建筑垃圾再生集料瀝青穩(wěn)定碎石基層性能研究

余琦，許立，高金倉，趙丁鑫，梁新濤

建筑垃圾再生集料瀝青穩(wěn)定碎石基層性能研究

余琦1，許立2，高金倉2，趙丁鑫3，梁新濤2

(1. 中建橋梁有限公司，重慶 402260；2. 三門峽市國道310南移項目建設(shè)管理有限公司，河南 三門峽 472000；3. 中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

為研究瀝青穩(wěn)定建筑垃圾再生集料的路用性能，采用貝雷法確定建筑垃圾再生集料瀝青穩(wěn)定碎石的最優(yōu)配合比，通過單軸壓縮試驗、凍融劈裂試驗、水穩(wěn)定試驗和車轍試驗，研究再生集料中磚砼集料摻量和磚砼比例變化對瀝青穩(wěn)定碎石基層性能的影響。研究結(jié)果表明：建筑垃圾再生集料用于瀝青穩(wěn)定碎石基層應(yīng)控制磚砼集料摻量和磚砼比例；瀝青穩(wěn)定碎石基層中，建筑垃圾再生集料摻量宜小于50%，磚砼比例宜控制在1:4和2:3，其再生混合料的水穩(wěn)定性能和力學性能均可滿足要求且高溫性能有所提高。

道路工程；再生磚砼集料；瀝青穩(wěn)定碎石基層；配合比設(shè)計

公路建設(shè)需消耗大量碎石集料，尤其是高速公路平均每公里需要碎石集料高達2 000 t，加劇了生態(tài)環(huán)境的破壞。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)持續(xù)推進，由于房屋改造和道路改擴建，中國每年產(chǎn)生了約15億噸的建筑垃圾，占年產(chǎn)垃圾總量的40%。經(jīng)過加工篩分處理后的建筑垃圾可以替代天然集料，滿足公路工程建設(shè)需求，有助于解決石料開采和建筑垃圾堆存引起的生態(tài)環(huán)境問題，因此許多學者針對建筑垃圾在公路工程領(lǐng)域的應(yīng)用進行了研究。劉峰[1]等人研究發(fā)現(xiàn)，通過控制再生料中混凝土與磚渣的比例，可以實現(xiàn)建筑垃圾在不同交通等級的道路基層、底基層的應(yīng)用。虞磊[2]等人對不同水泥劑量和混磚比的水泥穩(wěn)定再生集料進行無側(cè)限抗壓強度等試驗，結(jié)果表明：水泥劑量一定時，再生集料的強度與廢棄混凝土摻量成正比，與廢棄磚集料摻量成反比。當廢棄磚集料摻量不超過50%時，各項指標均能滿足路面基層、底基層的施工要求。李玉 梅[3]等人對影響建筑廢棄物再生混合料的擊實特性和力學特性的因素進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著再生骨料用量的增加，混合料的最大干密度和無側(cè)限抗壓強度減小，最佳含水量增加，試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定性會減弱。當水泥用量為3%～4%時，采用粒徑為5～10 mm再生骨料的混合料，其抗壓強度滿足底基層強度的要求。左潔[4]通過對不同水泥摻量的再生混合料和水泥穩(wěn)定碎石的7 d無側(cè)限抗壓強度和干縮特性進行對比分析，發(fā)現(xiàn)水泥劑量為4.5%的再生骨料用于二級公路基層填筑。楊銳[5?6]等人對建筑垃圾路基填料的干縮性能、路面結(jié)構(gòu)力學性能等進行研究，驗證了建筑垃圾在道路基層中應(yīng)用的可行性。賈艷東[7]等人對再生磚骨料瀝青混合料進行試驗，發(fā)現(xiàn)瀝青磚骨料混合料可滿足低等級公路瀝青路面的施工要求，但水穩(wěn)定性偏低，建議使用在交通荷載較少的人行道、廣場、農(nóng)村道路等瀝青路面。

