再生粗骨料沥青混合料路用性能试验研究*

王 婧，陈 莉，赵绪峰，刘梦溪，张 磊

(1 江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116；2 徐州市宏达土木工程试验室有限责任公司，江苏 徐州 221001)

建筑垃圾指的是建设单位、施工单位新建、改建、扩建和拆除各类建筑物、构筑物、管网等以及居民装饰装修房屋过程中所产生的弃土、弃料及其它废弃物。随着我国建筑业的发展和城市化进程的不断深化，我国每年建筑垃圾产生量可达20亿吨以上。而目前我国建筑垃圾的综合利用率还不高，与《“十四五”循环经济发展规划》中提出的“到2025 年建筑垃圾的综合利用率达到60%”还有一定的差距。与此同时，随着我国公路和铁路等基础设施的建设飞速发展，对砂石等材料的需求量也急速增加，由于砂石材料属于不可再生资源，长时间的随意开采将会导致砂石资源缺乏、河床改道、山体滑坡、生态环境破坏，使得交通行业的可持续发展与砂石等材料短缺的矛盾日益突出。因此，将建筑垃圾应用于交通基础建设具有非常重要的现实意义，一方面可以解决建筑垃圾的处理问题，提高建筑垃圾的综合利用率，另一方面可以减少砂石材料的开采，保持交通基础建设的可持续发展。

对于再生骨料在道路工程中的应用，许多学者开展了相关研究，樊兴华等[1]通过试验研究了不同配合比的石灰粉煤灰稳定再生材料和水泥稳定再生材料的路用性能，确定了路用性能最佳的配合比。邹桂莲等[2]研究了再生粗集料、全再生集料和天然集料水泥稳定碎石的抗压强度、抗拉强度、干缩特性的差异。李丽慧等[3]通过7d无侧限抗压试验和冻融循环试验研究了水泥标号、水泥用量和级配类型对含砖再生水泥稳定碎石路用性能的影响。文献[1-3]研究证实了无机结合料稳定再生材料具有较好的路用性能，可将再生砖石和再生碎石应用于路面基层。邓宗才等[4]通过马歇尔试验研究了C40和C15两种原生混凝土产生的再生粗骨料用于沥青混合料时最佳沥青用量的差异，研究了再生粗骨料掺量为23%、30%、45%和50%时再生粗骨料沥青混合料的高温性能和水稳定性能。邹桂莲等[5]研究了再生粗骨掺量为20%、40%和60%时AC-20C以及再生粗骨掺量为25%、50%和70%时ATB-25两种沥青混合料的路用性能和力学特性。文献[4-5]证实再生骨料可用于沥青混合料，而目前对再生粗骨料沥青混合料的应用范围还缺乏研究，本文通过试验研究再生粗骨料掺量为20%、40%、60%、80%和100%时，70号道路石油沥青混合料和SBS（I-D）改性沥青混合料的路用性能，并确定两种再生粗骨料沥青混合料在道路工程中的应用范围。

1 试验材料

沥青混凝土路面上面层对骨料的压碎值和磨耗性能要求较高，而再生粗骨料表面含有大量的水泥砂浆，所以不适用于沥青路面上面层。为此针对下面层常用的AC-20 型沥青混凝土，研究再生粗骨料代替AC-20型沥青混凝土中部分粗骨料的可行性，AC-20 沥青混合料的矿料级配范围和目标级配如图1所示。按再生粗骨料掺量 0%、20%、40%、60%、80%和100%的比例分别替代 4.75～19.0 mm天然碎石粗骨料，为保持矿质混合料的级配不变，将再生粗骨料细分为4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm和16～19 mm四个粒组，分别按照0%、20%、40%、60%、80%和100%的比例替代天然碎石粗骨料中4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm和16～19 mm四个粒组的粗骨料。细集料采用天然河砂，填料采用矿粉，沥青分别采用70号道路石油沥青和SBS（I-D）改性沥青，两种沥青的性能参数见表1。

表1 70号道路石油沥青和SBS I-D 改性沥青性能参数Table 1 Performance parameters of 70# road petroleum asphalt and SBS (I-D) modified asphalt

图1 矿质混合料级配Fig.1 Grading of mineral mixture

2 再生粗骨料沥青混合料路用性能评价

高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性是衡量沥青混合料路用性能的指标，相关学者采用上述3个指标分别研究了AC-20C和ATB-25再生沥青混合料[5]、橡胶粉/SBS复合改性沥青混合料[6]、掺加温拌剂的SBS改性沥青混合料[7]、煤矸石粉沥青混合料[8]和木质素纤维改善的沥青混合料[9]的路用性能，因此，本文也采用高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性3个指标评价不同再生粗骨料掺量时沥青混合料路用性能。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）试验方法，分别进行车辙试验、小梁弯曲试验、水稳定性试验，测试再生混凝土骨料沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性。

2.1 再生粗骨料沥青混合料的高温稳定性

采用70号道路石油沥青和SBS（I-D）改性沥青两种沥青， 0%、20%、40%、60%、80%和100%等6种再生粗骨料掺量的沥青混合料分别制作车辙试验试件，试件尺寸为300mm×300mm×50mm，利用车辙试验机进行车辙试验。记录试验过程中的变形量（mm）与时间（min）的关系曲线，按式（1）计算再生粗骨料沥青混合料的动稳定度。

