再生混凝土骨料對瀝青混合料性能的影響研究

摘要：為解決建筑廢棄物引起的固體污染及天然骨料開采所帶來的環(huán)境問題，文章對摻再生混凝土骨料（RCA）的瀝青混合料路用性能進行研究，以探究RCA替代天然骨料的可行性。將粗RCA等質量地替代花崗巖骨料用以制備瀝青瑪碲脂碎石混合料（SMA），替代比例分別為0、20%、40%、60%、80%和100%，通過試驗研究所制備瀝青混合料的體積特性、回彈模量、劈裂強度、水穩(wěn)定性、疲勞性能、車轍、沖擊強度、抗滑性和耐磨性等性能。結果表明：取自高標號廢棄混凝土的再生骨料無須額外處理便可作為良好的瀝青路面骨料；試驗條件下瀝青混合料的最佳瀝青用量（OBC）、馬歇爾穩(wěn)定度（MS）、沖擊強度、回彈模量和劈裂強度與RCA性能及摻量密切相關，推薦最佳RCA摻量為40%。

關鍵詞：瀝青混合料；再生混凝土骨料；力學性能；最佳摻量

中文分類號：U416.03A300934

0引言

隨著公路建設的快速發(fā)展，大量天然骨料被用于瀝青路面建設，這些天然骨料的開采與使用對環(huán)境造成了嚴重破壞［1］。且隨著城市化建設進程的逐步推進，大量廢棄混凝土由此產生。實現(xiàn)這類廢棄混凝土的回收再利用是近年來的重點課題之一，將廢棄混凝土用于瀝青路面建設，既可實現(xiàn)資源回收再利用，又可減少對天然骨料的開采，從而保護環(huán)境，具有顯著的經濟社會效益［2］。Shi等［3］研究表明，與天然骨料相比，瀝青混合料中使用RCA會降低瀝青混合料的模量和強度等力學性能。Lee等［4］研究表明摻RCA的瀝青混合料其馬歇爾穩(wěn)定度和抗拉強度值均高于規(guī)范要求值。此外，對于RCA的替代比例學者們意見不一，如Spaeth等［5］通過制備RCA瀝青混合料（摻比分別為0、15%、30%、45%），得出了RCA最佳替代率為15%這一結論。Rafi等［6］建議RCA的替代比例應控制在50%以內。其他研究人員分別推薦了從15%～40%的替代比例［7］。

我國對RCA的研究起步較晚，且對RCA在道路工程上的應用研究主要集中在路基工程，而路面工程較少，尤其是瀝青路面［8］。鐘進軍［9］研究了RCA在瀝青混合料中的應用，發(fā)現(xiàn)RCA瀝青混合料的強度、高溫性能、低溫性能、抗水損害性能均弱于天然細骨料瀝青混合料，但前者的路用性能亦能達到我國相關規(guī)范要求。張濤［10］認為限制再生骨料在瀝青混合料上應用的關鍵是其水穩(wěn)定性。而鄒桂蓮等［11］指出RCA的摻入對瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫性能方面有積極影響，且綜合考慮再生骨料對瀝青用量與路用性能的影響后，推薦再生粗骨料摻量應≤60％。

由此可見，RCA因其來源廣泛、性質差異較大，不同學者對同一性能有著不同的評價，尚缺乏對RCA完整的宏觀試驗評價及確切可行的RCA推薦摻量。鑒于上述問題，仍需對摻RCA的瀝青混合料的性能進行深入研究。大量研究指出，瀝青混合料的最佳瀝青用量（OBC）隨RCA性質而變化。為此，本文探究了OBC與RCA性質之間的相互關系，提出基于RCA-花崗巖組合比重的SMA瀝青混合料的OBC預估方程；在此基礎上，針對不同RCA比例的瀝青混合料的性能進行測試，如馬歇爾穩(wěn)定度、流值、體積特性、模量、劈裂強度、水穩(wěn)定性、疲勞性能、抗滑性及耐磨性等。本文以減少建筑廢料、降低對自然資源的破壞并改善瀝青路面的路用性能為研究目標，以期為RCA在瀝青混合料中的使用提供一定的參考。

1材料及試驗方法

1.1原材料

1.1.1集料

再生混凝土骨料取自廣西某橋梁混凝土，由60 MPa的廢棄混凝土經破碎篩分后制得。試驗時將粗RCA等質量替代天然骨料（花崗巖碎石），替代比例分別為0、20%、40%、60%、80%和100%，分別命名為RCA0、RCA20、RCA40、RCA60、RCA80和RCA100。此外，代號為FRCA100的混合物，其粗、細骨料完全由RCA制成。對花崗巖及RCA的技術指標進行檢測，其結果如下頁表1所示。