瀝青穩(wěn)定碎石基層具有較好的柔韌性和應(yīng)力擴散能力，可有效減少反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展[8?9]。由于磚砼廢棄物處理后，再生集料與天然集料的性能存在差異[10?13]，再生磚砼集料摻量和再生磚與再生砼的比例(以下簡稱“磚砼比例”)會對再生混合料性能產(chǎn)生較大影響。因此，作者擬對不同再生磚砼集料摻量和磚砼比例的混合料力學性能、水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性進行試驗研究，確定再生磚砼集料最佳摻量及磚砼比例，以期為再生磚砼集料在瀝青穩(wěn)定碎石基層中的應(yīng)用提供參考。

1 原材料

1.1 天然碎石

天然集料采用石灰?guī)r，級配見表1，其他相關(guān)性能指標滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40—2004)》[14]規(guī)范的要求。

表1 天然集料篩分結(jié)果

注：A的粒徑范圍為0～4.75 mm；B的粒徑范圍為4.75～9.5 mm；C的粒徑范圍為9.5～19 mm；D的粒徑范圍為19～26.5 mm

1.2 再生磚砼集料性能

本試驗使用的再生集料中廢棄混凝土約占70%，廢棄磚塊約占10%。再生砼、再生磚的表觀相對密度、吸水性、砂當量、棱角性、堅固性分別為：2.49、5.75%、85.60%、49.70%、2.59%；2.40、17.19%、81.00%、47.20%、2.46%。再生磚、砼集料的篩分結(jié)果見表2，粗集料性能指標見表3。

由表2可知，再生砼集料和再生磚集料的顆粒級配篩分結(jié)果基本相同，因為這2種再生集料是由建筑垃圾經(jīng)破碎、分揀而來，生產(chǎn)加工工藝和設(shè)備相同，使得2種再生材料的級配基本一致，當磚砼比例變化時，再生集料級配變化不大。

由表3可知，相對于天然集料，再生磚、砼集料的密度較小，吸水率較大，壓碎值偏大。

1.3 瀝青

本試驗采用AH-70瀝青，其余各項性能均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40—2004)》的要求。

表2 再生磚、砼集料篩分結(jié)果

表3 再生磚、砼集料性能指標

1.4 填料

填料為石灰?guī)r礦粉，親水系數(shù)、塑性指數(shù)等性能指標均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40—2004)》的要求。

2 再生磚砼集料瀝青穩(wěn)定碎石基層配合比設(shè)計

2.1 基于貝雷法的級配設(shè)計

再生集料具有吸水率高、強度低、壓碎值高的特點，選用連續(xù)級配ATB-25作為設(shè)計級配，以保證集料間形成嵌擠?密實結(jié)構(gòu)。采用貝雷法設(shè)計理論對瀝青穩(wěn)定再生磚砼集料(再生砼︰再生磚=1︰1)和天然集料(碎石)進行了配合比設(shè)計，合成級配見表4。

從表4中可以看出，①該配合比下，瀝青穩(wěn)定碎石和瀝青穩(wěn)定再生集料的配合比設(shè)計均能滿足現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTCF40—2004)》中ATB-25的級配要求；②瀝青穩(wěn)定天然碎石的各檔篩孔通過率均大于瀝青穩(wěn)定再生集料，表明：瀝青穩(wěn)定天然碎石的顆粒組成較瀝青穩(wěn)定再生集料的偏細。因此，瀝青穩(wěn)定碎石中摻入一定比例的再生集料時，隨著摻量提高和混合料級配變粗，混合料級配曲線介于瀝青穩(wěn)定再生集料和瀝青穩(wěn)定級配碎石之間。

表4 瀝青穩(wěn)定天然集料和再生磚砼集料(ATB-25)合成級配表

注：D:C:B:A:礦粉=35:25:12:26:2

采用貝雷法CA值、FA值、FA值3個檢驗參數(shù)對合成級配檢驗時，CA值范圍為0.4～0.6，F(xiàn)A值比值范圍為0.4～0.6，F(xiàn)A值范圍宜為0.3～0.6[12?13]，檢驗參數(shù)計算式為：

