基于正交試驗的纖維對再生瀝青性能影響分析

馬仁凱

（北京城建道橋建設集團有限公司，北京 100025）

0 引言

隨著經濟的發展，我國交通運輸基礎設施體系不斷完善，形成了大規模公路網，帶動社會經濟的快速發展，且瀝青路面結構在公路中占比較高。路面在使用過程中，交通、環境的綜合影響會導致路面功能性衰減，引發瀝青路面病害，影響駕乘人員的行車舒適性，亟須采用路面預防性養護技術改善路面使用性能。瀝青路面養護過程中會產生大量的瀝青混合料回收料（Reclaimed asphalt pavement，RAP），從節能環保的角度需要有效利用RAP減少路面養護過程中的能耗與碳排放[1-2]。瀝青路面再生技術可以有效地利用RAP，所生產的再生瀝青混合料具有良好的經濟與環境效益[3-4]。然而，再生瀝青混合料常面臨水穩定性不足、抗裂性較差等風險。為改善再生瀝青混合料性能，Wu等[5]試驗研究了不同石棉纖維、玄武巖纖維含量的瀝青混合料性能，發現纖維可改善瀝青混合料的性能。Fazaeli等[6]研究發現聚酯纖維可改善瀝青混合料的抗裂能力且有利于拌合料攤鋪工作。朱朝輝[7]系統研究了纖維作用下的瀝青混合料性能變化趨勢，說明了纖維的增強機理。王瑛等[8]依托廣東某公路改建項目，分析了聚酯纖維、再生劑、RAP 摻量三個因素與再生瀝青混合料性能的聯系，發現纖維摻量對高溫性能最敏感，其次是RAP摻量，再生劑影響最小。

綜上，現有研究在纖維對瀝青混合料及再生瀝青混合料性能方面研究較多，但是對纖維在影響瀝青性能方面的研究較少。為此，為研究纖維對再生瀝青性能的影響，本研究設計正交試驗分析了纖維摻量、老化瀝青含量、瀝青老化程度對再生瀝青性能的影響，并采用極差、方差分析法判斷纖維對再生瀝青性能的影響程度。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料測試

試驗采用的原材料主要包括SBS改性瀝青、纖維。SBS改性瀝青的基本性能見表1。纖維為聚酯纖維，屬于合成纖維，在紡織領域有很廣泛的用途，有著較好的耐酸堿性、優良的強度及彈性復原性質。經過工業處理后的聚酯纖維作為添加劑加到瀝青混合料中，和瀝青混合料構造了穩定的結構，有效改善了瀝青混合料在高溫環境下的穩定作用和在低溫環境下延緩出現裂縫能力，基本性能見表2。再生劑為RA-102型再生劑，25℃下密度為0.96 g/cm3，20℃下黏度為 0.6～0.8 Pa·s。

表1 SBS改性瀝青技術指標Tab.1 SBS modified asphalt technical indicators

表2 聚酯纖維技術指標Tab.2 Polyester fiber technical specifications

1.2 試驗設計

再生瀝青指標受瀝青老化程度、老化瀝青含量等因素的綜合影響。為研究纖維對再生瀝青性能的影響，設計了如表3所示的試驗因素水平，其中，老化瀝青含量（A）、纖維摻量（B）的單位為再生瀝青質量比，瀝青老化程度（C）以針入度指標為界限劃分不同老化程度的瀝青。結合正交試驗研究不同老化瀝青含量（A）、老化程度（C）的再生瀝青受纖維摻量（B）影響下的性能變化規律，試驗方案見表4。

表3 試驗因素水平Tab.3 Experimental factor levels

表4 試驗方案Tab.4 Test scheme

采用旋轉薄膜烘箱制備不同老化程度的SBS改性瀝青，控制空氣壓縮機流量為4 000 mL/min，轉盤轉速15 r/min，烘箱溫度185℃。利用不同的針入度值對應瀝青不同的老化程度，在該條件下SBS改性瀝青老化程度與制備時長的關系見表5。

表5 SBS改性瀝青老化程度與老化時間關系Tab.5 Relationship between aging degree and aging time of SBS modified asphalt

將制備好的老化瀝青按照表4方案分別制備含纖維的再生瀝青，其中再生劑用量為老化瀝青質量的4%。采用DF-1017集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，控制轉速在1 500 r/min，控制溫度在150 ℃拌和纖維瀝青。將拌和好的纖維瀝青攤鋪在玻璃板上，未發現明顯成團現象，說明在該條件下拌和纖維瀝青基本能達到預期效果。

1.3 試驗方法

采用25℃針入度、軟化點、15℃延度指標評價含纖維的再生瀝青性能。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE20—2011）中步驟分別進行再生瀝青的25℃針入度、軟化點、15℃延度試驗。

