關(guān)鍵詞：道路工程 熱再生 瀝青混合料回收料 玄武巖纖維 路用性能

隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展和對綠色公路的迫切需求，瀝青路面再生技術(shù)已成為重要的發(fā)展趨勢[1].將原路面瀝青混合料回收料(RAP)進(jìn)行循環(huán)再生處理，制備成再生瀝青混合料，可有效解決廢棄瀝青混合料浪費(fèi)問題，降低路面養(yǎng)護(hù)成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益[2-3].目前，國內(nèi)的研究應(yīng)用還處于初級階段，RAP摻量低，路用性能差，易發(fā)生開裂等問題，如何改善高 RAP 摻量熱再生瀝青混合料的性能是亟待研究的主要問題[4-5]。

郭杰等[6]研究了 RAP 摻量和 PVA 纖維摻量對熱再生混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性的作用規(guī)律，建議 RAP摻量不高于40%，PVA纖維摻量以0.3%~0.5%為宜.劉佳[7]研究了聚酯纖維、玄武巖對不同 RAP 摻量的再生瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，表明纖維可增強(qiáng)再生瀝青混合料水穩(wěn)定性.鄭慧慧[8]研究了纖維與青川巖瀝青改性熱再生混合料的路用性能，采用纖維與青川巖瀝青復(fù)配方案可改善大比例 RAP摻量熱再生混合料耐久性和極端氣候條件下耐候性。為進(jìn)一步提高RAP摻量熱再生瀝青混合料路用性能，本研究以熱再生瀝青混合料為研究對象，通過分析不同 RAP摻量及玄武巖纖維對熱再生改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及疲勞性能的影響規(guī)律，為工程實(shí)踐提供必要的參考。

實(shí)驗(yàn)部分

主要原料

瀝青路面經(jīng)過長期服役，會逐漸產(chǎn)生老化、硬化等現(xiàn)象，性能發(fā)生衰減。舊瀝青性能、集料性能和級配對 RAP的應(yīng)用效果有較大的影響[9].本研究所使用的原材料包括原路面瀝青混合料回收料(RAP)、新集料、苯乙烯Ｇ丁二烯Ｇ苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青、再生劑與纖維，根據(jù)規(guī)范要求對原材料進(jìn)行測試。其中，RAP取自山東省某路面養(yǎng)護(hù)工程的中上面層(原設(shè)計(jì)瀝青為IＧC)，該路面已使用近10年。RAP通過對原瀝青路面銑刨、破碎、篩分處理后得到0~8mm、8~12mm、12~20mm 三檔，經(jīng)過抽提后得到 RAP的級配與瀝青含量見表1。

選用新舊瀝青調(diào)和再生的方式進(jìn)行瀝青再生，舊瀝青用量越多，效益越高，但對性能的影響越大，施工難度也有所增加，因此確定新舊瀝青的摻加比例至關(guān)重要[10].本項(xiàng)目所選用的瀝青為SBS改性瀝青，按照?公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程?(JTGE20—2011)中要求的離心分抽提法回收舊瀝青，并測試其三大指標(biāo)和黏度，舊瀝青25℃針入度為42(0.1mm)，135℃黏度為1.46Pa·s，存在熱再生的利用價值，技術(shù)性能如表 2 所示。

所用新集料為石灰?guī)r，根據(jù)?公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程?(JTG E42—2005)要求進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)和性能檢測，如表3-5所示。

再生劑由國路高科(北京)工程技術(shù)研究院有限公司提供，可改善瀝青的組分，降低瀝青硬度，使老化瀝青性能接近或恢復(fù)至使用前的性能，再生劑用量為 RAP質(zhì)量的1%。本項(xiàng)目所用的纖維采用為玄武巖纖維，纖維性能如表6所示。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目研究玄武巖纖維對不同 RAP摻量熱再生瀝青混合料性能的影響，摻加纖維熱再生瀝青混合料級配設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于 RAP 舊料和新料的配比，需使兩者配比滿足瀝青混合料級配設(shè)計(jì)的規(guī)范要求，分別合成了 w(RAP)為0%、20%、30%、40%、50%的級配設(shè)計(jì)，各級配中纖維摻量均為熱再生瀝青混合料質(zhì)量的0.3%，級配曲線如圖1所示.采用馬歇爾試驗(yàn)確定各組再生瀝青混合料的zui佳油石比分別為4.00%、4.50%、4.70%、4.96%、5.16%，如表7所示。

