地震建筑廢棄物制備的瀝青混合料的性能研究＊

孫藝涵 吳少鵬 朱繼青 鐘進軍 王冬明

（武漢理工大學材料科學與工程學院1） 武漢 430070）

（武漢理工大學硅酸鹽材料工程教育部重點實驗室2） 武漢 430070）

0 引 言

2008年5月12日14時28分，四川省汶川縣附近發(fā)生里氏8.0級特大地震災害，地震使得大量房屋建筑倒塌，產生了數量巨大的建筑廢棄物.地震建筑廢棄物的再生利用，一直是災后重建過程中的一項重要工作，這些建筑廢棄物被加工成空心磚、實心磚、保溫磚、模塊磚、透水磚、聲屏障等產品［1－2］，在災后重建的過程中發(fā)揮了重大作用.同時，近年來國內外的研究者越來越多地將建筑廢棄物應用于瀝青混合料［3－4］.為進一步提高地震建筑廢棄物的再生利用率，本文提出利用地震建筑廢棄物制備瀝青混合料的新方案，并對瀝青混合料的性能進行研究，以期拓寬地震建筑廢棄物的利用領域.

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

圖1 地震建筑廢棄物再生骨料的組成成分

試驗采用成都德濱環(huán)保材料公司生產的地震建筑廢棄物再生骨料，其組成成分如圖1所示，基本性能指標如表1～2所列.由表1～2可知，該再生骨料的大多數性能指標均能夠滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40－2004）［5］對天然骨料的相關技術要求，但由于組成成分的復雜性，其洛杉磯磨耗值和吸水率2個性能指標不能滿足對天然骨料的技術要求.試驗采用的瀝青為韓國SK能源公司生產的AH－70重交石油瀝青，基本性能指標如表3所列.礦粉產自湖北省麻城市，基本性能指標如表4所列.

表1 地震建筑廢棄物再生粗骨料的基本性能指標

表2 地震建筑廢棄物再生細骨料的基本性能指標

表3 AH－70重交石油瀝青的基本性能指標

表4 礦粉的基本性能指標

1.2 試驗方法

試驗利用地震建筑廢棄物再生骨料制備AC－25型瀝青混合料，并對瀝青混合料的性能進行研究.瀝青混合料的礦料級配設計和最佳油石比確定均依據《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40－2004）的規(guī)定進行，并采用貝雷法中的CA值［6］設計指標對瀝青混合料的礦料級配進行控制.瀝青混合料制備完成后，依據我國《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ 052－2000）［7］的規(guī)定對瀝青混合料的水穩(wěn)定性能（浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度試驗和凍融劈裂試驗）、高溫性能（高溫車轍試驗）和低溫性能（低溫三點彎曲試驗）進行測試.

2 結果與討論

2.1 材料組成設計

試驗采用最大公稱粒徑為26.5mm，目標空隙率為5%的AC－25型瀝青混合料，合成級配曲線如圖2所示，該礦料級配的CA值為0.86.在進行瀝青混合料的材料組成設計時，空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、馬歇爾穩(wěn)定度和流值是最重要的設計指標.依據這些設計指標進行最佳油石比的優(yōu)選，最終確定的最佳油石質量比為8.2%.在最佳油石比條件下，瀝青混合料的設計指標如表5所列，均滿足相關規(guī)范的對天然骨料瀝青混合料的技術要求.與天然骨料瀝青混合料相比，利用地震建筑廢棄物制備的瀝青混合料的最佳油石比較高，這與所采用的再生骨料的吸水率較大有關.

圖2 瀝青混合料（AC－25）的礦料級配圖

表5 瀝青混合料的設計指標

2.2 水穩(wěn)定性能

水和骨料相互作用導致的水損害是我國瀝青路面早期破壞的主要原因之一.瀝青混合料發(fā)生水損害后，瀝青與骨料脫離，從而使瀝青路面出現松散、剝離、坑洞等病害，嚴重危害瀝青路面的使用性能［8］.試驗采用文獻［7］規(guī)定的浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性能.試驗方法分別參照文獻［7］中的T 0709－2000和T 0729－2000.