式中：/2為/2粒徑的篩孔通過率；為集料的公稱最大粒徑；PCS為第一控制篩孔通過率；ATB?25為4.75 mm篩孔通過率。

式中：SCS為第二控制篩孔通過率；ATB?25為1.18mm篩孔通過率。

式中：TCS為第三控制篩孔通過率；ATB?25為0.3 mm篩孔通過率。

采用式(1)～(3)對瀝青穩(wěn)定碎石和再生磚砼集料的CA、FA、FA值進行計算，計算結(jié)果表明：3個檢驗參數(shù)值均在合理范圍內(nèi)，混合料能夠形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)。

2.2 最佳油石比確定

按照確定的級配，在混合料中分別摻入25%、50%、75%、100%的再生磚砼集料。按照馬歇爾配合比設(shè)計方法，確定不同再生磚砼集料摻量和磚砼比例的混合料最佳油石比和相關(guān)性能指標，試驗結(jié)果見表5。

由表5可知，對于不同再生集料摻量和磚砼比的瀝青穩(wěn)定碎石，各項技術(shù)指標均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。磚砼比一定時，隨著再生集料摻量增加，最佳油石比增加，穩(wěn)定度減小，流值增大。再生集料摻量由25%增加到100%時，瀝青穩(wěn)定碎石的孔隙率、礦料間隙率先增大后減小，瀝青飽和度先減小后增大。當再生集料摻量一定時，隨著磚砼比例增加，最佳油石比、流值、孔隙率、礦料間隙率增大，穩(wěn)定度、瀝青飽和度減小。該結(jié)果表明：再生集料摻量及磚砼比例均會使最佳油石比增大，穩(wěn)定度減小。這是由于再生磚砼集料比天然集料吸水率大，從而導致集料吸附較多瀝青，有效瀝青減少，油石比增加。

表5 最佳油石比及相關(guān)性能指標

3 再生磚砼集料瀝青穩(wěn)定碎石基層性能

3.1 力學性能

瀝青穩(wěn)定碎石基層的重要力學性能指標有抗壓強度、回彈模量與劈裂抗拉強度等。力學強度主要取決于集料之間形成的嵌擠作用和摩阻作用、集料與瀝青之間的黏附作用和瀝青膠結(jié)料的黏結(jié)性。再生集料與天然集料摻量的變化會對混合料的性能產(chǎn)生影響，所以對不同再生磚砼集料摻量和不同磚砼比例瀝青穩(wěn)定碎石的路用性能指標進行了 研究。

3.1.1 抗壓強度與回彈模量

采用單軸壓縮試驗對再生磚砼集料瀝青穩(wěn)定碎石的抗壓強度與回彈模量進行了測試，試驗結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可看出，當再生磚砼比例分別為0︰10、 1︰4、2︰3、3︰2，再生集料摻量由25%增加到100%時，混合料抗壓強度分別降低了14.4%、22.7%、37.5%、53.0%，回彈模量分別降低了29.0%、40.9%、60.7%、79.1%。表明：再生磚砼集料摻量和磚砼比例的增加對再生混合料的抗壓強度和回彈模量產(chǎn)生不利影響。這主要是由于再生磚砼集料摻量及再生磚集料含量增加，再生磚砼集料強度和密度較低，吸水率較大，導致混合料內(nèi)部閉口孔隙較多，力學強度降低。

圖1 混合料抗壓強度和回彈模量

圖2 混合料劈裂抗拉強度

3.1.2 劈裂抗拉強度試驗

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTG E20—2011)》對再生磚砼集料瀝青穩(wěn)定碎石混合料進行了劈裂強度試驗，結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，隨著再生集料摻量和磚砼比例增加，混合料劈裂抗壓強度均逐漸降低。相同再生集料摻量下，磚砼比例越高，劈裂抗壓強度降低幅度越大；磚砼比例一定時，再生集料摻量增加，劈裂抗拉強度降低幅度也越大。這是由于與天然集料相比，再生磚砼集料吸水率較大，強度較低，且再生集料與瀝青粘附性較低。