由表1可知，RCA具有較多的針片狀、較差的壓碎值和較高的吸水率，這可能是由于RCA表面有附著砂漿所致。此外，RCA與花崗巖的比重值相近，這可能是由于試驗所用RCA由高強度混凝土制備，母體混凝土的強度影響了RCA的性能。因此，本文用于瀝青混合料制備的RCA不需預處理?；◢弾r-RCA的摻配比重與RCA摻量的關系如下頁圖1所示，花崗巖-RCA的摻配比重隨RCA摻量的增加而線性減少，二者呈強相關性。

用于RCA0、RCA20、RCA40、RCA60、RCA80和RCA100的填料由花崗巖骨料粉碎磨細而得，F(xiàn)RCA100的填料則由RCA過篩后得到。下頁表2所示為用于SMA瀝青混合料的集料級配情況。

1.1.2瀝青

選用SK 90#基質瀝青，其基本性能如表3所示。

1.2瀝青混合料配合比設計

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）的規(guī)定，采用馬歇爾配合比設計方法確定不同替代比例下的OBC。表4所示為不同RCA代替比例相應的OBC。

如表4所示，當RCA代替花崗巖＞60%后，其最佳瀝青用量超過了規(guī)范要求值（5%～7%）。這主要是由于RCA摻量的增加使其表面附著砂漿的數(shù)量提升，從而吸收了大量瀝青，使得骨料表面瀝青膜裹覆不足，導致最佳瀝青用量加大。

1.3試驗方法

針對再生瀝青混合料進行馬歇爾穩(wěn)定度、流值、體積特性、動態(tài)模量、劈裂強度、水穩(wěn)定性、疲勞性能等測試，具體性能參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）進行。

2結果與討論

2.1馬歇爾穩(wěn)定度

馬歇爾穩(wěn)定度試驗結果如圖2所示。由圖2可知，RCA的摻入提高了瀝青混合料的穩(wěn)定度，摻RCA的瀝青混合料在馬歇爾穩(wěn)定度方面均優(yōu)于對照組，RCA80的馬歇爾穩(wěn)定度（12 665 N）較RCA0提高了45%；超過RCA80后，RCA瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度略有下降，F(xiàn)RCA100的穩(wěn)定度較RCA40降低10%，但仍高于RCA20；FRCA100的馬歇爾穩(wěn)定度較RCA20和RCA0分別高3%和17%。RCA80以上的代替率，其馬歇爾穩(wěn)定度下降一方面是由于瀝青的用量較高，另一方面是隨著RCA摻入，瀝青混合料粗骨料骨架間隙率（VCA）也增大，從而導致高RCA摻量試樣的馬歇爾穩(wěn)定度降低。

圖3所示為瀝青混合料的礦料間隙率（VMA）和粗骨料骨架間隙率（VCA）隨RCA摻量的變化情況。由圖3可知，瀝青混合料摻入RCA后，VMA和VCA都逐漸提高，其原因可能是RCA摻量越高，混合料在成型過程中集料由于強度較天然骨料低而被壓碎，破壞了其內部的骨架結構，使得VMA和VCA逐漸增大，這也解釋了圖3穩(wěn)定度變化趨勢的原因。同樣，由于RCA骨料的密度較天然骨料低，使得瀝青混合料比重和毛體積密度都隨RCA摻量的升高而降低，如圖4所示。

由圖3和圖4可知，瀝青混合料的體積特性滿足規(guī)范要求。瀝青混合料摻入RCA后，其馬歇爾穩(wěn)定度的提升表明，由高標號混凝土制備的RCA無須額外處理便可以作為良好的瀝青路面骨料；在最佳瀝青用量下，RCA可在不影響其他參數(shù)的情況下提高路面的穩(wěn)定性，但RCA摻量＞60%后將需要更高的瀝青用量，最佳瀝青用量＞7%。

2.2動態(tài)模量

圖5所示為瀝青混合料動態(tài)模量的測試結果。

由圖5可知，RCA20的回彈模量最高，RCA40的回彈模量值與對照組RCA0非常相近，差異僅為0.6%。當RCA摻量超過RCA40后，試樣的回彈模量依次下降，直至FRCA100得到最小回彈模量值（5 536 MPa），較控制組RCA0降低72%。RCA60、RCA80、RCA100表現(xiàn)出相似的剛度特性，但其平均回彈模量比對照組低33%，其中RCA60的回彈模量是這三組中最好的，比對照組低25%。綜合可知，空隙率隨RCA摻量的增加而增加，當RCA摻量＞40%后，空隙率增大、回彈模量降低，故代替率＞40%的瀝青路面，在長時間內不足以承受荷載的作用，而由于較高空隙率的存在，路面開裂現(xiàn)象將會減少。

