复掺芳纶纤维和玻璃纤维再生沥青混合料路用性能研究

张 荣,王 彬

(1.武汉铁路职业技术学院，武汉 430205;2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

0 引 言

近年来，随着我国交通行业的快速发展，公路建设主体逐渐向改扩建发展转变，从而产生了大量的废弃沥青混合料。这些废弃沥青混合料若不能合理利用，不仅会造成资源浪费，而且会造成环境严重污染[1-2]。因此，针对废弃沥青混合料的回收利用成为近年来公路行业的重点研究方向[3-4]。废弃沥青混合料自身性能较差，国内外专家[5-6]提出了诸多方法提升再生沥青混合料(RAP)的路用性能，向沥青混合料中添加纤维是较常用的一种。大量研究表明，纤维对沥青混合料部分性能具有改善作用。Lee等[7]通过断裂能试验表明，使用纤维可提高沥青混合料的耐疲劳性能。Mahrez等[8]的研究结果表明，纤维沥青混合料具有较高的弹性模量、抗永久变形和抗车辙性能。吴少鹏等[9]通过动态模量试验对纤维素、聚酯纤维和无机纤维的沥青混合料进行测试，结果表明，纤维沥青混合料比常规沥青混合料具有更高的动态模量。Shu等[10]研究发现，钙藻酸盐/二氧化硅复合纤维的沥青混合料具有较好的抗酸雨及盐碱溶液腐蚀能力。

芳纶纤维和玻璃纤维作为两种常用的纤维改性剂，在改性沥青混合料方面得到了大量应用研究。首先是芳纶纤维方面，孙雅珍等[11]通过劈裂试验，研究了芳纶纤维的抗裂性能并确定了其最佳掺量，同时对芳纶纤维沥青混合料的路用性能进行分析，结果表明芳纶纤维沥青混合料的力学性能、耐久性有明显改善。Slebi-Acevedo等[12]的研究表明，添加0.3%(质量分数)芳纶纤维或聚丙烯腈纤维的沥青砂浆抗裂性能得到显著提升。Wisniewski等[13]对添加芳纶纤维的高模量沥青混合料性能进行研究，发现混合料耐疲劳性能提升不显著。Takaikaew等[14]和Kaloush等[15]研究了聚烯烃-芳纶聚合物纤维改性沥青混合料的各项性能，结果表明，使用聚烯烃-芳纶聚合物纤维可提高沥青混合料的内聚力和剪切应力，并提升混合料抗永久变形的能力。其次是玻璃纤维方面，吴清舟等[16]对不同纤维沥青混合料的粘结强度进行测试，发现玻璃纤维与沥青间的粘结性能优于玄武岩纤维及钢纤维。刘朋飞等[17]通过对玻璃纤维沥青混合料开展半圆弯曲试验，认为玻璃纤维可提升沥青混合料的抗裂性能并可增强其韧性。Ziari等[18]的研究表明，玻璃纤维对使用再生集料造成的再生沥青混合料开裂传播行为具有显著抑制作用，可有效提升再生沥青混合料的使用性能。蔡俊华[19]通过试验研究了玻璃纤维对超薄沥青混合料路用性能的改善效果，结果表明，0.4%纤维掺量混合料的水稳定性及耐疲劳性能提升效果最为显著。Morea等[20]研究发现，使用较长的玻璃纤维可显著改善混合料的抗车辙性能，使其永久变形大幅度减少，并减少由于疲劳和低温造成的开裂现象。

国内外针对掺纤维的沥青混合料性能进行了大量研究，但目前尚且缺乏针对芳纶纤维和玻璃纤维单掺以及复掺对再生沥青混合料性能影响的研究。为此，本文采用芳纶纤维和玻璃纤维，针对单掺和两者复掺下再生沥青混合料的高温性能、水稳定性和低温抗裂性展开系统研究，从而验证两种纤维对再生沥青混合料路用性能的影响效果。

1 实 验

1.1 原材料

(1)沥青

沥青采用SK 90#基质沥青，其各项技术指标如表1所示。

表1 基质沥青的主要技术指标Table 1 Main technical specifications of matrix asphalt

(2)集料

粗集料采用石灰岩碎石，其表观相对密度为2.804 g/cm3，吸水率为0.741%，针片状含量为7.0%(质量分数)，压碎值为13.8%；细集料为机制砂，其表观密度为2.752 g/cm3。所用RAP料为废旧沥青路面回收沥青混合料，RAP中油石比为3.6%(质量分数)，RAP的筛分结果如表2所示。图1所示为新旧集料级配设计曲线，其中RAP掺量为40%(质量分数)。

