瀝青等級對廢棄混凝土粗骨料(RCA)熱再生瀝青混合料性能的影響

王菲菲， 姜風華

(1.河南交院工程技術(shù)集團有限公司， 河南 鄭州 450046； 2.河南省公路工程監(jiān)理咨詢有限公司， 河南 鄭州 450046)

建筑材料的循環(huán)利用對保護自然資源具有重要作用，有利于促進自然資源材料的可持續(xù)發(fā)展，在新的施工建設(shè)中，有必要將破碎的混凝土作為粗骨料進行再生利用，這樣將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟、社會及環(huán)境效益[1-3]。

自1982年以來，美國材料試驗協(xié)會(ASTM)將粗骨料定義為碎的水硬性水泥混凝土，而將人造砂定義為碎混凝土細骨料[4]。同樣，美國陸軍工程兵團和聯(lián)邦公路管理局在其規(guī)范和指南中提倡使用再生混凝土作為骨料[5]。文獻[6-12]介紹了再生骨料、混凝土和砌體的使用及其對環(huán)境保護影響方面的研究成果，表明RCA在混合料中的使用將會帶來巨大的環(huán)境及經(jīng)濟效益。Parekh等[13]認為RCA的使用是對全球現(xiàn)行建筑工程混凝土廢料持續(xù)增長的一種合理的“綠色”解決方案；魏巍等[14]研究了建筑廢棄物再生粗骨料在瀝青穩(wěn)定碎石基層中的應用，發(fā)現(xiàn)建筑廢棄物瀝青混凝土具有良好的力學性能，可達到有關(guān)規(guī)范要求；Kawakami等[15]研究表明：使用再生混凝土骨料作為建筑材料有助于解決原材料短缺的問題，從而使基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)能夠利用循環(huán)系統(tǒng)進行資源利用；Qasrawi等[16]研究了RCA對摻60/70瀝青的混合料性能的影響；張濤等[17]研究了再生骨料在瀝青混合料中的應用，發(fā)現(xiàn)適當摻量的再生骨料瀝青混合料路用性能完全能夠滿足規(guī)范要求；陳偉等[18]對再生骨料瀝青混合料的路用性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)再生骨料的添加能夠改善其抗車轍性能，但對混合料耐久性影響不大。為了探究RCA在熱拌瀝青混合料中的適用性，研究人員進行了大量研究[19-26]，結(jié)果表明RCA的使用具有良好的環(huán)境效應。綜上所述，關(guān)于再生骨料在瀝青混合料中的應用研究已經(jīng)取得了一定的成果，但是瀝青等級會影響再生骨料混合料的路用性能，且對于不同的瀝青等級，其RCA熱再生瀝青混合料中RCA的最佳摻量也是不同的，而目前這方面的研究比較缺乏，但是，不同地區(qū)在不同氣候條件下路面所選用的瀝青等級是不同的，因此，開展瀝青等級對RCA熱再生瀝青混合料性能影響的研究十分必要。

由于60/70、80/100兩種等級的瀝青通常應用于道路施工中，故該文針對不同RCA摻量下，探討瀝青等級(60/70、80/100)對RCA熱再生瀝青混合料性能的影響。首先對RCA的基本性能進行測定，并與普通骨料進行對比，隨后，將粗RCA、普通骨料及不同等級瀝青(60/70瀝青或80/100瀝青)按照一定的比例制備RCA熱再生瀝青混合料(A型、B型)，最后，對不同混合料試樣分別進行體積特性測試和基本性能試驗，以深入分析瀝青等級及RCA摻量對混合料性能的具體影響，并確定重交通條件下，RCA熱再生混合料的最大RCA摻量。

1 試驗材料和方法

1.1 原材料

研究選擇60/70和80/100兩個等級的瀝青，參照ASTM規(guī)范，對兩種瀝青的基本特性進行測試，結(jié)果如表1所示。粗骨料選用當?shù)氐氖規(guī)r碎石，細骨料選擇天然砂。

表1 瀝青的基本特性

RCA的制備方法如下：首先，將試驗室中先前測試的混凝土樣品粉碎成塊狀，再將塊狀混凝土放在洛杉磯磨耗儀中進行粉碎，然后用粗骨料標準篩對這些顆粒進行清洗、干燥和篩分。由于該文研究的目的是探究粗骨料對瀝青混合料性能的影響，因此去除直徑小于5 mm或大于25.4 mm(ASTM#4)的RCA料。隨后，將普通骨料和粗骨料按照一定比例進行混合，骨料的級配曲線如圖1所示。

