張 慶，侯德華，史紀村，尚 波，劉廷國

(1.河南省綠色公路路面工程技術研究中心，新鄉(xiāng) 453003；2.河南師范大學綠色化學介質與反應教育部重點實驗室， 新鄉(xiāng) 453007；3.河南省高遠公路養(yǎng)護技術有限公司，新鄉(xiāng) 453003)

0 引 言

隨著我國公路建設的快速發(fā)展，較大規(guī)模的公路已進入大中修階段，由此每年會產生數(shù)億噸的廢舊瀝青混合料[1]。若將廢舊瀝青路面材料(RAP)廢棄，不但占用土地，浪費資源，而且會導致較嚴重的環(huán)境問題，成為制約我國交通運輸行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸。

石料和瀝青作為舊瀝青路面結構的最主要組成部分，其中石料從性能角度來講并未失效，并且瀝青材料僅發(fā)生部分老化，仍具有一定的使用性能。若將廢舊瀝青混合料作為建筑垃圾廢棄，不符合建設資源節(jié)約型行業(yè)的要求。針對該情況，道路研究人員一直致力于研究更環(huán)保、更節(jié)能的路面循環(huán)再生方法，其中一種有效方法就是乳化瀝青冷再生技術，乳化瀝青冷再生路面由于技術、經(jīng)濟、能源和環(huán)境等方面的優(yōu)勢，已在很多國家得到發(fā)展[2-3]。然而，乳化瀝青冷再生混合料的耐久性問題已經(jīng)嚴重制約其推廣應用[4-6],其主要原因是乳化瀝青冷再生混合料的抗拉伸強度和抗剪切強度較弱。針對此問題，通過添加纖維可以很好地提高瀝青混合料的抗裂性和永久變形能力，同時也能延緩疲勞裂縫的擴展[7]。例如，Shanbara等[8]研究了四種類型纖維對乳化瀝青混合料的性能影響，通過半圓彎曲試驗表明，玻璃纖維提高乳化瀝青混合料的抗拉伸能力最為顯著。Mahrez等[9]研究表明，玻璃纖維作為增強材料的主要功能是在混合料中提供額外的拉伸強度，同時可以吸收混合料在疲勞裂縫發(fā)展或斷裂過程中的應變能，從而改善瀝青混合料的耐久性。此外，田華[10]在其研究中指出，相對木質素纖維而言，玻璃纖維改善瀝青混合料的高溫抗車轍能力相對較差，主要原因在于木質素纖維穩(wěn)定瀝青的作用對于提高瀝青混合料的抗變形能力更加顯著。針對其高溫抗變形能力，蔣應軍等[11]研究了不同纖維類型對乳化瀝青冷再生混合料的路用性能影響，試驗結果表明木質素纖維的高溫性能最好，但其低溫抗裂能力弱于玄武巖纖維及聚酯纖維的改性效果。Su等[12]研究了木質素纖維對再生瀝青混合料的影響，同樣指出，木質素纖維使得再生瀝青混合料的抗車轍性得到顯著提高。

綜上所述，針對不同類型纖維對瀝青混合的路用性能及力學性能的研究較多，且不同類型的纖維對其性能改善的側重點也有所差別，僅通過單用一種纖維很難同時提高乳化瀝青混合料的各項性能。因此，可以采用多種類型纖維混雜使用，通過兼顧不同特性纖維的配比設計，更好地發(fā)揮不同類型纖維對瀝青混合料的改善作用，以提高瀝青混合料的綜合性能[13-14]。同時，道路材料領域的新挑戰(zhàn)是將不同工業(yè)產生的廢舊物應用于道路工程中，這些材料是日常生活中的廢棄物或自然界中容易獲得的廢物，例如廢食用油、工業(yè)礦渣等已經(jīng)在道路材料的研究中得到應用[15-16]。基于此，試驗采用木質素纖維和廢舊玻璃纖維，通過混雜配比設計，研究混雜纖維在不同摻量及比例條件下，對乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能、高溫抗變形能力及低溫抗拉伸能力的影響，并基于主成分分析方法，建立了主成分綜合得分評價模型，得出最佳的混雜纖維配比，以期為混雜纖維改性乳化瀝青冷再生混合料的性能優(yōu)化及應用提供參考。

