抗車轍劑對(duì)含再生粗集料瀝青混合料性能影響研究

杜西江， 徐良， 胡靖

(1.中交一公局 第五工程有限公司， 北京市 100024； 2.東南大學(xué) 智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心)

在過去的幾十年中，中國(guó)傳統(tǒng)建筑行業(yè)一直在消耗大量的不可再生資源。隨著大批建筑構(gòu)造物使用報(bào)廢年限的臨近，大量的建筑垃圾隨之產(chǎn)生。常規(guī)的處理措施是簡(jiǎn)單掩埋處理，這種現(xiàn)象造成了極大的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。近年來，工程界逐漸將眼光聚集如何科學(xué)、經(jīng)濟(jì)地二次利用這種建筑廢棄物。通常而言，建筑垃圾主要包含了大量水泥混凝土塊狀物、水泥砂漿碎屑、少量的碎黏土磚和碎陶瓷等材料。由于這些成分也具有一定的強(qiáng)度，因此其在土木工程領(lǐng)域具有巨大的再利用潛力，其中的關(guān)鍵應(yīng)用便是將處理后的建筑垃圾用作路基和瀝青路面施工的再生集料。而將其再生應(yīng)用在瀝青混合料中成為近期道路工程研究的熱點(diǎn)。由于再生集料中的水泥砂漿與磚塊成分的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)小于天然集料，因此在瀝青混合料中，再生集料的破碎現(xiàn)象比天然集料更加明顯，導(dǎo)致瀝青混合料性能出現(xiàn)衰減，因此亟需探究改善含有再生集料瀝青混合料性能的方法。

抗車轍劑是以提高瀝青路面抗車轍性能為主要功能的瀝青混合料添加劑，一般由高分子聚合物、纖維等多種成分復(fù)合而成，具有良好的擠嵌、加筋、膠結(jié)以及彈性恢復(fù)等性能，可有效改善瀝青混合料的路用性能。在實(shí)際應(yīng)用過程中，抗車轍劑具有施工要求簡(jiǎn)單、適用能力較強(qiáng)、效果突出以及性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，為解決瀝青路面病害，尤其是車轍病害提供了有效方案。

該文提出以抗車轍劑改善再生集料瀝青混合料的思路，選用富含聚乙烯PE的抗車轍劑，通過馬歇爾配合比試驗(yàn)，分析不同抗車轍劑用量對(duì)再生集料瀝青混合料的馬歇爾力學(xué)指標(biāo)、體積參數(shù)和瀝青用量的影響；而后進(jìn)一步探究抗車轍劑對(duì)再生集料瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、低溫彎拉應(yīng)變、凍融劈裂強(qiáng)度比和疲勞壽命的影響規(guī)律，以期為抗車轍劑在再生集料瀝青路面中的推廣應(yīng)用提供參考與借鑒。

1 配合比設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用再生集料以建筑拆除固體廢棄垃圾中的廢舊水泥混凝土為主要原材料，經(jīng)過一系列破碎、篩分、除雜等集料加工工藝處理后的最終產(chǎn)品RCAⅠ，成分包含91.3%的純?cè)偕炷良虾?.7%的磚質(zhì)集料，其粒徑為4.75～19 mm。

同時(shí)作為試驗(yàn)對(duì)比集料，將純?cè)偕炷良虾痛u質(zhì)集料進(jìn)行二次分揀，其中的純?cè)偕炷良献鳛镽CAⅡ。根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》, 測(cè)試的再生粗集料RCAⅠ、RCAⅡ和天然輝綠巖粗集料性能如表1所示。

表1 粗集料性能

從表1可以看出：將再生粗集料RCAⅠ中的磚質(zhì)集料分離后，再生粗集料RCAⅡ的性質(zhì)略有改善。然而，兩種再生粗集料的密度仍然比天然輝綠巖粗集料低得多。這主要是因?yàn)镽CA粗集料中存在大量具有多孔結(jié)構(gòu)的水泥附漿和磚質(zhì)，增大了再生粗集料的吸水率；同時(shí)由于水泥附漿和磚質(zhì)的強(qiáng)度較低，再生粗集料在混合、攤鋪和壓實(shí)過程中面臨更高的壓碎風(fēng)險(xiǎn)。總體來說，除吸水率外，兩種再生粗集料基本滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。