對于普通骨料的性能測試，每項性能測試3次并取平均值。由于RCA性能測試結(jié)果的離散性太大，因此每項性能測試6次并取平均值(取自不同的壓碎批次)。按照ASTM規(guī)范，對普通骨料和RCA的相對密度、吸水率、硬度以及壓實密度指標分別進行測定，兩種骨料的基本物理特性如表2所示。

圖1 骨料的級配曲線

從表2可以看出：相比于普通骨料，RCA的相對密度更低，而吸水率更高，這主要是由于在RCA中，水泥漿與骨料之間的附著力受水分的影響，其中的水泥漿是良好的吸水性材料，因此，RCA的相對密度低，吸水性好。同時，兩種骨料的磨光值、洛杉磯磨耗值以及骨料壓碎值接近。

表2 骨料的物理特性

1.2 試驗方案

為了制備不同RCA摻量下熱再生混合料試件，首先采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀初步確定不摻RCA的普通混合料的最佳瀝青用量，即混合料空隙率為4.0%時的瀝青含量，其最佳瀝青用量的確定如圖2所示。然后在最佳瀝青用量下，驗證混合料的其他體積特性是否滿足要求。其次，采用RCA以不同的摻配比例替換混合料中的粗骨料，RCA的摻量分別為25%、50%、75%和100%(占全部粗骨料，包括普通粗骨料和RCA)，得到4種摻量的RCA熱再生混合料試件，然后采用旋轉(zhuǎn)壓實儀確定RCA熱再生混合料的最佳瀝青用量。其中，在不同RCA摻量(0、25%、50%、75%和100%)下，采用60/70瀝青制備的再生混合料統(tǒng)一記為A型混合料，采用80/100瀝青制備的再生混合料統(tǒng)一記為B型混合料。對A型和B型混合料均采用相同的試驗步驟。

圖2 最佳瀝青用量的確定

研究制備了10種RCA熱再生混合料試件，包括5種A型混合料試件和5種B型混合料試件(0、25%、50%、75%和100%)，然后對這10種混合料試件分別進行物理體積特性測試以及基本路用性能測試，以深入分析瀝青等級對RCA熱再生瀝青混合料性能的影響，并確定滿足重交通極限要求的最大RCA摻量。

2 瀝青等級對RCA熱再生混合料物理體積特性的影響

為了研究瀝青等級對RCA熱再生混合料體積特性的影響效果，并確定滿足重交通極限要求的最大RCA摻量，首先采用旋轉(zhuǎn)壓實儀確定不同混合料的最佳瀝青用量，然后在此最佳瀝青用量下，對不同混合料的相對密度、空隙率、瀝青填充空隙率、礦料空隙率及馬歇爾穩(wěn)定度等物理體積特性進行對比分析，進而得出RCA摻量對混合料體積特性的影響效果，試驗結(jié)果如圖3～8所示。

由圖3可知：RCA摻量對混合料的最佳瀝青用量具有顯著影響，對于A型和B型混合料，其最佳瀝青用量均隨著RCA摻量的增加而增加；且在相同的RCA摻量下，A型(60/70)再生混合料的最佳瀝青用量明顯低于B型(80/100)，這說明瀝青等級對混合料的最佳瀝青用量具有顯著影響。Rafi等[20]研究表明：

圖3 RCA摻量與最佳瀝青用量之間的關(guān)系

圖4 RCA摻量與混合料相對密度之間的關(guān)系

圖5 RCA摻量與空隙率之間的關(guān)系

圖6 RCA摻量與礦料空隙率之間的關(guān)系

混合料的最佳瀝青用量之所以會出現(xiàn)這種變化趨勢，主要是因為與普通骨料相比，RCA對瀝青的吸收效果更好。同時，Sushanta等[21]研究發(fā)現(xiàn)在混合料中摻入RCA會導致最佳瀝青用量的顯著增加，而這種增加是由于RCA表面較大的粗糙度導致的。與此相反，Zulkati等[22]研究表明：RCA的摻量對混合料最佳瀝青用量無顯著影響，且對于不同類型的瀝青都是一樣的。

圖7 RCA摻量與瀝青填充空隙率之間的關(guān)系

圖8 RCA摻量與馬歇爾穩(wěn)定度之間的關(guān)系

從圖4可以看出：RCA摻量對混合料的相對密度有顯著影響，且相對密度隨著RCA摻量的增加而減小。同時隨著RCA摻量的增加，混合料相對密度減小的幅度逐漸增大，出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能是：① RCA的相對密度比普通骨料的相對密度更低；② 在保證混合料性能的前提下，相比于普通瀝青混合料，RCA熱再生混合料對添加的瀝青要求更高；③ RCA熱再生混合料的空隙率高于普通瀝青混合料。此外，A型、B型兩種混合料的曲線變化趨勢相同，但B型混合料的相對密度低于A型，這主要是因為B型瀝青混合料所需的瀝青用量更高。

