大摻量RAP玄武巖纖維瀝青混合料低溫性能研究

張彩利，趙 輝，王建潔，李冬冬

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.天津市公路工程總公司，天津 300201）

0 引言

隨著我國(guó)大力倡導(dǎo)綠色可持續(xù)發(fā)展，廢物再利用越來越得到重視，其中熱再生瀝青混合料技術(shù)的重要地位日益突出，但全國(guó)對(duì)廢舊瀝青混合料利用率普遍偏低，一般添加量為瀝青混合料的30%，偏低的利用率減緩了我國(guó)道路建設(shè)綠色可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程[1]。目前，科研人員對(duì)大摻量RAP再生瀝青混合料深入研究，發(fā)現(xiàn)瀝青混合料路面在水、空氣、紫外線照射、汽車荷載等因素作用下，混合料中的瀝青發(fā)生嚴(yán)重老化，老化后的瀝青四組分發(fā)生轉(zhuǎn)移，芳香分、飽和分、膠質(zhì)含量減少，瀝青質(zhì)含量增多，瀝青性質(zhì)表現(xiàn)為軟化點(diǎn)上升，針入度和延度下降，尤其是延度下降非常明顯[2-3]。添加大量RAP到再生瀝青混合料中必然使瀝青混合料抗彎拉性能降低，由此導(dǎo)致路面產(chǎn)生較大裂縫[4]，大大降低了路面使用年限，使車輛行駛存在安全隱患。為此可以借鑒水泥混凝土中加入鋼筋來提高抗剪切能力的方法，給大摻量熱再生瀝青混合料加入“鋼筋”提高其抗彎拉性能[5-7]。玄武巖纖維是一種礦物纖維，是玄武巖經(jīng)過高溫融化后拉絲形成，將玄武巖纖維融入瀝青膠漿后可作為瀝青混合料的“鋼筋”為瀝青混合料的抗彎拉性能提供保障。而且玄武巖材料來源廣泛，綠色環(huán)保，具備其他纖維的優(yōu)點(diǎn)[8-9]。使用玄武巖纖維提升RAP利用率符合我國(guó)綠色環(huán)保的發(fā)展理念，可為我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展事業(yè)增添一份力量。低溫抗彎拉性能是限制再生瀝青混合料RAP摻加量的主要因素之一，具備良好的低溫性能是瀝青混合料路面達(dá)到使用年限的重要保證。因此，針對(duì)大摻量RAP玄武巖纖維再生瀝青混合料低溫性能研究，對(duì)提升我國(guó)瀝青路面建設(shè)質(zhì)量具有重大意義。

1 主要原材料

本文廢舊瀝青混合料（RAP）來源于天津某高速路面銑刨回收的瀝青混合料，并通過篩分將RAP分成3檔（1#，2#，3#），為更好的控制混合料級(jí)配，粒徑組成分別是0～5 mm，5～10 mm，10～15 mm，同時(shí)通過旋轉(zhuǎn)蒸餾法得到回收瀝青，新瀝青采用山東某石油化工有限公司生產(chǎn)的70#基質(zhì)瀝青，新集料采用產(chǎn)自河北唐山地區(qū)的石灰?guī)r。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）的相關(guān)試驗(yàn)方法對(duì)以上試驗(yàn)原材料進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1～4所示。玄武巖纖維為湖南某公司提供，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，技術(shù)指標(biāo)見表5。

表1 RAP檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Performance indicators of RAP and aggregate

表2 RAP級(jí)配Tab.2 RAP gradation

表3 舊瀝青及新瀝青檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Test results of old asphalt and new asphalt

表4 新集料檢測(cè)結(jié)果Tab.4 New aggregate performance indicators

表5 玄武巖纖維主要技術(shù)指標(biāo)Tab.5 Main Technical Indicators of Basalt Fibers

2 試驗(yàn)方法

用于評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗開裂的方法有很多，本文選用最常用的低溫彎曲破壞試驗(yàn)來評(píng)價(jià)大摻量RAP玄武巖纖維再生瀝青混合料低溫抗開裂性能。實(shí)驗(yàn)儀器選用UTM萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（如圖1所示），試驗(yàn)溫度為-10℃±0.5℃，加載速率為50 mm∕min。試驗(yàn)所用試件是由輪碾法成型的車轍板切割為長(zhǎng)250 mm±2.0 mm，寬30 mm±2 mm，高35 mm±2 mm棱柱體小梁（如圖2所示），其跨徑為200 mm±0.5 mm。數(shù)據(jù)采集由UTM萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)自帶系統(tǒng)完成，將荷載-跨中撓度曲線呈現(xiàn)并保存在計(jì)算機(jī)上，試驗(yàn)過程如圖3、圖4所示。

圖1 UTM萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)Fig.1 UTM Universal Testing Machine

