纖維對廠拌熱再生瀝青混合料水穩定性影響研究

劉 佳

（北京城建道橋建設集團有限公司，北京 100025）

0 引言

廠拌熱再生技術可以充分利用原路面瀝青混合料回收料（Reclaimed asphalt pavement，RAP），將RAP處理后與新集料、新瀝青等混合，制備成再生瀝青混合料，具有良好的經濟、環保效益，還能有效應對瀝青路面養護問題[1]。研究表明[2]，當RAP摻量超過30%后，再生瀝青混合料的抗裂性和水穩定性有所降低，并且RAP摻量越高，性能下降幅度越大，所以改善高摻量下的再生瀝青混合料的抗水損性能成為亟待解決的難題[3]。而纖維可以改善瀝青混合料的綜合性能。纖維品種龐大，對瀝青混合料性能改善有良好的促進作用，國內外在這方面也積累了較多的研究成果。例如：Wu等[4]通過水穩實驗研究了玄武巖、石棉纖維可以改善瀝青混合料水穩定性。Fazaeli等[5]發現經過改性劑處理的瀝青混合料擁有更優良的性能，引進聚酯纖維和石蠟兩種物質作為增強劑加入瀝青混合料，試驗發現這種混合料有著更高的防控裂縫出現的能力，也更利于拌合料攤鋪工作的進行。王瑛等[6]說明了聚酯纖維、再生劑、RAP摻量三個因素與再生瀝青混合料性能的聯系，發現纖維對再生瀝青混合料的高溫性能最敏感，其次是RAP摻量，TLZS-B2再生劑次之，當纖維摻量為0.25%，再生劑為6%時，能保證混合料各項性能良好并實現高廢舊料比例的回收利用。周剛等[7]采用瀝青混合料路用性能試驗分析了聚酯纖維摻量及瀝青用量對再生瀝青混合料性能的影響，發現纖維和瀝青含量的合理比例是影響混合料路用性能的關鍵因素。鄭慧慧[8]研究了瀝青用量、纖維含量分別與木質素、聚酯、玄武巖纖維不同組合條件下瀝青混合料性能的影響，發現纖維對混合料的性能均有提升作用，且三種纖維復合作用下的再生瀝青混合料性能最佳。綜上，現有研究在纖維對再生瀝青混合料水穩定性影響方面的研究較少，有必要研究不同纖維對再生瀝青混合料水穩定性的影響規律。

本次研究采用了兩種不同類型的纖維，探究RAP摻量和纖維含量對再生瀝青混合料水穩定性的影響規律，以期對纖維再生瀝青混合料的推廣應用提供一定的參考依據。

1 纖維改性機理

纖維在與瀝青混合料中的瀝青與集料發生黏結與吸附時，能在混合料中相互連接形成三維網狀結構，這種網狀結構使得瀝青混合料更加致密，極大地增加了集料與集料之間、集料與瀝青之間的黏結力，從而提高了混合料的各項性能。因此，摻加纖維能夠改變瀝青混合料的各項性能。纖維在瀝青混合料中的網狀結構的穩定性與牢固程度決定了瀝青混合料的性能的優劣。纖維在增強瀝青混合料的過程中發生以下作用：

（1）加筋作用

纖細且數量眾多的纖維與瀝青及骨料形成統一的整體，纖維發揮出與集料架接的作用，增加了集料之間的摩擦力，好比鋼筋對于混凝土的結構作用。

（2）阻裂作用

摻入纖維和瀝青構造的交叉網狀形態，能夠使得混合料在受到行車荷載作用后不容易出現破裂。即使混合料中的“骨頭”被破壞了，但與之相連的“筋”仍起著結構穩定的作用，有效阻止裂縫現象的出現。

（3）穩固作用

纖維是單細絲狀態，幾克纖維中含有的單根數量就有成千上萬。因此，纖維與集料混合均勻后，纖維交叉錯位分布于混合料中，達到結構瀝青分量變多的目的，有效加強混合料整體結構的牢固。

