摻加纖維與青川巖瀝青的熱再生混合料配合比設(shè)計與路用性能

鄭慧慧

（商丘師范學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 商丘 476000）

0 引言

隨著我國公路建設(shè)的迅速發(fā)展和社會可持續(xù)發(fā)展及綠色公路的迫切需要，瀝青路面熱再生技術(shù)作為經(jīng)濟、低碳、節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)途徑之一[1-4]，近年來大比例RAP（Recycled Asphalt Pavement）摻量己逐漸成為當(dāng)前我國瀝青路面再生利用的趨勢和主流，隨著熱再生混合料在我國的各等級公路預(yù)防性養(yǎng)護和大中修工程中的廣泛應(yīng)用和推廣，許多科研機構(gòu)和高等院校也在積極開展有關(guān)瀝青路面熱再生技術(shù)方面的研究，并取得了豐碩研究成果。周志剛等[5]為了最大限度提高RAP摻配比例，提出了基于經(jīng)濟性能和技術(shù)指標(biāo)性能的熱再生混合料優(yōu)化設(shè)計方法。何兆益等[6-7]研究了不同RAP摻量熱再生混合料的路用性能和劈裂疲勞特性，結(jié)果表明隨著RAP摻量增大，熱再生瀝青混合料的低溫彎曲應(yīng)變大幅度減小，在長期水損害條件下，熱再生混合料水穩(wěn)定性逐漸變差，RAP摻量增大，熱再生混合料疲勞壽命顯著降低。陳靜云等[8]研究了高比例RAP摻量熱再生混合料的低溫抗裂性能。黃曉明等[9]研究了再生工藝對熱再生混合料低溫性能的影響。王杰等[10]研究了廠拌熱再生混合料的變異性，提出了廠拌熱再生混合料最大RAP添加控制模型。由于RAP材料的力學(xué)性能、物理指標(biāo)明顯劣化于新集料，加之熱再生混合料在生產(chǎn)過程中RAP受熱結(jié)團、變異性大、新舊料離析等技術(shù)難題，高比例RAP摻量熱再生混合料的低溫抗裂性及抗疲勞開裂耐久性成為工程界和學(xué)術(shù)界最為關(guān)注的問題之一，常規(guī)高RAP摻量廠拌熱再生混合料路用性能和耐久性能較難滿足工程建設(shè)要求，這是制約廠拌熱再生混合料增大RAP摻量的主要技術(shù)瓶頸之一。

纖維和巖瀝青是我國高等級公路瀝青路面常用的改性材料，巖瀝青因其能夠顯著改善瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能，且干法改性工藝簡單、經(jīng)濟性好等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于重載高溫多雨區(qū)瀝青路面[11－14]，纖維因其能夠在瀝青混合料內(nèi)部形成加筋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，顯著改善了瀝青混合料的抗疲勞性能，且經(jīng)濟性好等優(yōu)勢[15－16]。為了有效改善廠拌熱再生混合料抗裂性能、水穩(wěn)定性和耐久性，對摻加青川巖瀝青和纖維復(fù)配改性添加材料的熱再生瀝青混合料的路用性能及抗裂性能進(jìn)行研究，提高大比例RAP摻量熱再生混合料在極端氣候條件下的耐候性，延長使用壽命。以期豐富熱再生瀝青路面性能改善技術(shù)措施，為工程實踐提供參考與借鑒。

1 試驗方案

1.1 原材料

（1）青川巖瀝青（巖瀝青，Rock asphalt，RA）：主要由 N（3.91%）、C（84.05%）、H（7.55%）及 S（6.49%）組成，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 青川巖瀝青的性能指標(biāo)

（2）基質(zhì)瀝青（J）：SK90號A級道路石油瀝青，其性能指標(biāo)符合JTG F41—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》A級道路石油瀝青技術(shù)要求；橡膠油：市售，其各項指標(biāo)符合JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的RA－75型再生劑要求。

（3）纖維：木質(zhì)素纖維（LF）、聚酯纖維（PF）、玄武巖纖維（BF），均取自實體工程，纖維的主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

（4）RAP：回收瀝青路面材料來源于陜西某高速公路大中修瀝青混凝土表面層，大修時該瀝青路面已經(jīng)服役了8年，RAPM中的粗集料為玄武巖，瀝青結(jié)合料為SBS改性瀝青，RAPM由冷銑刨法獲取。采用燃燒法、阿布森法確定RAP的瀝青用量并回收RAP中的老化瀝青，RAP的主要技術(shù)指標(biāo)見表3。經(jīng)室內(nèi)試驗研究，在RAP老化瀝青中摻加10%橡膠油作為再生劑可將RAP中老化瀝青針入度提高至63（0.1 mm），10℃延度提高至78 cm，軟化點降低至67℃，試驗時摻加10%橡膠油作為再生劑。