從圖5可以看出：A型、B型兩種再生混合料的曲線變化情況是一致的，RCA摻量對兩種再生混合料的空隙率均具有顯著的影響，且混合料空隙率隨著RCA摻量的增加而增加，RCA摻量越大，空隙率也越大。同時，在相同的RCA摻量下，A型、B型兩種再生混合料的空隙率接近。由圖6可知：RCA摻量對礦料空隙率具有顯著的影響，礦料空隙率隨著RCA摻量的增加而減小。這與前人的研究結(jié)果是一致的[21-23]，原因是相比于普通骨料，RCA表面的孔隙數(shù)量更多，能夠吸收更多的瀝青，導致瀝青混合料中有效瀝青的含量減少，從而導致礦料空隙率減小[23]。此外，對于A型、B型兩種再生混合料來說，其礦料空隙率隨RCA摻量的變化趨勢是一致的，且在相同的RCA摻量下，它們的礦料空隙率值也是接近的，說明這兩種瀝青等級(60/70、80/100)對于混合料的空隙率和礦料空隙率無顯著影響。同時，從圖5、6可以看出，若考慮空隙率和礦料空隙率指標，在滿足重交通極限要求的前提下，對于A型和B型混合料，其最大RCA摻量均為25%。

由圖7可知：A型、B型兩種再生混合料的曲線變化情況是一致的，RCA摻量對瀝青填充空隙率具有顯著的影響，RCA摻量的增加會導致瀝青填充空隙率減少，這與Rafi等、Sushanta等、Zulkati等及Paranavithana等的研究結(jié)果是一致的[20-24]。在相同的RCA摻量下，B型再生混合料的瀝青填充空隙率高于A型混合料，這可能是由于與60/70瀝青相比，80/100瀝青的黏度較低導致的。說明瀝青等級(60/70、80/100)對于混合料的瀝青填充空隙率具有一定的影響。此外，若考慮瀝青填充空隙率指標，對于A型和B型混合料，其滿足重交通極限要求的最大RCA摻量分別為25%和50%。

由圖8可知：RCA的加入會降低混合料的馬歇爾穩(wěn)定度，且馬歇爾穩(wěn)定度是隨著RCA摻量的增加而降低的；隨著RCA摻量的增加，B型混合料的降低幅度越來越大，而A型混合料的降低幅度越來越平緩。同樣，在相同的RCA摻量下，A型混合料的馬歇爾穩(wěn)定度高于B型，這主要是由于80/100瀝青的黏度低于60/70瀝青導致的。此外，若考慮馬歇爾穩(wěn)定度指標，對于A型和B型混合料，其滿足重交通極限要求的最大RCA摻量均為25%。

3 瀝青等級對RCA熱再生混合料性能的影響

3.1 間接拉伸強度(SITS)和拉伸強度比(RTSR)分析

為了研究瀝青等級對不同摻量RCA熱再生混合料性能的影響，需計算間接拉伸強度和拉伸強度比。首先在最佳瀝青用量下，借助馬歇爾穩(wěn)定試驗儀，對不同混合料(每種混合料測試3個樣品取平均值)進行試驗，設(shè)置試驗溫度為25 ℃，試驗模式為間接拉伸模式，并記錄每個樣品的失效荷載，同時采用式(1)計算每個樣品的間接拉伸強度，SITS隨RCA摻量的變化情況如圖9所示。

(1)

式中：P為破壞載荷；t為樣品厚度；d為樣品直徑。

由圖9可知：對于A型和B型兩種混合料的曲線變化趨勢是一致的，RCA的加入均降低了混合料的間接拉伸強度值，且間接拉伸強度隨著RCA摻量的增加而降低，降低幅度越來越大，B型再生混合料的間接拉伸強度降低幅度高于A型再生混合料。另外，在RCA摻量相同時，與B型再生混合料相比，A型再生混合料具有更高的間接拉伸強度值。這說明瀝青等級(60/70、80/100)對混合料的間接拉伸強度具有顯著影響。

圖9 RCA摻量與間接拉伸強度之間的關(guān)系

相關(guān)研究表明路面車轍深度與間接拉伸強度成反比[23-26]，因此在混合料中添加RCA會增加路面車轍出現(xiàn)的可能性，如果在混合料中摻入大量的RCA，則會降低混合料的間接拉伸強度值，進而降低混合料的抗車轍性能。此外，Khosla等[25]指出，在一定的當量荷載條件下，路面的預期壽命受間接拉伸強度最低水平的控制，因此，RCA熱再生混合料路面的預期壽命將低于普通混合料(不含RCA)路面，而再生混合料中RCA摻量過高可能會加劇路面車轍的產(chǎn)生，降低路面的預期壽命。

