建筑垃圾再生集料沥青稳定碎石基层性能研究

余琦，许立，高金仓，赵丁鑫，梁新涛

建筑垃圾再生集料沥青稳定碎石基层性能研究

余琦1，许立2，高金仓2，赵丁鑫3，梁新涛2

(1. 中建桥梁有限公司，重庆 402260；2. 三门峡市国道310南移项目建设管理有限公司，河南 三门峡 472000；3. 中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

为研究沥青稳定建筑垃圾再生集料的路用性能，采用贝雷法确定建筑垃圾再生集料沥青稳定碎石的最优配合比，通过单轴压缩试验、冻融劈裂试验、水稳定试验和车辙试验，研究再生集料中砖砼集料掺量和砖砼比例变化对沥青稳定碎石基层性能的影响。研究结果表明：建筑垃圾再生集料用于沥青稳定碎石基层应控制砖砼集料掺量和砖砼比例；沥青稳定碎石基层中，建筑垃圾再生集料掺量宜小于50%，砖砼比例宜控制在1:4和2:3，其再生混合料的水稳定性能和力学性能均可满足要求且高温性能有所提高。

道路工程；再生砖砼集料；沥青稳定碎石基层；配合比设计

公路建设需消耗大量碎石集料，尤其是高速公路平均每公里需要碎石集料高达2 000 t，加剧了生态环境的破坏。随着城镇化建设持续推进，由于房屋改造和道路改扩建，中国每年产生了约15亿吨的建筑垃圾，占年产垃圾总量的40%。经过加工筛分处理后的建筑垃圾可以替代天然集料，满足公路工程建设需求，有助于解决石料开采和建筑垃圾堆存引起的生态环境问题，因此许多学者针对建筑垃圾在公路工程领域的应用进行了研究。刘峰[1]等人研究发现，通过控制再生料中混凝土与砖渣的比例，可以实现建筑垃圾在不同交通等级的道路基层、底基层的应用。虞磊[2]等人对不同水泥剂量和混砖比的水泥稳定再生集料进行无侧限抗压强度等试验，结果表明：水泥剂量一定时，再生集料的强度与废弃混凝土掺量成正比，与废弃砖集料掺量成反比。当废弃砖集料掺量不超过50%时，各项指标均能满足路面基层、底基层的施工要求。李玉 梅[3]等人对影响建筑废弃物再生混合料的击实特性和力学特性的因素进行分析，发现随着再生骨料用量的增加，混合料的最大干密度和无侧限抗压强度减小，最佳含水量增加，试验数据稳定性会减弱。当水泥用量为3%～4%时，采用粒径为5～10 mm再生骨料的混合料，其抗压强度满足底基层强度的要求。左洁[4]通过对不同水泥掺量的再生混合料和水泥稳定碎石的7 d无侧限抗压强度和干缩特性进行对比分析，发现水泥剂量为4.5%的再生骨料用于二级公路基层填筑。杨锐[5−6]等人对建筑垃圾路基填料的干缩性能、路面结构力学性能等进行研究，验证了建筑垃圾在道路基层中应用的可行性。贾艳东[7]等人对再生砖骨料沥青混合料进行试验，发现沥青砖骨料混合料可满足低等级公路沥青路面的施工要求，但水稳定性偏低，建议使用在交通荷载较少的人行道、广场、农村道路等沥青路面。

沥青稳定碎石基层具有较好的柔韧性和应力扩散能力，可有效减少反射裂缝的产生和发展[8−9]。由于砖砼废弃物处理后，再生集料与天然集料的性能存在差异[10−13]，再生砖砼集料掺量和再生砖与再生砼的比例(以下简称“砖砼比例”)会对再生混合料性能产生较大影响。因此，作者拟对不同再生砖砼集料掺量和砖砼比例的混合料力学性能、水稳定性和高温稳定性进行试验研究，确定再生砖砼集料最佳掺量及砖砼比例，以期为再生砖砼集料在沥青稳定碎石基层中的应用提供参考。

