再生纤维沥青混合料低温抗裂性能

祝必成，吴金荣,2

(安徽理工大学 1.土木建筑学院；2.矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

“绿色发展”既是当今世界发展的主要潮流，也是中国发展的重要理念，中国一直秉持着这样的理念，在探索可持续发展的道路上稳步向前。随着城镇化建设的不断推进，我国在公路建设方面取得了长足的发展，沥青路面在整个公路系统中占比近95%[1]，并且在“一带一路”政策红利的双向推动下，道路交通量日益增加，车辆超载现象越来越严重[2]，导致我国的公路也渐渐进入大修期，每年因为道路翻修产生大量的废旧沥青混合料，造成大量的资源浪费，同时严重污染环境，回收RAP材料实现资源再次利用，有利于社会可持续发展[3]。开裂是沥青路面破坏的主要形式之一，而低温又是最常见的开裂原因，由于我国地域温差很大，半数以上的公路都受到低温气候的影响，并且老化后的沥青粘度大、硬度高，因此低温抗裂性能始终是再生沥青路面的薄弱点[4]。

国内外学者对再生沥青混合料做了大量研究。许西淼等[5]研究了冻融循环对再生沥青混合料低温抗裂性能的影响，得出其弯拉应变随冻融循环次数增加而减小，且RAP掺量越大，冻融循环对低温性能影响越显著；王杰等[6]研究了中低温下旧料、再生剂掺量对再生沥青混合料抗裂性能的影响，得出抗裂性能随着旧料掺量的增加而减小，在旧料掺量低于30%时，掺加再生剂可以延缓再生沥青混合料的开裂；郝培文等[7]研究了新旧沥青融合程度对再生沥青混合料性能的影响，分析了不同RAP掺量下再生沥青混合料的低温抗裂性能，得出抗裂性能随着RAP掺量增加而减小，提出当RAP掺量超过30%，配合比设计时应考虑新旧沥青融合程度的影响；王国方等[8]研究了玄武岩纤维掺量对再生沥青混合料抗裂性能的影响，得出掺加玄武岩纤维可以明显提高抗裂性能；Babagoli Rezvan等[9]通过SCB试验研究了再生剂类型、RAP掺量和沥青老化程度对再生沥青混合料性能的影响，采用断裂能指标评价性能，得出断裂能随着RAP掺量的增加而降低的主要原因是沥青的老化。

鉴于现阶段关于再生沥青混合料的低温抗裂性能研究不够完善，本文通过SCB试验，在断裂力学基础上，采用断裂能、峰值荷载作为评价指标，分析RAP、聚酯纤维掺量和盐分对再生沥青混合料抗低温开裂性能的影响，为再生沥青混合料设计提供理论依据。

1 试验

1.1 原材料

RAP采用淮南本地沥青路面铣刨料，使用三氯乙烯充分溶解旧料表面沥青，由离心抽提仪分离得到，对抽提的骨料进行清洗、干燥和分档，并对骨料技术指标进行测试，均满足规范要求。对各档中旧沥青含量进行测定，粒径0.0075mm～2.36mm的回收旧沥青6.63%，粒径2.36mm～13.2mm的回收旧沥青4.19%，粒径13.2mm～19mm的回收旧沥青2.42%，对旧沥青的三大指标进行测定。试验采用重交70#沥青，各指标参数均符合规范要求。

1.2 再生剂

沥青老化的本质是组分含量发生变化，其中轻质组分含量大幅减少，沥青质大幅增加，导致分子间作用力增加，粘度增大,导致沥青流动性变差[10]，沥青再生就是通过添加再生剂使旧沥青中各组分重新达到平衡[11]。试验采用上海某公司提供的ZS-1型再生剂，具体性能指标均满足规范要求。试验采用再生工艺：旧沥青+再生剂+新沥青+三大指标测试，在满足三大指标性能的条件下，确定再生剂最佳掺量为10%。