試驗(yàn)采用瀝青結(jié)合料為I-C 型SBS改性瀝青，礦粉采用石灰?guī)r，細(xì)集料采用天然輝綠巖，纖維采用聚氨酯纖維，其用量為混合料質(zhì)量的0.2%?？管囖H劑為高分子聚合物聚乙烯PE，其性能如表2所示，上述各原材料性能均滿足規(guī)范要求。

表2 抗車轍劑主要性能

參照以往研究經(jīng)驗(yàn)，采用30%(質(zhì)量百分率)的再生集料替代相應(yīng)粒徑尺寸的天然輝綠巖粗集料，制備成型再生集料瀝青混合料(RCAM-16)，設(shè)計(jì)礦料級(jí)配如表3所示。

表3 再生集料瀝青混合料(RCAM-16)設(shè)計(jì)級(jí)配

1.2 配合比設(shè)計(jì)

采用干拌法在瀝青混合料中添加抗車轍劑，即將改性劑與配備集料先置于拌和鍋中攪拌60 s，以保證改性劑均勻分散，且充分裹覆粗集料；而后添加SBS改性瀝青拌和90 s，最后添加礦粉再拌和90 s。拌和過程中嚴(yán)格控制拌和溫度為175～185 ℃。以常規(guī)馬歇爾擊實(shí)儀成型瀝青混合料馬歇爾試件，雙面擊實(shí)試件各75次，混合料成型溫度控制為160～165 ℃。

由于再生集料具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，其吸水率遠(yuǎn)高于天然集料，因此為保證熔融狀態(tài)下的抗車轍劑能有效覆蓋再生集料表面，選擇抗車轍劑的用量為瀝青混合料的0.5%、1.0%、1.5%和2.0%，遠(yuǎn)高于普通瀝青混合料的常見用量(0.2%～0.6%)。

由于抗車轍劑用量較高，此時(shí)不能忽略其對(duì)馬歇爾試驗(yàn)中各項(xiàng)體積參數(shù)的影響；同時(shí)抗車轍劑在瀝青混合料拌和溫度下處于熔融狀態(tài)，能夠自由流動(dòng)，因此計(jì)算瀝青混合料的馬歇爾體積參數(shù)過程中，將抗車轍劑等同于SBS改性瀝青一并考慮，具體的體積指標(biāo)計(jì)算如式(1)～(4)所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：γt為瀝青混合料最大理論密度；γs為礦料有效密度；γb為瀝青相對(duì)密度；γr為抗車轍劑相對(duì)密度；Ps為混合料中礦料含量(%)；Pb為混合料中瀝青用量(%)；Pr為混合料中抗車轍劑用量(%)；γf為實(shí)測(cè)試件毛體積密度；γsb為礦料合成毛體積密度；VV為試件空隙率(%)；VMA為試件礦料間隙率(%)；VFA為試件有效瀝青飽和度(%)。

根據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法，結(jié)合馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果中各項(xiàng)體積指標(biāo)和力學(xué)參數(shù)，確定不同抗車轍劑添加量的瀝青混合料最佳瀝青用量如表4所示。

表4 抗車轍劑對(duì)瀝青混合料(RCAM-16)馬歇爾試驗(yàn)的影響

由表4可以看出：相比于RCAⅠ再生集料，采用不含磚質(zhì)集料的RCAⅡ替代天然粗集料時(shí)，瀝青混合料的最佳瀝青用量更低，也具有更高的馬歇爾穩(wěn)定度，同時(shí)瀝青混合料的毛體積密度更高。此外，RCAⅠ相比于RCAⅡ具有更低的VMA，表明雖然再生集料中的水泥砂漿成分能部分吸收瀝青材料，但更多的瀝青材料能被磚質(zhì)所吸收。

另一方面，隨著抗車轍劑的增加，含再生集料瀝青混合料的最佳瀝青用量逐漸降低，空隙率逐漸增大，馬歇爾穩(wěn)定度逐漸提高，而毛體積密度不斷降低。這是由于抗車轍劑在瀝青混合料成型過程融化，涂覆粗集料表面，一部分抗車轍劑填充嵌擠到了集料骨架中的空隙，擠占瀝青填充空間，降低了瀝青用量；同時(shí)也產(chǎn)生了聚合物的加筋作用，強(qiáng)化了瀝青混合料中膠結(jié)體系內(nèi)聚力和交聯(lián)作用，從而提高和改善了瀝青混合料馬歇爾試件的力學(xué)性能。

