大掺量RAP玄武岩纤维沥青混合料低温性能研究

张彩利，赵 辉，王建洁，李冬冬

（1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；2.天津市公路工程总公司，天津 300201）

0 引言

随着我国大力倡导绿色可持续发展，废物再利用越来越得到重视，其中热再生沥青混合料技术的重要地位日益突出，但全国对废旧沥青混合料利用率普遍偏低，一般添加量为沥青混合料的30%，偏低的利用率减缓了我国道路建设绿色可持续发展的进程[1]。目前，科研人员对大掺量RAP再生沥青混合料深入研究，发现沥青混合料路面在水、空气、紫外线照射、汽车荷载等因素作用下，混合料中的沥青发生严重老化，老化后的沥青四组分发生转移，芳香分、饱和分、胶质含量减少，沥青质含量增多，沥青性质表现为软化点上升，针入度和延度下降，尤其是延度下降非常明显[2-3]。添加大量RAP到再生沥青混合料中必然使沥青混合料抗弯拉性能降低，由此导致路面产生较大裂缝[4]，大大降低了路面使用年限，使车辆行驶存在安全隐患。为此可以借鉴水泥混凝土中加入钢筋来提高抗剪切能力的方法，给大掺量热再生沥青混合料加入“钢筋”提高其抗弯拉性能[5-7]。玄武岩纤维是一种矿物纤维，是玄武岩经过高温融化后拉丝形成，将玄武岩纤维融入沥青胶浆后可作为沥青混合料的“钢筋”为沥青混合料的抗弯拉性能提供保障。而且玄武岩材料来源广泛，绿色环保，具备其他纤维的优点[8-9]。使用玄武岩纤维提升RAP利用率符合我国绿色环保的发展理念，可为我国的可持续发展事业增添一份力量。低温抗弯拉性能是限制再生沥青混合料RAP掺加量的主要因素之一，具备良好的低温性能是沥青混合料路面达到使用年限的重要保证。因此，针对大掺量RAP玄武岩纤维再生沥青混合料低温性能研究，对提升我国沥青路面建设质量具有重大意义。

1 主要原材料

本文废旧沥青混合料（RAP）来源于天津某高速路面铣刨回收的沥青混合料，并通过筛分将RAP分成3档（1#，2#，3#），为更好的控制混合料级配，粒径组成分别是0～5 mm，5～10 mm，10～15 mm，同时通过旋转蒸馏法得到回收沥青，新沥青采用山东某石油化工有限公司生产的70#基质沥青，新集料采用产自河北唐山地区的石灰岩。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）的相关试验方法对以上试验原材料进行测试，结果如表1～4所示。玄武岩纤维为湖南某公司提供，其各项技术指标满足规范要求，技术指标见表5。

表1 RAP检测结果Tab.1 Performance indicators of RAP and aggregate

表2 RAP级配Tab.2 RAP gradation

表3 旧沥青及新沥青检测结果Tab.3 Test results of old asphalt and new asphalt

表4 新集料检测结果Tab.4 New aggregate performance indicators

表5 玄武岩纤维主要技术指标Tab.5 Main Technical Indicators of Basalt Fibers

2 试验方法

用于评价沥青混合料低温抗开裂的方法有很多，本文选用最常用的低温弯曲破坏试验来评价大掺量RAP玄武岩纤维再生沥青混合料低温抗开裂性能。实验仪器选用UTM万能试验机（如图1所示），试验温度为-10℃±0.5℃，加载速率为50 mm∕min。试验所用试件是由轮碾法成型的车辙板切割为长250 mm±2.0 mm，宽30 mm±2 mm，高35 mm±2 mm棱柱体小梁（如图2所示），其跨径为200 mm±0.5 mm。数据采集由UTM万能试验机自带系统完成，将荷载-跨中挠度曲线呈现并保存在计算机上，试验过程如图3、图4所示。

