木質(zhì)素纖維改善再生瀝青混合料的路用性能研究

馮松鍇

（鄭州路橋建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450000）

高等級(jí)瀝青路面在我國(guó)交建工程得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著交通重載、超載等現(xiàn)象日益劇增，給路面使用性能及壽命造成嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致許多瀝青路面在2~3年內(nèi)便產(chǎn)生了損害，從而需要進(jìn)行大中修護(hù)[1-2]。瀝青路面大中修過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢舊瀝青不僅占用了土地資源，還嚴(yán)重污染了自然環(huán)境，因而如何將其再生利用成為了現(xiàn)階段公路研究者的熱點(diǎn)課題[3-4]。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者在廢舊瀝青混合料再生利用方面進(jìn)行了不少研究，如周剛等[5]分別探究了瀝青用量與聚酯纖維摻量對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律，得到聚酯纖維對(duì)其低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性能有所改善，而瀝青過量或?yàn)r青膜厚度過高則會(huì)降低混合料的低溫抗裂性能及水穩(wěn)定性能；陳倫坤[6]通過對(duì)不同玄武巖纖維摻量的再生瀝青混合料進(jìn)行高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性試驗(yàn)，得到0.3%摻量玄武巖纖維外摻能夠有效提升混合料的路用性能；焦江華[7]研究了SBS、SBR兩種改性瀝青分別對(duì)溫拌再生瀝青混合料路用性能的影響，得到兩種改性瀝青均能有效改善混合料的路用性能，但前者的改善效果更優(yōu)；顧萬(wàn)等[8]將玄武巖纖維和高模量劑以單摻、復(fù)摻形式加入再生瀝青混合料中，并對(duì)其路用性能改善效果進(jìn)行對(duì)比分析，得到復(fù)摻情形下再生瀝青混合料的舊料利用率可達(dá)50%。本文以SMA-13馬蹄脂級(jí)配再生瀝青混合料為對(duì)象，系統(tǒng)探討了不同木質(zhì)素纖維摻量對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律，以期為再生瀝青混合料的設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

1 試驗(yàn)材料

1.1 銑刨料(RAP)

選用某城市快速路改造工程中產(chǎn)生的廢舊瀝青混合料，通過對(duì)銑刨料回收老化瀝青進(jìn)行抽提，測(cè)得銑刨料的技術(shù)指標(biāo)見表1，銑刨料的級(jí)配組成篩分結(jié)果見表2。

表1 回收老化瀝青性能指標(biāo)Table 1 Performance indexes of recycled aged asphalt

表2 銑刨料RAP的篩分通過率Table 2 Screening pass rate of RAP for milling materials

1.2 瀝青

選用成品SBS 改性瀝青，其性能指標(biāo)見表3。

表3 SBS改性瀝青性能指標(biāo)Table 3 Performance indexes of SBS modified asphalt

1.3 集料

粗細(xì)集料均為玄武巖，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范規(guī)定。

1.4 木質(zhì)素纖維(LF)

選用外觀為灰白色的木質(zhì)素纖維，其性能指標(biāo)見表4。

表4 木質(zhì)素纖維技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical indexes of lignin fiber

1.5 舊瀝青再生劑

選用深綠色黏稠油狀液體RA-25瀝青再生劑，其性能指標(biāo)見表5。

表5 RA-25瀝青再生劑技術(shù)指標(biāo)Table 5 Technical indexes of RA-25 asphalt regenerant

2 廢舊瀝青再生及試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

2.1 廢舊瀝青再生

根據(jù)銑刨料RAP中回收老化瀝青的性能情況，將不同摻量RA-25再生劑摻入已老化的瀝青中進(jìn)行恢復(fù)再生處理，并分別測(cè)量其再生后的針入度、延度、軟化點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)黏度等技術(shù)指標(biāo)，以確定出瀝青再生劑的最優(yōu)摻量。不同摻量再生劑恢復(fù)后的瀝青性能指標(biāo)變化如圖1所示?？梢钥闯觯娕倭侠匣癁r青在選用5%的再生劑恢復(fù)處理后得到較好的使用性能。

