基于SCB的高掺量RAP复合再生沥青混合料抗裂性能研究

Research on Crack Resistance Performance of High Content RAP Composite Recycled Asphalt Mixture Based on SCB

摘要

为探究高掺量回收沥青路面材料（RAP）复合再生沥青混合料的抗裂性能，采用抽提试验获得RAP中的老化沥青，掺入XT-3再生剂，制备再生沥青。利用数解法及马歇尔试验确定高掺量RAP再生沥青混合料的最佳油石比，借助半圆弯曲（SCB）试验开展不同温度和加载速率下再生沥青混合料抗裂性能测试。结果表明：当再生剂XT-3质量分数为16.5%时，再生沥青性能最佳。随着纤维的加入，再生沥青混合料在-10 ℃和20 ℃下的断裂能（G_f）、断裂韧性（K_IC）、抗裂指数（I_CR）均发生较大幅度改善。-10 ℃的再生沥青混合料G_f和K_IC增加幅度基本大于20 ℃的再生沥青混合料，聚乙烯醇纤维再生沥青混合料的I_CR普遍强于玄武岩纤维。综合比较，聚乙烯醇纤维对再生沥青混合料的抗裂性能改善效果更优异。

Abstract

In order to investigate the crack resistance of the composite recycled asphalt mixture with high content reclaimed asphalt pavement (RAP), the aged asphalt in RAP was obtained through the extraction test, and XT-3 rejuvenator was added to prepare the recycled asphalt. The optimal ratio of asphalt to aggregate was determined for the recycled asphalt mixtures with high content RAP by the numerical method and Marshall test. Additionally, the crack resistance of the recycled asphalt mixtures at different temperatures and loading rates was conducted by the semi-circular bending (SCB) test. The results indicate that the performance of recycled asphalt is optimal when the mass fraction of rejuvenator XT-3 is 16.5%. With the addition of fibers, the fracture energy (G_f), fracture toughness (K_IC) and crack resistance index (I_CR) of the recycled asphalt mixtures are significantly improved at -10 ℃ and 20 ℃. The increase amplitude in G_f and K_IC of the recycled asphalt mixtures at -10 ℃ is generally greater than that of the recycled asphalt mixture at 20 ℃, and the I_CR of the recycled asphalt mixtures with polyvinyl alcohol fiber is generally stronger than that of basalt fiber. Based on the comprehensive analysis, the polyvinyl alcohol fiber has a better effect on improving the crack resistance of the recycled asphalt mixtures.

Graphical abstract

关键词

道路工程 / 再生沥青混合料 / 流变性能 / SCB试验 / 抗裂性能

Key words

Road engineering / Recycled asphalt mixture / Rheological performance / SCB test / Crack resistance

目前，许多沥青路面已达到服役年限或出现路面病害。相关环境保护政策的实施使沥青路面养护过程中产生的回收沥青路面材料(RAP)的再利用已进入关键阶段^[1-2]。在我国，RAP质量分数通常限制在30%以下且较少用于沥青面层。主要原因是当RAP掺量过多时，老化沥青所占比例增加，导致再生沥青稠度较大，再生沥青路面刚度较大，易产生裂缝，降低路面寿命及行车舒适度，且在低温环境中这一现象更为严重。近年来，高掺量RAP再生利用及其路用性能的研究逐渐增多。在沥青混合料低温性能测试的试验方法中，半圆弯曲(SCB)试验因操作简单、试件获取方便、承受荷载方式更符合路面实际情形等优点而被广泛应用^[3-4]。王智超等^[5]研究发现，随着RAP掺量的增加，再生沥青混合料的强度虽有所提高，但其低温抗变形能力大幅下降。许西淼^[6]、ONG等^[7]探究再生沥青混合料的低温性能，发现RAP掺量越高，再生沥青混合料的低温性能及断裂性能均逐渐下降。郅晓等^[8]、LI等^[9]、LIU等^[10]研究高掺量RAP改性沥青混合料的低温抗裂性能、级配变异性和二次再生性能等。结果表明：掺入纤维可提升沥青混合料的低温抗裂性能。研究人员还探究玄武岩纤维对沥青砂浆、沥青混合料及再生沥青混合料的增韧作用，发现增韧后可避免裂纹的形成，增强沥青材料抵抗低温开裂能力^[11-19]。此外，将聚酯纤维、玻璃纤维、木质素纤维等掺入沥青混合料中能够改善沥青混合料的性能^[20-24]。

基于已有研究，本文针对高原地区典型气候环境，对RAP质量分数分别为40%、50%、60%的再生沥青混合料的抗裂性能展开研究，并利用动态剪切流变仪和弯曲梁流变仪测试其高低温流变性能，确定再生剂的最佳掺量。结合数解法和马歇尔试验开展掺加纤维的再生沥青混合配合比设计，并借助SCB试验评价高掺量RAP再生沥青混合料的抗裂能力。

