再生集料泡沫瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)及路用性能

鄒桂蓮，孫學(xué)楷，劉新海

1. 華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641 2. 廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420

0 引言

“綠色發(fā)展”是當(dāng)下中國的重要發(fā)展方向之一，因此研究低碳、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的綠色鋪面技術(shù)及材料具有重大意義。將再生混凝土集料（Recycled Concrete Aggregate，RCA）應(yīng)用于道路工程，既能減少對天然石料的開采，又能大量消耗道路工程以及其他土木工程在建設(shè)、維修、改擴(kuò)建工程中產(chǎn)生的固體廢棄物，環(huán)保效益突出[1-2]。將RCA取代天然集料，以無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料的形式鋪筑道路的基層或底基層相關(guān)研究與工程實(shí)踐較多[3-4]。再生集料與瀝青的黏附性好，已有研究表明，質(zhì)量較好的再生粗集料可取代部分天然集料應(yīng)用于熱拌瀝青混合料中[5]。與熱拌瀝青混合料相比，冷拌泡沫瀝青混合料拌合過程中產(chǎn)生的CO2可減少30%，煙塵排放量可減少50%~60%，能源消耗只有熱拌瀝青混合料的70%，且一般使用在瀝青路面的較低層位（下面層或柔性基層），對集料要求較低，結(jié)構(gòu)厚度大，可大量消耗再生集料，經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益顯著[6-7]。

《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）僅對回收的瀝青混合料的泡沫冷再生技術(shù)進(jìn)行了規(guī)范，而目前對使用再生集料的泡沫瀝青冷再生混合料的相關(guān)研究較少，沒有適用的規(guī)范。因此，本文開展再生集料泡沫瀝青混合料的設(shè)計(jì)與性能研究，為再生集料于泡沫瀝青混合料的工程提供依據(jù)，為提出再生集料泡沫瀝青混合料的相關(guān)技術(shù)要求奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)使用的主要原材料有70#普通瀝青、天然花崗巖集料及建筑垃圾再生集料、礦粉和水泥。

1.1 瀝青

用于發(fā)泡的70#普通瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2 集料

天然集料為清遠(yuǎn)貴田石場生產(chǎn)的花崗巖集料，再生集料選用廣州市冠南環(huán)境工程科技有限公司廣鋼新城再生集料生產(chǎn)線生產(chǎn)的0~5 mm、5~10 mm以及10~20 mm粒徑擋的再生集料。集料的主要技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表2所示。

與天然集料相比，再生集料的密度低、吸水率高、粒徑小于0.075 mm的顆粒含量大；但再生集料中粒徑小于0.075 mm的顆粒主要是混凝土中的砂漿，而非有害的泥土。壓碎值與洛杉磯磨耗值增大，但基本滿足各等級公路中面層及以下結(jié)構(gòu)層集料的技術(shù)要求。

表1 70#瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

表2 天然集料與再生集料的主要技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

1.3 水泥與礦粉

水泥采用海螺水泥廠生產(chǎn)的42.5#普通硅酸鹽水泥，主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。礦粉采用石灰?guī)r礦粉，質(zhì)量滿足技術(shù)要求。

2 再生集料泡沫瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

鑒于目前國內(nèi)外尚無關(guān)于再生集料泡沫瀝青混合料的使用規(guī)范，本文參照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）中冷拌再生泡沫瀝青混合料設(shè)計(jì)方法，提出了再生集料泡沫瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。

2.1 確定瀝青最佳發(fā)泡條件

瀝青發(fā)泡效果良好是保證泡沫瀝青混合料性能的首要技術(shù)環(huán)節(jié)。在瀝青發(fā)泡的諸多影響因素中，發(fā)泡溫度和用水量對瀝青發(fā)泡效果的影響最為顯著[8-9]。分別采用160 ℃、155 ℃、150 ℃、145 ℃四種發(fā)泡溫度以及2%、3%、4%、5%、6%五種用水量組合進(jìn)行瀝青發(fā)泡試驗(yàn)，采用膨脹率和半衰期2個指標(biāo)對瀝青發(fā)泡效果進(jìn)行綜合評價。瀝青發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，最終確定發(fā)泡溫度150 ℃、用水量5.0%為最佳發(fā)泡條件。