2.2.1 浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度

浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度試驗通過試件浸水前后馬歇爾穩(wěn)定度的變化情況來反映瀝青混合料的抗水損害能力，用浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性能.浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度的計算式如式（1）.浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度越大，瀝青混合料的水穩(wěn)定性能越好.

式中：MS為試件的浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度，%；MS1為試件浸水48h后的馬歇爾穩(wěn)定度，kN，即浸水馬歇爾穩(wěn)定度；MS0為試件浸水30～40min后的馬歇爾穩(wěn)定度，kN，即常規(guī)馬歇爾穩(wěn)定度.

通過對瀝青混合料的浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度試驗，可得到瀝青混合料的常規(guī)馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度和浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度，試驗結果如表6.由表6可知，利用地震建筑廢棄物制備的瀝青混合料的浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度達到94.79%，遠遠超過文獻［5］對用于年降雨量大于1 000mm的潮濕地區(qū)的天然骨料熱拌瀝青混合料80%的技術要求.

表6 浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度試驗結果

2.2.2 凍融劈裂

文獻［7］規(guī)定的凍融劈裂試驗是參照美國AASHTO T283試驗方法提出來的，是一種簡化了的Lottoman試驗方法.凍融劈裂試驗通過試件凍融前后劈裂抗拉強度的變化情況來反映瀝青混合料的抗水損害能力，用凍融劈裂抗拉強度比來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性能.凍融劈裂抗拉強度比的計算式如式（2）.凍融劈裂抗拉強度比越大，瀝青混合料的水穩(wěn)定性能越好.

式中：TSR為試件的凍融劈裂抗拉強度比，%；R1為試件凍融后的劈裂抗拉強度，MPa，即凍融劈裂抗拉強度；R0為試件未凍融時的劈裂抗拉強度，MPa，即常規(guī)劈裂抗拉強度.

通過對瀝青混合料的凍融劈裂試驗，可以得到瀝青混合料的常規(guī)劈裂抗拉強度、凍融劈裂抗拉強度和凍融劈裂抗拉強度比，試驗結果見表7.由表7可知，利用地震建筑廢棄物制備的瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比達到82.42%，超過文獻［5］對用于年降雨量大于1 000mm的潮濕地區(qū)的天然骨料熱拌瀝青混合料75%的技術要求.

表7 凍融劈裂試驗結果

2.3 高溫性能

為了保證高溫季節(jié)瀝青路面在行車荷載反復作用下不產生波浪、推移、車轍、擁包等病害，瀝青路面應具有良好的高溫性能.瀝青路面的高溫性能習慣上是指瀝青混合料在荷載作用下抵抗永久變形的能力，主要表現為車轍［9］.通常采用文獻［7］規(guī)定的高溫車轍試驗來評價瀝青混合料的高溫性能，試驗方法參照該規(guī)定中的T 0719－1993.

高溫車轍試驗是在規(guī)定的溫度（60℃）下通過板狀試件與車輪間的往復相對運動，使試塊在車輪的重復作用下產生壓密、剪切、推移和流動，從而產生車轍，使用試驗儀器將試件的變形量和試驗時間進行測定，用動穩(wěn)定度來評價瀝青混合料的高溫性能.動穩(wěn)定度越大，瀝青混合料的高溫性能越好.

通過對瀝青混合料的高溫車轍試驗，可以得到高溫車轍試件試驗過程中不同時間的變形量和瀝青混合料的動穩(wěn)定度，分別如圖3和表8所示.由表8可知，利用地震建筑廢棄物制備的瀝青混合料的動穩(wěn)定度達到2 127次／mm，遠遠超過文獻［5］對用于7月平均最高氣溫高于30℃的夏季炎熱地區(qū)的天然骨料熱拌瀝青混合料1 000次／mm的技術要求.

圖3 高溫車轍試件變形量隨試驗時間的變化

表8 高溫車轍試驗結果

2.4 低溫性能

瀝青路面在晝夜溫差較大地區(qū)或遭遇溫度驟降時，會由于溫度應力的作用而產生裂縫.瀝青路面低溫縮裂在我國寒冷地區(qū)非常普遍，嚴重危害瀝青路面的使用性能，是瀝青路面破壞的主要形式之一［10－13］.通常采用文獻［7］規(guī)定的低溫三點彎曲試驗來評價瀝青混合料的低溫性能，試驗方法參照該規(guī)定中的T 0715－1993.

