凍融循環(huán)對廢舊剎車片粉瀝青混合料路用性能的影響研究

趙怡程,胡小弟,王 寧,甘文霞,潘 攀

(1.武漢工程大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢長江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司，湖北 武漢 430010)

在瀝青路面服役過程中，水侵入瀝青路面會降低瀝青結(jié)合料與集料間的粘附性能，導(dǎo)致瀝青混合料內(nèi)部粘結(jié)強(qiáng)度降低，進(jìn)而形成不同形式的早期病害，如掉粒、松散、坑槽、唧漿等，嚴(yán)重影響路面的使用壽命[1]。因此，有效提高瀝青路面的抗水損性能，已成為道路工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。張晨旭[2]總結(jié)了瀝青混合料水損害的6個(gè)階段，包括乳化、置換、凍脹、撕裂、間隙壓力和沖刷流失，認(rèn)為水損害是由多種機(jī)理綜合作用的結(jié)果，而粘附性不足是水侵入瀝青結(jié)合料與集料粘結(jié)界面并導(dǎo)致剝落的主要原因之一。由此可見，改善瀝青結(jié)合料與集料間的粘附性是有效提高瀝青混合料抗水損性能的重要途徑。

另一方面，伴隨我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，汽車保有量日益增長。廢舊剎車片作為汽車制動的消耗品，已成為一種新型的固體廢棄物，由此所導(dǎo)致的環(huán)境問題日益突出。研究表明，采用廢舊剎車片粉替代普通礦粉填料，可有效提高瀝青混合料的抗水損性能[3-5]。因此，實(shí)現(xiàn)廢舊剎車片在道路工程中的資源化利用，不僅有望提升瀝青混合料的抗水損性能，延長道路使用壽命，還能使廢舊剎車片變廢為寶，提高其附加價(jià)值，具有顯著的經(jīng)濟(jì)社會效益。

然而，已有研究雖然表明廢舊剎車片粉可有效改善瀝青混合料的抗水損性能，但對長期性能尚無深入研究。因此，本文擬研究不同凍融循環(huán)次數(shù)下廢舊剎車片粉改性瀝青混合料路用性能的變化規(guī)律，并將其與普通瀝青混合料進(jìn)行對比，為廢舊剎車片在道路工程中的資源化利用提供理論依據(jù)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本研究中原材料包括AH-70號道路石油瀝青、石灰?guī)r集料、石灰石礦粉和廢舊剎車片粉末，其中瀝青、集料和礦粉均來源于武漢某快速路工程項(xiàng)目，性能指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)規(guī)定要求。

廢舊剎車片由湖北省鄂州市某汽車修理廠提供，化學(xué)組分如表1所示。首先采用顎式破碎機(jī)將塊狀廢舊剎車片破碎為粒徑10～20 mm的顆粒，然后利用洛杉磯磨耗儀將其部分磨細(xì)，最后通過篩分獲取粒徑小于0.075 mm的廢舊剎車片粉末，后續(xù)用作填料制備改性瀝青混合料。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本研究選用AC-13瀝青混合料，礦料級配曲線如圖1所示，各級篩孔的通過率均采用級配中值，通過馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定最佳油石比為4.6%。為避免級配差異的影響，本研究采用單一粒徑的礦料制備瀝青混合料，其中大于0.075 mm礦料全部由石灰?guī)r集料組成，填料采用粒徑小于0.075 mm的石灰石礦粉或剎車片粉末。值得注意的是，廢舊剎車片粉和石灰石礦粉的表觀密度分別為2.284 g/cm3和2.638 g/cm3，考慮二者密度的差異，因而采用廢舊剎車片粉等體積全部替代石灰石礦粉制備改性瀝青混合料[6]。

表1 廢舊剎車片化學(xué)成分Table1 Chemicalcompositionofbrakepadswaste成分含量/%成分含量/%燒失量38.811ZnO0.284SiO220.930MnO0.113CaO16.667Cl0.109MgO5.682ZrO20.108Al2O35.140SrO0.100SO33.977Sb2O30.088Fe2O33.807P2O50.079BaO2.492Br0.027K2O0.447CuO0.025Cr2O30.398As2O30.018Na2O0.372PbO0.014TiO20.310Rb2O0.001

