王志剛

(內蒙古九泰龍路橋集團有限公司， 內蒙古 呼和浩特 010000)

摻加纖維的乳化瀝青冷再生混合料路用性能及機理分析

王志剛

(內蒙古九泰龍路橋集團有限公司， 內蒙古 呼和浩特 010000)

隨著乳化瀝青冷再生混合料逐漸在高等級公路高層位路面結構的應用，其抗裂性和抗疲勞耐久性需要引起高度的重視，基于加速加載、SCB、間接拉伸疲勞試驗研究了纖維乳化瀝青冷再生混合料的抗裂性和抗剪切變形能力，同時基于掃描電鏡試驗分析了聚酯纖維改性乳化瀝青混合料破壞界面細微觀形貌，揭示了纖維對乳化瀝青冷再生混合料的路用性能的影響機理，推薦了乳化瀝青冷再生混合料適宜的聚酯纖維摻量為2%～3%。

路面工程； 乳化瀝青冷再生； 聚酯纖維； 路用性能； 機理分析

0 引言

隨著全球環(huán)境問題的日益凸顯，低碳經(jīng)濟已成為人類發(fā)展的關注焦點，而交通領域的節(jié)能減排成為低碳經(jīng)濟的重點，瀝青路面廢舊材料再生利用技術的推廣應用具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。乳化瀝青冷再生技術是指將瀝青路面經(jīng)過銑刨、翻挖、回收、破碎和篩分后，加入一定比例的乳化瀝青、新集料(如需要)和水，經(jīng)過拌和、攤鋪和碾壓等工藝，形成滿足一定性能要求的路面結構層的一種路面養(yǎng)護維修技術[2],其具有便捷節(jié)能、環(huán)保高質、高效低價 、舊料利用率高、使用壽命長等多項技術優(yōu)勢[3-6]。隨著我國公路養(yǎng)護所面臨的新形勢與挑戰(zhàn)，以及我國公路建設、養(yǎng)護中的環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展問題的日益凸顯，在我國推廣應用瀝青路面冷再生技術已勢在必行。

目前國內外已經(jīng)開展了大量乳化瀝青冷再生混合料適用性、疲勞耐久性、力學性能、配合比設計方法等研究[4-10]，也鋪筑了大量實體工程，但已有研究僅限于乳化瀝青冷再生混合料作為路面基層或低等級公路下面層使用方面，隨著材料、技術、設備和工藝的不斷發(fā)展，乳化瀝青冷再生混合料逐漸被應用于高等級公路或城市主干線公路，且嘗試將冷再生層位逐漸提高至中下面層，陜西、云南等地工程實踐證明[3-6]，將乳化瀝青冷再生用于高速公路下面層仍需要克服其低溫抗裂性能差、水穩(wěn)定性不足、易松散以及疲勞耐久性等技術難題，為了實現(xiàn)將乳化瀝青冷再生混合料用于高等級公路高層位路面結構這一目標，需要對冷再生混合料提出更高的技術要求，其綜合路用性能也有待進一步提升。目前已提出了一些乳化瀝青冷再生混合料的抗裂性和耐久性設計方法[4,7,9]，但大多數(shù)未充分重視通過摻加纖維等外加劑對混合料抗裂性和高溫穩(wěn)定性進行改善，且缺乏混合料抗裂性評價方法，同時沒有解釋乳化瀝青冷再生混合料的強度形成機理，本文提出采用纖維來改善乳化瀝青冷再生混合料的抗裂性，并基于室內加速加載試驗和掃描電鏡試驗系統(tǒng)研究了纖維乳化瀝青冷再生混合料的耐久性，研究結果可提供一種改善乳化瀝青冷再生混合料性能的研究思路與技術手段，為纖維乳化瀝青冷再生在我國的推廣應用提供理論支撐與實踐指導。