2.3劈裂強度

圖6所示為劈裂試驗結果。從圖6可以看出，RCA40的劈裂強度與對照組RCA0基本相同，RCA20的劈裂強度較R0低8%，當代替率＞40%后劈裂強度依次降低，劈裂強度出現(xiàn)與回彈模量相類似的變化規(guī)律，F(xiàn)RCA100的劈裂強度值最小。圖6表明，劈裂強度的降低也可歸因于再生骨料的低密度，而低密度是由于瀝青混合料具有較低的RCA-花崗巖摻配比重及較高的空隙率，說明增加瀝青用量不一定能提高瀝青混合料的劈裂強度。此外，摻RCA的路面更容易受到潮濕環(huán)境的影響，因此有必要進一步研究摻RCA的瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

2.4水穩(wěn)定性

采用凍融劈裂比（TSR）作為試樣水穩(wěn)定性指標，不同瀝青混合料的TSR測試結果如圖7所示。由圖7可知，除FRCA100試樣外，所有樣品的TSR值都＞80%，RCA40的水穩(wěn)定性最佳，其TSR為95%，替代率＞40%后，TSR呈現(xiàn)與回彈模量、劈裂強度類似的下降趨勢。唯一的例外是FRCA100，其TSR高達93%，這可能是較大的瀝青用量所致。基于水穩(wěn)定性試驗結果可知，摻入一定比例RCA的瀝青混合料仍可保證其水穩(wěn)定性。

2.5疲勞壽命

本研究采用四點彎曲疲勞試驗研究瀝青混合料的疲勞壽命，如圖8所示。由圖8可知，隨著RCA摻量的增加，瀝青混合料的疲勞失效循環(huán)次數(shù)呈上升趨勢，在低RCA替代率（低瀝青含量）條件下，RCA20和RCA40的疲勞壽命與對照組R0接近；高RCA替代率（高瀝青含量）的混合料具有較高的延展性和疲勞壽命，其主要原因是由于RCA摻量越高，瀝青混合料的瀝青含量越高，使得混合料的疲勞壽命越長。

從圖8還可以看出，隨著RCA摻量的增加，瀝青混合料的疲勞失效循環(huán)次數(shù)呈上升趨勢，在低替代率（低瀝青用量）條件下，RCA40的疲勞失效循環(huán)次數(shù)與對照組R0接近。

2.6抗車轍性能

通過車轍試驗研究瀝青混合料的抗車轍性能，圖9為不同瀝青混合料的車轍試驗結果。從圖9可以看出，車轍深度隨加載循環(huán)時間（加載循環(huán)次數(shù)）的增加而增加，RCA100混合料的抗車轍性能最佳，而FRCA100最差，但所有試樣的最大車轍深度均小于規(guī)范規(guī)定值（4 mm）。在加載循環(huán)時間＜43 min時，RCA20混合物較RCA0表現(xiàn)出更強的抗車轍能力，而43 min以后，RCA20的曲線斜率突增，導致最終車轍深度略高于對照組RCA0；RCA0、RCA20和RCA40的抗車轍能力相近，最終車轍深度分別為2.97 mm、2.98 mm和2.95 mm，故可認為RCA40在三者中具有最佳的抗車轍性能，RCA60、RCA80和RCA100的結果曲線與RCA40的表現(xiàn)相似。

3結語

（1）取自高標號廢棄混凝土的再生骨料無須額外處理便可用作良好的瀝青路面骨料。

（2）RCA代替率＞60%時，受其體積特性影響，混合料的最佳瀝青用量（OBC）已超過使用限值；當RCA代替率＞40%后，其回彈模量、劈裂強度和水穩(wěn)定性呈現(xiàn)類似的下降趨勢，而在低替代率（lt;40%）條件下，再生瀝青混合料與對照組的性能相近。

（3）摻RCA的瀝青混合料在車轍試驗初期表現(xiàn)出較差的抗車轍性能，但隨著加載時間的增加，其抗車轍能力逐漸提升并滿足規(guī)范要求。

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作者簡介：許家舟（1988—），工程師，主要從事公路工程項目養(yǎng)護和施工質量管理工作。