復(fù)摻芳綸纖維和玻璃纖維再生瀝青混合料路用性能研究

張 榮,王 彬

(1.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學院，武漢 430205;2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063)

0 引 言

近年來，隨著我國交通行業(yè)的快速發(fā)展，公路建設(shè)主體逐漸向改擴建發(fā)展轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生了大量的廢棄瀝青混合料。這些廢棄瀝青混合料若不能合理利用，不僅會造成資源浪費，而且會造成環(huán)境嚴重污染[1-2]。因此，針對廢棄瀝青混合料的回收利用成為近年來公路行業(yè)的重點研究方向[3-4]。廢棄瀝青混合料自身性能較差，國內(nèi)外專家[5-6]提出了諸多方法提升再生瀝青混合料(RAP)的路用性能，向瀝青混合料中添加纖維是較常用的一種。大量研究表明，纖維對瀝青混合料部分性能具有改善作用。Lee等[7]通過斷裂能試驗表明，使用纖維可提高瀝青混合料的耐疲勞性能。Mahrez等[8]的研究結(jié)果表明，纖維瀝青混合料具有較高的彈性模量、抗永久變形和抗車轍性能。吳少鵬等[9]通過動態(tài)模量試驗對纖維素、聚酯纖維和無機纖維的瀝青混合料進行測試，結(jié)果表明，纖維瀝青混合料比常規(guī)瀝青混合料具有更高的動態(tài)模量。Shu等[10]研究發(fā)現(xiàn)，鈣藻酸鹽/二氧化硅復(fù)合纖維的瀝青混合料具有較好的抗酸雨及鹽堿溶液腐蝕能力。

芳綸纖維和玻璃纖維作為兩種常用的纖維改性劑，在改性瀝青混合料方面得到了大量應(yīng)用研究。首先是芳綸纖維方面，孫雅珍等[11]通過劈裂試驗，研究了芳綸纖維的抗裂性能并確定了其最佳摻量，同時對芳綸纖維瀝青混合料的路用性能進行分析，結(jié)果表明芳綸纖維瀝青混合料的力學性能、耐久性有明顯改善。Slebi-Acevedo等[12]的研究表明，添加0.3%(質(zhì)量分數(shù))芳綸纖維或聚丙烯腈纖維的瀝青砂漿抗裂性能得到顯著提升。Wisniewski等[13]對添加芳綸纖維的高模量瀝青混合料性能進行研究，發(fā)現(xiàn)混合料耐疲勞性能提升不顯著。Takaikaew等[14]和Kaloush等[15]研究了聚烯烴-芳綸聚合物纖維改性瀝青混合料的各項性能，結(jié)果表明，使用聚烯烴-芳綸聚合物纖維可提高瀝青混合料的內(nèi)聚力和剪切應(yīng)力，并提升混合料抗永久變形的能力。其次是玻璃纖維方面，吳清舟等[16]對不同纖維瀝青混合料的粘結(jié)強度進行測試，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維與瀝青間的粘結(jié)性能優(yōu)于玄武巖纖維及鋼纖維。劉朋飛等[17]通過對玻璃纖維瀝青混合料開展半圓彎曲試驗，認為玻璃纖維可提升瀝青混合料的抗裂性能并可增強其韌性。Ziari等[18]的研究表明，玻璃纖維對使用再生集料造成的再生瀝青混合料開裂傳播行為具有顯著抑制作用，可有效提升再生瀝青混合料的使用性能。蔡俊華[19]通過試驗研究了玻璃纖維對超薄瀝青混合料路用性能的改善效果，結(jié)果表明，0.4%纖維摻量混合料的水穩(wěn)定性及耐疲勞性能提升效果最為顯著。Morea等[20]研究發(fā)現(xiàn)，使用較長的玻璃纖維可顯著改善混合料的抗車轍性能，使其永久變形大幅度減少，并減少由于疲勞和低溫造成的開裂現(xiàn)象。

國內(nèi)外針對摻纖維的瀝青混合料性能進行了大量研究，但目前尚且缺乏針對芳綸纖維和玻璃纖維單摻以及復(fù)摻對再生瀝青混合料性能影響的研究。為此，本文采用芳綸纖維和玻璃纖維，針對單摻和兩者復(fù)摻下再生瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性和低溫抗裂性展開系統(tǒng)研究，從而驗證兩種纖維對再生瀝青混合料路用性能的影響效果。

