再生集料泡沫沥青混合料的配合比设计及路用性能

2019-09-17邹桂莲孙学楷刘新海

筑路机械与施工机械化 2019年8期

邹桂莲，孙学楷，刘新海

1. 华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510641 2. 广东华路交通科技有限公司，广东广州 510420

0 引言

“绿色发展”是当下中国的重要发展方向之一，因此研究低碳、节能、环保、经济的绿色铺面技术及材料具有重大意义。将再生混凝土集料（Recycled Concrete Aggregate，RCA）应用于道路工程，既能减少对天然石料的开采，又能大量消耗道路工程以及其他土木工程在建设、维修、改扩建工程中产生的固体废弃物，环保效益突出[1-2]。将RCA取代天然集料，以无机结合料稳定类材料的形式铺筑道路的基层或底基层相关研究与工程实践较多[3-4]。再生集料与沥青的黏附性好，已有研究表明，质量较好的再生粗集料可取代部分天然集料应用于热拌沥青混合料中[5]。与热拌沥青混合料相比，冷拌泡沫沥青混合料拌合过程中产生的CO2可减少30%，烟尘排放量可减少50%~60%，能源消耗只有热拌沥青混合料的70%，且一般使用在沥青路面的较低层位（下面层或柔性基层），对集料要求较低，结构厚度大，可大量消耗再生集料，经济与环境效益显著[6-7]。

《公路沥青路面再生技术规范》（JTG F41—2008）仅对回收的沥青混合料的泡沫冷再生技术进行了规范，而目前对使用再生集料的泡沫沥青冷再生混合料的相关研究较少，没有适用的规范。因此，本文开展再生集料泡沫沥青混合料的设计与性能研究，为再生集料于泡沫沥青混合料的工程提供依据，为提出再生集料泡沫沥青混合料的相关技术要求奠定基础。

1 试验原材料

试验使用的主要原材料有70#普通沥青、天然花岗岩集料及建筑垃圾再生集料、矿粉和水泥。

1.1 沥青

用于发泡的70#普通沥青的主要技术指标如表1所示。

1.2 集料

天然集料为清远贵田石场生产的花岗岩集料，再生集料选用广州市冠南环境工程科技有限公司广钢新城再生集料生产线生产的0~5 mm、5~10 mm以及10~20 mm粒径挡的再生集料。集料的主要技术指标检测结果如表2所示。

与天然集料相比，再生集料的密度低、吸水率高、粒径小于0.075 mm的颗粒含量大；但再生集料中粒径小于0.075 mm的颗粒主要是混凝土中的砂浆，而非有害的泥土。压碎值与洛杉矶磨耗值增大，但基本满足各等级公路中面层及以下结构层集料的技术要求。

表1 70#沥青主要技术指标

表2 天然集料与再生集料的主要技术指标检测结果

1.3 水泥与矿粉

水泥采用海螺水泥厂生产的42.5#普通硅酸盐水泥，主要技术指标如表3所示。矿粉采用石灰岩矿粉，质量满足技术要求。

2 再生集料泡沫沥青混合料配合比设计

鉴于目前国内外尚无关于再生集料泡沫沥青混合料的使用规范，本文参照《公路沥青路面再生技术规范》（JTG F41—2008）中冷拌再生泡沫沥青混合料设计方法，提出了再生集料泡沫沥青混合料配合比设计流程，如图1所示。

2.1 确定沥青最佳发泡条件

沥青发泡效果良好是保证泡沫沥青混合料性能的首要技术环节。在沥青发泡的诸多影响因素中，发泡温度和用水量对沥青发泡效果的影响最为显著[8-9]。分别采用160 ℃、155 ℃、150 ℃、145 ℃四种发泡温度以及2%、3%、4%、5%、6%五种用水量组合进行沥青发泡试验，采用膨胀率和半衰期2个指标对沥青发泡效果进行综合评价。沥青发泡试验结果如图2所示，最终确定发泡温度150 ℃、用水量5.0%为最佳发泡条件。

图1 再生集料泡沫沥青混合料配合比设计流程

2.2 优选矿料级配

参照德国Wirtgen公司推荐的泡沫沥青冷再生混合料级配范围、《公路沥青路面再生技术规范》中粒式泡沫沥青冷再生混合料级配以及南非沥青协会泡沫沥青混合料级配，确定3种矿料代表性级配A、B、C，如表4所示。