圖2 試驗(yàn)小梁Fig.2 Test beam specimen

圖3 試驗(yàn)前小梁Fig.3 Pre-test beam specimen

圖4 試驗(yàn)后小梁Fig.4 Post-test beam specimen

3 結(jié)果分析

3.1 不同玄武巖纖維摻量下瀝青混合料低溫性能

玄武巖纖維摻加量是影響瀝青混合料低溫性能的關(guān)鍵因素之一。為此，本文采用RAP摻量為40%，級(jí)配曲線為規(guī)范AC-13級(jí)配中值曲線，采用馬歇爾試驗(yàn)對(duì)玄武巖纖維摻量分別為0%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%下的再生瀝青混合料的最佳油石比進(jìn)行確定，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。將瀝青混合料成型車轍試件并切割為標(biāo)準(zhǔn)尺寸的小梁試件進(jìn)行低溫彎曲破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7，圖5所示。

表6 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Marshall test results

表7 不同纖維摻量下混合料破壞強(qiáng)度及勁度模量Tab.7 Failure strength and stiffness modulus of mixtures with different Fiber content

由表6可知：隨著混合料中玄武巖纖維摻量增加，瀝青用量和穩(wěn)定度逐漸增長(zhǎng)，由此表明玄武巖纖維加入混合料中可以吸附部分瀝青，從而起到加筋的作用使混合料穩(wěn)定度增大。

由圖5可以得出：再生瀝青混合料中摻入玄武巖纖維可以有效改善其破壞彎拉應(yīng)變，纖維加入量不同，改善效果也存在差異。當(dāng)纖維摻入量不大時(shí)，再生瀝青混合料破壞彎拉應(yīng)變隨著纖維摻入量的增加，呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。在纖維摻入量為0.3%時(shí)，瀝青混合料的破壞彎拉應(yīng)變達(dá)到最大。這是由于玄武巖纖維在瀝青混合料中發(fā)揮了“加筋”的效果，玄武巖纖維能夠穩(wěn)定和吸附瀝青，提高瀝青膠漿的勁度，從而使瀝青混合料的整體性大大增加，抵抗集中力荷載的能力顯著提高。纖維摻入量大于0.3%后，瀝青混合料破壞彎拉應(yīng)變隨著纖維摻入量增大而降低。這是因?yàn)閾饺脒^多的纖維破壞了纖維在瀝青中的分散性，導(dǎo)致纖維分布不均勻，降低瀝青混合料抗低溫開裂性能。相比未摻入纖維的再生瀝青混合料，摻加0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%纖維的再生瀝青混合料，其破壞彎拉應(yīng)變?cè)黾恿?.82%，20.45%，40.91%，34.09%，25.00%。根據(jù)不同纖維摻量下瀝青混合料的破壞強(qiáng)度，破壞勁度模量，破壞彎拉應(yīng)變的綜合對(duì)比，纖維摻量為0.3%時(shí)混合料低溫性能最優(yōu)。

圖5 不同纖維摻量下混合料破壞彎拉應(yīng)變Fig.5 Failure flexural strain of mixtures with different fiber content

3.2 不同RAP摻量下瀝青混合料低溫性能

為了排除其他因素的影響，允許單一變量為RAP摻量，固定玄武巖纖維摻量為0.3%，級(jí)配曲線為規(guī)范AC-13級(jí)配中值曲線，采用馬歇爾試驗(yàn)對(duì)RAP摻量為40%，50%，60%，70%，80%的玄武巖纖維再生瀝青混合料油石比進(jìn)行確定，試驗(yàn)確定的最佳油石比依次為4.8%，5.0%，5.1%，5.3%，5.5%。將瀝青混合料成型車轍試件并切割為標(biāo)準(zhǔn)尺寸的小梁試件進(jìn)行低溫彎曲破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表8，圖6所示。

表8 不同RAP摻量下混合料破壞強(qiáng)度及勁度模量Tab.8 Failure strength and stiffness modulus of mixtures with different RAP content

由圖6可以看出：不同RAP摻量的再生瀝青混合料加入玄武巖纖維后都能有效提高破壞彎拉應(yīng)變。隨著RAP摻量增加，摻加玄武巖纖維的再生瀝青混合料破壞彎拉應(yīng)變逐漸降低，與摻加40%RAP的再生瀝青混合料相比較，摻加50%，60%，70%，80%RAP的再生瀝青混合料彎拉應(yīng)變分別下降了11.3%，30.6%，45.2%，51.6%。這是因?yàn)殡S著RAP摻量增加，混合料拌和時(shí)玄武巖纖維只能擴(kuò)散到RAP的表面瀝青中，沒有與玄武巖纖維融合的舊瀝青比例逐漸增大，大量的舊瀝青導(dǎo)致整體混合料變硬、變脆、勁度模量變大，抵抗變形的能力降低并容易出現(xiàn)開裂破壞。

圖6 不同RAP摻量下混合料破壞彎拉應(yīng)變Fig.6 Failure bending strain of mixtures with different RAP content

