大比例RAP掺量聚酯纤维再生沥青混合料性能研究

时间：2024-09-03

马莲霞

（新疆交通建设集团股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830000）

1 引言

随着“一带一路”核心区建设的不断推进，新疆地区道路交通量越来越大，重载交通占比也逐年提升。新疆地域广袤，区内路线较长，特殊的地理位置、相对匮乏的石料资源以及日益紧缺的石油资源造成沥青原材料供给困难，给区内公路建设及改扩建工程带来一定困难[1，2]。

沥青路面再生技术可以有效利用废弃沥青混合料进行路面铺筑，废旧沥青混合料的研究在西方国家的起步较早。近年来，国内许多学者针对再生技术开展了大量试验研究。一般来说，厂拌热再生RAP 掺量应低于30%，针对高等级路面，RAP 比例宜控制在20%左右[3，4]。李利利等[5]通过对不同RAP 掺量的再生沥青混合料性能试验研究发现，RAP 掺量对于冷拌再生沥青混合料抗压强度与抗拉强度的影响显著，最佳掺量为40%。翁士晓等[4]对高掺量RAP 厂拌热再生沥青混合料进行路用性能研究，认为冬严寒区RAP 的掺量不宜超过40%，冬温区不宜超过60%。江锋[6]对60%RAP掺量厂拌热再生沥青混合料性能研究，结果表明60%RAP掺量厂拌热再生沥青混合料各项性能满足沥青路面下面层使用要求。

上述研究结果表明，高掺量沥青回收料再生技术具有可行性。但是，目前新疆地区再生旧料并没有在实际工程中得到大量应用，废旧料掺配比例达到30%～45%的技术研究还未见有报道，如何提高RAP的利用率有待进一步研究。针对新疆大温差地区交通量大、重载交通占比多等道路交通特征及气候干旱、温差大等地理气候特征[7]，本文通过掺加聚酯纤维来改善大比例RAP掺量沥青混合料的路用性能，为大比例RAP 掺量沥青混合料在新疆地区的推广应用提供参考。

2 原材料及试验方案

2.1 原材料

2.1.1 沥青

新沥青为克炼90#A 级道路石油沥青，旧沥青由废旧沥青混合料通过旋转蒸发仪器回收获得，新旧沥青技术指标见表1。

表1 沥青技术指标

从表1 可知，沥青老化后针入度、延度降低，软化点、动力黏度升高，老化前后的技术指标数值相差较大，说明沥青老化较为严重；从沥青组分的角度分析，沥青老化后，饱和分、芳香分轻质组分减少，胶质、沥青质组分增加，说明随着沥青的老化，沥青的黏度增大。老化沥青的针入度、延度均已无法满足规范要求。

2.1.2 集料

新集料采用安山岩，废旧沥青混合料为路面铣刨回收获得，采用离心分离法对回收废旧沥青混合料进行抽提试验，将沥青结合料与矿质集料分离得到回收集料。对抽提后的矿料进行筛分试验即可获得RAP中矿料的级配，集料技术性能指标满足《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）要求，新旧集料主要技术指标见表2，回收集料级配组成如图1所示。

表2 新旧集料主要技术指标

图1 回收集料级配组成

2.1.3 再生剂

再生剂为江苏某新材料公司提供的RA-101型，其性能指标见表3。

表3 再生剂性能指标

2.1.4 聚酯纤维

聚酯纤维技术性能见表4。

表4 聚酯纤维技术性能

2.2 试验方案

新疆地区地处大陆腹地、年均温差大，极端气温最高47.8℃，最低-41.5℃。针对新疆地区特殊的地理位置和气候环境[7，8]，本研究首先对掺加总质量30%、35%、40%比例RAP的沥青混合料进行只添加再生剂RA-101的AC-25C 型再生沥青混合料配合比设计及性能验证。然后，在45%RAP 和50%RAP 大比例条件下按0.2%、0.3%、0.4%、0.5%掺加聚酯纤维，通过车辙动稳定度试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验对高RAP掺量纤维再生沥青混合料路用性能进行研究。矿料合成级配见表5。

表5 矿料合成级配

3 结果与分析

3.1 普通再生沥青混合料配合比设计与结果分析

3.1.1 配合比设计

再生剂掺量在9.5%～11.5%范围内时，再生沥青各项试验指标满足规范要求，本文掺量选择为废旧沥青混合料中旧沥青质量的10%，其中最佳油石比不包括再生剂的质量，选择占集料总质量30%、35%、40%的废旧沥青混合料（RAP）的掺配比例按再生沥青混合料配合比设计方法[9]分别进行AC-25C 型的配合比设计，合成级配见表6。

表6 再生沥青混合料合成级配

3.1.2 设计结果

再生混合料马歇尔体积参数见表7。

表7 再生混合料体积参数

3.1.3 再生沥青混合料性能试验

为研究再生沥青混合料性能，再生剂用量为废旧沥青混合料中沥青质量的10%，本研究以动稳定度指标表示再生沥青混合料的高温性能，冻融劈裂强度比指标来表示再生沥青混合料的水稳定性能，所得结果见表8。

表8 性能试验结果

从表8可知，使用再生剂后，在30%、35%的废旧混合料掺量条件下，再生沥青混合料的动稳定度都在2000 次/mm 左右，能够满足规范对夏炎热区普通沥青混合料动稳定度不小于1000 次/mm 的要求。同时，冻融劈裂强度比也满足规范对半干区普通沥青混合料的冻融劈裂强度比不小于70%的技术要求。

