聚酯纖維溫拌再生瀝青混合料性能及壓實(shí)溫度研究

周 剛，王 慶，孫 潛，劉秘強(qiáng)

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074; 2. 廣西交通科學(xué)研究院有限公司， 廣西 南寧 530007)

0 引 言

隨著我國(guó)道路年平均日交通量和汽車(chē)軸載量的逐漸增加，上世紀(jì)修建的瀝青路面將面臨大面積的維修階段，如何有效利用廢舊瀝青混合(reclaimed asphalt pavement,RAP)，既可以提高有限資源的循環(huán)利用又減少舊料堆積對(duì)環(huán)境的污染。我國(guó)西北部的新疆維吾爾自治區(qū)，約占我國(guó)國(guó)土面積的六分之一，且公路交通網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達(dá)，廢舊瀝青混合料很難在其他公路得到再生利用。如何有效提高RAP在本條路面的再生利用率，是問(wèn)題的難點(diǎn)。

新疆維吾爾自治區(qū)多為夏熱、冬寒地區(qū)，一年中酷暑期短，以低溫少雨居多[1]，且風(fēng)較大。如何在大比例RAP摻配條件下，確保路面的使用性能，并降低再生混合料現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)溫度，以延長(zhǎng)低溫地區(qū)的施工工期，是低溫地區(qū)再生工程研究的重點(diǎn)。對(duì)于溫拌再生技術(shù)(temperature mixing regeneration technology, TMRT)，其基于溫拌技術(shù)和廠(chǎng)辦熱再生技術(shù)發(fā)展而來(lái)，既可提高RAP摻配比例，減少對(duì)新礦料的需求，也可有效降低瀝青混合料現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)溫度，延長(zhǎng)低溫地區(qū)再生實(shí)體工程的施工工期。但研究表明[2-9]：在RAP高摻量下(摻量50%左右)，大比例溫拌再生瀝青混合料(warm-recycled mixture asphalt，WRMA)路用性能很難達(dá)到規(guī)范要求，需添加改性材料來(lái)改善WRMA路用性能。因此，筆者研究了聚酯纖維大比例WRMA路用性能的作用效果，并分析了聚酯纖維對(duì)WRMA壓實(shí)溫度的影響。

基于WRMA路用性能，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量研究。北京建筑大學(xué)的季節(jié)等[10]采用車(chē)轍試驗(yàn)、低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，對(duì)不同RAP摻量(摻量為0%，20%，30%，45%)下SMA溫拌及熱拌再生瀝青混合料(hot-recycled mixture asphalt，HRMA)的性能進(jìn)行對(duì)比分析，研究結(jié)果表明：HRMA的高低溫性能均遜于WRMA，但HRMA抗疲勞性能優(yōu)于WRMA，兩者水穩(wěn)定性能基本保持一致。同濟(jì)大學(xué)的黃明等[11]結(jié)合HRMA研究成果，將溫拌劑摻量調(diào)整為瀝青質(zhì)量的10%，并以空隙率與馬歇爾強(qiáng)度為控制指標(biāo)，研究了WRMA的RAP摻量和性能，研究結(jié)果表明：AC-20和AC-25的RAP摻量分別可提升至35%和33%，在短期和長(zhǎng)期老化性能方面，WRMA均優(yōu)于HRMA。大連海事大學(xué)的郭乃勝等[12]采用20%、30%、40%的RAP摻量、DAT和S-I溫拌劑，研究了溫拌劑類(lèi)型、RAP摻量和再生劑使用與否對(duì)WRMA路用性能的影響，研究結(jié)果表明：溫拌劑類(lèi)型、RAP摻量和再生劑對(duì)WRMA路用性能均有影響，但影響效果不同。綜上，國(guó)內(nèi)研究者對(duì)WRMA路用性能研究頗為全面，但對(duì)大比例(摻量50%左右)WRMA路用性能和聚酯纖維對(duì)溫拌瀝青混合料最佳壓實(shí)溫度的影響研究不夠全面。

