再生集料破碎行為對瀝青混合料性能影響

王二兵,杜西江 ,徐 良,胡 靖

(1.中交一公局 第五工程有限公司，北京 100024；2.東南大學 智能運輸系統(tǒng)研究中心，江蘇 南京 211189)

0 引言

在過去的幾十年中，我國傳統(tǒng)建筑行業(yè)一直在消耗大量的不可再生資源；同時隨著大批建筑構(gòu)造物使用報廢年限的臨近，大量的建筑垃圾隨之產(chǎn)生，而對此常規(guī)的處理措施就是簡單掩埋處理，這種現(xiàn)象造成了極大的資源浪費和環(huán)境污染[1]。近年來，工程界逐漸將眼光聚集如何科學、經(jīng)濟地二次利用這種建筑廢棄物。通常而言，建筑垃圾主要包含了大量水泥混凝土塊狀物、水泥砂漿碎屑，少量的碎粘土磚和碎陶瓷等材料[2]。由于這些成分也具有一定的強度，因此其在土木工程領域具有巨大的再利用潛力，其中的關鍵應用便是將處理后的建筑垃圾用作路基和瀝青路面施工的再生集料[3]。而將再生應用在瀝青混合料中成為近期道路工程研究的熱點[4-5]。

一般經(jīng)過磚混分離處理后的再生集料，其碎粘土磚含量可以控制到基本可以忽略不記，因此再生骨料主要包含的為水泥混凝土顆粒和水泥砂漿顆粒[6]。由于附著在原生集料的水泥砂漿和水泥砂漿顆粒的抗壓強度遠小于天然集料，因此再生集料的破碎現(xiàn)象比天然集料更加明顯。同時，成型再生集料瀝青混合料的過程中，部分粗集料破碎，導致瀝青混合料內(nèi)部集料的骨架結(jié)構(gòu)變化，而這與普通瀝青混合料的行為特征有明顯不同。因此亟需探究再生集料在荷載作用下的破碎行為模式以及其對瀝青混合料性能的影響規(guī)律，以優(yōu)化再生集料在瀝青混合料中的應用方法。

1 配合比設計

本文所用再生集料以建筑拆除固體廢棄垃圾中的廢舊水泥混凝土作為原材料，經(jīng)過一系列破碎、篩分、除雜等集料加工工藝處理后的最終產(chǎn)品，其粒徑范圍處于13.2～16 mm，壓碎值為24.7%。采用的天然集料為輝綠巖集料。天然集料、再生集料以及石灰?guī)r礦粉的密度如表1所示。

表1 礦料密度表Table1 Aggregatedensity礦料種類尺寸/mm密度/(g·cm-3) 1～192.91213.2～162.925 9.5～13.22.923 4.75～9.52.934 2.36～4.752.940天然輝綠巖 1.18～2.352.947 0.6～1.182.952 0.3～0.62.957 0.15～0.32.964 0.075～0.152.951<0.0752.718石灰?guī)r礦粉<0.0752.726再生集料 13.2～162.312

在瀝青混凝土中，較大粒徑的骨料對混凝土強度的影響較大。為了更為有準確、有效地分析再生集料的破碎對于瀝青混凝土性能的作用規(guī)律，故本文采用了最大一級粒徑碎石(13.2～16 mm)作為替代對象。瀝青結(jié)合料采用SBS改性瀝青，將最大一級粒徑碎石(13.2～16 mm)的再生集料，替代不同用量的天然輝綠巖集料，制備成型再生集料瀝青混合料RCAM-16，其設計礦料級配如表2所示。

根據(jù)表1礦料密度和表2級礦料級配，可計算各檔集料體積占比。如圖1所示，在RCAM-16中，輝綠巖13.2～16 mm粒徑集料的體積占比為13.9%。由于再生集料與天然集料密度相差較大，而瀝青混合料設計級配應保持體積一致性，參照以往研究經(jīng)驗[3]，采用0%、25%、50%、75%和100%體積替換率的再生集料，替代13.2～16 mm粒徑尺寸的天然輝綠巖集料，通過旋轉(zhuǎn)壓實儀所制備的再生集料瀝青混合料主要用于路用性能試驗的研究。

表2 再生集料瀝青混合料(RCAM-16)設計級配表Table2 Designgradationtableofasphaltmixturecontainingrecycledconcreteaggregate尺寸/mm通過不同篩孔尺寸(mm)質(zhì)量百分率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075上限10010092806248362618148上限1009076603420139754合成10097.283.375.147.540.433.224.416.710.76.1