圖1 瀝青混合料級配曲線

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1加速凍融循環(huán)試驗(yàn)

本研究采用加速凍融循環(huán)試驗(yàn)分別對瀝青混合料試件進(jìn)行1、3、5、10、15次凍融循環(huán)處理，一個(gè)凍融周期包括：①-18 ℃低溫環(huán)境箱中放置16 h；② 60 ℃水浴箱中浸泡8 h。在第一次凍融周期前，對試件進(jìn)行真空飽水處理，然后將其放入密封的塑料袋中。

1.3.2體積參數(shù)

本文采用質(zhì)量損失率和空隙率變化來評價(jià)凍融前后瀝青混合料體積參數(shù)的變化規(guī)律，質(zhì)量損失率δ和空隙率VV可由式(1)和式(2)計(jì)算。

(1)

(2)

式中：δ為瀝青混合料試件的質(zhì)量損失率；m1為試件凍融前的質(zhì)量；m2為試件凍融后的質(zhì)量；VV為試件空隙率；γf為瀝青混合料試件毛體積相對密度；γt為瀝青混合料理論最大相對密度。

1.3.3劈裂試驗(yàn)

本文通過凍融劈裂強(qiáng)度比來評價(jià)不同凍融次數(shù)下瀝青混合料的水穩(wěn)定性，加載速率為50 mm/min，試驗(yàn)溫度25 ℃。劈裂強(qiáng)度比(TSR)是指凍融后試樣的劈裂強(qiáng)度與凍融前試樣的劈裂強(qiáng)度的比值，用于評價(jià)試樣的水穩(wěn)定性，劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比采用公式(3)和式(4)計(jì)算。

RT=0.006 287PT/h

(3)

(4)

式中：RT為瀝青混合料試件劈裂強(qiáng)度；PT為劈裂試驗(yàn)荷載峰值；h為瀝青混合料試件高度；TSR凍融劈裂強(qiáng)度比；RT 1為凍融前劈裂強(qiáng)度；RT 2為凍融后劈裂強(qiáng)度。

此外，為了研究凍融后瀝青混合料低溫抗裂性能的變化情況，選擇5個(gè)循環(huán)周期進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度-10 ℃，加載速率為1 mm/min。

1.3.4動態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)

動態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)采用UTM-100進(jìn)行，測試瀝青混合料在高溫下的永久變形。通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法(SGC)成型直徑為150 mm、高度130 mm的圓柱體試件，從中取出直徑為100 mm的圓柱體芯樣，再將兩端切割平整至110 mm作為動態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)的試樣。循環(huán)荷載采用半正弦波，試驗(yàn)溫度60 ℃，軸向壓力0.7 MPa，加載頻率1 Hz。

1.3.5半圓彎拉試驗(yàn)(RSCB)

本文選擇重復(fù)加載的半圓彎拉試驗(yàn)(RSCB)評價(jià)瀝青混合料的疲勞性能。首先采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型直徑為150 mm、高度為62.5 mm的圓柱體試樣，然后將其切割成兩個(gè)等大的半圓柱體，最后通過UTM-100萬能試驗(yàn)機(jī)采用應(yīng)力控制模式對試件進(jìn)行重復(fù)加載，試驗(yàn)溫度15 ℃，加載波形采用半正弦波，加載頻率1 Hz，每個(gè)循環(huán)加載0.5 s，空載0.5 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 體積參數(shù)

瀝青混合料的質(zhì)量損失率可以反映瀝青與集料之間的粘附性，質(zhì)量損失率越高，表明集料與瀝青的粘附性能越差。圖2為試樣的質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況。在前5個(gè)凍融循環(huán)周期內(nèi)，各試件的質(zhì)量損失率逐漸降低，表明試件質(zhì)量有所增加。在第5次循環(huán)后，各試件質(zhì)量均有所下降，質(zhì)量損失率不斷增大。經(jīng)15次凍融循環(huán)后，礦粉組的質(zhì)量損失率為2.1%，剎車片粉組僅為1.5%。由此可見，剎車片粉組的質(zhì)量損失率小于礦粉組。

