玻璃集料對瀝青混凝土體積參數(shù)及路用性能的影響

陳 波， 魏小皓， 蔡偉紅

(1.重慶建工集團股份有限公司，重慶 400000；2.四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，成都 610041；3.天津市市政工程設計研究院，天津 300392)

廢玻璃既是一種工業(yè)廢物，也是一種生活垃圾，在給人們生活帶來不便的同時，又占用大量土地資源，增加環(huán)境負荷。而隨著城鎮(zhèn)化步伐的加快，廢玻璃的產量也在迅速增加，2017年國內廢玻璃總產量多達2 000萬t，回收量卻僅有1 070萬t，尚有近千萬噸廢玻璃被遺棄于掩埋場[1]。

由于廢玻璃的硬度大，耐酸耐堿，無法被生物分解，若將其重熔再制，則會消耗更多的資源[2-3]，但這些特性卻正是其有望作為特殊集料應用于瀝青混凝土中的前提條件。同時，廢玻璃的反光性好、透水性佳、密度與細集料相似，更增大了其在路面工程中應用的可行性[4-6]。

早在20世紀70年代，美國巴爾的摩的道路上就率先采用了玻璃瀝青混凝土。隨后，紐約、舊金山等地均有應用[7-8]。同時美國瀝青協(xié)會建議玻璃粒徑應小于9.5 mm，否則壓實后玻璃集料將會產生平行于路面排列的趨勢，導致路面抗滑性能降低[7]。加拿大、日本以及中國的臺灣地區(qū)[9-10]也有關于玻璃瀝青混凝土的應用研究。憑借其優(yōu)良的反光性能，在照明不足的山區(qū)路面和視線較差的十字路口效果較好。

為進一步推廣玻璃瀝青混凝土這一新型環(huán)保路面材料，國內外相關學者進行了深入研究，積累了豐富的研究成果。Andic等[11]從彎拉強度和抗壓強度的角度對玻璃瀝青混合料進行了研究，發(fā)現(xiàn)復合材料的力學性能與玻璃的摻量、類型和取向有關。Liang等[12]通過室內試驗描述了不同玻璃摻量瀝青混凝土應力與應變之間的關系，認為摻量對混合料的彈性模量、峰值應變和極限應變有顯著影響。Min等[13]將玻璃集料應用至環(huán)氧瀝青混凝土中，發(fā)現(xiàn)隨著玻璃摻量的增加，油石比、空隙率和密度等體積參數(shù)減小，而摻量對混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、拉伸強度比、低溫性能影響較小，這一點與苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene, SBS)改性瀝青混合料有顯著差異。Liao等[14]、汪富杰等[15]將廢玻璃部分替代集料，考察玻璃摻量和粒徑變化對體積指標的影響，認為廢玻璃摻量在10%以內時，各項體積指標均滿足要求。李萬英等[16]、宋程等[17]對不同摻量的玻璃瀝青混合料進行路用性能試驗，發(fā)現(xiàn)一定摻量的玻璃瀝青混凝土可有效改善路面的可視度，路用性能雖有所降低，但符合規(guī)范要求，同時建議其最佳摻量不宜超過9%。沙愛民[18]對玻璃的摻量范圍放寬至15%，認為該值是路用性能下降的拐點。

不難發(fā)現(xiàn)，以上研究均是側重于玻璃瀝青混凝土的單一方面，將混凝土的體積參數(shù)和路用性能割裂開來，同時研究成果尚處于室內設計階段，缺乏實體工程應用。為此，選取不同比例的破碎玻璃替代細集料，研究摻量對混合料體積參數(shù)和路用性能的影響，分析二者之間的內在聯(lián)系，在此基礎上優(yōu)選一組性能最佳的摻量比例鋪筑試驗段，評價其在道路工程中的實際應用效果。

1 試驗方案

1.1 瀝青及集料

試驗選用SBS改性瀝青作為結合料，集料為玄武巖集料，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)進行檢驗，其各項指標檢測結果與技術要求分別如表1和表2所示。

表1 SBS改性瀝青技術要求及檢測結果

表2 集料技術要求及檢測結果

1.2 廢玻璃

玻璃的主要化學成分為SiO2，含量占70%左右，與砂石類似，具有極高的堅硬度。同時粒徑超過4.75 mm的玻璃在壓實過程中又易破碎從而改變級配，因此本次研究的廢玻璃粒徑控制在3～5 mm。研究采用收購的平板玻璃，經壓路機碾壓破碎過篩后二次碾壓形成玻璃砂，如圖1所示，其主要物理性質如表3所示。

圖1 二次碾壓破碎后的玻璃砂Fig.1 Glass sand after secondary rolling and crushing

表3 玻璃的主要物理性質

1.3 配合比設計

以當前道路中常用的AC-13密級配進行試驗，根據(jù)各檔集料和玻璃砂的篩分結果進行配合比設計，其中玻璃砂的替代率分別占細集料總量的0、5%、10%和15%，級配設計曲線如圖2所示。

