馬仁凱

（北京城建道橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100025）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施體系不斷完善，形成了大規(guī)模公路網(wǎng)，帶動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，且瀝青路面結(jié)構(gòu)在公路中占比較高。路面在使用過(guò)程中，交通、環(huán)境的綜合影響會(huì)導(dǎo)致路面功能性衰減，引發(fā)瀝青路面病害，影響駕乘人員的行車舒適性，亟須采用路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)改善路面使用性能。瀝青路面養(yǎng)護(hù)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的瀝青混合料回收料（Reclaimed asphalt pavement，RAP），從節(jié)能環(huán)保的角度需要有效利用RAP減少路面養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的能耗與碳排放[1-2]。瀝青路面再生技術(shù)可以有效地利用RAP，所生產(chǎn)的再生瀝青混合料具有良好的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益[3-4]。然而，再生瀝青混合料常面臨水穩(wěn)定性不足、抗裂性較差等風(fēng)險(xiǎn)。為改善再生瀝青混合料性能，Wu等[5]試驗(yàn)研究了不同石棉纖維、玄武巖纖維含量的瀝青混合料性能，發(fā)現(xiàn)纖維可改善瀝青混合料的性能。Fazaeli等[6]研究發(fā)現(xiàn)聚酯纖維可改善瀝青混合料的抗裂能力且有利于拌合料攤鋪工作。朱朝輝[7]系統(tǒng)研究了纖維作用下的瀝青混合料性能變化趨勢(shì)，說(shuō)明了纖維的增強(qiáng)機(jī)理。王瑛等[8]依托廣東某公路改建項(xiàng)目，分析了聚酯纖維、再生劑、RAP 摻量三個(gè)因素與再生瀝青混合料性能的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)纖維摻量對(duì)高溫性能最敏感，其次是RAP摻量，再生劑影響最小。

綜上，現(xiàn)有研究在纖維對(duì)瀝青混合料及再生瀝青混合料性能方面研究較多，但是對(duì)纖維在影響瀝青性能方面的研究較少。為此，為研究纖維對(duì)再生瀝青性能的影響，本研究設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)分析了纖維摻量、老化瀝青含量、瀝青老化程度對(duì)再生瀝青性能的影響，并采用極差、方差分析法判斷纖維對(duì)再生瀝青性能的影響程度。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料測(cè)試

試驗(yàn)采用的原材料主要包括SBS改性瀝青、纖維。SBS改性瀝青的基本性能見(jiàn)表1。纖維為聚酯纖維，屬于合成纖維，在紡織領(lǐng)域有很廣泛的用途，有著較好的耐酸堿性、優(yōu)良的強(qiáng)度及彈性復(fù)原性質(zhì)。經(jīng)過(guò)工業(yè)處理后的聚酯纖維作為添加劑加到瀝青混合料中，和瀝青混合料構(gòu)造了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，有效改善了瀝青混合料在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定作用和在低溫環(huán)境下延緩出現(xiàn)裂縫能力，基本性能見(jiàn)表2。再生劑為RA-102型再生劑，25℃下密度為0.96 g/cm3，20℃下黏度為 0.6～0.8 Pa·s。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.1 SBS modified asphalt technical indicators

表2 聚酯纖維技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Polyester fiber technical specifications

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

再生瀝青指標(biāo)受瀝青老化程度、老化瀝青含量等因素的綜合影響。為研究纖維對(duì)再生瀝青性能的影響，設(shè)計(jì)了如表3所示的試驗(yàn)因素水平，其中，老化瀝青含量（A）、纖維摻量（B）的單位為再生瀝青質(zhì)量比，瀝青老化程度（C）以針入度指標(biāo)為界限劃分不同老化程度的瀝青。結(jié)合正交試驗(yàn)研究不同老化瀝青含量（A）、老化程度（C）的再生瀝青受纖維摻量（B）影響下的性能變化規(guī)律，試驗(yàn)方案見(jiàn)表4。