2 路用性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，選用100%天然集料瀝青混合料、含RCAⅠ瀝青混合料、含RCAⅠ+2%抗車轍劑瀝青混合料、含RCAⅡ?yàn)r青混合料和含RCAⅡ+2%抗車轍劑瀝青混合料作為研究對(duì)象，探究抗車轍劑對(duì)含再生集料瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律。

2.1 高溫穩(wěn)定性

在再生瀝青混合料壓實(shí)過程中容易破碎粗集料，削弱了混合料中粗集料骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而可能影響再生集料瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。因此，有必要深入研究含再生集料瀝青混合料RCAM-16的高溫抗變形特征以及抗車轍劑對(duì)其的改善效果。

成型300 mm×300 mm×50 mm標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件，并固定于標(biāo)準(zhǔn)的車轍板模具中，用于后續(xù)高溫車轍試驗(yàn)。根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，分別設(shè)定試驗(yàn)溫度為60、70 ℃，橡膠塊接觸壓力為0.70 MPa，試驗(yàn)時(shí)間為60 min，瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5可知：60 ℃車轍試驗(yàn)中，含兩種不同再生集料的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均高于100%天然集料瀝青混合料，同時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度均大于3 000次/min，表明再生粗骨料按一定比例取代天然粗骨料，瀝青混合料的高溫抗變形能力會(huì)有一定程度改善，這主要是由于再生集料表面相比天然骨料粗糙，集料間的摩擦力更大，不容易生產(chǎn)錯(cuò)動(dòng)，瀝青混合料在高溫條件下仍表現(xiàn)出良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗變形能力，基本可以滿足夏季高溫重載地區(qū)道路的使用要求。

表5 抗車轍劑對(duì)瀝青混合料(RCAM-16)抗車轍性能的影響

同時(shí)，隨著車轍試驗(yàn)溫度的升高，5種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，且由于5種瀝青混合料所用的集料與添加抗車轍劑不同，動(dòng)穩(wěn)定度的下降幅度也呈現(xiàn)出一定差異。即隨著試驗(yàn)溫度的升高，天然集料瀝青混合料的高溫抗車轍性能表現(xiàn)最差，RCAⅠ瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性次之，RACⅡ?yàn)r青混合料稍高，添加2%抗車轍劑的RACⅠ瀝青混合料有所改善，添加2%抗車轍劑的RACⅡ?yàn)r青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度比最大，說明剔除再生集料中的磚質(zhì)能一定程度改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，另一方面也表明抗車轍劑能顯著提高再生集料瀝青混合料的高溫抗變形能力。

2.2 低溫抗裂性

瀝青路面的裂縫問題一直是影響其耐久性能的主要病害。試驗(yàn)采用小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究再生集料瀝青混合料RCAM-16的低溫抗裂性能，小梁試件由標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件切割而成，尺寸為250 mm×30 mm×35 mm。試驗(yàn)溫度設(shè)置為-10 ℃，加載速率設(shè)置為50 mm/min。分別對(duì)4種不同組成的再生集料瀝青混合料和100%天然集料瀝青混合料試件，進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)，以破壞彎拉應(yīng)變作為其低溫抗裂性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出：天然集料瀝青混合料的低溫破壞應(yīng)變大于兩種再生集料瀝青混合料，說明瀝青混合料低溫性能隨再生粗骨料摻入而降低，其原因主要是再生粗骨料中的水泥砂漿、磚塊的強(qiáng)度低，抗拉能力較弱，低溫彎曲變形時(shí)最先發(fā)生破壞；另一方面，采用RCAⅡ再生粗集料制備的瀝青混合料比采用RCAⅠ再生粗集料具有更高的低溫破壞應(yīng)變，表明再生集料中磚質(zhì)集料的增加對(duì)瀝青混合料RCAM-16的低溫抗裂性具有不利影響，其主要原因是再生集料中磚質(zhì)成分的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)小于水泥砂漿。

