再生粗骨料瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究*

王 婧，陳 莉，趙緒峰，劉夢(mèng)溪，張 磊

(1 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2 徐州市宏達(dá)土木工程試驗(yàn)室有限責(zé)任公司，江蘇 徐州 221001)

建筑垃圾指的是建設(shè)單位、施工單位新建、改建、擴(kuò)建和拆除各類建筑物、構(gòu)筑物、管網(wǎng)等以及居民裝飾裝修房屋過程中所產(chǎn)生的棄土、棄料及其它廢棄物。隨著我國建筑業(yè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷深化，我國每年建筑垃圾產(chǎn)生量可達(dá)20億噸以上。而目前我國建筑垃圾的綜合利用率還不高，與《“十四五”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》中提出的“到2025 年建筑垃圾的綜合利用率達(dá)到60%”還有一定的差距。與此同時(shí)，隨著我國公路和鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)飛速發(fā)展，對(duì)砂石等材料的需求量也急速增加，由于砂石材料屬于不可再生資源，長(zhǎng)時(shí)間的隨意開采將會(huì)導(dǎo)致砂石資源缺乏、河床改道、山體滑坡、生態(tài)環(huán)境破壞，使得交通行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與砂石等材料短缺的矛盾日益突出。因此，將建筑垃圾應(yīng)用于交通基礎(chǔ)建設(shè)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，一方面可以解決建筑垃圾的處理問題，提高建筑垃圾的綜合利用率，另一方面可以減少砂石材料的開采，保持交通基礎(chǔ)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

對(duì)于再生骨料在道路工程中的應(yīng)用，許多學(xué)者開展了相關(guān)研究，樊興華等[1]通過試驗(yàn)研究了不同配合比的石灰粉煤灰穩(wěn)定再生材料和水泥穩(wěn)定再生材料的路用性能，確定了路用性能最佳的配合比。鄒桂蓮等[2]研究了再生粗集料、全再生集料和天然集料水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、干縮特性的差異。李麗慧等[3]通過7d無側(cè)限抗壓試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)研究了水泥標(biāo)號(hào)、水泥用量和級(jí)配類型對(duì)含磚再生水泥穩(wěn)定碎石路用性能的影響。文獻(xiàn)[1-3]研究證實(shí)了無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定再生材料具有較好的路用性能，可將再生磚石和再生碎石應(yīng)用于路面基層。鄧宗才等[4]通過馬歇爾試驗(yàn)研究了C40和C15兩種原生混凝土產(chǎn)生的再生粗骨料用于瀝青混合料時(shí)最佳瀝青用量的差異，研究了再生粗骨料摻量為23%、30%、45%和50%時(shí)再生粗骨料瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性能。鄒桂蓮等[5]研究了再生粗骨摻量為20%、40%和60%時(shí)AC-20C以及再生粗骨摻量為25%、50%和70%時(shí)ATB-25兩種瀝青混合料的路用性能和力學(xué)特性。文獻(xiàn)[4-5]證實(shí)再生骨料可用于瀝青混合料，而目前對(duì)再生粗骨料瀝青混合料的應(yīng)用范圍還缺乏研究，本文通過試驗(yàn)研究再生粗骨料摻量為20%、40%、60%、80%和100%時(shí)，70號(hào)道路石油瀝青混合料和SBS（I-D）改性瀝青混合料的路用性能，并確定兩種再生粗骨料瀝青混合料在道路工程中的應(yīng)用范圍。

1 試驗(yàn)材料

瀝青混凝土路面上面層對(duì)骨料的壓碎值和磨耗性能要求較高，而再生粗骨料表面含有大量的水泥砂漿，所以不適用于瀝青路面上面層。為此針對(duì)下面層常用的AC-20 型瀝青混凝土，研究再生粗骨料代替AC-20型瀝青混凝土中部分粗骨料的可行性，AC-20 瀝青混合料的礦料級(jí)配范圍和目標(biāo)級(jí)配如圖1所示。按再生粗骨料摻量 0%、20%、40%、60%、80%和100%的比例分別替代 4.75～19.0 mm天然碎石粗骨料，為保持礦質(zhì)混合料的級(jí)配不變，將再生粗骨料細(xì)分為4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm和16～19 mm四個(gè)粒組，分別按照0%、20%、40%、60%、80%和100%的比例替代天然碎石粗骨料中4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm和16～19 mm四個(gè)粒組的粗骨料。細(xì)集料采用天然河砂，填料采用礦粉，瀝青分別采用70號(hào)道路石油瀝青和SBS（I-D）改性瀝青，兩種瀝青的性能參數(shù)見表1。