2 結果分析與討論

根據設計試驗方案，分別測試再生瀝青的25℃針入度、軟化點、15℃延度，結果見表6。

表6 試驗結果Tab.6 Test results

2.1 極差分析

根據極差分析的結果來判斷各個因素在不同水平下對瀝青基本性能的影響程度，因素極差越大，說明該因素的影響越大，反之影響越小。試驗結果的極差分析結果見表7。

表7 極差分析結果Tab.7 Range analysis results

表7結果表明，三種因素對針入度的影響程度從高到低為：老化瀝青比例（A）＞纖維摻量（B）＞老化瀝青程度（C），使得針入度達到最小的最優組合條件是老化瀝青比例50%、纖維摻量6%、老化瀝青程度10～20。老化瀝青比例是影響纖維瀝青針入度指標的主要因素，隨著老化瀝青比例的增加，纖維瀝青的針入度明顯減小，老化瀝青比例為 50%時針入度最小，其中聚酯纖維瀝青較0和30%老化瀝青比例的針入度降低了45.1%、13.9%。三種因素對軟化點的影響程度從高到低為：纖維摻量（B）＞老化瀝青比例（A）＞老化瀝青程度（C），使得軟化點達到最大的最優組合條件是纖維摻量6%、老化瀝青比例50%、老化瀝青程度10～20。纖維摻量是影響纖維瀝青軟化點指標的主要因素，纖維摻量所占分量越大，纖維瀝青的軟化點呈增大態勢，纖維摻量為6%時軟化點最大，其中聚酯纖維瀝青較0和3%摻量的軟化點增加了17.2%、7.5%，這是因為纖維交錯于瀝青形成了網狀結構。三種因素對延度的影響程度順序從高到低為：老化瀝青比例（A）＞纖維摻量（B）＞老化瀝青程度（C），使得延度達到最小的最優組合條件是老化瀝青比例50%、纖維摻量6%、老化瀝青程度10～20。老化瀝青比例是影響纖維瀝青延度指標的主要因素，老化瀝青所占分量越大，纖維瀝青的延度越小，老化瀝青比例為50%時延度最小，其中聚酯纖維瀝青較0和30%比例的延度跌落了87.6%、68.6%。

綜上，極差分析結果表明老化瀝青含量、纖維摻量和老化瀝青程度對瀝青性能均有不同程度的影響，其中老化瀝青比例對瀝青25℃針入度、15℃延度性能影響較大，纖維摻量對瀝青軟化點性能影響顯著。

2.2 纖維對再生瀝青性能影響

上述研究表明，纖維對再生瀝青的性能有影響。為研究纖維對再生瀝青的影響程度，以30%老化瀝青含量，老化程度為20～30（0.1 mm）制備的再生瀝青為例，將不同纖維摻量與再生瀝青混合并充分攪拌，測試再生瀝青的性能指標，分析纖維摻量對瀝青性能影響的變化趨勢。不同纖維摻量的瀝青25℃針入度、軟化點、15℃延度變化趨勢如圖1～圖3所示。

圖1 纖維摻量與針入度關系Fig.1 Relationship between fiber content and penetration

圖2 纖維摻量與軟化點關系Fig.2 Relationship between fiber content and softening point

圖3 纖維摻量與延度關系Fig.3 Relationship between fiber content and ductility

由圖1可見，瀝青的針入度隨纖維摻量的增加呈下降的趨勢。此外，2%纖維摻量是針入度衰減幅度變化的關鍵摻量，單位纖維摻量情況下瀝青25℃針入度在0～2%纖維摻量時的衰減量為0.36 mm，而2%～6%纖維摻量時的衰減量為0.18 mm。由圖2可見，瀝青軟化點指標隨纖維摻量的增加而增加，單位纖維摻量情況下的瀝青軟化點在0～2%纖維摻量時的增幅為3.7℃，2%～6%纖維摻量時的增幅為2.7℃，2%纖維摻量是瀝青軟化點增幅變化的關鍵摻量。由圖3可見，瀝青15℃延度指標隨纖維摻量的增加而降低，單位纖維摻量情況下的瀝青15℃延度在0～2%纖維摻量時的降幅為5.75 mm，2%～6%纖維摻量時的降幅為2.65 mm，2%纖維摻量是瀝青15℃延度降幅變化的關鍵摻量。

綜上，2%纖維摻量是影響瀝青性能變化的關鍵摻量。瀝青性能的變化主要是因為纖維經過攪拌均勻分散于瀝青，使得含有纖維的瀝青在進行25℃針入度、軟化點、15℃延度試驗時，受纖維影響，含纖維的瀝青阻礙針入度探針進入瀝青，導致針入度降低。在進行軟化點試驗時，纖維在瀝青內部形成的網狀結構阻礙了軟化點鋼球的運動，導致軟化點升高[9]。在進行延度試驗時，纖維在瀝青內部的網狀結構有效約束了瀝青的變形，導致延度降低。此外，當纖維用量較低時，纖維在瀝青中分布較為均勻，可以顯著改善瀝青性能。然而，纖維摻量較高時，纖維在瀝青中趨于飽和，對瀝青改善效果將降低。因此，可通過摻加一定含量的纖維來改善瀝青及瀝青混合料性能，間接保障再生瀝青混合料的生產施工質量。

3 結論

（1）再生瀝青的軟化點受纖維摻量的影響最大，而25℃針入度、15℃延度受老化瀝青含量影響最大。

（2）再生瀝青的25℃針入度、15℃延度隨纖維摻量的增加而逐漸降低，軟化點則反之。

（3）2%纖維摻量是影響再生瀝青性能顯著變化的關鍵摻量。