结果如图2。

图2 再生沥青混合料纤维掺量与动稳定度的关系Fig.2 Relationship between fiber content and dynamic stability of recycled asphalt mixture

由图2(a)可知， 当油石比固定为5.5%时，在纤维掺量范围内，随纤维掺量的增加，沥青混合料动稳定度呈逐渐增加趋势，但当达到0.3%的纤维掺量后明显减缓。这说明通过增加纤维掺量来提高混合料的高温抗车辙能力是有限的，纤维掺量存在一个最佳或较佳的掺量范围。

由图2(b)可知，当采用与纤维掺量对应的最佳油石比时，随着纤维掺量的增加，沥青混合料的动稳定度呈逐渐较小的趋势，且二者具有较好的线性相关性。

为便于比较，得到表2及图3。

表2 聚酯纤维再生沥青混合料车辙试验结果Table 2 Rutting test results of polyester fiber recycled asphalt mixture

图3 再生沥青混合料纤维掺量与动稳定度的关系Fig.3 Relationship between fiber content and dynamic stability

根据图3对比同样纤维掺量，不同油石比的沥青混合料动稳定度，可以看出沥青膜厚度或自由沥青含量对纤维沥青混凝土高温稳定性影响较大。沥青膜厚度过大或自由沥青含量越高，沥青混凝土的高温稳定性越差，纤维对沥青混合料高温稳定性的影响更多的是通过对沥青膜厚度或自由沥青含量的多少来产生影响的。

2.1.2 沥青用量对沥青混合料高温性能的影响

采用同样的试验方案成型试件并进行车辙试验，试验结果如图4。

图4 再生沥青混合料油石比与动稳定度关系Fig.4 Relationship between ratio of the asphalt and stone and dynamic stability of recycled asphalt mixture

由图4可知，当纤维掺量固定为0.2%时，随着沥青含量的增加，沥青混合料动稳定度呈先增大后减小的趋势，且在最佳油石比为5.3%附近达到最大值。这说明当纤维掺量一定时，存在一个最佳或较佳的沥青掺量范围可使沥青混合料获得最好或较好的高温稳定性能。

2.2 纤维掺量和沥青用量分别对沥青混合料低温性能的影响

2.2.1 纤维掺量对沥青混合料低温性能的影响

采用小梁弯曲试验研究混合料的低温性能，试件成型方法及具体的试验方法根据《规程》执行，其试验结果如图5。

图5 再生沥青混合料纤维掺量与最大弯拉应变的关系(油石比=5.5%)Fig.5 Relationships between fiber content and the largest bending tensile strain of recycled asphalt mixture (aggregate ratio=5.5%)

由图5可知，当油石比固定为5.5%时，在纤维掺量范围内，随着纤维掺量的增加，沥青混合料的最大弯拉应变呈逐渐减小的趋势，但其减小趋势在达到0.3%的纤维掺量后明显减缓。提高纤维掺量，提高了纤维自身的加筋增韧作用但减小了沥青膜的厚度，二者共同作用，最终导致最大弯拉应变的减小，这说明对纤维自身的加筋增韧作用来讲，沥青膜厚度对沥青混合料的低温抗裂性能影响更大。

为便于比较，可进一步绘制表3及图6。

表3 聚酯纤维再生沥青混合料小梁弯曲试验结果Table 3 Beam bending test results of polyester fiber recycled asphalt mixture

由图6可知，从趋势上看，同一纤维掺量下，沥青混合料的最大弯拉应变随着沥青用量的提高而增大，这进一步说明沥青膜厚度对沥青混合料的低温抗裂性能的影响是非常大的，在沥青混合料设计中通过合理的增加沥青用量来提高混合料的低温抗裂性能是非常有效的。

图6 再生沥青混合料纤维掺量与最大弯拉应变的关系Fig.6 Relationships between fiber content and the largest bending tensile strain of recycled asphalt mixture

2.2.2 沥青用量对沥青混合料低温性能的影响

采用同样的试验方案成型试件并进行小梁弯曲试验，试验结果如图7。

图7 再生沥青混合料油石比与最大弯拉应变的关系Fig.7 Relationships between ratio of the asphalt and stone and thelargest bending tensile strain of recycled asphalt mixture