图1 UTM万能试验机Fig.1 UTM Universal Testing Machine

图2 试验小梁Fig.2 Test beam specimen

图3 试验前小梁Fig.3 Pre-test beam specimen

图4 试验后小梁Fig.4 Post-test beam specimen

3 结果分析

3.1 不同玄武岩纤维掺量下沥青混合料低温性能

玄武岩纤维掺加量是影响沥青混合料低温性能的关键因素之一。为此，本文采用RAP掺量为40%，级配曲线为规范AC-13级配中值曲线，采用马歇尔试验对玄武岩纤维掺量分别为0%，0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%下的再生沥青混合料的最佳油石比进行确定，试验结果如表6所示。将沥青混合料成型车辙试件并切割为标准尺寸的小梁试件进行低温弯曲破坏试验，试验结果如表7，图5所示。

表6 马歇尔试验结果Tab.6 Marshall test results

表7 不同纤维掺量下混合料破坏强度及劲度模量Tab.7 Failure strength and stiffness modulus of mixtures with different Fiber content

由表6可知：随着混合料中玄武岩纤维掺量增加，沥青用量和稳定度逐渐增长，由此表明玄武岩纤维加入混合料中可以吸附部分沥青，从而起到加筋的作用使混合料稳定度增大。

由图5可以得出：再生沥青混合料中掺入玄武岩纤维可以有效改善其破坏弯拉应变，纤维加入量不同，改善效果也存在差异。当纤维掺入量不大时，再生沥青混合料破坏弯拉应变随着纤维掺入量的增加，呈现出上升的趋势。在纤维掺入量为0.3%时，沥青混合料的破坏弯拉应变达到最大。这是由于玄武岩纤维在沥青混合料中发挥了“加筋”的效果，玄武岩纤维能够稳定和吸附沥青，提高沥青胶浆的劲度，从而使沥青混合料的整体性大大增加，抵抗集中力荷载的能力显著提高。纤维掺入量大于0.3%后，沥青混合料破坏弯拉应变随着纤维掺入量增大而降低。这是因为掺入过多的纤维破坏了纤维在沥青中的分散性，导致纤维分布不均匀，降低沥青混合料抗低温开裂性能。相比未掺入纤维的再生沥青混合料，掺加0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%纤维的再生沥青混合料，其破坏弯拉应变增加了6.82%，20.45%，40.91%，34.09%，25.00%。根据不同纤维掺量下沥青混合料的破坏强度，破坏劲度模量，破坏弯拉应变的综合对比，纤维掺量为0.3%时混合料低温性能最优。

图5 不同纤维掺量下混合料破坏弯拉应变Fig.5 Failure flexural strain of mixtures with different fiber content

3.2 不同RAP掺量下沥青混合料低温性能

为了排除其他因素的影响，允许单一变量为RAP掺量，固定玄武岩纤维掺量为0.3%，级配曲线为规范AC-13级配中值曲线，采用马歇尔试验对RAP掺量为40%，50%，60%，70%，80%的玄武岩纤维再生沥青混合料油石比进行确定，试验确定的最佳油石比依次为4.8%，5.0%，5.1%，5.3%，5.5%。将沥青混合料成型车辙试件并切割为标准尺寸的小梁试件进行低温弯曲破坏试验，试验结果如表8，图6所示。

表8 不同RAP掺量下混合料破坏强度及劲度模量Tab.8 Failure strength and stiffness modulus of mixtures with different RAP content

由图6可以看出：不同RAP掺量的再生沥青混合料加入玄武岩纤维后都能有效提高破坏弯拉应变。随着RAP掺量增加，掺加玄武岩纤维的再生沥青混合料破坏弯拉应变逐渐降低，与掺加40%RAP的再生沥青混合料相比较，掺加50%，60%，70%，80%RAP的再生沥青混合料弯拉应变分别下降了11.3%，30.6%，45.2%，51.6%。这是因为随着RAP掺量增加，混合料拌和时玄武岩纤维只能扩散到RAP的表面沥青中，没有与玄武岩纤维融合的旧沥青比例逐渐增大，大量的旧沥青导致整体混合料变硬、变脆、劲度模量变大，抵抗变形的能力降低并容易出现开裂破坏。

