不同改性剂对再生沥青混合料路用性能的影响研究

秦艳丽

(中铁十八局集团 第五工程有限公司,天津 300459)

多年来,无论是高速公路、一级公路还是乡村道路等基础设施建设项目,一直大力倡导环保性、创新性、创效性。减少能源消耗使用和限制碳排放一直是许多建筑行业研究人员致力研究的课题。

道路路基、路面材料的合理回收再利用[1-2]是非常低碳环保的行为,是世界各国积极倡导的发展方向,也是我国践行高质量发展、留住青山绿水的有效环保举措之一。在道路建设领域,对沥青混合料回收料(RAP)、废颗粒、橡胶废料再利用无疑是十分有意义的,对废建材料进行回收利用有助于保护自然环境,减少自然资源的开发,避免道路路面施工中过度消耗原始材料[1]。当下,由于我国高等级公路、一级公路、乡村振兴公路等基础设施建设迅猛发展,引起公路建筑材料紧缺,价格飙升,为落实低碳环保这一主题,越来越多的道路项目建设提出了对改建道路的废弃建筑材料进行合理回收再利用的建议。

一些废弃的道路材料中仍具有一定的级配和较高的强度,富含SiO2、Al2O3、Fe2O3等诸多化学成分,这是道路建材不可缺少的元素,再生利用的价值非常高。通过二次利用一些改造、重建道路的原材料,不仅节约了施工成本,还能够有效减少环境污染,避免资源过度浪费,变废为宝,达到降本、增效、环保、绿色低碳等目的,助力实现“节约型社会”和高质量发展。与其他欧洲国家相比,我们在该领域的研究起步较晚。道路材料回收技术优劣的主要评判标准是新再生材料应具有优于或等同于原混合料的性能。基于满足节能和环保的要求,亟须应用新材料新技术,寻求性价比更高、更可靠的解决方案。降低加工温度并同时掺入再生材料是实现这些目标的最有效方法,然而通常会导致沥青混合料质量总体下降。笔者介绍了利用费托(F-T)合成蜡、玄武岩纤维,通过温拌沥青(WMA)技术,对沥青混合料回收料(RAP)进行再生,并在不同环境下,通过试验分析对比,研究添加不同配合比、不同改性剂对再生沥青混合料路用性能的影响。

1 试验材料

试验材料用于设计、加工生产交通类别道路路面铺摊的密实式沥青混凝土混合料:骨料——取自当地采石场,再生沥青颗粒——取自研磨的既有道路路面,改性剂——费托(F-T)合成蜡、玄武岩纤维。

1.1 骨 料

骨料采用纯石灰石矿物混合料,骨料粒径分别为0～2,2～8,8～16,16～22 mm,矿物混合料的筛分分析见表1。表中“-”表示没有做实验。

表1 矿物混合料的筛分分析

1.2 再生沥青路面

为了研究再生混合料性能,确定所用沥青颗粒详细组成。通过萃取法测得沥青质量分数为6.0%,粒度分析结果见表2。表中“-”表示没有做实验。

表2 RAP的筛分分析

1.3 费托(F-T)合成蜡

费托(F-T)合成蜡是一种沥青改性剂[3],熔融温度约为95 ℃,易溶于沥青。与天然石蜡相比,费托(F-T)合成蜡具有更长的烃链,并且在结晶后会形成结晶网格,可以有效降低沥青的黏度,从而提高混合物的抗变形能力。费托(F-T)合成蜡用于在较低温度下生产沥青混凝土混合物。相对于沥青,其添加量为2.5%。

1.4 添加F-T合成蜡的改性沥青

沥青在沥青混合料中的作用是在混合物中永久覆盖和黏结骨料颗粒。骨料和沥青形成整体复合材料,在整个路面寿命周期内是否具有足够的稳定性,取决于沥青的化学成分和流变特性。