表1 70號(hào)道路石油瀝青和SBS I-D 改性瀝青性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of 70# road petroleum asphalt and SBS (I-D) modified asphalt

圖1 礦質(zhì)混合料級(jí)配Fig.1 Grading of mineral mixture

2 再生粗骨料瀝青混合料路用性能評(píng)價(jià)

高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性是衡量瀝青混合料路用性能的指標(biāo)，相關(guān)學(xué)者采用上述3個(gè)指標(biāo)分別研究了AC-20C和ATB-25再生瀝青混合料[5]、橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料[6]、摻加溫拌劑的SBS改性瀝青混合料[7]、煤矸石粉瀝青混合料[8]和木質(zhì)素纖維改善的瀝青混合料[9]的路用性能，因此，本文也采用高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)不同再生粗骨料摻量時(shí)瀝青混合料路用性能。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）試驗(yàn)方法，分別進(jìn)行車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)，測(cè)試再生混凝土骨料瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性。

2.1 再生粗骨料瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性

采用70號(hào)道路石油瀝青和SBS（I-D）改性瀝青兩種瀝青， 0%、20%、40%、60%、80%和100%等6種再生粗骨料摻量的瀝青混合料分別制作車轍試驗(yàn)試件，試件尺寸為300mm×300mm×50mm，利用車轍試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行車轍試驗(yàn)。記錄試驗(yàn)過程中的變形量（mm）與時(shí)間（min）的關(guān)系曲線，按式（1）計(jì)算再生粗骨料瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度。

式（1）中：DS為瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度（次/mm）；d1為t1時(shí)刻的變形量（mm）；d2為t2時(shí)刻的變形量（mm）；C1為試驗(yàn)機(jī)類型系數(shù)；C2為試件系數(shù)；N為試驗(yàn)輪往返碾壓速度（次/min）。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可計(jì)算得到兩種瀝青和不同再生骨料摻量時(shí)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，具體結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同再生粗骨料摻量時(shí)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度Fig.2 Dynamic stability of asphalt mixture with different recycled coarse aggregate content

從圖2可以看出，采用70號(hào)道路石油瀝青混合料和SBS（I-D）改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨著再生粗骨料的摻量的增加具有相同的變化規(guī)律，均隨著再生粗骨料摻量的增加瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度先增大后減小。采用70號(hào)道路石油瀝青和SBS（I-D）改性瀝青，當(dāng)再生粗骨料摻量分別小于40%和60%時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨著再生粗骨料摻量的增加而增大。采用70號(hào)道路石油瀝青，再生粗摻量分別為40%左右時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大。采用SBS（I-D）改性瀝青，再生粗摻量分別為60%左右時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大。相比不摻加再生粗骨料時(shí)兩種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別增加了21.4%和11.9%。主要原因是再生粗骨料相比于天然碎石表面更粗糙且形狀不規(guī)則，粗骨料之間的摩擦力更大且易形成嵌鎖結(jié)構(gòu)，此外再生粗骨料表面的水泥砂漿與瀝青易形成穩(wěn)定的瀝青膜。采用70號(hào)道路石油瀝青和SBS（I-D）改性瀝青，當(dāng)再生粗骨料摻量分別大于40%和60%時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨著再生粗骨料摻量的增加而降低，再生粗骨料摻量為100%時(shí)，兩種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相比不摻加再生粗骨料時(shí)分別減小了42.2%和19.6%。

從圖2還可以看出，再生粗骨料摻量一定時(shí)，SBS（I-D）改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均大于70號(hào)道路石油瀝青混合料，再生粗骨料摻量為20%、40%、60%、80%和100%，SBS（I-D）改性瀝青混合料相比70號(hào)道路石油瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了75.9%、68.9%、127.0%、142.1%和161.8%，說明采用改性瀝青SBS類（I-D）可以提高再生粗骨料瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度。