由图7可知，在纤维掺量固定为0.2%的条件下，最大弯拉应变随沥青含量的增加先增大后减小，并且在5.3%的最佳油石比附近达到最大值。这说明，当纤维掺量一定，沥青含量低于最佳油石比时，沥青含量和沥青膜厚度的增加有利于提高混合料的低温抗裂能力，但当沥青含量高于最佳油石比时，沥青含量的增加和沥青膜厚度的增加并不一定会提高沥青混合料的低温抗裂能力，甚至有可能对低温性能产生不利影响。

为便于比较，得到表4及图8。

表4 聚酯纤维再生沥青混合料小梁弯曲试验结果Table 4 Beam bending test results of polyester fiber recycled asphalt mixture

图8 再生沥青混合料油石比与最大弯拉应变关系Fig.8 Relationships between ratio of the asphalt and stone and the largest bending tensile strain of recycled asphalt mixture

由图8可知，合理纤维掺量下的最大弯拉应变比纤维掺量固定在0.2 %时略高。说明通过合理的混合料设计使纤维和沥青的比例关系保持在合理的范围内时可以保证混合料的沥青膜厚度处于一个较佳的水平，这对提高沥青混合料的低温抗裂能力是有利的。

2.3 纤维掺量和沥青用量分别对沥青混合料水稳定性能的影响

2.3.1 纤维掺量对沥青混合料水稳定性能的影响

采用冻融劈裂试验研究混合料的水稳定性，试件成型方法及具体试验方案根据《规程》执行，其试验结果如图9、图10。

由图9可知，当油石比固定为5.5%时，随纤维掺量的变大，冻融前后劈裂强度是先增加后减小的趋势，并在纤维掺量为0.3%时达到最大值(而0.3%纤维掺量时的最佳油石比恰好是5.5%)。这说明，在纤维沥青混凝土中，在对劈裂强度产生影响的因素中纤维与沥青的合理比例是非常重要的，而纤维自身的强度对劈裂强度的影响相对是非常有限的。

从图10可知，当最佳油石比固为5.5%时，纤维掺量增加且超过0.3%后，劈裂强度比反而随纤维掺量的增加而降低。这说明，从提高沥青混合料水稳定性的角度来说，纤维的掺量并不是越多越好，存在一个最佳或较佳的掺量范围。

图9 再生沥青混合料纤维掺量与劈裂强度的关系(油石比=5.5 %)Fig.9 Relationships between fiber content and splitting strength of recycled asphalt mixture(aggregate ratio=5.5 %)

图10 再生沥青混合料纤维掺量与劈裂强度比的关系(油石比=5.5 %)Fig.10 Relationships between fiber content and splitting strength ratio of recycled asphalt mixture(aggregate ratio=5.5 %)

对应纤维掺量其最佳油石比下再生沥青混合料的冻融劈裂试验结果如图11、图12。

图11 沥青混合料纤维掺量与劈裂强度的关系(最佳油石比)Fig.11 Relationships between fiber content and splitting strength of recycled asphalt mixture(the optimum asphalt aggregate ratio)

从图12可知，当采用最佳油石比时，纤维掺量增加且超过0.3%后，劈裂强度比反而随纤维掺量的增加而降低；这说明，从提高沥青混合料水稳定性的角度来说，纤维的掺量并不是越多越好，存在一个最佳或较佳的掺量范围。

图12 沥青混合料纤维掺量与劈裂强度比的关系(最佳油石比)Fig.12 Relationships between fiber content and splitting strength ratio of recycled asphalt mixture (the optimum asphalt aggregate ratio)

经过以上分析，可获得表5及图13～图15。

表5 聚酯纤维沥青混合料冻融劈裂试验结果Table 5 Freeze-thaw split test results of polyester fiber recycled asphalt mixture

图13 再生沥青混合料纤维掺量与冻融后劈裂强度的关系Fig.13 Relationships between fiber content and the freeze-thaw splitting strength of recycled asphalt mixture

图14 再生沥青混合料纤维掺量与冻融前劈裂强度的关系Fig.14 Relationships between fiber content and no freeze-thaw splitting strength of recycled asphalt mixture

由图13和图14可知，采用最佳油石比条件下的冻融前后劈裂强度都比沥青油石比固定在5.5%时略高。这说明通过合理的混合料设计使纤维和沥青的比例关系保持在合理的范围内，对提高沥青混合料的劈裂强度及抗裂能力是有利的。

