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      聚酯纖維及瀝青對高RAP摻量瀝青混合料路用性能的研究



      摘要


      通過車轍試驗、小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗,深入研究了聚酯纖維摻量和瀝青用量分別對高RAP摻量瀝青混合料高溫穩定性、低溫抗裂性以及水穩定性的影響。研究結果表明:相對纖維本身的作用而言,瀝青混合料的高溫穩定性更多地是通過瀝青膜厚度及自由瀝青的多少來產生影響;纖維和瀝青的合理比例是影響瀝青混合料低溫及水穩定性能的關鍵因素。相對而言,纖維自身的強度對瀝青混合料低溫及水穩定性能的影響非常有限,瀝青含量超過zui佳油石比時,瀝青含量和瀝青膜厚度的增加,不但不一定會提高瀝青混合料的低溫及水穩定性能,還有可能造成負面影響。



      關鍵詞:道路工程 | 聚酯纖維 | 再生瀝青混合料 | 路用性能 | RAP


      纖維作為瀝青及瀝青混合料的添加劑在國內外已經得到了廣泛的應用,且取得了良好的效果[1-4]。相比于木質素纖維、玻璃纖維、礦物纖維,聚酯纖維作為再生瀝青混合料的加筋纖維,具有熔點高、斷裂延伸率高等優點,可以有效地改善瀝青路面的抗彎拉性能,延緩路面的低溫裂縫[5-7]。

      根據近些年來的研究趨勢來看[8-15],將纖維作為外摻劑加入到廢舊瀝青混合料(以下簡稱RAP)中,將其再生進而獲得性能較好的再生瀝青混合料的研究并不多見。另一方面,眾所周知,纖維具有較強的吸油能力,隨著纖維摻量的變化,瀝青用量也會隨之變化;因此,在平常分析纖維對瀝青混合料路用性能的影響時存在著兩個變量(纖維摻量和瀝青用量)。為了方便,一般忽略瀝青用量變化的影響,將路用性能的改善全部歸功于纖維的作用。

      針對以上兩個問題,采用聚酯纖維作為外摻劑再生高RAP摻量的廢舊瀝青混合料,驗證其路用性能,并深入研究纖維摻量和瀝青用量分別對高RAP摻量瀝青混合料路用性能的影響。通過此研究,可以深刻地認識到對于纖維摻量和瀝青用量這兩個參數,哪一個是影響再生瀝青混合料路用性能的關鍵因素,進而可以為提高瀝青混合料的路用性能的技術方案提供指導。



      原材料


      采用的新瀝青為新疆克拉瑪依產90#基質瀝青,RAP中集料為安山巖,礦粉由石灰石磨細而成,新集料為安山巖,礦粉也是由石灰石磨細而成。為增加黏結性,用42.5#普通硅酸鹽水泥代替部分礦粉,新集料分為0~5mm,5~10mm,10~18mm,18~23mm,23~30mm5檔,材料性質均符合規范要求(除老化瀝青外),RAP的摻量為50%,混合料級配采用AC-25C級配結構,其具體的級配見圖1,聚酯纖維指標見表1。




      再生瀝青混合料制作工藝:①將RAP置于烘箱中加熱至110℃,加熱時間為2h,以減少RAP中瀝青的進一步老化;②新集料加熱溫度為190℃,加熱時間為4h,新瀝青的加熱溫度為150℃,加熱時間為4h;③在添加RA-101再生劑對RAP瀝青混合料進行再生時,混合料的投料順序是將RAP、粗細集料倒入預熱的拌和機,加入再生劑進行攪拌90s,然后加入瀝青攪拌90s,后加入礦粉和水泥攪拌90s,總拌合時間為4.5min;④在添加纖維對RAP瀝青混合料進行再生時,為了纖維能夠均勻的分散在瀝青混合料中,混合料的投料順序是將纖維、RAP、粗細集料倒入預熱的拌和機攪拌90s,然后加入瀝青攪拌90s,后加入礦粉和水泥攪拌90s,總拌合時間為4.5min。

      其它未經特殊說明事項,均按JTGE20-2011《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》(以下簡稱《規程》)進行。

