玄武岩纤维再生沥青混合料抗裂性能分析

王国方, 李 波,2, 肖 鹏,2*, 吴正光,2, 娄可可

(1. 扬州大学a. 建筑科学与工程学院; b. 城市规划与发展研究院, 江苏 扬州 225127;2. 江苏省玄武岩纤维复合建筑材料工程研究中心, 江苏 扬州 225127)

目前沥青路面主要的再生利用技术有厂拌热再生、就地热再生、厂拌冷再生、就地冷再生等．国内外最常用的是厂拌热再生技术, 但该技术生产的再生沥青混合料中RAP(reclaimed asphalt pavement)的掺量低(通常<25%), 且容易发生早期病害,尤其是开裂问题已经成为再生沥青路面的主要病害,如何提高RAP掺量并改善再生沥青混合料的性能已成为亟待解决的问题．大量研究表明, 将玄武岩纤维掺入到沥青混合料中可以提升其路用性能,尤其能够大幅提高沥青混合料的抗开裂性能．Zheng等[1]发现加入适量的玄武岩纤维可以大大提高复杂环境下沥青混合料的低温弯曲性能、疲劳性能; Lou等[2]研究发现掺入玄武岩纤维能大幅度提高混合料抗高温变性能力、低温抗裂性和疲劳性能; Guo等[3]研究表明玄武岩纤维虽然降低了20 ℃时的临界应力强度因子, 但很好地提高了沥青混合料的中低温临界断裂能; Shen等[4]认为玄武岩纤维可以提高沥青混合料的低温抗裂性和抗疲劳性能; Li等[5]通过将玄武岩纤维掺入到沥青混合料中, 发现玄武岩纤维有效改善了沥青混合料的低温性能, 玄武岩纤维形成的三维网络结构则延缓了混合料裂缝的扩展; Zhao等[6]发现与木质素纤维和聚酯纤维相比, 玄武岩纤维在改善沥青混合料低温性能方面具有一定优势; Huang等[7]认为玄武岩纤维对改善沥青玛蹄脂的永久变形、挠曲强度和应力敏感性具有更大的影响; Wang等[8]研究表明与木质素纤维相比, 玄武岩纤维能提高沥青混合料在冻融循环下的抗高温变形能力和低温抗裂能力．相应地, 将玄武岩纤维掺入再生沥青混合料中有望改善其路用性能尤其是抗开裂性能．张勤玲等[9]发现玄武岩纤维可明显改善再生沥青混合料的路用性能; 杨鹏[10]通过将玄武岩纤维掺入到温拌再生沥青混合料中,发现玄武岩纤维能够有效改善混合料低温性能及水稳定性能的不足．为深入了解高温下再生沥青混合料抗剪切变形性能,本文拟将玄武岩纤维用于厂拌热再生沥青混合料,通过单轴贯入试验、理想开裂试验、低温弯曲试验, 研究玄武岩纤维对再生沥青混合料高温抗剪性能和抗开裂性能的影响．

1 实验

1.1 原料

RAP来源于省道S356(沿江公路)邗江段实体工程, 该工程对旧路面进行分层破碎、铣刨,铣刨的表层厚度为5 cm．经试验表明, RAP料中老化沥青质量分数为4.28%, 集料筛分结果见表1．RAP中老化沥青针入度为382 mm, 软化点为57.4 ℃,135 ℃旋转黏度为1.76 Pa·s．根据文献[11],可知RAP中旧沥青的老化等级为Ⅱ级老化沥青．针对现如今江苏省大部分地区使用PG76-22SBS改性沥青以及70#道路石油沥青的现状, 结合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2017)中要求SBS改性沥青的黏度值不大于3 Pa·s(135 ℃), 确定再生SBS类沥青的目标针入度值宜为(70.0±0.1)mm, 黏度值为(1.7±0.1)Pa·s．选用江苏省江阴市宝利公司生产的PG76-22SBS改性沥青, 江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司生产的直径为16 μm、长度为6 mm的短切玄武岩纤维, 其性能指标见表2．

表2 玄武岩纤维物理指标

1.2 再生沥青混合料组成设计

以AC-13型级配为研究对象,根据新集料、矿粉和 RAP 中旧集料的筛分结果, 合成了w(RAP)分别为 0%,30%,40%,50%的4组级配, 使之均达到沥青混合料的级配设计要求．以w(RAP)=40%掺量为例, 其级配曲线如图1所示．各级配中玄武岩纤维的掺量均为再生沥青混合料质量的0.3%[12],根据RAP掺量分别为0%,30%,40%,50%四组级配的配合比设计结果,未掺纤维的最佳油石质量比分别为5.00%,4.58%,4.47%,4.34%;掺纤维后的最佳油石质量比分别为5.20%,4.78%,4.67%,4.54%．

