廢舊玻璃瀝青混凝土路用性能和導(dǎo)熱性能研究

袁 峻，黃 俊，王 波，許 濤

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

瀝青路面的建設(shè)需要消耗大量的集料，這給自然環(huán)境帶來(lái)較大的負(fù)擔(dān)。與此同時(shí)，玻璃材料每年的使用量非常巨大，但其回收率卻較低，造成大量堆積和對(duì)環(huán)境的污染。為了解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員嘗試將廢舊玻璃摻入瀝青混凝土中，替代部分的天然集料[1-3]。已有研究表明：在瀝青混凝土中加入廢舊的玻璃可以在一定程度上改善路面的反光性能和透水性能，玻璃屬于酸性材料，玻璃與瀝青的黏附性不足，摻量增大則會(huì)降低瀝青混合料路用性能[4-6]。所以，應(yīng)依據(jù)廢舊玻璃的厚度確定適宜的玻璃集料粒徑[7]，并通過(guò)混合料級(jí)配的選擇降低其對(duì)瀝青混合料路用性能的影響[8]?；诖?，筆者從改進(jìn)廢舊玻璃破碎方法、改善廢舊玻璃集料與瀝青的黏附性能以及優(yōu)化混合料級(jí)配三個(gè)方面進(jìn)行研究，獲取粒徑均勻、棱角豐富的玻璃集料，在使廢舊玻璃瀝青混合料符合路用性能的前提之下提高玻璃集料的摻量;更進(jìn)一步研究了廢舊玻璃瀝青混合料的導(dǎo)熱性能，并確定了廢舊玻璃集料代替集料的最佳摻量。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 基本材料

瀝青采用東海牌70號(hào)A級(jí)瀝青，具體性能指標(biāo)見(jiàn)表1。集料為玄武巖，礦粉為石灰?guī)r礦粉，玻璃采用回收的平板玻璃。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicators of the asphalt

1.2 廢舊玻璃集料的制備

(1)玻璃集料粒徑的選取

廢舊玻璃由于厚度較薄，破碎后如粒徑在4.75 mm及以上會(huì)形成較多的針片狀顆粒。且玻璃是脆性材料，此時(shí)具有較大粒徑的玻璃集料摻入瀝青混合料后受力易破碎，成為混合料中的薄弱點(diǎn)，進(jìn)而影響混合料的各項(xiàng)性能[9-10]。故本研究采用玻璃集料粒徑為2.36 mm和1.18 mm。

(2)廢舊玻璃集料的破碎工藝

采用人工敲打破碎的玻璃會(huì)產(chǎn)生很多針片狀顆粒且生產(chǎn)效率較低。因此，對(duì)破碎工藝進(jìn)行了改善，將廢舊玻璃制作成玻璃集料，具體工藝：①將玻璃表面附著的雜質(zhì)清洗干凈；②人工將大片平板玻璃破碎成較小的片狀以放入破碎機(jī)中，破碎機(jī)破碎15s后，取出破碎的玻璃進(jìn)行篩分，剔除針片狀的玻璃顆粒；③將篩分得到的粒徑為2.36 mm和1.18 mm檔的玻璃集料用水沖洗，以去除在破碎過(guò)程中產(chǎn)生的吸附在玻璃集料表面上的玻璃粉末。沖洗之后放入烘箱進(jìn)行烘干，最后得到試驗(yàn)所用的玻璃集料。

廢舊玻璃破碎設(shè)備和制備得到的廢舊玻璃集料如圖1和圖2所示。

圖1 破碎設(shè)備Fig.1 Crushing equipment

從圖2可以看出，通過(guò)以上制備方法得到的玻璃集料與玄武巖外形近似，接近立方體形狀。為了進(jìn)一步驗(yàn)證玻璃破碎工藝的合理性，防止獲得的玻璃集料破裂面較少，導(dǎo)致在瀝青混合料中集料之間無(wú)法形成有效的嵌擠，從而對(duì)混合料性能產(chǎn)生不利的影響。因此，對(duì)廢舊玻璃集料和玄武巖集料進(jìn)行了棱角性對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 棱角性試驗(yàn)Table 2 Angularity test