表2 RAP再生料筛分结果Table 2 Screening result of RAP

图1 集料级配曲线图Fig.1 Aggregate gradation curves

(3)纤维

采用两种不同类型的纤维，分别为芳纶纤维和玻璃纤维，其中芳纶纤维长度为19 mm，密度为1.44 g/cm3，拉伸强度为300 MPa，分解温度为426 ℃；玻璃纤维的长度为13 mm，密度为2.70 g/cm3，拉伸强度为400 MPa，分解温度为1 000 ℃以上。两种纤维单掺时，在沥青混合料中的掺量为0.30%(质量分数)；复掺时，两种掺量均为0.15%。黄珊[21]和周嘉博[22]采用湿拌法将玻璃纤维掺入沥青中，玻璃纤维被沥青裹覆后，由于沥青有粘结性，在与集料拌和时极易将成束的纤维拉成单丝纤维，加之集料与沥青拌和时，集料在分散沥青的同时对沥青中的纤维也有拉扯的作用，这使得纤维在集料中成丝多，分散均匀，甚至形成网状搭接结构。复掺玻璃纤维和芳纶纤维时，考虑到芳纶纤维的老化性，故先掺玻璃纤维、后掺芳纶纤维(先后法)。故本研究采用“湿拌法”及“先后法”来达到纤维在沥青混合料中均匀分布的目的。

1.2 配合比设计

通过对沥青混合料的最佳油石比进行设计，最终确定再生沥青混合料的最佳油石比为4.8%。为对比研究，本文针对不同纤维再生沥青混合料都采用与对比样沥青相同的油石比，对不同沥青混合料的体积指标进行测试，其结果如表3所示(其中沥青混合料试件的空隙率用VV表示，沥青混合料试件的有效沥青饱和度用VFA表示)。从表3中可以看出，不同纤维类型对沥青混合料的体积指标影响较小，与对比样沥青相比，芳纶纤维再生沥青混合料的稳定度提高，流值降低，而玻璃纤维再生沥青混合料的稳定度降低、流值提高；与对比样沥青相比，复合改性沥青的稳定度增大，流值显著降低。

表3 AC-20再生沥青混合料各项体积指标测试结果Table 3 Test results of various volume indexes of AC-20 recycled asphalt mixture

1.3 试验方法

(1)高温车辙试验

采用车辙试验针对不同再生沥青混合料的高温抗永久变形能力进行测试，测试时室内成型30 cm×30 cm×5 cm试件板，测试温度为60 ℃，测试前将试件保温至少4 h。其中高温性能用平均车辙深度(RD)进行表征。

(2)动态模量试验

沥青混合料动态模量采用简单性能试验(SPT)进行测试，通过静压法成型φ100 mm×150 mm的沥青混合料圆柱形试件。试验采用连续无间歇的半正矢荷载波形。不施加围压，试验温度为4.4 ℃、21.1 ℃、37.8 ℃、54.4 ℃四个不同温度、试验频率为0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz、25 Hz六个不同频率。试验前将试件放入试验温度的空气浴中保温3 h，试验开始后，先进行高频率试验，然后进行低频率试验。对于每个频率，首先进行10次预压，然后开始正式试验，加载次数为10次。

(3)间接拉伸试验

采用间接拉伸(IDT)试验对不同沥青混合料的低温抗裂性能进行测试，其测试过程参照美国AASHTO T322试验方法，该方法可测得沥青混合料断裂能和强度，可同时适用于室内和现场沥青混合料的低温性能测试。测试时将旋转压实试件取芯且切割成φ100 mm×150 mm的圆柱形试件，然后将LVDT位移传感器贴在试件两侧，传感器测量长度为50.8 mm，测试温度为-10 ℃。

(4)水稳定性测试

沥青混合料的水稳定性采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验进行测试，其测试规程依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，其中水稳定指标可采用残留稳定度和冻融劈裂比(TSR)进行表征。

(5)半圆弯曲试验

半圆弯曲(SCB)试验法可对不同成型方法的沥青混合料进行测试和分析，半圆试件底部有两个圆棒作为支撑，支撑距离一般为沥青混合料试件直径的0.8倍，用圆棒在半圆试件顶部中间位置进行加载，加载速率为0.000 5 mm/s，试验温度分别为4.4 ℃、21.1 ℃、37.8 ℃，测量得到沥青混合料的断裂韧性和断裂能密度等参数。

2 结果与讨论

2.1 高温性能分析

(1)高温车辙试验

对不同沥青混合料进行高温车辙试验，其结果如图2所示。从图2可以看出，针对不同再生沥青混合料，经10 000次车辙作用后，对比样沥青的车辙深度为2.35 cm，当再生沥青混合料中加入芳纶纤维后，再生沥青混合料的车辙深度(2.21 cm)略有降低，而当沥青混合料中加入玻璃纤维和复掺纤维后，再生沥青混合料的车辙深度显著降低，两种沥青混合料的车辙深度分别为1.55 cm和1.35 cm，其降低程度分别达34.0%和42.6%，表明玻璃纤维和复掺纤维可显著改善沥青混合料的高温抗车辙性能。