圖2 級配設計曲線Fig.2 Graph of gradation design curve

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)，對上述4種摻量瀝青混合料進行室內馬歇爾試驗，油石比從4.3%～5.5%按0.3%遞增。

2 體積參數(shù)分析

以油石比為橫坐標，分別以毛體積密度、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度以及馬歇爾穩(wěn)定度和流值為縱坐標，得到4種不同玻璃摻量的瀝青混合料試驗結果，如圖3～圖8所示。

圖3 毛體積密度試驗結果Fig.3 Results of bulk density

圖4 空隙率試驗結果Fig.4 Results of void volume

圖5 礦料間隙率試驗結果Fig.5 Results of void in the mineral aggregate

圖6 瀝青飽和度試驗結果Fig.6 Results of asphalt saturation

圖7 穩(wěn)定度試驗結果Fig.7 Results of density

圖8 流值試驗結果Fig.8 Results of flow value

由試驗結果可以看出，相同油石比下，摻玻璃的馬歇爾試件毛體積密度要小于不摻玻璃的毛體積密度，且隨著玻璃摻量增加，毛體積密度逐漸減小。不難解釋，由于玻璃的密度小于細集料，因此對細集料的替代率越大，其相應的毛體積密度就越小。

隨著玻璃摻量的增加，馬歇爾試件空隙率整體上呈減小趨勢，說明相同壓實功下，由于玻璃表面相對光滑、摩擦系數(shù)小，在壓力作用下混合料的流動性好、排列更為密集，同時較低的空隙率也保證了混合料對滲水系數(shù)的要求。

結合礦料間隙率的計算公式可知，不同玻璃摻量礦料間隙率的比較實際上是毛體積密度與礦料合成毛體積密度之比的比較。由于玻璃密度和吸油率均小于集料，因此在相同油石比下，試件的相對有效瀝青含量越大，使得試件擊實時更加密實，故而礦料間隙率減小、瀝青飽和度增加。然而，當油石比為5.2%和5.5%時，15%摻量的礦料間隙率大于10%。這是因為，破碎后的玻璃顆粒多呈片狀、針狀，當玻璃摻量超過一定比例時，相同的壓實功下顆粒間位移阻力越明顯，從而導致礦料間隙率變大，與圖4中空隙率的檢測結果一致。

而穩(wěn)定度和流值與玻璃摻量沒有明顯規(guī)律，但總體可認為：玻璃摻量少時的穩(wěn)定度(0和5%)要高于玻璃摻量多的(10%和15%)，說明玻璃摻量的多少對混合料的強度有一定影響。

3 路用性能分析

基于室內馬歇爾試驗的各項指標參數(shù)，計算得到0、5%、10%和15% 4種摻量下瀝青混合料的最佳油石比分別為4.65%、4.58%、4.48%和4.31%。然后進行車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗、浸水馬歇爾試驗、擺式摩擦試驗和加速加載試驗，對玻璃瀝青混合料的各項路用性能進行驗證。

3.1 高溫穩(wěn)定性能

采用60 ℃車轍試驗評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，以動穩(wěn)定度作為評價指標，試驗結果如圖9所示。

圖9 車轍試驗結果Fig.9 Results of rutting test

由圖9可以看出：玻璃摻量為5%時其動穩(wěn)定度略高于摻量為0時，可能是摻加少量的光滑玻璃砂之后，在相同壓實狀態(tài)下玻璃瀝青混合料更密實，因此高溫下抵抗車轍變形的能力也相應有所提高，這與穩(wěn)定度的檢測結果一致；當繼續(xù)增加玻璃摻量后，玻璃瀝青混合料的動穩(wěn)定度降低，15%摻量時已不再滿足規(guī)范要求。

3.2 低溫抗裂性能

采用低溫小梁彎曲試驗評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，以極限彎拉應變作為評價指標，試驗結果如圖10所示。

圖10 低溫小梁彎曲試驗結果Fig.10 Results of low temperature trabecular bending test

由圖10可以看出，隨著玻璃摻量的增加，玻璃瀝青混合料的極限彎拉應變越來越小，當摻量為15%時已低于規(guī)范要求。該指標是反映瀝青混合料在低溫狀態(tài)下的抗開裂能力，與瀝青用量有直接關系，而由于玻璃的吸油率低，摻量增加時瀝青用量減少，因此必然導致其低溫性能下降。

3.3 水穩(wěn)定性能

采用凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，以抗拉強度比和殘留穩(wěn)定度作為評價指標，試驗結果如圖11和圖12所示。

圖11 凍融劈裂試驗結果Fig.11 Results of freeze-thaw splitting test

圖12 浸水馬歇爾試驗結果Fig.12 Results of immersed Marshall test

由圖11和圖12可以看出，當以抗拉強度比作為評價指標時，不摻和摻5%玻璃時瀝青混合料凍融循環(huán)后的水穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求，二者相差很小，在1%左右；而摻量為10%時，抗拉強度略低于規(guī)范要求；摻量為15%時，抗拉強度已小于規(guī)范要求。當以殘留穩(wěn)定度作為評價指標時，4種摻量的玻璃瀝青混合料均超過90%時，大于規(guī)范要求。

