掺加纤维与青川岩沥青的热再生混合料配合比设计与路用性能

郑慧慧

（商丘师范学院 建筑工程学院，河南 商丘 476000）

0 引言

随着我国公路建设的迅速发展和社会可持续发展及绿色公路的迫切需要，沥青路面热再生技术作为经济、低碳、节能环保、可持续发展的重要技术途径之一[1-4]，近年来大比例RAP（Recycled Asphalt Pavement）掺量己逐渐成为当前我国沥青路面再生利用的趋势和主流，随着热再生混合料在我国的各等级公路预防性养护和大中修工程中的广泛应用和推广，许多科研机构和高等院校也在积极开展有关沥青路面热再生技术方面的研究，并取得了丰硕研究成果。周志刚等[5]为了最大限度提高RAP掺配比例，提出了基于经济性能和技术指标性能的热再生混合料优化设计方法。何兆益等[6-7]研究了不同RAP掺量热再生混合料的路用性能和劈裂疲劳特性，结果表明随着RAP掺量增大，热再生沥青混合料的低温弯曲应变大幅度减小，在长期水损害条件下，热再生混合料水稳定性逐渐变差，RAP掺量增大，热再生混合料疲劳寿命显著降低。陈静云等[8]研究了高比例RAP掺量热再生混合料的低温抗裂性能。黄晓明等[9]研究了再生工艺对热再生混合料低温性能的影响。王杰等[10]研究了厂拌热再生混合料的变异性，提出了厂拌热再生混合料最大RAP添加控制模型。由于RAP材料的力学性能、物理指标明显劣化于新集料，加之热再生混合料在生产过程中RAP受热结团、变异性大、新旧料离析等技术难题，高比例RAP掺量热再生混合料的低温抗裂性及抗疲劳开裂耐久性成为工程界和学术界最为关注的问题之一，常规高RAP掺量厂拌热再生混合料路用性能和耐久性能较难满足工程建设要求，这是制约厂拌热再生混合料增大RAP掺量的主要技术瓶颈之一。

纤维和岩沥青是我国高等级公路沥青路面常用的改性材料，岩沥青因其能够显著改善沥青混合料的高温性能、水稳定性和抗疲劳性能，且干法改性工艺简单、经济性好等优势被广泛应用于重载高温多雨区沥青路面[11－14]，纤维因其能够在沥青混合料内部形成加筋网状结构等优势，显著改善了沥青混合料的抗疲劳性能，且经济性好等优势[15－16]。为了有效改善厂拌热再生混合料抗裂性能、水稳定性和耐久性，对掺加青川岩沥青和纤维复配改性添加材料的热再生沥青混合料的路用性能及抗裂性能进行研究，提高大比例RAP掺量热再生混合料在极端气候条件下的耐候性，延长使用寿命。以期丰富热再生沥青路面性能改善技术措施，为工程实践提供参考与借鉴。

1 试验方案

1.1 原材料

（1）青川岩沥青（岩沥青，Rock asphalt，RA）：主要由 N（3.91%）、C（84.05%）、H（7.55%）及 S（6.49%）组成，其技术指标如表1所示。

表1 青川岩沥青的性能指标

（2）基质沥青（J）：SK90号A级道路石油沥青，其性能指标符合JTG F41—2004《公路沥青路面施工技术规范》A级道路石油沥青技术要求；橡胶油：市售，其各项指标符合JTG F41—2008《公路沥青路面再生技术规范》规定的RA－75型再生剂要求。

（3）纤维：木质素纤维（LF）、聚酯纤维（PF）、玄武岩纤维（BF），均取自实体工程，纤维的主要技术指标见表2。

（4）RAP：回收沥青路面材料来源于陕西某高速公路大中修沥青混凝土表面层，大修时该沥青路面已经服役了8年，RAPM中的粗集料为玄武岩，沥青结合料为SBS改性沥青，RAPM由冷铣刨法获取。采用燃烧法、阿布森法确定RAP的沥青用量并回收RAP中的老化沥青，RAP的主要技术指标见表3。经室内试验研究，在RAP老化沥青中掺加10%橡胶油作为再生剂可将RAP中老化沥青针入度提高至63（0.1 mm），10℃延度提高至78 cm，软化点降低至67℃，试验时掺加10%橡胶油作为再生剂。

