纤维对厂拌热再生沥青混合料水稳定性影响研究

2022-04-29刘佳

交通节能与环保 2022年2期

刘佳

（北京城建道桥建设集团有限公司，北京 100025）

0 引言

厂拌热再生技术可以充分利用原路面沥青混合料回收料（Reclaimed asphalt pavement，RAP），将RAP处理后与新集料、新沥青等混合，制备成再生沥青混合料，具有良好的经济、环保效益，还能有效应对沥青路面养护问题[1]。研究表明[2]，当RAP掺量超过30%后，再生沥青混合料的抗裂性和水稳定性有所降低，并且RAP掺量越高，性能下降幅度越大，所以改善高掺量下的再生沥青混合料的抗水损性能成为亟待解决的难题[3]。而纤维可以改善沥青混合料的综合性能。纤维品种庞大，对沥青混合料性能改善有良好的促进作用，国内外在这方面也积累了较多的研究成果。例如：Wu等[4]通过水稳实验研究了玄武岩、石棉纤维可以改善沥青混合料水稳定性。Fazaeli等[5]发现经过改性剂处理的沥青混合料拥有更优良的性能，引进聚酯纤维和石蜡两种物质作为增强剂加入沥青混合料，试验发现这种混合料有着更高的防控裂缝出现的能力，也更利于拌合料摊铺工作的进行。王瑛等[6]说明了聚酯纤维、再生剂、RAP掺量三个因素与再生沥青混合料性能的联系，发现纤维对再生沥青混合料的高温性能最敏感，其次是RAP掺量，TLZS-B2再生剂次之，当纤维掺量为0.25%，再生剂为6%时，能保证混合料各项性能良好并实现高废旧料比例的回收利用。周刚等[7]采用沥青混合料路用性能试验分析了聚酯纤维掺量及沥青用量对再生沥青混合料性能的影响，发现纤维和沥青含量的合理比例是影响混合料路用性能的关键因素。郑慧慧[8]研究了沥青用量、纤维含量分别与木质素、聚酯、玄武岩纤维不同组合条件下沥青混合料性能的影响，发现纤维对混合料的性能均有提升作用，且三种纤维复合作用下的再生沥青混合料性能最佳。综上，现有研究在纤维对再生沥青混合料水稳定性影响方面的研究较少，有必要研究不同纤维对再生沥青混合料水稳定性的影响规律。

本次研究采用了两种不同类型的纤维，探究RAP掺量和纤维含量对再生沥青混合料水稳定性的影响规律，以期对纤维再生沥青混合料的推广应用提供一定的参考依据。

1 纤维改性机理

纤维在与沥青混合料中的沥青与集料发生黏结与吸附时，能在混合料中相互连接形成三维网状结构，这种网状结构使得沥青混合料更加致密，极大地增加了集料与集料之间、集料与沥青之间的黏结力，从而提高了混合料的各项性能。因此，掺加纤维能够改变沥青混合料的各项性能。纤维在沥青混合料中的网状结构的稳定性与牢固程度决定了沥青混合料的性能的优劣。纤维在增强沥青混合料的过程中发生以下作用：

（1）加筋作用

纤细且数量众多的纤维与沥青及骨料形成统一的整体，纤维发挥出与集料架接的作用，增加了集料之间的摩擦力，好比钢筋对于混凝土的结构作用。

（2）阻裂作用

掺入纤维和沥青构造的交叉网状形态，能够使得混合料在受到行车荷载作用后不容易出现破裂。即使混合料中的“骨头”被破坏了，但与之相连的“筋”仍起着结构稳定的作用，有效阻止裂缝现象的出现。

（3）稳固作用

纤维是单细丝状态，几克纤维中含有的单根数量就有成千上万。因此，纤维与集料混合均匀后，纤维交叉错位分布于混合料中，达到结构沥青分量变多的目的，有效加强混合料整体结构的牢固。

（4）增韧作用

纤维本身柔韧性良好，基本不存在被拉断的情况，引进适量纤维在沥青混合料内部，包裹着集料形成的结构整体不易被松散，提升其整体的弹性模量。

2 试验方案

2.1 原材料检测

原材料性质是决定再生沥青混合料性能的关键指标之一。因此，在试验开始之前，必须对原材料的各项指标进行测试。本次研究所使用的原材料包括RAP、新集料、SBS改性沥青、再生剂与纤维，依据规范[9]要求测试原材料各项性能。其中，RAP通过铣刨设备对原沥青路面（AC-20）铣刨、破碎、筛分处理后得到 0～8 mm、8～12 mm、12～20 mm三档，经过抽提后得到RAP的级配与沥青含量见表1，老化沥青采用阿布森法将其与三氯乙烯溶剂分离，测试基本性能指标见表2。SBS改性沥青的基本性能指标见表3。新集料主要分为1#料0～3 mm、2# 料 3～6 mm、3# 料 6～12 mm 和 4#料12～20 mm，各档集料的级配见表4，集料的基本性能见表5。

