王國方, 李 波,2, 肖 鵬,2*, 吳正光,2, 婁可可

(1. 揚州大學a. 建筑科學與工程學院; b. 城市規(guī)劃與發(fā)展研究院, 江蘇 揚州 225127;2. 江蘇省玄武巖纖維復合建筑材料工程研究中心, 江蘇 揚州 225127)

目前瀝青路面主要的再生利用技術有廠拌熱再生、就地熱再生、廠拌冷再生、就地冷再生等．國內(nèi)外最常用的是廠拌熱再生技術, 但該技術生產(chǎn)的再生瀝青混合料中RAP(reclaimed asphalt pavement)的摻量低(通常<25%), 且容易發(fā)生早期病害,尤其是開裂問題已經(jīng)成為再生瀝青路面的主要病害,如何提高RAP摻量并改善再生瀝青混合料的性能已成為亟待解決的問題．大量研究表明, 將玄武巖纖維摻入到瀝青混合料中可以提升其路用性能,尤其能夠大幅提高瀝青混合料的抗開裂性能．Zheng等[1]發(fā)現(xiàn)加入適量的玄武巖纖維可以大大提高復雜環(huán)境下瀝青混合料的低溫彎曲性能、疲勞性能; Lou等[2]研究發(fā)現(xiàn)摻入玄武巖纖維能大幅度提高混合料抗高溫變性能力、低溫抗裂性和疲勞性能; Guo等[3]研究表明玄武巖纖維雖然降低了20 ℃時的臨界應力強度因子, 但很好地提高了瀝青混合料的中低溫臨界斷裂能; Shen等[4]認為玄武巖纖維可以提高瀝青混合料的低溫抗裂性和抗疲勞性能; Li等[5]通過將玄武巖纖維摻入到瀝青混合料中, 發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維有效改善了瀝青混合料的低溫性能, 玄武巖纖維形成的三維網(wǎng)絡結(jié)構則延緩了混合料裂縫的擴展; Zhao等[6]發(fā)現(xiàn)與木質(zhì)素纖維和聚酯纖維相比, 玄武巖纖維在改善瀝青混合料低溫性能方面具有一定優(yōu)勢; Huang等[7]認為玄武巖纖維對改善瀝青瑪蹄脂的永久變形、撓曲強度和應力敏感性具有更大的影響; Wang等[8]研究表明與木質(zhì)素纖維相比, 玄武巖纖維能提高瀝青混合料在凍融循環(huán)下的抗高溫變形能力和低溫抗裂能力．相應地, 將玄武巖纖維摻入再生瀝青混合料中有望改善其路用性能尤其是抗開裂性能．張勤玲等[9]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可明顯改善再生瀝青混合料的路用性能; 楊鵬[10]通過將玄武巖纖維摻入到溫拌再生瀝青混合料中,發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能夠有效改善混合料低溫性能及水穩(wěn)定性能的不足．為深入了解高溫下再生瀝青混合料抗剪切變形性能,本文擬將玄武巖纖維用于廠拌熱再生瀝青混合料,通過單軸貫入試驗、理想開裂試驗、低溫彎曲試驗, 研究玄武巖纖維對再生瀝青混合料高溫抗剪性能和抗開裂性能的影響．

1 實驗

1.1 原料

RAP來源于省道S356(沿江公路)邗江段實體工程, 該工程對舊路面進行分層破碎、銑刨,銑刨的表層厚度為5 cm．經(jīng)試驗表明, RAP料中老化瀝青質(zhì)量分數(shù)為4.28%, 集料篩分結(jié)果見表1．RAP中老化瀝青針入度為382 mm, 軟化點為57.4 ℃,135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度為1.76 Pa·s．根據(jù)文獻[11],可知RAP中舊瀝青的老化等級為Ⅱ級老化瀝青．針對現(xiàn)如今江蘇省大部分地區(qū)使用PG76-22SBS改性瀝青以及70#道路石油瀝青的現(xiàn)狀, 結(jié)合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2017)中要求SBS改性瀝青的黏度值不大于3 Pa·s(135 ℃), 確定再生SBS類瀝青的目標針入度值宜為(70.0±0.1)mm, 黏度值為(1.7±0.1)Pa·s．選用江蘇省江陰市寶利公司生產(chǎn)的PG76-22SBS改性瀝青, 江蘇天龍玄武巖連續(xù)纖維股份有限公司生產(chǎn)的直徑為16 μm、長度為6 mm的短切玄武巖纖維, 其性能指標見表2．

表2 玄武巖纖維物理指標

1.2 再生瀝青混合料組成設計

以AC-13型級配為研究對象,根據(jù)新集料、礦粉和 RAP 中舊集料的篩分結(jié)果, 合成了w(RAP)分別為 0%,30%,40%,50%的4組級配, 使之均達到瀝青混合料的級配設計要求．以w(RAP)=40%摻量為例, 其級配曲線如圖1所示．各級配中玄武巖纖維的摻量均為再生瀝青混合料質(zhì)量的0.3%[12],根據(jù)RAP摻量分別為0%,30%,40%,50%四組級配的配合比設計結(jié)果,未摻纖維的最佳油石質(zhì)量比分別為5.00%,4.58%,4.47%,4.34%;摻纖維后的最佳油石質(zhì)量比分別為5.20%,4.78%,4.67%,4.54%．

