不同骨料組成的再生瀝青混合料力學(xué)性能研究

中圖分類號(hào)：U414.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.020

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0067-04

0 引言

隨著全球環(huán)境保護(hù)和資源可持續(xù)利用要求的不斷提升，廢棄材料的再利用在道路建設(shè)中受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料（HMA）大量使用天然骨料，導(dǎo)致資源消耗和環(huán)境負(fù)擔(dān)加劇。鋼渣（SS）和回收混凝土骨料（RCA）作為廢棄材料，不僅具備優(yōu)良的物理性能，還具有顯著的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境優(yōu)勢(shì)，成為替代天然骨料的理想選擇[1-3]。

使用廢棄材料作為瀝青混合料骨料，能有效改善材料性能，減少環(huán)境污染和生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)資源的高效循環(huán)利用[4-5]。優(yōu)化不同骨料組合，探討其對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能的影響，不僅能提升道路材料的綜合性能，還能為可持續(xù)發(fā)展的道路建設(shè)提供創(chuàng)新的解決方案[6]。

本研究旨在評(píng)估含有鋼渣和RCA的瀝青混合料的力學(xué)性能，探索其在實(shí)際道路建設(shè)中的應(yīng)用潛力。通過(guò)制備含有不同骨料類型的瀝青混合料，確定最佳瀝青結(jié)合料含量，并進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定性、間接抗拉回彈模量、動(dòng)態(tài)蠕變和間接抗拉疲勞試驗(yàn)，評(píng)估混合料的力學(xué)性能。研究結(jié)果將為提高瀝青混合料性能、有效利用廢棄材料、減少環(huán)境污染和節(jié)約資源提供參考。

1材料和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

本文評(píng)估了三種類型的骨料（英安巖、SS、RCA）。英安巖用作新骨料，SS和RCA用作二次骨料，其化學(xué)成分如表1所示。在所有混合料中，都使用了60－70穿透等級(jí)的瀝青結(jié)合料。為了表征基礎(chǔ)瀝青結(jié)合料的性能，進(jìn)行了常規(guī)試驗(yàn)，如穿透試驗(yàn)、軟化點(diǎn)評(píng)估和延展性試驗(yàn)。60-70 穿透等級(jí)瀝青結(jié)合料的工程性能見(jiàn)表2。本研究中使用的骨料級(jí)配見(jiàn)表3。當(dāng)前研究中使用的骨料的標(biāo)稱粒徑為 。骨料的物理性能見(jiàn)表4。

1.2試樣準(zhǔn)備

本研究探討了六種瀝青混凝土混合料，其中對(duì)照組為 100% 英安巖骨料，其余混合料中使用SS和RCA，具體替代方案見(jiàn)表5。樣品制備基于馬歇爾混合設(shè)計(jì)，將瀝青結(jié)合料和骨料分別加熱、混合并壓實(shí)。骨料在 的溫度下下加熱24h，在135℃下與瀝青結(jié)合料混合，馬歇爾錘壓實(shí)（75次錘擊）制備試件。試件直徑為 ，高度為 。制備了兩組試件，第一組用于確定最佳結(jié)合料含量，第二組在最佳含量下評(píng)估力學(xué)性能。每種配方至少制備三個(gè)試樣確保重現(xiàn)性。

2 測(cè)試程序

2.1馬歇爾穩(wěn)定性和流動(dòng)試驗(yàn)

馬歇爾試驗(yàn)旨在評(píng)估RCA和SS對(duì)馬歇爾穩(wěn)定性的影響，并確定最佳含量7-8。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20一2011）（以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)規(guī)程）標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同瀝青結(jié)合料含量的壓實(shí)試樣進(jìn)行穩(wěn)定性和流動(dòng)測(cè)試。將每種混合料的三個(gè)樣品在 的水中浸泡 ，并以51mm/min的恒定壓縮速率加載至破壞。最佳瀝青含量通過(guò)最大體積密度、最大穩(wěn)定性、 4% 空氣空隙和瀝青中的 80% 空隙確定。穩(wěn)定性與流動(dòng)之比稱為馬歇爾系數(shù)（ M Q） ，表示混合料剛度， M Q 值表明能抵抗剪切應(yīng)力、永久變形和車轍。

2.2 動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)