1.3 级配

试验采用的粗骨料为淮南本地产石灰岩碎石，细骨料为机制砂，填料为石灰岩磨制的矿粉，经检测原材料各项性能指标满足规范要求。本文采用工程中常用的AC-13级配，根据试验目的确定RAP掺量为0%、10%、20%、30%、40%和50%，为了实现不同掺量下目标级配，试验采取新旧骨料按RAP掺量统一分配，以保证级配的稳定性，目标级配曲线如图1所示。

图1 目标级配曲线

1.4 最佳油石比

RAP掺量分别为0%、10%、20%、30%、40%和50%，聚酯纤维掺量分别为0%、0.3%、0.4%和0.5%，通过马歇尔试验方法对AC-13级配再生沥青混合料进行设计，经旋转压实后，测得试件的毛体积密度、空隙率、稳定度和流值等指标，确定了不同试验条件下再生沥青混合料最佳油石比，当聚酯纤维掺量一定时，最佳油石比随着RAP掺量的增加而逐渐增大，当RAP掺量一定时，最佳油石比随着聚酯纤维掺量的增加而逐渐增大。

1.5 试件准备

按照上述级配组成，采用SCB试验方法成型试件，为模拟沥青路面使用过程中的反射裂缝，在试件底部中心设置预裂缝，切缝宽度1.5mm，长度10mm。试件采用清水、质量分数3.6%复合盐溶液(NaCl:Na2SO4=1:2)在25℃室温下浸泡30d，待侵蚀结束后进行试验，试验前将试件放在恒温低温箱中，在-15℃温度下保温4h后，将试件放在万能试验机上进行加载。

2 试验结果与分析

SCB试验基于能量法，以断裂能Gf作为评价指标，Gf值越大，表明再生沥青混合料从加载到断裂过程中耗散能量越多，低温抗裂性能越好，同时还能得到峰值荷载PMax，其值越大，表明断裂时所能承受荷载越大，低温抗裂性能越好。断裂能计算如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

其中：Wf为试件的断裂功(N·mm)；P为对试件施加的荷载(N)；u为荷载对应的位移(mm)；Gf为试件的断裂能(J·mm-2)；r为半圆试件的半径(mm)；a为试件的切口长度(mm)；t为试件的厚度(mm)。

2.1 RAP掺量的影响

图2 清水浸泡下SCB试件峰值荷载

图3 复合盐溶液侵蚀下SCB试件峰值荷载

从图2可以看出，随着RAP掺量的增加，不同纤维掺量再生沥青混合料破坏时的峰值荷载不断增大。从图3可以看出，在复合盐溶液中也同样呈增大的趋势，当RAP掺量超过30%时，掺量为0.4%和0.5%聚酯纤维的再生沥青混合料峰值荷载先减小后增大。主要原因是废旧沥青在长期服务过程中发生严重老化，化学组分发生差异性变化，使得沥青变硬，意味着随着RAP掺量越大，再生沥青混合料的刚度越大，外荷载作用时应力来不及消散，从而导致峰值荷载增大。同时由于高RAP掺量再生沥青混合料中老化沥青和新沥青的粘度差异大，导致新旧沥青存在不完全混溶，使得再生沥青混合料中存在薄弱面，导致其峰值荷载存在变异性[12]。

图4 清水浸泡下SCB试件断裂能

图5 复合盐溶液侵蚀下SCB试件断裂能

从图4和图5可以看出，随着RAP掺量的增加，不论在清水还是复合盐溶液中，再生沥青混合料断裂能均呈逐渐减小的趋势。主要原因是RAP骨料在碾压过程中产生破损，导致骨料存在结构缺陷，并且大部分旧料以团粒结构形式存在，使得部分旧沥青未能得到良好的再生[13]，这部分老化沥青表面形成沥青膜，导致新旧沥青不能充分混溶，使得再生沥青混合料存在薄弱界面，在外荷载作用下，会在此薄弱处最先产生微裂缝，随着荷载增加，微裂缝继续开展，因此，RAP掺量越高，再生沥青混合料断裂能越小。