1 實 驗

1.1 原材料

(1)乳化瀝青

試驗選用的乳化瀝青為河南威森德道路材料有限公司生產，主要技術指標符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)，如表1所示。

表1 乳化瀝青性能指標Table 1 Performance index of emulsified asphalt

(2)再生劑

為改善舊瀝青混合料中老化瀝青的性能，試驗選用自主研發(fā)的滲透性活化再生劑，其性能指標見表2。

表2 再生劑性能指標Table 2 Performance index of regenerant

(3)廢舊纖維

圖1 廢舊玻璃纖維及木質素纖維Fig.1 Waste glass fiber and lignin fiber

混雜廢舊纖維由廢舊玻璃纖維和廢舊木質素纖維組成，廢舊玻璃纖維由河南省科學院化學研究所提供，主要以玻璃球或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲而成；木質素纖維由河北廊坊市某公司提供，外觀如圖1所示，其性能指標見表3。

(4)回收瀝青路面材料(RAP)

RAP料為新鄉(xiāng)市城市道路主干道大中修過程的銑刨料，并篩分為四檔，0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～16 mm，其主要技術指標見表4。經(jīng)檢測，RAP料各項性能指標均滿足《公路瀝青路面再生技術規(guī)范》(JTG F41—2008)和《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)相關要求。

表3 纖維性能指標Table 3 Performance index of fiber

表4 RAP料性能指標Table 4 Performance index of RAP material

(5)新集料、水泥、水

為調節(jié)混合料的級配，試驗添加了10～16 mm規(guī)格的石灰?guī)r碎石，性能指標均滿足規(guī)范要求。主要技術指標符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)，見表5所示。

表5 石灰?guī)r集料技術指標Table 5 Technical indexes of limestone aggregate

為提高乳化瀝青混合料的路用性能，往往需要在混合料中添加水泥，添加量一般是集料質量的1.5%～2%，其作用在于：一方面，水泥可以加快乳化瀝青的破乳，提高混合料早期強度；另一方面，水泥與混合料中多余的水發(fā)生水化反應，其水化產物與瀝青薄膜交織在一起，可以形成空間互穿立體網(wǎng)絡結構包裹在集料表面，從而改善乳化瀝青混合料的力學性能[6,17]。試驗水泥采用標號為C42.5的普通硅酸鹽水泥,試驗用水為自來水。

1.2 試驗方案

(1)試驗設計

根據(jù)RAP料和新集料的篩分結果確定乳化瀝青冷再生混合料的級配，合成級配見表6。

表6 乳化瀝青冷再生混合料級配設計Table 6 Gradation design of emulsified asphalt cold recycled mixture

為減少其它因素的影響，僅考慮混雜纖維對乳化瀝青冷再生混合料的影響，并根據(jù)試驗經(jīng)驗選取乳化瀝青用量為4%，再生劑用量為10%，水泥用量為1.5%?；祀s纖維的配比設計見表7。

表7 混雜纖維摻量及比例設計Table 7 Blended fiber content and proportion design

試驗采用纖維分散效果較好的雙軸攪拌機進行拌合，如圖2所示。拌合順序為，先將RAP料攪拌后，加入再生劑攪拌，燜料30 min。接著加入新集料和混雜纖維攪拌，攪拌均勻后加入水進行濕拌，之后再加入水泥充分拌合，最后添加乳化瀝青拌合。拌合完成后將混合料分別裝入試模，采用旋轉壓實儀壓實成型并進行養(yǎng)生，先在標養(yǎng)室養(yǎng)生6 d，再放入烘箱在60 ℃下保持24 h。

圖2 乳化瀝青冷再生混合料攪拌機及旋轉壓實儀Fig.2 Mixer and rotary compactor for emulsified asphalt cold recycled mixture

(2)試驗方法

圖3 UTM-25測試試驗機Fig.3 UTM-25 testing machine

試驗參照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)，通過瀝青混合料車轍試驗和低溫彎曲試驗評價乳化瀝青混合料的高溫抗變形能力和低溫拉伸能力。

