玻璃纤维温拌再生沥青混合料抗断裂性能评价研究.pdf

50董红锋 玻璃纤维温拌再生沥青混合料抗断裂性能评价研究玻璃纤维温拌再生沥青混合料抗断裂性能评价研究董红锋（郑州路桥建设投资集团有限公司，河南郑州 450000）摘要：为了研究玻璃纤维温拌高掺量 RAP 再生沥青混合料的抗断裂性能，基于半圆弯曲（SCB）试验，采用 5 种评价指标对两种切缝深度下混合料抗断裂性能进行了综合评价。结果表明：10mm 切缝深度混合料抗断裂性能较 5mm差；温拌剂与 RAP 对抗断裂性能具有不利影响；玻璃纤维对温拌再生沥青混合料抗断裂性能具有显著提升作用，最佳掺量为 0.3%。推荐采用峰值荷载、断裂能、断裂韧性和柔性指数综合评价沥青混合料抗断裂性能。关键词：再生沥青混合料；抗断裂性能；玻璃纤维；温拌沥青；半圆弯曲试验中图分类号：U 414Study on Evaluation of Fracture Resistance of Glass Fiber Warm Mix Recycled Asphalt MixtureDONG Hong-feng(Zhengzhou Road and Bridge Construction Investment Group Co.,LTD.,Zhengzhou 450000,Henan,China)Abstract:In order to study the fracture resistance of glass fi ber warm mix high content RAP recycled asphalt mixture,based on the semicircular bending(SCB)test,fi ve evaluation indexes were used to comprehensively evaluate the fracture resistance of the mixture under two slit depths.The results show that the fracture resistance of the mixture with 10mm slit depth is worse than that with 5mm;Warm mixing agent and RAP have adverse eff ects on fracture resistance;Glass fi ber can signifi cantly improve the fracture resistance of warm mix recycled asphalt mixture,and the best content is 0.3%.Peak load,fracture energy,fracture toughness and fl exibility index are recommended to comprehensively evaluate the fracture resistance of asphalt mixture.Key words:recycled asphalt mixture;fracture resistance;glass fi ber;warm mix asphalt;semicircle bending test相较应用最广泛的热拌沥青混合料（HMA），温拌沥青混合料（WMA）技术可将能源消耗由 HMA 的275106J/t 降低至 225106J/t，有效节省能源消耗 18.2%，同时与 HMA 技术相比，WMA 技术也可有效减少生产施工全过程碳排放1-2。近年来，随着国家“双碳”目标的推进，使得再生沥青混合料（RAP）的应用更加广泛，其中温拌技术由于可有效降低拌和、碾压等施工温度，减少了旧沥青的进一步老化，保障了沥青混合料的抗老化性能3-4。现有温拌剂种类较多，其中 Sasobit 改性沥青混合料被证实具有较好的综合性能，但温拌技术就应用现状而言，因旧沥青、旧集料在原路面服役时性能会受到影响，使得再生沥青混合料性能受限，导致我国再生沥青混合料应用中 RAP 掺量普遍在 25%以下，因此高掺量 RAP 的应用推广仍有待进一步研究5-6。