式（1）中：DS为沥青混合料动稳定度（次/mm）；d1为t1时刻的变形量（mm）；d2为t2时刻的变形量（mm）；C1为试验机类型系数；C2为试件系数；N为试验轮往返碾压速度（次/min）。

根据试验结果，可计算得到两种沥青和不同再生骨料掺量时沥青混合料的动稳定度，具体结果如图2所示。

图2 不同再生粗骨料掺量时沥青混合料的动稳定度Fig.2 Dynamic stability of asphalt mixture with different recycled coarse aggregate content

从图2可以看出，采用70号道路石油沥青混合料和SBS（I-D）改性沥青混合料的动稳定度随着再生粗骨料的掺量的增加具有相同的变化规律，均随着再生粗骨料掺量的增加沥青混合料的动稳定度先增大后减小。采用70号道路石油沥青和SBS（I-D）改性沥青，当再生粗骨料掺量分别小于40%和60%时，沥青混合料的动稳定度随着再生粗骨料掺量的增加而增大。采用70号道路石油沥青，再生粗掺量分别为40%左右时，沥青混合料的动稳定度达到最大。采用SBS（I-D）改性沥青，再生粗掺量分别为60%左右时，沥青混合料的动稳定度达到最大。相比不掺加再生粗骨料时两种沥青混合料的动稳定度分别增加了21.4%和11.9%。主要原因是再生粗骨料相比于天然碎石表面更粗糙且形状不规则，粗骨料之间的摩擦力更大且易形成嵌锁结构，此外再生粗骨料表面的水泥砂浆与沥青易形成稳定的沥青膜。采用70号道路石油沥青和SBS（I-D）改性沥青，当再生粗骨料掺量分别大于40%和60%时，沥青混合料的动稳定度随着再生粗骨料掺量的增加而降低，再生粗骨料掺量为100%时，两种沥青混合料的动稳定度相比不掺加再生粗骨料时分别减小了42.2%和19.6%。

从图2还可以看出，再生粗骨料掺量一定时，SBS（I-D）改性沥青混合料的动稳定度均大于70号道路石油沥青混合料，再生粗骨料掺量为20%、40%、60%、80%和100%，SBS（I-D）改性沥青混合料相比70号道路石油沥青混合料动稳定度分别提高了75.9%、68.9%、127.0%、142.1%和161.8%，说明采用改性沥青SBS类（I-D）可以提高再生粗骨料沥青混合料的动稳定度。

2.2 再生粗骨料沥青混合料的低温抗裂性

采用70号道路石油沥青和SBS（I-D）改性沥青两种沥青， 0%、20%、40%、60%、80%和100%等6种再生粗骨料掺量的沥青混合料分别制作小梁弯曲试验试件，试件尺寸为250mm×30mm×35mm，利用弯曲试验机进行小梁弯曲试验，根据小梁弯曲试验结果，按照式（2）计算小梁破坏应变ε。

式（2）中： ε为试件破坏时的最大应变；h为跨中断面试件的厚度（mm）；d为试件破坏时跨中挠度；L为试件的跨径（mm）。

再生粗骨料掺量为 0%、20%、40%、60%、80%和100%时，两种沥青混合料的破坏应变如图3所示。

图3 不同再生粗骨料掺量时沥青混合料的破坏应变Fig.3 Failure strain of asphalt mixture with different recycled coarse aggregate content

从图3可以发现，70号道路石油沥青混合料和SBS（I-D）改性沥青混合料的破坏应变均随着再生粗骨料掺量的增加而减小，相比再生粗骨料掺量为0%，再生粗骨料掺量为20%、40%、60%、80%和100%时，70号道路石油沥青混合料的破坏应变分别减小了11.8%、20.9%、31.3%、38.0%和45.5%，SBS（I-D）改性沥青混合料的破坏应变分别减小了10.6%、16.6%、24.4%、34.2%和44.0%。这是因为再生粗骨料在制作过程中，由于振动和破碎等作用，粗骨料内部会产生很多微小裂纹，导致再生粗骨料抗拉强度降低，此外再生粗骨料表面包裹水泥砂浆，而水泥砂浆的抗拉强度较低，由于上述原因使得再生粗骨料沥青混合料的抗拉强度降低，破坏应变减小。

从图3中还可以得出，再生粗骨料掺量一定时，SBS（I-D）改性沥青混合料的破坏应变均高于70号道路石油沥青混合料，再生粗骨料掺量为20%、40%、60%、80%和100%时，SBS（I-D）改性沥青混合料相比70号道路石油沥青混合料破坏应变增加约25%～31%，采用SBS（I-D）改性沥青可以提高再生粗骨料沥青混合料的破坏应变。

2.3 再生粗骨料沥青混合料的水稳定性

采用70号道路石油沥青和SBS（I-D）改性沥青两种沥青， 0%、20%、40%、60%、80%和100%等6种再生粗骨料掺量的沥青混合料分别制作马歇尔试验试件，试件为圆柱体，直径为101.6mm，高为63.5mm，利用马歇尔稳定度试验仪器进行试验，根据试验结果，按照式（3）计算再生粗骨料沥青混合料的浸水残留稳定度。