鑒于此，筆者通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，在舊料摻量為0%、30%和50%時(shí)，研究了聚酯纖維對(duì)WRMA性能的影響。采用Superpave試驗(yàn)方法和變溫壓實(shí)試驗(yàn)，以4.0%空隙率為控制指標(biāo)，采用0%和30%的舊料摻量，研究了聚酯纖維對(duì)溫拌瀝青混合料壓實(shí)溫度的影響，旨在為低溫地區(qū)WRMA實(shí)體工程提供有益技術(shù)指導(dǎo)。

1 原材料的技術(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)采用的RAP材料來(lái)自新疆某高速公路擴(kuò)建項(xiàng)目。新集料選用石灰?guī)r，為重慶某料場(chǎng)生產(chǎn)。纖維為聚酯纖維，新瀝青為90#。將RAP分為三檔料：10～15、5～10和0～5 mm。對(duì)三檔RAP做抽提試驗(yàn)，并檢測(cè)回收瀝青的性能和每檔料的級(jí)配，對(duì)應(yīng)油石比為3.26%、3.62%和4.53%。再生劑為HR-1325型再生劑，溫拌劑為Evotherm3G溫拌劑，分別為陜西省某技術(shù)研究中心和重慶某科技公司提供，具體技術(shù)指標(biāo)如表1～表5。

表1 聚酯纖維技術(shù)指標(biāo)Table 1 Polyester fiber technical indicators

表2 新舊瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 2 New and old asphalt technical indicators

表3 三檔RAP礦料級(jí)配Table 3 Third grade RAP mineral grade gradation

表5 Evotherm3G技術(shù)指標(biāo)Table 5 Evotherm3G technical indicators

2 試驗(yàn)方案

2.1 WRMA設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)過(guò)程中，Evotherm3G溫拌劑的摻配比例為瀝青質(zhì)量(包括舊料中老化瀝青)的0.7%，HR-1325再生劑摻量為10%[13]。為研究聚酯纖維對(duì)溫拌瀝青混合料、溫拌再生瀝青混合料以及大比例溫拌再生瀝青混合料路用性能的影響，將試驗(yàn)分為兩種方案。方案1:不添加纖維的溫拌瀝青混合料，記為WRMA-1，摻0%、30%、50%舊料的溫拌瀝青混合料分別記為0%WRMA-1、30%WRMA-1、50%WRMA-1。方案2：添加0.3%(與混合料質(zhì)量的比值)聚酯纖維的溫拌瀝青混合料，記為WRMA-2，摻0%、30%、50%舊料的溫拌瀝青混合料分別記為0%WRMA-2、30%WRMA-2、50%WRMA-2。由于聚酯纖維為良好吸油材質(zhì)，方案2油石比比方案1多0.3%[14]，方案1為4.1%，方案2為4.4%。

為減少級(jí)配對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，對(duì)0%WRMA、30%WRMA、50%WRMA和Superpave試驗(yàn)方法，均采用統(tǒng)一級(jí)配曲線(xiàn)，如表6。

表6 WRMA級(jí)配組成Table 6 WRMA grade composition

2.2 Superpave試驗(yàn)方法

對(duì)WRMA最佳壓實(shí)溫度試驗(yàn)，將采用Superpave試驗(yàn)方法，試件壓實(shí)器具采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀，旋轉(zhuǎn)速率為30 r/min，旋轉(zhuǎn)角度為1.16°±0.2°，壓力為0.6 MPa，設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)100次。為研究聚酯纖維對(duì)溫拌瀝青混合料和溫拌再生瀝青混合料壓實(shí)溫度的影響，采用0%WRMA和30%WRMA進(jìn)行試驗(yàn)研究。原材料在加熱以及拌和均勻后，均采用室內(nèi)溫箱加熱保溫，在擊實(shí)試驗(yàn)過(guò)程中，采用紅外線(xiàn)溫槍控制瀝青混合料溫度，溫差控制在±2 ℃，試驗(yàn)溫度如表7。

表7 Superpave試驗(yàn)溫度Table 7 Superpave test temperature ℃

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 WRMA路用性能研究

3.1.1 WRMA-1路用性能研究

摻量為0%、30%和50%的WRMA-1車(chē)轍試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表8。