3.2 水穩(wěn)定性能

水穩(wěn)定性是確保公路路面基層質(zhì)量的重要指標之一。本試驗參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40—2004)》中基質(zhì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性要求[15]，采用殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比作為評價再生磚砼集料瀝青穩(wěn)定碎石水穩(wěn)定性的指標，試驗結(jié)果分別如圖3、4所示。

圖3 殘留穩(wěn)定度

圖4 凍融劈裂強度比

從圖3、4中可以看出，隨著再生集料摻量和磚砼比例增加，混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均逐漸降低。相同再生磚砼集料摻量下，磚砼比例越高，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比降低的幅度越大。當磚砼比例為2︰3，再生磚砼集料摻量大于65%，以及磚砼比例為3︰2，再生磚砼集料摻量大于50%時，再生混合料凍融劈裂強度比小于75%，均不滿足規(guī)范要求。

3.3 高溫穩(wěn)定性能

高溫環(huán)境下，柔性基層容易軟化，從而導致瀝青路面發(fā)生車轍病害。因此，本研究采用動穩(wěn)定度和車轍深度作為評價指標，對瀝青穩(wěn)定建筑垃圾再生集料高溫性能進行了研究，結(jié)果如圖5、6所示。

從圖5、6中可以看出，隨著再生集料摻量增加，混合料動穩(wěn)定度先增加后減小，車轍深度先減小后增加；隨著磚砼比例增加，混合料動穩(wěn)定度逐漸減小，車轍深度逐漸增加。當再生集料摻量為25%時，混合料動穩(wěn)定度比未摻加再生集料的天然集料混合料動穩(wěn)定度有所提高。當磚砼比小于2︰3時，車轍深度減小，再生磚砼混合料性能提升。當再生磚砼摻量為50%，磚砼比1︰4時，混合料動穩(wěn)定度和車轍深度與未摻加再生集料的混合料相當。當再生磚砼集料摻量大于50%，磚砼比大于 1︰4時，混合料高溫性能低于未摻加再生料的混合料性能。當混合料動穩(wěn)定度大于1 000次/mm時，柔性基層具有較好的抗車轍能力。因此，當磚砼比例為1︰4時，再生磚砼集料摻量宜小于80%；磚砼比例為2︰3時，再生磚砼集料摻量宜小于70%；當磚砼比例為3︰2時，再生磚砼集料摻量宜小 于50%。

圖5 動穩(wěn)定度

圖6 車轍深度

再生磚砼集料摻量和磚砼比例對混合料高溫性能的影響規(guī)律，主要是由于再生磚砼集料表面粗糙，骨料之間摩阻力和混合料抗變形能力增加，再生磚砼集料強度比天然集料的低。當再生磚砼集料繼續(xù)增加，會導致混合料強度降低。輪碾儀車輪反復碾壓作用下，混合料易發(fā)生破碎變形，造成動穩(wěn)定度降低，車轍深度增加。

4 結(jié)論

通過對再生磚砼集料性能及不同再生磚砼集料摻量和磚砼比例的再生混合料性能進行試驗研究，得出結(jié)論：

1) 隨著再生集料摻量和磚砼比例增加，混合料最佳油石比增加，穩(wěn)定度減小，其他指標出現(xiàn)明顯波動，但各項指標均滿足施工規(guī)范的相關(guān)要求，能夠用于ATB?25基層鋪筑。

2) 再生磚砼集料摻量和磚砼比例的增加，對再生混合料的抗壓強度和回彈模量產(chǎn)生不利影響。再生磚砼集料摻量越高，磚砼比例越大，混合料抗壓強度和回彈模量降低幅度越大。