1 实验部分

1.1 主要原料

RAP，压碎值12.4%，w(针片状颗粒)7.2%，油石比5.4%，某高速公路沥青路面铣刨料；再生剂，XT-3，常州信拓路面改性材料有限公司；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青，西宁博升防水建材厂；石灰岩集料，永登县河桥振兴采石厂；矿粉，石灰岩磨细制备而成，密度2.680 g/cm³，相对密度2.686，甘肃新利工贸有限公司；短切玄武岩纤维，6 mm，江西硕邦新材料科技有限公司；短切聚乙烯醇纤维，6 mm，中国石化集团四川维尼纶厂。表1为SBS改性沥青技术指标，表2为XT-3技术指标，表3为石灰岩集料技术指标，图1为纤维形貌。

1.2 仪器与设备

离心式快速抽提仪，DLC-3，北京申克实验仪器厂；旋转蒸发器，R-205，瑞士步琦有限公司；高速剪切机，BME 200L，上海威宇机电有限公司；软X射线-EBSD-EDS，JSM-IT800，日本JEOL株式会社；动态剪切流变仪(DSR)，SmartPave 102e，奥地利安东帕流变仪公司；弯曲梁流变仪(BBR)，NL-BBR2.0Plus，上海诺铼科技有限公司；微机控制电子万能试验机，CMT5105，美特斯工业系统(中国)有限公司。

1.3 样品制备

根据文献[25]制备再生沥青，利用数解法计算RAP质量分数分别为40%、50%、60%且纤维质量分数均为0.4%的再生沥青混合料级配，利用马歇尔试验确定最佳油石比分别为4.88%、4.20%、4.47%，并制备标准马歇尔试件。将标准马歇尔试件切割成直径为(101.6±0.2) mm、厚度为30 mm的半圆形柱体试件，并在试件底部中心切割高度为10.0 mm、宽度为1.5 mm的裂缝。试件命名参照文献[25]。

1.4 性能测试与表征

流变性能测试：利用动态剪切流变仪和弯曲梁流变仪开展再生沥青高低温流变性能测试。

SCB测试：利用微机控制电子万能试验机进行加载，当其荷载由峰值降至0.1 kN时作为试验终止条件，测试荷载、位移，计算断裂能、断裂韧性、抗裂指数。图2为SCB试验试件。

2 结果与讨论

2.1 再生剂掺量的确定

通过开展不同XT-3再生剂掺量下再生沥青的高低温流变性能试验，确定再生剂的最佳掺量^[26]。图3老化沥青与再生沥青的高温性能。从图3可以看出，再生沥青的复数模量、车辙因子及疲劳因子的变化趋势相同，均随着温度的升高而下降，表明再生沥青在高温下刚度和抗变形能力逐渐减弱。而相位角随着温度升高而增大，表明其黏性成分随着温度的升高而增加，再生沥青的高温性能逐渐减弱。当XT-3质量分数为16.0%和16.5%时，复数模量、车辙因子及疲劳因子相差较小，掺入XT-3沥青的复数模量、车辙因子及疲劳因子均小于老化沥青。XT-3质量分数为16.5%时，相位角最大，与XT-3质量分数为16%的相位角相差不大，两者高温性能相近。

图4为老化沥青与再生沥青的低温性能。从图4可以看出，再生剂XT-3的质量分数为16.5%时，加载初始阶段的蠕变劲度远小于其他类型沥青，随着加载时间的延长，各掺量XT-3的蠕变劲度逐渐减小，且差异较小，XT-3质量分数为16.5%时，蠕变速率为最大。综合比较高低温流变性能并考虑高寒路域的气候特征，再生剂XT-3最佳质量分数为16.5%。

2.2 最佳沥青用量的确定

采用马歇尔试验方法测试再生沥青混合料的体积指标，分析体积指标随油石比的变化规律，进而确定最佳油石比。根据体积指标的试验结果确定RAP质量分数为40%、50%、60%的再生沥青混合料的最佳油石比分别为4.88%、4.20%、4.47%。

2.3 SCB试验

根据SCB测试的荷载位移曲线可以计算得到沥青混合料的断裂能(G_f)、断裂韧性(K_IC)、抗裂指数(I_CR)。本文以上述3个指标表征高掺量RAP再生沥青混合料的抗裂性能。

G_{\mathrm{f}}=\frac{W_{\mathrm{f}}}{A_{\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{g}}}(1)

式(1)中：G_f为断裂能，J/m²；W_{\mathrm{f}}为断裂功，J。

K_{\mathrm{I}\mathrm{C}}=\frac{P_{\mathrm{c}}}{\mathrm{2}rt}\times \sqrt[]{\mathrm{\pi }a}\times Y_{\mathrm{I}(\mathrm{0.8})}(2)