HMA混合料對(duì)永久變形的抵抗力可以通過(guò)動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)來(lái)評(píng)估。在動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)中， 的圓柱形樣品承受重復(fù)的脈沖單軸應(yīng)力。樣品的軸向變形通過(guò)兩個(gè)位置為 的線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）進(jìn)行測(cè)量。

在 的溫度條件下，施加100kPa的動(dòng)態(tài)應(yīng)力1h進(jìn)行動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)。在每次試驗(yàn)中，試樣的側(cè)面被封頂，并將試樣放置在加載機(jī)中，在 10kPa 的調(diào)節(jié)應(yīng)力下調(diào)節(jié) 接下來(lái)，移除調(diào)節(jié)應(yīng)力，施加 的應(yīng)力進(jìn)行2000個(gè)循環(huán)，包括1s的加載期和1s的靜止期。

2.3間接抗拉回彈模量試驗(yàn)

對(duì)于每種混合料，三個(gè)樣品都在25 的溫度下進(jìn)行直徑向回彈模量（MR）試驗(yàn)，使用直徑和高度分別為101.6mm和65mm的圓柱形試樣。試驗(yàn)通過(guò)施加正弦波形的壓縮載荷（加載時(shí)間 ，靜止時(shí)間 在圓柱試樣的垂直直徑平面上進(jìn)行。對(duì)試樣施加兩組五個(gè)載荷脈沖，并在第一組載荷后將試樣旋轉(zhuǎn) ，即在第二組載荷中，載荷垂直于第一組載荷的方向施加。計(jì)算每組的平均剛度模量，兩組數(shù)值的平均值作為最終的剛度模量。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按以下公式計(jì)算回彈模量和泊松比：

式中： P 重復(fù)載荷/N；T 試樣厚度/mm； -可恢復(fù)的水平變形/mm； —可恢復(fù)的垂直變形/mm。

回彈模量按照試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行確定，泊松比為 0.35。

2.4間接抗拉疲勞試驗(yàn)

瀝青試樣的疲勞壽命與受拉試樣的拉應(yīng)變相關(guān)，即使在不同溫度和加載速率下，疲勞壽命也與拉應(yīng)變（t）相關(guān)，并可以通過(guò)以下公式表示：

式中： —失效前的加載次數(shù)，指數(shù) n 的值通常 =4 。

試樣的疲勞壽命通過(guò)諾丁漢瀝青測(cè)試儀（NAT）在恒定應(yīng)力模式下測(cè)量，通過(guò)沿直徑軸施加固定幅度的重復(fù)載荷。重復(fù)載荷包括0.1s的加載時(shí)間和0.4S的靜止時(shí)間，以直徑為101.6mm、高度為40mm、空隙率為 4% 的圓柱形試樣在 下進(jìn)行測(cè)試。

3結(jié)果與討論

3.1馬歇爾穩(wěn)定性和流動(dòng)

不同混合料的馬歇爾設(shè)計(jì)結(jié)果及其對(duì)混合料性能的影響如表6、圖1和圖2所示。通過(guò)分析可以得出，E組表現(xiàn)出最優(yōu)異的性能，其VMA為 14.5% ，顯示礦料骨架中具有適度的空隙，可以容納更多的瀝青結(jié)合料，從而提高黏結(jié)性和耐久性。在馬歇爾穩(wěn)定性測(cè)試中，E組的穩(wěn)定性最高，為22.81kN，顯著高于其他混合料，表明其在高荷載下具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。E組的流動(dòng)值最低，為2.30m m ，說(shuō)明其在加載下的變形最小，具有良好的抗變形能力。在MQ測(cè)試中，E組的MQ最高，為 ，表明其剛度和抗變形能力最佳。雖然A組的空隙率較低（ 2.61% ），但其馬歇爾穩(wěn)定性（16.97KN）和 均低于E組，顯示出傳統(tǒng)英安巖混合料在穩(wěn)定性和抗變形能力上的劣勢(shì)。使用RCA作為粗骨料的混合料（B組）的表現(xiàn)較差，其空隙率高達(dá)7.25% ，流動(dòng)值最高 ，穩(wěn)定性和耐久性較低。使用SS作為細(xì)骨料或粗骨料的混合料（C組和D組）表現(xiàn)出良好的性能，特別是D組，其馬歇爾穩(wěn)定性為20.23KN，MQ為8 ，顯示出較高的穩(wěn)定性和抗變形能力，但整體仍不及E組。因此，綜合表6、圖1和圖2的分析，最佳的混合料組合為E組。這種組合不僅在穩(wěn)定性、耐久性和抗變形能力上表現(xiàn)出色，還體現(xiàn)了資源循環(huán)利用的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