      在研究纖維摻量對瀝青混合料路用性能的影響時,纖維摻量分別定為0,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%,油石比定為5.5%(文中的油石比中包括廢舊瀝青的用量,且在文中的瀝青混合料中不添加再生劑,90#基質瀝青在混合料中充當一部分的再生劑作用)。在研究瀝青用量對瀝青混合料路用性能的影響時,油石比分別定為:4.8%,5.0%,5.2%,5.4%,5.6%,纖維摻量定為0.2%。試驗方法按照《規程》中的規定進行。值得注意的是,為避免孔隙率因素對混合料性能的影響,在成型試件時,應細心操作,對每個試件單獨拌合成型,以保證混合料的孔隙率變化范圍在1.5%以內。



      試驗結果與討論

      纖維摻量和瀝青用量分別對瀝青混合料高溫性能的影響

      纖維摻量對瀝青混合料高溫性能的影響

      按照JTJ052-2004《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》中的T0719-2011試件成型方法成型試件并進行車轍試驗,其試驗結果如圖2。




      由圖2(a)可知,當油石比固定為5.5%時,在纖維摻量范圍內,隨纖維摻量的增加,瀝青混合料動穩定度呈逐漸增加趨勢,但當達到0.3%的纖維摻量后明顯減緩。這說明通過增加纖維摻量來提高混合料的高溫抗車轍能力是有限的,纖維摻量存在一個更佳或較佳的摻量范圍。

      由圖2(b)可知,當采用與纖維摻量對應的zui佳油石比時,隨著纖維摻量的增加,瀝青混合料的動穩定度呈逐漸較小的趨勢,且二者具有較好的線性相關性。為便于比較,得到表2及圖3。




      根據圖3對比同樣纖維摻量,不同油石比的瀝青混合料動穩定度,可以看出瀝青膜厚度或自由瀝青含量對纖維瀝青混凝土高溫穩定性影響較大。瀝青膜厚度過大或自由瀝青含量越高,瀝青混凝土的高溫穩定性越差,纖維對瀝青混合料高溫穩定性的影響更多的是通過對瀝青膜厚度或自由瀝青含量的多少來產生影響的。


      瀝青用量對瀝青混合料高溫性能的影響

      采用同樣的試驗方案成型試件并進行車轍試驗,試驗結果如圖4。




      由圖4可知,當纖維摻量固定為0.2%時,隨著瀝青含量的增加,瀝青混合料動穩定度呈先大后減小的趨勢,且在zui佳油石比為5.3%附近達到更大值。這說明當纖維摻量一定時,存在一個zui佳或較佳的瀝青摻量范圍可使瀝青混合料獲得更好或較好的高溫穩定性能。


      纖維摻量和瀝青用量分別對瀝青混合料低溫性能的影響

      纖維摻量對瀝青混合料低溫性能的影響

      采用小梁彎曲試驗研究混合料的低溫性能,試件成型方法及具體的試驗方法根據《規程》執行,其試驗結果如圖5。




      由圖5可知,當油石比固定為5.5%時,在纖維摻量范圍內,隨著纖維摻量的增加,瀝青混合料的zui大彎拉應變呈逐漸減小的趨勢,但其減小趨勢在達到0.3%的纖維摻量后明顯減緩。提高纖維摻量,提高了纖維自身的加筋增韌作用但減小了瀝青膜的厚度,二者共同作用,導致zui大彎拉應變的減小,這說明對纖維自身的加筋增韌作用來講,瀝青膜厚度對瀝青混合料的低溫抗裂性能影響更大。為便于比較,可進一步繪制表3及圖6。





      由圖6可知,從趨勢上看,同一纖維摻量下,瀝青混合料的zui大彎拉應變隨著瀝青用量的提高而擴大,這進一步說明瀝青膜厚度對瀝青混合料的低溫抗裂性能的影響是非常大的,在瀝青混合料設計中通過合理的增加瀝青用量來提高混合料的低溫抗裂性能是非常有效的。


