凍融循環對廢舊剎車片粉瀝青混合料路用性能的影響研究

趙怡程,胡小弟,王 寧,甘文霞,潘 攀

(1.武漢工程大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074；2.武漢長江科創科技發展有限公司，湖北 武漢 430010)

在瀝青路面服役過程中，水侵入瀝青路面會降低瀝青結合料與集料間的粘附性能，導致瀝青混合料內部粘結強度降低，進而形成不同形式的早期病害，如掉粒、松散、坑槽、唧漿等，嚴重影響路面的使用壽命[1]。因此，有效提高瀝青路面的抗水損性能，已成為道路工程領域的研究熱點之一。張晨旭[2]總結了瀝青混合料水損害的6個階段，包括乳化、置換、凍脹、撕裂、間隙壓力和沖刷流失，認為水損害是由多種機理綜合作用的結果，而粘附性不足是水侵入瀝青結合料與集料粘結界面并導致剝落的主要原因之一。由此可見，改善瀝青結合料與集料間的粘附性是有效提高瀝青混合料抗水損性能的重要途徑。

另一方面，伴隨我國經濟社會發展，汽車保有量日益增長。廢舊剎車片作為汽車制動的消耗品，已成為一種新型的固體廢棄物，由此所導致的環境問題日益突出。研究表明，采用廢舊剎車片粉替代普通礦粉填料，可有效提高瀝青混合料的抗水損性能[3-5]。因此，實現廢舊剎車片在道路工程中的資源化利用，不僅有望提升瀝青混合料的抗水損性能，延長道路使用壽命，還能使廢舊剎車片變廢為寶，提高其附加價值，具有顯著的經濟社會效益。

然而，已有研究雖然表明廢舊剎車片粉可有效改善瀝青混合料的抗水損性能，但對長期性能尚無深入研究。因此，本文擬研究不同凍融循環次數下廢舊剎車片粉改性瀝青混合料路用性能的變化規律，并將其與普通瀝青混合料進行對比，為廢舊剎車片在道路工程中的資源化利用提供理論依據。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

本研究中原材料包括AH-70號道路石油瀝青、石灰巖集料、石灰石礦粉和廢舊剎車片粉末，其中瀝青、集料和礦粉均來源于武漢某快速路工程項目，性能指標滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)規定要求。

廢舊剎車片由湖北省鄂州市某汽車修理廠提供，化學組分如表1所示。首先采用顎式破碎機將塊狀廢舊剎車片破碎為粒徑10～20 mm的顆粒，然后利用洛杉磯磨耗儀將其部分磨細，最后通過篩分獲取粒徑小于0.075 mm的廢舊剎車片粉末，后續用作填料制備改性瀝青混合料。

1.2 配合比設計

本研究選用AC-13瀝青混合料，礦料級配曲線如圖1所示，各級篩孔的通過率均采用級配中值，通過馬歇爾設計方法確定最佳油石比為4.6%。為避免級配差異的影響，本研究采用單一粒徑的礦料制備瀝青混合料，其中大于0.075 mm礦料全部由石灰巖集料組成，填料采用粒徑小于0.075 mm的石灰石礦粉或剎車片粉末。值得注意的是，廢舊剎車片粉和石灰石礦粉的表觀密度分別為2.284 g/cm3和2.638 g/cm3，考慮二者密度的差異，因而采用廢舊剎車片粉等體積全部替代石灰石礦粉制備改性瀝青混合料[6]。

表1 廢舊剎車片化學成分Table1 Chemicalcompositionofbrakepadswaste成分含量/%成分含量/%燒失量38.811ZnO0.284SiO220.930MnO0.113CaO16.667Cl0.109MgO5.682ZrO20.108Al2O35.140SrO0.100SO33.977Sb2O30.088Fe2O33.807P2O50.079BaO2.492Br0.027K2O0.447CuO0.025Cr2O30.398As2O30.018Na2O0.372PbO0.014TiO20.310Rb2O0.001

圖1 瀝青混合料級配曲線

1.3 試驗方法

1.3.1加速凍融循環試驗

本研究采用加速凍融循環試驗分別對瀝青混合料試件進行1、3、5、10、15次凍融循環處理，一個凍融周期包括：①-18 ℃低溫環境箱中放置16 h；② 60 ℃水浴箱中浸泡8 h。在第一次凍融周期前，對試件進行真空飽水處理，然后將其放入密封的塑料袋中。

1.3.2體積參數

本文采用質量損失率和空隙率變化來評價凍融前后瀝青混合料體積參數的變化規律，質量損失率δ和空隙率VV可由式(1)和式(2)計算。

(1)

(2)

式中：δ為瀝青混合料試件的質量損失率；m1為試件凍融前的質量；m2為試件凍融后的質量；VV為試件空隙率；γf為瀝青混合料試件毛體積相對密度；γt為瀝青混合料理論最大相對密度。