图15 再生沥青混合料纤维掺量与劈裂强度比的关系Fig.15 Relationships between fiber content and splitting strength ratioof recycled asphalt mixture

由图15可知，当纤维掺量为0.2%时(最佳油石比≤5.5%)，劈裂强度比较油石比5.5%时大；当纤维掺量为0.4%和0.5%时(最佳油石比>5.5%)，劈裂强度比较油石比5.5%时小。这说明，在同样的纤维掺量条件下，沥青油石比的增加和沥青膜的增加，并不一定会提高沥青混合料的劈裂强度比。可见纤维与沥青厚度合理比例是影响沥青混合料水稳定性的关键因素，沥青膜厚度的增加并不一定起到有利的影响。

2.3.2 沥青用量对沥青混合料水稳定性能的影响

采用同样的试验方案成型试件并进行冻融劈裂试验，试验结果如图16、图17。

图16 沥青混合料油石比与劈裂强度的关系(0.2%纤维掺量)Fig.16 Relationships between ratio of the asphalt and stone and splitting strength of recycled asphalt mixture(0.2% fiber content)

图17 沥青混合料油石比与劈裂强度比的关系(0.2%纤维掺量)Fig.17 Relationships between ratio of the asphalt and stone and splitting strength ratio of recycled asphalt mixture( 0.2% fiber content)

由图16和17可知，当纤维掺量固定为0.2%的条件下，冻融前后的劈裂强度和劈裂强度比都随沥青含量的增加先增大后减小，并且在5.3%的最佳油石比附近达到最大值。这说明，当纤维掺量保持不变时，在沥青含量低于最佳油石比时，沥青含量和沥青膜厚度的增加是有利于水稳定性的提高的；但当沥青含量高于最佳油石比时，沥青含量的增加和沥青膜厚度的增加并不一定会提高沥青混合料的水稳定性，甚至有可能对水稳定性产生不利影响。

对应纤维掺量其最佳油石比下再生沥青混合料的冻融劈裂试验结果如图18、图19。

图18 再生沥青混合料油石比与劈裂强度的关系Fig.18 Relationships between ratio of the asphalt and stone and splitting strength of recycled asphalt mixture

图19 再生沥青混合料油石比与劈裂强度比的关系Fig.19 Relationships between ratio of the asphalt and stone and splitting strength ratio of recycled asphalt mixture

由图18可知，在纤维掺量随油石比调整的条件下，冻融后劈裂强度在本研究的沥青用量范围类变化不大，基本在1.2 MPa左右，冻融前劈裂强度除沥青油石比5.7%时略大外，其余的劈裂强度也比较接近。

由图19可知，在纤维掺量随油石比调整的条件下，劈裂强度比在5.3%和5.5%的油石比时比较接近，在5.6%和5.7%的油石比时劈裂强度比反而降低，这也说明沥青含量的增加和沥青膜厚度的增加并不一定会提高沥青混合料水稳定性，甚至有可能对水稳定性产生不利影响。

综合以上分析，可得表6及图20～图22。

表6 聚酯纤维沥青混合料冻融劈裂试验结果Table 6 Freeze-thaw split test results of polyester fiber recycled asphalt mixture

图20 再生沥青混合料油石比与冻融后劈裂强度的关系Fig.20 Relationships between ratio of the asphalt and stone and the freeze-thaw splitting strength of recycled asphalt mixture

图21 再生沥青混合料油石比与冻融前劈裂强度的关系Fig.21 Relationships between ratio of the asphalt and stone and no freeze-thaw splitting strength of recycled asphalt mixture

由图20、图21可知，从趋势上看，合理纤维掺量条件下的冻融前后劈裂强度比纤维掺量固定在0.2%时略高，这说明通过合理的混合料设计使纤维和沥青的比例关系保持在一定的范围内时，对提高沥青混合料的劈裂强度及抗裂能力是有一定帮助的。

图22 再生沥青混合料油石比与劈裂强度比的关系Fig.22 Relationships between ratio of the asphalt and stone and splitting strength ratio of recycled asphalt mixture

由图22可知，当沥青油石比在5.3%～5.6%时，合理纤维掺量下的劈裂强度比也比纤维掺量固定在0.2%时略高，这同样说明通过合理设计使纤维与沥青比例保持在一定的范围内时，是有利于提高沥青混合料的抗水损害能力的。