同時(shí)隨著抗車轍劑的添加，兩種再生集料瀝青混合料RCAM-16的低溫破壞應(yīng)變呈逐漸上升趨勢(shì)。添加2%抗車轍劑后，RCAⅡ再生瀝青混合料的低溫破壞應(yīng)變提高了308 με，RCAⅠ再生瀝青混合料的低溫破壞應(yīng)變提高了314 με，兩種再生集料瀝青混合料的低溫破壞應(yīng)變基本達(dá)到或超過天然集料混合料。這是因?yàn)榭管囖H劑有一部分聚合物纖維成分，對(duì)瀝青混合料起到加筋、增韌、增強(qiáng)作用，從而可以在一定程度上改善瀝青混合料的低溫抗裂性。

2.3 水穩(wěn)定性

由于再生集料中的水泥砂漿和磚質(zhì)中含有較多的二氧化硅，在一定程度上會(huì)影響瀝青與再生集料的黏附性能，因此必須重視再生集料瀝青混合料的抗水損害能力；同時(shí)為了進(jìn)一步分析抗車轍劑對(duì)再生集料瀝青混合料RCAM-16的水穩(wěn)定性作用，根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，分別進(jìn)行了凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)，以殘留穩(wěn)定度MSR和凍融劈裂比TSR作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果

由圖2、3可知：天然集料瀝青混合料的水穩(wěn)定性能優(yōu)于兩種再生集料瀝青混合料，而采用RCAⅡ(剔除磚質(zhì))再生粗集料制備的瀝青混合料比采用RCAⅠ再生粗集料具有更高的殘留穩(wěn)定度MSR和凍融劈裂比TSR。與RCAⅠ相比，剔除磚質(zhì)集料后的RCAⅡ再生粗集料為瀝青混合料提供了更好的水穩(wěn)定性。此外，RCAⅡ?yàn)r青混合料的MSR和TSR分別為86.81%和85.98%，而RCAⅠ瀝青混合料的MSR和TSR分別為85.67%和81.34%。顯然，再生集料瀝青混合料RCAM-16基本滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中潮濕地區(qū)瀝青混合料殘留穩(wěn)定度(>85%)和凍融劈裂比(>80%)的技術(shù)要求。結(jié)果表明，再生集料瀝青混合料RCAM-16基本可用于潮濕地區(qū)。

同時(shí)，對(duì)于兩種未添加抗車轍劑的再生集料瀝青混合料，其MSR和TSR值基本都處于規(guī)范要求下限的附近。但當(dāng)使用抗車轍劑進(jìn)行混合料改性后，其水穩(wěn)定性能均有了一定程度的改善。添加2%抗車轍劑后，RCAⅡ再生瀝青混合料的MSR值提高到93.49%，TSR值提高到91.57%；而RCAⅠ再生瀝青混合料的MSR值提高到91.32%，TSR值提高到88.43%，表明添加抗車轍劑能在一定程度上改善再生集料瀝青混合料的水穩(wěn)定性。這是因?yàn)槿廴跔顟B(tài)車轍劑有效填充了再生集料表面的空隙結(jié)構(gòu)，改善了瀝青與再生集料之間的黏附性，能阻止水分子進(jìn)入瀝青與再生集料之間的界面區(qū)域，從而提高了瀝青混合料的整體性，進(jìn)而改善其水穩(wěn)定性能。

2.4 抗疲勞性能

瀝青路面承受著交通載荷和環(huán)境條件的重復(fù)作用，因此瀝青混合料應(yīng)具有良好的抗疲勞性能，以抵抗瀝青路面裂縫的產(chǎn)生。根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，通過在15 ℃下進(jìn)行小梁三點(diǎn)彎曲測(cè)試，以評(píng)估RCAM-16的疲勞性能。小梁試件尺寸為250 mm×40 mm×40 mm，以頻率為10 Hz、半正弦波形荷載來模擬瀝青路面的車輛作用，應(yīng)力比選擇為0.5、0.4和0.3，疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果圖4所示。

