再生集料瀝青混凝土室內(nèi)壓實行為特征研究

曾維樵 黃啟波 劉長波

（1中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司；2福州市交通局；3東南大學(xué)智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心）

0 前言

廢舊混凝土再生集料瀝青混凝土作為一種綠色環(huán)保路面鋪裝，既能夠承擔(dān)繁重交通任務(wù)與保證行車安全，同時對消化再生建筑廢料、減少礦石資源開采、加快實現(xiàn)我國“雙碳減排”目標(biāo)具有重要意義[1]。與天然集料相比，再生集料具有強(qiáng)度低、表面粗糙、吸水率高的特點。松散瀝青混合料的壓實狀態(tài)直接影響成型后瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，很大程度上決定了瀝青混合料的力學(xué)性能，而用再生集料代替天然骨料，再生骨料瀝青混合料的力學(xué)性能也必然受到影響。因此，了解再生集料對壓實行為的影響對于改進(jìn)RAAM的設(shè)計和施工方法至關(guān)重要。大量研究表明，瀝青混合料在壓實階段會表現(xiàn)出復(fù)雜的行為特征[2,3]。松散瀝青混合料壓實作用克服了瀝青砂漿的附著力和骨料表面之間的摩擦阻力，進(jìn)而形成了穩(wěn)定的骨料-瀝青砂漿-骨料接觸結(jié)構(gòu)[4]。部分研究人員已成功利用Stribeck摩擦曲線分析了瀝青混合料的壓實行為[5]。Sefidmazgi指出，瀝青混合料的目標(biāo)壓實度存在最佳粘度區(qū)，相應(yīng)瀝青砂漿的推薦范圍為1～3Pa·s[6]；Bi提出了一種基于Stribeck摩擦曲線的瀝青混合料壓實模型，以評估壓實階段的接觸摩擦行為[7]；另一方面，裴建中等認(rèn)為施工密實能量指數(shù)Construction Energy lndex（CEI）也可以很好地表征瀝青混合料的壓實特征[8]。此外，由于集料顆粒對瀝青混合料內(nèi)部互鎖和摩擦作用的重要影響，因此集料顆粒的物理特性對瀝青混合料壓實的影響不能忽視[9]。現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，粗集料形狀指標(biāo)與瀝青混合料的壓實流變指標(biāo)存在顯著的相關(guān)關(guān)系[10]。

本試驗選取3種天然集料和一種再生集料作為粗集料，根據(jù)不同級配設(shè)計再生集料瀝青混合料；采用X-ray CT掃描儀獲取天然集料和再生集料細(xì)觀圖像，基于重構(gòu)數(shù)字集料確定相應(yīng)的細(xì)觀形貌特征參數(shù)；而后通過測量密實能量指數(shù)(CEI)來量化再生骨料瀝青混合料的壓實特征；最后根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果和重建模型，研究了再生骨料瀝青混合料的壓實特征與再生集料顆粒之間的相關(guān)關(guān)系。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 材料性質(zhì)

本研究以南京市棲霞區(qū)建筑拆除廢料為原材，通過破碎篩分工藝，處理制備廢舊水泥混凝土再生粗集料。從組成來看，再生粗集料可以分為三類：第一類是由天然集料內(nèi)核與附著水泥砂漿構(gòu)成的再生集料顆粒；第二類是純粹水泥砂漿；第三類為純粹天然集料。其中再生集料表面附著的水泥砂漿是一種多孔低強(qiáng)度材料，對瀝青附著力有不利影響。同時本研究以天然粗集料(石灰?guī)r、玄武巖和輝綠巖)作為對照組，在進(jìn)行X-ray CT掃描前，對再生粗集料與天然粗集料進(jìn)行基本工程性能試驗評價，試驗結(jié)果如表1所示。由于附著水泥砂漿的存在，再生粗集料相比天然粗集料具有更高的吸水率、壓碎值以及洛杉磯磨耗值，然而除了吸水率高于規(guī)范要求外，其余參數(shù)均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 粗集料技術(shù)參數(shù)