1 實 驗

1.1 原材料

(1)瀝青

瀝青采用SK 90#基質(zhì)瀝青，其各項技術(shù)指標如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青的主要技術(shù)指標Table 1 Main technical specifications of matrix asphalt

(2)集料

粗集料采用石灰?guī)r碎石，其表觀相對密度為2.804 g/cm3，吸水率為0.741%，針片狀含量為7.0%(質(zhì)量分數(shù))，壓碎值為13.8%；細集料為機制砂，其表觀密度為2.752 g/cm3。所用RAP料為廢舊瀝青路面回收瀝青混合料，RAP中油石比為3.6%(質(zhì)量分數(shù))，RAP的篩分結(jié)果如表2所示。圖1所示為新舊集料級配設(shè)計曲線，其中RAP摻量為40%(質(zhì)量分數(shù))。

表2 RAP再生料篩分結(jié)果Table 2 Screening result of RAP

圖1 集料級配曲線圖Fig.1 Aggregate gradation curves

(3)纖維

采用兩種不同類型的纖維，分別為芳綸纖維和玻璃纖維，其中芳綸纖維長度為19 mm，密度為1.44 g/cm3，拉伸強度為300 MPa，分解溫度為426 ℃；玻璃纖維的長度為13 mm，密度為2.70 g/cm3，拉伸強度為400 MPa，分解溫度為1 000 ℃以上。兩種纖維單摻時，在瀝青混合料中的摻量為0.30%(質(zhì)量分數(shù))；復(fù)摻時，兩種摻量均為0.15%。黃珊[21]和周嘉博[22]采用濕拌法將玻璃纖維摻入瀝青中，玻璃纖維被瀝青裹覆后，由于瀝青有粘結(jié)性，在與集料拌和時極易將成束的纖維拉成單絲纖維，加之集料與瀝青拌和時，集料在分散瀝青的同時對瀝青中的纖維也有拉扯的作用，這使得纖維在集料中成絲多，分散均勻，甚至形成網(wǎng)狀搭接結(jié)構(gòu)。復(fù)摻玻璃纖維和芳綸纖維時，考慮到芳綸纖維的老化性，故先摻玻璃纖維、后摻芳綸纖維(先后法)。故本研究采用“濕拌法”及“先后法”來達到纖維在瀝青混合料中均勻分布的目的。

1.2 配合比設(shè)計

通過對瀝青混合料的最佳油石比進行設(shè)計，最終確定再生瀝青混合料的最佳油石比為4.8%。為對比研究，本文針對不同纖維再生瀝青混合料都采用與對比樣瀝青相同的油石比，對不同瀝青混合料的體積指標進行測試，其結(jié)果如表3所示(其中瀝青混合料試件的空隙率用VV表示，瀝青混合料試件的有效瀝青飽和度用VFA表示)。從表3中可以看出，不同纖維類型對瀝青混合料的體積指標影響較小，與對比樣瀝青相比，芳綸纖維再生瀝青混合料的穩(wěn)定度提高，流值降低，而玻璃纖維再生瀝青混合料的穩(wěn)定度降低、流值提高；與對比樣瀝青相比，復(fù)合改性瀝青的穩(wěn)定度增大，流值顯著降低。

表3 AC-20再生瀝青混合料各項體積指標測試結(jié)果Table 3 Test results of various volume indexes of AC-20 recycled asphalt mixture

1.3 試驗方法

(1)高溫車轍試驗

采用車轍試驗針對不同再生瀝青混合料的高溫抗永久變形能力進行測試，測試時室內(nèi)成型30 cm×30 cm×5 cm試件板，測試溫度為60 ℃，測試前將試件保溫至少4 h。其中高溫性能用平均車轍深度(RD)進行表征。

(2)動態(tài)模量試驗

瀝青混合料動態(tài)模量采用簡單性能試驗(SPT)進行測試，通過靜壓法成型φ100 mm×150 mm的瀝青混合料圓柱形試件。試驗采用連續(xù)無間歇的半正矢荷載波形。不施加圍壓，試驗溫度為4.4 ℃、21.1 ℃、37.8 ℃、54.4 ℃四個不同溫度、試驗頻率為0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz、25 Hz六個不同頻率。試驗前將試件放入試驗溫度的空氣浴中保溫3 h，試驗開始后，先進行高頻率試驗，然后進行低頻率試驗。對于每個頻率，首先進行10次預(yù)壓，然后開始正式試驗，加載次數(shù)為10次。