1 摻加纖維的乳化瀝青冷再生混合料材料組成設計

本文研究中采用的RAP料來源于陜西某高速公路瀝青面層銑刨料，試驗所用舊料分為3檔，即公稱粒徑大于12、5～12 mm和小于5 mm；新集料為公稱粒徑10～30 mm 的石灰?guī)r碎石；制備乳化瀝青采用的基質瀝青為SK 90#，乳化劑型號為8005+w5；試驗選用普通P032.5普通硅酸鹽水泥，用量為1.5%。根據(jù)原材料篩分結果確定RAP摻量為80%，混合料合成級配滿足中粒式級配范圍[2]，合成級配曲線如表1所示，將乳化瀝青和水按1∶1的比例組成流體，添加比例分別為5%，6%，7%，8%，9%，通過重型擊實試驗確定最佳流體含量；各纖維摻量下根據(jù)重型擊石試驗確定的最佳流體含量，保持最佳流體含量不變，每個纖維摻量下變化2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%共5組乳化瀝青用量，混合料拌合時首先將水泥和集料一起干拌60 s，加入預定水量拌合60 s，將纖維在乳化瀝青中浸潤后一起加入混合料中拌合90 s，按照JTGF41 — 2008“50+25”成型馬歇爾試件，60 ℃養(yǎng)生48 h后通過干、濕劈裂強度(ITS)峰值確定最佳乳化瀝青用量見表2。

表2試驗結果表明:隨著聚酯纖維摻量的增大，混合料最佳乳化瀝青用量和最佳拌合用水量均增大，這與聚酯纖維的吸油性密切相關[11]。此外，增大聚酯纖維摻量，混合料最佳乳化瀝青用量下的干、濕劈裂強度和干濕劈裂強度比呈先增大后減小的變化趨勢，大約再2%～3%纖維摻量處混合料劈裂強度出現(xiàn)峰值。

表1 乳化瀝青冷再生混合料合成級配Table1 Emulsifiedasphaltcoldrecycledmixturesyntheticgrading篩孔尺寸/mm通過百分率/%工程級配范圍26．51001001910090～1009．575．760～804．7546．935～652．3623．420～500．311．23～210．0754．72～8

表2 不同聚酯纖維摻量乳化瀝青冷再生混合料配合比設計結果Table2 Emulsifiedasphaltcoldrecycledmixturedesignresultswithdifferentpolyesterfibercontent聚酯纖維摻量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳流體含量/%最佳乳化瀝青用量/%02．1866．34．112．1846．64．322．1807．14．432．1837．84．642．1798．24．4拌合用水量/%濕ITS/MPa干ITS/MPaTSR/%2．20．7920．87190．92．30．8330．88594．12．70．8620．89796．13．20．8280．90591．53．80．8190．90490．6

2 纖維乳化瀝青冷再生混合料路用性能

2.1 基于加速加載試驗纖維乳化瀝青冷再生混合料高溫穩(wěn)定性

本文采用南非生產(chǎn)的MMLS3小型加速加載設備對纖維乳化瀝青冷再生混合料的高溫性能進行研究，利用小型加速加載設備對不同纖維摻量的混合料進行加速加載，在室內模擬實際路面結構，從而間接評價出實際路面的優(yōu)劣。MMLS3設備屬于最新一代的加速加載設備，其具有體積小、加載速度快、移動方便等優(yōu)點，可用于實驗室，也可用于路面現(xiàn)場。MMLS3設備室內試驗可分為路面結構模擬裝置和試驗槽裝置大類，后者所用的試件為實驗室制備或者由路面直接取芯的大馬歇爾試件加工而成，試驗時試驗槽可以控制干濕狀態(tài)以及溫度，通過對試件進行加速加載試驗來評價試樣的性能。參考已有研究成果[12]，本文加速加載試驗試件制備及試驗條件如下： ①在最佳乳化瀝青用量下成型直徑152.4 mm，高度95.3 mm大型馬歇爾試件，取馬歇爾試件中間5 cm部分按加速加載試模尺寸切割試件； ②試驗溫度為60 ℃，試驗軸載為0.7 MPa，加載速率為6 000次·h-1(相當于實際車速7.2 km/h)。