3 结 论

笔者选用50%RAP掺量下的聚酯纤维(3 mm)再生沥青混合料，通过试验深入研究了纤维掺量和沥青用量分别对高RAP掺量沥青混合料路用性能的影响，包括验证高温性能的车辙试验、低温性能的小梁弯曲试验、水稳定性能的冻融劈裂试验，得出如下结论。

1)在总结纤维掺量对沥青混合料高温性能的影响之后，可以得出：仅仅通过增加纤维掺量来提高沥青混合料的高温性能是有限的，且存在一个与沥青用量对应的最佳或较佳的纤维掺量范围；相对而言，沥青膜厚度或自由沥青含量对沥青混合料的高温性能影响更大；沥青膜厚度过大或自由沥青含量越高，沥青混凝土的高温稳定性越差，反之越好。

2)在总结沥青用量对沥青混合料高温性能的影响之后，可以得出：当纤维掺量一定时，存在一个最佳或较佳的沥青掺量范围，可使沥青混合料获得最好或较好的高温稳定性能。

3)在总结纤维掺量对沥青混合料低温性能的影响之后，可以得出：对纤维自身的加筋增韧作用来讲，沥青膜厚度对沥青混合料的低温抗裂性能影响更大，在沥青混合料设计中通过合理的增加沥青用量来提高混合料的低温抗裂性能是非常有效的。

4)在总结沥青用量对沥青混合料低温性能的影响之后，可以得出：当纤维掺量一定时，存在一个最佳或较佳的沥青用量范围，可以保证沥青膜厚度处于一个合理的厚度，使沥青混合料的低温抗裂性能达到最优。

5)在总结纤维掺量及沥青用量对沥青混合料低温性能的影响之后，可以得出：纤维和沥青的合理比例是影响沥青混合料水稳定性的最关键因素，相对而言，纤维自身的强度对沥青混合料水稳定性影响非常有限，沥青含量超过最佳油石比时，沥青含量的增加和沥青膜厚度的增加，不但不一定会提高沥青混合料水稳定性，还有可能造成负面影响；同样的，纤维和沥青的合理比例是影响沥青混合料劈裂强度的最关键因素，由于劈裂强度在一定程度上反应了沥青混合料的抗裂性，因此，纤维和沥青的合理比例是影响沥青混合料抗裂性最重要的因素，相对而言，纤维自身的强度对抗裂性贡献有限。

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Polyester Fiber Content and Asphalt Content’s Impact on the Road Performance of High RAP Content Asphalt Mixture

ZHOU Gang1, LI Peiguo2, CHEN Tianquan1, WANG Huoming1, SHEN Jinsheng3

(1.China Merchants Chongqing Communications Technology Research & Design Institute Co.,Ltd., Chongqing 400067,P.R.China;2.School of Traffic & Transportion, Chongqing Jiaotong Univercity, Chongqing 400074, P.R.China;3.Xinjiang Communications Construction Group Co.,Ltd., Urumqi 830016, Xinjiang, P.R.China)

The road performance was studied on the high temperature stability, low temperature cracking resistance and water stability of the fiber recycled asphalt mixture with the high RAP content result from polyester fiber content and asphalt content through the wheel rutting test, freeze-thaw split test and small beam bend test.The results have guiding significance on the method of increasing recycled asphalt mixture road performance.In terms of the relative effect of the fiber itself,high temperature stability of asphalt mixture was affected by more asphalt thickness and free asphalt content.A reasonable proportion of fiber and asphalt was the most critical factor in low temperature performance and water stability performance of asphalt mixture.In contrast,the impact strength of the fiber itself was very limited on low temperature performance and water stability performance of asphalt mixture.When asphalt comtent exceeded the optimum the ratio of asphalt and stone,it doesnot necessarily improve the low temperature performance and water stability performance of asphalt mixture, and further may be adversely affected for the increasing of asphalt content and asphalt thickness.

highway engineering; polyester fiber; recycled asphalt mixture; road performance; RAP

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.09

2015-05-21；

2015-06-26

周 刚(1974—)，重庆人，研究员，博士，主要从事路面结构和材料方面的研究。E-mail: zhougang@cnhk.com。

李培国(1987—)，男，江苏徐州人，硕士，主要从事路面结构和材料方面的研究。E-mail: 944162686@qq.com。

U416.217

A

1674-0696(2016)04-040-07