再生粗骨料瀝青混合料性能及界面特性研究

□□ 黃少龍 (福建上若工程技術(shù)有限公司，福建 廈門 361100)

引言

隨著基建開發(fā)力度不斷加大，越來越多的建筑垃圾與越來越匱乏的天然砂石資源已經(jīng)成為我國環(huán)境保護和工程建設(shè)的主要矛盾之一。其中，廢棄混凝土占建筑垃圾的比例最大，如果能將其經(jīng)過破碎得到合理級配的骨料，用于制備再生粗骨料瀝青混合料，不僅可以減少混凝土固廢垃圾的堆積，達到資源再利用的目的，還可以減少天然砂石的使用，減少天然資源開發(fā)和利用。

用廢棄混凝土再生粗骨料取代天然集料制備瀝青混合料，由于再生骨料和天然集料兩者的表面層性能存在顯著差異，使得不同骨料與瀝青膠漿的界面存在不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，從而會間接影響瀝青混合料的路面性能[1]。因此，試驗擬基于SMA-13瀝青混合料，以再生粗骨料取代38.5%天然集料，研究再生粗骨料瀝青混合料路面性能，通過掃描電子顯微鏡觀察再生粗骨料混合料新、舊界面的表觀形貌特征，研究新舊界面過渡區(qū)對瀝青混合料性能的影響機理，分析再生骨料與瀝青膠漿界面之間力學性能薄弱的原因，為路面建設(shè)用再生骨料瀝青混合料的制備及應(yīng)用建立基礎(chǔ)。

1 原材料

1.1 瀝青

試驗采用福建地區(qū)SBS改性瀝青，按相關(guān)規(guī)程試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標

1.2 集料

試驗采用玄武巖粗集料和石灰?guī)r細集料(產(chǎn)地福建)，以及某攪拌站提供的廢棄混凝土破碎的再生粗骨料，再生骨料粒徑范圍為4.75～16.00 mm。

1.3 礦粉

選用福建龍巖地區(qū)石灰?guī)r磨細粉，密度為2.701 g·cm-3，無結(jié)塊，其他性能均滿足標準要求。

1.4 纖維穩(wěn)定劑

試驗選用江蘇地區(qū)生產(chǎn)的木質(zhì)素纖維，呈現(xiàn)白色絮狀，吸油率為6.3。

2 試驗準備

2.1 再生骨料取代

試驗設(shè)計SMA-13瀝青混合料，礦料級配參考目標級配并在試驗室驗證確定。再生骨料瀝青混合料礦料組成選用4.75～16.00 mm的再生粗骨料和天然集料，將再生骨料按粒徑篩分成4.75～9.50 mm、9.50～13.20 mm、13.20～16.00 mm等3檔骨料，分別取代對應(yīng)級配的天然粗骨料，在4.75～16.00 mm粒徑范圍內(nèi)，共計取代38.5%的天然集料。

2.2 礦料級配

礦料級配是設(shè)計瀝青混合料的關(guān)鍵指標之一，根據(jù)標準和工程經(jīng)驗，確定礦料級配見表2。

表2 再生粗骨料瀝青混合料礦料級配

2.3 最佳油石比

試驗確定未摻再生粗骨料和摻38.5%的再生粗骨料的瀝青混合料的最佳油石比，試驗結(jié)果見表3。進一步通過馬歇爾試驗得到穩(wěn)定度、流值以及再生混合料體積參數(shù)，體積參數(shù)包括密度、空隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)和瀝青飽和度(VFA)，試驗結(jié)果見表4。

表3 瀝青混合料最佳油石比

表4 摻38.5%再生粗骨料SMA-13馬歇爾試驗結(jié)果

從表3可以看出，對比未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的最佳油石比，油石比從5.8提高到6.3，說明再生粗骨料對瀝青的吸附能力比天然集料強，再生粗骨料瀝青混合料中的瀝青被骨料吸附，有效瀝青含量就降低了，導致混合料需要更多的瀝青，從而造成最佳油石比的提高。分析原因在于再生粗骨料表面表面粗糙度較大，殘留砂漿含有大量微裂縫和微孔隙，能吸附更多的瀝青[2]。

從表4可以看出，對比未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的性能參數(shù)，兩者力學性能差別不大，穩(wěn)定度和流值分別為13.16 kN、13.21 kN和4.2(0.1 mm)、4.3(0.1 mm)，兩者的體積參數(shù)密度、VV、VMA、VFA等指標差異也不大，均滿足標準要求。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 高溫穩(wěn)定性

試驗采用車轍試驗的動穩(wěn)定度和相對變形率來評價再生粗骨料瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，試驗結(jié)果見表5。

表5 車轍試驗結(jié)果

由表5可知，未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的動穩(wěn)定度均滿足標準要求，兩者的動穩(wěn)定度分別為4 667次·mm-1和6 562次·mm-1，動穩(wěn)定度提高40.1%，提高顯著；相對變形率分別為8.29%和7.28%，相對變形率降低12.2%，說明摻入再生粗骨料有助于大幅提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。分析原因在于再生粗骨料表面較為粗糙，骨料之間摩擦力、骨料與瀝青膠漿之間粘附力均更強，有利于穩(wěn)定瀝青混合料的結(jié)構(gòu)，進而提高混合料的高溫穩(wěn)定性[3]。