圖2 玻璃集料與玄武巖集料Fig.2 Glass aggregate and basalt aggregate

由試驗(yàn)結(jié)果可知，廢舊玻璃集料與玄武巖集料性能相差不大并且符合規(guī)范要求。

1.3 玻璃集料黏附性能的改善

(1) 物理方法改善玻璃集料的黏附性

普通玻璃表面光滑，與瀝青黏結(jié)性能差。一般認(rèn)為，通過(guò)改善集料表面的粗糙程度，能夠增加集料與瀝青之間的黏附性能。因此，筆者將玻璃進(jìn)行表面磨砂和噴砂的處理。磨砂處理是使用油石加水后玻璃上作反復(fù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使表面粗糙化。噴砂處理是用加水混合的金剛砂，通過(guò)高壓噴射在玻璃表面上，在玻璃表面上形成坑槽，使表面粗糙化。不同處理方法獲得的玻璃試樣與未處理的表面光滑的玻璃對(duì)比，如圖3所示。

圖3 不同種類玻璃Fig.3 Different kinds of glass

采用水煮法對(duì)不同種類的玻璃進(jìn)行黏附性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用不同的方法改變玻璃表面粗糙度，瀝青仍舊在玻璃的表面發(fā)生大量的剝落，如圖4所示。廢舊玻璃與瀝青的黏附性在2級(jí)左右，不符合規(guī)范要求。相比而言，噴砂玻璃因表面具有坑槽，冷卻固化后的瀝青通過(guò)錨鉤作用與玻璃表面相互黏結(jié)起來(lái)[11]，黏附性略優(yōu)于未處理或經(jīng)磨砂處理的玻璃。因此選取噴砂工藝作為玻璃集料的先期處理手段。

圖4 廢舊玻璃與基質(zhì)瀝青黏附性Fig.4 Waste glass and matrix asphalt adhesion

(2)化學(xué)方法改善玻璃集料的黏附性

為了進(jìn)一步改善玻璃集料與瀝青的黏附性，筆者選擇型號(hào)為KH-550的硅烷偶聯(lián)劑作為抗剝落劑對(duì)玻璃進(jìn)行預(yù)處理。硅烷偶聯(lián)劑(KH-550)在自然情況下是一種無(wú)色透明的液體，化學(xué)名稱為γ-氨丙基三乙氧基硅烷。主要成分是二氧化硅的玻璃表面含有硅羥基，與硅烷偶聯(lián)劑的化學(xué)鍵發(fā)生化學(xué)鍵合作用后，羥基減少；從而二氧化硅的性質(zhì)發(fā)生改變，從不親油變?yōu)橛H油性。通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑的處理之后可以對(duì)玻璃表面修飾改性，最終提高玻璃與瀝青的黏附性[12]。

具體做法：首先將硅烷偶聯(lián)劑和蒸餾水進(jìn)行1∶2的稀釋，用塑料棒進(jìn)行攪拌，使硅烷偶聯(lián)劑充分溶解，然后將玻璃置于溶液中，浸泡3 min后取出，放置烘箱烘干之后采用水煮法進(jìn)行黏附性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 玻璃與瀝青的黏附性Fig.5 Adhesion of glass and asphalt

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理過(guò)的玻璃表面瀝青基本沒(méi)有剝落，玻璃與瀝青之間黏附性≥5級(jí)。因此選擇硅烷偶聯(lián)劑作為外加劑，以增強(qiáng)瀝青與玻璃之間的黏附性。

1.4 礦料級(jí)配的選擇

礦料級(jí)配的設(shè)計(jì)對(duì)于瀝青混合料的路用性能有很大的影響[13]?，F(xiàn)有的研究表明，由于玻璃集料的黏附性較差，導(dǎo)致玻璃瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和抗水損害性能也隨之降低。因此應(yīng)該更加注重級(jí)配的選擇以保障瀝青混合料的路用性能。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，采用了貝雷法對(duì)級(jí)配進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)調(diào)整得出礦料級(jí)配如表3所示。

表3 礦料級(jí)配Table 3 Mineral grading

通過(guò)計(jì)算，該級(jí)配的粗料率CA比為0.214，細(xì)料中的粗料率FA1為0.46，細(xì)料中的細(xì)料率FA2為0.47。該級(jí)配屬于“多級(jí)嵌擠密實(shí)型級(jí)配”，可以形成有效的嵌擠結(jié)構(gòu)，會(huì)使得瀝青混合料具有較好的高溫性能和水穩(wěn)定性。

通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定熱拌瀝青混合料最佳油石比(見(jiàn)表4)。

表4 最佳油石比Table 4 The optimum asphalt content

2 路用性能試驗(yàn)分析

使用玻璃集料對(duì)瀝青混合料中的粒徑為1.18 mm和2.36 mm的細(xì)集料進(jìn)行等質(zhì)量的替換，替換量分別為10%、20%、30%和40%，并對(duì)不同摻量的玻璃瀝青混合料的路用性能進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 瀝青混合料的水穩(wěn)定性

