再生集料沥青混凝土室内压实行为特征研究

曾维樵 黄啟波 刘长波

（1中交公路规划设计院有限公司；2福州市交通局；3东南大学智能运输系统研究中心）

0 前言

废旧混凝土再生集料沥青混凝土作为一种绿色环保路面铺装，既能够承担繁重交通任务与保证行车安全，同时对消化再生建筑废料、减少矿石资源开采、加快实现我国“双碳减排”目标具有重要意义[1]。与天然集料相比，再生集料具有强度低、表面粗糙、吸水率高的特点。松散沥青混合料的压实状态直接影响成型后沥青混合料的内部结构特征，很大程度上决定了沥青混合料的力学性能，而用再生集料代替天然骨料，再生骨料沥青混合料的力学性能也必然受到影响。因此，了解再生集料对压实行为的影响对于改进RAAM的设计和施工方法至关重要。大量研究表明，沥青混合料在压实阶段会表现出复杂的行为特征[2,3]。松散沥青混合料压实作用克服了沥青砂浆的附着力和骨料表面之间的摩擦阻力，进而形成了稳定的骨料-沥青砂浆-骨料接触结构[4]。部分研究人员已成功利用Stribeck摩擦曲线分析了沥青混合料的压实行为[5]。Sefidmazgi指出，沥青混合料的目标压实度存在最佳粘度区，相应沥青砂浆的推荐范围为1～3Pa·s[6]；Bi提出了一种基于Stribeck摩擦曲线的沥青混合料压实模型，以评估压实阶段的接触摩擦行为[7]；另一方面，裴建中等认为施工密实能量指数Construction Energy lndex（CEI）也可以很好地表征沥青混合料的压实特征[8]。此外，由于集料颗粒对沥青混合料内部互锁和摩擦作用的重要影响，因此集料颗粒的物理特性对沥青混合料压实的影响不能忽视[9]。现有研究发现，粗集料形状指标与沥青混合料的压实流变指标存在显著的相关关系[10]。

本试验选取3种天然集料和一种再生集料作为粗集料，根据不同级配设计再生集料沥青混合料；采用X-ray CT扫描仪获取天然集料和再生集料细观图像，基于重构数字集料确定相应的细观形貌特征参数；而后通过测量密实能量指数(CEI)来量化再生骨料沥青混合料的压实特征；最后根据室内试验结果和重建模型，研究了再生骨料沥青混合料的压实特征与再生集料颗粒之间的相关关系。

1 试验材料与试验方法

1.1 材料性质

本研究以南京市栖霞区建筑拆除废料为原材，通过破碎筛分工艺，处理制备废旧水泥混凝土再生粗集料。从组成来看，再生粗集料可以分为三类：第一类是由天然集料内核与附着水泥砂浆构成的再生集料颗粒；第二类是纯粹水泥砂浆；第三类为纯粹天然集料。其中再生集料表面附着的水泥砂浆是一种多孔低强度材料，对沥青附着力有不利影响。同时本研究以天然粗集料(石灰岩、玄武岩和辉绿岩)作为对照组，在进行X-ray CT扫描前，对再生粗集料与天然粗集料进行基本工程性能试验评价，试验结果如表1所示。由于附着水泥砂浆的存在，再生粗集料相比天然粗集料具有更高的吸水率、压碎值以及洛杉矶磨耗值，然而除了吸水率高于规范要求外，其余参数均符合技术标准。

表1 粗集料技术参数

选用SBS改性沥青、石灰石矿粉、再生集料、天然集料成型再生集料沥青混合料试件，SBS改性沥青性能见表2。以大于2.36mm再生集料替代天然集料，制备不同比例RA的RAAM试样，即其中再生粗集料的体积替代率分别为0%、25%、50%、75%和100%。同时，为分析级配和集料尺寸对再生集料沥青混合料压实性能的影响，选择了6种典型级配，其中包括SMA-10、SMA-13、AC-13、AC-20、SUP-13和SUP-20。根据相应的级配和再生集料用量，进行对应最佳油石比下的旋转压实试验。

表2 SBS改性沥青性能

1.2 集料细观形貌

现有研究表明，粗集料形貌状态直接影响着沥青混凝土的性能。由于再生集料颗粒含有原始天然集料和附着水泥砂浆，因此需要量化再生集料中不同组成的细观结构特征。本研究制作可容纳25×4颗集料的硬纸板模具并将集料填充其中，采用X-ray CT扫描设备获取再生集料的细观结构，设置扫描间隔0.1mm，分辨率0.05mm/像素，对200颗再生集料、300颗天然集料进行了扫描和重构。

