木质素纤维改善再生沥青混合料的路用性能研究

2022-12-27冯松锴

合成材料老化与应用 2022年6期

冯松锴

（郑州路桥建设投资集团有限公司，河南郑州 450000）

高等级沥青路面在我国交建工程得到了广泛的应用，但随着交通重载、超载等现象日益剧增，给路面使用性能及寿命造成严重的影响，导致许多沥青路面在2~3年内便产生了损害，从而需要进行大中修护[1-2]。沥青路面大中修过程中会产生大量的废旧沥青不仅占用了土地资源，还严重污染了自然环境，因而如何将其再生利用成为了现阶段公路研究者的热点课题[3-4]。

目前，国内学者在废旧沥青混合料再生利用方面进行了不少研究，如周刚等[5]分别探究了沥青用量与聚酯纤维掺量对再生沥青混合料路用性能的影响规律，得到聚酯纤维对其低温抗裂性能、水稳定性能有所改善，而沥青过量或沥青膜厚度过高则会降低混合料的低温抗裂性能及水稳定性能；陈伦坤[6]通过对不同玄武岩纤维掺量的再生沥青混合料进行高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性试验，得到0.3%掺量玄武岩纤维外掺能够有效提升混合料的路用性能；焦江华[7]研究了SBS、SBR两种改性沥青分别对温拌再生沥青混合料路用性能的影响，得到两种改性沥青均能有效改善混合料的路用性能，但前者的改善效果更优；顾万等[8]将玄武岩纤维和高模量剂以单掺、复掺形式加入再生沥青混合料中，并对其路用性能改善效果进行对比分析，得到复掺情形下再生沥青混合料的旧料利用率可达50%。本文以SMA-13马蹄脂级配再生沥青混合料为对象，系统探讨了不同木质素纤维掺量对再生沥青混合料路用性能的影响规律，以期为再生沥青混合料的设计提供参考与借鉴。

1 试验材料

1.1 铣刨料(RAP)

选用某城市快速路改造工程中产生的废旧沥青混合料，通过对铣刨料回收老化沥青进行抽提，测得铣刨料的技术指标见表1，铣刨料的级配组成筛分结果见表2。

表1 回收老化沥青性能指标Table 1 Performance indexes of recycled aged asphalt

表2 铣刨料RAP的筛分通过率Table 2 Screening pass rate of RAP for milling materials

1.2 沥青

选用成品SBS 改性沥青，其性能指标见表3。

表3 SBS改性沥青性能指标Table 3 Performance indexes of SBS modified asphalt

1.3 集料

粗细集料均为玄武岩，其相关技术指标均符合规范规定。

1.4 木质素纤维(LF)

选用外观为灰白色的木质素纤维，其性能指标见表4。

表4 木质素纤维技术指标Table 4 Technical indexes of lignin fiber

1.5 旧沥青再生剂

选用深绿色黏稠油状液体RA-25沥青再生剂，其性能指标见表5。

表5 RA-25沥青再生剂技术指标Table 5 Technical indexes of RA-25 asphalt regenerant

2 废旧沥青再生及试验配合比设计

2.1 废旧沥青再生

根据铣刨料RAP中回收老化沥青的性能情况，将不同掺量RA-25再生剂掺入已老化的沥青中进行恢复再生处理，并分别测量其再生后的针入度、延度、软化点、旋转黏度等技术指标，以确定出沥青再生剂的最优掺量。不同掺量再生剂恢复后的沥青性能指标变化如图1所示。可以看出，铣刨料老化沥青在选用5%的再生剂恢复处理后得到较好的使用性能。

图1 不同掺量再生剂的沥青性能指标变化曲线Fig. 1 Change curve of asphalt performance index with diff erent amount of regenerant

2.2 试验配合比设计

再生沥青混合料采用SMA-13马蹄脂级配，试验设计了0%、15%、30%、50%、70%共5种铣刨料掺量，SMA-13再生沥青混合料的目标级配曲线如图2所示。

图2 SMA-13再生沥青混合料目标级配曲线Fig.2 Target grading curve of SMA-13 recycled asphalt mixture

2.3 油石比

以公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004中相关标准为依据，分别对0%、1%、2%、3%掺量的木质素纤维再生沥青混合料试件进行马歇尔试验来确定其最佳油石比，以30%RAP为例，其最佳油石比结果见表6。

表6 木质素纤维再生沥青混合料的最佳油石比Table 6 Optimum asphalt aggregate ratio of lignin f iber recycled asphalt mixture

3 试验结果及分析

3.1 高温稳定性

通过对不同木质素纤维掺量的再生沥青混合料进行高温车辙试验，得到其动稳定度的变化曲线如图3所示。

图3 不同纤维掺量的动稳定度变化曲线Fig. 3 Dynamic stability variation curve of different fiber content