3.2 低溫開裂性

采用低溫彎曲試驗(-10 ℃)來評價再生粗骨料瀝青混合料的低溫開裂性能，低溫小梁彎曲試驗結(jié)果見表6。

表6 低溫小梁彎曲試驗結(jié)果

由表6結(jié)果可看出，未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的抗彎拉強度從8.68 MPa下降至7.24 MPa，下降16.6%，彎拉應(yīng)變從3 270.5 με下降至2 512.6 με，下降23.2%，這說明再生粗骨料的摻入會降低瀝青混合料的低溫抗裂性能。分析原因可能是在破碎過程中再生粗骨料產(chǎn)生許多細微裂紋，引發(fā)再生骨料抗拉強度進一步降低；同時，再生粗骨料表面的殘留砂漿也基本無抗拉強度，即降低骨料與瀝青膠漿的粘結(jié)界面強度，以上兩種情況均對混合料的低溫抗裂性能起反面影響作用，從而使低溫抗裂性能下降[4]。

摻再生粗骨料的瀝青混合料的彎拉應(yīng)變?yōu)? 512.6 με，僅比標準要求大162.6 με，屬于能滿足要求，但富余系數(shù)低，因此，摻再生骨料的瀝青混合料需要重點關(guān)注其低溫開裂性能。

3.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性能評價采用浸水試驗和凍融劈裂試驗，試驗結(jié)果見表7。

表7 浸水殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強度試驗結(jié)果

由表7結(jié)果表明，未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的水穩(wěn)定性能均滿足標準要求，兩者的浸水殘留穩(wěn)定度MS0分別為87.8%和90.2%，提高2.66%，凍融劈裂強度比TSR分別為82.4%和85.1%，提高3.17%。分析原因可能是再生粗骨料表面附著堿性砂漿，與瀝青形成較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)瀝青膜，提高再生粗骨料與瀝青之間粘附性能，使瀝青混合料的水穩(wěn)定性有所增強。

3.4 抗開裂性能

試驗選用半圓彎拉試驗來評價再生粗骨料瀝青混合料的抗開裂性能，通過參考文獻[5]計算試件層底抗拉強度。試驗結(jié)果見表8，試件破壞形態(tài)如圖1和圖2所示。

圖1 試件在骨料中間發(fā)生破壞

圖2 試件在新、舊界面過渡區(qū)破壞

由表8可知，未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的抗彎拉強度存在一定差異，兩者的最大荷載分別為9 521 kN和8 146 kN，對應(yīng)的抗彎拉強度分別為9.13 MPa和7.67 MPa，下降16.0%，抗彎拉強度下降較為顯著。說明再生粗骨料的摻入對瀝青混合料的抗裂性能起到反面影響作用。分析原因可能是再生粗骨料在破碎過程中會產(chǎn)生許多細微裂紋，引發(fā)再生骨料抗拉強度進一步降低，且再生粗骨料表面的殘余砂漿也基本無抗拉強度，在荷載作用下，細微裂縫和殘余砂漿作為薄弱和應(yīng)力集中區(qū)域，易引起粘結(jié)界面的強度不足，進而在骨料新、舊界面過渡性發(fā)生彎拉破壞。

表8 半圓彎拉強度試驗結(jié)果

從圖1可以看出，再生粗骨料瀝青混合料的彎拉破壞發(fā)生在再生粗骨料本身，進一步說明再生粗骨料在破碎過程中會產(chǎn)生許多細微裂紋導致骨料抗拉強度不高。從圖2可以看出，再生粗骨料瀝青混合料的彎拉破壞發(fā)生在骨料新、舊界面過渡區(qū)，骨料形態(tài)基本無未見破壞，驗證了再生粗骨料新、舊為薄弱和應(yīng)力集中區(qū)域，易引起粘結(jié)界面的強度不足。

4 再生骨料瀝青混合料界面過渡區(qū)微觀形貌特征分析

為了全面了解新、舊界面過渡區(qū)的表觀形貌特征，采用掃描電子顯微鏡觀測再生粗骨料-瀝青膠漿界面過渡區(qū)的微觀形貌特征，圖像如圖3和圖4所示。

圖3 新界面過渡區(qū)微觀形貌特征圖

圖4 舊界面過渡區(qū)微觀形貌特征圖

從圖3可以看出，新界面過渡區(qū)砂漿-瀝青膠漿相連的區(qū)域，存有2～5 μm間隙，其產(chǎn)生間隙的原因可能是礦粉和細集料的紊亂堆積造成的，從而在界面附近阻止瀝青膠漿的滲透，導致新界面粘結(jié)力下降。從圖4可以看出，雖然舊界面和再生粗骨料之間有一點間隙，但具有更好的整體性，因此，舊界面過渡區(qū)相較于新界面過渡區(qū)表現(xiàn)出更好的粘附性，此外，隨著舊界面過渡區(qū)內(nèi)部遠離骨料邊界，部分區(qū)域存在未密實孔隙。

5 結(jié)論

5.1 由于再生粗骨料表面表面粗糙度較大，殘留砂漿含有大量微裂縫和微孔隙，再生粗骨料瀝青混合料的最佳油石比有所增大。

5.2 未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的力學性能差別不大，再生粗骨料的摻入對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性能均有積極作用。

5.3 受再生粗骨料細微裂紋和殘余砂漿的負面影響，再生骨料瀝青混合料的界面粘結(jié)強度不足，進而表現(xiàn)為低溫抗裂性和抗開裂性能有所下降。

5.4 通過表觀形貌特征發(fā)現(xiàn)，新、舊界面過渡區(qū)瀝青膠漿相與砂漿相之間存在2～5 μm間隙，部分區(qū)域分布未密實孔隙與微裂紋，易引起應(yīng)力集中，是破壞骨料和瀝青膠漿之間牢固性的重要原因之一。