3) 為保證再生混合料水穩(wěn)定性能，磚砼比例為2︰3時，再生磚砼集料摻量宜小于65%；磚砼比例為3︰2時，再生磚砼集料摻量宜小于50%。

4) 為保證混合料的抗車轍性能，再生磚砼摻量宜小于50%，磚砼比例宜為1︰4～2︰3。與未摻加再生集料的原混合料相比，該摻量范圍下再生混合料高溫性能提高或相當。

[1] 劉峰,劉海濤,封棟杰.建筑垃圾混合再生料道路基層應(yīng)用試驗研究[J].四川建材,2020,46(11):140?141.(LIU Feng, LIU Hai-tao, FENG Dong-jie. Experimental study on the application of recycled construction waste mixture in road base[J]. Sichuan Building Materials, 2020, 46(11): 140?141.(in Chinese))

[2] 虞磊,劉衛(wèi)東,錢耀麗,等.建筑垃圾再生集料作為道路基層材料的性能研究[J].中國水運,2020,20(3): 251?253. (YU Lei,LIU Wei-dong,QIAN Yao-li,et al. Study on performance of road base material using recycled aggregate of construction waste[J]. China Water Transport, 2020, 20(3): 251?253.(in Chinese))

[3] 李玉梅,栗威,王自浩.建筑廢棄物再生水泥穩(wěn)定基層的配合比設(shè)計與力學性能[J].筑路機械與施工機械化, 2019,36(7):52?57.(LI Yu-mei,LI Wei,WANG Zi-hao. Mixing proportion design and mechanical properties of building waste for regeneration of cement stabilized base[J]. Road Machinery & Construction Mechanization, 2019,36(7):52?57.(in Chinese))

[4] 左潔.建筑廢棄物在水穩(wěn)碎石基層再利用技術(shù)研究[D]. 南京: 東南大學, 2018. (ZUO Jie. Construction waste stabilized gravel base in water reuse technology research [D]. Nanjing: Southeast University, 2018. (in Chinese))

[5] 楊銳,寧培淋,劉浩,等.無機結(jié)合料穩(wěn)定的建筑垃圾路基填料干縮性能研究[J].新型建筑材料,2016,43(6):29?31. (YANG Rui, NING Pei-lin, LIU Hao, et al. Study on dry shrinkage performance of subgrade filled with construction waste stabilized by inorganic binder[J]. New Building Materials,2016,43(6):29?31.(in Chinese))

[6] 顧萬,肖鵬,楊宇軒,等.再生水泥穩(wěn)定碎石基層材料收縮及疲勞性能試驗研究[J].混凝土與水泥制品,2018(12): 95?100. (GU Wan, XIAO Peng, YANG Yu-xuan, et al. Experimental study on shrinkage and fatigue properties of macadam base materials stabilized by recycled cement[J]. China Concrete and Cement Products, 2018(12): 95? 100.(in Chinese))

[7] 賈艷東,劉俊杰,韓碩,等.再生磚骨料瀝青混合料性能研究[J].工程與建設(shè),2016,30(5):666?668.(JIA Yan-dong, LIU Jun-jie, HAN Shuo, et al. Study on performance of recycled brick aggregate asphalt mixture[J]. Engineering and Construction, 2016, 30(5): 666?668.(in Chinese))

[8] 陳智蓉,嚴軍.橡膠瀝青穩(wěn)定碎石基層材料性能研究[J]. 公路,2017,62(1):206?208.(CHEN Zhi-rong,YAN Jun. Study on properties of rubber asphalt stabilized macadam base materia[J]. Highway, 2017, 62(1): 206?208. (in Chinese))

[9] 馮新軍,郝培文,查旭東.瀝青穩(wěn)定碎石基層抗反射裂縫能力評價方法[J].中國公路學報,2011,24(2):6?11. (FENG Xin-jun, HAO Pei-wen, ZHA Xu-dong. Evaluating method on resisting reflective cracking ability of asphalt stabilized macadam base[J]. China Journal of Highway and Transport, 2011, 24(2): 6?11.(in Chinese))