表2 纤维的基本性能指标

表3 RAP的主要技术指标

1.2 岩沥青与纤维复配方案

参考已有研究成果[11－16]，岩沥青掺量选用10%（岩沥青占沥青质量百分比），纤维掺量3.5%（占集料的质量百分比），固定青川岩沥青和纤维掺量，分别采用木质素、聚酯、玄武岩3种纤维与青川岩沥青进行复配，根据已有研究成果，试验研究增加了一种复合纤维方案，考虑到掺加木质素纤维可提升沥青混合料的低温性能和抗疲劳性能，聚酯纤维可显著改善沥青混合料的低温性能，玄武岩纤维可显著改善沥青混合料的高温性能和疲劳性能，岩沥青可显著改善沥青混合料的高温性能、水稳定性和抗疲劳性能，为了能够较好的改善热再生混合料的低温抗裂性能，同时兼顾复合改性剂的经济性，在确定复合纤维中的纤维组成时，采用相对较多的木质素纤维和聚酯纤维，复合纤维（CF）总掺量为0.35%，其中m（木质素纤维）∶m（聚酯纤维）∶m（玄武岩纤维）=3∶3∶2。

2 纤维与青川岩沥青复合改性高RAP掺量热再生混合料配合比设计

2.1 新旧集料加热温度

为了避免RAP加热温度过高导致的RAP表面沥青二次老化、沥青流淌和RAP结团、离析等问题，RAP加热温度一般不超过120℃，但是RAP预热温度过低时，会导致新集料加热温度过高，尤其是RAP掺量越大，为了满足混合料摊铺碾压温度，新集料预热温度往往会超过230℃，反而不经济且生产困难，综合考虑，试验时将RAP预热至115℃，新集料预热温度以控制热再生混合料拌合温度为165～170℃通过室内拌合试验确定，最终新集料加热温度采用210℃。

2.2 纤维与青川岩沥青干法改性工艺

试验中纤维、青川岩沥青的掺加方式采用干法改性工艺：（1）将新集料加热至210℃，RAP加热至115℃、基质沥青加热至160℃；（2）先将RAP倒入搅拌锅，RAP中掺加8%橡胶油，搅拌30 s，使RAPM表面老化沥青与橡胶油充分、均匀接触，以还原老化沥青部分路用性；（3）将RAP与新集料混合，一起搅拌45 s；（4）加入预定质量的青川岩沥青与纤维复合添加剂，一起搅拌60 s；（5）最后加入矿粉，搅拌60 s后完成热再生混合料制备。

2.3 矿料级配组成设计

5～10 mm、10～15 mm 两档新集料采用玄武岩碎石，3～5 mm、0～3 mm两档新集料采用石灰岩机制砂，RAP分为0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm三档，矿粉由石灰岩磨制而成。以JTGF 40—2004规范AC－13中值级配各筛孔分计筛余量为目标筛余量，对比0～13.2 mm各个目标级配与RAP分计筛余的数据，计算各自所对应的比值（目标筛余量占RAP筛余量的百分比），经过分析可知，所对应比值的最小值应作为RAP掺配比例的最大值，结果见表4。

表4 RAP筛分汇总结果

由表4分析可知，0.6 mm这档对应的比值是52.4%，很明显RAP最大的掺量为52.4%。根据RAPM的特性和新旧集料筛分试验结果，并结合上述研究结果，合成级配最终确定RAMP掺量为40%（见表5）。