采用間接拉伸模量(ITSM)試驗分析乳化瀝青混合料的勁度模量。ITSM試驗在20 ℃下進行，并按照BS EN 12697-26的要求，測試條件如表8所示。試驗儀器選用UTM-25試驗機，如圖3所示。

疲勞開裂是影響路面質量和使用壽命的主要病害之一，而間接拉伸劈裂試驗可以使馬歇爾試件在重復施加荷載的垂直方向產生均勻拉應力，在不斷地間接拉伸中導致試件失效，能夠很好地評價試件的疲勞性能。試驗儀器選用UTM-25試驗機，試驗溫度15 ℃，應力水平為300 kPa。

表8 ITSM測試條件Table 8 ITSM test conditions

2 結果與討論

2.1 車轍試驗

圖4 動穩(wěn)定度隨混雜纖維摻量變化柱狀圖Fig.4 Changes of dynamic stability with the amount of hybrid fiber

對不同混雜纖維配比的混合料試件分別進行車轍試驗，從而評價纖維摻量及相應比例對混合料高溫穩(wěn)定性的影響，如圖4所示。

圖4中a線表示未添加纖維混合料的動穩(wěn)定度測試值，可以看出隨著混雜纖維摻量的增加，不同混雜比例的混合料動穩(wěn)定度變化趨勢都是先增加后降低，其混雜纖維最佳摻量為0.3%。可以看出，未添加纖維的乳化瀝青冷再生混合料動穩(wěn)定度相對較低，通過添加混雜纖維使其動穩(wěn)定度最高增幅達18%。分析其原因，由于再生混合料中添加有再生劑，增加了新舊瀝青界面融合程度，因此可以對老化瀝青進行一定程度的活化再生，但由于再生劑的加入導致瀝青黏結料變軟，并且使得油石比相對較高，致使動穩(wěn)定度較低。而木質素纖維的吸油率大，可以對混合料中多余再生劑的輕質組分產生吸附和穩(wěn)定作用，從而在適量摻量下可以起到“增黏穩(wěn)油”的效果。玻璃纖維的加入主要起到“加筋”作用，通過形成互相搭接的空間網(wǎng)絡結構，限制集料的位移。當其摻量超過0.3%時，混合料的動穩(wěn)定度有所下降，一方面在于纖維過多不易分散，與瀝青膠漿結團成束，在混合料中形成受力薄弱點。另一方面，過多的纖維摻量會造成油石比偏低，黏結能力下降，致使其高溫抗變形能力有所降低。

當混雜纖維的摻加量相同時，隨著M玻璃纖維∶M木質素纖維的增加，其動穩(wěn)定度變化規(guī)律有所差別，當混雜纖維摻量為0.1%時，隨著M玻璃纖維∶M木質素纖維的增加，混合料的高溫抗變形能力逐漸降低，這主要是此摻量下的木質素纖維 “增黏穩(wěn)油”作用更加明顯，其所占比例相對越低，越不利于混合料的高溫穩(wěn)定性。當混雜纖維摻量為0.3%和0.5%時，隨著M玻璃纖維∶M木質素纖維的增加，混合料的高溫抗變形能力先增加后降低。分析結果可以看出，混雜纖維的最佳改性效果優(yōu)于相對于單用木質素纖維或玻璃纖維的混合料，說明在木質素纖維提供“增黏穩(wěn)油”的環(huán)境下，通過加入適當玻璃纖維可以進一步提高乳化瀝青冷再生混合料的抗車轍性能，這主要是因為均勻分散的纖維相互橋接形成空間網(wǎng)狀連接體系，對瀝青膠漿及粗集料起到一定的“箍鎖”作用，限制了混合料的高溫流動變形。

2.2 低溫彎曲試驗

對不同混雜纖維配比的混合料試件分別進行低溫彎曲試驗，從而評價纖維摻量對混合料低溫拉伸性能的影響，結果如圖5所示。

從圖5可知，隨著混雜纖維摻量的增加，不同比例纖維混合料的彎拉應變變化趨勢為先增加后降低。這主要在于混雜纖維摻量過大，會影響其自身的均勻分散性，使其性能降低，與上述分析相一致。

圖5 彎拉應變隨混雜纖維摻量變化曲線Fig.5 Change curves of bending tensile strain with the amount of hybrid fiber