研究对象是用于道路建设的标准沥青混合料——35/50号沥青以及添加2.5%费托(F-T)合成蜡改性沥青[4],两者参数汇总见表3。在确定了实验沥青的基本性能后,再进行试验,确定沥青的膨胀比ER和半衰期HL两个特征参数。费托(F-T)合成蜡改性沥青的检测结果如图1所示。

图1 黏结剂的发泡特性

表3 沥青的基本参数

图1试验结果表明,在规定的最佳持水量(FWC)下,费托(F-T)合成蜡改性沥青具有较高的膨胀率和半衰期。

1.5 玄武岩纤维

矿物纤维主要来源于玄武岩,其具有不同的长度和直径。纤维表现出高的拉伸强度和硬度,在酸性和碱性环境中都能耐腐蚀。玄武岩纤维[5]能很好地黏附在沥青上,从而提高沥青混合料对水和霜冻作用的抵抗力。像纤维素纤维一样,它们吸附沥青,并作为沥青中的稳定剂发挥作用。在沥青混合料内部,玄武岩纤维构筑起的空间网格结构有效规避了沥青混合料内部结构应力过于集中的情况,从而有效延长路面的使用周期。玄武岩纤维的性能见表4,在两种混合物中均使用质理分数为0.5%的玄武岩纤维。

表4 玄武岩纤维的性能

2 沥青混凝土配合比设计

沥青混合料的配合比[6]依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004),制作5种沥青混合料。5种沥青混合料含有35/50号沥青质量分数都一样,都为3.6%。

1) 混合料A含有35/50号沥青的热拌沥青混合料(HMA)[7]。

2) 混合料B含有35/50号沥青、玄武岩纤维添加量为0.5%的热拌沥青混合料(HMA)。

3) 混合料C含有35/50号沥青的温拌沥青混合料(WMA)[8]。

4) 混合料D含有35/50号沥青、2.5%F-T合成蜡改性的温拌沥青混合料(WMA)。

5) 混合料E含有35/50号沥青、2.5%F-T合成蜡、0.5%的玄武岩纤维改性的温拌沥青混合料(WMA)。

3 沥青混合料试验研究

在实验室对前一章节阐述的沥青混合料在添加费托(F-T)合成蜡、玄武岩纤维等不同改性剂时进行试验,分析能体现不同改性剂对再生沥青混合料路用性能的影响指标——空隙率Vm(图3)和相对辙深PRDAIR(图4)。试验结果统计见表5。

图3 空隙率Vm

图4 相对辙深PRDAIR

表5 试验结果统计

根据图3分析,所有混合料的空隙率范围为4.0%～7.0%,均满足规定的空隙率要求。其中混合料C中的空隙率最高,达6.3%,而混合料A中的压实度最高,空隙率为4.2%,混合料D、E空隙率为4.70%～4.88%。结果表明玄武岩纤维和费托(F-T)合成蜡改性剂的加入能够对温拌沥青混合料的压实度产生有利影响。根据图4分析,玄武岩纤维和费托(F-T)合成蜡改性剂的加入,温拌沥青混合料E相对辙深PRDAIR最小,为5.63%,说明玄武岩纤维和费托(F-T)合成蜡改性剂能提高温拌沥青混合料(WMA)的永久抗变形抗力。

4 结 论

通过对添加不同改性材料的沥青混合料的试验结果分析可得出以下结论:

1) 在规定的最佳持水量(FWC)下,费托(F-T)合成蜡改性沥青具有较高的膨胀率和半衰期。

2) 玄武岩纤维和费托(F-T)合成蜡改性剂能降低沥青混凝土的空隙率,从而提高温拌沥青混合料的压实度。

3) 添加费托(F-T)合成蜡和玄武岩纤维的温拌沥青混合料(WMA)在抗车辙方面展现出良好性能,可以降低混合料相对辙深,从而提高温拌沥青混合料(WMA)的永久抗变形抗力,路用性能显著增强。