为进一步明确再生集料颗粒的孔隙与分布特征，提取分析再生集料附着水泥砂浆中体积大于1mm3的孔隙。再生集料孔隙与再生集料体积、水泥砂浆含量之间的关系如图1所示。

由图1(a)可以看出，附着水泥砂浆中的孔隙体积、孔隙数量与再生集料颗粒体积之间的关系均呈随机相关状态，说明再生集料颗粒体积无法作为评价再生集料孔隙特征的有效指标。同时由图1(b)可知，附着水泥砂浆含量与孔隙含量之间表现出较为显著的线性正相关关系，因此附着水泥砂浆含量越高，再生集料出现原生损伤的概率也越高。除孔隙体积与孔隙数量外，孔隙形态也是附着水泥砂浆断裂的重要影响因素。孔隙形态越复杂，对应孔隙边界棱角越分明，孔隙边界处也更容易发生应力集中现象。

图1 再生集料与孔隙之间关系

为描述集料颗粒形状的复杂性，提取每一颗集料的体积以及表面积，并采用球形度、针片状指数、棱角性指数和纹理指数四个指标对其形态特征进行量化。球形度接近1意味着集料轮廓形状越接近球体，针片状指数越大集料越容易出现断裂，棱角性指数和表面纹理指数越大则集料间的摩擦效果越好。球形度、针片状指数、棱角性指数和纹理指数的计算方法见公式⑴。

式中，

A3D——集料颗粒或者孔隙的外表面积或者孔隙外表面，mm2；

Wmin——集料颗粒的最小费雷特直径，mm；

Lmax——Wmin正交方向上集料颗粒的最大费雷特直径，mm；

V3D——集料颗粒或者孔隙的体积或者孔隙体积，mm3；

Aellipsoid——集料的等效椭球体，等效椭球体的体积、三轴长度比例均与集料相一致；

V3D、Vopen——进行开运算前、后虚拟集料颗粒的体积，mm3。

一般而言，集料即使尺寸相似依旧可能呈现出不同的形貌结构特征。因此，为评价每一档的集料特征，需定义一个综合值来量化形貌结构。本文基于重构模型，采用体积加权算法来确定每一档集料的代表值，计算方法见公式⑵。

式中，

Index3D(i)——固定粒径档位虚拟再生集料颗粒i的某项三维细观参数；

Vi——对应的虚拟集料体积；

n——该档粒径下构建的所有虚拟再生集料数量。

由于粗骨料的形态直接影响沥青混凝土的力学性能。本研究基于重建模型所提取的数据，分析比较了四种集料Indexvw的统计分布规律，见图2。

图2 基于X-Ray CT重构再生集料颗粒

图2(a)对比了不同粒径再生集料和天然集料的三维球度Svw差异。大部天然集料的三维球度Svw高于再生集料，表明天然集料的三维轮廓形状更接近球体；此外再生集料三维球度Svw标准差高于天然集料，说明再生集料球度Svw分布偏差幅度相对较大。图2(b)显示再生集料和天然集料的三维针片状指数FIvw是无序和分散的，而再生集料FIvw值基本都高于其他三种天然骨料。图2(c)比较了再生集料和天然骨料的AIvw值，可以看出，大部分再生集料的体积加权AIvw值都大于天然骨料，表明再生集料具有更好的棱角性。图2(d)展示了再生集料和天然集料的体积加权纹理指数Tvw。在排除2.36mm尺寸后，不同粒径尺寸的再生集料Tvw值基本都高于其他三类天然集料，说明再生集料的粗糙度优于天然集料。

1.3 试验方法

研究认为，美国SHRP计划所开发的旋转压实仪Superpave Gyratory Compactor(SGC)能够有效地模拟实际路面压实作用，使得室内成型试件与现场压实铺装结构中集料分布和集料接触状态高度相似；同时，旋转压实试验可以实时记录压实过程中试件的高度变化，即压实度的实时变化状态，因此本研究采用旋转压实试验对再生集料沥青混凝土的压实流变行为进行分析。试验选用PINE company生产的AFG1型旋转压实仪，设定外部角1.25°，垂直压强600kPa，压实转速为30次/min。

通常而言，沥青路面交工验收对压实度指标最低要求为＞92%的最大理论密度，在此基础上部分学者在沥青混凝土压实性能的研究中，结合Superpave体积设计法原理，提出了量化沥青混凝土旋转压实曲线能量的两个指标：施工密实能量指数Construction Energy lndex（CEI）和交通密实能量指数Traffic Densification Index（TDI）。其中，CEI表征松散沥青混凝土压实到92%Gmm条件下外荷载所需要的功，反映了成型期沥青混凝土的施工和易性，CEI越大说明再生集料沥青混凝土的施工和易性越差，而TDI则表征了从92%Gmm压实到98%Gmm条件下外荷载所需要的功，量化了沥青混凝土抵抗交通荷载的能力，其中施工密实能量指数CEI的计算方法如式⑶所示：

