再生纖維瀝青混合料低溫抗裂性能

祝必成，吳金榮,2

(安徽理工大學 1.土木建筑學院；2.礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

“綠色發(fā)展”既是當今世界發(fā)展的主要潮流，也是中國發(fā)展的重要理念，中國一直秉持著這樣的理念，在探索可持續(xù)發(fā)展的道路上穩(wěn)步向前。隨著城鎮(zhèn)化建設的不斷推進，我國在公路建設方面取得了長足的發(fā)展，瀝青路面在整個公路系統(tǒng)中占比近95%[1]，并且在“一帶一路”政策紅利的雙向推動下，道路交通量日益增加，車輛超載現(xiàn)象越來越嚴重[2]，導致我國的公路也漸漸進入大修期，每年因為道路翻修產生大量的廢舊瀝青混合料，造成大量的資源浪費，同時嚴重污染環(huán)境，回收RAP材料實現(xiàn)資源再次利用，有利于社會可持續(xù)發(fā)展[3]。開裂是瀝青路面破壞的主要形式之一，而低溫又是最常見的開裂原因，由于我國地域溫差很大，半數(shù)以上的公路都受到低溫氣候的影響，并且老化后的瀝青粘度大、硬度高，因此低溫抗裂性能始終是再生瀝青路面的薄弱點[4]。

國內外學者對再生瀝青混合料做了大量研究。許西淼等[5]研究了凍融循環(huán)對再生瀝青混合料低溫抗裂性能的影響，得出其彎拉應變隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而減小，且RAP摻量越大，凍融循環(huán)對低溫性能影響越顯著；王杰等[6]研究了中低溫下舊料、再生劑摻量對再生瀝青混合料抗裂性能的影響，得出抗裂性能隨著舊料摻量的增加而減小，在舊料摻量低于30%時，摻加再生劑可以延緩再生瀝青混合料的開裂；郝培文等[7]研究了新舊瀝青融合程度對再生瀝青混合料性能的影響，分析了不同RAP摻量下再生瀝青混合料的低溫抗裂性能，得出抗裂性能隨著RAP摻量增加而減小，提出當RAP摻量超過30%，配合比設計時應考慮新舊瀝青融合程度的影響；王國方等[8]研究了玄武巖纖維摻量對再生瀝青混合料抗裂性能的影響，得出摻加玄武巖纖維可以明顯提高抗裂性能；Babagoli Rezvan等[9]通過SCB試驗研究了再生劑類型、RAP摻量和瀝青老化程度對再生瀝青混合料性能的影響，采用斷裂能指標評價性能，得出斷裂能隨著RAP摻量的增加而降低的主要原因是瀝青的老化。

鑒于現(xiàn)階段關于再生瀝青混合料的低溫抗裂性能研究不夠完善，本文通過SCB試驗，在斷裂力學基礎上，采用斷裂能、峰值荷載作為評價指標，分析RAP、聚酯纖維摻量和鹽分對再生瀝青混合料抗低溫開裂性能的影響，為再生瀝青混合料設計提供理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 原材料

RAP采用淮南本地瀝青路面銑刨料，使用三氯乙烯充分溶解舊料表面瀝青，由離心抽提儀分離得到，對抽提的骨料進行清洗、干燥和分檔，并對骨料技術指標進行測試，均滿足規(guī)范要求。對各檔中舊瀝青含量進行測定，粒徑0.0075mm～2.36mm的回收舊瀝青6.63%，粒徑2.36mm～13.2mm的回收舊瀝青4.19%，粒徑13.2mm～19mm的回收舊瀝青2.42%，對舊瀝青的三大指標進行測定。試驗采用重交70#瀝青，各指標參數(shù)均符合規(guī)范要求。

1.2 再生劑

瀝青老化的本質是組分含量發(fā)生變化，其中輕質組分含量大幅減少，瀝青質大幅增加，導致分子間作用力增加，粘度增大,導致瀝青流動性變差[10]，瀝青再生就是通過添加再生劑使舊瀝青中各組分重新達到平衡[11]。試驗采用上海某公司提供的ZS-1型再生劑，具體性能指標均滿足規(guī)范要求。試驗采用再生工藝：舊瀝青+再生劑+新瀝青+三大指標測試，在滿足三大指標性能的條件下，確定再生劑最佳摻量為10%。