(3)間接拉伸試驗

采用間接拉伸(IDT)試驗對不同瀝青混合料的低溫抗裂性能進行測試，其測試過程參照美國AASHTO T322試驗方法，該方法可測得瀝青混合料斷裂能和強度，可同時適用于室內(nèi)和現(xiàn)場瀝青混合料的低溫性能測試。測試時將旋轉(zhuǎn)壓實試件取芯且切割成φ100 mm×150 mm的圓柱形試件，然后將LVDT位移傳感器貼在試件兩側(cè)，傳感器測量長度為50.8 mm，測試溫度為-10 ℃。

(4)水穩(wěn)定性測試

瀝青混合料的水穩(wěn)定性采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗進行測試，其測試規(guī)程依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)，其中水穩(wěn)定指標可采用殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比(TSR)進行表征。

(5)半圓彎曲試驗

半圓彎曲(SCB)試驗法可對不同成型方法的瀝青混合料進行測試和分析，半圓試件底部有兩個圓棒作為支撐，支撐距離一般為瀝青混合料試件直徑的0.8倍，用圓棒在半圓試件頂部中間位置進行加載，加載速率為0.000 5 mm/s，試驗溫度分別為4.4 ℃、21.1 ℃、37.8 ℃，測量得到瀝青混合料的斷裂韌性和斷裂能密度等參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫性能分析

(1)高溫車轍試驗

對不同瀝青混合料進行高溫車轍試驗，其結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，針對不同再生瀝青混合料，經(jīng)10 000次車轍作用后，對比樣瀝青的車轍深度為2.35 cm，當再生瀝青混合料中加入芳綸纖維后，再生瀝青混合料的車轍深度(2.21 cm)略有降低，而當瀝青混合料中加入玻璃纖維和復(fù)摻纖維后，再生瀝青混合料的車轍深度顯著降低，兩種瀝青混合料的車轍深度分別為1.55 cm和1.35 cm，其降低程度分別達34.0%和42.6%，表明玻璃纖維和復(fù)摻纖維可顯著改善瀝青混合料的高溫抗車轍性能。

圖2 不同再生瀝青混合料的高溫車轍試驗測試結(jié)果Fig.2 Test results of high-temperature rutting testfor different recycled asphalt mixtures

圖3為纖維和纖維與瀝青混合料形成的網(wǎng)狀三維結(jié)構(gòu)的SEM照片。如圖3所示，其原因可能是纖維的比表面積較大，可與較多的瀝青形成結(jié)構(gòu)瀝青，減少自由瀝青的數(shù)量，同時纖維的相互搭接形成了網(wǎng)狀三維結(jié)構(gòu)，限制高溫下瀝青的流動，從而改善混合料的高溫穩(wěn)定性。

圖3 纖維、纖維與瀝青混合料形成的網(wǎng)狀三維結(jié)構(gòu)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)動態(tài)模量試驗

采用簡單性能試驗(SPT)對不同再生瀝青混合料的動態(tài)模量E*進行測試，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同再生瀝青混合料動態(tài)模量Fig.4 Dynamic modulus of different recycled asphalt mixtures

從圖4可以看出，四種不同再生瀝青混合料的動態(tài)模量測試結(jié)果呈相似的變化規(guī)律。在相同的試驗溫度下，不同混合料的動態(tài)模量隨頻率的增加而逐漸增大，這是因為瀝青混合料在正弦荷載作用下，隨著加載頻率逐漸增加，其對荷載響應(yīng)的滯后現(xiàn)象更為明顯。而在相同的加載頻率下，各混合料的動態(tài)模量值均隨著溫度的升高而降低。由粘彈性理論可知，瀝青隨著溫度的升高逐漸軟化，從而導(dǎo)致瀝青混合料由彈性向塑性發(fā)展。