此外，將上述混合料試樣在60 ℃及有水條件下放置24 h，然后測試其拉伸強度，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)其間接拉伸強度有所降低。同時計算其拉伸強度比，拉伸強度比是經(jīng)過水處理的樣品(間接拉伸強度，有水處理24 h，60 ℃)與未經(jīng)處理的樣品的拉伸強度之比，拉伸強度比是衡量瀝青混合料對水敏感性的指標[25]。拉伸強度比值越高表明該混合料的水敏感性越差，抗水損害性能越好。不同混合料試件的拉伸強度比計算結(jié)果如圖10所示。

圖10 拉伸強度比隨著RCA摻量的變化情況

由圖10可知：RCA摻量對拉伸強度比具有顯著影響，且拉伸強度比隨RCA摻量的增加而減小，即RCA熱再生混合料的水敏感性優(yōu)于普通混合料(不摻RCA)的水敏感性，表明RCA熱再生混合料試樣的耐水損害性較差。A型和B型混合料的拉伸強度比曲線變化趨勢是一致的，在相同的RCA摻量下，B型混合料的拉伸強度比值高于A型，即B型混合料的耐水損害性優(yōu)于A型，這說明瀝青等級對混合料的拉伸強度比具有顯著影響。此外，若考慮拉伸強度比指標，對于A型和B型混合料，其滿足極限要求的最大RCA摻量均為50%。

根據(jù)上述分析結(jié)果可知：RCA熱再生混合料的間接拉伸強度和TSR均隨著RCA摻量的增加而減小，且變化規(guī)律比較明顯，這主要是由于混合料自身強度的大小受瀝青結(jié)合料性能的影響，而在RCA再生混合料中，隨著RCA摻量的增加，再生混合料中所含老化結(jié)合料的摻量會增大，從而使得結(jié)合料變硬，塑性下降而流動性變差，再生混合料中結(jié)合料與集料之間的黏附性下降，進而使得再生混合料的間接拉伸強度值下降，水穩(wěn)定性變差，拉伸強度比值下降。

但是，由于單獨采用拉伸強度比指標對路面整體抗水損害性能進行評價是不全面的，因此，應采用混合料試樣的拉伸強度間接拉伸強度以及拉伸強度比來進行綜合評價[25]。盡管當RCA的摻量為50%時，RCA熱再生混合料的拉伸強度比值滿足極限要求，但試樣的間接拉伸強度值較小，仍舊說明RCA熱再生混合料的整體性能較差。

綜上所述，當RCA的摻量為25%時，混合料試樣的上述所有指標均能夠滿足AASHTO規(guī)范對重交通的要求(空隙率為3%～5%，穩(wěn)定度大于6 672 N，礦料空隙率大于14%，瀝青填充空隙率為65%～80%)。當RCA的摻量高于25%時，混合料試樣的某些特性不能滿足規(guī)范要求。但對于水敏感性，當RCA的摻量不超過50%時，其拉伸強度比指標高于80%，可以認為混合料試樣的水敏感性滿足規(guī)定要求。因此，對于A型和B型混合料，建議其滿足重交通要求的最大RCA摻量為25%。

3.2 回彈模量分析

回彈模量(MR)是衡量瀝青混合料剛度大小的指標。材料的回彈模量實際上是對其彈性模量(E)的估計。彈性模量是指應力除以緩慢施加荷載的應變，而回彈模量是指應力除以快速施加荷載的應變，更接近實際路面受力狀態(tài)。

回彈模量是通過單軸試驗測定的。該試驗是對圓柱形混合料試件施加大小、持續(xù)時間及循環(huán)次數(shù)恒定的重復軸向循環(huán)應力，它本質(zhì)上是循環(huán)版的單軸壓縮試驗，而循環(huán)荷載能夠很精確地模擬實際交通荷載。在25 ℃的測試溫度下，對不同RCA摻量下的A型及B型混合料試樣(每種混合料測試3個樣品)進行回彈模量(MR)測試，測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 回彈模量隨著RCA摻量的變化

