再生粗骨料沥青混合料路用性能研究

李建立

（保定市交通运输局，河北 保定 071000）

引言

随着我国城市化、工业化进程的加速以及基础设施的不断完善，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总量的35%～45%，巨量的建筑垃圾堆放不仅占用了大量土地，而且对空气、水源以及土壤造成严重污染，若不加强建筑垃圾的循环利用将会加快资源消耗，影响经济和社会发展[1-2]。破碎建筑垃圾生产再生骨料具有附加值高、可塑性强、低价易得等特点，受到国内外学者的广泛关注。赵振宇等[3]认为掺入建筑废弃物粉体材料可以提高水泥稳定碎石的抗冻性及收缩性。王彦等[4]根据建筑废弃物特点，提出逐级嵌挤的级配设计方法。王晓龙等[5]发现随着再生骨料掺量的增加，应变能密度函数及破坏弯拉应变不断增大，其中高吸水率是限制再生骨料在沥青混合料中应用的关键。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

（1）重交A-70#沥青；（2）石灰岩矿粉；（3）花岗岩粗骨料，粒径范围为10 ～20 mm、5 ～10 mm、3 ～5 mm；（4）石灰岩细集料，粒径范围为0 ～3 mm。所选用的天然骨料均满足沥青混合料用集料的指标要求。再生粗骨料的洛杉矶磨耗、压碎值、针片状指标和密度均符合《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）要求。

1.2 配合比设计

AC-20C 矿料级配曲线见图1。

图1 级配曲线

通过马歇尔试验法确定再生粗骨料沥青混合料的最佳油石比，由于再生粗骨料和天然骨料混合掺配，需要对混合情况下的相对密度进行计算，不同掺量再生粗骨料的最佳油石比及马歇尔试验结果见表1。

表1 不同掺量再生粗骨料的马歇尔试验结果

由表1 可以看出，随着再生粗骨料掺量的不断增加，沥青用量也不断增加。主要是由于再生粗骨料累积的损伤裂缝及裹附着的砂浆会增加拌和时沥青的需求。相比纯天然骨料沥青混合料，沥青用量增加的同时也减小了混合料的毛体积相对密度。粉胶比和有效沥青膜厚度计算结果见表2。

表2 AC-20C 的有效沥青膜厚度和粉胶比计算结果

由表2 可以看出，随着再生粗骨料掺量的增加，沥青用量不断增加，但粉胶比稳定在1.5 左右，有效沥青膜厚度变化不大，在8.18 ～8.48 μm 范围内变化。

2 试验结果与分析

2.1 高温稳定性分析

最佳油石比条件下，不同掺量再生粗骨料的车辙试验结果见图2。

图2 车辙试验结果

由图2 可以看出，随着再生粗骨料掺量的增加，沥青混合料的动稳定度呈先增加后减小的变化趋势。再生粗骨料掺量达60%时，试件的动稳定度指标为天然粗骨料沥青混合料试件的两倍。主要是由于再生粗骨料表面裹附了大量碱性的水泥砂浆，能够提高集料与沥青二者间的黏附能力，提高了内部材料的黏结力；同时有利于形成结构沥青膜，对提高沥青混合料的高温稳定性有明显的积极作用；但是水泥砂浆本身强度较低，再生粗骨料掺量增加至60%时逐渐成为影响试件破坏变形的重要因素，其对试件高温稳定性的负面作用逐渐显现。相关研究表明混凝土再生骨料纯度也会影响沥青混合料的高温稳定性[3]，再生骨料拾捡过程中须控制再生粗骨料中红砖含量，并采用适当的后处理工艺提高再生粗骨料的品质。同时建议采用纯水泥混凝土成分的再生粗骨料，进而提高再生粗骨料沥青混凝土的高温性能。