(1)浸水馬歇爾試驗(yàn)

對(duì)混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制殘留穩(wěn)定度變化,如圖6所示。

圖6 殘留穩(wěn)定度變化圖Fig.6 The diagram of residual stability

通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同摻量下玻璃瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度均符合規(guī)范要求。當(dāng)玻璃集料摻量為10%時(shí)，混合料的浸水殘留穩(wěn)定度值出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)；但之后隨著玻璃集料摻量的增加，浸水殘留穩(wěn)定度持續(xù)增長(zhǎng)并且在玻璃集料摻量在20%時(shí)就首次超過(guò)了0摻量的混合料。

(2)凍融劈裂試驗(yàn)

對(duì)混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制成凍融劈裂強(qiáng)度比變化，如圖7所示。

圖7 凍融劈裂強(qiáng)度比變化圖Fig.7 The diagram of freeze-thaw splitting strength ratio

由圖可知，混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比都符合規(guī)范要求，且出現(xiàn)了先下降后增長(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)玻璃摻量為20%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比下降到最低點(diǎn)，相比0摻量的混合料下降了5%。隨著玻璃摻量的繼續(xù)增加，混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比逐漸增長(zhǎng)，當(dāng)摻量為40%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比幾乎與0摻量的混合料相等。

水穩(wěn)定性試驗(yàn)表明，通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑提高了玻璃集料與瀝青的黏附性，玻璃集料摻量增大至可以略提高混合料的水穩(wěn)定性。當(dāng)玻璃的摻量較小時(shí)，可能在瀝青混合料結(jié)構(gòu)中沒(méi)有形成很好的嵌擠作用，當(dāng)摻量提高時(shí)，良好的嵌擠性能使得水穩(wěn)定性得到了提升。

2.2 瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制成動(dòng)穩(wěn)定度變化，如圖8所示。

圖8 動(dòng)穩(wěn)定度變化曲線Fig.8 Dynamic stability curve

由圖可知，隨著玻璃集料摻量的增加，動(dòng)穩(wěn)定度出現(xiàn)了先增長(zhǎng)再下降的趨勢(shì)。在玻璃摻量為10%時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到了最大值，隨之動(dòng)穩(wěn)定度隨著摻量的增加下降，當(dāng)摻量達(dá)到40%時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度不符合規(guī)范要求，說(shuō)明摻量過(guò)大對(duì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度影響較大。

車轍試驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)膿郊硬ＡЪ蠈?duì)于瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性是有利的，但摻量不宜超過(guò)30%。動(dòng)穩(wěn)定度隨著摻量增加而下降的原因是高溫下，玻璃集料與瀝青黏附性降低，從而產(chǎn)生了較多的自由瀝青，混合料中的玻璃集料受力易產(chǎn)生移動(dòng)，導(dǎo)致混合料高溫變形、瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能下降。

2.3 瀝青混合料的低溫抗裂性能

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的低溫抗裂性能，對(duì)不同摻量的混合料進(jìn)行分組試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制抗彎拉強(qiáng)度的變化(見(jiàn)圖9)、極限拉應(yīng)變的變化(見(jiàn)圖10)和彎曲勁度模量的變化(見(jiàn)圖11)。

圖9 抗彎拉強(qiáng)度值Fig.9 Bending strength value

圖10 極限拉應(yīng)變Fig.10 Ultimate tensile strain

圖11 彎曲勁度模量Fig.11 Bending stiffness modulus

由圖可知，混合料的抗彎拉強(qiáng)度先隨著玻璃集料摻量的增加逐漸下降，在摻量為20%時(shí)出現(xiàn)了最低值，比0摻量時(shí)下降了約8%。隨著摻量的繼續(xù)增加，在摻量在30%時(shí)出現(xiàn)了增長(zhǎng)，在40%時(shí)又出現(xiàn)了稍許的下降。最大彎拉應(yīng)變隨著玻璃集料摻量的增加而不斷下降，在摻量40%時(shí)最低，比0摻量下降了15%左右。彎曲勁度模量隨著玻璃集料摻量的增加也相應(yīng)地增加，在摻量為40%達(dá)到最大，比0摻量的混合料提高了大約11%。

低溫彎曲試驗(yàn)表明，即使添加了硅烷偶聯(lián)劑，但在低溫時(shí)瀝青-玻璃集料界面性能仍不佳，成為混合料中的薄弱部分，導(dǎo)致瀝青混合料低溫抗裂性隨著玻璃集料摻量的增加而降低。

