冷再生乳化沥青生产材料（掺加纤维的乳化沥青冷再生混合料路用性能及机理分析）

文章来源：微信公众号“沥青路面”

［摘要］随着乳化沥青冷再生混合料逐渐在高等级公路高层位路面结构的应用，其抗裂性和抗疲劳耐久性需要引起高度的重视，基于加速加载、SCB、间接拉伸疲劳试验研究了纤维乳化沥青冷再生混合料的抗裂性和抗剪切变形能力，同时基于扫描电镜试验分析了聚酯纤维改性乳化沥青混合料破坏界面细微观形貌，揭示了纤维对乳化沥青冷再生混合料的路用性能的影响机理，推荐了乳化沥青冷再生混合料适宜的聚酯纤维掺量为2‰~3‰。

［关键词］路面工程;乳化沥青冷再生;聚酯纤维;路用性能;机理分析

引言

随着全球环境问题的日益凸显，低碳经济已成为人类发展的关注焦点，而交通领域的节能减排成为低碳经济的重点，沥青路面废旧材料再生利用技术的推广应用具有重要的战略意义。乳化沥青冷再生技术是指将沥青路面经过铣刨、翻挖、回收、破碎和筛分后，加入一定比例的乳化沥青、新集料(如需要)和水，经过拌和、摊铺和碾压等工艺，形成满足一定性能要求的路面结构层的一种路面养护维修技术，其具有便捷节能、环保高质、高效低价、旧料利用率高、使用寿命长等多项技术优势。随着我国公路养护所面临的新形势与挑战，以及我国公路建设、养护中的环境保护与可持续发展问题的日益凸显，在我国推广应用沥青路面冷再生技术已势在必行。目前国内外已经开展了大量乳化沥青冷再生混合料适用性、疲劳耐久性、力学性能、配合比设计方法等研究，也铺筑了大量实体工程，但已有研究仅限于乳化沥青冷再生混合料作为路面基层或低等级公路下面层使用方面，随着材料、技术、设备和工艺的不断发展，乳化沥青冷再生混合料逐渐被应用于高等级公路或城市主干线公路，且尝试将冷再生层位逐渐提高至中下面层，陕西、云南等地工程实践证明，将乳化沥青冷再生用于高速公路下面层仍需要克服其低温抗裂性能差、水稳定性不足、易松散以及疲劳耐久性等技术难题，为了实现将乳化沥青冷再生混合料用于高等级公路高层位路面结构这一目标，需要对冷再生混合料提出更高的技术要求，其综合路用性能也有待进一步提升。

目前已提出了一些乳化沥青冷再生混合料的抗裂性和耐久性设计方法，但大多数未充分重视通过掺加纤维等外加剂对混合料抗裂性和高温稳定性进行改善，且缺乏混合料抗裂性评价方法，同时没有解释乳化沥青冷再生混合料的强度形成机理，本文提出采用纤维来改善乳化沥青冷再生混合料的抗裂性，并基于室内加速加载试验和扫描电镜试验系统研究了纤维乳化沥青冷再生混合料的耐久性，研究结果可提供一种改善乳化沥青冷再生混合料性能的研究思路与技术手段，为纤维乳化沥青冷再生在我国的推广应用提供理论支撑与实践指导。

掺加纤维的乳化沥青冷再生混合料材料组成设计

本文研究中采用的RAP料来源于陕西某高速公路沥青面层铣刨料，试验所用旧料分为3档，即公称粒径大于12、5~12mm和小于5mm;新集料为公称粒径10~30mm的石灰岩碎石;制备乳化沥青采用的基质沥青为SK90#，乳化剂型号为8005 w5;试验选用普通P032。5普通硅酸盐水泥，用量为1。5%。根据原材料筛分结果确定RAP掺量为80%，混合料合成级配满足中粒式级配范围，将乳化沥青和水按1∶1的比例组成流体，添加比例分别为5%，6%，7%，8%，9%，通过重型击实试验确定最佳流体含量;各纤维掺量下根据重型击石试验确定的最佳流体含量，保持最佳流体含量不变，每个纤维掺量下变化2。5%、3。0%、3。5%、4。0%、4。5%共5组乳化沥青用量，混合料拌合时首先将水泥和集料一起干拌60s，加入预定水量拌合60s，将纤维在乳化沥青中浸润后一起加入混合料中拌合90s。