2.2 再生粗骨料瀝青混合料的低溫抗裂性

采用70號(hào)道路石油瀝青和SBS（I-D）改性瀝青兩種瀝青， 0%、20%、40%、60%、80%和100%等6種再生粗骨料摻量的瀝青混合料分別制作小梁彎曲試驗(yàn)試件，試件尺寸為250mm×30mm×35mm，利用彎曲試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，根據(jù)小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果，按照式（2）計(jì)算小梁破壞應(yīng)變?chǔ)拧?/p>

式（2）中： ε為試件破壞時(shí)的最大應(yīng)變；h為跨中斷面試件的厚度（mm）；d為試件破壞時(shí)跨中撓度；L為試件的跨徑（mm）。

再生粗骨料摻量為 0%、20%、40%、60%、80%和100%時(shí)，兩種瀝青混合料的破壞應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。

圖3 不同再生粗骨料摻量時(shí)瀝青混合料的破壞應(yīng)變Fig.3 Failure strain of asphalt mixture with different recycled coarse aggregate content

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，70號(hào)道路石油瀝青混合料和SBS（I-D）改性瀝青混合料的破壞應(yīng)變均隨著再生粗骨料摻量的增加而減小，相比再生粗骨料摻量為0%，再生粗骨料摻量為20%、40%、60%、80%和100%時(shí)，70號(hào)道路石油瀝青混合料的破壞應(yīng)變分別減小了11.8%、20.9%、31.3%、38.0%和45.5%，SBS（I-D）改性瀝青混合料的破壞應(yīng)變分別減小了10.6%、16.6%、24.4%、34.2%和44.0%。這是因?yàn)樵偕止橇显谥谱鬟^程中，由于振動(dòng)和破碎等作用，粗骨料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很多微小裂紋，導(dǎo)致再生粗骨料抗拉強(qiáng)度降低，此外再生粗骨料表面包裹水泥砂漿，而水泥砂漿的抗拉強(qiáng)度較低，由于上述原因使得再生粗骨料瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度降低，破壞應(yīng)變減小。

從圖3中還可以得出，再生粗骨料摻量一定時(shí)，SBS（I-D）改性瀝青混合料的破壞應(yīng)變均高于70號(hào)道路石油瀝青混合料，再生粗骨料摻量為20%、40%、60%、80%和100%時(shí)，SBS（I-D）改性瀝青混合料相比70號(hào)道路石油瀝青混合料破壞應(yīng)變?cè)黾蛹s25%～31%，采用SBS（I-D）改性瀝青可以提高再生粗骨料瀝青混合料的破壞應(yīng)變。

2.3 再生粗骨料瀝青混合料的水穩(wěn)定性

采用70號(hào)道路石油瀝青和SBS（I-D）改性瀝青兩種瀝青， 0%、20%、40%、60%、80%和100%等6種再生粗骨料摻量的瀝青混合料分別制作馬歇爾試驗(yàn)試件，試件為圓柱體，直徑為101.6mm，高為63.5mm，利用馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)儀器進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按照式（3）計(jì)算再生粗骨料瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度。

式（3）中：MS0為試件的浸水殘留穩(wěn)定度（%）；MS0為試件浸水48h后的穩(wěn)定度（kN）；MS0為試件的穩(wěn)定度（kN）。

再生粗骨料摻量為 0%、20%、40%、60%、80%和100%時(shí)，兩種瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度如圖4所示。

圖4 不同再生粗骨料摻量時(shí)瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度Fig.4 Residual stability after immersion in water of asphalt mixture with different recycled coarse aggregate content

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，70號(hào)道路石油瀝青混合料和SBS（I-D）改性瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度均隨著再生粗骨料摻量的增加而增大，相比再生粗骨料摻量0%，再生粗骨料摻量為20%、40%、60%、80%和100%時(shí)，70號(hào)道路石油瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度分別增加了1.3%、3.9%、4.9%、6.5%和9.1%，SBS（I-D）改性瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度分別增加了2.0%、2.9%、4.8%、6.0%和7.5%。這主要是由于再生粗骨料表面較粗糙，加之表面的水泥砂漿與瀝青的粘附性好，從而提高了再生粗骨料瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度。