圖1 不同摻量再生劑的瀝青性能指標(biāo)變化曲線Fig. 1 Change curve of asphalt performance index with diff erent amount of regenerant

2.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

再生瀝青混合料采用SMA-13馬蹄脂級(jí)配，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了0%、15%、30%、50%、70%共5種銑刨料摻量，SMA-13再生瀝青混合料的目標(biāo)級(jí)配曲線如圖2所示。

圖2 SMA-13再生瀝青混合料目標(biāo)級(jí)配曲線Fig.2 Target grading curve of SMA-13 recycled asphalt mixture

2.3 油石比

以公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范JTG F40-2004中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，分別對(duì)0%、1%、2%、3%摻量的木質(zhì)素纖維再生瀝青混合料試件進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)來確定其最佳油石比，以30%RAP為例，其最佳油石比結(jié)果見表6。

表6 木質(zhì)素纖維再生瀝青混合料的最佳油石比Table 6 Optimum asphalt aggregate ratio of lignin f iber recycled asphalt mixture

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 高溫穩(wěn)定性

通過對(duì)不同木質(zhì)素纖維摻量的再生瀝青混合料進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)，得到其動(dòng)穩(wěn)定度的變化曲線如圖3所示。

圖3 不同纖維摻量的動(dòng)穩(wěn)定度變化曲線Fig. 3 Dynamic stability variation curve of different fiber content

根據(jù)圖3可知，不同再生瀝青混合料在標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)情況下的動(dòng)穩(wěn)定度均符合規(guī)范要求，其中隨著RAP摻量的增加，相同纖維摻量再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均呈逐漸增大變化趨勢(shì)，說明RAP的加入能夠顯著提高再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，原因是RAP舊料中的老化瀝青增大了混合料的黏度，從而增強(qiáng)了其抵抗高溫剪切變形的能力。隨著木質(zhì)素纖維摻量的增加，相同RAP摻量再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度也均呈逐漸增大變化，說明木質(zhì)素纖維也能夠有效提升再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度；當(dāng)木質(zhì)素纖維由0增至3%時(shí)，不同RAP摻量再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了18.5%、19.6%、21.7%、15.5%、11.8%，說明在摻入過量的RAP舊料情況下，木質(zhì)素纖維對(duì)再生瀝青混合料的增強(qiáng)效果出現(xiàn)一定程度的削弱，但其整體的動(dòng)穩(wěn)定度仍有明顯的提升?？紤]到再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度過高會(huì)產(chǎn)生硬脆化現(xiàn)象，致使其在低溫條件下容易發(fā)生開裂損害，因此木質(zhì)素纖維的合理?yè)脚湫杈C合再生瀝青混合料其它性能進(jìn)行選定。

3.2 低溫抗裂性

依據(jù)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程（JTGE20-2011）中相關(guān)規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同木質(zhì)素纖維摻量的再生瀝青混合料進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)，其中試驗(yàn)溫度為-10℃，加載速率為50mm/min，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同纖維摻量的破壞應(yīng)變變化曲線Fig. 4 Failure strain variation curve of different fiber content

由圖4可知，再生瀝青混合料在標(biāo)準(zhǔn)小梁彎曲試驗(yàn)情況下的破壞應(yīng)變均隨著RAP摻量的增加呈逐漸降低變化，其中當(dāng)RAP舊料摻量為15%左右時(shí)，再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變能夠滿足規(guī)范要求（≥2500με），但當(dāng)RAP舊料摻量超過30%時(shí)，破壞應(yīng)變則均低于規(guī)范要求，說明RAP舊料對(duì)其低溫抗裂性能產(chǎn)生了明顯的劣化作用。隨著木質(zhì)素纖維摻量的增加，不同RAP摻量再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變呈逐漸增大變化趨勢(shì)，當(dāng)木質(zhì)素纖維由0增至3%時(shí)，不同RAP摻量再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變分別提高了20.5%、17.9%、19.4%、30.1%、23.4%，說明木質(zhì)素纖維能提高再生瀝青混合料的破壞應(yīng)變，原因是木質(zhì)素纖維在結(jié)構(gòu)內(nèi)部呈絮狀分布能有效地吸附瀝青，故低溫抗裂性能增強(qiáng)；在RAP摻量超過30%后，木質(zhì)素纖維雖對(duì)混合料的破壞應(yīng)變有所增強(qiáng)，但其增幅效果表現(xiàn)并不突出，原因是木質(zhì)素纖維無(wú)法改變混合料的骨料結(jié)構(gòu)、膠結(jié)料的黏結(jié)強(qiáng)度等本質(zhì)性能。