试验结果表明:随着聚酯纤维掺量的增大，混合料最佳乳化沥青用量和最佳拌合用水量均增大，这与聚酯纤维的吸油性密切相关。此外，增大聚酯纤维掺量，混合料最佳乳化沥青用量下的干、湿劈裂强度和干湿劈裂强度比呈先增大后减小的变化趋势，大约再2‰~3‰纤维掺量处混合料劈裂强度出现峰值。

纤维乳化沥青冷再生混合料路用性能

基于加速加载试验纤维乳化沥青冷再生混合料高温稳定性

本文采用南非生产的MMLS3小型加速加载设备对纤维乳化沥青冷再生混合料的高温性能进行研究，利用小型加速加载设备对不同纤维掺量的混合料进行加速加载，在室内模拟实际路面结构，从而间接评价出实际路面的优劣。MMLS3设备属于最新一代的加速加载设备，其具有体积小、加载速度快、移动方便等优点，可用于实验室，也可用于路面现场。MMLS3设备室内试验可分为路面结构模拟装置和试验槽装置大类，后者所用的试件为实验室制备或者由路面直接取芯的大马歇尔试件加工而成，试验时试验槽可以控制干湿状态以及温度，通过对试件进行加速加载试验来评价试样的性能。参考已有研究成果，本文加速加载试验试件制备及试验条件如下:①在最佳乳化沥青用量下成型直径152。4mm，高度95。3mm大型马歇尔试件，取马歇尔试件中间5cm部分按加速加载试模尺寸切割试件;②试验温度为60℃，试验轴载为0。7MPa，加载速率为6000次·h－1。

MMLS3加速加载设备可测试并记录不同加载次数时各试件的车辙深度，进而得到各试件车辙深度随轴载次数的变化规律，从而间接评价出纤维乳化沥青冷再生混合料在长期荷载作用下的高温抗永久变形能力。

由加速加载试验结果可知:①混合料试件车辙变形量随加载次数的变化规律可明显分为3个阶段，即:压密阶段、固结蠕变阶段、剪切失稳阶段，这与已有研究成果相吻合，其中压密阶段车辙深度占试件剪切失稳破坏时车辙深度的60%;②相同加载次数时，加聚酯纤维之后试件车辙深度相比于不掺加聚酯纤维的试件明显降低，且聚酯纤维掺量越大，车辙深度越小;③聚酯纤维掺量在2‰以下时，不同聚酯纤维掺量试件之间的车辙深度随加载次数的变化比较大，对比发现，当聚酯纤维掺量为4‰时，在加载次数达到80万次时，其车辙深度最小，另外试件隆起高度的试验结果也有类似结果，表明聚酯纤维掺量为4‰的乳化沥青冷再生混合料其抗车辙性能最优;④以试件由固结蠕变阶段转变为剪切失稳阶段阶段的加载次数定义乳化沥青冷再生混合料疲劳寿命，0、1、2、3、4聚酯纤维掺量条件下混合料疲劳寿命依次为35万、42万、52万、60万、60万次，可见掺加3‰聚酯纤维可使乳化沥青冷再生混合料高温条件下的抗疲劳性能提高71%。

综合试验结果表明:掺加聚酯纤维乳化沥青冷再生混合料的高温性能会大幅度提高，且聚酯纤维掺量越大，混合料高温稳定性越好。因为纤维分散在混合料中，纤维格栅的生成，加筋作用增加了乳化沥青胶浆在特定温度下流动而产生内摩阻力，由于纤维的吸附稳定作用而乳化沥青在粗集料表面滞留时间提高，这样就会使粗集料表面破乳成膜的沥青膜厚度提高，有效提高了对集料的粘结作用，混合料整体性提高，可以使其高温抗剪切变形能力显著增强。