從圖4還可以得出，SBS（I-D）改性瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度均高于70號(hào)道路石油瀝青混合料，再生粗骨料摻量為20%、40%、60%、80%和100%時(shí)，SBS（I-D）改性瀝青混合料相比70號(hào)道路石油瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度增加約3.3%～5.7%，采用SBS（I-D）改性瀝青可以提高再生粗骨料瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度。

3 再生粗骨料瀝青混合料的適用性

結(jié)合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）對(duì)瀝青混合料車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度、低溫彎曲試驗(yàn)破壞應(yīng)變和水穩(wěn)定性的技術(shù)要求以及再生粗骨料瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果，可以得出70號(hào)道路石油瀝青再生粗骨料瀝青混合料和SBS（I-D）改性瀝青再生粗骨料瀝青混合料滿足高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性的應(yīng)用范圍，分別見表2～表4。

表2 滿足動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)要求時(shí)不同再生粗骨料摻量的瀝青混合料應(yīng)用范圍Table 2 Application range of asphalt mixtures with different recycledcoarse aggregate content meeting technical requirements of dynamic stability

從表2可知，在1-1、1-2夏炎熱區(qū)以及夏熱區(qū)和夏涼區(qū)，再生粗骨料全部替代天然碎石，以及在1-3、1-4夏炎熱區(qū)，再生粗骨料替代80%的天然碎石，70號(hào)道路石油瀝青混合料和SBS（I-D）改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均滿足要求。從表3可知，為滿足破壞應(yīng)變要求，在冬嚴(yán)寒區(qū)，70號(hào)道路石油瀝青混合料不得采用再生粗骨料，SBS（I-D）改性瀝青混合料可使用20%的再生粗骨料代替天然碎石；在冬寒區(qū)，70號(hào)道路石油瀝青混合料可使用20%的再生粗骨料代替天然碎石，SBS（I-D）改性瀝青混合料可使用40%的再生粗骨料代替天然碎石；在冬冷區(qū)和冬溫區(qū)，70號(hào)道路石油瀝青混合料可使用40%的再生粗骨料代替天然碎石，SBS（I-D）改性瀝青混合料可使用60%的再生粗骨料代替天然碎石。從表4可知，再生粗骨料全部替代天然碎石，70號(hào)道路石油瀝青和SBS（I-D）改性瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度均滿足要求。

表3 滿足破壞應(yīng)變技術(shù)要求時(shí)不同再生粗骨料摻量的瀝青混合料應(yīng)用范圍Table 3 Application range of asphalt mixtures with different recycled coarse aggregate content meeting technical requirements of failure strain

表4 滿足浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度技術(shù)要求時(shí)不同再生粗骨料摻量的瀝青混合料應(yīng)用范圍Table 4 Application range of asphalt mixtures with different recycled coarse aggregate content meeting technical requirements of Marshall residual stability after immersion

實(shí)際工程中，瀝青混合料中再生粗骨料的摻量可結(jié)合動(dòng)穩(wěn)定度、破壞應(yīng)變和浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度以及工程項(xiàng)目所處的氣候分區(qū)綜合確定。

4 結(jié)論

（1）隨著再生粗骨料摻量的增加，70號(hào)道路石油瀝青和SBS（I-D）改性瀝青再生粗骨料瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度先增大后減小；再生粗骨料摻量為40%左右時(shí)，70號(hào)道路石油瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大；再生粗骨料摻量為60%左右時(shí)，SBS（I-D）改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大。

（2）隨著再生粗骨料摻量的增加，70號(hào)道路石油瀝青和SBS（I-D）改性瀝青再生粗骨料瀝青混合料的破壞應(yīng)變均減小，浸水殘留穩(wěn)定度均增大。

（3）再生粗骨料摻量一定時(shí)，SBS（I-D）改性瀝青再生粗骨料瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、破壞應(yīng)變和浸水殘留穩(wěn)定度均優(yōu)于70號(hào)道路石油瀝青再生粗骨料瀝青混合料。

（4）再生粗骨料可替代部分天然碎石應(yīng)用于70號(hào)道路石油瀝青混合料和SBS（I-D）改性瀝青混合料。