MMLS3加速加載設備可測試并記錄不同加載次數(shù)時各試件的車轍深度，進而得到各試件車轍深度隨軸載次數(shù)的變化規(guī)律，從而間接評價出纖維乳化瀝青冷再生混合料在長期荷載作用下的高溫抗永久變形能力，試驗結果見圖1。

圖1 加速加載試驗結果Figure 1 MMLS3 accelerated loading test results

由加速加載試驗結果可知: ①混合料試件車轍變形量隨加載次數(shù)的變化規(guī)律可明顯分為3個階段，即:壓密階段、固結蠕變階段、剪切失穩(wěn)階段(見圖2)，這與已有研究成果相吻合，其中壓密階段車轍深度占試件剪切失穩(wěn)破壞時車轍深度的60%； ②相同加載次數(shù)時，加聚酯纖維之后試件車轍深度相比于不摻加聚酯纖維的試件明顯降低，且聚酯纖維摻量越大，車轍深度越小； ③聚酯纖維摻量在2%以下時，不同聚酯纖維摻量試件之間的車轍深度隨加載次數(shù)的變化比較大，對比發(fā)現(xiàn)，當聚酯纖維摻量為4%時，在加載次數(shù)達到80萬次時，其車轍深度最小，另外試件隆起高度的試驗結果也有類似結果，表明聚酯纖維摻量為4%的乳化瀝青冷再生混合料其抗車轍性能最優(yōu)； ④以試件由固結蠕變階段轉變?yōu)榧羟惺Х€(wěn)階段階段的加載次數(shù)定義乳化瀝青冷再生混合料疲勞壽命，0、1、2、3、4聚酯纖維摻量條件下混合料疲勞壽命依次為35萬、42萬、52萬、60萬、60萬次，可見摻加3%聚酯纖維可使乳化瀝青冷再生混合料高溫條件下的抗疲勞性能提高71%。

圖2 車轍形成三階段示意圖Figure 2 Rut formation three phase diagram

綜合試驗結果表明：摻加聚酯纖維乳化瀝青冷再生混合料的高溫性能會大幅度提高，且聚酯纖維摻量越大，混合料高溫穩(wěn)定性越好。因為纖維分散在混合料中，纖維格柵的生成，加筋作用增加了乳化瀝青膠漿在特定溫度下流動而產(chǎn)生內摩阻力[13-15]，由于纖維的吸附穩(wěn)定作用而乳化瀝青在粗集料表面滯留時間提高，這樣就會使粗集料表面破乳成膜的瀝青膜厚度提高，有效提高了對集料的粘結作用，混合料整體性提高，可以使其高溫抗剪切變形能力顯著增強。

2.2 低溫抗裂性

隨著作為高速公路下面層的使用越來越多，乳化瀝青冷再生混合料的低溫抗裂性逐漸成為道路工作者關注的熱點問題?，F(xiàn)場鉆芯調查結果表明，使用乳化瀝青冷再生混合料雖延緩了半剛性基層反射裂縫的發(fā)生，但低溫開裂仍是乳化瀝青冷再生瀝青混合料早期破壞的主要形式之一，低溫抗裂性能不足嚴重影響了乳化瀝青冷再生混合料的使用壽命。室內試驗發(fā)現(xiàn)，乳化瀝青冷再生混合料制成小梁試件比較困難，且低溫小梁制作復雜，試驗數(shù)據(jù)離散性大(主要由于乳化瀝青冷再生混合料抗松散性能差，切割的小梁試件不完整，存在掉粒等問題)，本文以低溫SCB試驗評價聚酯纖維乳化瀝青混合料的低溫抗裂性。借鑒相關研究成果，將不同聚酯纖維摻量的混合料成型為Φ152.4 mm，高95.3 mm大馬歇爾試件，60 ℃養(yǎng)生48 h，并采用具有較高切割精度的芬蘭產(chǎn)雙面鋸取馬歇爾試件中部50 mm厚的圓形試件，再將其從中間對稱打開，即制得半圓彎曲試件。試驗前將試件放在-10 ℃恒溫環(huán)境箱中中保溫不少于4 h，試驗時采用單點加載方式，支點間距為SCB試件直徑的0.8倍，即S=0.8D，加載速率為0.5 mm/min，記錄破壞荷載和破壞應變，計算公式見式(1)～式(3)，以抗彎拉強度、彎拉勁度模量和抗彎拉應變能來評價聚酯纖維乳化瀝青冷再生混合料的低溫抗裂性能，試驗結果如表3所示。