图2 不同再生沥青混合料的高温车辙试验测试结果Fig.2 Test results of high-temperature rutting testfor different recycled asphalt mixtures

图3为纤维和纤维与沥青混合料形成的网状三维结构的SEM照片。如图3所示，其原因可能是纤维的比表面积较大，可与较多的沥青形成结构沥青，减少自由沥青的数量，同时纤维的相互搭接形成了网状三维结构，限制高温下沥青的流动，从而改善混合料的高温稳定性。

图3 纤维、纤维与沥青混合料形成的网状三维结构的SEM照片[22]Fig.3 SEM images of glass fibers and a mesh three-dimensional structure formed by fiber and asphalt mixture

(2)动态模量试验

采用简单性能试验(SPT)对不同再生沥青混合料的动态模量E*进行测试，其结果如图4所示。

图4 不同再生沥青混合料动态模量Fig.4 Dynamic modulus of different recycled asphalt mixtures

从图4可以看出，四种不同再生沥青混合料的动态模量测试结果呈相似的变化规律。在相同的试验温度下，不同混合料的动态模量随频率的增加而逐渐增大，这是因为沥青混合料在正弦荷载作用下，随着加载频率逐渐增加，其对荷载响应的滞后现象更为明显。而在相同的加载频率下，各混合料的动态模量值均随着温度的升高而降低。由粘弹性理论可知，沥青随着温度的升高逐渐软化，从而导致沥青混合料由弹性向塑性发展。

由图4可知，在4.4 ℃条件下，再生沥青混合料在动态荷载作用下整体表现出较高的动态模量，当温度上升至21.1 ℃以后，动态模量迅速下降，因此随着温度的增加，应变也迅速增加，从而增加了产生车辙的几率。而掺入纤维后，沥青混合料在37.8 ℃、54.4 ℃时的动态模量均高于对比样沥青，其原因可能是纤维的掺入增加了沥青的弹性，使得再生沥青混合料粘弹性质中的弹性成分增加，从而使其动态模量增大。通过对比分析37.8 ℃、54.4 ℃条件下的动态模量可知，掺入纤维后，再生沥青混合料在高频区域的动态模量均比对比样沥青高，表明其抗高温能力增强，且温度越高，其改善效果愈明显。且单掺芳纶纤维和玻璃纤维以及两者复掺均对沥青混合料动态模量表现出良好的增强效果，由此可以看出，纤维的吸附、稳定作用使沥青混合料的高温变形减小，提高了混合料的高温稳定性。

通过前面的论述得知，温度和加载频率是影响沥青混合料动态模量的主要因素，其粘弹性力学行为对温度和加载时间具有明显的依赖性。以时温等效原理为基础，沥青混合料的力学性质可先在参考温度下形成光滑曲线(主曲线)，然后不同温度与加载频率的主曲线可以通过参考温度下的主曲线进行平移得到。这样就能拓展更广阔的适用空间，不必进行长时间的室内试验。通过动态模量主曲线可以全面反映混合料对温度和加载频率的相应特性。

本研究根据所得的动态模量试验数据，选用21.1 ℃作为标准的参考温度，通过时温等效原理，采用Sigmoidal函数进行最小二乘拟合，确定了四种不同类型的再生沥青混合料的动态模量主曲线，如图5所示。

图5 不同再生沥青混合料的动态模量主曲线Fig.5 Dynamic modulus main curves of differentrecycled asphalt mixtures

Sigmoidal函数如式(1)所示。

(1)

式中:E*为动态模量；fr为参考温度下的荷载频率；δ、α、β、γ为回归系数，δ为动态模量的最小值，δ+α为动态模量的最大值；β、γ为描述Sigmoidal函数形状的参数。

时温换算方法如式(2)所示。

lgfr=lgf+lga(T)

(2)

式中：f为试验加载频率；T为试验温度；a(T)为位移因子。

根据时温等效原理，若研究再生沥青混合料的高温性能，主要应考察其主曲线的低频部分，从图5中可以看出，与对比样沥青相比，单掺芳纶纤维和玻璃纤维对再生沥青混合料的动态模量影响较小，而当两者复掺时，复合改性沥青低频区的动态模量略高于对比样沥青，说明在较高温度下，复掺纤维可以提高再生沥青混合料的抗车辙或抗永久变形能力。

2.2 低温抗裂性能

采用IDT试验对不同再生沥青混合料的低温抗裂性能进行测试，其结果如图6所示。

图6 不同再生沥青混合料的低温抗裂性能Fig.6 Low-temperature crack resistance of different recycled asphalt mixtures