表2 纖維的基本性能指標(biāo)

表3 RAP的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 巖瀝青與纖維復(fù)配方案

參考已有研究成果[11－16]，巖瀝青摻量選用10%（巖瀝青占瀝青質(zhì)量百分比），纖維摻量3.5%（占集料的質(zhì)量百分比），固定青川巖瀝青和纖維摻量，分別采用木質(zhì)素、聚酯、玄武巖3種纖維與青川巖瀝青進(jìn)行復(fù)配，根據(jù)已有研究成果，試驗研究增加了一種復(fù)合纖維方案，考慮到摻加木質(zhì)素纖維可提升瀝青混合料的低溫性能和抗疲勞性能，聚酯纖維可顯著改善瀝青混合料的低溫性能，玄武巖纖維可顯著改善瀝青混合料的高溫性能和疲勞性能，巖瀝青可顯著改善瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性和抗疲勞性能，為了能夠較好的改善熱再生混合料的低溫抗裂性能，同時兼顧復(fù)合改性劑的經(jīng)濟性，在確定復(fù)合纖維中的纖維組成時，采用相對較多的木質(zhì)素纖維和聚酯纖維，復(fù)合纖維（CF）總摻量為0.35%，其中m（木質(zhì)素纖維）∶m（聚酯纖維）∶m（玄武巖纖維）=3∶3∶2。

2 纖維與青川巖瀝青復(fù)合改性高RAP摻量熱再生混合料配合比設(shè)計

2.1 新舊集料加熱溫度

為了避免RAP加熱溫度過高導(dǎo)致的RAP表面瀝青二次老化、瀝青流淌和RAP結(jié)團、離析等問題，RAP加熱溫度一般不超過120℃，但是RAP預(yù)熱溫度過低時，會導(dǎo)致新集料加熱溫度過高，尤其是RAP摻量越大，為了滿足混合料攤鋪碾壓溫度，新集料預(yù)熱溫度往往會超過230℃，反而不經(jīng)濟且生產(chǎn)困難，綜合考慮，試驗時將RAP預(yù)熱至115℃，新集料預(yù)熱溫度以控制熱再生混合料拌合溫度為165～170℃通過室內(nèi)拌合試驗確定，最終新集料加熱溫度采用210℃。

2.2 纖維與青川巖瀝青干法改性工藝

試驗中纖維、青川巖瀝青的摻加方式采用干法改性工藝：（1）將新集料加熱至210℃，RAP加熱至115℃、基質(zhì)瀝青加熱至160℃；（2）先將RAP倒入攪拌鍋，RAP中摻加8%橡膠油，攪拌30 s，使RAPM表面老化瀝青與橡膠油充分、均勻接觸，以還原老化瀝青部分路用性；（3）將RAP與新集料混合，一起攪拌45 s；（4）加入預(yù)定質(zhì)量的青川巖瀝青與纖維復(fù)合添加劑，一起攪拌60 s；（5）最后加入礦粉，攪拌60 s后完成熱再生混合料制備。

2.3 礦料級配組成設(shè)計

5～10 mm、10～15 mm 兩檔新集料采用玄武巖碎石，3～5 mm、0～3 mm兩檔新集料采用石灰?guī)r機制砂，RAP分為0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm三檔，礦粉由石灰?guī)r磨制而成。以JTGF 40—2004規(guī)范AC－13中值級配各篩孔分計篩余量為目標(biāo)篩余量，對比0～13.2 mm各個目標(biāo)級配與RAP分計篩余的數(shù)據(jù)，計算各自所對應(yīng)的比值（目標(biāo)篩余量占RAP篩余量的百分比），經(jīng)過分析可知，所對應(yīng)比值的最小值應(yīng)作為RAP摻配比例的最大值，結(jié)果見表4。

表4 RAP篩分匯總結(jié)果

由表4分析可知，0.6 mm這檔對應(yīng)的比值是52.4%，很明顯RAP最大的摻量為52.4%。根據(jù)RAPM的特性和新舊集料篩分試驗結(jié)果，并結(jié)合上述研究結(jié)果，合成級配最終確定RAMP摻量為40%（見表5）。

表5 熱再生混合料礦料級配組成

2.4 馬歇爾試驗

根據(jù)JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》的要求，熱再生瀝青混合料的目標(biāo)配合比設(shè)計采用馬歇爾試驗方法。按照上述工廠化生產(chǎn)參數(shù)拌合纖維與青川巖瀝青復(fù)合改性高RAP摻量（40%）熱再生混合料，不同纖維與青川巖瀝青復(fù)配方案的熱再生混合料馬歇爾試驗結(jié)果見表6。