1 原材料

1.1 天然碎石

天然集料采用石灰岩，级配见表1，其他相关性能指标满足《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40—2004)》[14]规范的要求。

表1 天然集料筛分结果

注：A的粒径范围为0～4.75 mm；B的粒径范围为4.75～9.5 mm；C的粒径范围为9.5～19 mm；D的粒径范围为19～26.5 mm

1.2 再生砖砼集料性能

本试验使用的再生集料中废弃混凝土约占70%，废弃砖块约占10%。再生砼、再生砖的表观相对密度、吸水性、砂当量、棱角性、坚固性分别为：2.49、5.75%、85.60%、49.70%、2.59%；2.40、17.19%、81.00%、47.20%、2.46%。再生砖、砼集料的筛分结果见表2，粗集料性能指标见表3。

由表2可知，再生砼集料和再生砖集料的颗粒级配筛分结果基本相同，因为这2种再生集料是由建筑垃圾经破碎、分拣而来，生产加工工艺和设备相同，使得2种再生材料的级配基本一致，当砖砼比例变化时，再生集料级配变化不大。

由表3可知，相对于天然集料，再生砖、砼集料的密度较小，吸水率较大，压碎值偏大。

1.3 沥青

本试验采用AH-70沥青，其余各项性能均符合《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40—2004)》的要求。

表2 再生砖、砼集料筛分结果

表3 再生砖、砼集料性能指标

1.4 填料

填料为石灰岩矿粉，亲水系数、塑性指数等性能指标均满足《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40—2004)》的要求。

2 再生砖砼集料沥青稳定碎石基层配合比设计

2.1 基于贝雷法的级配设计

再生集料具有吸水率高、强度低、压碎值高的特点，选用连续级配ATB-25作为设计级配，以保证集料间形成嵌挤−密实结构。采用贝雷法设计理论对沥青稳定再生砖砼集料(再生砼︰再生砖=1︰1)和天然集料(碎石)进行了配合比设计，合成级配见表4。

从表4中可以看出，①该配合比下，沥青稳定碎石和沥青稳定再生集料的配合比设计均能满足现行《公路沥青路面施工技术规范(JTCF40—2004)》中ATB-25的级配要求；②沥青稳定天然碎石的各档筛孔通过率均大于沥青稳定再生集料，表明：沥青稳定天然碎石的颗粒组成较沥青稳定再生集料的偏细。因此，沥青稳定碎石中掺入一定比例的再生集料时，随着掺量提高和混合料级配变粗，混合料级配曲线介于沥青稳定再生集料和沥青稳定级配碎石之间。

表4 沥青稳定天然集料和再生砖砼集料(ATB-25)合成级配表

注：D:C:B:A:矿粉=35:25:12:26:2

采用贝雷法CA值、FA值、FA值3个检验参数对合成级配检验时，CA值范围为0.4～0.6，FA值比值范围为0.4～0.6，FA值范围宜为0.3～0.6[12−13]，检验参数计算式为：

式中：/2为/2粒径的筛孔通过率；为集料的公称最大粒径；PCS为第一控制筛孔通过率；ATB−25为4.75 mm筛孔通过率。

式中：SCS为第二控制筛孔通过率；ATB−25为1.18mm筛孔通过率。

式中：TCS为第三控制筛孔通过率；ATB−25为0.3 mm筛孔通过率。

采用式(1)～(3)对沥青稳定碎石和再生砖砼集料的CA、FA、FA值进行计算，计算结果表明：3个检验参数值均在合理范围内，混合料能够形成骨架嵌挤结构。

2.2 最佳油石比确定

按照确定的级配，在混合料中分别掺入25%、50%、75%、100%的再生砖砼集料。按照马歇尔配合比设计方法，确定不同再生砖砼集料掺量和砖砼比例的混合料最佳油石比和相关性能指标，试验结果见表5。

