地震建筑废弃物制备的沥青混合料的性能研究＊

孙艺涵 吴少鹏 朱继青 钟进军 王冬明

（武汉理工大学材料科学与工程学院1） 武汉 430070）

（武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室2） 武汉 430070）

0 引 言

2008年5月12日14时28分，四川省汶川县附近发生里氏8.0级特大地震灾害，地震使得大量房屋建筑倒塌，产生了数量巨大的建筑废弃物.地震建筑废弃物的再生利用，一直是灾后重建过程中的一项重要工作，这些建筑废弃物被加工成空心砖、实心砖、保温砖、模块砖、透水砖、声屏障等产品［1－2］，在灾后重建的过程中发挥了重大作用.同时，近年来国内外的研究者越来越多地将建筑废弃物应用于沥青混合料［3－4］.为进一步提高地震建筑废弃物的再生利用率，本文提出利用地震建筑废弃物制备沥青混合料的新方案，并对沥青混合料的性能进行研究，以期拓宽地震建筑废弃物的利用领域.

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

图1 地震建筑废弃物再生骨料的组成成分

试验采用成都德滨环保材料公司生产的地震建筑废弃物再生骨料，其组成成分如图1所示，基本性能指标如表1～2所列.由表1～2可知，该再生骨料的大多数性能指标均能够满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40－2004）［5］对天然骨料的相关技术要求，但由于组成成分的复杂性，其洛杉矶磨耗值和吸水率2个性能指标不能满足对天然骨料的技术要求.试验采用的沥青为韩国SK能源公司生产的AH－70重交石油沥青，基本性能指标如表3所列.矿粉产自湖北省麻城市，基本性能指标如表4所列.

表1 地震建筑废弃物再生粗骨料的基本性能指标

表2 地震建筑废弃物再生细骨料的基本性能指标

表3 AH－70重交石油沥青的基本性能指标

表4 矿粉的基本性能指标

1.2 试验方法

试验利用地震建筑废弃物再生骨料制备AC－25型沥青混合料，并对沥青混合料的性能进行研究.沥青混合料的矿料级配设计和最佳油石比确定均依据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40－2004）的规定进行，并采用贝雷法中的CA值［6］设计指标对沥青混合料的矿料级配进行控制.沥青混合料制备完成后，依据我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052－2000）［7］的规定对沥青混合料的水稳定性能（浸水残留马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验）、高温性能（高温车辙试验）和低温性能（低温三点弯曲试验）进行测试.

2 结果与讨论

2.1 材料组成设计

试验采用最大公称粒径为26.5mm，目标空隙率为5%的AC－25型沥青混合料，合成级配曲线如图2所示，该矿料级配的CA值为0.86.在进行沥青混合料的材料组成设计时，空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、马歇尔稳定度和流值是最重要的设计指标.依据这些设计指标进行最佳油石比的优选，最终确定的最佳油石质量比为8.2%.在最佳油石比条件下，沥青混合料的设计指标如表5所列，均满足相关规范的对天然骨料沥青混合料的技术要求.与天然骨料沥青混合料相比，利用地震建筑废弃物制备的沥青混合料的最佳油石比较高，这与所采用的再生骨料的吸水率较大有关.

图2 沥青混合料（AC－25）的矿料级配图

表5 沥青混合料的设计指标

2.2 水稳定性能

水和骨料相互作用导致的水损害是我国沥青路面早期破坏的主要原因之一.沥青混合料发生水损害后，沥青与骨料脱离，从而使沥青路面出现松散、剥离、坑洞等病害，严重危害沥青路面的使用性能［8］.试验采用文献［7］规定的浸水残留马歇尔稳定度和冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性能.试验方法分别参照文献［7］中的T 0709－2000和T 0729－2000.

2.2.1 浸水残留马歇尔稳定度

浸水残留马歇尔稳定度试验通过试件浸水前后马歇尔稳定度的变化情况来反映沥青混合料的抗水损害能力，用浸水残留马歇尔稳定度来评价沥青混合料的水稳定性能.浸水残留马歇尔稳定度的计算式如式（1）.浸水残留马歇尔稳定度越大，沥青混合料的水稳定性能越好.

式中：MS为试件的浸水残留马歇尔稳定度，%；MS1为试件浸水48h后的马歇尔稳定度，kN，即浸水马歇尔稳定度；MS0为试件浸水30～40min后的马歇尔稳定度，kN，即常规马歇尔稳定度.

通过对沥青混合料的浸水残留马歇尔稳定度试验，可得到沥青混合料的常规马歇尔稳定度、浸水马歇尔稳定度和浸水残留马歇尔稳定度，试验结果如表6.由表6可知，利用地震建筑废弃物制备的沥青混合料的浸水残留马歇尔稳定度达到94.79%，远远超过文献［5］对用于年降雨量大于1 000mm的潮湿地区的天然骨料热拌沥青混合料80%的技术要求.