圖1 各檔礦料體積占比

采用常規(guī)馬歇爾擊實儀成型瀝青混合料馬歇爾試件，雙面擊實試件各75次，混合料拌合控制在(175～185)℃，混合料成型溫度控制在(140～145)℃。根據(jù)《JTG F40-2004 公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中的馬歇爾配合比設計方法，結(jié)合馬歇爾試驗結(jié)果中各項體積指標和力學參數(shù)，確定0%、25%、50%、75%和100%再生集料體積替代的瀝青混合料最佳瀝青用量分別為5.4%、5.5%、5.6%、5.7%和5.9%。

由表3可以看出，隨著再生集料替代天然粗集料用量不斷增加，瀝青混合料的最佳瀝青用量不斷增大，馬歇爾穩(wěn)定度不斷降低；同時，瀝青混合料的毛體積密度也不斷減小。此外，含再生集料的瀝青混合料相比于天然集料瀝青混合料具有更低的骨架間隙率，表明再生集料中的多孔水泥砂漿成分能吸收更多的瀝青材料，由于有效瀝青減少導致瀝青膠漿含量降低，因而再生集料瀝青混合料的空隙率也隨之增大。

表3 再生集料用量對瀝青混合料(RCAM-16)馬歇爾試驗的影響Table3 Effectsofrecycledconcreteaggregatecontentonmar-shalltestresults再生集料替代率/%最佳瀝青用量/%密度/g·cm-3()空隙率/%瀝青飽和度/%骨架間隙率/%穩(wěn)定度/kN流值/0.1mm05.42.5444.068.114.318.7538.8255.52.4353.967.614.248.6336.9505.62.4014.167.214.178.3235.7755.72.3344.166.914.168.4232.71005.92.2884.266.513.948.3334.0標準——3～565～75>13.5>8.020～40

2 再生集料破碎模擬

室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實儀的對瀝青混合料的壓實效果與實際瀝青路面碾壓工藝中的壓路機作用相似。因此，本文采用旋轉(zhuǎn)壓實儀對瀝青混合料(RCAM-16)施加壓實荷載，以模擬現(xiàn)場瀝青混凝土路面壓實過程中，再生集料的破碎行為。

選擇旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)為100次，以保證再生集料瀝青混合料(RCAM-16)受到足夠的壓實荷載作用。將成型完畢的再生集料瀝青混合料試件放入145 ℃烘箱中重新加熱，待RCAM-16試件完全軟化后，打散試件，對打散后的瀝青混合料進行抽提試驗，分離旋轉(zhuǎn)壓實作用后試件中的礦質(zhì)集料，并逐檔篩分、稱重。由于抽提試驗過程中瀝青混合料的細集料(<2.36 mm)損失較大，而再生集料受壓實荷載作用后，破碎后的集料顆粒有相當一部分粒徑小于2.36 mm，因此必需準確量化細集料質(zhì)量的變化狀態(tài)。根據(jù)混合料中礦料的質(zhì)量守恒，粒徑小于2.36 mm的細集料質(zhì)量變化等于所有粒徑大于2.36 mm的各檔集料重量變化之和的相反數(shù)，由此可以計算細集料質(zhì)量變化。具體抽提、篩分試驗結(jié)果如表4所示。

表4 各檔集料破碎質(zhì)量變化率Table4 Aggregateweightratioincrementofeachsievesize再生集料替代率/%通過不同篩孔尺寸(mm)質(zhì)量變化率/%<2.362.364.759.513.21601.480.540.77-0.22-1.42-1.17101.871.221.110.24-3.43-1.01202.082.181.930.36-5.48-1.07302.972.011.760.51-6.28-0.97

由表4可知，13.2～16 mm集料的質(zhì)量損失明顯，且隨著瀝青混合料中再生集料替代率的增大，質(zhì)量損失不斷增加；同時，再生集料替代率對粒徑大于16 mm的天然集料的質(zhì)量變化幾乎沒有影響，即4種不同再生集料替代率下，瀝青混合料中16～19 mm集料的質(zhì)量變化率始終處于-1.0%左右。對于普通瀝青混合料AC-16而言，壓實作用后粒徑大于9.5 mm的各檔集料均出現(xiàn)質(zhì)量減小現(xiàn)象，即破碎成粒徑更小的集料(<9.5 mm)。而對于再生集料瀝青混合料RCAM-16，壓實作用后粒徑大于13.2 mm的各檔集料均出現(xiàn)質(zhì)量降低現(xiàn)象，即破碎成粒徑小于13.2 mm的集料。該現(xiàn)象表明旋轉(zhuǎn)壓實儀對瀝青混合料所施加的壓實能量主要被粒徑大于13.2 mm的各檔集料吸收；同時，由于再生集料的粒徑為13.2～16 mm，降低了壓實過程中，粒徑小于13.2 mm的天然集料被壓碎風險。