（4）增韌作用

纖維本身柔韌性良好，基本不存在被拉斷的情況，引進適量纖維在瀝青混合料內部，包裹著集料形成的結構整體不易被松散，提升其整體的彈性模量。

2 試驗方案

2.1 原材料檢測

原材料性質是決定再生瀝青混合料性能的關鍵指標之一。因此，在試驗開始之前，必須對原材料的各項指標進行測試。本次研究所使用的原材料包括RAP、新集料、SBS改性瀝青、再生劑與纖維，依據規范[9]要求測試原材料各項性能。其中，RAP通過銑刨設備對原瀝青路面（AC-20）銑刨、破碎、篩分處理后得到 0～8 mm、8～12 mm、12～20 mm三檔，經過抽提后得到RAP的級配與瀝青含量見表1，老化瀝青采用阿布森法將其與三氯乙烯溶劑分離，測試基本性能指標見表2。SBS改性瀝青的基本性能指標見表3。新集料主要分為1#料0～3 mm、2# 料 3～6 mm、3# 料 6～12 mm 和 4#料12～20 mm，各檔集料的級配見表4，集料的基本性能見表5。

表1 RAP級配與瀝青含量Tab.1 RAP gradation and asphalt content

表2 老化瀝青基本指標Tab.2 Basic indicators of aging asphalt

表3 SBS改性瀝青物理性能Tab.3 Physical properties of SBS modified asphalt

表4 新集料級配測試結果Tab.4 Test results of new aggregate gradation

表5 新集料基本性能測試結果Tab.5 Basic performance test results of new aggregate

再生劑為英杰維特投資有限公司生產的Evoflex再生劑，25℃下密度為0.96 g/cm3，20℃下黏度為600～800 cP。再生劑的使用能使老化瀝青中的各種成分轉變為一個合適的比例，恢復其基本性能。此外，纖維采用聚酯纖維和玄武巖纖維，表觀如圖1所示。由圖1可見，聚酯纖維呈白色，表面較光滑，玄武巖纖維呈灰色，表面較粗糙，兩者都呈纖維束狀態，柔韌性好，基本不存在被拉斷的情況。

圖1 纖維表觀狀態Fig.1 Appearance of fiber

2.2 試驗設計

本次研究的混合料類型為AC-20，選用級配中值作為設計級配，如圖2所示。

圖2 AC-20設計級配Fig.2 AC-20 design gradation

研究因素包括纖維種類、纖維摻量和RAP摻量，纖維和RAP摻量見表6，并根據表6設計試驗方案，比較不同纖維情況下纖維和RAP摻量對再生瀝青混合料水穩定性的影響。根據設計方案，分別制作不同RAP摻量不同纖維種類及纖維摻量下的馬歇爾試件，通過凍融劈裂試驗的對比，最終得出各影響因素對再生瀝青混合料水穩定性的影響規律。

表6 研究因素參數Tab.6 Research factor parameters

本次研究使用經典的馬歇爾設計法來確定混合料最佳瀝青用量。采用干拌法將原材料拌和：拌和溫度160℃，投入新集料和纖維干拌60 s，投入RAP、再生劑與新瀝青濕拌60 s，投入礦粉拌和60 s。擊實溫度設定為150℃。按照上述方法成型馬歇爾試件，測定試件的體積指標與性能指標，最終確定不同RAP摻量下的再生瀝青混合料最佳瀝青用量，詳見表7。