圖2 瀝青混合料質(zhì)量損失率變化規(guī)律

試件質(zhì)量變化主要有兩方面的原因，一是水進(jìn)入使試件質(zhì)量增加，二是凍融循環(huán)過程中骨料剝落使試件質(zhì)量減小。從0次到5次凍融循環(huán)過程中質(zhì)量損失率降低的可能原因是，水進(jìn)入樣品引起試件質(zhì)量增加占主導(dǎo)，而水損作用稍弱；5次凍融循環(huán)之后質(zhì)量損失率持續(xù)上升是由于水損作用逐漸加劇，試件開始出現(xiàn)明顯的掉?，F(xiàn)象。剎車片粉組15次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率相對較小，可能是由于剎車片粉增強(qiáng)了瀝青與集料之間的粘附性，提高了瀝青混合料的抗水損性能。

在凍融循環(huán)作用下，當(dāng)瀝青混合料自身空隙不足以承受水結(jié)冰體積膨脹產(chǎn)生的內(nèi)力時(shí)，則出現(xiàn)裂縫、松散、掉粒等病害。圖3為多次凍融循環(huán)對瀝青混合料試件空隙率變化的影響，經(jīng)過15次凍融循環(huán)后，兩種瀝青混合料試樣的空隙率均增大，礦粉組和剎車片粉組的空隙率分別增加了0.7%和0.5%。顯然，剎車片粉組孔隙率增大的幅度小于礦粉組，具有較好的抗水損性能。其原因可能是剎車片粉提升了集料與瀝青的粘附性，減弱了凍融循環(huán)作用對瀝青混合料試件的影響。

圖3 瀝青混合料空隙率變化規(guī)律

2.2 水穩(wěn)定性

本文通過凍融劈裂試驗(yàn)測試了瀝青混合料在凍融循環(huán)后的水穩(wěn)定性，并采用劈裂強(qiáng)度比(TSR)來描述瀝青混合料水穩(wěn)定性的變化規(guī)律。其結(jié)果如圖4所示，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融劈裂強(qiáng)度比持續(xù)下降。前5個(gè)周期，礦粉組的劈裂強(qiáng)度比大于剎車片組；到第5個(gè)周期時(shí)，兩者相當(dāng)；到第10個(gè)周期，剎車片粉組劈裂強(qiáng)度比已經(jīng)明顯大于礦粉組，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，此變化趨勢越來越明顯。

圖4 凍融循環(huán)作用下劈裂強(qiáng)度比變化規(guī)律

從試驗(yàn)過程可以看出，礦粉組在15次凍融循環(huán)過程中劈裂強(qiáng)度比下降了68.4%(從95.1%下降到26.7%)，剎車片粉組下降了37.4%(從86.6%下降到49.2%)，剎車片粉組劈裂強(qiáng)度比的損失明顯小于礦粉組。且凍融劈裂強(qiáng)度比從最初的礦粉組大于剎車片粉組變?yōu)閯x車片粉組明顯高于礦粉組。這表明，用等體積的廢剎車片粉代替石灰石礦粉作瀝青混合料填料，可以增強(qiáng)瀝青與骨料之間的粘附力，提高瀝青混合料在凍融循環(huán)后的水穩(wěn)定性。這一結(jié)論與凍融循環(huán)對瀝青混合料空隙率的影響是一致的。

2.3 低溫抗裂性

圖5為兩種填料類型的瀝青混合在-10 ℃條件下經(jīng)過5次凍融循環(huán)前后的低溫劈裂強(qiáng)度曲線趨勢的對比。在凍融循環(huán)前，礦粉組的低溫劈裂強(qiáng)度為3.54 MPa，低于剎車片粉組的3.87 MPa，經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，剎車片粉組的低溫劈裂強(qiáng)度為2.26 MPa，低于礦粉組的2.48 MPa。經(jīng)過凍融循環(huán)后，礦粉組低溫劈裂強(qiáng)度下降了29.9%，剎車片粉組下降了41.6%，剎車片粉組瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度損失比礦粉組更明顯，說明凍融循環(huán)作用對剎車片粉對瀝青混合料的低溫抗裂性能產(chǎn)生了一定程度地削弱。

圖5 低溫劈裂強(qiáng)度-形變量關(guān)系

2.4 高溫穩(wěn)定性

本試驗(yàn)主要測試凍融循環(huán)作用下剎車片粉對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性影響，依舊選取5次凍融循環(huán)前后的試件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度60 ℃。大量研究表明，瀝青混合料在荷載作用下的變形一般經(jīng)歷3個(gè)階段：遷移期、穩(wěn)定期和破壞期[8]。結(jié)果如圖6所示，隨著加載次數(shù)的增加，試件的變形速率呈現(xiàn)出上升-穩(wěn)定-上升的規(guī)律。