图6 不同RAP掺量下混合料破坏弯拉应变Fig.6 Failure bending strain of mixtures with different RAP content

3.3 不同压实度下沥青混合料低温性能

为了验证压实度对掺加RAP和玄武岩纤维的热再生沥青混合料低温性能的影响，采用RAP掺量40%，玄武岩纤维掺量0.3%，油石比4.8%的配合比制备再生沥青混合料，通过车辙成型时改变轮碾次数来得到不同压实度的沥青混合料车辙板，将不同压实度的车辙板切割成小梁试件进行低温弯曲破坏试验。结果如表9，图7所示。

从表9与图7试验结果可以看出：车辙试件毛体积密度随试件轮碾次数增加而增大，当试件轮碾次数由12次增加到16次，试件毛体积密度增加0.88%。由此可知，当轮碾次数超过12次后，试件毛体积密度不再随碾压次数增加发生明显变化，最终试件毛体积密度趋于稳定。与马歇尔试件对比发现，轮碾10次的车辙试件与击实75次的马歇尔试件毛体积密度最接近。随着试件轮碾次数增加，混合料得到充分挤压而变得密实，粗集料相互嵌挤形成骨架结构，空隙由细集料和沥青填充，混合料毛体积密度增加。随着轮碾次数及毛体积密度增加，集料与集料之间的空隙逐渐充满沥青，集料与沥青粘结更加紧密，沥青紧紧吸附在集料表面，从而使混合料抵抗低温弯拉的能力得到改善，混合料破坏弯拉应变呈现出增大的趋势。

图7 不同压实度下混合料破坏弯拉应变Fig.7 Failure flexural-tensile strain of mixtures under different compactness

表9 不同压实度下混合料破坏强度及劲度模量Tab.9 Failure strength and stiffness modulus of mixtures under different compaction degree

3.4 不同级配下沥青混合料低温性能

固定RAP掺量为40%，新集料通过单档筛分的方式配入混合料，以减少级配误差，3种级配如表10所示[10-12]，级配1较粗，级配2中等，级配3较细。玄武岩纤维掺加量为沥青的0.3%，采用马歇尔试验对3种不同级配的玄武岩纤维再生沥青混合料油石比进行确定，试验确定结果见表10。成型车辙试件时轮碾次数为10次，制备低温试验所用小梁试件并进行低温弯曲试验，结果如表11，图8所示。

表10 级配设计Tab.10 Gradation design

表11 不同级配混合料破坏强度及劲度模量Tab.11 Failure strength and stiffness modulus of mixtures with different gradation

由表11和图8得出：不同级配沥青混合料破坏弯拉应变差异明显，混合料级配越粗破坏弯拉应变越小，混合料级配越细破坏弯拉应变越大。这是因为级配3与级配2级配1相比，级配3细集料与沥青含量较多，从而使混合料抗低温弯拉性能优于级配1和级配2。

4 结论

1）加入玄武岩纤维后再生沥青混合料低温性能得到有效改善，玄武岩纤维添加量为沥青总量（包括RAP中旧沥青）0.3%时，对混合料低温性能提升效果最好。

2）RAP掺量逐渐增大，未被新沥青胶浆再生的旧沥青比例逐渐增加，与玄武岩纤维结合的沥青比例逐渐降低，从而导致玄武岩纤维再生沥青混合料抵抗低温弯拉破坏的能力随RAP掺量增加而降低。

3）试验试件压实度越高，孔隙率越小，沥青与集料粘结越紧密，再生沥青混合料抵抗低温弯拉的能力越大。建议路面施工时，在条件允许的情况下增加反复碾压次数，可有效提升路面低温性能。

4）级配越细，再生沥青混合料低温性能越好，建议实际生产应用中为了有效提高低温性能，应在满足其他路用性能的条件下采用较细级配。