同時，旋轉(zhuǎn)壓實作用后的再生集料瀝青混合料只有粒徑尺寸大于13.2 mm的各檔集料含量降低，且13.2～16 mm集料的質(zhì)量變化率遠大于16～19 mm集料的質(zhì)量變化率。因此，本文選擇13.2～16 mm集料質(zhì)量變化率的絕對值作為再生集料瀝青混合料的集料破碎指數(shù)(ACI)，以量化不同壓實作用次數(shù)和不同再生集料替代率的條件下，再生集料瀝青混合料RCAM-16中集料的破碎狀態(tài)。集料破碎指數(shù)越大，再生就瀝青混合料中的集料破碎現(xiàn)象越嚴重。

由表5可知，隨著旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)和再生集料替代率的不斷增加，再生集料瀝青混合料RCAM-16的集料破碎指數(shù)不斷升高，集料破碎情況逐漸惡化。

表5 壓實次數(shù)對集料破碎指數(shù)影響Table5 EffectsofgyrationnumbersonACI再生集料替代率/%不同旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)(次)的破碎指數(shù)/%100150200101.426.647.68203.436.797.83305.487.417.95

3 再生集料破碎對瀝青混合料性能影響

3.1 抗滑性能影響

現(xiàn)有文獻表明[7]，瀝青混合料中的礦料級配對其表面抗滑性能具有顯著的影響。再生集料瀝青混合料在壓實荷載作用下，部分粗集料由于破碎導致實際級配與設計級配產(chǎn)生差異。因此，有必要研究再生集料破碎狀態(tài)對瀝青混合料RCAM-16抗滑性能的影響。本文采用擺式摩擦儀和鋪砂法，測試不同破碎指數(shù)下，旋轉(zhuǎn)壓實試件(Φ150 mm)頂端的抗滑性能指標，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 擺值與構(gòu)造深度試驗結(jié)果

由再生集料體積替代率增大所導致的集料破碎指數(shù)增大，并未引起再生集料瀝青混合料RCAM-16抗滑性能的顯著變化。由圖2試驗結(jié)果可知，RACM-16滿足中潮濕地區(qū)的路面抗滑指標要求(BPN>60、MTD>0.6 mm)，表明再生集料瀝青混合料可以為車輛行駛提供足夠的道路抗滑支持。同時，結(jié)合表4中再生集料瀝青混合料RCAM-16的集料破碎指數(shù)小于8.8%的試驗結(jié)果，可以認為，當破碎指數(shù)小于8.8%時，集料破碎對再生集料瀝青混合料抗滑性能的影響可以忽略不計。

3.2 高溫穩(wěn)定性影響

由于壓實過程中部分粗集料的破碎，削弱了混合料中粗集料骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，這在一定程度上將影響再生集料瀝青混合料的高溫抗車轍性能。因此，有必要研究集料破碎對RCAM-16高溫穩(wěn)定性的作用規(guī)律。本文將不同破碎指數(shù)的旋轉(zhuǎn)壓實試件切割成5 cm高圓柱體，并固定于改裝后的車轍板模具中，用于后續(xù)高溫車轍試驗。根據(jù)《JTGE20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，設定試驗溫度為60 ℃，橡膠塊接觸壓力為0.70 MPa，試驗時間為60 min，混合料的車轍試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 動穩(wěn)定度試驗結(jié)果

由圖3可知，60 ℃車轍試驗中絕大部分的再生集料瀝青混合料RCAM-16動穩(wěn)定度高于3 000 次/min，表明即使在一定集料破碎的條件下，再生集料混合料在高溫條件下仍表現(xiàn)出優(yōu)異結(jié)構(gòu)強度和抗變形能力。同時，隨著再生集料體積替代率的不斷提高，集料破碎指數(shù)不斷增大，再生集料瀝青混合料的動穩(wěn)定度呈逐漸下降的趨勢。當集料破碎指數(shù)大于8.6%時，再生集料瀝青混合料RCAM-16的動穩(wěn)定度小于規(guī)范要求3 000 次/min。因此，實際工程應控制再生集料瀝青混合料中集料破碎指數(shù)(ACI)不超過8.6%。