式(2)中：K_IC为断裂韧性，MPa·m^0.5；P_{\mathrm{c}}为临界荷载，MN；Y_{\mathrm{I}(\mathrm{0.8})}为标准应力强度因子。

I_{\mathrm{C}\mathrm{R}}=\frac{G_{\mathrm{f}}}{m}(3)

式(3)中：I_CR为抗裂指数；G_f为断裂能，J/m²；m为峰值后拐点处斜率绝对值，kN/m。

2.3.1 G_f分析

图5为-10 ℃和20 ℃再生沥青混合料的G_f。从图5可以看出，在相同加载速率下，随着温度的升高，再生沥青混合料的断裂能基本呈增大的趋势。主要由于温度的升高使沥青的劲度减小，黏性成分所占比例增加，使沥青混合料的劲度减小，再生沥青混合料的极限应变增大，位移-荷载曲线积分变大，G_f随之增大。在掺入纤维后，再生沥青混合料的G_f明显增大，证明纤维的加入可以改善再生沥青混合料的抗裂性能。

表4为再生沥青混合料G_f的增幅。从表4可以看出，-10 ℃时再生沥青混合料G_f增幅基本大于20 ℃时的增幅，说明纤维的加入对低温性能的改善效果更好。通过比较两种纤维再生沥青混合料的G_f，发现聚乙烯醇纤维对再生沥青混合料的抗裂性能的改善效果更加优异。

2.3.2 K_IC分析

图6为-10 ℃和20 ℃再生沥青混合料的K_IC。从图6可以看出，纤维的加入使再生沥青混合料的K_IC大于未掺加纤维的再生沥青混合料。-10 ℃、50 mm/min时，掺入玄武岩纤维再生沥青混合料与未掺入纤维相比，K_IC增幅最小为0.57%，最大为71.33%；掺入聚乙烯醇纤维再生沥青混合料与未掺入纤维相比，K_IC增幅最小为42.31%，最大为207.69%。20 ℃、50 mm/min时，掺入玄武岩纤维再生沥青混合料与未掺入纤维相比，断裂韧性增幅最小为2.14%，最大为90.79%；掺入聚乙烯醇纤维再生沥青混合料与未掺入纤维相比，K_IC增幅最小为1.09%，最大为67.51%。结合断裂韧性变化规律及高原气候环境特点，温度、加载速率和纤维类型均影响再生沥青混合料的抗裂性能。在低温条件下，掺入聚乙烯纤维表现出更优的抗裂性能。

2.3.3 I_CR分析

图7为-10 ℃和20 ℃再生沥青混合料的I_CR。从图7可以看出，掺入纤维后，沥青混合料的I_CR基本大于未掺入纤维的再生沥青混合料，说明纤维的加入增强了再生沥青混合料的抗裂性能，聚乙烯醇纤维对再生沥青混合料抗裂性能的改善效果更好，且提升幅度较大。-10 ℃、10 mm/min时，与未掺加纤维相比，3组聚乙烯醇纤维掺量的再生沥青混合料抗裂指数分别增加96.10%、67.38%、45.41%；与掺入玄武岩纤维相比，分别增加42.32%、21.46%、32.39%。-10 ℃、50 mm/min时，与未掺入纤维相比，3组聚乙烯醇纤维掺量的再生沥青混合料抗裂指数分别增加9.72%、60.75%、26.08%；与掺入玄武岩纤维相比，分别增加16.59%、45.37%、88.36%。20 ℃、10 mm/min时，与未掺入纤维相比，3组聚乙烯醇纤维掺量的再生沥青混合料抗裂指数分别增加150.33%、27.77%、123.52%；与掺入玄武岩纤维相比，分别增加22.29%、33.13%、56.14%。20 ℃、50 mm/min时，与未掺入纤维相比，3组聚乙烯醇纤维掺量的再生沥青混合料抗裂指数分别增加180.14%、33.49%、46.04%；与掺加玄武岩纤维相比，分别增加124.92%、3.65%、57.09%。从抗裂指数角度再次验证掺加纤维对于再生沥青混合料抗裂性能的增强效果，且掺入聚乙烯醇纤维的抗裂性能普遍强于玄武岩纤维。

3 结论

结合复数模量、相位角、车辙因子、疲劳因子、蠕变劲度及蠕变速率等流变性能指标随再生剂掺量的变化规律，确定再生剂XT-3最佳质量分数为16.5%。利用数解法和马歇尔试验方法，得到40%、50%、60%RAP掺量的再生沥青混合料所对应的最佳油石比分别为4.88%、4.20%、4.47%。综合比较G_f、K_IC、I_CR的变化规律，发现玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维的加入可以改善再生沥青混合料的抗裂性能，其中聚乙烯醇纤维对再生沥青混合料的抗裂性能改善效果更加优异。

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基金资助

青海省交通运输厅科技项目(2023-06)