圖1 w(RAP)=40%摻配比例礦料合成級配曲線Fig.1 w(RAP)=40% Blending ratio grading curve of ore materials

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫穩(wěn)定性分析

摻入玄武巖纖維前后,不同RAP摻量再生瀝青混合料的貫入強度RT如圖2所示．由圖2可知, 隨著RAP 摻量的增加,再生瀝青混合料的貫入強度出現(xiàn)先增加后減小的趨勢, 并在w(RAP)=40%時達到最大值, 這表明在合適的RAP摻量下, 再生瀝青混合料具有較好的高溫抗剪性能．在相同的RAP摻量下, 摻入玄武巖纖維后,再生瀝青混合料的貫入強度有所提高,w(RAP)為0%,30%,40%,50%再生瀝青混合料的貫入強度分別提升了11.6%,9.4%,7.6%,9.5%,說明摻入玄武巖纖維能改善再生瀝青混合料的高溫抗剪性能．這是因為玄武巖纖維帶入大量界面進入瀝青混合料中,能夠吸附自由瀝青,從而起到良好的增黏效應．

圖2 再生瀝青混合料貫入強度試驗結(jié)果Fig.2 Test results of penetration strength of reclaimed asphalt mixture

2.2 中溫抗裂性分析

采用起裂功Wfb評價試件產(chǎn)生宏觀裂縫所需能量,其值越大,試件抵抗裂縫產(chǎn)生的能力越強; 采用開裂指數(shù)RI用以評價瀝青混合料抵抗裂縫擴展的性能, 其值越大代表裂縫擴展速度越慢, 抗裂縫擴展能力越強．摻入玄武巖纖維前后, 不同RAP摻量再生瀝青混合料的理想開裂試驗結(jié)果如圖3所示．

由圖3可知, 未摻玄武巖纖維時, 起裂功Wfb隨著RAP摻量的增加逐漸增大,而開裂指數(shù)RI逐漸減?。砻鱎AP摻量越高,再生瀝青混合料抵抗裂縫產(chǎn)生的能力越強,但裂縫產(chǎn)生后,裂縫開展的速度極快．與目前再生瀝青混合料的實際使用情況相符合,表明理想開裂試驗提供了一個可以定量評價開裂性能的方法．

圖3 再生瀝青混合料理想開裂試驗結(jié)果Fig.3 IDEAL-CT results of reclaimed asphalt mixture

摻入玄武巖纖維后,w(RAP)為0%,30%,40%,50%再生瀝青混合料的Wfb值分別提高了11.1%,9.9%,9.7%,10.9%,開裂指數(shù)RI值分別提高了66.1%,104.7%,104.7%,130.1%,表明摻入玄武巖纖維不僅提高了再生瀝青混合料裂縫產(chǎn)生所需的能量,而且大幅降低了其裂縫擴展速度,使再生瀝青混合料的中溫抗裂性能得到顯著提升．這是由于當瀝青混合料受力時,玄武巖纖維本身的抗拉性、纖維與瀝青之間的粘附性以及纖維纏繞在石料間對石料的包裹性均發(fā)生了作用,進而分散一部分瀝青混合料集料間的拉力,起到有效傳遞或消散應力的作用,從而阻止瀝青混合料開裂破壞的擴展．

2.3 低溫抗裂性分析

摻入纖維前后, 不同RAP摻量再生瀝青混合料的破壞應變εB如圖4所示．由圖4可知, 未摻玄武巖纖維時,再生混合料的破壞應變隨著RAP 摻量的增加逐漸減小,表明RAP的摻入對于再生瀝青混合料的低溫抗裂性能產(chǎn)生了不利影響．當RAP摻量相同時,摻入玄武巖纖維的再生瀝青混合料的破壞應變值得到了不同幅度的增長．摻入玄武巖纖維后,w(RAP)為0%,30%,40%,50%所對應的再生瀝青混合料試件的破壞應變分別提高了22.3%,15.8%,21.4%,17.5%．由此可見, 摻入玄武巖纖維可極大地提高再生瀝青混合料的低溫抗裂性能,使其在道路工程中的適用性得到顯著增強．

圖4 再生瀝青混合料小梁彎曲試驗破壞應變結(jié)果Fig.4 Destructive strain results of trabecular bending test of recycled asphalt mixture