低温抗裂性

随着作为高速公路下面层的使用越来越多，乳化沥青冷再生混合料的低温抗裂性逐渐成为道路工作者关注的热点问题。现场钻芯调查结果表明，使用乳化沥青冷再生混合料虽延缓了半刚性基层反射裂缝的发生，但低温开裂仍是乳化沥青冷再生沥青混合料早期破坏的主要形式之一，低温抗裂性能不足严重影响了乳化沥青冷再生混合料的使用寿命。室内试验发现，乳化沥青冷再生混合料制成小梁试件比较困难，且低温小梁制作复杂，试验数据离散性大(主要由于乳化沥青冷再生混合料抗松散性能差，切割的小梁试件不完整，存在掉粒等问题)，本文以低温SCB试验评价聚酯纤维乳化沥青混合料的低温抗裂性。借鉴相关研究成果，将不同聚酯纤维掺量的混合料成型为Φ152。4mm，高95。3mm大马歇尔试件，60℃养生48h，并采用具有较高切割精度的芬兰产双面锯取马歇尔试件中部50mm厚的圆形试件，再将其从中间对称打开，即制得半圆弯曲试件。试验前将试件放在－10℃恒温环境箱中中保温不少于4h，试验时采用单点加载方式，支点间距为SCB试件直径的0。8倍，即S=0。8D，加载速率为0。5mm/min，记录破坏荷载和破坏应变，以抗弯拉强度、弯拉劲度模量和抗弯拉应变能来评价聚酯纤维乳化沥青冷再生混合料的低温抗裂性能。

试验结果表明:掺加聚酯纤维后乳化沥青冷再生混合料破坏应变、单位体积破坏应变能增幅较大，劲度模量降低，混合料小梁试件柔性增强，低温抗裂性显著提高，且随着聚酯纤维掺量的增加混合料抗弯拉强度、最大弯拉应变、破坏应变能均呈先增大后减小的变化趋势，2‰~3‰聚酯纤维掺量时混合料抗裂性能最佳;比较不同聚酯纤维掺量下SCB试验破坏应变试验数据的变异系数可以发现，SCB试验误差可控，数据离散性小，此外SCB试验意义明确，可作为乳化沥青冷再生混合料低温抗裂性的评价方法，可采用单位体积破坏能作为评价指标。分析聚酯纤维掺量对乳化沥青冷再生混合料低温抗裂性的影响，当加入的纤维掺量不大时聚酯纤维在改性沥青混合料中分散均匀，通过纵横交错的纤维加筋、吸附稳定作用，使混合料的整体强度得到增强，当进一步增加纤维掺量，混合料的低温抗裂性得到了进一步增强，并且弯曲劲度模量达到了最小值，此时聚酯纤维的改性作用达到最佳，超过最佳纤维掺量后聚酯纤维在混合料中的分散均匀性下降，没有分散开的纤维结团反而在混合料中形成薄弱界面，在荷载作用下薄弱面易产生应力集中现象，导致混合料强度下降。

间接拉伸疲劳试验

采用传统的疲劳理论方法通过室内马歇尔试件的间接拉伸疲劳试验建立疲劳曲线表征聚酯纤维乳化沥青冷再生混合料的疲劳特性。马歇尔试件的制备、养生严格按照《公路沥青路面再生技术规范》(JTGF41—2008)执行，疲劳试验温度为15℃，正弦波加载频率为10Hz，为了加快试验进度正弦波之间不插入间歇时间。加载模式为控制应力方式(控制应力的疲劳试验就是在重复加载的疲劳试验过程中，保持应力不变，以试件的疲劳断裂作为疲劳破坏的准则，达到疲劳破坏的荷载作用次数为疲劳寿命)。

间接拉伸疲劳试验结果表明，聚酯纤维乳化沥青冷再生混合料的疲劳双对数拟合曲线截距K值随聚酯纤维掺量的增大呈先增大后减小的变化趋势，n值呈先减小后增大的变化趋势，疲劳曲线的线位越高，n值越大，混合料疲劳曲线越陡，表明混合料的疲劳寿命对应力水平的变化越敏感，抵抗疲劳破坏的能力越差，由此可知:掺加纤维后混合料抗疲劳性能提高，且3‰纤维掺量下乳化沥青冷再生混合料抗疲劳开裂性能最好，相同应力水平下，3‰聚酯纤维可使乳化沥青混合料的疲劳寿命提高为原来的2倍。