表1 RAP级配与沥青含量Tab.1 RAP gradation and asphalt content

表2 老化沥青基本指标Tab.2 Basic indicators of aging asphalt

表3 SBS改性沥青物理性能Tab.3 Physical properties of SBS modified asphalt

表4 新集料级配测试结果Tab.4 Test results of new aggregate gradation

表5 新集料基本性能测试结果Tab.5 Basic performance test results of new aggregate

再生剂为英杰维特投资有限公司生产的Evoflex再生剂，25℃下密度为0.96 g/cm3，20℃下黏度为600～800 cP。再生剂的使用能使老化沥青中的各种成分转变为一个合适的比例，恢复其基本性能。此外，纤维采用聚酯纤维和玄武岩纤维，表观如图1所示。由图1可见，聚酯纤维呈白色，表面较光滑，玄武岩纤维呈灰色，表面较粗糙，两者都呈纤维束状态，柔韧性好，基本不存在被拉断的情况。

图1 纤维表观状态Fig.1 Appearance of fiber

2.2 试验设计

本次研究的混合料类型为AC-20，选用级配中值作为设计级配，如图2所示。

图2 AC-20设计级配Fig.2 AC-20 design gradation

研究因素包括纤维种类、纤维掺量和RAP掺量，纤维和RAP掺量见表6，并根据表6设计试验方案，比较不同纤维情况下纤维和RAP掺量对再生沥青混合料水稳定性的影响。根据设计方案，分别制作不同RAP掺量不同纤维种类及纤维掺量下的马歇尔试件，通过冻融劈裂试验的对比，最终得出各影响因素对再生沥青混合料水稳定性的影响规律。

表6 研究因素参数Tab.6 Research factor parameters

本次研究使用经典的马歇尔设计法来确定混合料最佳沥青用量。采用干拌法将原材料拌和：拌和温度160℃，投入新集料和纤维干拌60 s，投入RAP、再生剂与新沥青湿拌60 s，投入矿粉拌和60 s。击实温度设定为150℃。按照上述方法成型马歇尔试件，测定试件的体积指标与性能指标，最终确定不同RAP掺量下的再生沥青混合料最佳沥青用量，详见表7。

表7 不同RAP掺量下的最佳沥青用量Tab.7 The best asphalt dosage under different RAP content

3 试验结果与分析

掺加聚酯纤维、玄武岩纤维的再生沥青混合料冻融劈裂试验结果见表8。由表8可见，随着纤维掺量增加，再生沥青混合料的空隙率呈先减小后增大的趋势，主要是因为混合料中纤维含量增加时，再生沥青混合料由集料+沥青的“两相”状态变为“三相”状态，在混合料内部形成网状结构，纤维填补了部分集料之间的空隙，导致空隙率减小；随着纤维含量继续增加，过多的纤维中有部分没能与集料充分混合均匀，也有可能是因为纤维含量增加而沥青用量不变导致纤维与集料的黏结性减弱，引起混合料的空隙率增大。此外，冻融后的再生沥青混合料空隙率较冻融前增加3%～12%，说明试件经过冻融受到了水破坏，主要是因为在冻融过程中一方面试件发生了变形，另一方面部分封闭空隙打开，空隙相互连通，使得混合料空隙率增大。

表8 再生沥青混合料冻融劈裂试验结果Tab.8 Freeze-thaw splitting test results of recycled asphalt mixture

3.1 劈裂抗拉强度分析

不同RAP掺量、纤维种类、纤维掺量下的再生沥青混合料劈裂抗拉强度变化如图3（a）、（b）所示。由图3可见，随着RAP掺量增加，再生沥青混合料的劈裂抗拉强度增大，表明RAP的存在有利于混合料形成更高的强度；随着纤维掺量增加，再生沥青混合料的劈裂抗拉强度呈现先增大后减小的趋势，这是因为纤维的加入使沥青混合料形成了三维网状结构，在混合料受到外界应力发生变形时，纤维牵附着集料和沥青一起运动，起到了很好的结构稳定作用，从而提升了沥青混合料的强度；然而，纤维含量过高时，再生沥青混合料的劈裂抗拉强度减小，主要是因为纤维的分布已接近饱和，再增加纤维易发生结团现象。此外，纤维含量增加导致吸油率增大，相对稳定的沥青用量使得混合料中的有效沥青含量降低，导致抗裂性下降，强度减小；相同纤维掺量下，玄武岩纤维的再生沥青混合料的劈裂抗拉强度较聚酯纤维高。

图3 不同纤维的再生沥青混合料劈裂抗拉强度Fig.3 Splitting tensile strength of recycled asphalt mixture with different fibers

3.2 冻融劈裂抗拉强度比分析

不同RAP掺量、纤维种类、纤维掺量下的再生沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比变化如图4所示。由图4可见，RAP掺量越高，冻融劈裂抗拉强度比越小，说明RAP影响再生沥青混合料的抗水损能力，且RAP掺量越高，水稳定性越差；随着纤维掺量的增加，冻融劈裂抗拉强度比逐渐增大，说明纤维可以有效提高再生沥青混合料的水稳定性，主要是因为掺入纤维后，再生沥青混合料内形成了三维网状结构，混合料的界面强度得到增强，有效改善了混合料的水稳定性；相同纤维掺量情况下，掺加玄武岩纤维的再生沥青混合料的残留强度比要高于掺加聚酯纤维的再生沥青混合料。