1.3 級配

試驗采用的粗骨料為淮南本地產石灰?guī)r碎石，細骨料為機制砂，填料為石灰?guī)r磨制的礦粉，經檢測原材料各項性能指標滿足規(guī)范要求。本文采用工程中常用的AC-13級配，根據(jù)試驗目的確定RAP摻量為0%、10%、20%、30%、40%和50%，為了實現(xiàn)不同摻量下目標級配，試驗采取新舊骨料按RAP摻量統(tǒng)一分配，以保證級配的穩(wěn)定性，目標級配曲線如圖1所示。

圖1 目標級配曲線

1.4 最佳油石比

RAP摻量分別為0%、10%、20%、30%、40%和50%，聚酯纖維摻量分別為0%、0.3%、0.4%和0.5%，通過馬歇爾試驗方法對AC-13級配再生瀝青混合料進行設計，經旋轉壓實后，測得試件的毛體積密度、空隙率、穩(wěn)定度和流值等指標，確定了不同試驗條件下再生瀝青混合料最佳油石比，當聚酯纖維摻量一定時，最佳油石比隨著RAP摻量的增加而逐漸增大，當RAP摻量一定時，最佳油石比隨著聚酯纖維摻量的增加而逐漸增大。

1.5 試件準備

按照上述級配組成，采用SCB試驗方法成型試件，為模擬瀝青路面使用過程中的反射裂縫，在試件底部中心設置預裂縫，切縫寬度1.5mm，長度10mm。試件采用清水、質量分數(shù)3.6%復合鹽溶液(NaCl:Na2SO4=1:2)在25℃室溫下浸泡30d，待侵蝕結束后進行試驗，試驗前將試件放在恒溫低溫箱中，在-15℃溫度下保溫4h后，將試件放在萬能試驗機上進行加載。

2 試驗結果與分析

SCB試驗基于能量法，以斷裂能Gf作為評價指標，Gf值越大，表明再生瀝青混合料從加載到斷裂過程中耗散能量越多，低溫抗裂性能越好，同時還能得到峰值荷載PMax，其值越大，表明斷裂時所能承受荷載越大，低溫抗裂性能越好。斷裂能計算如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

其中：Wf為試件的斷裂功(N·mm)；P為對試件施加的荷載(N)；u為荷載對應的位移(mm)；Gf為試件的斷裂能(J·mm-2)；r為半圓試件的半徑(mm)；a為試件的切口長度(mm)；t為試件的厚度(mm)。

2.1 RAP摻量的影響

圖2 清水浸泡下SCB試件峰值荷載

圖3 復合鹽溶液侵蝕下SCB試件峰值荷載

從圖2可以看出，隨著RAP摻量的增加，不同纖維摻量再生瀝青混合料破壞時的峰值荷載不斷增大。從圖3可以看出，在復合鹽溶液中也同樣呈增大的趨勢，當RAP摻量超過30%時，摻量為0.4%和0.5%聚酯纖維的再生瀝青混合料峰值荷載先減小后增大。主要原因是廢舊瀝青在長期服務過程中發(fā)生嚴重老化，化學組分發(fā)生差異性變化，使得瀝青變硬，意味著隨著RAP摻量越大，再生瀝青混合料的剛度越大，外荷載作用時應力來不及消散，從而導致峰值荷載增大。同時由于高RAP摻量再生瀝青混合料中老化瀝青和新瀝青的粘度差異大，導致新舊瀝青存在不完全混溶，使得再生瀝青混合料中存在薄弱面，導致其峰值荷載存在變異性[12]。

圖4 清水浸泡下SCB試件斷裂能

圖5 復合鹽溶液侵蝕下SCB試件斷裂能

從圖4和圖5可以看出，隨著RAP摻量的增加，不論在清水還是復合鹽溶液中，再生瀝青混合料斷裂能均呈逐漸減小的趨勢。主要原因是RAP骨料在碾壓過程中產生破損，導致骨料存在結構缺陷，并且大部分舊料以團粒結構形式存在，使得部分舊瀝青未能得到良好的再生[13]，這部分老化瀝青表面形成瀝青膜，導致新舊瀝青不能充分混溶，使得再生瀝青混合料存在薄弱界面，在外荷載作用下，會在此薄弱處最先產生微裂縫，隨著荷載增加，微裂縫繼續(xù)開展，因此，RAP摻量越高，再生瀝青混合料斷裂能越小。