图1 w(RAP)=40%掺配比例矿料合成级配曲线Fig.1 w(RAP)=40% Blending ratio grading curve of ore materials

2 结果与讨论

2.1 高温稳定性分析

掺入玄武岩纤维前后,不同RAP掺量再生沥青混合料的贯入强度RT如图2所示．由图2可知, 随着RAP 掺量的增加,再生沥青混合料的贯入强度出现先增加后减小的趋势, 并在w(RAP)=40%时达到最大值, 这表明在合适的RAP掺量下, 再生沥青混合料具有较好的高温抗剪性能．在相同的RAP掺量下, 掺入玄武岩纤维后,再生沥青混合料的贯入强度有所提高,w(RAP)为0%,30%,40%,50%再生沥青混合料的贯入强度分别提升了11.6%,9.4%,7.6%,9.5%,说明掺入玄武岩纤维能改善再生沥青混合料的高温抗剪性能．这是因为玄武岩纤维带入大量界面进入沥青混合料中,能够吸附自由沥青,从而起到良好的增黏效应．

图2 再生沥青混合料贯入强度试验结果Fig.2 Test results of penetration strength of reclaimed asphalt mixture

2.2 中温抗裂性分析

采用起裂功Wfb评价试件产生宏观裂缝所需能量,其值越大,试件抵抗裂缝产生的能力越强; 采用开裂指数RI用以评价沥青混合料抵抗裂缝扩展的性能, 其值越大代表裂缝扩展速度越慢, 抗裂缝扩展能力越强．掺入玄武岩纤维前后, 不同RAP掺量再生沥青混合料的理想开裂试验结果如图3所示．

由图3可知, 未掺玄武岩纤维时, 起裂功Wfb随着RAP掺量的增加逐渐增大,而开裂指数RI逐渐减小．表明RAP掺量越高,再生沥青混合料抵抗裂缝产生的能力越强,但裂缝产生后,裂缝开展的速度极快．与目前再生沥青混合料的实际使用情况相符合,表明理想开裂试验提供了一个可以定量评价开裂性能的方法．

图3 再生沥青混合料理想开裂试验结果Fig.3 IDEAL-CT results of reclaimed asphalt mixture

掺入玄武岩纤维后,w(RAP)为0%,30%,40%,50%再生沥青混合料的Wfb值分别提高了11.1%,9.9%,9.7%,10.9%,开裂指数RI值分别提高了66.1%,104.7%,104.7%,130.1%,表明掺入玄武岩纤维不仅提高了再生沥青混合料裂缝产生所需的能量,而且大幅降低了其裂缝扩展速度,使再生沥青混合料的中温抗裂性能得到显著提升．这是由于当沥青混合料受力时,玄武岩纤维本身的抗拉性、纤维与沥青之间的粘附性以及纤维缠绕在石料间对石料的包裹性均发生了作用,进而分散一部分沥青混合料集料间的拉力,起到有效传递或消散应力的作用,从而阻止沥青混合料开裂破坏的扩展．

2.3 低温抗裂性分析

掺入纤维前后, 不同RAP掺量再生沥青混合料的破坏应变εB如图4所示．由图4可知, 未掺玄武岩纤维时,再生混合料的破坏应变随着RAP 掺量的增加逐渐减小,表明RAP的掺入对于再生沥青混合料的低温抗裂性能产生了不利影响．当RAP掺量相同时,掺入玄武岩纤维的再生沥青混合料的破坏应变值得到了不同幅度的增长．掺入玄武岩纤维后,w(RAP)为0%,30%,40%,50%所对应的再生沥青混合料试件的破坏应变分别提高了22.3%,15.8%,21.4%,17.5%．由此可见, 掺入玄武岩纤维可极大地提高再生沥青混合料的低温抗裂性能,使其在道路工程中的适用性得到显著增强．

图4 再生沥青混合料小梁弯曲试验破坏应变结果Fig.4 Destructive strain results of trabecular bending test of recycled asphalt mixture

