再生粗骨料瀝青混合料路用性能研究

李建立

（保定市交通運輸局，河北 保定 071000）

引言

隨著我國城市化、工業(yè)化進程的加速以及基礎(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，而且對空氣、水源以及土壤造成嚴(yán)重污染，若不加強建筑垃圾的循環(huán)利用將會加快資源消耗，影響經(jīng)濟和社會發(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、低價易得等特點，受到國內(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，提出逐級嵌擠的級配設(shè)計方法。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《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）要求。

1.2 配合比設(shè)計

AC-20C 礦料級配曲線見圖1。

圖1 級配曲線

通過馬歇爾試驗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，需要對混合情況下的相對密度進行計算，不同摻量再生粗骨料的最佳油石比及馬歇爾試驗結(jié)果見表1。

表1 不同摻量再生粗骨料的馬歇爾試驗結(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增加拌和時瀝青的需求。相比純天然骨料瀝青混合料，瀝青用量增加的同時也減小了混合料的毛體積相對密度。粉膠比和有效瀝青膜厚度計算結(jié)果見表2。

表2 AC-20C 的有效瀝青膜厚度和粉膠比計算結(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結(jié)果見圖2。

圖2 車轍試驗結(jié)果

由圖2 可以看出，隨著再生粗骨料摻量的增加，瀝青混合料的動穩(wěn)定度呈先增加后減小的變化趨勢。再生粗骨料摻量達60%時，試件的動穩(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；同時有利于形成結(jié)構(gòu)瀝青膜，對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度較低，再生粗骨料摻量增加至60%時逐漸成為影響試件破壞變形的重要因素，其對試件高溫穩(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影響瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[3]，再生骨料拾撿過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)。同時建議采用純水泥混凝土成分的再生粗骨料，進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)定度和劈裂強度比試驗結(jié)果見圖3。

圖3 凍融劈裂及浸水馬歇爾試驗結(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，試件的劈裂強度比和殘留穩(wěn)定度均呈明顯的增加趨勢。再生粗骨料摻量超過60%時試件的劈裂強度比和殘留穩(wěn)定度均開始轉(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吸附瀝青酸酐、瀝青酸而降低其表面能，同時再生粗骨料表面存在吸收其他物質(zhì)降低表面能的趨勢，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負(fù)電荷，二者的黏附能力相對較差，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結(jié)果見表3。

表3 低溫彎曲破壞試驗結(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。對比發(fā)現(xiàn)，再生粗骨料摻量為40%時，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破壞應(yīng)變規(guī)范≥2 000 με的最低要求。小梁彎曲試驗在-10 ℃時會出現(xiàn)臨界彎拉強度評價結(jié)果與臨界彎拉應(yīng)變不一致的結(jié)果，基于SCB試驗通過預(yù)切口半圓標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進行靜態(tài)斷裂試驗，測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結(jié)果見表4。

表4 不同切口深度下試件單位厚度斷裂能試驗結(jié)果

斷裂韌度與再生粗骨料摻量的關(guān)系曲線擬合結(jié)果見圖4。

圖4 再生粗骨料摻量對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。對試件破壞斷面進行二值化處理，并計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，此時再生粗骨料的強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

通過小梁試件沖擊試驗測定瀝青混凝土試件的沖擊韌性，進而分析再生粗骨料摻量對試件的抗疲勞性能的影響。試件在15 ℃下養(yǎng)護4 h，通過萬能試驗機的沖擊力作用繪制出荷載-沖擊韌性曲線見圖5。

圖5 再生粗骨料摻量對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度較低，其中石子與砂漿黏結(jié)界面的薄弱點更容易發(fā)生脆性破壞；再生粗骨料摻量為80%時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

通過對再生粗骨料瀝青混凝土的路用進行研究，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，試件的高溫性能最優(yōu)；再生粗骨料對試件的水穩(wěn)定性能具有明顯的積極作用，堿性的水泥砂漿增強了瀝青與再生粗骨料的黏附性；摻加再生粗骨料對瀝青混凝土的抗疲勞性能和低溫性能影響可控。