[10] 秦仁杰,李本鵬,侯湘泉,等.瀝青穩(wěn)定碎石基層級配比選及路用性能研究[J].中外公路,2013,33(2):51?54.(QIN Ren-jie, LI Ben-peng, HOU Xiang-quan, et al. Study on mix selection and road performance of asphalt stabilized macadam[J]. Journal of China & Foreign Highway, 2013,33(2):51?54.(in Chinese))

[11] 張宜洛,陳陽陽,李晨,等.干法摻入煤液化殘渣瀝青穩(wěn)定碎石基層材料性能[J].重慶交通大學學報:自然科學版, 2018,37(11):47?51.(ZHANG Yi-luo,CHEN Yang-yang, LI Chen, et al. Performance of coal liquefied residue asphalt stabilized gravel base materials with dry mixing method[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University: Natural Science,2018,37(11):47?51.(in Chinese))

[12] 袁玲,魏汝明,黃興,等.ATB-25混合料級配優(yōu)化設(shè)計與路用性能研究[J].公路,2014,59(3):133?139.(YUAN Ling, WEI Ru-ming, HUANG Xing, et al. Optimization design and road performance research on gradation of ATB-25 mixture[J]. Highway, 2014, 59(3): 133?139. (in Chinese))

[13] 張凌云,金成,賈小龍,等.基于AC-13瀝青混凝土的貝雷法級配設(shè)計研究[J].公路,2018,63(11):105?109. (ZHANG Ling-yun, JIN Cheng, JIA Xiao-long, et al. Study on Bailey method gradation design of AC-13 asphalt concrete[J]. Highway, 2018, 63(11): 105?109.(in Chinese))

[14] 中華人民共和國交通部. JTG F 40—2004,公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004. (Ministry of Transport of the People’s Republic of China. JTG F 40—2004,Technical specification for construction of highway asphalt pavements[S]. Beijing: China Communications Press,2004.(in Chinese))

[15]韓先瑞,張寶虎,余天航,等.鐵尾礦瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗研究[J].交通科學與工程,2019,35(2):6?10.(HAN Xian-rui, ZHANG Bao-hu, YU Tian-hang, et al. Experimental study on the moisture stability of the asphalt mixture with iron tailings[J]. Journal of Transport Science and Engineering, 2019, 35(2): 6?10.(in Chinese))

Pavement performance of asphalt treated permeable base using construction waste recycled aggregate

YU Qi1, XU Li2, GAO Jin-cang2, ZHAO Ding-xin3, LIANG Xin-tao2

(1.China Construction Bridge Co., Ltd., Chongqing 402260, China; 2.Sanmenxia National Highway 310 south Project Construction Management Co., Ltd., Sanmenxia 472000, China; 3.China Construction Fifth Engineering division Co., Ltd., Changsha 410004, China)

In order to study the pavement performance of asphalt-treated permeable base using construction waste recycled aggregate, the Bailey method was used to determine the optimal mix proportion. A series of trials onasphalt-treated permeable base, such as unconfined compressive strength test, freeze-thaw splitting test, water stability test and rutting test, were done. The influence of parameters of recycled aggregate, such as the mixing amount of brick and concrete, the proportion of recycled aggregate, on pavement performance was analyzed. The results show that, the content and proportion of brick and concrete in recycled aggregate should be controlled. The content of recycled aggregate in asphalt stabilized macadam should be less than 50%, and the proportion of brick and concrete should be controlled from 1:4 to 2:3. Compared with the asphalt stabilized macadam without recycled aggregate, the water stability and mechanical strength can meet the requirement, and the high temperature performance of recycled mixture is improved.

road engineering, recycled brick and concrete aggregate, asphalt-treated permeable base, mix design

U416.217

A

1674 ? 599X(2021)02 ? 0001 ? 07

2020?10?07

中原千人計劃?中原科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項目資助(204200510004)

余琦(1986?)，男，中建橋梁有限公司工程師。