2.4 再生沥青混合料路用性能综合分析

由上述分析可知,玄武岩纤维可同时改善再生沥青混合料的高温抗剪性能和中低温开裂性,但不同掺量条件下对高温稳定性和中低温抗裂性的提升效果具有一定差异,故需要对其路用性能进行综合分析, 探寻玄武岩纤维对再生沥青混合料的提升效果．以贯入强度为纵坐标, 分别以开裂指数CTIndex和破坏应变εB为横坐标, 绘制了性能分区图如图5～6所示, 其中C30,C40,C50分别表示w(RAP)为30%,40%,50%掺量的再生沥青混合料(未掺玄武岩纤维); BF30,BF40,BF50则分别表示w(RAP)为30%,40%,50%掺量的掺入玄武岩纤维的再生沥青混合料．

图5 再生沥青混合料中温抗裂性与 高温稳定性综合分析Fig.5 Comprehensive analysis of medium temperature crack resistance and high temperature stability of recycled asphalt mixture

由图5可以看出,C30、C50两种再生沥青混合料分布在左下方,中温抗裂性能和高温稳定性能均较差;BF30、BF50两种再生沥青混合料分布在中部靠右位置,中温抗裂性能较好,高温稳定性能一般;C40分布在左上方,中温抗裂性能较差,高温稳定性能较好;BF40分布在右上方,中温抗裂性能和高温稳定性能均较好．换言之,w(RAP)=40%掺量的玄武岩纤维再生沥青混合料的中温抗裂性能和高温稳定性能均表现出色,意味着玄武岩纤维有助于同时提升再生沥青混合料的中温抗裂性能和高温稳定性能．而掺玄武岩纤维的再生沥青混合料BF50的中温抗裂性能和高温稳定性能均优于未掺玄武岩纤维再生沥青混合料C30,表明将玄武岩纤维掺入再生沥青混合料中,在大幅提升其抗开裂性能的同时,还能提高再生沥青混合料中RAP的掺量．

由图6可以看出, C30再生沥青混合料分布在左下方, 低温抗裂性能和高温稳定性能均较差; C50位于中部靠下位置,其低温抗裂性能较好,高温稳定性能较差; BF30和BF50两种再生沥青混合料分布在中部靠右位置, 低温抗裂性能较好, 高温稳定性能一般; C40分布在左上方,低温抗裂性能较差,高温稳定性能较好; BF40分布在右上方,低温抗裂性能和高温稳定性能均较好．换言之,w(RAP)=40%掺量的玄武岩纤维再生沥青混合料, 其低温抗裂性能和高温稳定性能均表现出色,也意味着玄武岩纤维有助于再生沥青混合料的低温抗裂性能和高温稳定性能的提升．掺玄武岩纤维的再生沥青混合料BF50,其低温抗裂性能和未掺玄武岩纤维再生沥青混合料C30相当, 但前者高温抗剪性能更优, 表明将玄武岩纤维掺入再生沥青混合料中不仅能够改善其低温抗开裂性能,还能提高再生沥青混合料中RAP的掺量．

图6 再生沥青混合料低温抗裂性与高温 稳定性综合分析Fig.6 Comprehensive analysis of low temperature crack resistance and high temperature stability of recycled asphalt mixture

3 结论

1) 采用单轴贯入试验评价再生沥青混合料的高温抗剪性能．结果表明: 再生沥青混合料贯入强度随着RAP掺量的增加出现先增大后减小的趋势;当RAP掺量超过40%时, 贯入强度达到最大值;掺入玄武岩纤维能够进一步提升再生沥青混合料的高温抗剪性能,提升幅度约为10%．

2) 采用理想开裂试验评价再生沥青混合料的中温抗开裂性能．结果表明: 掺入玄武岩纤维不仅能够提高再生沥青混合料产生裂缝的能量,还能大幅延缓其裂缝扩速率; RAP掺量越高, 沥青混合料抵抗裂缝扩展速率的性能提高越显著．

3) 采用小梁弯曲试验评价再生沥青混合料的低温抗裂性能．结果表明:掺入玄武岩纤维后,不同RAP掺量再生沥青混合料的破坏应变提升了15.8%～22.3%．

4) 性能综合分析结果表明,玄武岩纤维对提高RAP利用率具有积极作用．掺入玄武岩纤维w(RAP)=50%掺量的再生沥青混合料,其综合性能优于不掺纤维的w(RAP)=30%掺量的再生沥青混合料．将玄武岩纤维用于再生沥青混合料,能够为提高再生沥青混合料中RAP的掺量并改善其性能提供一个新的途径．