3.3 低溫抗裂性影響

采用間接拉伸試驗研究再生集料瀝青混合料的低溫抗裂性能，根據(jù)《ASTM D6931-2017 瀝青混合料間接拉伸強度的標準試驗方法》，間接拉伸試驗溫度設置為-15 ℃，加載速率設置為50 mm/min。分別對12種不同集料破碎指數(shù)的旋轉(zhuǎn)壓實試件進行低溫間接拉伸試驗，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 低溫間接劈裂強度試驗結(jié)果

由圖4可以看出，在再生集料體積替代率固定的情況下，隨著集料破碎指數(shù)的增加，再生集料瀝青混合料RCAM-16的低溫抗裂性呈逐漸下降趨勢。如再生集料體積替代率為25%時，破碎指數(shù)1.42%瀝青混合料試件的低溫拉伸強度比破碎指數(shù)5.48%試件高出近13.2%；而再生集料體積替代率100%時，破碎指數(shù)7.87%瀝青混合料試件的低溫拉伸強度比破碎指數(shù)8.81%試件高出近19.1%。同時，隨著再生集料替代率不斷增加，瀝青混合料RCAM-16的-15 ℃間接拉伸強度不斷減小，表明再生集料用量的增加對瀝青混合料RCAM-16的低溫抗裂性也具有不利影響，而產(chǎn)生強度衰減主要是由于再生集料中水泥砂漿的抗壓強度遠小于天然集料所引起。

3.4 水穩(wěn)定性影響

由于再生集料中的水泥砂漿含有較多的二氧化硅，在一定程度上會影響瀝青與再生集料的黏附性能，因此必須重視再生集料瀝青混合料的抗水損害能力；同時，為了進一步分析再生集料破碎行為對再生集料瀝青混合料RCAM-16的水穩(wěn)定性能作用，本文根據(jù)《JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，分別進行了凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗，以殘留穩(wěn)定度MSR和凍融劈裂比TSR作為評價指標，具體試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 水穩(wěn)定性能試驗結(jié)果

由圖5可知，天然集料瀝青混合料的水穩(wěn)定性能優(yōu)于含有再生集料瀝青混合料，即不含再生集料瀝青混合料具有更高的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比。同時，在再生集料體積替代率固定的情況下，隨著破碎指數(shù)的增大，再生集料瀝青混合料RCAM-16的殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂比均呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，表明集料破碎行為在一定程度上削弱了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。這是由于壓實過程中，粒徑范圍從13.2 mm到19 mm的各檔集料破碎為粒徑更小的集料顆粒，集料中出現(xiàn)了更多沒有被瀝青所裹覆的花白面，且水泥砂漿中含有大量的二氧化硅進一步削弱了瀝青和再生集料界面之間的粘結(jié)效果，在水分進入瀝青混合料內(nèi)部時，加速了瀝青剝離進程，從而降低了再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

此外，當集料破碎指數(shù)大于8.6%時，再生集料瀝青混合料RCAM-16的殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂比分別不滿足規(guī)范>85%、>80%的要求。因此，實際工程應控制再生集料瀝青混合料中集料破碎指數(shù)(ACI)不超過8.6%，對應的再生集料體積替代率不應超過75%。

4 結(jié)論

根據(jù)本文研究結(jié)果，再生集料在一定程度上雖然削弱瀝青混合料的性能，但總體上滿足瀝青路面規(guī)范要求，可以將再生集料瀝青混合料RCAM-16應用于道路鋪裝工程，且必須控制再生集料的體積替代率不超過75%，具體結(jié)論如下：

a.隨著壓實次數(shù)和再生集料替代率的提高，再生集料瀝青混合料中的集料破碎指數(shù)不斷升高，混合料內(nèi)部集料的破碎情況不斷加劇。

b.再生集料瀝青混合料RCAM-16具有良好的抗滑性能。當集料破碎指數(shù)小于8.8%時，集料破碎狀況對再生集料瀝青混合料的抗滑性能影響效果不明顯。

c.集料破碎指數(shù)越大，再生集料瀝青混合料的動穩(wěn)定度越小，高溫性能越差。當集料破碎指數(shù)大于8.6%時，再生集料瀝青混合料的動穩(wěn)定度不滿足規(guī)范要求。

d.隨著集料碎指數(shù)的增加，再生集料瀝青混合料低溫抗裂性呈明顯下降趨勢；同時，再生集料瀝青混合料低溫抗裂性隨再生集料替代率的升高而下降。

e.再生集料的破碎行增加了集料花白面，削弱了瀝青與集料界面粘結(jié)效果，進而顯著削弱瀝青混合料的水穩(wěn)定性，當集料破碎指數(shù)大于8.6%時，再生集料瀝青混合料的水穩(wěn)定性不滿足規(guī)范應用。