不同骨料組成的再生瀝青混合料力學性能研究

中圖分類號：U414.1文獻標識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.020

文章編號：1673-4874（2025）01-0067-04

0 引言

隨著全球環(huán)境保護和資源可持續(xù)利用要求的不斷提升，廢棄材料的再利用在道路建設中受到廣泛關注。傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料（HMA）大量使用天然骨料，導致資源消耗和環(huán)境負擔加劇。鋼渣（SS）和回收混凝土骨料（RCA）作為廢棄材料，不僅具備優(yōu)良的物理性能，還具有顯著的經濟與環(huán)境優(yōu)勢，成為替代天然骨料的理想選擇[1-3]。

使用廢棄材料作為瀝青混合料骨料，能有效改善材料性能，減少環(huán)境污染和生產成本，實現資源的高效循環(huán)利用[4-5]。優(yōu)化不同骨料組合，探討其對瀝青混合料力學性能的影響，不僅能提升道路材料的綜合性能，還能為可持續(xù)發(fā)展的道路建設提供創(chuàng)新的解決方案[6]。

本研究旨在評估含有鋼渣和RCA的瀝青混合料的力學性能，探索其在實際道路建設中的應用潛力。通過制備含有不同骨料類型的瀝青混合料，確定最佳瀝青結合料含量，并進行馬歇爾穩(wěn)定性、間接抗拉回彈模量、動態(tài)蠕變和間接抗拉疲勞試驗，評估混合料的力學性能。研究結果將為提高瀝青混合料性能、有效利用廢棄材料、減少環(huán)境污染和節(jié)約資源提供參考。

1材料和試驗設計

1.1 原材料

本文評估了三種類型的骨料（英安巖、SS、RCA）。英安巖用作新骨料，SS和RCA用作二次骨料，其化學成分如表1所示。在所有混合料中，都使用了60－70穿透等級的瀝青結合料。為了表征基礎瀝青結合料的性能，進行了常規(guī)試驗，如穿透試驗、軟化點評估和延展性試驗。60-70 穿透等級瀝青結合料的工程性能見表2。本研究中使用的骨料級配見表3。當前研究中使用的骨料的標稱粒徑為 。骨料的物理性能見表4。

1.2試樣準備

本研究探討了六種瀝青混凝土混合料，其中對照組為 100% 英安巖骨料，其余混合料中使用SS和RCA，具體替代方案見表5。樣品制備基于馬歇爾混合設計，將瀝青結合料和骨料分別加熱、混合并壓實。骨料在 的溫度下下加熱24h，在135℃下與瀝青結合料混合，馬歇爾錘壓實（75次錘擊）制備試件。試件直徑為 ，高度為 。制備了兩組試件，第一組用于確定最佳結合料含量，第二組在最佳含量下評估力學性能。每種配方至少制備三個試樣確保重現性。

2 測試程序

2.1馬歇爾穩(wěn)定性和流動試驗

馬歇爾試驗旨在評估RCA和SS對馬歇爾穩(wěn)定性的影響，并確定最佳含量7-8。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTGE20一2011）（以下簡稱試驗規(guī)程）標準，對不同瀝青結合料含量的壓實試樣進行穩(wěn)定性和流動測試。將每種混合料的三個樣品在 的水中浸泡 ，并以51mm/min的恒定壓縮速率加載至破壞。最佳瀝青含量通過最大體積密度、最大穩(wěn)定性、 4% 空氣空隙和瀝青中的 80% 空隙確定。穩(wěn)定性與流動之比稱為馬歇爾系數（ M Q） ，表示混合料剛度， M Q 值表明能抵抗剪切應力、永久變形和車轍。

2.2 動態(tài)蠕變試驗

HMA混合料對永久變形的抵抗力可以通過動態(tài)蠕變試驗來評估。在動態(tài)蠕變試驗中， 的圓柱形樣品承受重復的脈沖單軸應力。樣品的軸向變形通過兩個位置為 的線性可變差動變壓器（LVDT）進行測量。

在 的溫度條件下，施加100kPa的動態(tài)應力1h進行動態(tài)蠕變試驗。在每次試驗中，試樣的側面被封頂，并將試樣放置在加載機中，在 10kPa 的調節(jié)應力下調節(jié) 接下來，移除調節(jié)應力，施加 的應力進行2000個循環(huán)，包括1s的加載期和1s的靜止期。

2.3間接抗拉回彈模量試驗

對于每種混合料，三個樣品都在25 的溫度下進行直徑向回彈模量（MR）試驗，使用直徑和高度分別為101.6mm和65mm的圓柱形試樣。試驗通過施加正弦波形的壓縮載荷（加載時間 ，靜止時間 在圓柱試樣的垂直直徑平面上進行。對試樣施加兩組五個載荷脈沖，并在第一組載荷后將試樣旋轉 ，即在第二組載荷中，載荷垂直于第一組載荷的方向施加。計算每組的平均剛度模量，兩組數值的平均值作為最終的剛度模量。

根據試驗數據，按以下公式計算回彈模量和泊松比：

式中： P 重復載荷/N；T 試樣厚度/mm； -可恢復的水平變形/mm； —可恢復的垂直變形/mm。

回彈模量按照試驗規(guī)程進行確定，泊松比為 0.35。

2.4間接抗拉疲勞試驗

瀝青試樣的疲勞壽命與受拉試樣的拉應變相關，即使在不同溫度和加載速率下，疲勞壽命也與拉應變（t）相關，并可以通過以下公式表示：

式中： —失效前的加載次數，指數 n 的值通常 =4 。

試樣的疲勞壽命通過諾丁漢瀝青測試儀（NAT）在恒定應力模式下測量，通過沿直徑軸施加固定幅度的重復載荷。重復載荷包括0.1s的加載時間和0.4S的靜止時間，以直徑為101.6mm、高度為40mm、空隙率為 4% 的圓柱形試樣在 下進行測試。