2.2 水稳定性分析

不同再生粗骨料掺量下沥青混合料的残留稳定度和劈裂强度比试验结果见图3。

图3 冻融劈裂及浸水马歇尔试验结果

由图3 可以看出，在一定范围内随着再生粗骨料掺量的增加，试件的劈裂强度比和残留稳定度均呈明显的增加趋势。再生粗骨料掺量超过60%时试件的劈裂强度比和残留稳定度均开始转向下降，表明掺加适量的再生粗骨料有利于提高试件的水稳定性。主要是由于沥青与矿料接触后能够通过吸附沥青酸酐、沥青酸而降低其表面能，同时再生粗骨料表面存在吸收其他物质降低表面能的趋势，且沥青与矿料的吸附能力与矿料所带电荷有关。花岗岩表面以及沥青中的沥青酸酐、沥青酸表面所带电荷相同均为强负电荷，二者的黏附能力相对较差，而再生骨料表面包裹的碱性水泥砂浆带有弱的负电荷表现出更好的黏附性，更容易通过吸附沥青中的沥青酸酐、沥青酸降低表面能，与沥青形成稳定的结构沥青膜。因此，掺加一定量的再生骨料试件的水稳定性优于天然骨料混合料。

2.3 低温稳定性分析

不同再生粗骨料掺量条件下沥青试件的低温弯曲破坏试验结果见表3。

表3 低温弯曲破坏试验结果

由表3 可以看出，随着再生粗骨料掺量的增加，试件的劲度模量有所增大，而弯拉强度与破坏应变明显降低；表明沥青混合料的低温性能随再生粗骨料掺量的增加而不断降低。对比发现，再生粗骨料掺量为40%时，试件的低温弯曲应变为1 985 με，低于沥青混合料低温弯曲试验破坏应变规范≥2 000 με的最低要求。小梁弯曲试验在-10 ℃时会出现临界弯拉强度评价结果与临界弯拉应变不一致的结果，基于SCB试验通过预切口半圆标准马歇尔试件进行静态断裂试验，测定不同再生粗骨料掺量下试件的断裂韧度，不同切口深度下的断裂能试验结果见表4。

表4 不同切口深度下试件单位厚度断裂能试验结果

断裂韧度与再生粗骨料掺量的关系曲线拟合结果见图4。

图4 再生粗骨料掺量对断裂韧度与集料面积的影响曲线

由图4 可以看出，掺加再生粗骨料会降低混合料的低温性能，随着再生粗骨料掺量的增加沥青混凝土的断裂韧度不断减小，小掺量情况下断裂韧度与纯天然集料差距较小。对试件破坏断面进行二值化处理，并计算集料的面积所占比例，可以看出，随着再生粗骨料掺量的增加，试件断面中集料所占的面积比例明显增加，主要由于试件在低温条件下易发生脆性破坏，此时再生粗骨料的强度成为影响试件抵抗破坏的重要因素。

2.4 抗疲劳特性分析

通过小梁试件冲击试验测定沥青混凝土试件的冲击韧性，进而分析再生粗骨料掺量对试件的抗疲劳性能的影响。试件在15 ℃下养护4 h，通过万能试验机的冲击力作用绘制出荷载-冲击韧性曲线见图5。

图5 再生粗骨料掺量对沥青混凝土冲击韧性的影响曲线

由图5 可以看出，沥青混凝土中掺加再生粗骨料对试件的抗疲劳性能存在明显的负面作用。随着再生粗骨料掺量的增大，沥青混凝土试件的冲击韧性不断减小，其中再生粗骨料掺量为80%时试件的冲击韧性急剧下降，表明掺量越大越试件越容易发生疲劳破坏。主要是由于再生粗骨料刚度较大而强度较低，其中石子与砂浆黏结界面的薄弱点更容易发生脆性破坏；再生粗骨料掺量为80%时取代了大量天然集料，试件的延展变形能力变差更易发生断裂。

3 结语

通过对再生粗骨料沥青混凝土的路用进行研究，得出结论：沥青混合料的最佳油石比随再生粗骨料掺量的增大明显增大，但沥青膜厚度及有效沥青用量基本维持不变。再生粗骨料掺量为30%～40%时，试件的高温性能最优；再生粗骨料对试件的水稳定性能具有明显的积极作用，碱性的水泥砂浆增强了沥青与再生粗骨料的黏附性；掺加再生粗骨料对沥青混凝土的抗疲劳性能和低温性能影响可控。