聚酯纤维温拌再生沥青混合料性能及压实温度研究

周 刚，王 庆，孙 潜，刘秘强

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074; 2. 广西交通科学研究院有限公司， 广西 南宁 530007)

0 引 言

随着我国道路年平均日交通量和汽车轴载量的逐渐增加，上世纪修建的沥青路面将面临大面积的维修阶段，如何有效利用废旧沥青混合(reclaimed asphalt pavement,RAP)，既可以提高有限资源的循环利用又减少旧料堆积对环境的污染。我国西北部的新疆维吾尔自治区，约占我国国土面积的六分之一，且公路交通网络不发达，废旧沥青混合料很难在其他公路得到再生利用。如何有效提高RAP在本条路面的再生利用率，是问题的难点。

新疆维吾尔自治区多为夏热、冬寒地区，一年中酷暑期短，以低温少雨居多[1]，且风较大。如何在大比例RAP掺配条件下，确保路面的使用性能，并降低再生混合料现场压实温度，以延长低温地区的施工工期，是低温地区再生工程研究的重点。对于温拌再生技术(temperature mixing regeneration technology, TMRT)，其基于温拌技术和厂办热再生技术发展而来，既可提高RAP掺配比例，减少对新矿料的需求，也可有效降低沥青混合料现场压实温度，延长低温地区再生实体工程的施工工期。但研究表明[2-9]：在RAP高掺量下(掺量50%左右)，大比例温拌再生沥青混合料(warm-recycled mixture asphalt，WRMA)路用性能很难达到规范要求，需添加改性材料来改善WRMA路用性能。因此，笔者研究了聚酯纤维大比例WRMA路用性能的作用效果，并分析了聚酯纤维对WRMA压实温度的影响。

基于WRMA路用性能，国内学者做了大量研究。北京建筑大学的季节等[10]采用车辙试验、低温弯曲蠕变试验、冻融劈裂试验和动态模量试验，对不同RAP掺量(掺量为0%，20%，30%，45%)下SMA温拌及热拌再生沥青混合料(hot-recycled mixture asphalt，HRMA)的性能进行对比分析，研究结果表明：HRMA的高低温性能均逊于WRMA，但HRMA抗疲劳性能优于WRMA，两者水稳定性能基本保持一致。同济大学的黄明等[11]结合HRMA研究成果，将温拌剂掺量调整为沥青质量的10%，并以空隙率与马歇尔强度为控制指标，研究了WRMA的RAP掺量和性能，研究结果表明：AC-20和AC-25的RAP掺量分别可提升至35%和33%，在短期和长期老化性能方面，WRMA均优于HRMA。大连海事大学的郭乃胜等[12]采用20%、30%、40%的RAP掺量、DAT和S-I温拌剂，研究了温拌剂类型、RAP掺量和再生剂使用与否对WRMA路用性能的影响，研究结果表明：温拌剂类型、RAP掺量和再生剂对WRMA路用性能均有影响，但影响效果不同。综上，国内研究者对WRMA路用性能研究颇为全面，但对大比例(掺量50%左右)WRMA路用性能和聚酯纤维对温拌沥青混合料最佳压实温度的影响研究不够全面。

鉴于此，笔者通过车辙试验、弯曲试验和冻融劈裂试验，在旧料掺量为0%、30%和50%时，研究了聚酯纤维对WRMA性能的影响。采用Superpave试验方法和变温压实试验，以4.0%空隙率为控制指标，采用0%和30%的旧料掺量，研究了聚酯纤维对温拌沥青混合料压实温度的影响，旨在为低温地区WRMA实体工程提供有益技术指导。

1 原材料的技术指标

试验采用的RAP材料来自新疆某高速公路扩建项目。新集料选用石灰岩，为重庆某料场生产。纤维为聚酯纤维，新沥青为90#。将RAP分为三档料：10～15、5～10和0～5 mm。对三档RAP做抽提试验，并检测回收沥青的性能和每档料的级配，对应油石比为3.26%、3.62%和4.53%。再生剂为HR-1325型再生剂，温拌剂为Evotherm3G温拌剂，分别为陕西省某技术研究中心和重庆某科技公司提供，具体技术指标如表1～表5。