由表5可知，对于不同再生集料掺量和砖砼比的沥青稳定碎石，各项技术指标均满足现行规范要求。砖砼比一定时，随着再生集料掺量增加，最佳油石比增加，稳定度减小，流值增大。再生集料掺量由25%增加到100%时，沥青稳定碎石的孔隙率、矿料间隙率先增大后减小，沥青饱和度先减小后增大。当再生集料掺量一定时，随着砖砼比例增加，最佳油石比、流值、孔隙率、矿料间隙率增大，稳定度、沥青饱和度减小。该结果表明：再生集料掺量及砖砼比例均会使最佳油石比增大，稳定度减小。这是由于再生砖砼集料比天然集料吸水率大，从而导致集料吸附较多沥青，有效沥青减少，油石比增加。

表5 最佳油石比及相关性能指标

3 再生砖砼集料沥青稳定碎石基层性能

3.1 力学性能

沥青稳定碎石基层的重要力学性能指标有抗压强度、回弹模量与劈裂抗拉强度等。力学强度主要取决于集料之间形成的嵌挤作用和摩阻作用、集料与沥青之间的黏附作用和沥青胶结料的黏结性。再生集料与天然集料掺量的变化会对混合料的性能产生影响，所以对不同再生砖砼集料掺量和不同砖砼比例沥青稳定碎石的路用性能指标进行了 研究。

3.1.1 抗压强度与回弹模量

采用单轴压缩试验对再生砖砼集料沥青稳定碎石的抗压强度与回弹模量进行了测试，试验结果如图1所示。

从图1中可看出，当再生砖砼比例分别为0︰10、 1︰4、2︰3、3︰2，再生集料掺量由25%增加到100%时，混合料抗压强度分别降低了14.4%、22.7%、37.5%、53.0%，回弹模量分别降低了29.0%、40.9%、60.7%、79.1%。表明：再生砖砼集料掺量和砖砼比例的增加对再生混合料的抗压强度和回弹模量产生不利影响。这主要是由于再生砖砼集料掺量及再生砖集料含量增加，再生砖砼集料强度和密度较低，吸水率较大，导致混合料内部闭口孔隙较多，力学强度降低。

图1 混合料抗压强度和回弹模量

图2 混合料劈裂抗拉强度

3.1.2 劈裂抗拉强度试验

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20—2011)》对再生砖砼集料沥青稳定碎石混合料进行了劈裂强度试验，结果如图2所示。

从图2中可以看出，随着再生集料掺量和砖砼比例增加，混合料劈裂抗压强度均逐渐降低。相同再生集料掺量下，砖砼比例越高，劈裂抗压强度降低幅度越大；砖砼比例一定时，再生集料掺量增加，劈裂抗拉强度降低幅度也越大。这是由于与天然集料相比，再生砖砼集料吸水率较大，强度较低，且再生集料与沥青粘附性较低。

3.2 水稳定性能

水稳定性是确保公路路面基层质量的重要指标之一。本试验参照《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40—2004)》中基质沥青混合料的水稳定性要求[15]，采用残留稳定度和冻融劈裂强度比作为评价再生砖砼集料沥青稳定碎石水稳定性的指标，试验结果分别如图3、4所示。

图3 残留稳定度

图4 冻融劈裂强度比

从图3、4中可以看出，随着再生集料掺量和砖砼比例增加，混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比均逐渐降低。相同再生砖砼集料掺量下，砖砼比例越高，残留稳定度和冻融劈裂强度比降低的幅度越大。当砖砼比例为2︰3，再生砖砼集料掺量大于65%，以及砖砼比例为3︰2，再生砖砼集料掺量大于50%时，再生混合料冻融劈裂强度比小于75%，均不满足规范要求。

3.3 高温稳定性能

高温环境下，柔性基层容易软化，从而导致沥青路面发生车辙病害。因此，本研究采用动稳定度和车辙深度作为评价指标，对沥青稳定建筑垃圾再生集料高温性能进行了研究，结果如图5、6所示。

