再生粗骨料瀝青混合料路用性能研究

李建立

（保定市交通運(yùn)輸局，河北 保定 071000）

引言

隨著我國(guó)城市化、工業(yè)化進(jìn)程的加速以及基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，相伴而生的建筑垃圾也日益增多，其中建筑垃圾占城市垃圾總量的35%～45%，巨量的建筑垃圾堆放不僅占用了大量土地，而且對(duì)空氣、水源以及土壤造成嚴(yán)重污染，若不加強(qiáng)建筑垃圾的循環(huán)利用將會(huì)加快資源消耗，影響經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展[1-2]。破碎建筑垃圾生產(chǎn)再生骨料具有附加值高、可塑性強(qiáng)、低價(jià)易得等特點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。趙振宇等[3]認(rèn)為摻入建筑廢棄物粉體材料可以提高水泥穩(wěn)定碎石的抗凍性及收縮性。王彥等[4]根據(jù)建筑廢棄物特點(diǎn)，提出逐級(jí)嵌擠的級(jí)配設(shè)計(jì)方法。王曉龍等[5]發(fā)現(xiàn)隨著再生骨料摻量的增加，應(yīng)變能密度函數(shù)及破壞彎拉應(yīng)變不斷增大，其中高吸水率是限制再生骨料在瀝青混合料中應(yīng)用的關(guān)鍵。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

（1）重交A-70#瀝青；（2）石灰?guī)r礦粉；（3）花崗巖粗骨料，粒徑范圍為10 ～20 mm、5 ～10 mm、3 ～5 mm；（4）石灰?guī)r細(xì)集料，粒徑范圍為0 ～3 mm。所選用的天然骨料均滿足瀝青混合料用集料的指標(biāo)要求。再生粗骨料的洛杉磯磨耗、壓碎值、針片狀指標(biāo)和密度均符合《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）要求。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

AC-20C 礦料級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

圖1 級(jí)配曲線

通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)法確定再生粗骨料瀝青混合料的最佳油石比，由于再生粗骨料和天然骨料混合摻配，需要對(duì)混合情況下的相對(duì)密度進(jìn)行計(jì)算，不同摻量再生粗骨料的最佳油石比及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同摻量再生粗骨料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表1 可以看出，隨著再生粗骨料摻量的不斷增加，瀝青用量也不斷增加。主要是由于再生粗骨料累積的損傷裂縫及裹附著的砂漿會(huì)增加拌和時(shí)瀝青的需求。相比純天然骨料瀝青混合料，瀝青用量增加的同時(shí)也減小了混合料的毛體積相對(duì)密度。粉膠比和有效瀝青膜厚度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 AC-20C 的有效瀝青膜厚度和粉膠比計(jì)算結(jié)果

由表2 可以看出，隨著再生粗骨料摻量的增加，瀝青用量不斷增加，但粉膠比穩(wěn)定在1.5 左右，有效瀝青膜厚度變化不大，在8.18 ～8.48 μm 范圍內(nèi)變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高溫穩(wěn)定性分析

最佳油石比條件下，不同摻量再生粗骨料的車轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖2 可以看出，隨著再生粗骨料摻量的增加，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度呈先增加后減小的變化趨勢(shì)。再生粗骨料摻量達(dá)60%時(shí)，試件的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)為天然粗骨料瀝青混合料試件的兩倍。主要是由于再生粗骨料表面裹附了大量堿性的水泥砂漿，能夠提高集料與瀝青二者間的黏附能力，提高了內(nèi)部材料的黏結(jié)力；同時(shí)有利于形成結(jié)構(gòu)瀝青膜，對(duì)提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有明顯的積極作用；但是水泥砂漿本身強(qiáng)度較低，再生粗骨料摻量增加至60%時(shí)逐漸成為影響試件破壞變形的重要因素，其對(duì)試件高溫穩(wěn)定性的負(fù)面作用逐漸顯現(xiàn)。相關(guān)研究表明混凝土再生骨料純度也會(huì)影響瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[3]，再生骨料拾撿過(guò)程中須控制再生粗骨料中紅磚含量，并采用適當(dāng)?shù)暮筇幚砉に囂岣咴偕止橇系钠焚|(zhì)。同時(shí)建議采用純水泥混凝土成分的再生粗骨料，進(jìn)而提高再生粗骨料瀝青混凝土的高溫性能。