式（3）中：MS0为试件的浸水残留稳定度（%）；MS0为试件浸水48h后的稳定度（kN）；MS0为试件的稳定度（kN）。

再生粗骨料掺量为 0%、20%、40%、60%、80%和100%时，两种沥青混合料的浸水残留稳定度如图4所示。

图4 不同再生粗骨料掺量时沥青混合料的浸水残留稳定度Fig.4 Residual stability after immersion in water of asphalt mixture with different recycled coarse aggregate content

从图4可以发现，70号道路石油沥青混合料和SBS（I-D）改性沥青混合料的浸水残留稳定度均随着再生粗骨料掺量的增加而增大，相比再生粗骨料掺量0%，再生粗骨料掺量为20%、40%、60%、80%和100%时，70号道路石油沥青混合料的浸水残留稳定度分别增加了1.3%、3.9%、4.9%、6.5%和9.1%，SBS（I-D）改性沥青混合料的浸水残留稳定度分别增加了2.0%、2.9%、4.8%、6.0%和7.5%。这主要是由于再生粗骨料表面较粗糙，加之表面的水泥砂浆与沥青的粘附性好，从而提高了再生粗骨料沥青混合料的浸水残留稳定度。

从图4还可以得出，SBS（I-D）改性沥青混合料的浸水残留稳定度均高于70号道路石油沥青混合料，再生粗骨料掺量为20%、40%、60%、80%和100%时，SBS（I-D）改性沥青混合料相比70号道路石油沥青混合料浸水残留稳定度增加约3.3%～5.7%，采用SBS（I-D）改性沥青可以提高再生粗骨料沥青混合料的浸水残留稳定度。

3 再生粗骨料沥青混合料的适用性

结合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）对沥青混合料车辙试验动稳定度、低温弯曲试验破坏应变和水稳定性的技术要求以及再生粗骨料沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性试验结果，可以得出70号道路石油沥青再生粗骨料沥青混合料和SBS（I-D）改性沥青再生粗骨料沥青混合料满足高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性的应用范围，分别见表2～表4。

表2 满足动稳定度技术要求时不同再生粗骨料掺量的沥青混合料应用范围Table 2 Application range of asphalt mixtures with different recycledcoarse aggregate content meeting technical requirements of dynamic stability

从表2可知，在1-1、1-2夏炎热区以及夏热区和夏凉区，再生粗骨料全部替代天然碎石，以及在1-3、1-4夏炎热区，再生粗骨料替代80%的天然碎石，70号道路石油沥青混合料和SBS（I-D）改性沥青混合料的动稳定度均满足要求。从表3可知，为满足破坏应变要求，在冬严寒区，70号道路石油沥青混合料不得采用再生粗骨料，SBS（I-D）改性沥青混合料可使用20%的再生粗骨料代替天然碎石；在冬寒区，70号道路石油沥青混合料可使用20%的再生粗骨料代替天然碎石，SBS（I-D）改性沥青混合料可使用40%的再生粗骨料代替天然碎石；在冬冷区和冬温区，70号道路石油沥青混合料可使用40%的再生粗骨料代替天然碎石，SBS（I-D）改性沥青混合料可使用60%的再生粗骨料代替天然碎石。从表4可知，再生粗骨料全部替代天然碎石，70号道路石油沥青和SBS（I-D）改性沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度均满足要求。

表3 满足破坏应变技术要求时不同再生粗骨料掺量的沥青混合料应用范围Table 3 Application range of asphalt mixtures with different recycled coarse aggregate content meeting technical requirements of failure strain

表4 满足浸水马歇尔残留稳定度技术要求时不同再生粗骨料掺量的沥青混合料应用范围Table 4 Application range of asphalt mixtures with different recycled coarse aggregate content meeting technical requirements of Marshall residual stability after immersion

实际工程中，沥青混合料中再生粗骨料的掺量可结合动稳定度、破坏应变和浸水马歇尔残留稳定度以及工程项目所处的气候分区综合确定。

4 结论

（1）随着再生粗骨料掺量的增加，70号道路石油沥青和SBS（I-D）改性沥青再生粗骨料沥青混合料的动稳定度先增大后减小；再生粗骨料掺量为40%左右时，70号道路石油沥青混合料的动稳定度达到最大；再生粗骨料掺量为60%左右时，SBS（I-D）改性沥青混合料的动稳定度达到最大。

（2）随着再生粗骨料掺量的增加，70号道路石油沥青和SBS（I-D）改性沥青再生粗骨料沥青混合料的破坏应变均减小，浸水残留稳定度均增大。

（3）再生粗骨料掺量一定时，SBS（I-D）改性沥青再生粗骨料沥青混合料的动稳定度、破坏应变和浸水残留稳定度均优于70号道路石油沥青再生粗骨料沥青混合料。

（4）再生粗骨料可替代部分天然碎石应用于70号道路石油沥青混合料和SBS（I-D）改性沥青混合料。