聚酯纤维改性乳化沥青混合料破坏界面细微观形貌分析

本文研究采用场发射环境扫描电子显微镜(ESEM)试验仪器采集到的图像，来观察冷再生混合料受到外力作用时纤维所起的承载作用，从而分析纤维增强沥青混合料性能的机理对劈裂破坏界面的乳化沥青砂浆进行扫面电镜试验，进一步揭示聚酯纤维对乳化沥青冷再生混合料抗裂性和抗疲劳性能的影响机理。

不掺加聚酯纤维扫描电镜图像，可以看到乳化沥青蒸发残留物在结构中为连续相分布，沥青相的宏观结构为空间膜袋网，膜袋间不连通，多呈蜂窝状分布，其中水泥石被分割为非连续相，膜袋形状无规则可言，膜壁薄厚不均，相邻膜袋中的水泥石在空间上犬牙交错，呈无序组合状态。

可见:2‰纤维掺量下，聚酯纤维在乳化沥青混合料内部局部形成贯穿结构，纤维分散到沥青中，其巨大的比表面积成为沥青浸润的界面，在此界面上纤维以其较好的吸油性，充分吸持沥青，形成一个新生的，具有一定厚度的界面层，纤维—乳化沥青界面连接了纤维相与沥青相，传递并缓冲两相间的力，其结构和性能对复合材料的物理力学性能起着重要的作用;此外，纤维加入到乳化沥青冷再生混合料后，纤维质地柔韧，经搅拌均匀后在沥青基体中相互搭接，形成一个连续的桥接加筋网，对网孔范围内的沥青混合料可以起到一种“箍锁”作用，克服乳化沥青冷再生混合料中颗粒间的错位与移动，并且当因荷载作用而出现裂纹延伸至加筋网时，加筋网则变成一种隔离层，把受损区域进行隔离，使裂纹的变形受到约束，阻碍了裂纹的继续发展，因纤维自身具备较好的柔韧性，加筋网可以承受来自横向与纵向的推挤力和拉力，外力荷载作用时，加筋网的“箍锁”和隔离功能可以大幅减小应力集中，阻止反射裂缝的产生和发展，增强沥青路面的高温抗车辙性能，并同时增加沥青路面的整体性和刚度;再者，由于聚酯纤维的比表面积较大，在乳化沥青冷再生混合料基体中容易形成大量的过渡层，在荷载的作用下，这些过渡层有效地传递和消散沥青混凝土的内应力，使得沥青混凝土的低温变形性能和抗疲劳性能得到提高。纤维具有很好的亲油性，纤维加入冷再生混合料后，可以很快地把沥青吸持住，使沥青得到浸润，在外力作用下，纤维内部的空隙对自由沥青起到缓冲作用，使混合料内部的沥青油膜处于比较稳定的状态，从而降低高温下沥青混合料的塑性流动性。

分别为3‰、4‰纤维掺量下劈裂破坏界面扫描图像，由此可见聚酯纤维贯穿于乳化沥青砂浆中，在发挥加筋作用的同时，由纤维分散不均匀，局部纤维聚集形成易于破坏的薄弱界面，以此判断，纤维掺量不宜过大，纤维要发充分挥其加筋、锚固作用的必要条件是有足够的纤维数量能够形成加筋网，且能够在混合料中均匀分散。

结论

①相同加载次数时，加聚酯纤维之后试件车辙深度相比于不掺加聚酯纤维的试件明显降低，且聚酯纤维掺量越大，车辙深度越小，掺加3‰聚酯纤维可使乳化沥青冷再生混合料高温条件下的抗疲劳性能提高71%。

②掺加聚酯纤维后乳化沥青冷再生混合料破坏应变、单位体积破坏应变能增幅较大，劲度模量降低，混合料小梁试件柔性增强，低温抗裂性显著提高，SCB试验误差可控，数据离散性小，此外SCB试验意义明确，可作为乳化沥青冷再生混合料低温抗裂性的评价方法。

③掺加纤维后乳化沥青混合料抗疲劳性能提高，3‰聚酯纤维可使乳化沥青混合料的疲劳寿命提高为原来的2倍。

④聚酯纤维在乳化沥青混合料内部局部形成贯穿结构，纤维—乳化沥青界面连接了纤维相与沥青相，传递并缓冲两相间的内应力，聚酯纤维通过界面增强作用和加筋阻裂作用提高了混合料整体性，改善了乳化沥青冷再生混合料的柔性。

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