表6 馬歇爾試驗結(jié)果

由表6可見，青川巖瀝青改性熱再生混合料最佳瀝青用量與普通熱再生混合料差異不大，摻加青川巖瀝青顯著提高了熱再生混合料的馬歇爾穩(wěn)定度。相比普通熱再生混合料，摻加單一纖維或復(fù)合纖維后，最佳瀝青用量增加了0.41%～1.06%，摻加單纖維及復(fù)合纖維后熱再生混合料的礦料間隙率（VMA）、瀝青飽和度（VFA）增大。木質(zhì)素纖維、復(fù)合纖維改性熱再生混合料的最佳瀝青用量最大，聚酯纖維、玄武巖纖維改性熱再生混合料最佳瀝青用量相差不大，這主要是木質(zhì)素纖維的比表面積大、吸持瀝青能力最好。

3 纖維與青川巖瀝青復(fù)合改性高RAP摻量熱再生混合料的路用性能

3.1 車轍試驗

車轍試驗按照J(rèn)TG E 20—2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》規(guī)定的T0719—2011進(jìn)行。車轍試驗試件由輪碾法成型，試件尺寸300 mm×300 mm×50 mm，試驗溫度60℃，試驗輪行走速率42次/min，試驗結(jié)果見表7。

表7 車轍試驗結(jié)果

由表7可見，與基質(zhì)瀝青熱再生瀝青混合料相比，摻10%青川巖瀝青后熱再生混合料車轍試驗動穩(wěn)定度DS增大至2.1倍，加載2520次時的車轍變形量減小了15%，表明摻加青川巖瀝青能夠顯著提高熱再生混合料的高溫抗車轍性能。相比普通熱再生混合料和青川巖瀝青改性熱再生混合料，摻加0.35%木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維后，熱再生混合料車轍試驗動穩(wěn)定度分別增大了1.32、1.49、1.77、1.91倍和0.11、0.19、0.32、0.39倍，可見將纖維與青川巖瀝青復(fù)配后可進(jìn)一步改善熱再生混合料的高溫性能，復(fù)合纖維對熱再生混合料高溫性能改善最優(yōu)，單一纖維改性巖瀝青熱再生混合料的高溫性能由大到小其次排序依次是玄武巖纖維、聚酯纖維、木質(zhì)素纖維。4種熱再生混合料的動穩(wěn)定度可達(dá)到5000次/mm以上，纖維與巖瀝青復(fù)合改性熱再生混合料具有優(yōu)良的高溫性能，抗車轍能力優(yōu)良。

3.2 低溫抗裂性能

按照J(rèn)TG F41—2008，采用低溫小梁彎曲試驗評價熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性能，采用30 mm×35 mm×250 mm小梁試件，單點加載方式，支點間距200 mm，加載速率為50 mm/min，試驗溫度為-10℃。根據(jù)瀝青混合料的低溫破壞機理，瀝青混合料中儲存的彈性應(yīng)變能越多，低溫破壞荷載作用下的抗彎拉強度越大、變形能力越大，其承受溫度驟降產(chǎn)生的溫度應(yīng)力能力越強，其低溫抗裂性能就越好。根據(jù)瀝青混合料的破壞根據(jù)瀝青混合料的破壞能的定義，可以將其單位體積的破壞能表示為式（1），通過對低溫彎曲試驗結(jié)果曲線分析發(fā)現(xiàn)，三次多項式可以較好地模擬低溫彎曲試驗的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[見（式 2）]，即將式（2）代入式（1）中，可計算出瀝青混合料的破壞應(yīng)變能。低溫彎曲試驗結(jié)果見表8。

式中：A、B1、B2、B3表示回歸后的材料參數(shù)。

表8 低溫彎曲試驗結(jié)果

由表8可見，與基質(zhì)瀝青熱再生瀝青混合料相比，青川巖瀝青改性熱再生混合料的抗彎拉強度、彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量分別提高了34%、18%和14%，可見青川巖瀝青對熱再生混合料低溫性能有一定的改善效果，這主要是青川巖瀝青中的灰分富含堿性礦物，能夠提高瀝青與集料的粘附性，但是青川巖瀝青中的瀝青稠度大，變形能力差，一定程度上降低了瀝青混合料的低溫性能，前者對瀝青混合料低溫性能的增強效果大于后者，總體表現(xiàn)為青川巖瀝青改性熱再生混合料勁度模量、彎拉強度增大，而破壞應(yīng)變能和彎曲應(yīng)變提高不明顯。