2.4 再生瀝青混合料路用性能綜合分析

由上述分析可知,玄武巖纖維可同時改善再生瀝青混合料的高溫抗剪性能和中低溫開裂性,但不同摻量條件下對高溫穩(wěn)定性和中低溫抗裂性的提升效果具有一定差異,故需要對其路用性能進行綜合分析, 探尋玄武巖纖維對再生瀝青混合料的提升效果．以貫入強度為縱坐標, 分別以開裂指數(shù)CTIndex和破壞應變εB為橫坐標, 繪制了性能分區(qū)圖如圖5～6所示, 其中C30,C40,C50分別表示w(RAP)為30%,40%,50%摻量的再生瀝青混合料(未摻玄武巖纖維); BF30,BF40,BF50則分別表示w(RAP)為30%,40%,50%摻量的摻入玄武巖纖維的再生瀝青混合料．

圖5 再生瀝青混合料中溫抗裂性與 高溫穩(wěn)定性綜合分析Fig.5 Comprehensive analysis of medium temperature crack resistance and high temperature stability of recycled asphalt mixture

由圖5可以看出,C30、C50兩種再生瀝青混合料分布在左下方,中溫抗裂性能和高溫穩(wěn)定性能均較差;BF30、BF50兩種再生瀝青混合料分布在中部靠右位置,中溫抗裂性能較好,高溫穩(wěn)定性能一般;C40分布在左上方,中溫抗裂性能較差,高溫穩(wěn)定性能較好;BF40分布在右上方,中溫抗裂性能和高溫穩(wěn)定性能均較好．換言之,w(RAP)=40%摻量的玄武巖纖維再生瀝青混合料的中溫抗裂性能和高溫穩(wěn)定性能均表現(xiàn)出色,意味著玄武巖纖維有助于同時提升再生瀝青混合料的中溫抗裂性能和高溫穩(wěn)定性能．而摻玄武巖纖維的再生瀝青混合料BF50的中溫抗裂性能和高溫穩(wěn)定性能均優(yōu)于未摻玄武巖纖維再生瀝青混合料C30,表明將玄武巖纖維摻入再生瀝青混合料中,在大幅提升其抗開裂性能的同時,還能提高再生瀝青混合料中RAP的摻量．

由圖6可以看出, C30再生瀝青混合料分布在左下方, 低溫抗裂性能和高溫穩(wěn)定性能均較差; C50位于中部靠下位置,其低溫抗裂性能較好,高溫穩(wěn)定性能較差; BF30和BF50兩種再生瀝青混合料分布在中部靠右位置, 低溫抗裂性能較好, 高溫穩(wěn)定性能一般; C40分布在左上方,低溫抗裂性能較差,高溫穩(wěn)定性能較好; BF40分布在右上方,低溫抗裂性能和高溫穩(wěn)定性能均較好．換言之,w(RAP)=40%摻量的玄武巖纖維再生瀝青混合料, 其低溫抗裂性能和高溫穩(wěn)定性能均表現(xiàn)出色,也意味著玄武巖纖維有助于再生瀝青混合料的低溫抗裂性能和高溫穩(wěn)定性能的提升．摻玄武巖纖維的再生瀝青混合料BF50,其低溫抗裂性能和未摻玄武巖纖維再生瀝青混合料C30相當, 但前者高溫抗剪性能更優(yōu), 表明將玄武巖纖維摻入再生瀝青混合料中不僅能夠改善其低溫抗開裂性能,還能提高再生瀝青混合料中RAP的摻量．

圖6 再生瀝青混合料低溫抗裂性與高溫 穩(wěn)定性綜合分析Fig.6 Comprehensive analysis of low temperature crack resistance and high temperature stability of recycled asphalt mixture

3 結(jié)論

1) 采用單軸貫入試驗評價再生瀝青混合料的高溫抗剪性能．結(jié)果表明: 再生瀝青混合料貫入強度隨著RAP摻量的增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢;當RAP摻量超過40%時, 貫入強度達到最大值;摻入玄武巖纖維能夠進一步提升再生瀝青混合料的高溫抗剪性能,提升幅度約為10%．

2) 采用理想開裂試驗評價再生瀝青混合料的中溫抗開裂性能．結(jié)果表明: 摻入玄武巖纖維不僅能夠提高再生瀝青混合料產(chǎn)生裂縫的能量,還能大幅延緩其裂縫擴速率; RAP摻量越高, 瀝青混合料抵抗裂縫擴展速率的性能提高越顯著．

3) 采用小梁彎曲試驗評價再生瀝青混合料的低溫抗裂性能．結(jié)果表明:摻入玄武巖纖維后,不同RAP摻量再生瀝青混合料的破壞應變提升了15.8%～22.3%．

4) 性能綜合分析結(jié)果表明,玄武巖纖維對提高RAP利用率具有積極作用．摻入玄武巖纖維w(RAP)=50%摻量的再生瀝青混合料,其綜合性能優(yōu)于不摻纖維的w(RAP)=30%摻量的再生瀝青混合料．將玄武巖纖維用于再生瀝青混合料,能夠為提高再生瀝青混合料中RAP的摻量并改善其性能提供一個新的途徑．