顯而易見，凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗測試得到的水穩(wěn)定性能相差較大，這主要歸因于兩種試驗的條件不同。在凍融劈裂試驗中，試件需要真空保水后在-18 ℃條件下靜置16 h，然后在60 ℃恒溫水浴中靜置24 h，這一凍融循環(huán)條件對玻璃瀝青混合料的強度造成較大幅度影響。結合3.2節(jié)分析可知，低溫狀態(tài)下玻璃瀝青混合料的抗開裂能力下降，摻量越大其下降程度越明顯。相反，摻加一定比例的玻璃有利于混合料的壓實，其空隙率更小。因此飽水48 h后其浸水殘留穩(wěn)定度依舊滿足規(guī)范要求。

3.4 抗滑性能

由于玻璃表面光滑，可能會影響到玻璃瀝青混合料的抗滑性能，因此采用擺式摩擦系數(shù)測定儀在車轍板試件上檢測摩擦系數(shù)，結果如圖13所示。

圖13 擺式摩擦試驗結果Fig.13 Results of pendulum friction test

由圖13可知，不同玻璃摻量下瀝青混合料的表面摩擦系數(shù)相差較小，這可能是由以下兩個原因導致的：①試件成型完畢后未接觸輪胎荷載，玻璃表面包裹著瀝青，尚未露出光滑的一面；②玻璃粒徑較小，在現(xiàn)有的摻量范圍內對混合料表面的構造深度幾乎沒有影響。

3.5 長期性能

為分析玻璃瀝青混合料的長期性能，采用南非進口的可移動式路面加速加載模擬試驗設備MMLS3對不同玻璃摻量的瀝青混合料進行浸水動載試驗，胎壓為0.7 MPa，速度為80 km/h，試驗結果如圖14所示。

圖14 加速加載試驗結果Fig.14 Results of accelerated loading test

由圖14可以看出，在加載初期，4種摻量下玻璃瀝青混合料的車轍深度迅速增大，而隨著加載次數(shù)的增加，4種摻量的車轍深度增加速率各有不同：0和5%摻量的瀝青混合料在加載600 000次時其車轍深度已趨于穩(wěn)定，分別在2.5 mm和4 mm左右；10%摻量的瀝青混合料在加載700 000次時，其車轍深度已趨于穩(wěn)定，在5.5 mm左右；而15%摻量的瀝青混合料在加載700 000次時，其車轍深度依舊呈快速增長趨勢，且出現(xiàn)部分玻璃顆粒剝落的現(xiàn)象。由此說明，采用玻璃代替細集料對瀝青混合料的長期性能有一定影響，建議摻量不宜超過10%。

4 實體工程應用

為檢驗玻璃瀝青混合料在室外實體工程中的應用效果，在浙江省54省道改建工程中進行了試驗段的鋪筑，結合室內試驗結果，選用的玻璃摻量為5%，瀝青、集料、玻璃等原材料的各項指標滿足規(guī)范要求。試驗段施工現(xiàn)場如圖15所示。

圖15 試驗段施工現(xiàn)場Fig.15 Construction site of test section

通車運行兩年之后，對摻加5%玻璃以及不摻玻璃的路面進行檢測，包括路面破損、車轍深度、滲水系數(shù)、反光度、抗滑性能等，如圖16所示。檢測結果表明，玻璃瀝青路面表面無破損情況，路面車轍在2 mm以內，與不摻玻璃路面沒有明顯差別。玻璃瀝青路面和不摻玻璃瀝青路面的滲水系數(shù)、摩擦系數(shù)與反光度指標分別為56 mL/s、63 mL/s，62 BPN、61 BPN，1.2 mcd/lx/m2、5.9 mcd/lx/m2，以上指標表明玻璃瀝青路面除具有較好的使用性能外，還具有出色的反光效果。

圖16 試驗段檢測Fig.16 Detection of test section

5 結論

(1)玻璃摻量增加時，玻璃瀝青混合料的毛體積密度、空隙率與礦料間隙率不同程度減小，當摻量超過一定比例之后，空隙率與礦料間隙率反而增大；瀝青飽和度指標則恰好相反。

(2)玻璃摻量增加時，玻璃瀝青混合料的長期性能、高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性以及抗滑性能均有所下降，但10%摻量以內時各項指標基本滿足規(guī)范要求；5%摻量時的動穩(wěn)定度、馬歇爾穩(wěn)定度和浸水殘留穩(wěn)定度還要略高于不摻玻璃的普通混合料，說明適宜的摻量有利于改善混合料的路用性能。

(3)實體工程應用表明，玻璃瀝青路面除具有優(yōu)異的路用性能之外，還具有出色的反光效果，可在路面工程中推廣應用，同時建議其滿足規(guī)范要求的最大摻量為10%，路用性能表現(xiàn)最佳的摻量為5%。