表6 浸水残留马歇尔稳定度试验结果

2.2.2 冻融劈裂

文献［7］规定的冻融劈裂试验是参照美国AASHTO T283试验方法提出来的，是一种简化了的Lottoman试验方法.冻融劈裂试验通过试件冻融前后劈裂抗拉强度的变化情况来反映沥青混合料的抗水损害能力，用冻融劈裂抗拉强度比来评价沥青混合料的水稳定性能.冻融劈裂抗拉强度比的计算式如式（2）.冻融劈裂抗拉强度比越大，沥青混合料的水稳定性能越好.

式中：TSR为试件的冻融劈裂抗拉强度比，%；R1为试件冻融后的劈裂抗拉强度，MPa，即冻融劈裂抗拉强度；R0为试件未冻融时的劈裂抗拉强度，MPa，即常规劈裂抗拉强度.

通过对沥青混合料的冻融劈裂试验，可以得到沥青混合料的常规劈裂抗拉强度、冻融劈裂抗拉强度和冻融劈裂抗拉强度比，试验结果见表7.由表7可知，利用地震建筑废弃物制备的沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比达到82.42%，超过文献［5］对用于年降雨量大于1 000mm的潮湿地区的天然骨料热拌沥青混合料75%的技术要求.

表7 冻融劈裂试验结果

2.3 高温性能

为了保证高温季节沥青路面在行车荷载反复作用下不产生波浪、推移、车辙、拥包等病害，沥青路面应具有良好的高温性能.沥青路面的高温性能习惯上是指沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力，主要表现为车辙［9］.通常采用文献［7］规定的高温车辙试验来评价沥青混合料的高温性能，试验方法参照该规定中的T 0719－1993.

高温车辙试验是在规定的温度（60℃）下通过板状试件与车轮间的往复相对运动，使试块在车轮的重复作用下产生压密、剪切、推移和流动，从而产生车辙，使用试验仪器将试件的变形量和试验时间进行测定，用动稳定度来评价沥青混合料的高温性能.动稳定度越大，沥青混合料的高温性能越好.

通过对沥青混合料的高温车辙试验，可以得到高温车辙试件试验过程中不同时间的变形量和沥青混合料的动稳定度，分别如图3和表8所示.由表8可知，利用地震建筑废弃物制备的沥青混合料的动稳定度达到2 127次／mm，远远超过文献［5］对用于7月平均最高气温高于30℃的夏季炎热地区的天然骨料热拌沥青混合料1 000次／mm的技术要求.

图3 高温车辙试件变形量随试验时间的变化

表8 高温车辙试验结果

2.4 低温性能

沥青路面在昼夜温差较大地区或遭遇温度骤降时，会由于温度应力的作用而产生裂缝.沥青路面低温缩裂在我国寒冷地区非常普遍，严重危害沥青路面的使用性能，是沥青路面破坏的主要形式之一［10－13］.通常采用文献［7］规定的低温三点弯曲试验来评价沥青混合料的低温性能，试验方法参照该规定中的T 0715－1993.

低温三点弯曲试验是通过在低温下试件的弯曲破坏情况（荷载、挠度等）来计算沥青混合料的抗弯拉强度、最大弯拉应变和弯曲劲度模量，计算式分别如式（3）～（5），并以此来评价沥青混合料的低温性能.其中，文献［7］对沥青混合料低温三点弯曲试验最大弯拉应变做出了技术要求.

在－10℃条件下，采用UTM－25饲服试验机系统对沥青混合料进行低温三点弯曲试验，通过试验得到的荷载－挠度曲线和抗弯拉强度、最大弯拉应变、弯曲劲度模量等指标分别如图4和表9所示.由表9可知，利用地震建筑废弃物制备的沥青混合料的最大弯拉应变达到2 483×10－6，超过文献［5］对用于年极端最低气温在－21.5℃至－37.0℃之间的冬季寒冷地区的天然骨料热拌沥青混合料2 300×10－6的技术要求.

式中：RB为试件的抗弯拉强度，MPa；L为试件的跨度，mm；PB为试件破坏时的最大荷载，N；b为试件的宽度，mm；h为试件的高度，mm；εB为试件的最大弯拉应变；d为试件破坏时的跨中挠度，mm；SB为试件的弯曲劲度模量，MPa.

图4 低温三点弯曲试验的荷载－挠度曲线

表9 低温三点弯曲试验结果

3 结 论

1）试验采用的地震建筑废弃物再生骨料除洛杉矶磨耗值和吸水率外的其它性能指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40－2004）对天然骨料的技术要求，利用该再生骨料制备的沥青混合料的空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、马歇尔稳定度和流值等设计指标也满足我国相关规范对天然骨料沥青混合料的技术要求.

2）与天然骨料沥青混合料相比，利用地震建筑废弃物制备的沥青混合料的最佳油石比较高.

3）利用地震建筑废弃物制备的沥青混合料的浸水残留马歇尔稳定度、冻融劈裂抗拉强度比、动稳定度、最大弯拉应变等性能指标满足文献［5］对天然骨料沥青混合料的技术要求.

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