表1 聚酯纤维技术指标Table 1 Polyester fiber technical indicators

表2 新旧沥青技术指标Table 2 New and old asphalt technical indicators

表3 三档RAP矿料级配Table 3 Third grade RAP mineral grade gradation

表5 Evotherm3G技术指标Table 5 Evotherm3G technical indicators

2 试验方案

2.1 WRMA设计

在试验过程中，Evotherm3G温拌剂的掺配比例为沥青质量(包括旧料中老化沥青)的0.7%，HR-1325再生剂掺量为10%[13]。为研究聚酯纤维对温拌沥青混合料、温拌再生沥青混合料以及大比例温拌再生沥青混合料路用性能的影响，将试验分为两种方案。方案1:不添加纤维的温拌沥青混合料，记为WRMA-1，掺0%、30%、50%旧料的温拌沥青混合料分别记为0%WRMA-1、30%WRMA-1、50%WRMA-1。方案2：添加0.3%(与混合料质量的比值)聚酯纤维的温拌沥青混合料，记为WRMA-2，掺0%、30%、50%旧料的温拌沥青混合料分别记为0%WRMA-2、30%WRMA-2、50%WRMA-2。由于聚酯纤维为良好吸油材质，方案2油石比比方案1多0.3%[14]，方案1为4.1%，方案2为4.4%。

为减少级配对试验结果的影响，对0%WRMA、30%WRMA、50%WRMA和Superpave试验方法，均采用统一级配曲线，如表6。

表6 WRMA级配组成Table 6 WRMA grade composition

2.2 Superpave试验方法

对WRMA最佳压实温度试验，将采用Superpave试验方法，试件压实器具采用旋转压实仪，旋转速率为30 r/min，旋转角度为1.16°±0.2°，压力为0.6 MPa，设计压实次数100次。为研究聚酯纤维对温拌沥青混合料和温拌再生沥青混合料压实温度的影响，采用0%WRMA和30%WRMA进行试验研究。原材料在加热以及拌和均匀后，均采用室内温箱加热保温，在击实试验过程中，采用红外线温枪控制沥青混合料温度，温差控制在±2 ℃，试验温度如表7。

表7 Superpave试验温度Table 7 Superpave test temperature ℃

3 试验结果分析

3.1 WRMA路用性能研究

3.1.1 WRMA-1路用性能研究

掺量为0%、30%和50%的WRMA-1车辙试验、弯曲试验和冻融劈裂试验结果如表8。

由表8可知， 0%WRMA-1高低温性能和水稳定性均满足规范要求。但30%WRMA-1低温抗裂性、50%WRMA-1低温抗裂性和水稳定性均不满足规范要求，即WRMA高温稳定性不影响RAP在温拌再生实体工程中的掺配比例，但低温抗裂性和水稳定性是限制WRMA 旧料掺量的主要因素。由表8可知，RAP掺配比例对WRMA性能指标影响显著，若确保RAP在高掺量下满足规范要求，需添加其他改性材料来综合改善大比例WRMA各项路用性能指标。

3.1.2 WRMA-2路用性能研究

掺量为0%、30%和50%的WRMA-2车辙试验、弯曲试验和冻融劈裂试验结果如表9。

表9 WRMA-2三大性能指标试验结果Table 9 WRMA-2 three performance indicators test results

由表8和表9可知：与不添加纤维相比，聚酯纤维的添加使0%WRMA-2、30%WRMA-2和50%WRMA-2的动稳定度分别提高了26.2%、53.8%和27.9%，最大弯拉应变分别提高了12.6%、28.1%和27.2%，冻融劈裂试验强度比分别提高了2.6%、2.7%和13.1%，即聚酯纤维能够综合改善WRMA路用性能。在RAP高掺量下(为50%)，聚酯纤维作用效果较为显著，且均满足规范要求。这是由于聚酯纤维对沥青具有较强吸附作用，显著提高了沥青混合料内部结构沥青的比例，改善了WRMA内部的粘聚力和稠度，可以有效防止或减少水分对沥青与集料界面之间的浸泡，从而提高大比例WRMA水稳定性能。此外，聚酯纤维在沥青混合料内部能够形成良好的衔接和加筋效果，构成系统的空间网状结构，在车辆荷载作用下，可防止或缓解大比例WRMA内部出现应力集中现象，降低骨料之间的“相对滑移”，即改善大比例WRMA高低温性能。

对比WRMA-1和WRMA-2试验结果可知，聚酯纤维能够有效改善WRMA路用性能，但由于聚酯纤维的添加显著提高了大比例再生混合料粘稠度，使WRMA-2的“流动性”降低。在低温地区的实体工程，若不提高WRMA现场压实温度，将造成WRMA-2压实效果不佳，空隙率偏大，即增加路面结构内部承受冻胀应力的损害。这种损害甚至抵消了聚酯纤维对WRMA水稳定性的提高，促进集料与沥青之间的剥离[15]。因此，对添加聚酯纤维的温拌再生实体工程，需研究聚酯纤维对WRMA最佳压实温度的影响。