1.3.3劈裂試驗

本文通過凍融劈裂強度比來評價不同凍融次數下瀝青混合料的水穩定性，加載速率為50 mm/min，試驗溫度25 ℃。劈裂強度比(TSR)是指凍融后試樣的劈裂強度與凍融前試樣的劈裂強度的比值，用于評價試樣的水穩定性，劈裂強度和凍融劈裂強度比采用公式(3)和式(4)計算。

RT=0.006 287PT/h

(3)

(4)

式中：RT為瀝青混合料試件劈裂強度；PT為劈裂試驗荷載峰值；h為瀝青混合料試件高度；TSR凍融劈裂強度比；RT 1為凍融前劈裂強度；RT 2為凍融后劈裂強度。

此外，為了研究凍融后瀝青混合料低溫抗裂性能的變化情況，選擇5個循環周期進行劈裂試驗，試驗溫度-10 ℃，加載速率為1 mm/min。

1.3.4動態單軸壓縮試驗

動態單軸壓縮試驗采用UTM-100進行，測試瀝青混合料在高溫下的永久變形。通過旋轉壓實方法(SGC)成型直徑為150 mm、高度130 mm的圓柱體試件，從中取出直徑為100 mm的圓柱體芯樣，再將兩端切割平整至110 mm作為動態單軸壓縮試驗的試樣。循環荷載采用半正弦波，試驗溫度60 ℃，軸向壓力0.7 MPa，加載頻率1 Hz。

1.3.5半圓彎拉試驗(RSCB)

本文選擇重復加載的半圓彎拉試驗(RSCB)評價瀝青混合料的疲勞性能。首先采用旋轉壓實方法成型直徑為150 mm、高度為62.5 mm的圓柱體試樣，然后將其切割成兩個等大的半圓柱體，最后通過UTM-100萬能試驗機采用應力控制模式對試件進行重復加載，試驗溫度15 ℃，加載波形采用半正弦波，加載頻率1 Hz，每個循環加載0.5 s，空載0.5 s。

2 試驗結果與分析

2.1 體積參數

瀝青混合料的質量損失率可以反映瀝青與集料之間的粘附性，質量損失率越高，表明集料與瀝青的粘附性能越差。圖2為試樣的質量損失率隨凍融循環次數的變化情況。在前5個凍融循環周期內，各試件的質量損失率逐漸降低，表明試件質量有所增加。在第5次循環后，各試件質量均有所下降，質量損失率不斷增大。經15次凍融循環后，礦粉組的質量損失率為2.1%，剎車片粉組僅為1.5%。由此可見，剎車片粉組的質量損失率小于礦粉組。

圖2 瀝青混合料質量損失率變化規律

試件質量變化主要有兩方面的原因，一是水進入使試件質量增加，二是凍融循環過程中骨料剝落使試件質量減小。從0次到5次凍融循環過程中質量損失率降低的可能原因是，水進入樣品引起試件質量增加占主導，而水損作用稍弱；5次凍融循環之后質量損失率持續上升是由于水損作用逐漸加劇，試件開始出現明顯的掉?，F象。剎車片粉組15次凍融循環后質量損失率相對較小，可能是由于剎車片粉增強了瀝青與集料之間的粘附性，提高了瀝青混合料的抗水損性能。

在凍融循環作用下，當瀝青混合料自身空隙不足以承受水結冰體積膨脹產生的內力時，則出現裂縫、松散、掉粒等病害。圖3為多次凍融循環對瀝青混合料試件空隙率變化的影響，經過15次凍融循環后，兩種瀝青混合料試樣的空隙率均增大，礦粉組和剎車片粉組的空隙率分別增加了0.7%和0.5%。顯然，剎車片粉組孔隙率增大的幅度小于礦粉組，具有較好的抗水損性能。其原因可能是剎車片粉提升了集料與瀝青的粘附性，減弱了凍融循環作用對瀝青混合料試件的影響。

圖3 瀝青混合料空隙率變化規律

2.2 水穩定性

本文通過凍融劈裂試驗測試了瀝青混合料在凍融循環后的水穩定性，并采用劈裂強度比(TSR)來描述瀝青混合料水穩定性的變化規律。其結果如圖4所示，隨著凍融循環次數的增加，凍融劈裂強度比持續下降。前5個周期，礦粉組的劈裂強度比大于剎車片組；到第5個周期時，兩者相當；到第10個周期，剎車片粉組劈裂強度比已經明顯大于礦粉組，且隨著凍融循環次數的增加，此變化趨勢越來越明顯。

圖4 凍融循環作用下劈裂強度比變化規律

從試驗過程可以看出，礦粉組在15次凍融循環過程中劈裂強度比下降了68.4%(從95.1%下降到26.7%)，剎車片粉組下降了37.4%(從86.6%下降到49.2%)，剎車片粉組劈裂強度比的損失明顯小于礦粉組。且凍融劈裂強度比從最初的礦粉組大于剎車片粉組變為剎車片粉組明顯高于礦粉組。這表明，用等體積的廢剎車片粉代替石灰石礦粉作瀝青混合料填料，可以增強瀝青與骨料之間的粘附力，提高瀝青混合料在凍融循環后的水穩定性。這一結論與凍融循環對瀝青混合料空隙率的影響是一致的。