選用SBS改性瀝青、石灰石礦粉、再生集料、天然集料成型再生集料瀝青混合料試件，SBS改性瀝青性能見表2。以大于2.36mm再生集料替代天然集料，制備不同比例RA的RAAM試樣，即其中再生粗集料的體積替代率分別為0%、25%、50%、75%和100%。同時，為分析級配和集料尺寸對再生集料瀝青混合料壓實性能的影響，選擇了6種典型級配，其中包括SMA-10、SMA-13、AC-13、AC-20、SUP-13和SUP-20。根據(jù)相應(yīng)的級配和再生集料用量，進(jìn)行對應(yīng)最佳油石比下的旋轉(zhuǎn)壓實試驗。

表2 SBS改性瀝青性能

1.2 集料細(xì)觀形貌

現(xiàn)有研究表明，粗集料形貌狀態(tài)直接影響著瀝青混凝土的性能。由于再生集料顆粒含有原始天然集料和附著水泥砂漿，因此需要量化再生集料中不同組成的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征。本研究制作可容納25×4顆集料的硬紙板模具并將集料填充其中，采用X-ray CT掃描設(shè)備獲取再生集料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，設(shè)置掃描間隔0.1mm，分辨率0.05mm/像素，對200顆再生集料、300顆天然集料進(jìn)行了掃描和重構(gòu)。

為進(jìn)一步明確再生集料顆粒的孔隙與分布特征，提取分析再生集料附著水泥砂漿中體積大于1mm3的孔隙。再生集料孔隙與再生集料體積、水泥砂漿含量之間的關(guān)系如圖1所示。

由圖1(a)可以看出，附著水泥砂漿中的孔隙體積、孔隙數(shù)量與再生集料顆粒體積之間的關(guān)系均呈隨機(jī)相關(guān)狀態(tài)，說明再生集料顆粒體積無法作為評價再生集料孔隙特征的有效指標(biāo)。同時由圖1(b)可知，附著水泥砂漿含量與孔隙含量之間表現(xiàn)出較為顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，因此附著水泥砂漿含量越高，再生集料出現(xiàn)原生損傷的概率也越高。除孔隙體積與孔隙數(shù)量外，孔隙形態(tài)也是附著水泥砂漿斷裂的重要影響因素。孔隙形態(tài)越復(fù)雜，對應(yīng)孔隙邊界棱角越分明，孔隙邊界處也更容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖1 再生集料與孔隙之間關(guān)系

為描述集料顆粒形狀的復(fù)雜性，提取每一顆集料的體積以及表面積，并采用球形度、針片狀指數(shù)、棱角性指數(shù)和紋理指數(shù)四個指標(biāo)對其形態(tài)特征進(jìn)行量化。球形度接近1意味著集料輪廓形狀越接近球體，針片狀指數(shù)越大集料越容易出現(xiàn)斷裂，棱角性指數(shù)和表面紋理指數(shù)越大則集料間的摩擦效果越好。球形度、針片狀指數(shù)、棱角性指數(shù)和紋理指數(shù)的計算方法見公式⑴。

式中，

A3D——集料顆粒或者孔隙的外表面積或者孔隙外表面，mm2；

Wmin——集料顆粒的最小費(fèi)雷特直徑，mm；

Lmax——Wmin正交方向上集料顆粒的最大費(fèi)雷特直徑，mm；

V3D——集料顆粒或者孔隙的體積或者孔隙體積，mm3；

Aellipsoid——集料的等效橢球體，等效橢球體的體積、三軸長度比例均與集料相一致；

V3D、Vopen——進(jìn)行開運(yùn)算前、后虛擬集料顆粒的體積，mm3。

一般而言，集料即使尺寸相似依舊可能呈現(xiàn)出不同的形貌結(jié)構(gòu)特征。因此，為評價每一檔的集料特征，需定義一個綜合值來量化形貌結(jié)構(gòu)。本文基于重構(gòu)模型，采用體積加權(quán)算法來確定每一檔集料的代表值，計算方法見公式⑵。

式中，

Index3D(i)——固定粒徑檔位虛擬再生集料顆粒i的某項三維細(xì)觀參數(shù)；

Vi——對應(yīng)的虛擬集料體積；

n——該檔粒徑下構(gòu)建的所有虛擬再生集料數(shù)量。

由于粗骨料的形態(tài)直接影響瀝青混凝土的力學(xué)性能。本研究基于重建模型所提取的數(shù)據(jù)，分析比較了四種集料Indexvw的統(tǒng)計分布規(guī)律，見圖2。