由表8可知， 0%WRMA-1高低溫性能和水穩(wěn)定性均滿(mǎn)足規(guī)范要求。但30%WRMA-1低溫抗裂性、50%WRMA-1低溫抗裂性和水穩(wěn)定性均不滿(mǎn)足規(guī)范要求，即WRMA高溫穩(wěn)定性不影響RAP在溫拌再生實(shí)體工程中的摻配比例，但低溫抗裂性和水穩(wěn)定性是限制WRMA 舊料摻量的主要因素。由表8可知，RAP摻配比例對(duì)WRMA性能指標(biāo)影響顯著，若確保RAP在高摻量下滿(mǎn)足規(guī)范要求，需添加其他改性材料來(lái)綜合改善大比例WRMA各項(xiàng)路用性能指標(biāo)。

3.1.2 WRMA-2路用性能研究

摻量為0%、30%和50%的WRMA-2車(chē)轍試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表9。

表9 WRMA-2三大性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 9 WRMA-2 three performance indicators test results

由表8和表9可知：與不添加纖維相比，聚酯纖維的添加使0%WRMA-2、30%WRMA-2和50%WRMA-2的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了26.2%、53.8%和27.9%，最大彎拉應(yīng)變分別提高了12.6%、28.1%和27.2%，凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比分別提高了2.6%、2.7%和13.1%，即聚酯纖維能夠綜合改善WRMA路用性能。在RAP高摻量下(為50%)，聚酯纖維作用效果較為顯著，且均滿(mǎn)足規(guī)范要求。這是由于聚酯纖維對(duì)瀝青具有較強(qiáng)吸附作用，顯著提高了瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)瀝青的比例，改善了WRMA內(nèi)部的粘聚力和稠度，可以有效防止或減少水分對(duì)瀝青與集料界面之間的浸泡，從而提高大比例WRMA水穩(wěn)定性能。此外，聚酯纖維在瀝青混合料內(nèi)部能夠形成良好的銜接和加筋效果，構(gòu)成系統(tǒng)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在車(chē)輛荷載作用下，可防止或緩解大比例WRMA內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低骨料之間的“相對(duì)滑移”，即改善大比例WRMA高低溫性能。

對(duì)比WRMA-1和WRMA-2試驗(yàn)結(jié)果可知，聚酯纖維能夠有效改善WRMA路用性能，但由于聚酯纖維的添加顯著提高了大比例再生混合料粘稠度，使WRMA-2的“流動(dòng)性”降低。在低溫地區(qū)的實(shí)體工程，若不提高WRMA現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)溫度，將造成WRMA-2壓實(shí)效果不佳，空隙率偏大，即增加路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部承受凍脹應(yīng)力的損害。這種損害甚至抵消了聚酯纖維對(duì)WRMA水穩(wěn)定性的提高，促進(jìn)集料與瀝青之間的剝離[15]。因此，對(duì)添加聚酯纖維的溫拌再生實(shí)體工程，需研究聚酯纖維對(duì)WRMA最佳壓實(shí)溫度的影響。

3.2 WRMA變溫壓實(shí)試驗(yàn)研究

3.2.1 0%WRMA-1和0%WRMA-2變溫壓實(shí)試驗(yàn)

采用0%WRMA-1和0%WRMA-2來(lái)研究聚酯纖維對(duì)溫拌瀝青混合料壓實(shí)溫度的影響，具體結(jié)果如圖1。

圖1 0%WRMA變溫壓實(shí)試驗(yàn)Fig. 1 0%WRMA variable temperature compaction test

由圖1可知：0%WRMA-1和0%WRMA-2的空隙率隨壓實(shí)溫度的升高而逐漸降低。以4.0%的空隙率為控制指標(biāo)，0%WRMA-1和0%WRMA-2對(duì)應(yīng)的最佳壓實(shí)溫度分別為121 ℃和130 ℃，即添加聚酯纖維后，0%WRMA最佳壓實(shí)溫度提高了9 ℃。此外，在相同壓實(shí)溫度下，0%WRMA-2空隙率均大于0%WRMA-1，表明聚酯纖維對(duì)0%WRMA壓實(shí)溫度影響顯著。