3.3 水穩(wěn)定性

再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能依據(jù)JTG E20-2011中的浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。通過對(duì)不同木質(zhì)素纖維摻量的再生瀝青混合料展開浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)，分別得到浸水殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比的變化曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 不同纖維摻量的殘留穩(wěn)定度變化曲線Fig. 5 Variation curve of residual stability with diff erent f iber content

圖6 不同纖維摻量的凍融劈裂強(qiáng)度比變化曲線Fig. 6 Variation curve of freeze-thaw splitting strength ratio with diff erent f iber content

從圖5可知，再生瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度隨著RAP舊料摻量的增加呈逐漸降低變化趨勢(shì)，其中當(dāng)RAP舊料摻量達(dá)到30%時(shí)，浸水殘留穩(wěn)定度低于規(guī)范控制要求（≥85%），說明RAP舊料對(duì)混合料的浸水殘留穩(wěn)定度產(chǎn)生了明顯的影響，原因是在浸水環(huán)境下疏松多孔的RAP舊料能吸收大量水分，從而削弱混合料間的界面接觸能力。隨著木質(zhì)素纖維摻量的增加，不同RAP再生瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度均呈先增大后減小變化，其中當(dāng)RAP舊料摻量不超過30%時(shí)，加入合適木質(zhì)素纖維能夠使得混合料的浸水殘留穩(wěn)定度滿足規(guī)范要求，原因是木質(zhì)素纖維能吸收舊料孔隙內(nèi)的部分水分，故而增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

由圖6可知，在標(biāo)準(zhǔn)凍融劈裂試驗(yàn)情況下再生瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比隨著RAP舊料摻量的增加呈逐漸降低變化，其中RAP舊料摻量達(dá)到30%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比已低于規(guī)范規(guī)定要求（≥80%），說明RAP舊料對(duì)混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比產(chǎn)生了明顯的影響，原因是RAP舊料呈疏松多孔狀，在浸水及冷凍環(huán)境影響下較易發(fā)生失穩(wěn)。隨著木質(zhì)素纖維摻量的增加，不同再生瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比均呈先增大后減小變化，在木質(zhì)素纖維加入后混合料的RAP舊料摻量最高可達(dá)40%左右，原因是木質(zhì)素纖維均勻地分布于混合料內(nèi)被瀝青膠漿有效包裹，因此增強(qiáng)了再生瀝青混合料的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

（1）隨著RAP舊料、木質(zhì)素纖維摻量的增加，再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均呈逐漸增大變化，考慮到動(dòng)穩(wěn)定度過高會(huì)產(chǎn)生硬脆化現(xiàn)象，使其容易發(fā)生低溫開裂、水損等病害，故木質(zhì)素纖維的合理?yè)脚湫杈C合再生瀝青混合料其它性能進(jìn)行選定。

（2）再生瀝青混合料破壞應(yīng)變均隨著RAP摻量的增加逐漸降低；隨著木質(zhì)素纖維摻量的增加，破壞應(yīng)變則呈逐漸增大變化。木質(zhì)素纖維在結(jié)構(gòu)內(nèi)呈絮狀分布能有效地吸附瀝青，故能改善再生瀝青混合料的低溫抗裂性能。

（3）隨RAP舊料摻量增加，再生瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均逐漸降低，RAP舊料呈疏松多孔狀，在浸水及冷凍環(huán)境影響下較易發(fā)生失穩(wěn)；隨木質(zhì)素纖維摻量增加，浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均呈先增大后減小變化，木質(zhì)素纖維可吸附水分與瀝青膠漿結(jié)合，故能增強(qiáng)混合料的水穩(wěn)定性能。

（4）綜合各項(xiàng)路用性能可知，選用2%摻量的木質(zhì)素纖維能使再生瀝青混合料的RAP舊料摻量達(dá)到30%。