基于正交试验的纤维对再生沥青性能影响分析
时间：2023-06-10 19:05:16 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
马仁凯
（北京城建道桥建设集团有限公司，北京 100025）
随着经济的发展，我国交通运输基础设施体系不断完善，形成了大规模公路网，带动社会经济的快速发展，且沥青路面结构在公路中占比较高。路面在使用过程中，交通、环境的综合影响会导致路面功能性衰减，引发沥青路面病害，影响驾乘人员的行车舒适性，亟须采用路面预防性养护技术改善路面使用性能。沥青路面养护过程中会产生大量的沥青混合料回收料（Reclaimed asphalt pavement，RAP），从节能环保的角度需要有效利用RAP减少路面养护过程中的能耗与碳排放[1-2]。沥青路面再生技术可以有效地利用RAP，所生产的再生沥青混合料具有良好的经济与环境效益[3-4]。然而，再生沥青混合料常面临水稳定性不足、抗裂性较差等风险。为改善再生沥青混合料性能，Wu等[5]试验研究了不同石棉纤维、玄武岩纤维含量的沥青混合料性能，发现纤维可改善沥青混合料的性能。Fazaeli等[6]研究发现聚酯纤维可改善沥青混合料的抗裂能力且有利于拌合料摊铺工作。朱朝辉[7]系统研究了纤维作用下的沥青混合料性能变化趋势，说明了纤维的增强机理。王瑛等[8]依托广东某公路改建项目，分析了聚酯纤维、再生剂、RAP 掺量三个因素与再生沥青混合料性能的联系，发现纤维掺量对高温性能最敏感，其次是RAP掺量，再生剂影响最小。
综上，现有研究在纤维对沥青混合料及再生沥青混合料性能方面研究较多，但是对纤维在影响沥青性能方面的研究较少。为此，为研究纤维对再生沥青性能的影响，本研究设计正交试验分析了纤维掺量、老化沥青含量、沥青老化程度对再生沥青性能的影响，并采用极差、方差分析法判断纤维对再生沥青性能的影响程度。
1.1 原材料测试
试验采用的原材料主要包括SBS改性沥青、纤维。SBS改性沥青的基本性能见表1。纤维为聚酯纤维，属于合成纤维，在纺织领域有很广泛的用途，有着较好的耐酸碱性、优良的强度及弹性复原性质。经过工业处理后的聚酯纤维作为添加剂加到沥青混合料中，和沥青混合料构造了稳定的结构，有效改善了沥青混合料在高温环境下的稳定作用和在低温环境下延缓出现裂缝能力，基本性能见表2。再生剂为RA-102型再生剂，25℃下密度为0.96 g/cm3，20℃下黏度为 0.6～0.8 Pa·s。
表1 SBS改性沥青技术指标Tab.1 SBS modified asphalt technical indicators
表2 聚酯纤维技术指标Tab.2 Polyester fiber technical specifications
1.2 试验设计
再生沥青指标受沥青老化程度、老化沥青含量等因素的综合影响。为研究纤维对再生沥青性能的影响，设计了如表3所示的试验因素水平，其中，老化沥青含量（A）、纤维掺量（B）的单位为再生沥青质量比，沥青老化程度（C）以针入度指标为界限划分不同老化程度的沥青。结合正交试验研究不同老化沥青含量（A）、老化程度（C）的再生沥青受纤维掺量（B）影响下的性能变化规律，试验方案见表4。
表3 试验因素水平Tab.3 Experimental factor levels
表4 试验方案Tab.4 Test scheme
采用旋转薄膜烘箱制备不同老化程度的SBS改性沥青，控制空气压缩机流量为4 000 mL/min，转盘转速15 r/min，烘箱温度185℃。利用不同的针入度值对应沥青不同的老化程度，在该条件下SBS改性沥青老化程度与制备时长的关系见表5。
表5 SBS改性沥青老化程度与老化时间关系Tab.5 Relationship between aging degree and aging time of SBS modified asphalt
将制备好的老化沥青按照表4方案分别制备含纤维的再生沥青，其中再生剂用量为老化沥青质量的4%。采用DF-1017集热式恒温加热磁力搅拌器，控制转速在1 500 r/min，控制温度在150 ℃拌和纤维沥青。将拌和好的纤维沥青摊铺在玻璃板上，未发现明显成团现象，说明在该条件下拌和纤维沥青基本能达到预期效果。
1.3 试验方法
采用25℃针入度、软化点、15℃延度指标评价含纤维的再生沥青性能。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20—2011）中步骤分别进行再生沥青的25℃针入度、软化点、15℃延度试验。
根据设计试验方案，分别测试再生沥青的25℃针入度、软化点、15℃延度，结果见表6。
表6 试验结果Tab.6 Test results
2.1 极差分析