為了避免 RAP 加熱溫度過高導(dǎo)致的 RAP 表面瀝青出現(xiàn)二次老化、瀝青流淌和結(jié)團(tuán)等問題，加熱溫度不易過高，實(shí)驗(yàn)中將 RAP在130℃預(yù)熱2h，新集料在190℃預(yù)熱2h，拌合溫度控制為170℃，加入礦粉后繼續(xù)拌合。具體步驟為:先將 RAP 與再生劑混合，并預(yù)拌和30s;再加入新集料及纖維拌和30s;加入新瀝青拌合60s后再加入礦粉拌合60s。壓實(shí)溫度為150℃，在烘箱中保溫備用。根據(jù)試驗(yàn)研究需要，按照規(guī)范要求將混合料成型為規(guī)定尺寸的試件進(jìn)行測試。

結(jié)果與討論

高溫穩(wěn)定性分析

瀝青混合料高溫穩(wěn)定性是指瀝青路面在高溫條件下抵抗變形，保持自身穩(wěn)定性的能力。溫度對瀝青性能影響較大，瀝青混合料在濕熱耦合條件下易出現(xiàn)車轍、擁抱、推移等病害，產(chǎn)生無法恢復(fù)的變形破壞[11].本研究通過車轍試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)分析玄武巖纖維和 RAP摻量對熱再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，根據(jù)?公路工程瀝青路面及瀝青混合料規(guī)程?(JTJ 052—2000)的相關(guān)規(guī)定，車轍試驗(yàn)溫度為60℃，試驗(yàn)壓強(qiáng)為0.7MPa，通過車轍碾壓深度計(jì)算得到熱再生瀝青混合料的動穩(wěn)定度(DS)，結(jié)果見圖2。

由圖可知，上述混合料動穩(wěn)定度均滿足規(guī)范≥2800次/mm 的要求，未摻加玄武巖纖維時，隨著RAP摻量的增加，混合料的動穩(wěn)定度先增加后趨于穩(wěn)定，其中RAP摻量由0%增加到40%時，動穩(wěn)定度快速增da，主要原因是舊料中瀝青老化導(dǎo)致流變特性和溫度敏感性降低，老化瀝青硬度高黏度低，針入度降低而軟化點(diǎn)有所提高，隨舊料比例增加，降低了瀝青膠漿流變性，新舊瀝青裹附較為充分，RAP摻量增加有利于提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。當(dāng)RAP摻量繼續(xù)增加，動穩(wěn)定度略微降低，說明舊料含量過多無法與新瀝青充分融合，瀝青與集料間的粘附性變差，再生效果減弱。舊料摻量增da也導(dǎo)致舊料級配變異性增da，高溫性能下降。

此外，添加玄武巖纖維后，相同 RAP摻量試件的動穩(wěn)定度得到了顯著提升，在RAP摻量為50%時，穩(wěn)定度達(dá)到了8721次/min，相比于未添加玄武巖纖維，提升了31.2%.這是因?yàn)樾鋷r纖維可與瀝青形成一種更為致密的連續(xù)相，纖維的橋連效應(yīng)可有效提高試件抵抗變形的能力，添加玄武巖纖維能有效提高試件的高溫穩(wěn)定性能。

對動穩(wěn)定度進(jìn)行多因素方差分析，探究 RAP摻量和玄武巖纖維對熱再生瀝青混合料高溫性能的影響性，結(jié)果見表8.由表8可見，玄武巖纖維摻加(F＝66.84871，P＝0.00122)和 RAP摻量(F＝65.91892，P＝0.000663)對熱再生瀝青混合料的高溫性能均具有顯著性影響，且 RAP 摻量的概率F值更小，說明其影響更大。