圖11表明：RCA的加入會降低混合料的回彈模量，且混合料的回彈模量隨著RCA摻量的增加而減小，這主要是由于在RCA熱再生混合料中，隨著RCA摻量的增加，混合料中骨料的整體強度下降，從而導致混合料的剛度下降，回彈模量減小。其中B型混合料(80/100)的減小量越來越大，而A型混合料(60/70)的減小量越來越平緩。分析原因如下：① 相比于普通骨料，RCA的硬度較小且洛杉磯磨耗值較高；② 普通骨料的壓碎值低于RCA，普通骨料的強度更高；③ RCA摻量較高的再生混合料其瀝青用量更高。因此，相比于普通混合料(不摻RCA)，RCA熱再生混合料的回彈模量更低。此外，由圖11可以看出：在RCA摻量相同時，A型再生混合料的MR值高于B型再生混合料，這是因為60/70瀝青比80/100瀝青更硬，且黏度更高導致的，同時說明瀝青等級(60/70、80/100)對RCA熱再生混合料的回彈模量具有顯著的影響。

3.3 抗滑性能分析

為了研究瀝青等級對不同摻量RCA熱再生混合料抗滑性能的影響，采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀對直徑為15 cm、高為7 cm的混合料試件進行壓實，采用英國擺式防滑測試儀測試混合料試件的抗滑性能。英式擺錘儀適用于現(xiàn)場瀝青路面測試，而不適用于測試試驗室混凝土樣品，且由于英式擺錘儀在瀝青混凝土表面的接觸范圍為124～127 mm，因此可設(shè)計一個特殊的夾具將樣品固定在適當?shù)奈恢?，夾具底座調(diào)整為可以容納直徑為15 cm的試件，此外，用較長的螺釘替換擺錘的調(diào)節(jié)螺釘，使其可以測試7 cm高的試件。改進后的英式擺錘測試儀如圖12所示[27]。

圖12 改進的英國擺式防滑測試儀

參照ASTM E303-93(2013)，對混合料試件進行抗滑性能測試，每種混合料選擇兩個試樣進行測試，每個樣品重復測試5次，不同混合料試樣的抗滑擺值測試結(jié)果如圖13所示。

圖13 抗滑擺值隨RCA摻量的變化

從圖13可以看出：混合料的抗滑擺值隨著RCA摻量的增加而增大，即RCA摻量對混合料的抗滑性能具有顯著影響，RCA的摻量越高，混合料抗滑性能越好，這主要由于RCA表面紋理的粗糙度較大導致的。此外，對于A型、B型兩種再生混合料來說，其抗滑擺值隨RCA摻量的變化趨勢是一致的，且在相同的RCA摻量下，A型再生混合料的抗滑性能優(yōu)于B型再生混合料，原因是60/70瀝青的黏度高于80/100瀝青，同時說明瀝青等級對RCA熱再生混合料的抗滑性能具有顯著影響。此外，為了進一步研究RCA摻量對混合料抗滑性能的長期影響，對普通骨料和RCA的磨光值進行了測試，結(jié)果如表2所示。由表2可得，普通骨料的磨光值略高于RCA(兩者之間僅相差2)，因此可得，與不摻RCA的混合料相比，盡管RCA熱再生瀝青混合料的初始抗滑性能更好，但從長遠來看，兩者的抗滑性能相近。

4 結(jié)論

(1) 瀝青等級和RCA摻量均對混合料的最佳瀝青用量及相對密度具有顯著影響，且B型混合料(80/100)的最佳瀝青用量高于A型(60/70)，而相對密度低于A型；RCA的加入增加了混合料的最佳瀝青用量但減小了混合料的相對密度。

(2) 瀝青等級對混合料的瀝青填充空隙率和馬歇爾穩(wěn)定度具有顯著影響，但對空隙率及礦料空隙率無明顯影響，且B型混合料的瀝青填充空隙率高于A型混合料，馬歇爾穩(wěn)定度低于A型；RCA的加入會增大混合料的空隙率、降低混合料的瀝青填充空隙率、礦料空隙率及馬歇爾穩(wěn)定度。

(3) 瀝青等級對混合料的抗車轍性能及抗水損害性能具有顯著影響，B型混合料(80/100)的抗車轍性能及抗水損害性能均優(yōu)于A型(60/70)；與普通混合料(不摻RCA)相比，RCA熱再生混合料的抗車轍性能及抗水損害性能較差。

(4) 對于A型和B型混合料，建議其滿足重交通要求的最大RCA摻量為25%。

(5) 瀝青等級對混合料的回彈模量和抗滑性能具有顯著影響，且與B型混合料(80/100)相比，A型混合料(60/70)的回彈模量更高，且抗滑性能更好；RCA的加入降低了混合料的回彈模量，但增強了其抗滑性能。

(6) 當混合料中RCA摻量高于25%時，可應用于性能要求較低的路面，如中低交通量道路。