玻璃纤维等纤维改性材料被证实对沥青乃至沥青混合料性能提升具有有利影响，目前得到了广泛应用，且被证实在混合料高温、低温、水稳定性能等方面具有显著提升作用7。但现有研究大部分均局限于常规的高温、低温性能及水稳定性能等路用性能，对沥青路面服役质量影响较大的抗断裂性能研究较少8。基于上述分析，为了研究温拌高掺量 RAP 再生沥青混合料抗断裂性能，并评价玻璃纤维对混合料抗断裂性能影响，本文拟基于半圆弯曲（SCB）试验，采用破坏荷载、断裂能、断裂韧性、抗裂指数和柔性指数等 5 个评价指标对两种切缝深度（5、10 mm）下混合料抗断裂性能进行综合评价，旨为温拌高掺量 RAP 再生沥青混合料应用提供参考。1 试验部分1.1 原材料沥青选用东海牌70#基质沥青，相关技术指标见表1。温拌剂采用颗粒状Sasobit温拌剂。再生剂选用RA-25型，相关技术指标符合规范要求9。表 1 70#基质沥青技术指标Table 1 Technical indexes of 70#matrix asphalt测试指标结果要求针入度（25）/0.1mm666080延度（15）/cm8640软化点/55.546密度/（g/cm3）1.018实测薄膜加热后质量损失/%-0.0350.6针入度比/%736515 延度/cm2115玻璃纤维长度 30mm、直径 10nm，相关技术指标见表 2。作者简介：董红锋，本科，副高级工程师，主要从事道路与桥梁方面研究工作。合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 3 期51表 2 玻璃纤维技术指标Table 2 Technical indicators of fiberglass指标测试值拉伸模量73.2GPa拉伸强度3500MPa密度2.56g/cm3再生沥青混合料选用某高速公路中面层石灰岩集料，经铣刨、筛分后使用。新集料采用石灰岩集料，RAP 混合料与新集料粒径分别为 02.36 mm、2.364.75 mm、4.759.5 mm、9.513.2 mm。1.2 试验设计与方法1.2.1 试验组合为研究温拌再生沥青混合料抗断裂性能，同时考查玻璃纤维对其性能改善的影响，选用不同掺量玻璃纤维制备沥青混合料。其中，参照工程经验及以往研究成果，Sasobit 温拌剂掺量为沥青质量的 3%。RAP 掺量替换比例为 50%，即除矿粉外各档集料 RAP 比例为该档集料总质量的 50%。玻璃纤维掺量分别为 0.2%、0.3%和 0.4%。所有沥青混合料试样组合见表 3。表 3 沥青混合料试样组合Table 3 Test combination of asphalt mixture序号试样组合试样编号1热拌沥青混合料（HMA）对照组HMA2温拌沥青混合料（WMA）WS3温拌沥青混合料+50%RAPW50S4温拌沥青混合料+50%RAP+0.2%GFW50GF0.2S5温拌沥青混合料+50%RAP+0.3%GFW50GF0.3S6温拌沥青混合料+50%RAP+0.4%GFW50GF0.4S采用马歇尔法进行最佳油石比确定，分别确定 HMA、含 RAP 料温拌沥青混合料最佳油石比。为避免因沥青含量变化对混合料性能分析影响，掺玻璃纤维沥青混合料采用与含 RAP 温拌沥青混合料相同的最佳油石比。1.2.2 SCB 试验由于温拌再生沥青混合料高温、低温及水稳等常规路用性能研究相对较多，本文重点对沥青混合料抗断裂性能进行研究。参照 ASTM D8044-16 标准，采用半圆弯曲（SCB）试验，并结合我国混合料试件成型方式特点进行了相关改进。其中，试验温度为 20，试件成型由旋转压实法调整为我国常用的马歇尔击实法，试件尺寸为由标准规定直径 150mm 调整为 100mm。切割后半圆试件尺寸为直径 100mm、高 30mm，并采用两种不同切缝深度（5、10 mm）进行性能分析。通过加载全过程力-位移曲线，可获取如下技术指 标：破 坏 荷 载（Pmax）、断 裂 能（fracture energy，Gf）、断裂韧性（Fracture toughness，FT）、抗裂指数（Cracking Resistance Index，CRI）和柔性指数（Flexibility Index，FI）。