在壓實(shí)溫度大于135 ℃時(shí)，兩種瀝青混合料空隙率基本一致，但在小于135 ℃時(shí)，兩者相差比較明顯，表明在相對(duì)高溫環(huán)境下(150 ℃左右)，聚酯纖維對(duì)0%WRMA空隙率影響不大，但在相對(duì)低溫環(huán)境下(120～135 ℃)，聚酯纖維影響顯著，即聚酯纖維增加了0%WRMA粘稠度，降低瀝青混合料“流動(dòng)性”。在相對(duì)低溫環(huán)境下(120～135 ℃)，聚酯纖維對(duì)0%WRMA壓實(shí)效果影響顯著，但在高溫環(huán)境下(150 ℃左右)，0%WRMA具有良好的“和易性”，能夠有效緩解聚酯纖維對(duì)溫拌瀝青混合料壓實(shí)的影響，改善0%WRMA壓實(shí)效果。

3.2.2 30%WRMA-1和30%WRMA-2變溫壓實(shí)試驗(yàn)

采用30%WRMA-1和30%WRMA-2來(lái)研究聚酯纖維對(duì)溫拌再生瀝青混合料壓實(shí)溫度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2。

由圖2可知：隨著壓實(shí)溫度的升高，30%WRMA-1和30%WRMA-2空隙率均逐漸降低。以4.0%的空隙率為控制指標(biāo)，30%WRMA-1和30%WRMA-2所對(duì)應(yīng)的最佳壓實(shí)溫度約為125 ℃和135 ℃，即聚酯纖維使30%WRMA最佳壓實(shí)溫度提高10 ℃。在相同壓實(shí)溫度下，30%WRMA-2空隙率均大于30%WRMA-1。這均表明聚酯纖維對(duì)30%WRMA最佳壓實(shí)溫度影響顯著。在壓實(shí)溫度為150 ℃和165 ℃時(shí)，與30%WRMA-1相比，30%WRMA-2空隙率提高了0.06，但在135 ℃時(shí)，空隙率提高了0.12，增加值為150 ℃和165 ℃的2倍，即在相對(duì)低溫環(huán)境下(120～135 ℃)，聚酯纖維對(duì)30%WRMA空隙率影響顯著，但在高溫環(huán)境下(150 ℃左右)，影響不大。

總之，聚酯纖維的添加，使0%WRMA和30%WRMA最佳壓實(shí)溫度分別提高了9 ℃和10 ℃，即聚酯纖維能夠顯著影響WRMA最佳壓實(shí)溫度，但在不同RAP摻量下(0%和30%)，聚酯纖維對(duì)溫拌瀝青混合料最佳壓實(shí)溫度的影響基本不變。

4 結(jié) 論

1)與不添加纖維相比，聚酯纖維使0%WRMA-2、30%WRMA-2和50%WRMA-2的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了26.2%、53.8%和27.9%，最大彎拉應(yīng)變分別提高了12.6%、28.1%和27.2%，凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比分別提高了2.6%、2.7%和13.1%，即聚酯纖維能綜合改善大比例WRMA路用性能。

2)與不添加纖維相比，聚酯纖維的添加使0%WRMA和30% WRMA的最佳壓實(shí)溫度分別提高了9 ℃和10 ℃，且在相同的壓實(shí)溫度下，WRMA-2空隙率均大于WRMA-1，即聚酯纖維對(duì)0%WRMA和30% WRMA最佳壓實(shí)溫度影響顯著。在不同RAP摻量下(0%和30%)，聚酯纖維對(duì)溫拌瀝青混合料最佳壓實(shí)溫度的影響基本不變。

3)在高溫環(huán)境下(150 ℃左右)，聚酯纖維對(duì)0%WRMA和30% WRMA空隙率影響不大，但在相對(duì)低溫環(huán)境下(120～135 ℃)，影響顯著。

4)對(duì)低溫地區(qū)的實(shí)體工程，需結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)效果，綜合確定聚酯纖維對(duì)WRMA最佳壓實(shí)溫度的影響。