由圖4可知，在4.4 ℃條件下，再生瀝青混合料在動態(tài)荷載作用下整體表現(xiàn)出較高的動態(tài)模量，當溫度上升至21.1 ℃以后，動態(tài)模量迅速下降，因此隨著溫度的增加，應(yīng)變也迅速增加，從而增加了產(chǎn)生車轍的幾率。而摻入纖維后，瀝青混合料在37.8 ℃、54.4 ℃時的動態(tài)模量均高于對比樣瀝青，其原因可能是纖維的摻入增加了瀝青的彈性，使得再生瀝青混合料粘彈性質(zhì)中的彈性成分增加，從而使其動態(tài)模量增大。通過對比分析37.8 ℃、54.4 ℃條件下的動態(tài)模量可知，摻入纖維后，再生瀝青混合料在高頻區(qū)域的動態(tài)模量均比對比樣瀝青高，表明其抗高溫能力增強，且溫度越高，其改善效果愈明顯。且單摻芳綸纖維和玻璃纖維以及兩者復(fù)摻均對瀝青混合料動態(tài)模量表現(xiàn)出良好的增強效果，由此可以看出，纖維的吸附、穩(wěn)定作用使瀝青混合料的高溫變形減小，提高了混合料的高溫穩(wěn)定性。

通過前面的論述得知，溫度和加載頻率是影響瀝青混合料動態(tài)模量的主要因素，其粘彈性力學行為對溫度和加載時間具有明顯的依賴性。以時溫等效原理為基礎(chǔ)，瀝青混合料的力學性質(zhì)可先在參考溫度下形成光滑曲線(主曲線)，然后不同溫度與加載頻率的主曲線可以通過參考溫度下的主曲線進行平移得到。這樣就能拓展更廣闊的適用空間，不必進行長時間的室內(nèi)試驗。通過動態(tài)模量主曲線可以全面反映混合料對溫度和加載頻率的相應(yīng)特性。

本研究根據(jù)所得的動態(tài)模量試驗數(shù)據(jù)，選用21.1 ℃作為標準的參考溫度，通過時溫等效原理，采用Sigmoidal函數(shù)進行最小二乘擬合，確定了四種不同類型的再生瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線，如圖5所示。

圖5 不同再生瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線Fig.5 Dynamic modulus main curves of differentrecycled asphalt mixtures

Sigmoidal函數(shù)如式(1)所示。

(1)

式中:E*為動態(tài)模量；fr為參考溫度下的荷載頻率；δ、α、β、γ為回歸系數(shù)，δ為動態(tài)模量的最小值，δ+α為動態(tài)模量的最大值；β、γ為描述Sigmoidal函數(shù)形狀的參數(shù)。

時溫換算方法如式(2)所示。

lgfr=lgf+lga(T)

(2)

式中：f為試驗加載頻率；T為試驗溫度；a(T)為位移因子。

根據(jù)時溫等效原理，若研究再生瀝青混合料的高溫性能，主要應(yīng)考察其主曲線的低頻部分，從圖5中可以看出，與對比樣瀝青相比，單摻芳綸纖維和玻璃纖維對再生瀝青混合料的動態(tài)模量影響較小，而當兩者復(fù)摻時，復(fù)合改性瀝青低頻區(qū)的動態(tài)模量略高于對比樣瀝青，說明在較高溫度下，復(fù)摻纖維可以提高再生瀝青混合料的抗車轍或抗永久變形能力。

2.2 低溫抗裂性能

采用IDT試驗對不同再生瀝青混合料的低溫抗裂性能進行測試，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同再生瀝青混合料的低溫抗裂性能Fig.6 Low-temperature crack resistance of different recycled asphalt mixtures

從圖6可以看出：與對比樣瀝青相比，單摻芳綸纖維對再生瀝青混合料的低溫抗裂性能有一定的負面影響，摻芳綸纖維再生瀝青混合料的斷裂能密度和抗拉強度較對比樣瀝青均有所降低；而摻玻璃纖維對再生瀝青混合料的低溫抗裂性能有一定的提升，其斷裂能密度和抗拉強度較對比樣略有增大。此外，從圖6中可以明顯看出，復(fù)摻纖維再生瀝青混合料的低溫抗裂性能進一步增大，表明二者復(fù)摻可提升瀝青混合料的低溫抗裂性能，其主要原因是芳綸纖維和玻璃纖維均能吸附瀝青混合料中一定量的輕質(zhì)組分，而芳綸纖維的吸油率較低，致使芳綸纖維與含瀝青膠漿的握裹力不足，不能充分發(fā)揮芳綸纖維的抗拉強度。而兩者的復(fù)配效應(yīng)使纖維對瀝青的約束作用變強，限制了混合料的自由收縮，從而增強其低溫抗裂性能。