圖6 瀝青混合料累積永久變形曲線

結(jié)果表明，經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，兩種填料的瀝青混合料到達(dá)20 mm變形所需的加載次數(shù)均明顯減少，且當(dāng)應(yīng)變曲線處于穩(wěn)定上升階段時(shí)，經(jīng)過凍融循環(huán)的瀝青混合料曲線斜率明顯高于未經(jīng)過凍融循環(huán)的瀝青混合料，則表明經(jīng)過5次凍融循環(huán)的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性明顯下降。其中，礦粉組在經(jīng)過5次凍融循環(huán)后達(dá)到20 mm變形所需的加載次數(shù)下降了35.5%(從1995下降到1290)，而剎車片粉組僅下降了24.0%(從1825下降到1388)。因此，與礦粉組相比，經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，剎車片粉組的高溫穩(wěn)定性顯著提高。其原因可能是剎車片粉提高了瀝青與集料之間的粘滯性，降低了瀝青膠漿在高溫狀態(tài)下的流動性，減緩了凍融過程中試件空隙率的增長，提高了瀝青混合料的高溫抗剪切變形能力。

2.5 抗疲勞性能

重復(fù)加載的半圓彎拉試驗(yàn)(RSCB)可以模擬路面反復(fù)承受車輛荷載作用的狀況。采用應(yīng)力控制模式對半圓柱體試件施加循環(huán)荷載，使試件逐漸發(fā)生疲勞損傷。試驗(yàn)以試件的疲勞斷裂為準(zhǔn)則，疲勞壽命為疲勞破壞荷載的加載次數(shù)。通過記錄加載次數(shù)評價(jià)瀝青混合料的抗疲勞性能，圖7給出了5次凍融循環(huán)作用對兩種填料的瀝青混合料抗疲勞性能的影響。

圖7 瀝青混合料抗疲勞性能對比

在同種類型的試樣中，瀝青混合料的疲勞壽命隨荷載強(qiáng)度的增加而降低。在相同的應(yīng)力狀態(tài)下，瀝青混合料的疲勞壽命由高到低依次為：未經(jīng)過凍融循環(huán)的礦粉組,未經(jīng)過凍融循環(huán)的剎車片粉組,經(jīng)過5次凍融循環(huán)的剎車片粉組,經(jīng)過5次凍融循環(huán)的礦粉組。在5次凍融循環(huán)作用后，剎車片粉組疲勞壽命降低了7.5%～36.5%，礦粉組降低了45.1%～68.7%，剎車片粉組的疲勞壽命衰減幅度明顯小于礦粉組，這一結(jié)果說明了水損作用對剎車片粉瀝青混合料的抗疲勞性能的削弱影響小于普通瀝青混合料。

3 結(jié)論

通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論：

a.凍融循環(huán)作用下，剎車片粉瀝青膠結(jié)料與集料的粘附性優(yōu)于石灰石礦粉瀝青混合料，剎車片粉瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫性能和抗疲勞開裂性能相對于石灰石礦粉瀝青混合料均有顯著提高，但對低溫抗裂性有不利影響。

b.從體積參數(shù)來看，剎車片粉瀝青混合料在受水損害后質(zhì)量損失較小，掉粒較少；在空隙率的變化過程中可以看出，剎車片粉瀝青混合料空隙率增加速率更小，粘滯性更好。

c.從路用性能來看，經(jīng)凍融循環(huán)后，剎車片粉瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比相對石灰石礦粉瀝青混合料衰減程度更小，水穩(wěn)定性表現(xiàn)更優(yōu)；高溫性能方面，剎車片粉瀝青混合料在高溫蠕變試驗(yàn)中受水損的影響更小，高溫性能衰減程度更??；剎車片粉瀝青混合料疲勞壽命受水損后衰減程度更小，抗疲勞性能更好；水損后剎車片粉瀝青混合料低溫劈裂強(qiáng)度衰減大于石灰石礦粉瀝青混合料，低溫性能表現(xiàn)有所減弱。