2.2 水穩(wěn)定性分析

不同再生粗骨料摻量下瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 凍融劈裂及浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由圖3 可以看出，在一定范圍內(nèi)隨著再生粗骨料摻量的增加，試件的劈裂強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度均呈明顯的增加趨勢(shì)。再生粗骨料摻量超過(guò)60%時(shí)試件的劈裂強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度均開(kāi)始轉(zhuǎn)向下降，表明摻加適量的再生粗骨料有利于提高試件的水穩(wěn)定性。主要是由于瀝青與礦料接觸后能夠通過(guò)吸附瀝青酸酐、瀝青酸而降低其表面能，同時(shí)再生粗骨料表面存在吸收其他物質(zhì)降低表面能的趨勢(shì)，且瀝青與礦料的吸附能力與礦料所帶電荷有關(guān)?；◢弾r表面以及瀝青中的瀝青酸酐、瀝青酸表面所帶電荷相同均為強(qiáng)負(fù)電荷，二者的黏附能力相對(duì)較差，而再生骨料表面包裹的堿性水泥砂漿帶有弱的負(fù)電荷表現(xiàn)出更好的黏附性，更容易通過(guò)吸附瀝青中的瀝青酸酐、瀝青酸降低表面能，與瀝青形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)瀝青膜。因此，摻加一定量的再生骨料試件的水穩(wěn)定性優(yōu)于天然骨料混合料。

2.3 低溫穩(wěn)定性分析

不同再生粗骨料摻量條件下瀝青試件的低溫彎曲破壞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 低溫彎曲破壞試驗(yàn)結(jié)果

由表3 可以看出，隨著再生粗骨料摻量的增加，試件的勁度模量有所增大，而彎拉強(qiáng)度與破壞應(yīng)變明顯降低；表明瀝青混合料的低溫性能隨再生粗骨料摻量的增加而不斷降低。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，再生粗骨料摻量為40%時(shí)，試件的低溫彎曲應(yīng)變?yōu)? 985 με，低于瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)破壞應(yīng)變規(guī)范≥2 000 με的最低要求。小梁彎曲試驗(yàn)在-10 ℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)臨界彎拉強(qiáng)度評(píng)價(jià)結(jié)果與臨界彎拉應(yīng)變不一致的結(jié)果，基于SCB試驗(yàn)通過(guò)預(yù)切口半圓標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行靜態(tài)斷裂試驗(yàn)，測(cè)定不同再生粗骨料摻量下試件的斷裂韌度，不同切口深度下的斷裂能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同切口深度下試件單位厚度斷裂能試驗(yàn)結(jié)果

斷裂韌度與再生粗骨料摻量的關(guān)系曲線擬合結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 再生粗骨料摻量對(duì)斷裂韌度與集料面積的影響曲線

由圖4 可以看出，摻加再生粗骨料會(huì)降低混合料的低溫性能，隨著再生粗骨料摻量的增加瀝青混凝土的斷裂韌度不斷減小，小摻量情況下斷裂韌度與純天然集料差距較小。對(duì)試件破壞斷面進(jìn)行二值化處理，并計(jì)算集料的面積所占比例，可以看出，隨著再生粗骨料摻量的增加，試件斷面中集料所占的面積比例明顯增加，主要由于試件在低溫條件下易發(fā)生脆性破壞，此時(shí)再生粗骨料的強(qiáng)度成為影響試件抵抗破壞的重要因素。

2.4 抗疲勞特性分析

通過(guò)小梁試件沖擊試驗(yàn)測(cè)定瀝青混凝土試件的沖擊韌性，進(jìn)而分析再生粗骨料摻量對(duì)試件的抗疲勞性能的影響。試件在15 ℃下養(yǎng)護(hù)4 h，通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的沖擊力作用繪制出荷載-沖擊韌性曲線見(jiàn)圖5。

圖5 再生粗骨料摻量對(duì)瀝青混凝土沖擊韌性的影響曲線

由圖5 可以看出，瀝青混凝土中摻加再生粗骨料對(duì)試件的抗疲勞性能存在明顯的負(fù)面作用。隨著再生粗骨料摻量的增大，瀝青混凝土試件的沖擊韌性不斷減小，其中再生粗骨料摻量為80%時(shí)試件的沖擊韌性急劇下降，表明摻量越大越試件越容易發(fā)生疲勞破壞。主要是由于再生粗骨料剛度較大而強(qiáng)度較低，其中石子與砂漿黏結(jié)界面的薄弱點(diǎn)更容易發(fā)生脆性破壞；再生粗骨料摻量為80%時(shí)取代了大量天然集料，試件的延展變形能力變差更易發(fā)生斷裂。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)再生粗骨料瀝青混凝土的路用進(jìn)行研究，得出結(jié)論：瀝青混合料的最佳油石比隨再生粗骨料摻量的增大明顯增大，但瀝青膜厚度及有效瀝青用量基本維持不變。再生粗骨料摻量為30%～40%時(shí)，試件的高溫性能最優(yōu)；再生粗骨料對(duì)試件的水穩(wěn)定性能具有明顯的積極作用，堿性的水泥砂漿增強(qiáng)了瀝青與再生粗骨料的黏附性；摻加再生粗骨料對(duì)瀝青混凝土的抗疲勞性能和低溫性能影響可控。