2.3 低溫抗裂性

圖5為兩種填料類型的瀝青混合在-10 ℃條件下經過5次凍融循環前后的低溫劈裂強度曲線趨勢的對比。在凍融循環前，礦粉組的低溫劈裂強度為3.54 MPa，低于剎車片粉組的3.87 MPa，經過5次凍融循環后，剎車片粉組的低溫劈裂強度為2.26 MPa，低于礦粉組的2.48 MPa。經過凍融循環后，礦粉組低溫劈裂強度下降了29.9%，剎車片粉組下降了41.6%，剎車片粉組瀝青混合料的低溫劈裂強度損失比礦粉組更明顯，說明凍融循環作用對剎車片粉對瀝青混合料的低溫抗裂性能產生了一定程度地削弱。

圖5 低溫劈裂強度-形變量關系

2.4 高溫穩定性

本試驗主要測試凍融循環作用下剎車片粉對瀝青混合料的高溫穩定性影響，依舊選取5次凍融循環前后的試件進行試驗，試驗溫度60 ℃。大量研究表明，瀝青混合料在荷載作用下的變形一般經歷3個階段：遷移期、穩定期和破壞期[8]。結果如圖6所示，隨著加載次數的增加，試件的變形速率呈現出上升-穩定-上升的規律。

圖6 瀝青混合料累積永久變形曲線

結果表明，經過5次凍融循環后，兩種填料的瀝青混合料到達20 mm變形所需的加載次數均明顯減少，且當應變曲線處于穩定上升階段時，經過凍融循環的瀝青混合料曲線斜率明顯高于未經過凍融循環的瀝青混合料，則表明經過5次凍融循環的瀝青混合料的高溫穩定性明顯下降。其中，礦粉組在經過5次凍融循環后達到20 mm變形所需的加載次數下降了35.5%(從1995下降到1290)，而剎車片粉組僅下降了24.0%(從1825下降到1388)。因此，與礦粉組相比，經過5次凍融循環后，剎車片粉組的高溫穩定性顯著提高。其原因可能是剎車片粉提高了瀝青與集料之間的粘滯性，降低了瀝青膠漿在高溫狀態下的流動性，減緩了凍融過程中試件空隙率的增長，提高了瀝青混合料的高溫抗剪切變形能力。

2.5 抗疲勞性能

重復加載的半圓彎拉試驗(RSCB)可以模擬路面反復承受車輛荷載作用的狀況。采用應力控制模式對半圓柱體試件施加循環荷載，使試件逐漸發生疲勞損傷。試驗以試件的疲勞斷裂為準則，疲勞壽命為疲勞破壞荷載的加載次數。通過記錄加載次數評價瀝青混合料的抗疲勞性能，圖7給出了5次凍融循環作用對兩種填料的瀝青混合料抗疲勞性能的影響。

圖7 瀝青混合料抗疲勞性能對比

在同種類型的試樣中，瀝青混合料的疲勞壽命隨荷載強度的增加而降低。在相同的應力狀態下，瀝青混合料的疲勞壽命由高到低依次為：未經過凍融循環的礦粉組,未經過凍融循環的剎車片粉組,經過5次凍融循環的剎車片粉組,經過5次凍融循環的礦粉組。在5次凍融循環作用后，剎車片粉組疲勞壽命降低了7.5%～36.5%，礦粉組降低了45.1%～68.7%，剎車片粉組的疲勞壽命衰減幅度明顯小于礦粉組，這一結果說明了水損作用對剎車片粉瀝青混合料的抗疲勞性能的削弱影響小于普通瀝青混合料。

3 結論

通過對試驗結果的分析，可以得出以下結論：

a.凍融循環作用下，剎車片粉瀝青膠結料與集料的粘附性優于石灰石礦粉瀝青混合料，剎車片粉瀝青混合料的水穩定性、高溫性能和抗疲勞開裂性能相對于石灰石礦粉瀝青混合料均有顯著提高，但對低溫抗裂性有不利影響。

b.從體積參數來看，剎車片粉瀝青混合料在受水損害后質量損失較小，掉粒較少；在空隙率的變化過程中可以看出，剎車片粉瀝青混合料空隙率增加速率更小，粘滯性更好。

c.從路用性能來看，經凍融循環后，剎車片粉瀝青混合料凍融劈裂強度比相對石灰石礦粉瀝青混合料衰減程度更小，水穩定性表現更優；高溫性能方面，剎車片粉瀝青混合料在高溫蠕變試驗中受水損的影響更小，高溫性能衰減程度更小；剎車片粉瀝青混合料疲勞壽命受水損后衰減程度更小，抗疲勞性能更好；水損后剎車片粉瀝青混合料低溫劈裂強度衰減大于石灰石礦粉瀝青混合料，低溫性能表現有所減弱。