圖1 再生集料泡沫瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)流程

2.2 優(yōu)選礦料級配

參照德國Wirtgen公司推薦的泡沫瀝青冷再生混合料級配范圍、《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》中粒式泡沫瀝青冷再生混合料級配以及南非瀝青協(xié)會泡沫瀝青混合料級配，確定3種礦料代表性級配A、B、C，如表4所示。

表3 水泥性能指標(biāo)要求及試驗(yàn)結(jié)果

圖2 瀝青最佳發(fā)泡條件的確定

圖3 級配對劈裂強(qiáng)度的影響

圖4 級配對穩(wěn)定度的影響

在礦料級配優(yōu)選階段采用天然集料，在保持其他因素相同的條件下（拌合用水量為7.3%，水泥用量1.0%，所有試件采用帶模60 ℃烘箱養(yǎng)生48 h，然后帶模室溫養(yǎng)生12 h的組合養(yǎng)生方式），通過比較不同瀝青用量下A、B、C三種礦料級配的泡沫瀝青混合料的15 ℃干劈裂強(qiáng)度和40 ℃馬歇爾穩(wěn)定度，優(yōu)選礦料級配。試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，礦料級配與瀝青用量對劈裂強(qiáng)度的影響顯著，油石比為3.2%時的劈裂強(qiáng)度高于油石比為2.5%的劈裂強(qiáng)度，油石比相同時級配C的劈裂強(qiáng)度高于級配A與級配B，因此優(yōu)選級配C。礦料級配與瀝青用量對馬歇爾穩(wěn)定度（MS）的影響不明顯，3種泡沫瀝青混合料的MS均大于12 kN，區(qū)分度不明顯，遠(yuǎn)超過泡沫冷再生混合料用于下面層時不低于6.0 MPa的技術(shù)要求，起不到指導(dǎo)配合比設(shè)計(jì)的作用，故推薦干濕劈裂強(qiáng)度比（TSR）作為級配優(yōu)選與混合料設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)。

2.3 最佳瀝青用量的確定

表4 礦料級配設(shè)計(jì)

通過改變?yōu)r青含量，對全天然集料、50%再生粗集料、100%再生粗集料、全再生集料的4組泡沫瀝青混合料分別配制、成型、養(yǎng)生，然后進(jìn)行干濕劈裂試驗(yàn)，以混合料干劈裂強(qiáng)度與濕劈裂強(qiáng)度比均較優(yōu)情況下對應(yīng)的瀝青用量作為最佳瀝青用量（以油石比表示），試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。隨著再生集料的摻加，最佳瀝青用量不斷增大，這是因?yàn)樵偕峡紫堵矢弑砻娣e大，且吸附到孔隙中的瀝青也較多。

表5 再生集料泡沫瀝青混合料最佳油石比確定結(jié)果

表6 水泥摻量對泡沫瀝青混合料性能的影響

2.4 水泥摻量的確定

泡沫瀝青混合料中一般摻加不多于1.5%的水泥等活性材料來改善混合料的性能。本文選用100%再生粗集料，用水泥替代部分礦粉，在礦料中的摻量分別為0.5%、1.0%、1.5%，油石比為3.6%，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

摻加水泥不僅能提高泡沫瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度，同時也可以提高其水穩(wěn)定性。泡沫瀝青混合料中的瀝青以“點(diǎn)焊”形式連接集料，因此黏結(jié)作用較弱。摻加少量水泥后，一方面，水泥呈堿性，提高了瀝青與集料的黏結(jié)力；另一方面，水泥水化物與瀝青形成的膠漿復(fù)合物，能夠在混合料中起到“加筋”的填充作用，提高泡沫瀝青混合料的強(qiáng)度。綜合考慮劈裂強(qiáng)度與干濕劈裂強(qiáng)度比，選用水泥摻量為1.5%。