2.2 聚酯纤维的影响

图6 清水浸泡下SCB试件峰值荷载

图7 复合盐溶液侵蚀下SCB试件峰值荷载

从图6可以看出，随着聚酯纤维掺量的增加，不同RAP掺量的再生沥青混合料峰值荷载均先增大后减小，且在聚酯纤维掺量为0.4%时达到最大。从图7中可以看出，变化规律和图6吻合，但在RAP掺量为40%时，峰值荷载出现在纤维掺量为0.3%处，与未掺加聚酯纤维对照组相比，再生沥青混合料掺加聚酯纤维后峰值荷载均显著增大。因为纤维和沥青有良好的结合性，乱向分布的纤维在再生沥青混合料中起到了加筋的作用，提高了韧性，阻碍了外荷载作用引起的裂缝的开展，从而提高了其低温抗裂性能，当聚酯纤维掺量过高时，容易在搅拌过程中局部结团，形成的结构强度较低，对再生沥青混合料存在不利影响。当RAP掺量达到40%，由于新旧沥青没有充分融合，且纤维掺量越高越容易发生局部结团，而这种结团纤维较多数没有充分被沥青包裹，再生沥青混合料结构存在薄弱面，导致其抗裂性能变差，这也验证了过高的RAP掺量会导致再生沥青混合料性能不稳定。

2.3 盐分的影响

图8 不同聚酯纤维掺量的盐分侵蚀

从图8可以看出，相比于清水环境，复合盐溶液侵蚀后再生沥青混合料断裂能始终较小，而且随着RAP掺量的增加，两者差值越来越小，当RAP掺量超过30%时，不同聚酯纤维掺量的再生沥青混合料断裂能均呈现明显下降。这主要是因为再生沥青混合料中存在孔隙，盐溶液中游离的Na+、SO4-2和Cl-吸附在骨料上，对沥青产生剥离作用，并且这些离子又具有很强的极性，使得溶液中的PH值发生改变，导致沥青与骨料间粘结性进一步降低，同时由于老化沥青具有很强的粘度，会在表面形成强作用界面[14]，阻碍了盐溶液的渗入，从而削弱了盐分对沥青的剥离作用，因此，增加RAP掺量可以提高再生沥青混合料的抗侵蚀能力，但过高的RAP掺量，再生骨料的不稳定性越发明显，导致再生沥青混合料抗裂性能越差。

3 结论

通过SCB试验，对不同RAP和聚酯纤维掺量的再生沥青混合料，分别在清水和复合盐溶液环境下浸泡后，研究低温抗裂性能，得到以下结论。

(1)随着RAP掺量的提高，不同聚酯纤维掺量的再生沥青混合料峰值荷载逐渐增大，而断裂能却逐渐减小，说明提高RAP掺量对再生沥青混合料低温抗裂性能有不利影响，并且表明RAP掺量超过30%，再生沥青混合料低温抗裂性能存在变异性。

(2)在同一种RAP掺量下，随着聚酯纤维掺量的提高，再生沥青混合料峰值荷载先增大后减小，且由于聚酯纤维的添加，其抗裂性能均显著提高，说明适量的纤维能提高低温抗裂性能，同时确定聚酯纤维最佳掺量为0.4%。

(3)经复合盐溶液侵蚀后的再生沥青混合料断裂能较小，且随着RAP掺量的提高，两种环境下的断裂能差值呈现逐渐减小的趋势，说明盐分会削弱再生沥青混合料低温抗裂性能，同时增加RAP掺量可以提高其抗侵蚀能力，当RAP掺量超过30%，不同聚酯纤维掺量的再生沥青混合料断裂能均大幅下降，建议RAP掺量不宜超过30%。