圖6 ITSM隨混雜纖維摻量變化曲線Fig.6 Change curves of ITSM with the amount of hybrid fiber

當混雜纖維的摻加量相同時，隨著M玻璃纖維∶M木質素纖維的增加，其低溫彎拉應變先增加后減少，最佳M玻璃纖維∶M木質素纖維為 7∶3。與最佳混雜纖維配比相比，M玻璃纖維∶M木質素纖維為 10∶0時，其低溫彎拉應變降幅14%，這主要是由于再生劑的加入增加了冷再生混合料中黏結料的輕質組分，而玻璃纖維的吸油率較低，穩(wěn)定膠漿的能力弱，致使玻璃纖維與含再生劑膠漿的握裹力不足，在抗拉伸的過程中不能充分發(fā)揮玻璃纖維的抗拉能力，從而造成乳化瀝青冷再生混合料的低溫彎拉應變大幅度降低，適量木質素纖維的加入則顯著提升其低溫彎拉性能，這也體現(xiàn)了木質素纖維對玻璃纖維的復配效應。

2.3 間接拉伸模量試驗

對不同混雜纖維配比的混合料試件分別進行間接拉伸模量試驗，從而評價纖維摻量及相應比例對混合料勁度模量(SM)的影響，結果如圖6所示。

間接拉伸模量可以反映乳化瀝青冷再生混合料的力學特征，從圖6可知，隨著混雜纖維摻量的增加，不同混雜比例的混合料勁度模量變化趨勢都是先增加后降低。當只摻加木質素纖維時，其最佳摻量為0.1%，相對于未添加纖維的混合料，其間接拉伸模量增幅6%；當只摻加玻璃纖維時，其最佳摻量為0.3%，相對于未添加纖維的混合料，其間接拉伸模量增幅18%；當使用混雜纖維時，其最佳摻量為0.3%，相對于未添加纖維的混合料，其間接拉伸模量最高增幅達到22%。因此可以看出，通過混雜纖維配比設計，可以使乳化瀝青冷再生混合料的力學性能進一步得到提高。

當混雜纖維的摻加量相同時，隨著M玻璃纖維∶M木質素纖維的增加，其勁度模量先增加后減低，最佳M玻璃纖維∶M木質素纖維為 7∶3。說明隨著玻璃纖維總摻量的增大，玻璃纖維的橋接加筋作用逐漸突顯，在木質素纖維“增黏穩(wěn)油”作用下，更能起到增加乳化瀝青冷再生混合料內摩阻力的作用，從而進一步提高混合料的力學性能。當M玻璃纖維∶M木質素纖維為 10∶0時，其勁度模量下降幅度有所減緩，這主要在于間接拉伸模量試驗屬于非破壞性試驗，試驗設置水平變形量為5 μm，在此條件下，玻璃纖維的加筋作用仍然可以起到傳力、消散應力的作用。

2.4 間接拉伸疲勞試驗

圖7 疲勞壽命隨混雜纖維摻量變化曲線Fig.7 Change curves of fatigue life changing with hybrid fiber content

對不同混雜纖維配比的混合料試件分別進行間接拉伸疲勞試驗，從而評價纖維摻量及相應比例對混合料疲勞性能的影響，結果如圖7所示。

由圖7可知，隨著混雜纖維摻量的增加，添加不同比例纖維的混合料疲勞壽命變化趨勢都是先增加后降低，當只摻加木質素纖維時，其最佳摻量為0.1%；當混雜纖維中含有玻璃纖維時，其最佳摻量為0.3%。這與低溫彎曲應變和勁度模量評價指標的變化規(guī)律相一致。

當混雜纖維的摻加量相同時，隨著M玻璃纖維∶M木質素纖維的增加，其抗疲勞性能先增加后減低，最佳M玻璃纖維∶M木質素纖維為 7∶3。其原因主要在于兩種纖維的作用機理不同，木質素纖維起到“吸附增黏”作用，通過吸附瀝青，增強對細集料的握裹力，進而提高瀝青膠漿與集料之間的黏附性；玻璃纖維起到“加筋阻裂”作用，玻璃纖維形成的空間網(wǎng)絡結構可以約束集料滑移，同時，在產生微裂紋后，橫跨裂縫兩端的纖維可以將應力傳遞到裂縫兩側的骨料中，從而使應力得到消解，延緩微裂紋的發(fā)展，增強混合料的抗裂能力。因此，隨著玻璃纖維的增加，其疲勞壽命得到提高。但是當只使用玻璃纖維時，由于玻璃纖維吸附瀝青的能力有限，并且由于再生劑導致膠漿黏度降低，造成瀝青膠漿對玻璃纖維的握裹力不足，致使其疲勞性能相對較低。