圖4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

從圖4可以看出：隨著應(yīng)力比從0.3增加到0.5，瀝青混凝土RCAM-16的疲勞壽命急劇下降。應(yīng)力比相同時(shí)，RCAⅠ瀝青混合料的疲勞壽命次數(shù)最小，RCAⅡ?yàn)r青混合料的疲勞壽命次數(shù)次之，天然集料瀝青混合料的疲勞壽命次數(shù)稍好，添加2%抗車轍劑的RCAⅠ瀝青混合料的疲勞壽命次數(shù)有所改善，而添加2%抗車轍劑的RCAⅡ?yàn)r青混合料的疲勞壽命次數(shù)最大，表明添加抗車轍劑能提高再生集料瀝青混合料的抗疲勞性能，且明顯優(yōu)于天然集料瀝青混合料。

這是因?yàn)樗砑拥目管囖H劑具有良好的膠結(jié)作用，能夠促進(jìn)瀝青與集料的結(jié)合，提高瀝青黏附性；同時(shí)，抗車轍劑中的纖維使瀝青、集料處于三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，加強(qiáng)了瀝青膠漿與集料之間的連接，在疲勞作用加載過程中，再生集料瀝青混合料產(chǎn)生了彈性形變和剪切流動(dòng)變形，當(dāng)疲勞作用卸載時(shí)，彈性形變完全恢復(fù)，并且在纖維加筋的作用下，剪切流動(dòng)變形也有所恢復(fù)，增強(qiáng)了再生集料瀝青混合料的自愈能力，從而提高了其抗疲勞性能。

2.5 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)5種瀝青混合料的配比情況，結(jié)合各類原材料的現(xiàn)有市場(chǎng)單價(jià)，進(jìn)行單位質(zhì)量條件下瀝青混合料的成本分析，具體分析結(jié)果如表6所示。

由表6可知：添加2%抗車轍劑后，再生集料瀝青混合料僅比天然集料瀝青混合料造價(jià)高4.3%～5.3%，同時(shí)添加抗車轍劑的再生集料瀝青混合料的路用性能遠(yuǎn)優(yōu)于天然集料瀝青混合料。因此雖然添加抗車轍劑稍微提高了再生集料瀝青混合料的造價(jià)，但是綜合瀝青混合料路用性能的改善效果以及其顯著的環(huán)保意義，其成本的提高幅度應(yīng)認(rèn)為是可以接受的。

表6 再生集料瀝青混合料成本分析

3 結(jié)論

(1) 磚質(zhì)集料與瀝青黏附性較差，強(qiáng)度低，對(duì)再生集料瀝青混合料的馬歇爾性能具有明顯的負(fù)面影響，建議在路面瀝青混合料中慎用。即隨著磚質(zhì)集料的出現(xiàn)，再生集料瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度降低，空隙率增大，流值增大，最佳瀝青用量提高。

(2) 添加抗車轍劑后，再生集料瀝青混合料的60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度提高了1倍以上，且溫度升高10 ℃后，再生集料瀝青混合料的殘留動(dòng)穩(wěn)定度也明顯提高。說明抗車轍劑能有效地改善再生集料瀝青混合料的高溫抗車轍能力。

(3) 不含磚質(zhì)的再生集料瀝青混合料的水穩(wěn)定性優(yōu)于含有磚質(zhì)的再生集料；且添加抗車轍劑后，再生集料瀝青混合料有一定程度的改善。4種瀝青混合料的水穩(wěn)定性能為RCAⅡ+2%抗車轍劑>RCAⅠ+2%抗車轍劑>RCAⅡ>RCAⅠ，均能滿足潮濕地區(qū)瀝青路面的使用要求。

(4) 不含抗車轍劑的再生集料瀝青混合料的低溫抗裂性和抗疲勞性能都低于添加抗車轍劑后的瀝青混合料，但基本都能滿足冬冷地區(qū)的技術(shù)要求。以低溫彎曲破壞應(yīng)變?yōu)橹笜?biāo)，4種再生集料瀝青混合料的低溫性能依次為RCAⅡ+2%抗車轍劑>RCAⅠ+2%抗車轍劑>RCAⅡ>RCAⅠ；以疲勞壽命次數(shù)為指標(biāo)，相同應(yīng)力條件下，4種再生集料瀝青混合料的抗疲勞性能依次為RCAⅡ+2%抗車轍劑>RCAⅠ+2%抗車轍劑>RCAⅡ>RCAⅠ。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得，添加富含聚乙烯PE抗車轍劑可有效改善再生集料瀝青混合料的路用性能，其具有良好的實(shí)體工程應(yīng)用前景。