      瀝青用量對瀝青混合料低溫性能的影響

      采用同樣的試驗方案成型試件并進行小梁彎曲試驗,試驗結果如圖7。




      由圖7可知,在纖維摻量固定為0.2%的條件下,zui大彎拉應變隨瀝青含量的增加先大后減小,并且在5.3%zui佳油石比附近達到更大值。這說明,當纖維摻量一定,瀝青含量低于zui佳油石比時,瀝青含量和瀝青膜厚度的增加有利于提高混合料的低溫抗裂能力,但當瀝青含量高于zui佳油石比時,瀝青含量的增加和瀝青膜厚度的增加并不一定會提高瀝青混合料的低溫抗裂能力,甚至有可能對低溫性能產生不利影響。為便于比較,得到表4及圖8。






      由圖8可知,合理纖維摻量下的zui大彎拉應變比纖維摻量固定在0.2%時略高。說明通過合理的混合料設計使纖維和瀝青的比例關系保持在合理的范圍內時可以保證混合料的瀝青膜厚度處于一個較佳的水平,這對提高瀝青混合料的低溫抗裂能力是有利的。


      纖維摻量和瀝青用量分別對瀝青混合料水穩定性能的影響

      纖維摻量對瀝青混合料水穩定性能的影響

      采用凍融劈裂試驗研究混合料的水穩定性,試件成型方法及具體試驗方案根據《規程》執行,其試驗結果如圖9、圖10。





      由圖9可知,當油石比固定為5.5%時,隨纖維摻量的變大,凍融前后劈裂強度是先增加后減小的趨勢,并在纖維摻量為0.3%時達到更大值(0.3%纖維摻量時的zui佳油石比恰好是5.5%)。這說明,在纖維瀝青混凝土中,在對劈裂強度產生影響的因素中纖維與瀝青的合理比例是非常重要的,而纖維自身的強度對劈裂強度的影響相對是非常有限的。

      從圖10可知,當zui佳油石比固為5.5%時,纖維摻量增加且超過0.3%后,劈裂強度比反而隨纖維摻量的增加而降低。這說明,從提高瀝青混合料水穩定性的角度來說,纖維的摻量并不是越多越好,存在一個更佳或較佳的摻量范圍。

      對應纖維摻量其zui佳油石比下再生瀝青混合料的凍融劈裂試驗結果如圖11、圖12。



      從圖12可知,當采用zui佳油石比時,纖維摻量增加且超過0.3%后,劈裂強度比反而隨纖維摻量的增加而降低;這說明,從提高瀝青混合料水穩定性的角度來說,纖維的摻量并不是越多越好,存在一個更佳或較佳的摻量范圍。經過以上分析,可獲得表5及圖13~15。



      由圖13和圖14可知,采用zui佳油石比條件下的凍融前后劈裂強度都比瀝青油石比固定在5.5%時略高。這說明通過合理的混合料設計使纖維和瀝青的比例關系保持在合理的范圍內,對提高瀝青混合料的劈裂強度及抗裂能力是有利的。

      由圖15可知,當纖維摻量為0.2%(zui佳油石比≤5.5%),劈裂強度比較油石比5.5%時大;當纖維摻量為0.4%0.5%(zui佳油石比>5.5%),劈裂強度比較油石比5.5%時小。這說明,在同樣的纖維摻量條件下,瀝青油石比的增加和瀝青膜的增加,并不一定會提高瀝青混合料的劈裂強度比??梢娎w維與瀝青厚度合理比例是影響瀝青混合料水穩定性的關鍵因素,瀝青膜厚度的增加并不一定起到有利的影響。


      瀝青用量對瀝青混合料水穩定性能的影響

      采用同樣的試驗方案成型試件并進行凍融劈裂試驗,試驗結果如圖16、圖17。




      由圖1617可知,當纖維摻量固定為0.2%的條件下,凍融前后的劈裂強度和劈裂強度比都隨瀝青含量的增加先大后減小,并且在5.3%zui佳油石比附近達到大值。這說明,當纖維摻量保持不變時,在瀝青含量低于zui佳油石比時,瀝青含量和瀝青膜厚度的增加是有利于水穩定性的提高的;但當瀝青含量高于zui佳油石比時,瀝青含量的增加和瀝青膜厚度的增加并不一定會提高瀝青混合料的水穩定性,甚至有可能對水穩定性產生不利影響。