3結果與討論

3.1馬歇爾穩(wěn)定性和流動

不同混合料的馬歇爾設計結果及其對混合料性能的影響如表6、圖1和圖2所示。通過分析可以得出，E組表現出最優(yōu)異的性能，其VMA為 14.5% ，顯示礦料骨架中具有適度的空隙，可以容納更多的瀝青結合料，從而提高黏結性和耐久性。在馬歇爾穩(wěn)定性測試中，E組的穩(wěn)定性最高，為22.81kN，顯著高于其他混合料，表明其在高荷載下具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。E組的流動值最低，為2.30m m ，說明其在加載下的變形最小，具有良好的抗變形能力。在MQ測試中，E組的MQ最高，為 ，表明其剛度和抗變形能力最佳。雖然A組的空隙率較低（ 2.61% ），但其馬歇爾穩(wěn)定性（16.97KN）和 均低于E組，顯示出傳統(tǒng)英安巖混合料在穩(wěn)定性和抗變形能力上的劣勢。使用RCA作為粗骨料的混合料（B組）的表現較差，其空隙率高達7.25% ，流動值最高 ，穩(wěn)定性和耐久性較低。使用SS作為細骨料或粗骨料的混合料（C組和D組）表現出良好的性能，特別是D組，其馬歇爾穩(wěn)定性為20.23KN，MQ為8 ，顯示出較高的穩(wěn)定性和抗變形能力，但整體仍不及E組。因此，綜合表6、圖1和圖2的分析，最佳的混合料組合為E組。這種組合不僅在穩(wěn)定性、耐久性和抗變形能力上表現出色，還體現了資源循環(huán)利用的環(huán)保優(yōu)勢。

3.2 動態(tài)蠕變

動態(tài)蠕變試驗的結果如表7和圖3所示，可以看出，使用RCA作為細骨料和使用SS作為粗骨料的E組混合料在永久變形方面表現出更好的性能。使用回收混凝土作為細骨料A組（FA：RCA）較對照組減少了約 25% 的永久變形，顯示出一定的改進效果；然而，RCA作為粗骨料B組（CA：RCA）時，永久變形反而增加了約 43% ，表明這種組合并不理想。使用SS作為細骨料C組（FA：SS）時，永久變形較對照組減少了約 12% ，而SS作為粗骨料D組 CA：SS） 時，永久變形顯著減少了約 32.5% 0在所有組合中，最佳的混合料是使用SS作為粗骨料、RCA作為細骨料的組合E組 （C A：S S+F A：R C A） ，其永久變形減少了約 40% ，表現出最優(yōu)的抗永久變形性能。由此可見，SS和RCA的組合能顯著提高瀝青混合料的抗永久變形能力。

3.3間接抗拉回彈模量

不同混合料的間接抗拉回彈模量試驗結果如圖4和表8所示。每個數據點代表三個試樣的平均值。結果表明，RCA細骨料和SS粗骨料顯著提高了混合料的回彈模量。在表8中，D組（ 混合料的回彈模量約為對照混合料的兩倍。此外，A組（FA：RCA）混合料的回彈模量約比對照混合料高 44% 。然而，最高的回彈模量出現在E組 （C A：S S+F A：B C A） 混合料中，其回彈模量為對照混合料的2.35倍。與動態(tài)蠕變試驗的結果相似，剛度模量由于RCA和SS骨料的添加而增加。

3.4間接抗拉疲勞

間接抗拉疲勞試驗結果如圖5所示。通過在每一級應變下繪制樣品均值的回歸線，觀察到施加的初始拉應變的對數與疲勞壽命的對數之間存在正常的線性關系。結果表明，E組 （C A：S S+F A：R C A） 混合料的疲勞壽命顯著高于對照混合料。E組混合料的長疲勞壽命可以歸因于：（1）由于RCA骨料中隨著RCA含量的增加而增加，瀝青混合料中的空氣空隙量減少；（2）RCA和SS的添加增加了最佳瀝青結合料含量，這與瀝青混合料的疲勞壽命直接相關。當RCA用作粗骨料時，由于混合和壓實改變了RCA顆粒并使水泥砂漿脫離，瀝青混凝土混合料的力學性能低于對照組。

4結語

本研究系統(tǒng)評估了RCA和SS作為瀝青混合料骨料的應用效果。試驗結果表明，使用廢棄材料能夠顯著改善瀝青混合料的力學性能，同時具有重要的環(huán)保意義。在馬歇爾穩(wěn)定性試驗中，最佳混合料E組的馬歇爾穩(wěn)定性最高，為22.81kN，顯著高于其他混合料，說明其在高荷載下具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。E組的流動值最低，為 ，表明其變形最小，抗變形能力最佳。同時，E組的馬歇爾模量為 ，顯示出最高的剛度和抗變形能力。在動態(tài)蠕變試驗中，E組混合料的永久變形最小，僅為對照組的 60% ，表現出優(yōu)異的抗永久變形能力。這歸因于RCA和SS的組合顯著提高了混合料的抗剪切和抗摩擦性能。間接抗拉回彈模量試驗結果顯示，E組混合料的回彈模量為2228 ，是對照組的2.35倍，進一步驗證了其優(yōu)異的剛度和抗變形能力。此外，間接抗拉疲勞試驗中，E組的疲勞壽命顯著高于對照組，表現出更好的耐久性。

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