3 再生集料對泡沫瀝青混合料性能的影響

3.1 劈裂強(qiáng)度

再生集料泡沫瀝青混合料可用于路面較低結(jié)構(gòu)層，一般為下面層、柔性基層，以受拉應(yīng)力為主，劈裂試驗(yàn)與其受力狀態(tài)比較符合。15 ℃劈裂試驗(yàn)測得的4種集料類型泡沫瀝青混合料的干劈裂強(qiáng)度如表7所示。結(jié)果表明，劈裂強(qiáng)度隨著再生粗集料摻量的增加而增加，100%再生粗集料泡沫瀝青混合料的干劈裂強(qiáng)度可達(dá)0.82 MPa，比天然集料混合料劈裂強(qiáng)度提高17%。再生集料全部替代天然集料時，泡沫瀝青混合料的干劈裂強(qiáng)度變小，參照泡沫瀝青冷再生混合料對劈裂強(qiáng)度的技術(shù)要求，仍可用于路面下面層。再生粗集料表面裹覆水泥砂漿，增加了與瀝青的黏附能力，且表面粗糙，嵌擠力提高，有利于泡沫瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的發(fā)展。再生細(xì)集料中水泥砂漿量過多，表面疏松，強(qiáng)度較低，使得混合料的劈裂強(qiáng)度由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱。

圖5 再生集料對劈裂強(qiáng)度的影響

3.2 水穩(wěn)定性

本文采用干濕劈裂強(qiáng)度比、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強(qiáng)度比3個指標(biāo)評價再生集料泡沫瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示?？傮w來說，再生集料泡沫瀝青混合料的水穩(wěn)定性優(yōu)異，甚至高于天然集料泡沫瀝青混合料的水穩(wěn)定性。3個指標(biāo)對水穩(wěn)定優(yōu)劣的排序并不一致，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度對再生集料泡沫瀝青混合料的水穩(wěn)定性的評價比較有利，原因可能是40 ℃、48 h浸水過程促使再生集料中未水化的水泥顆粒進(jìn)一步水化。3個水穩(wěn)定性指標(biāo)中凍融劈裂強(qiáng)度比最小，這是由于凍融劈裂試驗(yàn)條件最為嚴(yán)苛，且因?yàn)樵偕系目紫堵矢摺⑽詮?qiáng)，凍融試驗(yàn)方式對其最不利。前文在配合比設(shè)計(jì)中不建議使用馬歇爾穩(wěn)定度指標(biāo)，因此水穩(wěn)定性檢驗(yàn)采用干濕劈裂強(qiáng)度比及凍融劈裂強(qiáng)度比2個指標(biāo)。

表7 泡沫瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

圖6 再生集料對水穩(wěn)定指標(biāo)的影響

3.3 高溫穩(wěn)定性

采用3種集料進(jìn)行泡沫瀝青混合料60 ℃高溫穩(wěn)定性測試，車轍板厚80 mm，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。泡沫瀝青混合料中瀝青用量較少，且使用了1.5%的水泥，使得混合料的溫度敏感性低、穩(wěn)定性好，60 ℃的動穩(wěn)定度均在104萬次·mm－1以上，因此很適合加強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，用于路面基層以及下面層。

4 結(jié)語

通過對配合比設(shè)計(jì)關(guān)鍵流程的研究以及再生集料與天然集料泡沫瀝青混合料性能的比較，得出如下主要結(jié)論。

（1）再生集料泡沫瀝青混合料具有良好的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性，滿足道路下面層及基層、底基層的使用要求，壓碎值、磨耗值合格的再生集料可以100%替代天然集料。

（2）推薦使用15 ℃干劈裂強(qiáng)度與干濕劈裂強(qiáng)度比作為泡沫瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)，用以優(yōu)選礦料級配、確定最佳瀝青用量及水泥用量。馬歇爾穩(wěn)定度起不到指導(dǎo)設(shè)計(jì)與性能控制的目的，不建議使用該指標(biāo)。

（3）建議采用干濕劈裂強(qiáng)度比與凍融劈裂強(qiáng)度比進(jìn)行水穩(wěn)定性檢驗(yàn)。

（4）摻加水泥可提高泡沫瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度與水穩(wěn)定性，建議水泥摻量宜為1.0%~1.5%。

（5）礦料級配對泡沫瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的影響明顯，目前無適用于再生集料泡沫瀝青混合料的技術(shù)要求與規(guī)范，若參照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》中的泡沫瀝青冷再生混合料工程設(shè)計(jì)級配范圍，則級配要求過于寬泛，有待于繼續(xù)研究，提出更具指導(dǎo)性的級配范圍。