2.4 肯塔堡飛散試驗(yàn)

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)瀝青與玻璃集料之間的黏附性，對(duì)混合料進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制飛散值圖(見(jiàn)圖12)。

圖12 飛散損失圖Fig.12 Fly dispersion loss chart

由圖可知，不同摻量下玻璃瀝青混合料的飛散損失量均符合規(guī)范要求。當(dāng)玻璃集料摻量為10%時(shí)，由于硅烷偶聯(lián)劑的加入，混合料的飛散損失量值出現(xiàn)了下降趨勢(shì)；隨著玻璃集料摻量的增加，飛散損失量雖持續(xù)增長(zhǎng)，但始終低于0摻量的混合料。

由上述路用性能試驗(yàn)結(jié)果可知，將瀝青混合料中的2.36～4.75 mm和1.18～2.36 mm的細(xì)集料用玻璃集料進(jìn)行等質(zhì)量代替時(shí)，在代替量為30%，高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫抗彎拉性均能滿足要求，因此確定玻璃集料代替細(xì)集料的最大摻量為30%。

3 導(dǎo)熱性能試驗(yàn)分析

3.1 導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置

筆者通過(guò)綜合對(duì)比采取旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件為加熱試件，加熱源根據(jù)瀝青混合料的材料特性采用準(zhǔn)確度比較高的平板法[14]。試件是通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)制作，高度為16 cm，分別在高度7.5 cm和15 cm處鉆孔作為溫度測(cè)試點(diǎn)。導(dǎo)熱試驗(yàn)裝置采用電加熱板進(jìn)行加熱，溫度偏差為±1 ℃。通過(guò)加熱板對(duì)瀝青混合料的底部加熱模擬了瀝青道路在實(shí)際環(huán)境中在太陽(yáng)照射的情況下受熱的情境。由于試件測(cè)溫位置與加熱源有一定的高差，需要長(zhǎng)時(shí)間熱傳導(dǎo)，從而形成溫差。將試件用玻璃棉包裹嚴(yán)實(shí)，從而與外界隔絕達(dá)到保溫和隔熱效果。熱傳導(dǎo)試驗(yàn)原理示意圖如圖13所示。對(duì)混合料的加熱試驗(yàn)所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。測(cè)量時(shí)間為5 h，間隔為30 min。

圖13 熱傳導(dǎo)試驗(yàn)原理示意圖Fig.13 Schematic diagram of heat conduction test principle

3.2 導(dǎo)熱試驗(yàn)分析

對(duì)瀝青混合料進(jìn)行60 ℃導(dǎo)熱試驗(yàn)，繪制不同摻量混合料的溫度變化，如圖14所示。

圖14 不同摻量的混合料溫度變化曲線Fig.14 Temperature variation curve of mixture with different dosages

由圖可知，當(dāng)瀝青混合料中摻入玻璃集料，升溫速率明顯減慢。當(dāng)加熱板為60 ℃時(shí)，7.5 cm處玻璃集料摻量分別為0和30%的混合料，最大溫差達(dá)到了10.9 ℃，15 cm處的最大溫差達(dá)到了9.6 ℃。即在瀝青混合料中摻入玻璃集料后，試件高度7.5 cm和15 cm可分別降溫28.7%和33.6%。由此可知，瀝青混合料中摻加玻璃集料后混合料的導(dǎo)熱效果變差，阻熱效果變好。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)廢舊玻璃采用合理的破碎工藝可提高廢舊玻璃集料的棱角性，通過(guò)噴砂工藝和硅烷偶聯(lián)劑KH-550等物化處理可提高廢舊玻璃集料與瀝青的黏附性能，采用多級(jí)嵌擠密實(shí)型級(jí)配可提高廢舊玻璃瀝青混凝土的高溫性能和水穩(wěn)定性。通過(guò)上述方法可提高廢舊玻璃集料在瀝青混合料中的摻量。

(2)將瀝青混合料中的粒徑為2.36 mm和1.18 mm的細(xì)集料進(jìn)行等質(zhì)量代替時(shí)，當(dāng)替代量不超過(guò)30%，混合料的各項(xiàng)路用性能均能滿足規(guī)范要求。因此確定廢舊玻璃集料代替細(xì)集料的最大摻量為30%。

(3)對(duì)摻量為30%的廢舊玻璃瀝青混合料進(jìn)行導(dǎo)熱試驗(yàn)，由于混合料中加入了導(dǎo)熱系數(shù)低的玻璃，可以有效降低瀝青混合料內(nèi)部的溫度，從而緩解路面的熱島效應(yīng)。