从图5、6中可以看出，随着再生集料掺量增加，混合料动稳定度先增加后减小，车辙深度先减小后增加；随着砖砼比例增加，混合料动稳定度逐渐减小，车辙深度逐渐增加。当再生集料掺量为25%时，混合料动稳定度比未掺加再生集料的天然集料混合料动稳定度有所提高。当砖砼比小于2︰3时，车辙深度减小，再生砖砼混合料性能提升。当再生砖砼掺量为50%，砖砼比1︰4时，混合料动稳定度和车辙深度与未掺加再生集料的混合料相当。当再生砖砼集料掺量大于50%，砖砼比大于 1︰4时，混合料高温性能低于未掺加再生料的混合料性能。当混合料动稳定度大于1 000次/mm时，柔性基层具有较好的抗车辙能力。因此，当砖砼比例为1︰4时，再生砖砼集料掺量宜小于80%；砖砼比例为2︰3时，再生砖砼集料掺量宜小于70%；当砖砼比例为3︰2时，再生砖砼集料掺量宜小 于50%。

图5 动稳定度

图6 车辙深度

再生砖砼集料掺量和砖砼比例对混合料高温性能的影响规律，主要是由于再生砖砼集料表面粗糙，骨料之间摩阻力和混合料抗变形能力增加，再生砖砼集料强度比天然集料的低。当再生砖砼集料继续增加，会导致混合料强度降低。轮碾仪车轮反复碾压作用下，混合料易发生破碎变形，造成动稳定度降低，车辙深度增加。

4 结论

通过对再生砖砼集料性能及不同再生砖砼集料掺量和砖砼比例的再生混合料性能进行试验研究，得出结论：

1) 随着再生集料掺量和砖砼比例增加，混合料最佳油石比增加，稳定度减小，其他指标出现明显波动，但各项指标均满足施工规范的相关要求，能够用于ATB−25基层铺筑。

2) 再生砖砼集料掺量和砖砼比例的增加，对再生混合料的抗压强度和回弹模量产生不利影响。再生砖砼集料掺量越高，砖砼比例越大，混合料抗压强度和回弹模量降低幅度越大。

3) 为保证再生混合料水稳定性能，砖砼比例为2︰3时，再生砖砼集料掺量宜小于65%；砖砼比例为3︰2时，再生砖砼集料掺量宜小于50%。

4) 为保证混合料的抗车辙性能，再生砖砼掺量宜小于50%，砖砼比例宜为1︰4～2︰3。与未掺加再生集料的原混合料相比，该掺量范围下再生混合料高温性能提高或相当。

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Pavement performance of asphalt treated permeable base using construction waste recycled aggregate

YU Qi1, XU Li2, GAO Jin-cang2, ZHAO Ding-xin3, LIANG Xin-tao2

(1.China Construction Bridge Co., Ltd., Chongqing 402260, China; 2.Sanmenxia National Highway 310 south Project Construction Management Co., Ltd., Sanmenxia 472000, China; 3.China Construction Fifth Engineering division Co., Ltd., Changsha 410004, China)

In order to study the pavement performance of asphalt-treated permeable base using construction waste recycled aggregate, the Bailey method was used to determine the optimal mix proportion. A series of trials onasphalt-treated permeable base, such as unconfined compressive strength test, freeze-thaw splitting test, water stability test and rutting test, were done. The influence of parameters of recycled aggregate, such as the mixing amount of brick and concrete, the proportion of recycled aggregate, on pavement performance was analyzed. The results show that, the content and proportion of brick and concrete in recycled aggregate should be controlled. The content of recycled aggregate in asphalt stabilized macadam should be less than 50%, and the proportion of brick and concrete should be controlled from 1:4 to 2:3. Compared with the asphalt stabilized macadam without recycled aggregate, the water stability and mechanical strength can meet the requirement, and the high temperature performance of recycled mixture is improved.

road engineering, recycled brick and concrete aggregate, asphalt-treated permeable base, mix design

U416.217

A

1674 − 599X(2021)02 − 0001 − 07

2020−10−07

中原千人计划−中原科技创新领军人才项目资助(204200510004)

余琦(1986−)，男，中建桥梁有限公司工程师。