綜上所述，乳化瀝青冷再生混合料中添加再生劑后，其路用性能和力學性能有所降低，主要原因在于再生劑是由輕質組分組成，會導致瀝青黏結料變軟，致使混合料的黏聚力有所降低?；祀s纖維的加入會有效改善含再生劑乳化瀝青冷再生混合料的路用性能，其機理主要有以下兩方面:

(1)吸附與增黏作用：木質素纖維具有帶狀彎曲、表面凹凸、質地疏松多孔的微觀結構特點，且其長度和直徑較小，比表面積大，具有很強的吸油效果，根據(jù)浸潤理論，混合料中多余再生劑的輕質組分對木質素纖維浸潤性好，可以吸附大量的瀝青，形成界面層的結構瀝青，此界面層裹覆在集料表面，使得瀝青膜厚度增加，提高纖維瀝青膠漿的黏度，增加混合料的黏聚力，從而可以使混合料的高溫抗變形能力得到顯著提高。同時，木質素纖維具有許多毛細管道，可以將輕質組分從濃度大的區(qū)域向濃度小的區(qū)域進行傳導，促進混合料中輕質組分的均勻分布，保證瀝青成膜的均勻性，提高木質素纖維與瀝青膠漿的結合力，改善乳化瀝青冷再生混合料的耐久性。

(2)加筋與阻裂作用：廢舊玻璃纖維的吸水性小，易于分散，且具有良好的力學性能，抗斷裂強度高，可以起到加筋、增韌、阻裂等補強作用。首先，分散性較好的玻璃纖維可以避免纖維瀝青膠漿聚集成團，提高玻璃纖維的分散效果。其次，在混合料中混雜纖維之間相互交叉與搭接，玻璃纖維縱橫交錯形成纖維骨架網(wǎng)狀結構，提高了玻璃纖維與瀝青膠漿的機械錨合作用。當纖維與集料受外力作用發(fā)生相對位移時，玻璃纖維受拉，會牽動相鄰纖維共同受力，形成三維立體的受力結構，使荷載均勻分散到其它區(qū)域，延緩混合料微裂紋的發(fā)展。同時玻璃纖維的三維網(wǎng)狀結構也能約束集料的滑移，從而顯著改善乳化瀝青冷再生混合料的路用性能和力學性能。

因此，通過考慮兩種不同類型纖維的特點，同時兼顧兩種纖維的改善作用，實現(xiàn)混雜纖維性能互補的優(yōu)勢，與單摻其中一種纖維的混合料性能相比，混雜纖維乳化瀝青冷再生混合料的綜合性能最優(yōu)。

2.5 基于主成分分析法的混雜纖維乳化瀝青冷再生混合料綜合性能評價

通過圖4～圖7的分析可知，測試指標對應的最佳纖維摻量及比例都有所差別，因此很難定量對其進行綜合評價分析。而主成分分析法(Principal Component Analysis)是一種使用廣泛的數(shù)據(jù)降維算法[18-19]。該方法可以將評價指標按照一定的算法進行轉換，以消除評價因素之間的相互影響，形成彼此相互獨立的主成分，使評價結果更合理、客觀?；诖?，本文采用MATLAB的主成分分析程序對不同摻量及比例的混雜纖維乳化瀝青冷再生混合料的性能評價進行分析，選取的原始評價指標如表9所示。

表9 不同摻量及比例的混雜纖維乳化瀝青冷再生混合料的性能特征Table 9 Blended performance characteristics of cold recycled hybrid fiber emulsified asphalt mixture with different content and proportion

通過MATLAB中相應的主成分分析函數(shù)對原數(shù)據(jù)進行標準化處理，采用Princomp函數(shù)對標準化后的評價指標進行主成分分析，并提取主成分分析的特征值與方差貢獻率，及主成分載荷圖，如表10、圖8所示。