根据图3可知，不同再生沥青混合料在标准车辙试验情况下的动稳定度均符合规范要求，其中随着RAP掺量的增加，相同纤维掺量再生沥青混合料的动稳定度均呈逐渐增大变化趋势，说明RAP的加入能够显著提高再生沥青混合料的动稳定度，原因是RAP旧料中的老化沥青增大了混合料的黏度，从而增强了其抵抗高温剪切变形的能力。随着木质素纤维掺量的增加，相同RAP掺量再生沥青混合料的动稳定度也均呈逐渐增大变化，说明木质素纤维也能够有效提升再生沥青混合料的动稳定度；当木质素纤维由0增至3%时，不同RAP掺量再生沥青混合料的动稳定度分别提高了18.5%、19.6%、21.7%、15.5%、11.8%，说明在掺入过量的RAP旧料情况下，木质素纤维对再生沥青混合料的增强效果出现一定程度的削弱，但其整体的动稳定度仍有明显的提升。考虑到再生沥青混合料的动稳定度过高会产生硬脆化现象，致使其在低温条件下容易发生开裂损害，因此木质素纤维的合理掺配需综合再生沥青混合料其它性能进行选定。

3.2 低温抗裂性

依据公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTGE20-2011）中相关规定及标准，针对不同木质素纤维掺量的再生沥青混合料进行低温小梁弯曲试验，其中试验温度为-10℃，加载速率为50mm/min，试验结果如图4所示。

图4 不同纤维掺量的破坏应变变化曲线Fig. 4 Failure strain variation curve of different fiber content

由图4可知，再生沥青混合料在标准小梁弯曲试验情况下的破坏应变均随着RAP掺量的增加呈逐渐降低变化，其中当RAP旧料掺量为15%左右时，再生沥青混合料的破坏应变能够满足规范要求（≥2500με），但当RAP旧料掺量超过30%时，破坏应变则均低于规范要求，说明RAP旧料对其低温抗裂性能产生了明显的劣化作用。随着木质素纤维掺量的增加，不同RAP掺量再生沥青混合料的破坏应变呈逐渐增大变化趋势，当木质素纤维由0增至3%时，不同RAP掺量再生沥青混合料的破坏应变分别提高了20.5%、17.9%、19.4%、30.1%、23.4%，说明木质素纤维能提高再生沥青混合料的破坏应变，原因是木质素纤维在结构内部呈絮状分布能有效地吸附沥青，故低温抗裂性能增强；在RAP掺量超过30%后，木质素纤维虽对混合料的破坏应变有所增强，但其增幅效果表现并不突出，原因是木质素纤维无法改变混合料的骨料结构、胶结料的黏结强度等本质性能。

3.3 水稳定性

再生沥青混合料的水稳定性能依据JTG E20-2011中的浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验进行综合评价。通过对不同木质素纤维掺量的再生沥青混合料展开浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验，分别得到浸水残留稳定度、冻融劈裂强度比的变化曲线，如图5、图6所示。

图5 不同纤维掺量的残留稳定度变化曲线Fig. 5 Variation curve of residual stability with diff erent f iber content

图6 不同纤维掺量的冻融劈裂强度比变化曲线Fig. 6 Variation curve of freeze-thaw splitting strength ratio with diff erent f iber content

从图5可知，再生沥青混合料的浸水残留稳定度随着RAP旧料掺量的增加呈逐渐降低变化趋势，其中当RAP旧料掺量达到30%时，浸水残留稳定度低于规范控制要求（≥85%），说明RAP旧料对混合料的浸水残留稳定度产生了明显的影响，原因是在浸水环境下疏松多孔的RAP旧料能吸收大量水分，从而削弱混合料间的界面接触能力。随着木质素纤维掺量的增加，不同RAP再生沥青混合料的浸水残留稳定度均呈先增大后减小变化，其中当RAP旧料掺量不超过30%时，加入合适木质素纤维能够使得混合料的浸水残留稳定度满足规范要求，原因是木质素纤维能吸收旧料孔隙内的部分水分，故而增强了结构稳定性。

由图6可知，在标准冻融劈裂试验情况下再生沥青混合料的冻融劈裂强度比随着RAP旧料掺量的增加呈逐渐降低变化，其中RAP旧料掺量达到30%时，冻融劈裂强度比已低于规范规定要求（≥80%），说明RAP旧料对混合料的冻融劈裂强度比产生了明显的影响，原因是RAP旧料呈疏松多孔状，在浸水及冷冻环境影响下较易发生失稳。随着木质素纤维掺量的增加，不同再生沥青混合料的冻融劈裂强度比均呈先增大后减小变化，在木质素纤维加入后混合料的RAP旧料掺量最高可达40%左右，原因是木质素纤维均匀地分布于混合料内被沥青胶浆有效包裹，因此增强了再生沥青混合料的强度及稳定性。