式中，

CEI——施工密实能量指数；

γ——第i次压实的密实度比，

N92%Gmm——试件达到92%Gmm所需的旋转压实次数。

2 试验数据分析

本研究选取不同级配类型、最大公称粒径、集料种类和再生集料用量的沥青混凝土，进行再生集料沥青混凝土压实流变行为的评估和细观形貌相关性分析。通过145℃旋转压实试验，在最佳油石比条件下，测试了12组再生集料沥青混凝土试件所对应的施工密实能量指数CEI4。

在相同最大公称粒径条件下，随着级配由悬浮密实结构转变到骨架密实结构，施工密实能量指数CEI逐渐增大，表明从松散状态压实到92%Gmm状态所需压实功增大，压实难度提高，即不同级配类型中，SMA最难压实，AC次之，SUP最为容易。这是因为随着级配中粗集料含量提高，在压实过程中所形成的嵌锁点（locking point）数量增大，从而导致了压实荷载克服集料之间阻力所需要做的功升高。不同最大公称粒径的施工密实能量指数CEI也各不相同，其整体差异性高于不同级配类之间的区别。随着公称粒径的增大，施工密实能量指数CEI也逐渐渐增大，压实难度也逐渐提高，即19.5mm最大公称粒径沥青混凝土的CEI＞13.2mm最大公称粒径的CEI＞9.5mm最大公称粒径的CEI。天然集料沥青混凝土之间施工密实能量指数CEI的差异性较小，而随着再生集料的掺入，施工密实能量指数CEI显著提高，表明从松散状态压实到92%Gmm状态所需压实功增大，再生集料沥青混凝土的压实难度增大。

为进一步探究再生集料对沥青混凝土压实性能的影响，图3回归了再生集料级配加权形貌特征与再生集料沥青混凝土压实流变性能的相互作用关系。

由图3(a)可以看出，加权球度Sgw与施工密实能量指数CEI之间拟合系数R2为0.7455，说明两者之间为中等程度线性负相关关系。立方体三维球度值为0.80586，球体的三维球度值为1，图3(a)中集料加权球度Sgw由0.8左右逐渐增大到0.85，集料整体形状由立方态向球体变化，降低了集料间的摩阻力，从而导致施工密实能量指数CEI的减小。图3(b)和图3(c)说明，加权针片状指数FIgw、加权棱角性指数AIgw和施工密实能量指数CEI间的相关系数p值均大于0.8，相应拟合系数R2也都在0.7左右，可知对应参数之间具有中等程度的线性正相关关系，即集料针片状含量越多或者集料棱角性越突出，再生集料沥青混凝土的压实难度越大。如图3(d)所示，加权纹理指数Tgw与密实能量指数CEI之间拟合系数R2在0.5左右，施工密实能量指数CEI对加权纹理指数Tgw并不敏感。显著性由高到低依次为：加权球度＞加权棱角性指数＞加权表面纹理指数＞加权针片状指数。

图3 再生集料形貌特征与密实能量指数CEI的相关关系

3 结论

本研究采用建筑拆除废料制备再生集料替代天然集料，对再生集料沥青混凝土进行了旋转压实试验。为量化再生集料形貌对沥青混凝土压实流变性能的作用，采用X-ray CT断层扫描重构技术，获取再生集料典型形貌特征参数，从而探究再生集料对沥青混凝土压实性能的影响机理。本研究的主要结论如下：

⑴再生集料的附着水泥砂浆是一种孔隙体积与数量随机的多孔材料，大部分孔隙体积处于1～4mm3之间，而附着水泥砂浆含量与孔隙含量之间为显著的线性正相关关系。

⑵再生集料三维球度普遍小于天然集料，而三维针片状指数、三维棱角性指数、三维纹理指数普遍大于天然集料。

⑶沥青混凝土级配组成（级配类型、最大公称粒径）对压实影响最为显著，再生集料形貌特征具有一定影响，显著性由高到低依次为：加权球度＞加权棱角性指数＞加权表面纹理指数＞加权针片状指数。

⑷再生集料形貌复杂，对建筑能耗的影响显着。增加再生集料含量将提高沥青混合料压实至目标压实度所需的施工能量，表明再生集料沥青混合料施工过程中应该增加压实遍数以实现目标压实度。