3.3 不同壓實(shí)度下瀝青混合料低溫性能

為了驗(yàn)證壓實(shí)度對(duì)摻加RAP和玄武巖纖維的熱再生瀝青混合料低溫性能的影響，采用RAP摻量40%，玄武巖纖維摻量0.3%，油石比4.8%的配合比制備再生瀝青混合料，通過車轍成型時(shí)改變輪碾次數(shù)來得到不同壓實(shí)度的瀝青混合料車轍板，將不同壓實(shí)度的車轍板切割成小梁試件進(jìn)行低溫彎曲破壞試驗(yàn)。結(jié)果如表9，圖7所示。

從表9與圖7試驗(yàn)結(jié)果可以看出：車轍試件毛體積密度隨試件輪碾次數(shù)增加而增大，當(dāng)試件輪碾次數(shù)由12次增加到16次，試件毛體積密度增加0.88%。由此可知，當(dāng)輪碾次數(shù)超過12次后，試件毛體積密度不再隨碾壓次數(shù)增加發(fā)生明顯變化，最終試件毛體積密度趨于穩(wěn)定。與馬歇爾試件對(duì)比發(fā)現(xiàn)，輪碾10次的車轍試件與擊實(shí)75次的馬歇爾試件毛體積密度最接近。隨著試件輪碾次數(shù)增加，混合料得到充分?jǐn)D壓而變得密實(shí)，粗集料相互嵌擠形成骨架結(jié)構(gòu)，空隙由細(xì)集料和瀝青填充，混合料毛體積密度增加。隨著輪碾次數(shù)及毛體積密度增加，集料與集料之間的空隙逐漸充滿瀝青，集料與瀝青粘結(jié)更加緊密，瀝青緊緊吸附在集料表面，從而使混合料抵抗低溫彎拉的能力得到改善，混合料破壞彎拉應(yīng)變呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

圖7 不同壓實(shí)度下混合料破壞彎拉應(yīng)變Fig.7 Failure flexural-tensile strain of mixtures under different compactness

表9 不同壓實(shí)度下混合料破壞強(qiáng)度及勁度模量Tab.9 Failure strength and stiffness modulus of mixtures under different compaction degree

3.4 不同級(jí)配下瀝青混合料低溫性能

固定RAP摻量為40%，新集料通過單檔篩分的方式配入混合料，以減少級(jí)配誤差，3種級(jí)配如表10所示[10-12]，級(jí)配1較粗，級(jí)配2中等，級(jí)配3較細(xì)。玄武巖纖維摻加量為瀝青的0.3%，采用馬歇爾試驗(yàn)對(duì)3種不同級(jí)配的玄武巖纖維再生瀝青混合料油石比進(jìn)行確定，試驗(yàn)確定結(jié)果見表10。成型車轍試件時(shí)輪碾次數(shù)為10次，制備低溫試驗(yàn)所用小梁試件并進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，結(jié)果如表11，圖8所示。

表10 級(jí)配設(shè)計(jì)Tab.10 Gradation design

表11 不同級(jí)配混合料破壞強(qiáng)度及勁度模量Tab.11 Failure strength and stiffness modulus of mixtures with different gradation

由表11和圖8得出：不同級(jí)配瀝青混合料破壞彎拉應(yīng)變差異明顯，混合料級(jí)配越粗破壞彎拉應(yīng)變?cè)叫?，混合料?jí)配越細(xì)破壞彎拉應(yīng)變?cè)酱?。這是因?yàn)榧?jí)配3與級(jí)配2級(jí)配1相比，級(jí)配3細(xì)集料與瀝青含量較多，從而使混合料抗低溫彎拉性能優(yōu)于級(jí)配1和級(jí)配2。

4 結(jié)論

1）加入玄武巖纖維后再生瀝青混合料低溫性能得到有效改善，玄武巖纖維添加量為瀝青總量（包括RAP中舊瀝青）0.3%時(shí)，對(duì)混合料低溫性能提升效果最好。

2）RAP摻量逐漸增大，未被新瀝青膠漿再生的舊瀝青比例逐漸增加，與玄武巖纖維結(jié)合的瀝青比例逐漸降低，從而導(dǎo)致玄武巖纖維再生瀝青混合料抵抗低溫彎拉破壞的能力隨RAP摻量增加而降低。

3）試驗(yàn)試件壓實(shí)度越高，孔隙率越小，瀝青與集料粘結(jié)越緊密，再生瀝青混合料抵抗低溫彎拉的能力越大。建議路面施工時(shí)，在條件允許的情況下增加反復(fù)碾壓次數(shù)，可有效提升路面低溫性能。

4）級(jí)配越細(xì)，再生瀝青混合料低溫性能越好，建議實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中為了有效提高低溫性能，應(yīng)在滿足其他路用性能的條件下采用較細(xì)級(jí)配。