3.2 動(dòng)態(tài)蠕變

動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)的結(jié)果如表7和圖3所示，可以看出，使用RCA作為細(xì)骨料和使用SS作為粗骨料的E組混合料在永久變形方面表現(xiàn)出更好的性能。使用回收混凝土作為細(xì)骨料A組（FA：RCA）較對(duì)照組減少了約 25% 的永久變形，顯示出一定的改進(jìn)效果；然而，RCA作為粗骨料B組（CA：RCA）時(shí)，永久變形反而增加了約 43% ，表明這種組合并不理想。使用SS作為細(xì)骨料C組（FA：SS）時(shí)，永久變形較對(duì)照組減少了約 12% ，而SS作為粗骨料D組 CA：SS） 時(shí)，永久變形顯著減少了約 32.5% 0在所有組合中，最佳的混合料是使用SS作為粗骨料、RCA作為細(xì)骨料的組合E組 （C A：S S+F A：R C A） ，其永久變形減少了約 40% ，表現(xiàn)出最優(yōu)的抗永久變形性能。由此可見(jiàn)，SS和RCA的組合能顯著提高瀝青混合料的抗永久變形能力。

3.3間接抗拉回彈模量

不同混合料的間接抗拉回彈模量試驗(yàn)結(jié)果如圖4和表8所示。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表三個(gè)試樣的平均值。結(jié)果表明，RCA細(xì)骨料和SS粗骨料顯著提高了混合料的回彈模量。在表8中，D組（ 混合料的回彈模量約為對(duì)照混合料的兩倍。此外，A組（FA：RCA）混合料的回彈模量約比對(duì)照混合料高 44% 。然而，最高的回彈模量出現(xiàn)在E組 （C A：S S+F A：B C A） 混合料中，其回彈模量為對(duì)照混合料的2.35倍。與動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)的結(jié)果相似，剛度模量由于RCA和SS骨料的添加而增加。

3.4間接抗拉疲勞

間接抗拉疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。通過(guò)在每一級(jí)應(yīng)變下繪制樣品均值的回歸線，觀察到施加的初始拉應(yīng)變的對(duì)數(shù)與疲勞壽命的對(duì)數(shù)之間存在正常的線性關(guān)系。結(jié)果表明，E組 （C A：S S+F A：R C A） 混合料的疲勞壽命顯著高于對(duì)照混合料。E組混合料的長(zhǎng)疲勞壽命可以歸因于：（1）由于RCA骨料中隨著RCA含量的增加而增加，瀝青混合料中的空氣空隙量減少；（2）RCA和SS的添加增加了最佳瀝青結(jié)合料含量，這與瀝青混合料的疲勞壽命直接相關(guān)。當(dāng)RCA用作粗骨料時(shí)，由于混合和壓實(shí)改變了RCA顆粒并使水泥砂漿脫離，瀝青混凝土混合料的力學(xué)性能低于對(duì)照組。

4結(jié)語(yǔ)

本研究系統(tǒng)評(píng)估了RCA和SS作為瀝青混合料骨料的應(yīng)用效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用廢棄材料能夠顯著改善瀝青混合料的力學(xué)性能，同時(shí)具有重要的環(huán)保意義。在馬歇爾穩(wěn)定性試驗(yàn)中，最佳混合料E組的馬歇爾穩(wěn)定性最高，為22.81kN，顯著高于其他混合料，說(shuō)明其在高荷載下具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。E組的流動(dòng)值最低，為 ，表明其變形最小，抗變形能力最佳。同時(shí)，E組的馬歇爾模量為 ，顯示出最高的剛度和抗變形能力。在動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)中，E組混合料的永久變形最小，僅為對(duì)照組的 60% ，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗永久變形能力。這歸因于RCA和SS的組合顯著提高了混合料的抗剪切和抗摩擦性能。間接抗拉回彈模量試驗(yàn)結(jié)果顯示，E組混合料的回彈模量為2228 ，是對(duì)照組的2.35倍，進(jìn)一步驗(yàn)證了其優(yōu)異的剛度和抗變形能力。此外，間接抗拉疲勞試驗(yàn)中，E組的疲勞壽命顯著高于對(duì)照組，表現(xiàn)出更好的耐久性。

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