当废旧混合料掺量达到40%以后，在冻融劈裂试验中，冻融循环试件在浸水后散掉，混合料水稳定性显然已不符合使用要求。分析其原因是由于随着废旧沥青混合料掺量增加，老化沥青量增加，受废旧沥青混合料中的胶浆对老化沥青的包裹影响，再生剂只能对浅层的老化沥青发挥恢复作用，使得恢复后的胶结料黏结能力较弱，降低了整个再生沥青混合料的水稳定性能。

3.2 纤维沥青混合料结果与分析

添加再生剂可适当提高再生沥青混合料中的废旧沥青混合料的掺量，由于条件限制，再生剂恢复老化沥青性能的能力不能无限提高，对废旧沥青混合料的掺量的提高作用有限[10]。因此，本文试图通过添加一定比例聚酯纤维来改善再生沥青混合料性能。

3.2.1 配合比设计

为了研究聚酯纤维对大比例RAP再生沥青混合料性能的影响，本文选择45%和50%两种大比例RAP 掺量，将45%RAP 和50%RAP 合成级配设计得较为接近，目的在于比较纤维种类和长度对RAP再生沥青混合料路用性能的时候尽量排除级配因素的影响。

表9 纤维再生混合料合成级配

3.2.2 最佳油石比确定

按确定合成级配，分别预估纤维在不同掺量下再生沥青混合料的最佳油石比，按0.5%的间隔进行5 个油石比的马歇尔试验，根据热拌沥青混合料配合比设计方法最终确定再生沥青混合料的最佳油石比。45%、50%RAP 掺量不同长度聚酯纤维再生沥青混合料最佳油石比如图2所示。

图2 纤维再生混合料最佳油石比

由图2 可知，随着纤维掺量的增加，最佳油石比也逐渐增大，体现了纤维的吸油能力；最佳油石比随着纤维长度的增大而减小，说明纤维越短，分散越均匀，吸油能力越强；同时，两种RAP掺量下，同种纤维掺量下最佳油石比相差很小，表明两种级配非常接近。

3.2.3 纤维再生混合料的体积性指标

按照设计级配，在最佳油石比条件下纤维再生沥青混合料的马歇尔试验指标见表10。

表10 纤维再生沥青混合料体积指标

由表10 可知，在最佳油石比条件下，4 种类型的纤维再生沥青混合料满足空隙率和矿料间隙率技术要求。随着纤维掺量的增加，纤维再生沥青混合料饱和度也呈现出增大趋势；在相同RAP 掺量和纤维掺量条件下，纤维长度较长时，饱和度指标出现超标现象，在50%RAP 掺量下表现较为显著。因此，随着RAP 掺量的增大，应合理控制纤维长度及掺量比例。

3.2.4 高温性能

通过车辙动稳定度试验对纤维再生沥青混合料的高温性能进行研究，并与相同RAP 掺量下普通热拌沥青混合料和再生剂混合料进行对比研究，RB-1 为45%RAP 热拌沥青混合料、ZS-1 为45%RAP 再生剂沥青混合料、RB-2 为50%RAP 热拌沥青混合料、ZS-2 为50%RAP再生剂沥青混合料，试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）成型车辙板，在60℃条件下保温6h进行试验，试验结果见表11。

表11 高温性能指标

从表11 可知，掺纤维的再生沥青混合料的动稳定度普遍高于普通沥青混合料，聚酯纤维掺量在0.2%时对各类型混合料高温性能提升最大。总体来看，50%RAP 的再生沥青混合料的动稳定度普遍高于45%RAP的再生沥青混合料，结果表明，随着废旧沥青混合料掺量的增加，再生沥青混合料的动稳定度有增大的趋势。对于45%RAP 的纤维再生沥青混合料，随着聚酯纤维掺量增加，油石比增大，其动稳定度逐渐降低；同种掺量下，纤维越长，最佳油石比越小，动稳定度越小，分析其原因是纤维越长，越难在沥青混合料拌合过程中分散均匀，导致大量纤维与新沥青接触结团，纤维不能够促进新沥青与老化沥青有效接触融合。

3.2.5 低温性能

通过低温弯曲试验评价沥青混合料低温抗裂性能，按试验规程成型小梁进行加载试验，结果见表12。

表12 沥青混合料低温性能指标

由表12可知，直接掺加RAP的热拌沥青混合料与掺纤维的再生沥青混合料的低温抗裂性能远远高于再生沥青混合料。45%RAP再生沥青混合料的低温抗裂性能稍高于50%RAP的再生沥青混合料。对于45%RAP的纤维再生沥青混合料，纤维掺量越大，最佳油石比越大，混合料低温抗裂性能越好，这主要是由于纤维掺量越高，沥青用量越多的原因造成；纤维长度越长，最佳油石比越小，混合料低温抗裂性能越差，这是由于纤维长度越长，越不易均匀分散于沥青混合料中，使纤维无法很好地发挥加筋增韧的作用。50%RAP的纤维再生沥青混合料也有与45%RAP的纤维再生沥青混合料相似的规律。

3.2.6 水稳定性能

本文采用冻融劈裂试验进行沥青混合料水稳定性评价，结果见表13。

表13 冻融劈裂试验结果

由表13 可知，45%RAP 的沥青混合料的水稳定性普遍优于50%RAP的沥青混合料，掺纤维的再生沥青混合料和普通热拌沥青混合料的水稳定性优于掺RA-101再生剂的沥青混合料。对于45%RAP的不同掺量的聚酯纤维再生沥青混合料，其冻融劈裂强度比呈现出“两头小，中间大”的规律，即存在一个最佳掺量，最佳掺量为0.3%；同种掺量，不同长度，纤维再生沥青混合料的冻融劈裂强度比是不同的，长度越长，最佳油石比越小，其冻融劈裂强度比越小，50%RAP 的再生沥青混合料与45%RAP的再生沥青混合料有着相似的规律。