根据各指标物理含义，破坏荷载、断裂能、断裂韧性、抗裂指数测试值越大，对应性能越优；柔性指数越小，相关性能越优。2 结果与讨论2.1 测试指标分析根据各试样 SCB 试验荷载-位移曲线，可得到各试样在两种切缝深度（5、10 mm）条件下 SCB 试验评价指标。图 1 为 HMA 试样在两种切缝深度下荷载位移曲线对比。024681002004006008001000?5mm 10mm图 1 对照试样 SCB 试验荷载-位移曲线Fig.1 SCB test load-displacement curve for the control sample根据各试样荷载-位移曲线，得到不同切缝深度下各抗断裂性能评价指标，对比如图 2 所示。HMAWSW50SW50GF0.2SW50GF0.3SW50GF0.4S05001000150020002500?5mm 10mmHMAWSW50SW50GF0.2SW50GF0.3SW50GF0.4S02004006008001000?5mm 10mm?P?G?HMAWSW50SW50GF0.2SW50GF0.3SW50GF0.4S02468?5mm 10mmHMAWSW50SW50GF0.2SW50GF0.3SW50GF0.4S0.00.20.40.60.8?5mm 10mm?HMAWSW50SW50GF0.2SW50GF0.3SW50GF0.4S0246810?5mm 10mm?图 2 不同切缝深度下各试样评价指标对比Fig.2 Comparison of the evaluation indexes of various samples under different cut joint depths分析可知：（1）整体而言，切缝深度越大，混合料抗断裂性能减弱，但部分指标变化并不一致，甚至呈现相反变化规律。其中，切缝深度由 5mm 变为 10mm 时，峰值荷载、抗断裂能、抗裂指数变小，表明切缝深度越大试件抗断裂性能减弱。这与现有的工程实践认知一致，即沥青路面裂缝扩展越大，路面越易发生进一步破坏。但断裂韧性呈现相反变化规律，即切缝深度越大，断裂韧性越大。根据参数意义，断裂韧性为临界荷载时的应力强度因子，其反映沥青混合料在断裂过程中吸收能量的能力，值越大说明阻碍裂纹扩展的能力越强10。切缝深度越大，临界荷载时吸收能量越强，可能是由于切缝深度越大，试件破坏所产生位移越小（或时间越短），因此归一化后单位应变（或时间）下吸收的能量速率越大，这也可从图 1 中两条加载曲线的变化规律得到印证。但需要注意的是，当各指标间评价关系发生冲突时，应结合具体试样工况进行针对性分析。（2）相较常规热拌沥青混合料，温拌再生沥青混合料抗断裂性能略有下降。比较各试样抗断裂评价指标，采用温拌技术后，峰值荷载、断裂能、断裂韧性、抗裂指数均有所降低。因此，采用温拌技术时，应综合考虑(a)峰值荷载 Pmax (b)断裂能 Gf(c)断裂韧性 FT (d)抗裂指数 CRI(e)柔性指数 FI52董红锋 玻璃纤维温拌再生沥青混合料抗断裂性能评价研究温拌剂的绿色降黏作用与对抗断裂性能的负面影响。（3）掺入 RAP 试样后，混合料试件抗断裂能力略有降低，但降低幅度较小。表明仅从抗断裂性能而言，再生沥青混合料对抗断裂性能具有一定不利影响。（4）掺入玻璃纤维后，温拌再生沥青混合料抗断裂性能显著提升，且不同玻璃纤维掺量温拌再生沥青混合料试件抗断裂性能均高于常规热拌沥青混合料。其中，当采用 0.3%玻璃纤维时，试件在两种切缝深度下峰值荷载为对照组 HMA 试样的 3.3 倍和 3.8 倍，断裂能分别为1.7 倍和 3.3 倍。表明尽管掺入了 RAP 以及温拌剂，但玻璃纤维的加筋改善作用可有效提升沥青混合料抗断裂性能。（5）综合分析，推荐玻璃纤维掺量为 0.3%。根据各抗断裂指标变化趋势，掺入玻璃纤维后各指标显著改善，但当掺量继续增加到 0.4%时，各指标增幅逐趋平缓，部分甚至存在下降趋势（如断裂能）。基于技术经济指标考虑，0.3%为温拌再生混合料最佳掺量。2.2 抗断裂性能综合分析根据上述分析，结合各指标含义，由于评价侧重不同，各指标之间抗断裂性能评价并不完全一致。为进一步分析不同试验工况下各混合料抗断裂性能指标，采用Python 工具编写了排序矩阵。