表3 試驗(yàn)因素水平Tab.3 Experimental factor levels

表4 試驗(yàn)方案Tab.4 Test scheme

采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱制備不同老化程度的SBS改性瀝青，控制空氣壓縮機(jī)流量為4 000 mL/min，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速15 r/min，烘箱溫度185℃。利用不同的針入度值對(duì)應(yīng)瀝青不同的老化程度，在該條件下SBS改性瀝青老化程度與制備時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系見(jiàn)表5。

表5 SBS改性瀝青老化程度與老化時(shí)間關(guān)系Tab.5 Relationship between aging degree and aging time of SBS modified asphalt

將制備好的老化瀝青按照表4方案分別制備含纖維的再生瀝青，其中再生劑用量為老化瀝青質(zhì)量的4%。采用DF-1017集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，控制轉(zhuǎn)速在1 500 r/min，控制溫度在150 ℃拌和纖維瀝青。將拌和好的纖維瀝青攤鋪在玻璃板上，未發(fā)現(xiàn)明顯成團(tuán)現(xiàn)象，說(shuō)明在該條件下拌和纖維瀝青基本能達(dá)到預(yù)期效果。

1.3 試驗(yàn)方法

采用25℃針入度、軟化點(diǎn)、15℃延度指標(biāo)評(píng)價(jià)含纖維的再生瀝青性能。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20—2011）中步驟分別進(jìn)行再生瀝青的25℃針入度、軟化點(diǎn)、15℃延度試驗(yàn)。

2 結(jié)果分析與討論

根據(jù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，分別測(cè)試再生瀝青的25℃針入度、軟化點(diǎn)、15℃延度，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test results

2.1 極差分析

根據(jù)極差分析的結(jié)果來(lái)判斷各個(gè)因素在不同水平下對(duì)瀝青基本性能的影響程度，因素極差越大，說(shuō)明該因素的影響越大，反之影響越小。試驗(yàn)結(jié)果的極差分析結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 極差分析結(jié)果Tab.7 Range analysis results

表7結(jié)果表明，三種因素對(duì)針入度的影響程度從高到低為：老化瀝青比例（A）＞纖維摻量（B）＞老化瀝青程度（C），使得針入度達(dá)到最小的最優(yōu)組合條件是老化瀝青比例50%、纖維摻量6%、老化瀝青程度10～20。老化瀝青比例是影響纖維瀝青針入度指標(biāo)的主要因素，隨著老化瀝青比例的增加，纖維瀝青的針入度明顯減小，老化瀝青比例為 50%時(shí)針入度最小，其中聚酯纖維瀝青較0和30%老化瀝青比例的針入度降低了45.1%、13.9%。三種因素對(duì)軟化點(diǎn)的影響程度從高到低為：纖維摻量（B）＞老化瀝青比例（A）＞老化瀝青程度（C），使得軟化點(diǎn)達(dá)到最大的最優(yōu)組合條件是纖維摻量6%、老化瀝青比例50%、老化瀝青程度10～20。纖維摻量是影響纖維瀝青軟化點(diǎn)指標(biāo)的主要因素，纖維摻量所占分量越大，纖維瀝青的軟化點(diǎn)呈增大態(tài)勢(shì)，纖維摻量為6%時(shí)軟化點(diǎn)最大，其中聚酯纖維瀝青較0和3%摻量的軟化點(diǎn)增加了17.2%、7.5%，這是因?yàn)槔w維交錯(cuò)于瀝青形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。三種因素對(duì)延度的影響程度順序從高到低為：老化瀝青比例（A）＞纖維摻量（B）＞老化瀝青程度（C），使得延度達(dá)到最小的最優(yōu)組合條件是老化瀝青比例50%、纖維摻量6%、老化瀝青程度10～20。老化瀝青比例是影響纖維瀝青延度指標(biāo)的主要因素，老化瀝青所占分量越大，纖維瀝青的延度越小，老化瀝青比例為50%時(shí)延度最小，其中聚酯纖維瀝青較0和30%比例的延度跌落了87.6%、68.6%。