(1)

(2)

(3)

式中，σmax為抗拉強度，MPa；Fmax為最大荷載，N；D為試件直徑，mm；t為試件厚度，mm。

表3 不同聚酯纖維摻量乳化瀝青冷再生混合料低溫SCB驗結果Table3 EmulsifiedasphaltcoldrecycledmixtureSCBresultswithdifferentpolyesterfibercontent聚酯纖維摻量/%平行試件個數(shù)/個抗彎拉強度/MPa破壞應變/με勁度模量/MPa破壞應變能/(kJ·m-3)061．9331448．21334．760．27738162．8291718．781645．930．29577263．0762193．421402．380．30894363．1902495．691278．200．31661462．9692203．271357．420．22422

表3試驗結果表明:摻加聚酯纖維后乳化瀝青冷再生混合料破壞應變、單位體積破壞應變能增幅較大，勁度模量降低，混合料小梁試件柔性增強，低溫抗裂性顯著提高，且隨著聚酯纖維摻量的增加混合料抗彎拉強度、最大彎拉應變、破壞應變能均呈先增大后減小的變化趨勢，2%～3%聚酯纖維摻量時混合料抗裂性能最佳；比較不同聚酯纖維摻量下SCB試驗破壞應變試驗數(shù)據(jù)的變異系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，SCB試驗誤差可控，數(shù)據(jù)離散性小，此外SCB試驗意義明確，可作為乳化瀝青冷再生混合料低溫抗裂性的評價方法，可采用單位體積破壞能作為評價指標。分析聚酯纖維摻量對乳化瀝青冷再生混合料低溫抗裂性的影響，當加入的纖維摻量不大時聚酯纖維在改性瀝青混合料中分散均勻，通過縱橫交錯的纖維加筋、吸附穩(wěn)定作用，使混合料的整體強度得到增強，當進一步增加纖維摻量，混合料的低溫抗裂性得到了進一步增強，并且彎曲勁度模量達到了最小值，此時聚酯纖維的改性作用達到最佳，超過最佳纖維摻量后聚酯纖維在混合料中的分散均勻性下降，沒有分散開的纖維結團反而在混合料中形成薄弱界面[15,16]，在荷載作用下薄弱面易產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，導致混合料強度下降。

2.3 間接拉伸疲勞試驗

采用傳統(tǒng)的疲勞理論方法通過室內馬歇爾試件的間接拉伸疲勞試驗建立疲勞曲線表征聚酯纖維乳化瀝青冷再生混合料的疲勞特性。馬歇爾試件的制備、養(yǎng)生嚴格按照《公路瀝青路面再生技術規(guī)范》(JTGF 41 — 2008)執(zhí)行，疲勞試驗溫度為15 ℃，正弦波加載頻率為10 Hz，為了加快試驗進度正弦波之間不插入間歇時間。加載模式為控制應力方式(控制應力的疲勞試驗就是在重復加載的疲勞試驗過程中，保持應力不變，以試件的疲勞斷裂作為疲勞破壞的準則，達到疲勞破壞的荷載作用次數(shù)為疲勞壽命)，這種加載方式下的疲勞壽命如公式(4)所示(式中Nf為達到破壞時的重復荷載作用次數(shù)，σ0為初始的彎拉應力MPa，K和n為試驗回歸系數(shù))，間接拉伸疲勞試驗結果如圖3所示。