圖2 基于X-Ray CT重構(gòu)再生集料顆粒

圖2(a)對比了不同粒徑再生集料和天然集料的三維球度Svw差異。大部天然集料的三維球度Svw高于再生集料，表明天然集料的三維輪廓形狀更接近球體；此外再生集料三維球度Svw標(biāo)準(zhǔn)差高于天然集料，說明再生集料球度Svw分布偏差幅度相對較大。圖2(b)顯示再生集料和天然集料的三維針片狀指數(shù)FIvw是無序和分散的，而再生集料FIvw值基本都高于其他三種天然骨料。圖2(c)比較了再生集料和天然骨料的AIvw值，可以看出，大部分再生集料的體積加權(quán)AIvw值都大于天然骨料，表明再生集料具有更好的棱角性。圖2(d)展示了再生集料和天然集料的體積加權(quán)紋理指數(shù)Tvw。在排除2.36mm尺寸后，不同粒徑尺寸的再生集料Tvw值基本都高于其他三類天然集料，說明再生集料的粗糙度優(yōu)于天然集料。

1.3 試驗方法

研究認(rèn)為，美國SHRP計劃所開發(fā)的旋轉(zhuǎn)壓實儀Superpave Gyratory Compactor(SGC)能夠有效地模擬實際路面壓實作用，使得室內(nèi)成型試件與現(xiàn)場壓實鋪裝結(jié)構(gòu)中集料分布和集料接觸狀態(tài)高度相似；同時，旋轉(zhuǎn)壓實試驗可以實時記錄壓實過程中試件的高度變化，即壓實度的實時變化狀態(tài)，因此本研究采用旋轉(zhuǎn)壓實試驗對再生集料瀝青混凝土的壓實流變行為進(jìn)行分析。試驗選用PINE company生產(chǎn)的AFG1型旋轉(zhuǎn)壓實儀，設(shè)定外部角1.25°，垂直壓強(qiáng)600kPa，壓實轉(zhuǎn)速為30次/min。

通常而言，瀝青路面交工驗收對壓實度指標(biāo)最低要求為＞92%的最大理論密度，在此基礎(chǔ)上部分學(xué)者在瀝青混凝土壓實性能的研究中，結(jié)合Superpave體積設(shè)計法原理，提出了量化瀝青混凝土旋轉(zhuǎn)壓實曲線能量的兩個指標(biāo)：施工密實能量指數(shù)Construction Energy lndex（CEI）和交通密實能量指數(shù)Traffic Densification Index（TDI）。其中，CEI表征松散瀝青混凝土壓實到92%Gmm條件下外荷載所需要的功，反映了成型期瀝青混凝土的施工和易性，CEI越大說明再生集料瀝青混凝土的施工和易性越差，而TDI則表征了從92%Gmm壓實到98%Gmm條件下外荷載所需要的功，量化了瀝青混凝土抵抗交通荷載的能力，其中施工密實能量指數(shù)CEI的計算方法如式⑶所示：

式中，

CEI——施工密實能量指數(shù)；

γ——第i次壓實的密實度比，

N92%Gmm——試件達(dá)到92%Gmm所需的旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

本研究選取不同級配類型、最大公稱粒徑、集料種類和再生集料用量的瀝青混凝土，進(jìn)行再生集料瀝青混凝土壓實流變行為的評估和細(xì)觀形貌相關(guān)性分析。通過145℃旋轉(zhuǎn)壓實試驗，在最佳油石比條件下，測試了12組再生集料瀝青混凝土試件所對應(yīng)的施工密實能量指數(shù)CEI4。