通過單軸貫入試驗(yàn)來模擬實(shí)際道路上路面受到的載荷情況，分析熱再生瀝青混合料性能高溫穩(wěn)定性。單軸貫入試驗(yàn)溫度為60℃，試驗(yàn)加載速率為1mm/min，測試結(jié)果見圖 3。

由圖可知，隨著 RAP摻量的增加，試樣的貫入強(qiáng)度先增da后減少。加入玄武巖纖維后，試樣的性能進(jìn)一步提升，當(dāng) RAP摻量為40%時，貫入強(qiáng)度zui高為1.51MPa，相比未摻纖維的瀝青混合料，提高21.8%。這是由于玄武巖纖維能夠吸附自由瀝青，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效增強(qiáng)熱再生改性瀝青混合料的高溫抗剪切能力。

低溫抗裂性分析

熱再生瀝青混合料由于老化瀝青黏度大導(dǎo)致瀝青變脆發(fā)硬，在低溫下易收縮開裂，嚴(yán)重時會產(chǎn)生龜裂等病害，影響其路面的使用性能[12].因此，提高熱再生瀝青混合料低溫抗裂性能是影響 RAP 摻量應(yīng)用的重要因素。根據(jù)?公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程?(JTG E20—2011)中小梁彎曲試驗(yàn)要求，通過彎拉強(qiáng)度、zui大彎拉應(yīng)變進(jìn)行低溫性能評價，測試溫度為-10℃，加載速度為50mm/min，測試結(jié)果見圖 4。

由圖可知，未摻玄武巖纖維時，當(dāng)RAP摻量從0升至50%后，其彎拉強(qiáng)度從 9.65MPa 下降至5.86MPa，下降幅度明顯。熱再生混合料的彎曲應(yīng)變也隨著 RAP 摻量的增加逐漸減小，這是因?yàn)镽AP中老化瀝青導(dǎo)致與礦料的黏附效應(yīng)下降，試件的粘聚力降低。當(dāng) RAP 摻量達(dá)到50%時，混合料的低溫性能較低，抗彎拉強(qiáng)度為8.1MPa，彎拉應(yīng)變?yōu)?621με。

當(dāng)摻入玄武巖纖維后，試件的破壞應(yīng)變產(chǎn)生了顯著增長，RAP 摻量在0、20%、30%、40%、50%時，摻入玄武巖纖維后，試件的彎拉強(qiáng)度分別提高14.2%、17.6%、37.5%、31.8%、38.2%，試件的破壞應(yīng)變分別提高 13.4%、12.4%、12.8%、14.4%、23.6%，說明摻入玄武巖纖維可有效地提高熱再生瀝青混合料低溫抗裂性能，提高路面使用性能。

當(dāng)RAP摻量達(dá)50%時，仍能保持很好的性能，這是因?yàn)樾鋷r纖維具有較好的瀝青吸附性能，可分散到瀝青混合料中，增加與集料的接觸面積，提高混合料界面強(qiáng)度與韌性。且玄武巖纖維分散性好，強(qiáng)度高，在熱再生瀝青混合料內(nèi)部均勻分散。形成不規(guī)則的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，便于傳遞載荷及分散作用力，加筋穩(wěn)定作用明顯，緩解裂縫的產(chǎn)生或擴(kuò)展，較好的提高再生混合料的低溫性能。但隨著RAP摻量的增加，舊瀝青增多，新瀝青無法充分裹覆纖維，導(dǎo)致部分纖維未能充分發(fā)揮在瀝青中的穩(wěn)定加筋作用。

對彎拉應(yīng)變進(jìn)行多因素方差分析，探究RAP摻量和玄武巖纖維對熱再生瀝青混合料低溫抗裂性能的影響性。結(jié)果見表9.由表9可見，玄武巖纖維摻加 (F＝186.5145，P＝0.000166479)和 RAP摻量(F＝107.4164，P＝0.00025366)對熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性能均具有顯著性影響，且RAP摻量的概率F值更小，說明其影響更大。