2.2 聚酯纖維的影響

圖6 清水浸泡下SCB試件峰值荷載

圖7 復合鹽溶液侵蝕下SCB試件峰值荷載

從圖6可以看出，隨著聚酯纖維摻量的增加，不同RAP摻量的再生瀝青混合料峰值荷載均先增大后減小，且在聚酯纖維摻量為0.4%時達到最大。從圖7中可以看出，變化規(guī)律和圖6吻合，但在RAP摻量為40%時，峰值荷載出現(xiàn)在纖維摻量為0.3%處，與未摻加聚酯纖維對照組相比，再生瀝青混合料摻加聚酯纖維后峰值荷載均顯著增大。因為纖維和瀝青有良好的結合性，亂向分布的纖維在再生瀝青混合料中起到了加筋的作用，提高了韌性，阻礙了外荷載作用引起的裂縫的開展，從而提高了其低溫抗裂性能，當聚酯纖維摻量過高時，容易在攪拌過程中局部結團，形成的結構強度較低，對再生瀝青混合料存在不利影響。當RAP摻量達到40%，由于新舊瀝青沒有充分融合，且纖維摻量越高越容易發(fā)生局部結團，而這種結團纖維較多數(shù)沒有充分被瀝青包裹，再生瀝青混合料結構存在薄弱面，導致其抗裂性能變差，這也驗證了過高的RAP摻量會導致再生瀝青混合料性能不穩(wěn)定。

2.3 鹽分的影響

圖8 不同聚酯纖維摻量的鹽分侵蝕

從圖8可以看出，相比于清水環(huán)境，復合鹽溶液侵蝕后再生瀝青混合料斷裂能始終較小，而且隨著RAP摻量的增加，兩者差值越來越小，當RAP摻量超過30%時，不同聚酯纖維摻量的再生瀝青混合料斷裂能均呈現(xiàn)明顯下降。這主要是因為再生瀝青混合料中存在孔隙，鹽溶液中游離的Na+、SO4-2和Cl-吸附在骨料上，對瀝青產生剝離作用，并且這些離子又具有很強的極性，使得溶液中的PH值發(fā)生改變，導致瀝青與骨料間粘結性進一步降低，同時由于老化瀝青具有很強的粘度，會在表面形成強作用界面[14]，阻礙了鹽溶液的滲入，從而削弱了鹽分對瀝青的剝離作用，因此，增加RAP摻量可以提高再生瀝青混合料的抗侵蝕能力，但過高的RAP摻量，再生骨料的不穩(wěn)定性越發(fā)明顯，導致再生瀝青混合料抗裂性能越差。

3 結論

通過SCB試驗，對不同RAP和聚酯纖維摻量的再生瀝青混合料，分別在清水和復合鹽溶液環(huán)境下浸泡后，研究低溫抗裂性能，得到以下結論。

(1)隨著RAP摻量的提高，不同聚酯纖維摻量的再生瀝青混合料峰值荷載逐漸增大，而斷裂能卻逐漸減小，說明提高RAP摻量對再生瀝青混合料低溫抗裂性能有不利影響，并且表明RAP摻量超過30%，再生瀝青混合料低溫抗裂性能存在變異性。

(2)在同一種RAP摻量下，隨著聚酯纖維摻量的提高，再生瀝青混合料峰值荷載先增大后減小，且由于聚酯纖維的添加，其抗裂性能均顯著提高，說明適量的纖維能提高低溫抗裂性能，同時確定聚酯纖維最佳摻量為0.4%。

(3)經復合鹽溶液侵蝕后的再生瀝青混合料斷裂能較小，且隨著RAP摻量的提高，兩種環(huán)境下的斷裂能差值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，說明鹽分會削弱再生瀝青混合料低溫抗裂性能，同時增加RAP摻量可以提高其抗侵蝕能力，當RAP摻量超過30%，不同聚酯纖維摻量的再生瀝青混合料斷裂能均大幅下降，建議RAP摻量不宜超過30%。