      對應纖維摻量其zui佳油石比下再生瀝青混合料的凍融劈裂試驗結果如圖18、圖19。




      由圖18可知,在纖維摻量隨油石比調整的條件下,凍融后劈裂強度在本研究的瀝青用量范圍類變化不大,基本在1.2MPa左右,凍融前劈裂強度除瀝青油石比5.7%時略大外,其余的劈裂強度也比較接近。

      由圖19可知,在纖維摻量隨油石比調整的條件下,劈裂強度比在5.3%5.5%的油石比時比較接近,在5.6%5.7%的油石比時劈裂強度比反而降低,這也說明瀝青含量的增加和瀝青膜厚度的增加并不一定會提高瀝青混合料水穩定性,甚至有可能對水穩定性產生不利影響。綜合以上分析,可得表6及圖20~22。



      由圖20、圖21可知,從趨勢上看,合理纖維摻量條件下的凍融前后劈裂強度比纖維摻量固定在0.2%時略高,這說明通過合理的混合料設計使纖維和瀝青的比例關系保持在一定的范圍內時,對提高瀝青混合料的劈裂強度及抗裂能力是有一定幫助的。

      由圖22可知,當瀝青油石比在5.3%~5.6%時,合理纖維摻量下的劈裂強度比也比纖維摻量固定在0.2%時略高,這同樣說明通過合理設計使纖維與瀝青比例保持在一定的范圍內時,是有利于提高瀝青混合料的抗水損害能力的。



      結論


      選用50%RAP摻量下的聚酯纖維(3mm)再生瀝青混合料,通過試驗深入研究了纖維摻量和瀝青用量分別對高RAP摻量瀝青混合料路用性能的影響,包括驗證高溫性能的車轍試驗、低溫性能的小梁彎曲試驗、水穩定性能的凍融劈裂試驗,得出如下結論。

      1)在總結纖維摻量對瀝青混合料高溫性能的影響之后,可以得出僅僅通過增加纖維摻量來提高瀝青混合料的高溫性能是有限的,且存在一個與瀝青用量對應的更佳或較佳的纖維摻量范圍;相對而言,瀝青膜厚度或自由瀝青含量對瀝青混合料的高溫性能影響更大;瀝青膜厚度過大或自由瀝青含量越高,瀝青混凝土的高溫穩定性越差,反之越好。

      2)在總結瀝青用量對瀝青混合料高溫性能的影響之后,可以得出當纖維摻量一定時,存在一個更佳或較佳的瀝青摻量范圍,可使瀝青混合料獲得更好或較好的高溫穩定性能。

      3)在總結纖維摻量對瀝青混合料低溫性能的影響之后,可以得出對纖維自身的加筋增韌作用來講,瀝青膜厚度對瀝青混合料的低溫抗裂性能影響更大,在瀝青混合料設計中通過合理的增加瀝青用量來提高混合料的低溫抗裂性能是非常有效的。

      4)在總結瀝青用量對瀝青混合料低溫性能的影響之后,可以得出當纖維摻量一定時,存在一個更佳或較佳的瀝青用量范圍,可以保證瀝青膜厚度處于一個合理的厚度,使瀝青混合料的低溫抗裂性能達到更優。

      5)在總結纖維摻量及瀝青用量對瀝青混合料低溫性能的影響之后,可以得出纖維和瀝青的合理比例是影響瀝青混合料水穩定性的關鍵因素,相對而言,纖維自身的強度對瀝青混合料水穩定性影響非常有限,瀝青含量超過zui佳油石比時,瀝青含量的增加和瀝青膜厚度的增加,不但不一定會提高瀝青混合料水穩定性,還有可能造成負面影響;同樣的,纖維和瀝青的合理比例是影響瀝青混合料劈裂強度的關鍵因素,由于劈裂強度在一定程度上反應了瀝青混合料的抗裂性,因此,纖維和瀝青的合理比例是影響瀝青混合料抗裂性重要的因素,相對而言,纖維自身的強度對抗裂性貢獻有限。



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