表3 水泥性能指标要求及试验结果

图2 沥青最佳发泡条件的确定

图3 级配对劈裂强度的影响

图4 级配对稳定度的影响

在矿料级配优选阶段采用天然集料，在保持其他因素相同的条件下（拌合用水量为7.3%，水泥用量1.0%，所有试件采用带模60 ℃烘箱养生48 h，然后带模室温养生12 h的组合养生方式），通过比较不同沥青用量下A、B、C三种矿料级配的泡沫沥青混合料的15 ℃干劈裂强度和40 ℃马歇尔稳定度，优选矿料级配。试验结果如图3、图4所示。

试验结果表明，矿料级配与沥青用量对劈裂强度的影响显著，油石比为3.2%时的劈裂强度高于油石比为2.5%的劈裂强度，油石比相同时级配C的劈裂强度高于级配A与级配B，因此优选级配C。矿料级配与沥青用量对马歇尔稳定度（MS）的影响不明显，3种泡沫沥青混合料的MS均大于12 kN，区分度不明显，远超过泡沫冷再生混合料用于下面层时不低于6.0 MPa的技术要求，起不到指导配合比设计的作用，故推荐干湿劈裂强度比（TSR）作为级配优选与混合料设计的主要技术指标。

2.3 最佳沥青用量的确定

表4 矿料级配设计

通过改变沥青含量，对全天然集料、50%再生粗集料、100%再生粗集料、全再生集料的4组泡沫沥青混合料分别配制、成型、养生，然后进行干湿劈裂试验，以混合料干劈裂强度与湿劈裂强度比均较优情况下对应的沥青用量作为最佳沥青用量（以油石比表示），试验结果如表5所示。随着再生集料的掺加，最佳沥青用量不断增大，这是因为再生集料孔隙率高表面积大，且吸附到孔隙中的沥青也较多。

表5 再生集料泡沫沥青混合料最佳油石比确定结果

表6 水泥掺量对泡沫沥青混合料性能的影响

2.4 水泥掺量的确定

泡沫沥青混合料中一般掺加不多于1.5%的水泥等活性材料来改善混合料的性能。本文选用100%再生粗集料，用水泥替代部分矿粉，在矿料中的掺量分别为0.5%、1.0%、1.5%，油石比为3.6%，试验结果如表6所示。

掺加水泥不仅能提高泡沫沥青混合料的劈裂强度，同时也可以提高其水稳定性。泡沫沥青混合料中的沥青以“点焊”形式连接集料，因此黏结作用较弱。掺加少量水泥后，一方面，水泥呈碱性，提高了沥青与集料的黏结力；另一方面，水泥水化物与沥青形成的胶浆复合物，能够在混合料中起到“加筋”的填充作用，提高泡沫沥青混合料的强度。综合考虑劈裂强度与干湿劈裂强度比，选用水泥掺量为1.5%。

3 再生集料对泡沫沥青混合料性能的影响

3.1 劈裂强度

再生集料泡沫沥青混合料可用于路面较低结构层，一般为下面层、柔性基层，以受拉应力为主，劈裂试验与其受力状态比较符合。15 ℃劈裂试验测得的4种集料类型泡沫沥青混合料的干劈裂强度如表7所示。结果表明，劈裂强度随着再生粗集料掺量的增加而增加，100%再生粗集料泡沫沥青混合料的干劈裂强度可达0.82 MPa，比天然集料混合料劈裂强度提高17%。再生集料全部替代天然集料时，泡沫沥青混合料的干劈裂强度变小，参照泡沫沥青冷再生混合料对劈裂强度的技术要求，仍可用于路面下面层。再生粗集料表面裹覆水泥砂浆，增加了与沥青的黏附能力，且表面粗糙，嵌挤力提高，有利于泡沫沥青混合料劈裂强度的发展。再生细集料中水泥砂浆量过多，表面疏松，强度较低，使得混合料的劈裂强度由强转弱。

图5 再生集料对劈裂强度的影响

3.2 水稳定性

本文采用干湿劈裂强度比、浸水马歇尔残留稳定度及冻融劈裂强度比3个指标评价再生集料泡沫沥青混合料的水稳定性，试验结果如图6所示。总体来说，再生集料泡沫沥青混合料的水稳定性优异，甚至高于天然集料泡沫沥青混合料的水稳定性。3个指标对水稳定优劣的排序并不一致，浸水马歇尔残留稳定度对再生集料泡沫沥青混合料的水稳定性的评价比较有利，原因可能是40 ℃、48 h浸水过程促使再生集料中未水化的水泥颗粒进一步水化。3个水稳定性指标中冻融劈裂强度比最小，这是由于冻融劈裂试验条件最为严苛，且因为再生集料的孔隙率高、吸水性强，冻融试验方式对其最不利。前文在配合比设计中不建议使用马歇尔稳定度指标，因此水稳定性检验采用干湿劈裂强度比及冻融劈裂强度比2个指标。