綜上，極差分析結(jié)果表明老化瀝青含量、纖維摻量和老化瀝青程度對(duì)瀝青性能均有不同程度的影響，其中老化瀝青比例對(duì)瀝青25℃針入度、15℃延度性能影響較大，纖維摻量對(duì)瀝青軟化點(diǎn)性能影響顯著。

2.2 纖維對(duì)再生瀝青性能影響

上述研究表明，纖維對(duì)再生瀝青的性能有影響。為研究纖維對(duì)再生瀝青的影響程度，以30%老化瀝青含量，老化程度為20～30（0.1 mm）制備的再生瀝青為例，將不同纖維摻量與再生瀝青混合并充分?jǐn)嚢?，測(cè)試再生瀝青的性能指標(biāo)，分析纖維摻量對(duì)瀝青性能影響的變化趨勢(shì)。不同纖維摻量的瀝青25℃針入度、軟化點(diǎn)、15℃延度變化趨勢(shì)如圖1～圖3所示。

圖1 纖維摻量與針入度關(guān)系Fig.1 Relationship between fiber content and penetration

圖2 纖維摻量與軟化點(diǎn)關(guān)系Fig.2 Relationship between fiber content and softening point

圖3 纖維摻量與延度關(guān)系Fig.3 Relationship between fiber content and ductility

由圖1可見(jiàn)，瀝青的針入度隨纖維摻量的增加呈下降的趨勢(shì)。此外，2%纖維摻量是針入度衰減幅度變化的關(guān)鍵摻量，單位纖維摻量情況下瀝青25℃針入度在0～2%纖維摻量時(shí)的衰減量為0.36 mm，而2%～6%纖維摻量時(shí)的衰減量為0.18 mm。由圖2可見(jiàn)，瀝青軟化點(diǎn)指標(biāo)隨纖維摻量的增加而增加，單位纖維摻量情況下的瀝青軟化點(diǎn)在0～2%纖維摻量時(shí)的增幅為3.7℃，2%～6%纖維摻量時(shí)的增幅為2.7℃，2%纖維摻量是瀝青軟化點(diǎn)增幅變化的關(guān)鍵摻量。由圖3可見(jiàn)，瀝青15℃延度指標(biāo)隨纖維摻量的增加而降低，單位纖維摻量情況下的瀝青15℃延度在0～2%纖維摻量時(shí)的降幅為5.75 mm，2%～6%纖維摻量時(shí)的降幅為2.65 mm，2%纖維摻量是瀝青15℃延度降幅變化的關(guān)鍵摻量。

綜上，2%纖維摻量是影響瀝青性能變化的關(guān)鍵摻量。瀝青性能的變化主要是因?yàn)槔w維經(jīng)過(guò)攪拌均勻分散于瀝青，使得含有纖維的瀝青在進(jìn)行25℃針入度、軟化點(diǎn)、15℃延度試驗(yàn)時(shí)，受纖維影響，含纖維的瀝青阻礙針入度探針進(jìn)入瀝青，導(dǎo)致針入度降低。在進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)時(shí)，纖維在瀝青內(nèi)部形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻礙了軟化點(diǎn)鋼球的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致軟化點(diǎn)升高[9]。在進(jìn)行延度試驗(yàn)時(shí)，纖維在瀝青內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有效約束了瀝青的變形，導(dǎo)致延度降低。此外，當(dāng)纖維用量較低時(shí)，纖維在瀝青中分布較為均勻，可以顯著改善瀝青性能。然而，纖維摻量較高時(shí)，纖維在瀝青中趨于飽和，對(duì)瀝青改善效果將降低。因此，可通過(guò)摻加一定含量的纖維來(lái)改善瀝青及瀝青混合料性能，間接保障再生瀝青混合料的生產(chǎn)施工質(zhì)量。

3 結(jié)論

（1）再生瀝青的軟化點(diǎn)受纖維摻量的影響最大，而25℃針入度、15℃延度受老化瀝青含量影響最大。

（2）再生瀝青的25℃針入度、15℃延度隨纖維摻量的增加而逐漸降低，軟化點(diǎn)則反之。

（3）2%纖維摻量是影響再生瀝青性能顯著變化的關(guān)鍵摻量。