根据各抗断裂性能指标物理意义，各指标排序赋值采用如下标准：（1）Pmax越大，表明混合料更难破坏，因此最大荷载试件排序为 1；（2）Gf越大，表明混合料试件破坏所需能量越大，因此最大断裂能试件排序为 1；（3）FT 越大，表明混合料试件越坚韧，越难产生裂缝，因此最大断裂韧性试件排序为 1；（4）CRI 为断裂能随峰值荷载的归一化结果，将抗断裂指数最大试件排序为 1；（5）FI 越小，荷载-位移曲线峰后斜率越平缓，表明混合料试件断裂后柔韧性越好，因此将最小柔性指数试件排序为 1。将两种切缝深度下所有试件以图形式呈现，图中色块颜色越深表明对应性能越好（如图 3 所示）。444165552566634333612124312152?max?fFTCRIFIHMAWSW50SW50GF0.2SW50GF0.3SW50GF0.4S?123456454245451666631333552124312162?max?fFTCRIFIHMAWSW50SW50GF0.2SW50GF0.3SW50GF0.4S?123456 (a)5mm (b)10mm图 3 不同切口深度下各试样性能排序热图Fig.3 Heat map of the performance sorting of each sample at diff erent cut depth根据可视化热图可发现，两种切缝深度下各指标排序规律基本一致，均为掺入 0.3%或 0.4%玻璃纤维的混合料试样抗断裂性能最优，但抗开裂指数呈现相反评价规律。综合分析，推荐采用峰值荷载、断裂能、断裂韧性、柔性指数表征沥青混合料试件在不同评价侧重下的抗断裂性能。3 结论基于半圆弯曲（SCB）试验的 5 种评价指标，对热拌沥青混合料（对照组）、温拌沥青混合料、温拌再生沥青混合料以及不同掺量玻璃纤维温拌再生沥青混合料进行了测试，综合评价了温拌剂、RAP 以及玻璃纤维对沥青混合料抗断裂性能影响。（1）切缝深度越大，沥青混合料抗断裂性能越差。温拌剂与 RAP 对沥青混合料抗断裂性能具有不利影响，但影响程度较小。（2）玻璃纤维对温拌再生沥青混合料抗断裂性能具有显著提升作用，推荐最佳掺量为 0.3%。当采用 0.3%玻璃纤维时，试件在两种切缝深度（5、10 mm）下峰值荷载为对照组 HMA 试样的 3.3 倍和 3.8 倍，断裂能分别为 1.7 倍和 3.3 倍。（3）推荐采用峰值荷载、断裂能、断裂韧性、柔性指数综合表征沥青混合料试件在不同评价侧重下的抗断裂性能。（4）本文采用试验温度为沥青路面常温服役温度20，但当沥青路面处于低温服役环境时更易发生裂缝病害。因此，低温试验下抗断裂性能评价有待进一步研究。?1 焦江华.聚合物改性沥青对温拌再生沥青混合料路用性能影响 J.合成材料老化与应用,2021,50(03):77-79,89.2 邱延峻,罗浩原,张家康,等.热拌与温拌沥青路面生产施工排放物对比J.长安大学学报(自然科学版),2020,40(1):30-39.3 徐加秋,阳恩慧,王世法,等.Sasobit 温拌沥青的低温性能评价指标研究 J.公路交通科技,2020,37(2):8-14.4 徐金枝,郝培文,郭晓刚,等.厂拌热再生沥青混合料组成设计方法综述 J.中国公路学报,2021,34(10):72-88.5 程英伟,宋崇惠,彭蕾.温拌再生沥青混合料的拌和成型工艺研究 J.公路,2019,64(7):41-45.6 任永凯.高 RAP 掺量下新旧沥青混溶状态对热再生沥青混合料路用性能的影响研究 D.北京:北京建筑大学,2018.7 王春阳.玻璃纤维透水沥青混合料路用性能试验研究J.合成材料老化与应用,2021,50(01):77-79.8 宋卫民,徐子浩,吴昊,等.一种沥青混凝土中低温断裂性能统一评价方法 J.中南大学学报(自然科学版),2021,52(7):2386-2393.9 中华人民共和国交通运输部.公路沥青路面再生技术规范:JTG/T 5521-2019S.北京:人民交通出版社股份有限公司,2019.10 陈正伟,朱月风,张洪亮,等.基于断裂试验的再生沥青混合料中温抗裂性能 J.合肥工业大学学报(自然科学版),2017,40(9):1260-1263,1288.