低溫三點彎曲試驗是通過在低溫下試件的彎曲破壞情況（荷載、撓度等）來計算瀝青混合料的抗彎拉強度、最大彎拉應變和彎曲勁度模量，計算式分別如式（3）～（5），并以此來評價瀝青混合料的低溫性能.其中，文獻［7］對瀝青混合料低溫三點彎曲試驗最大彎拉應變做出了技術要求.

在－10℃條件下，采用UTM－25飼服試驗機系統對瀝青混合料進行低溫三點彎曲試驗，通過試驗得到的荷載－撓度曲線和抗彎拉強度、最大彎拉應變、彎曲勁度模量等指標分別如圖4和表9所示.由表9可知，利用地震建筑廢棄物制備的瀝青混合料的最大彎拉應變達到2 483×10－6，超過文獻［5］對用于年極端最低氣溫在－21.5℃至－37.0℃之間的冬季寒冷地區(qū)的天然骨料熱拌瀝青混合料2 300×10－6的技術要求.

式中：RB為試件的抗彎拉強度，MPa；L為試件的跨度，mm；PB為試件破壞時的最大荷載，N；b為試件的寬度，mm；h為試件的高度，mm；εB為試件的最大彎拉應變；d為試件破壞時的跨中撓度，mm；SB為試件的彎曲勁度模量，MPa.

圖4 低溫三點彎曲試驗的荷載－撓度曲線

表9 低溫三點彎曲試驗結果

3 結 論

1）試驗采用的地震建筑廢棄物再生骨料除洛杉磯磨耗值和吸水率外的其它性能指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40－2004）對天然骨料的技術要求，利用該再生骨料制備的瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、馬歇爾穩(wěn)定度和流值等設計指標也滿足我國相關規(guī)范對天然骨料瀝青混合料的技術要求.

2）與天然骨料瀝青混合料相比，利用地震建筑廢棄物制備的瀝青混合料的最佳油石比較高.

3）利用地震建筑廢棄物制備的瀝青混合料的浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂抗拉強度比、動穩(wěn)定度、最大彎拉應變等性能指標滿足文獻［5］對天然骨料瀝青混合料的技術要求.

［1］陸沈磊，楊德志，黃 海.SEF：實現地震災區(qū)建筑垃圾資源化處理［J］.建設科技，2008（15）：62－63.

［2］左傳長.四川汶川地震災區(qū)建筑垃圾資源化利用設想［J］.再生資源與循環(huán)經濟，2008（9）：27－30.

［3］Xue Y，Hou H，Zhu S.Utilization of municipal solid waste incineration ash in stone mastic asphalt mixture：Pavement performance and environmental impact［J］.Construction and Building Materials，2009，23：989－996.

［4］Huang Y，Bird R N，Heidrich O.A review of the use of recycled solid waste materials in asphalt pavements［J］.Resources，Conservation and Recycling，2007，52：58－73.

［5］交通部公路科學研究所.公路瀝青路面施工技術規(guī)范（JTG F40－2004）［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［6］呂文江，陳愛文，郝培文.貝雷法參數CA比對瀝青混合料性能的影響［J］.長安大學學報：自然科學版，2005，25（4）：5－8.

［7］交通部公路科學研究所.JTJ 052－2000公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2000.

［8］韋金城.國產重交通道路瀝青混合料的水穩(wěn)定性研究［D］.重慶：重慶交通學院交通運輸學院，2004.

［9］劉國鋒.廣韶瀝青路面高溫車轍及其影響因素分析［D］.長沙：長沙理工大學交通運輸工程學院，2006.

［10］徐浩俊.干旱高寒地區(qū)瀝青混合料低溫抗裂性能研究［D］.西安：長安大學公路學院，2008.

［11］郝培文，徐金枝，周懷治.應用貝雷法進行級配組成設計的關鍵技術［J］.長安大學學報：自然科學版，2004（6）：78－82.

［12］陳旭慶，黃曉明，楊 軍.瀝青混合料骨架形成問題的研究［J］.城市道橋與防洪，2003（5）：103－107.

［13］劉朝暉，李宇峙，黃云涌.寬域瀝青路用性能試驗［J］.交通運輸工程學報，2003（1）：121－125.