(4)

圖3 纖維乳化瀝青冷再生混合料間接拉伸疲勞試驗結果Figure 3 fiber emulsified asphalt cold recycled mixture indirecttensile fatigue test results

圖3間接拉伸疲勞試驗結果表明，聚酯纖維乳化瀝青冷再生混合料的疲勞雙對數(shù)擬合曲線截距K值隨聚酯纖維摻量的增大呈先增大后減小的變化趨勢，n值呈先減小后增大的變化趨勢，疲勞曲線的線位越高，n值越大，混合料疲勞曲線越陡，表明混合料的疲勞壽命對應力水平的變化越敏感，抵抗疲勞破壞的能力越差，由此可知:摻加纖維后混合料抗疲勞性能提高，且3%纖維摻量下乳化瀝青冷再生混合料抗疲勞開裂性能最好，相同應力水平下，3%聚酯纖維可使乳化瀝青混合料的疲勞壽命提高為原來的2倍。

3 聚酯纖維改性乳化瀝青混合料破壞界面 細微觀形貌分析

本文研究采用場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)試驗儀器采集到的圖像，來觀察冷再生混合料受到外力作用時纖維所起的承載作用，從而分析纖維增強瀝青混合料性能的機理對劈裂破壞界面的乳化瀝青砂漿進行掃面電鏡試驗，進一步揭示聚酯纖維對乳化瀝青冷再生混合料抗裂性和抗疲勞性能的影響機理。

圖4為不摻加聚酯纖維掃描電鏡圖像，可以看到乳化瀝青蒸發(fā)殘留物在結構中為連續(xù)相分布，瀝青相的宏觀結構為空間膜袋網(wǎng)，膜袋間不連通，多呈蜂窩狀分布，其中水泥石被分割為非連續(xù)相，膜袋形狀無規(guī)則可言，膜壁薄厚不均，相鄰膜袋中的水泥石在空間上犬牙交錯，呈無序組合狀態(tài)。

圖4 乳化瀝青冷再生劈裂破壞界面(不摻加聚酯纖維)

由圖5可見:2%纖維摻量下，聚酯纖維在乳化瀝青混合料內部局部形成貫穿結構，纖維分散到瀝青中，其巨大的比表面積成為瀝青浸潤的界面，在此界面上纖維以其較好的吸油性，充分吸持瀝青，形成一個新生的，具有一定厚度的界面層， 纖維—乳化瀝青界面連接了纖維相與瀝青相，傳遞并緩沖兩相間的力，其結構和性能對復合材料的物理力學性能起著重要的作用；此外，纖維加入到乳化瀝青冷再生混合料后，纖維質地柔韌，經(jīng)攪拌均勻后在瀝青基體中相互搭接，形成一個連續(xù)的橋接加筋網(wǎng)，對網(wǎng)孔范圍內的瀝青混合料可以起到一種“箍鎖”作用[17]，克服乳化瀝青冷再生混合料中顆粒間的錯位與移動，并且當因荷載作用而出現(xiàn)裂紋延伸至加筋網(wǎng)時，加筋網(wǎng)則變成一種隔離層，把受損區(qū)域進行隔離，使裂紋的變形受到約束，阻礙了裂紋的繼續(xù)發(fā)展，因纖維自身具備較好的柔韌性，加筋網(wǎng)可以承受來自橫向與縱向的推擠力和拉力，外力荷載作用時，加筋網(wǎng)的“箍鎖”和隔離功能可以大幅減小應力集中，阻止反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，增強瀝青路面的高溫抗車轍性能，并同時增加瀝青路面的整體性和剛度；再者，由于聚酯纖維的比表面積較大，在乳化瀝青冷再生混合料基體中容易形成大量的過渡層，在荷載的作用下，這些過渡層有效地傳遞和消散瀝青混凝土的內應力，使得瀝青混凝土的低溫變形性能和抗疲勞性能得到提高。纖維具有很好的親油性，纖維加入冷再生混合料后，可以很快地把瀝青吸持住，使瀝青得到浸潤，在外力作用下，纖維內部的空隙對自由瀝青起到緩沖作用，使混合料內部的瀝青油膜處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，從而降低高溫下瀝青混合料的塑性流動性。