表10 主成分分析的特征值與方差貢獻率Table 10 Characteristic and variance contribution rate of principal component analysis

圖8 主成分載荷圖Fig.8 Principal component load diagram

由表10可知，通過主成分分析法可以將不同摻量及比例的混雜纖維乳化瀝青冷再生混合料的性能影響因素轉化為兩個主成分。從分析結果可以看出，主成分PC1的貢獻率為80.114%，主成分PC2的貢獻率為14.002%，兩個主成分的累計貢獻率到達94.116%，說明這兩個主成分可以體現(xiàn)出乳化瀝青冷再生混合料綜合性能94.116%的信息，提取較為完全，可以將主成分PC1和PC2作為主要分析目標。

由圖8可知，當混雜纖維摻量相同時，隨著M玻璃纖維∶M木質素纖維比例的增加，其載荷值沿著主成分PC1軸先增加后減小，說明第一主成分PC1反映了兩種纖維混雜比例因素對乳化瀝青冷再生混合料的性能影響。當M玻璃纖維∶M木質素纖維比例相同時，隨著混雜纖維摻量的增加，其載荷值的總體趨勢沿著主成分PC2軸逐漸增加，說明第二主成分是混雜纖維摻量對其性能的影響。通過對比主成分PC1和主成分PC2的貢獻率，定量說明了兩種纖維的混雜比例因素對乳化瀝青冷再生混合料綜合性能有著更加顯著影響。

為構建兩個主成分的得分評價模型，計算兩個主成分在不同混雜纖維摻量及比例下乳化瀝青冷再生混合料性能評價指標的因子載荷，如表11所示。

表11 不同摻量及比例的混雜纖維乳化瀝青冷再生混合料性能評價指標的因子載荷Table 11 Factor load of performance evaluation indexes of hybrid fiber emulsified asphalt cold recycled mixture with different dosage and ratio

將各個評價指標變量的主成分載荷量除以其對應特征值的算數(shù)平方根，可計算出每個評價指標變量在主成分上的特征向量，以此為權重計算兩個主成分的得分表達式如下：

F1=0.304X1+0.282X2+0.231X3+0.295X4

(1)

F2=-0.243X1-0.53X2+1.189X3-0.177X4

(2)

主成分的綜合得分評價模型是由每個主成分得分與其對應的貢獻率乘積總和算出，即：

F=0.801 14F1+0.140 02F2

(3)

將原始數(shù)據(jù)標準化后依次代入上述公式，可以得到不同混雜纖維摻量及比例下乳化瀝青混合料的主成分綜合得分，如表12所示。

表12 不同摻量及比例的混雜纖維乳化瀝青冷再生混合料的主成分綜合得分Table 12 Comprehensive scores of main components of hybrid fiber emulsified asphalt cold recycled mixtures with different blending amounts and ratios

由表12可知，不同摻量及比例的混雜纖維乳化瀝青冷再生混合料的主成分綜合得分前三名：0.3(7∶3)>0.3(5∶5)>0.5(7∶3)。說明混雜纖維摻加量為0.3%，M玻璃纖維∶M木質素纖維為 7∶3時，乳化瀝青冷再生混合料的綜合性能最佳。

3 結 論

(1)混雜纖維乳化瀝青冷再生混合料的高溫抗變形能力、低溫抗裂能力以及疲勞性能相對于單用一種纖維得到進一步提高。說明在木質素纖維提供“穩(wěn)油增黏”的環(huán)境下，結合加入適量玻璃纖維可以有效改善乳化瀝青冷再生混合料的路用性能和力學性能。

(2)基于主成分分析方法表明，兩種纖維的混雜比例因素與摻量因素對乳化瀝青冷再生混合料的性能影響分別占到80.114%和14.002%，定量說明了混雜纖維的混雜比例因素對乳化瀝青冷再生混合料綜合性能有著更加顯著的影響。

(3)通過構建主成分得分評價模型并進行分析計算，結果表明當混雜纖維摻加量為0.3%，M玻璃纖維∶M木質素纖維為 7∶3時，乳化瀝青冷再生混合料的綜合性能最佳。