根据极差分析的结果来判断各个因素在不同水平下对沥青基本性能的影响程度，因素极差越大，说明该因素的影响越大，反之影响越小。试验结果的极差分析结果见表7。
表7 极差分析结果Tab.7 Range analysis results
表7结果表明，三种因素对针入度的影响程度从高到低为：老化沥青比例（A）＞纤维掺量（B）＞老化沥青程度（C），使得针入度达到最小的最优组合条件是老化沥青比例50%、纤维掺量6%、老化沥青程度10～20。老化沥青比例是影响纤维沥青针入度指标的主要因素，随着老化沥青比例的增加，纤维沥青的针入度明显减小，老化沥青比例为 50%时针入度最小，其中聚酯纤维沥青较0和30%老化沥青比例的针入度降低了45.1%、13.9%。三种因素对软化点的影响程度从高到低为：纤维掺量（B）＞老化沥青比例（A）＞老化沥青程度（C），使得软化点达到最大的最优组合条件是纤维掺量6%、老化沥青比例50%、老化沥青程度10～20。纤维掺量是影响纤维沥青软化点指标的主要因素，纤维掺量所占分量越大，纤维沥青的软化点呈增大态势，纤维掺量为6%时软化点最大，其中聚酯纤维沥青较0和3%掺量的软化点增加了17.2%、7.5%，这是因为纤维交错于沥青形成了网状结构。三种因素对延度的影响程度顺序从高到低为：老化沥青比例（A）＞纤维掺量（B）＞老化沥青程度（C），使得延度达到最小的最优组合条件是老化沥青比例50%、纤维掺量6%、老化沥青程度10～20。老化沥青比例是影响纤维沥青延度指标的主要因素，老化沥青所占分量越大，纤维沥青的延度越小，老化沥青比例为50%时延度最小，其中聚酯纤维沥青较0和30%比例的延度跌落了87.6%、68.6%。
综上，极差分析结果表明老化沥青含量、纤维掺量和老化沥青程度对沥青性能均有不同程度的影响，其中老化沥青比例对沥青25℃针入度、15℃延度性能影响较大，纤维掺量对沥青软化点性能影响显著。
2.2 纤维对再生沥青性能影响
上述研究表明，纤维对再生沥青的性能有影响。为研究纤维对再生沥青的影响程度，以30%老化沥青含量，老化程度为20～30（0.1 mm）制备的再生沥青为例，将不同纤维掺量与再生沥青混合并充分搅拌，测试再生沥青的性能指标，分析纤维掺量对沥青性能影响的变化趋势。不同纤维掺量的沥青25℃针入度、软化点、15℃延度变化趋势如图1～图3所示。
图1 纤维掺量与针入度关系Fig.1 Relationship between fiber content and penetration
图2 纤维掺量与软化点关系Fig.2 Relationship between fiber content and softening point
图3 纤维掺量与延度关系Fig.3 Relationship between fiber content and ductility
由图1可见，沥青的针入度随纤维掺量的增加呈下降的趋势。此外，2%纤维掺量是针入度衰减幅度变化的关键掺量，单位纤维掺量情况下沥青25℃针入度在0～2%纤维掺量时的衰减量为0.36 mm，而2%～6%纤维掺量时的衰减量为0.18 mm。由图2可见，沥青软化点指标随纤维掺量的增加而增加，单位纤维掺量情况下的沥青软化点在0～2%纤维掺量时的增幅为3.7℃，2%～6%纤维掺量时的增幅为2.7℃，2%纤维掺量是沥青软化点增幅变化的关键掺量。由图3可见，沥青15℃延度指标随纤维掺量的增加而降低，单位纤维掺量情况下的沥青15℃延度在0～2%纤维掺量时的降幅为5.75 mm，2%～6%纤维掺量时的降幅为2.65 mm，2%纤维掺量是沥青15℃延度降幅变化的关键掺量。
综上，2%纤维掺量是影响沥青性能变化的关键掺量。沥青性能的变化主要是因为纤维经过搅拌均匀分散于沥青，使得含有纤维的沥青在进行25℃针入度、软化点、15℃延度试验时，受纤维影响，含纤维的沥青阻碍针入度探针进入沥青，导致针入度降低。在进行软化点试验时，纤维在沥青内部形成的网状结构阻碍了软化点钢球的运动，导致软化点升高[9]。在进行延度试验时，纤维在沥青内部的网状结构有效约束了沥青的变形，导致延度降低。此外，当纤维用量较低时，纤维在沥青中分布较为均匀，可以显著改善沥青性能。然而，纤维掺量较高时，纤维在沥青中趋于饱和，对沥青改善效果将降低。因此，可通过掺加一定含量的纤维来改善沥青及沥青混合料性能，间接保障再生沥青混合料的生产施工质量。
（1）再生沥青的软化点受纤维掺量的影响最大，而25℃针入度、15℃延度受老化沥青含量影响最大。
（2）再生沥青的25℃针入度、15℃延度随纤维掺量的增加而逐渐降低，软化点则反之。
（3）2%纤维掺量是影响再生沥青性能显著变化的关键掺量。
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