表5 热再生混合料矿料级配组成

2.4 马歇尔试验

根据JTG F41—2008《公路沥青路面再生技术规范》的要求，热再生沥青混合料的目标配合比设计采用马歇尔试验方法。按照上述工厂化生产参数拌合纤维与青川岩沥青复合改性高RAP掺量（40%）热再生混合料，不同纤维与青川岩沥青复配方案的热再生混合料马歇尔试验结果见表6。

表6 马歇尔试验结果

由表6可见，青川岩沥青改性热再生混合料最佳沥青用量与普通热再生混合料差异不大，掺加青川岩沥青显著提高了热再生混合料的马歇尔稳定度。相比普通热再生混合料，掺加单一纤维或复合纤维后，最佳沥青用量增加了0.41%～1.06%，掺加单纤维及复合纤维后热再生混合料的矿料间隙率（VMA）、沥青饱和度（VFA）增大。木质素纤维、复合纤维改性热再生混合料的最佳沥青用量最大，聚酯纤维、玄武岩纤维改性热再生混合料最佳沥青用量相差不大，这主要是木质素纤维的比表面积大、吸持沥青能力最好。

3 纤维与青川岩沥青复合改性高RAP掺量热再生混合料的路用性能

3.1 车辙试验

车辙试验按照JTG E 20—2011《公路沥青及沥青混合料试验规程》规定的T0719—2011进行。车辙试验试件由轮碾法成型，试件尺寸300 mm×300 mm×50 mm，试验温度60℃，试验轮行走速率42次/min，试验结果见表7。

表7 车辙试验结果

由表7可见，与基质沥青热再生沥青混合料相比，掺10%青川岩沥青后热再生混合料车辙试验动稳定度DS增大至2.1倍，加载2520次时的车辙变形量减小了15%，表明掺加青川岩沥青能够显著提高热再生混合料的高温抗车辙性能。相比普通热再生混合料和青川岩沥青改性热再生混合料，掺加0.35%木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维后，热再生混合料车辙试验动稳定度分别增大了1.32、1.49、1.77、1.91倍和0.11、0.19、0.32、0.39倍，可见将纤维与青川岩沥青复配后可进一步改善热再生混合料的高温性能，复合纤维对热再生混合料高温性能改善最优，单一纤维改性岩沥青热再生混合料的高温性能由大到小其次排序依次是玄武岩纤维、聚酯纤维、木质素纤维。4种热再生混合料的动稳定度可达到5000次/mm以上，纤维与岩沥青复合改性热再生混合料具有优良的高温性能，抗车辙能力优良。

3.2 低温抗裂性能

按照JTG F41—2008，采用低温小梁弯曲试验评价热再生沥青混合料的低温抗裂性能，采用30 mm×35 mm×250 mm小梁试件，单点加载方式，支点间距200 mm，加载速率为50 mm/min，试验温度为-10℃。根据沥青混合料的低温破坏机理，沥青混合料中储存的弹性应变能越多，低温破坏荷载作用下的抗弯拉强度越大、变形能力越大，其承受温度骤降产生的温度应力能力越强，其低温抗裂性能就越好。根据沥青混合料的破坏根据沥青混合料的破坏能的定义，可以将其单位体积的破坏能表示为式（1），通过对低温弯曲试验结果曲线分析发现，三次多项式可以较好地模拟低温弯曲试验的应力-应变关系[见（式 2）]，即将式（2）代入式（1）中，可计算出沥青混合料的破坏应变能。低温弯曲试验结果见表8。

式中：A、B1、B2、B3表示回归后的材料参数。

表8 低温弯曲试验结果

由表8可见，与基质沥青热再生沥青混合料相比，青川岩沥青改性热再生混合料的抗弯拉强度、弯拉应变、弯曲劲度模量分别提高了34%、18%和14%，可见青川岩沥青对热再生混合料低温性能有一定的改善效果，这主要是青川岩沥青中的灰分富含碱性矿物，能够提高沥青与集料的粘附性，但是青川岩沥青中的沥青稠度大，变形能力差，一定程度上降低了沥青混合料的低温性能，前者对沥青混合料低温性能的增强效果大于后者，总体表现为青川岩沥青改性热再生混合料劲度模量、弯拉强度增大，而破坏应变能和弯曲应变提高不明显。