表7 不同RAP摻量下的最佳瀝青用量Tab.7 The best asphalt dosage under different RAP content

3 試驗結果與分析

摻加聚酯纖維、玄武巖纖維的再生瀝青混合料凍融劈裂試驗結果見表8。由表8可見，隨著纖維摻量增加，再生瀝青混合料的空隙率呈先減小后增大的趨勢，主要是因為混合料中纖維含量增加時，再生瀝青混合料由集料+瀝青的“兩相”狀態變為“三相”狀態，在混合料內部形成網狀結構，纖維填補了部分集料之間的空隙，導致空隙率減??；隨著纖維含量繼續增加，過多的纖維中有部分沒能與集料充分混合均勻，也有可能是因為纖維含量增加而瀝青用量不變導致纖維與集料的黏結性減弱，引起混合料的空隙率增大。此外，凍融后的再生瀝青混合料空隙率較凍融前增加3%～12%，說明試件經過凍融受到了水破壞，主要是因為在凍融過程中一方面試件發生了變形，另一方面部分封閉空隙打開，空隙相互連通，使得混合料空隙率增大。

表8 再生瀝青混合料凍融劈裂試驗結果Tab.8 Freeze-thaw splitting test results of recycled asphalt mixture

3.1 劈裂抗拉強度分析

不同RAP摻量、纖維種類、纖維摻量下的再生瀝青混合料劈裂抗拉強度變化如圖3（a）、（b）所示。由圖3可見，隨著RAP摻量增加，再生瀝青混合料的劈裂抗拉強度增大，表明RAP的存在有利于混合料形成更高的強度；隨著纖維摻量增加，再生瀝青混合料的劈裂抗拉強度呈現先增大后減小的趨勢，這是因為纖維的加入使瀝青混合料形成了三維網狀結構，在混合料受到外界應力發生變形時，纖維牽附著集料和瀝青一起運動，起到了很好的結構穩定作用，從而提升了瀝青混合料的強度；然而，纖維含量過高時，再生瀝青混合料的劈裂抗拉強度減小，主要是因為纖維的分布已接近飽和，再增加纖維易發生結團現象。此外，纖維含量增加導致吸油率增大，相對穩定的瀝青用量使得混合料中的有效瀝青含量降低，導致抗裂性下降，強度減??；相同纖維摻量下，玄武巖纖維的再生瀝青混合料的劈裂抗拉強度較聚酯纖維高。

圖3 不同纖維的再生瀝青混合料劈裂抗拉強度Fig.3 Splitting tensile strength of recycled asphalt mixture with different fibers

3.2 凍融劈裂抗拉強度比分析

不同RAP摻量、纖維種類、纖維摻量下的再生瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度比變化如圖4所示。由圖4可見，RAP摻量越高，凍融劈裂抗拉強度比越小，說明RAP影響再生瀝青混合料的抗水損能力，且RAP摻量越高，水穩定性越差；隨著纖維摻量的增加，凍融劈裂抗拉強度比逐漸增大，說明纖維可以有效提高再生瀝青混合料的水穩定性，主要是因為摻入纖維后，再生瀝青混合料內形成了三維網狀結構，混合料的界面強度得到增強，有效改善了混合料的水穩定性；相同纖維摻量情況下，摻加玄武巖纖維的再生瀝青混合料的殘留強度比要高于摻加聚酯纖維的再生瀝青混合料。

圖4 不同纖維的再生瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度比Fig.4 The freeze-thaw splitting tensile strength ratio of recycled asphalt mixtures with different fibers

4 結語

（1）隨著纖維摻量增加，馬歇爾試件的空隙率呈先減小后增大的趨勢，且再生瀝青混合料凍融后的空隙率較凍融前高3%～12%。

（2）再生瀝青混合料的劈裂抗拉強度隨著RAP摻量的增加而增大，隨著纖維摻量增加，再生瀝青混合料的劈裂抗拉強度呈先增大后減小的趨勢。

（3）隨著RAP摻量增加，再生瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度比降低，RAP降低再生瀝青混合料的抗水損能力。隨著纖維摻量增加，再生瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度比逐漸增大，說明纖維可以有效改善再生瀝青混合料的水穩定性。

（4）玄武巖纖維較聚酯纖維改善再生瀝青混合料抗水損能力的效果更好。