3.2 WRMA变温压实试验研究

3.2.1 0%WRMA-1和0%WRMA-2变温压实试验

采用0%WRMA-1和0%WRMA-2来研究聚酯纤维对温拌沥青混合料压实温度的影响，具体结果如图1。

图1 0%WRMA变温压实试验Fig. 1 0%WRMA variable temperature compaction test

由图1可知：0%WRMA-1和0%WRMA-2的空隙率随压实温度的升高而逐渐降低。以4.0%的空隙率为控制指标，0%WRMA-1和0%WRMA-2对应的最佳压实温度分别为121 ℃和130 ℃，即添加聚酯纤维后，0%WRMA最佳压实温度提高了9 ℃。此外，在相同压实温度下，0%WRMA-2空隙率均大于0%WRMA-1，表明聚酯纤维对0%WRMA压实温度影响显著。

在压实温度大于135 ℃时，两种沥青混合料空隙率基本一致，但在小于135 ℃时，两者相差比较明显，表明在相对高温环境下(150 ℃左右)，聚酯纤维对0%WRMA空隙率影响不大，但在相对低温环境下(120～135 ℃)，聚酯纤维影响显著，即聚酯纤维增加了0%WRMA粘稠度，降低沥青混合料“流动性”。在相对低温环境下(120～135 ℃)，聚酯纤维对0%WRMA压实效果影响显著，但在高温环境下(150 ℃左右)，0%WRMA具有良好的“和易性”，能够有效缓解聚酯纤维对温拌沥青混合料压实的影响，改善0%WRMA压实效果。

3.2.2 30%WRMA-1和30%WRMA-2变温压实试验

采用30%WRMA-1和30%WRMA-2来研究聚酯纤维对温拌再生沥青混合料压实温度的影响，试验结果如图2。

由图2可知：随着压实温度的升高，30%WRMA-1和30%WRMA-2空隙率均逐渐降低。以4.0%的空隙率为控制指标，30%WRMA-1和30%WRMA-2所对应的最佳压实温度约为125 ℃和135 ℃，即聚酯纤维使30%WRMA最佳压实温度提高10 ℃。在相同压实温度下，30%WRMA-2空隙率均大于30%WRMA-1。这均表明聚酯纤维对30%WRMA最佳压实温度影响显著。在压实温度为150 ℃和165 ℃时，与30%WRMA-1相比，30%WRMA-2空隙率提高了0.06，但在135 ℃时，空隙率提高了0.12，增加值为150 ℃和165 ℃的2倍，即在相对低温环境下(120～135 ℃)，聚酯纤维对30%WRMA空隙率影响显著，但在高温环境下(150 ℃左右)，影响不大。

总之，聚酯纤维的添加，使0%WRMA和30%WRMA最佳压实温度分别提高了9 ℃和10 ℃，即聚酯纤维能够显著影响WRMA最佳压实温度，但在不同RAP掺量下(0%和30%)，聚酯纤维对温拌沥青混合料最佳压实温度的影响基本不变。

4 结 论

1)与不添加纤维相比，聚酯纤维使0%WRMA-2、30%WRMA-2和50%WRMA-2的动稳定度分别提高了26.2%、53.8%和27.9%，最大弯拉应变分别提高了12.6%、28.1%和27.2%，冻融劈裂试验强度比分别提高了2.6%、2.7%和13.1%，即聚酯纤维能综合改善大比例WRMA路用性能。

2)与不添加纤维相比，聚酯纤维的添加使0%WRMA和30% WRMA的最佳压实温度分别提高了9 ℃和10 ℃，且在相同的压实温度下，WRMA-2空隙率均大于WRMA-1，即聚酯纤维对0%WRMA和30% WRMA最佳压实温度影响显著。在不同RAP掺量下(0%和30%)，聚酯纤维对温拌沥青混合料最佳压实温度的影响基本不变。

3)在高温环境下(150 ℃左右)，聚酯纤维对0%WRMA和30% WRMA空隙率影响不大，但在相对低温环境下(120～135 ℃)，影响显著。

4)对低温地区的实体工程，需结合室内试验和现场压实效果，综合确定聚酯纤维对WRMA最佳压实温度的影响。