與青川巖瀝青改性熱再生混合料相比，摻加木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維及復(fù)合纖維后，熱再生混合料的抗彎拉強度提高了3.2%、5.8%、8.1%、9.7%，彎曲應(yīng)變提高了27%、45%、56%、73%，破壞應(yīng)變能提高了35%、56%、76%、86%，纖維對青川巖瀝青改性熱再生混合料的彎曲應(yīng)變、單位體積破壞應(yīng)變能增加較為明顯，摻加纖維可進(jìn)一步提高熱再生瀝青混合料的低溫性能。與基質(zhì)瀝青熱再生瀝青混合料相比，摻加木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維及復(fù)合纖維后，熱再生混合料彎曲應(yīng)變提高了50%、71%、83%、104%，4種纖維與巖瀝青復(fù)合改性熱再生混合料彎曲應(yīng)變均大于3000 με，符合現(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范冬嚴(yán)寒區(qū)瀝青混合料彎曲應(yīng)變大于2600 με的低溫抗裂要求，采用纖維與巖瀝青復(fù)配方案可提高普通熱再生混合料在我國北方冬嚴(yán)寒區(qū)的適用范圍。通過采用最大彎拉應(yīng)變、抗彎拉強度和單位體積低溫破壞能這3個評價指標(biāo)對熱再生瀝青混合料小梁低溫彎曲試驗結(jié)果進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)在四種復(fù)合改性熱再生混合料中，復(fù)合纖維對巖瀝青改性熱再生瀝青混合料低溫性能的改善效果最佳。

3.3 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價熱再生混合料的水穩(wěn)定性。浸水馬歇爾試驗、凍融循環(huán)試驗方法參照J(rèn)TG E20—2011進(jìn)行，試驗結(jié)果見表9。

表9 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

由表9可見，基質(zhì)瀝青熱再生混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均不超過75%，較難滿足現(xiàn)行規(guī)范對瀝青混合料水穩(wěn)定性的相關(guān)要求，這與已有研究成果相吻合。摻加巖瀝青及巖瀝青與纖維復(fù)合改性劑后，高RAP摻量熱再生混合料凍融后的劈裂強度可達(dá)1.2 MPa以上，凍融劈裂強度比和浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度比可達(dá)到90%以上，纖維與巖瀝青復(fù)合改性熱再生混合料水穩(wěn)定性能夠滿足規(guī)范要求。相比而言，4種巖瀝青與纖維復(fù)合改性熱再生混合料比巖瀝青改性熱再生混合料具有更大的凍融劈裂強度和凍融劈裂比，其水穩(wěn)定性更佳，這說明纖維與巖瀝青復(fù)合改性措施能擴大高RAP摻量熱再生混合料的使用范圍。

4 結(jié)論

（1）摻加青川巖瀝青與纖維后，熱再生混合料最佳瀝青用量增大，纖維與巖瀝青復(fù)合改性熱熱再生混合料的動穩(wěn)定度可達(dá)到5000次/mm以上，-10℃彎曲應(yīng)變大于3000 με，凍融后的劈裂強度可達(dá)1.2 MPa以上，凍融劈裂強度比和浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度比可達(dá)到90%以上，摻加纖維與巖瀝青復(fù)合改性劑能擴大高RAP摻量熱再生混合料在全國范圍內(nèi)的使用范圍。綜合來看，青川巖瀝青與纖維能夠改善熱再生混合料抗車轍性能、提高大比例RAP摻量熱再生混合料水損害及抗裂性能，且加工較為方便的一種改性材料。

（2）纖維與巖瀝青對瀝青混合料水穩(wěn)定性和高溫性能改善的疊加作用，使得青川巖瀝青與纖維復(fù)合改性劑顯著提高了熱再生混合料在水-高溫-荷載耦合作用下的抗永久變形能力。摻加纖維與巖瀝青顯著增大了熱再生混合料的疲勞壽命，尤其是增加了高應(yīng)變水平下的疲勞壽命，同時降低了熱再生混合料疲勞性能對應(yīng)變水平的敏感性。

（3）通過綜合分析不同纖維與巖瀝青復(fù)配方案下熱再生混合料的高低溫性能、水穩(wěn)定性及抗疲勞耐久性，建議在全國范圍內(nèi)推廣大比例RAP熱再生技術(shù)時可優(yōu)先選用巖瀝青與玄武巖復(fù)配方案或巖瀝青與復(fù)合纖維復(fù)配方案，對于我國北方嚴(yán)寒地區(qū)可優(yōu)先選用聚酯纖維與巖瀝青復(fù)配方案或復(fù)合纖維與巖瀝青復(fù)配方案。