在相同最大公稱粒徑條件下，隨著級配由懸浮密實結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變到骨架密實結(jié)構(gòu)，施工密實能量指數(shù)CEI逐漸增大，表明從松散狀態(tài)壓實到92%Gmm狀態(tài)所需壓實功增大，壓實難度提高，即不同級配類型中，SMA最難壓實，AC次之，SUP最為容易。這是因為隨著級配中粗集料含量提高，在壓實過程中所形成的嵌鎖點（locking point）數(shù)量增大，從而導(dǎo)致了壓實荷載克服集料之間阻力所需要做的功升高。不同最大公稱粒徑的施工密實能量指數(shù)CEI也各不相同，其整體差異性高于不同級配類之間的區(qū)別。隨著公稱粒徑的增大，施工密實能量指數(shù)CEI也逐漸漸增大，壓實難度也逐漸提高，即19.5mm最大公稱粒徑瀝青混凝土的CEI＞13.2mm最大公稱粒徑的CEI＞9.5mm最大公稱粒徑的CEI。天然集料瀝青混凝土之間施工密實能量指數(shù)CEI的差異性較小，而隨著再生集料的摻入，施工密實能量指數(shù)CEI顯著提高，表明從松散狀態(tài)壓實到92%Gmm狀態(tài)所需壓實功增大，再生集料瀝青混凝土的壓實難度增大。

為進(jìn)一步探究再生集料對瀝青混凝土壓實性能的影響，圖3回歸了再生集料級配加權(quán)形貌特征與再生集料瀝青混凝土壓實流變性能的相互作用關(guān)系。

由圖3(a)可以看出，加權(quán)球度Sgw與施工密實能量指數(shù)CEI之間擬合系數(shù)R2為0.7455，說明兩者之間為中等程度線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。立方體三維球度值為0.80586，球體的三維球度值為1，圖3(a)中集料加權(quán)球度Sgw由0.8左右逐漸增大到0.85，集料整體形狀由立方態(tài)向球體變化，降低了集料間的摩阻力，從而導(dǎo)致施工密實能量指數(shù)CEI的減小。圖3(b)和圖3(c)說明，加權(quán)針片狀指數(shù)FIgw、加權(quán)棱角性指數(shù)AIgw和施工密實能量指數(shù)CEI間的相關(guān)系數(shù)p值均大于0.8，相應(yīng)擬合系數(shù)R2也都在0.7左右，可知對應(yīng)參數(shù)之間具有中等程度的線性正相關(guān)關(guān)系，即集料針片狀含量越多或者集料棱角性越突出，再生集料瀝青混凝土的壓實難度越大。如圖3(d)所示，加權(quán)紋理指數(shù)Tgw與密實能量指數(shù)CEI之間擬合系數(shù)R2在0.5左右，施工密實能量指數(shù)CEI對加權(quán)紋理指數(shù)Tgw并不敏感。顯著性由高到低依次為：加權(quán)球度＞加權(quán)棱角性指數(shù)＞加權(quán)表面紋理指數(shù)＞加權(quán)針片狀指數(shù)。

圖3 再生集料形貌特征與密實能量指數(shù)CEI的相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論

本研究采用建筑拆除廢料制備再生集料替代天然集料，對再生集料瀝青混凝土進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)壓實試驗。為量化再生集料形貌對瀝青混凝土壓實流變性能的作用，采用X-ray CT斷層掃描重構(gòu)技術(shù)，獲取再生集料典型形貌特征參數(shù)，從而探究再生集料對瀝青混凝土壓實性能的影響機(jī)理。本研究的主要結(jié)論如下：

⑴再生集料的附著水泥砂漿是一種孔隙體積與數(shù)量隨機(jī)的多孔材料，大部分孔隙體積處于1～4mm3之間，而附著水泥砂漿含量與孔隙含量之間為顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。

⑵再生集料三維球度普遍小于天然集料，而三維針片狀指數(shù)、三維棱角性指數(shù)、三維紋理指數(shù)普遍大于天然集料。

⑶瀝青混凝土級配組成（級配類型、最大公稱粒徑）對壓實影響最為顯著，再生集料形貌特征具有一定影響，顯著性由高到低依次為：加權(quán)球度＞加權(quán)棱角性指數(shù)＞加權(quán)表面紋理指數(shù)＞加權(quán)針片狀指數(shù)。

⑷再生集料形貌復(fù)雜，對建筑能耗的影響顯著。增加再生集料含量將提高瀝青混合料壓實至目標(biāo)壓實度所需的施工能量，表明再生集料瀝青混合料施工過程中應(yīng)該增加壓實遍數(shù)以實現(xiàn)目標(biāo)壓實度。