从图6可以看出：与对比样沥青相比，单掺芳纶纤维对再生沥青混合料的低温抗裂性能有一定的负面影响，掺芳纶纤维再生沥青混合料的断裂能密度和抗拉强度较对比样沥青均有所降低；而掺玻璃纤维对再生沥青混合料的低温抗裂性能有一定的提升，其断裂能密度和抗拉强度较对比样略有增大。此外，从图6中可以明显看出，复掺纤维再生沥青混合料的低温抗裂性能进一步增大，表明二者复掺可提升沥青混合料的低温抗裂性能，其主要原因是芳纶纤维和玻璃纤维均能吸附沥青混合料中一定量的轻质组分，而芳纶纤维的吸油率较低，致使芳纶纤维与含沥青胶浆的握裹力不足，不能充分发挥芳纶纤维的抗拉强度。而两者的复配效应使纤维对沥青的约束作用变强，限制了混合料的自由收缩，从而增强其低温抗裂性能。

2.3 水稳定性

采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验对不同再生沥青混合料的水稳定性进行测试，其结果如图7所示。

图7 不同再生沥青混合料的水稳定性Fig.7 Water stability of different recycled asphalt mixtures

从图7可以看出，与对比样沥青相比，单掺芳纶纤维再生沥青混合料的残留稳定度与冻融劈裂比均升高，而单掺玻璃纤维再生沥青混合料的残留稳定度与冻融劈裂比则均降低。芳纶纤维与玻璃纤维对再生沥青混合料的水稳定性分别起到增强与减弱作用，这可能是因为较芳纶纤维而言，玻璃纤维表面光滑，且具有吸附水膜，故玻璃纤维与混合料的界面结合效果不如芳纶纤维，导致其水稳定性不如芳纶纤维。另外，与对比样沥青相比，复掺纤维对混合料的残留稳定度有较小幅度的提升，冻融劈裂比则变化不大，复掺纤维可以弥补单掺玻璃纤维对再生沥青混合料水稳定性的破坏，提高再生沥青混合料的水稳定性。

2.4 半圆弯曲试验结果

不同温度下各类型再生沥青混合料的SCB试验结果如图8所示，表4列出了图8中各温度下不同再生沥青混合料试验得出的荷载峰值、破坏位移以及断裂能密度。

表4 SCB试验主要参数Table 4 Main parameters of SCB test

由图8及表4中可以看出，随着试验温度的升高，再生沥青混合料破坏时承受的荷载峰值迅速下降。与对比样沥青相比，芳纶纤维与玻璃纤维的加入均使再生沥青混合料的破坏位移变大，同时伴随着荷载峰值降低。这可能是因为掺入纤维改变了混合料的连续性和沥青的组分，致使混合物的荷载峰值减小且延性增大。试验温度为4.4 ℃时，复掺纤维沥青混合料的破坏荷载在所有混合料中最低；试验温度上升时，复掺纤维混合料的破坏荷载逐渐超过同等温度下的单掺纤维沥青混合料，且复掺纤维试验组在各温度下的破坏位移及断裂能密度均高于对比样沥青，这说明复掺纤维对混合料的抗裂性有改善效果；当温度为37.8 ℃时，复掺纤维沥青混合料的断裂能密度高于掺芳纶纤维及玻璃纤维试验组，证明复掺纤维的加筋、桥接作用增强了沥青混合料内部间的粘结强度，同时掺入纤维亦增大了沥青膜的厚度，进一步加强纤维与混合料的粘结力，在实际道路使用温度条件下，具有较好的抗弯拉能力和更好的抗裂性。

图8 不同再生沥青混合料的SCB试验结果Fig.8 SCB test results of different recycled asphalt mixtures

3 结 论

(1)芳纶纤维的掺入对再生沥青混合料抗车辙性能影响不大，而掺玻璃纤维和复掺纤维有助于再生沥青混合料内部形成网状的三维结构使混合料的抗车辙性能提升显著，其中，玻璃纤维和复掺纤维分别使再生沥青混合料的高温抗车辙性能提升了34.0%及42.6%；单掺两种纤维及复掺纤维都对沥青混合料动态模量表现出良好的增强效果，提升效果最高可达21.9%。

(2)单掺芳纶纤维及单掺玻璃纤维分别对再生沥青混合料的低温抗裂性及水稳定性有一定的负面影响，而复掺纤维沥青可弥补单掺带来的不利影响，使再生沥青混合料保持较好的低温抗裂性能与水稳定性。

(3)芳纶纤维及玻璃纤维均使再生沥青混合料的延性升高，脆性降低，复掺纤维的加筋、桥接作用进一步增强了沥青混合料内部骨料间的粘结强度，与对比样沥青相比具有较高的断裂能密度，抗裂性得到提升。