圖5 2%聚酯纖維乳化瀝青冷再生混合料劈裂破壞界面

圖6、圖7分別為3%、4%纖維摻量下劈裂破壞界面掃描圖像，由此可見聚酯纖維貫穿于乳化瀝青砂漿中，在發(fā)揮加筋作用的同時，由纖維分散不均勻，局部纖維聚集形成易于破壞的薄弱界面，以此判斷，纖維摻量不宜過大，纖維要發(fā)充分揮其加筋、錨固作用的必要條件是有足夠的纖維數(shù)量能夠形成加筋網(wǎng)，且能夠在混合料中均勻分散。

圖6 3%聚酯纖維乳化瀝青冷再生混合料劈裂破壞界面

圖7 4%聚酯纖維乳化瀝青冷再生混合料劈裂破壞界面

4 結論

① 相同加載次數(shù)時，加聚酯纖維之后試件車轍深度相比于不摻加聚酯纖維的試件明顯降低，且聚酯纖維摻量越大，車轍深度越小，摻加3%聚酯纖維可使乳化瀝青冷再生混合料高溫條件下的抗疲勞性能提高71%。

② 摻加聚酯纖維后乳化瀝青冷再生混合料破壞應變、單位體積破壞應變能增幅較大，勁度模量降低，混合料小梁試件柔性增強，低溫抗裂性顯著提高，SCB試驗誤差可控，數(shù)據(jù)離散性小，此外SCB試驗意義明確，可作為乳化瀝青冷再生混合料低溫抗裂性的評價方法。

③ 摻加纖維后乳化瀝青混合料抗疲勞性能提高，3%聚酯纖維可使乳化瀝青混合料的疲勞壽命提高為原來的2倍。

④ 聚酯纖維在乳化瀝青混合料內部局部形成貫穿結構，纖維—乳化瀝青界面連接了纖維相與瀝青相，傳遞并緩沖兩相間的內應力，聚酯纖維通過界面增強作用和加筋阻裂作用提高了混合料整體性，改善了乳化瀝青冷再生混合料的柔性。

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Fiber Emulsified Asphalt Cold Recycled Mixture Road Performance and Mechanism Analysis

WANG zhigang

(Inner Mongolia Jiutailong Road and Bridge Group Co., Ltd, Huhehot, Inner Mongolia 010000, china)

As the emulsified asphalt cold recycled mixture gradually use in senior high grade highway pavement structure, the crack resistance and fatigue durability of emulsified asphalt cold recycled mixture need more attention, based on the acceleration load, SCB, indirect tensile fatigue test to study the crack resistance and the ability to resist shear deformation of fiber emulsified asphalt cold recycled mixture, based on the analysis of scanning electron microscopy (SEM) test at the same time the polyester fiber modified emulsified asphalt mixture damage interface fine microstructure, reveals that the fiber of emulsified asphalt cold recycled mixture of performance, the influence mechanism, and recommended emulsified asphalt cold recycled mixture is suitable for polyester fiber dosage is 2 % to 3 %.

road engineering； road engineering; emulsified asphalt cold recycled mixture； polyester fiber； road performance； mechanism analysis

2015 — 06 — 11

國家自然科學基金項目(51378352)

王志剛(1975 — )，男，內蒙古錫林浩特人，工程師，從事路橋施工管理工作。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0262 — 05