水穩(wěn)定性分析

水穩(wěn)定性是指瀝青混合料抵抗水損害的能力。瀝青路面長期受到地表水或地下水侵蝕后，在車輛載荷下易產(chǎn)生網(wǎng)裂、坑槽等病害，影響其路用性能，水損害己成為瀝青路面主要病害之一[13].本研究采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，結(jié)果見圖 5。

由圖可知，未摻玄武巖纖維時，試件的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均隨著 RAP摻量的增da而減少。當(dāng)RAP摻量大于30%后，試件的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比低于規(guī)范要求值，不滿足使用要求。這是因?yàn)镽AP摻量中舊瀝青老化與集料的黏附性降低，在動水壓力作用下會使瀝青與集料間相互剝離，導(dǎo)致混合料水穩(wěn)定性降低。加入玄武巖纖維后，試樣的水穩(wěn)定性均明顯提高，當(dāng)RAP摻量為50%時，試件的浸水殘留穩(wěn)定度為86.1%，凍融劈裂強(qiáng)度比80.8%，滿足使用要求，說明玄武巖纖維的摻入可有效地提高瀝青混合料水穩(wěn)定性。

疲勞性能分析

瀝青路面長期承受車輛載荷的反復(fù)作用，容易發(fā)生疲勞開裂，造成路面結(jié)構(gòu)性破壞，影響其路用性能[14].針對RAP摻量為50%的瀝青混合料，通過疲勞試驗(yàn)評價玄武巖纖維對瀝青混合料疲勞特性的影響，根據(jù) ?瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞壽命試驗(yàn)?(T0 739—2011)要求，試驗(yàn)溫度為15℃，加載波型為半正矢波型，加載頻率為15Hz，測試結(jié)果見圖 6。

由圖可知，在低應(yīng)力比時，高 RAP摻量瀝青混合料的疲勞壽命較高，摻加玄武巖纖維后，混合料疲勞壽命顯著的提高，說明玄武巖纖維對混合料有顯著的加筋增韌作用，纖維均勻交錯分布于混合料中，形成不規(guī)則的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，纖維與集料、瀝青之間有優(yōu)異吸附性，提高了混合料致密性與牢固度，便于傳遞載荷及分散作用力。纖維柔韌性較好，包裹著混合料整體不易松散，提高材料彈性模量，從而增強(qiáng)了混合料各項(xiàng)性能。隨著應(yīng)力比的提高，瀝青混合料疲勞壽命急劇降低。

結(jié)論

(1)熱再生改性瀝青混合料高溫性能優(yōu)異，隨著RAP摻量的增加，混合料的高溫穩(wěn)定性逐漸增da，但低溫抗裂性和水穩(wěn)定性逐漸降低。當(dāng)RAP摻量超過40%后，混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比超出規(guī)范要求值，混合料的水穩(wěn)定性不滿足路用要求。

(2)摻加玄武巖纖維可明顯改善熱再生改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性等路用性能。當(dāng)RAP摻量達(dá)到50%時，混合料的動穩(wěn)定度達(dá)到8721次/mm，抗彎拉強(qiáng)度為8.1MPa，彎拉應(yīng)變?yōu)?621με，浸水殘留穩(wěn)定度為86.1%，凍融劈裂強(qiáng)度比80.8%，滿足使用要求。

(3)摻加玄武巖纖維可明顯改善高RAP摻量的瀝青混合料疲勞壽命，提高其長期使用的路用性能。

(4)綜合來看，玄武巖纖維可改善高RAP摻量熱再生改性瀝青混合料的各項(xiàng)性能，對提高 RAP利用率有促進(jìn)作用，能夠?yàn)樘岣咴偕鸀r青混合料中RAP摻量并改善其性能提供一個新的途徑。

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原創(chuàng)作者：董俊杰1 鄔 燕1 張 偉1 魏艷萍2，1.齊魯高速公路股份有限公司，濟(jì)南;2.國路高科(北京)工程技術(shù)研究院有限公司，北京

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