2.3 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗對不同再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性進行測試，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性Fig.7 Water stability of different recycled asphalt mixtures

從圖7可以看出，與對比樣瀝青相比，單摻芳綸纖維再生瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂比均升高，而單摻玻璃纖維再生瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂比則均降低。芳綸纖維與玻璃纖維對再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性分別起到增強與減弱作用，這可能是因為較芳綸纖維而言，玻璃纖維表面光滑，且具有吸附水膜，故玻璃纖維與混合料的界面結(jié)合效果不如芳綸纖維，導(dǎo)致其水穩(wěn)定性不如芳綸纖維。另外，與對比樣瀝青相比，復(fù)摻纖維對混合料的殘留穩(wěn)定度有較小幅度的提升，凍融劈裂比則變化不大，復(fù)摻纖維可以彌補單摻玻璃纖維對再生瀝青混合料水穩(wěn)定性的破壞，提高再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

2.4 半圓彎曲試驗結(jié)果

不同溫度下各類型再生瀝青混合料的SCB試驗結(jié)果如圖8所示，表4列出了圖8中各溫度下不同再生瀝青混合料試驗得出的荷載峰值、破壞位移以及斷裂能密度。

表4 SCB試驗主要參數(shù)Table 4 Main parameters of SCB test

由圖8及表4中可以看出，隨著試驗溫度的升高，再生瀝青混合料破壞時承受的荷載峰值迅速下降。與對比樣瀝青相比，芳綸纖維與玻璃纖維的加入均使再生瀝青混合料的破壞位移變大，同時伴隨著荷載峰值降低。這可能是因為摻入纖維改變了混合料的連續(xù)性和瀝青的組分，致使混合物的荷載峰值減小且延性增大。試驗溫度為4.4 ℃時，復(fù)摻纖維瀝青混合料的破壞荷載在所有混合料中最低；試驗溫度上升時，復(fù)摻纖維混合料的破壞荷載逐漸超過同等溫度下的單摻纖維瀝青混合料，且復(fù)摻纖維試驗組在各溫度下的破壞位移及斷裂能密度均高于對比樣瀝青，這說明復(fù)摻纖維對混合料的抗裂性有改善效果；當溫度為37.8 ℃時，復(fù)摻纖維瀝青混合料的斷裂能密度高于摻芳綸纖維及玻璃纖維試驗組，證明復(fù)摻纖維的加筋、橋接作用增強了瀝青混合料內(nèi)部間的粘結(jié)強度，同時摻入纖維亦增大了瀝青膜的厚度，進一步加強纖維與混合料的粘結(jié)力，在實際道路使用溫度條件下，具有較好的抗彎拉能力和更好的抗裂性。

圖8 不同再生瀝青混合料的SCB試驗結(jié)果Fig.8 SCB test results of different recycled asphalt mixtures

3 結(jié) 論

(1)芳綸纖維的摻入對再生瀝青混合料抗車轍性能影響不大，而摻玻璃纖維和復(fù)摻纖維有助于再生瀝青混合料內(nèi)部形成網(wǎng)狀的三維結(jié)構(gòu)使混合料的抗車轍性能提升顯著，其中，玻璃纖維和復(fù)摻纖維分別使再生瀝青混合料的高溫抗車轍性能提升了34.0%及42.6%；單摻兩種纖維及復(fù)摻纖維都對瀝青混合料動態(tài)模量表現(xiàn)出良好的增強效果，提升效果最高可達21.9%。

(2)單摻芳綸纖維及單摻玻璃纖維分別對再生瀝青混合料的低溫抗裂性及水穩(wěn)定性有一定的負面影響，而復(fù)摻纖維瀝青可彌補單摻帶來的不利影響，使再生瀝青混合料保持較好的低溫抗裂性能與水穩(wěn)定性。

(3)芳綸纖維及玻璃纖維均使再生瀝青混合料的延性升高，脆性降低，復(fù)摻纖維的加筋、橋接作用進一步增強了瀝青混合料內(nèi)部骨料間的粘結(jié)強度，與對比樣瀝青相比具有較高的斷裂能密度，抗裂性得到提升。