与青川岩沥青改性热再生混合料相比，掺加木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维及复合纤维后，热再生混合料的抗弯拉强度提高了3.2%、5.8%、8.1%、9.7%，弯曲应变提高了27%、45%、56%、73%，破坏应变能提高了35%、56%、76%、86%，纤维对青川岩沥青改性热再生混合料的弯曲应变、单位体积破坏应变能增加较为明显，掺加纤维可进一步提高热再生沥青混合料的低温性能。与基质沥青热再生沥青混合料相比，掺加木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维及复合纤维后，热再生混合料弯曲应变提高了50%、71%、83%、104%，4种纤维与岩沥青复合改性热再生混合料弯曲应变均大于3000 με，符合现行施工技术规范冬严寒区沥青混合料弯曲应变大于2600 με的低温抗裂要求，采用纤维与岩沥青复配方案可提高普通热再生混合料在我国北方冬严寒区的适用范围。通过采用最大弯拉应变、抗弯拉强度和单位体积低温破坏能这3个评价指标对热再生沥青混合料小梁低温弯曲试验结果进行比较分析，发现在四种复合改性热再生混合料中，复合纤维对岩沥青改性热再生沥青混合料低温性能的改善效果最佳。

3.3 水稳定性

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价热再生混合料的水稳定性。浸水马歇尔试验、冻融循环试验方法参照JTG E20—2011进行，试验结果见表9。

表9 水稳定性试验结果

由表9可见，基质沥青热再生混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比均不超过75%，较难满足现行规范对沥青混合料水稳定性的相关要求，这与已有研究成果相吻合。掺加岩沥青及岩沥青与纤维复合改性剂后，高RAP掺量热再生混合料冻融后的劈裂强度可达1.2 MPa以上，冻融劈裂强度比和浸水马歇尔残留稳定度比可达到90%以上，纤维与岩沥青复合改性热再生混合料水稳定性能够满足规范要求。相比而言，4种岩沥青与纤维复合改性热再生混合料比岩沥青改性热再生混合料具有更大的冻融劈裂强度和冻融劈裂比，其水稳定性更佳，这说明纤维与岩沥青复合改性措施能扩大高RAP掺量热再生混合料的使用范围。

4 结论

（1）掺加青川岩沥青与纤维后，热再生混合料最佳沥青用量增大，纤维与岩沥青复合改性热热再生混合料的动稳定度可达到5000次/mm以上，-10℃弯曲应变大于3000 με，冻融后的劈裂强度可达1.2 MPa以上，冻融劈裂强度比和浸水马歇尔残留稳定度比可达到90%以上，掺加纤维与岩沥青复合改性剂能扩大高RAP掺量热再生混合料在全国范围内的使用范围。综合来看，青川岩沥青与纤维能够改善热再生混合料抗车辙性能、提高大比例RAP掺量热再生混合料水损害及抗裂性能，且加工较为方便的一种改性材料。

（2）纤维与岩沥青对沥青混合料水稳定性和高温性能改善的叠加作用，使得青川岩沥青与纤维复合改性剂显著提高了热再生混合料在水-高温-荷载耦合作用下的抗永久变形能力。掺加纤维与岩沥青显著增大了热再生混合料的疲劳寿命，尤其是增加了高应变水平下的疲劳寿命，同时降低了热再生混合料疲劳性能对应变水平的敏感性。

（3）通过综合分析不同纤维与岩沥青复配方案下热再生混合料的高低温性能、水稳定性及抗疲劳耐久性，建议在全国范围内推广大比例RAP热再生技术时可优先选用岩沥青与玄武岩复配方案或岩沥青与复合纤维复配方案，对于我国北方严寒地区可优先选用聚酯纤维与岩沥青复配方案或复合纤维与岩沥青复配方案。