玻璃集料对沥青混凝土体积参数及路用性能的影响

2020-06-04魏小皓蔡伟红

科学技术与工程 2020年11期

陈波，魏小皓，蔡伟红

(1.重庆建工集团股份有限公司，重庆 400000；2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041；3.天津市市政工程设计研究院，天津 300392)

废玻璃既是一种工业废物，也是一种生活垃圾，在给人们生活带来不便的同时，又占用大量土地资源，增加环境负荷。而随着城镇化步伐的加快，废玻璃的产量也在迅速增加，2017年国内废玻璃总产量多达2 000万t，回收量却仅有1 070万t，尚有近千万吨废玻璃被遗弃于掩埋场[1]。

由于废玻璃的硬度大，耐酸耐碱，无法被生物分解，若将其重熔再制，则会消耗更多的资源[2-3]，但这些特性却正是其有望作为特殊集料应用于沥青混凝土中的前提条件。同时，废玻璃的反光性好、透水性佳、密度与细集料相似，更增大了其在路面工程中应用的可行性[4-6]。

早在20世纪70年代，美国巴尔的摩的道路上就率先采用了玻璃沥青混凝土。随后，纽约、旧金山等地均有应用[7-8]。同时美国沥青协会建议玻璃粒径应小于9.5 mm，否则压实后玻璃集料将会产生平行于路面排列的趋势，导致路面抗滑性能降低[7]。加拿大、日本以及中国的台湾地区[9-10]也有关于玻璃沥青混凝土的应用研究。凭借其优良的反光性能，在照明不足的山区路面和视线较差的十字路口效果较好。

为进一步推广玻璃沥青混凝土这一新型环保路面材料，国内外相关学者进行了深入研究，积累了丰富的研究成果。Andic等[11]从弯拉强度和抗压强度的角度对玻璃沥青混合料进行了研究，发现复合材料的力学性能与玻璃的掺量、类型和取向有关。Liang等[12]通过室内试验描述了不同玻璃掺量沥青混凝土应力与应变之间的关系，认为掺量对混合料的弹性模量、峰值应变和极限应变有显著影响。Min等[13]将玻璃集料应用至环氧沥青混凝土中，发现随着玻璃掺量的增加，油石比、空隙率和密度等体积参数减小，而掺量对混合料的马歇尔稳定度、拉伸强度比、低温性能影响较小，这一点与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene, SBS)改性沥青混合料有显著差异。Liao等[14]、汪富杰等[15]将废玻璃部分替代集料，考察玻璃掺量和粒径变化对体积指标的影响，认为废玻璃掺量在10%以内时，各项体积指标均满足要求。李万英等[16]、宋程等[17]对不同掺量的玻璃沥青混合料进行路用性能试验，发现一定掺量的玻璃沥青混凝土可有效改善路面的可视度，路用性能虽有所降低，但符合规范要求，同时建议其最佳掺量不宜超过9%。沙爱民[18]对玻璃的掺量范围放宽至15%，认为该值是路用性能下降的拐点。

不难发现，以上研究均是侧重于玻璃沥青混凝土的单一方面，将混凝土的体积参数和路用性能割裂开来，同时研究成果尚处于室内设计阶段，缺乏实体工程应用。为此，选取不同比例的破碎玻璃替代细集料，研究掺量对混合料体积参数和路用性能的影响，分析二者之间的内在联系，在此基础上优选一组性能最佳的掺量比例铺筑试验段，评价其在道路工程中的实际应用效果。

1 试验方案

1.1 沥青及集料

试验选用SBS改性沥青作为结合料，集料为玄武岩集料，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行检验，其各项指标检测结果与技术要求分别如表1和表2所示。

表1 SBS改性沥青技术要求及检测结果

表2 集料技术要求及检测结果

1.2 废玻璃

玻璃的主要化学成分为SiO2，含量占70%左右，与砂石类似，具有极高的坚硬度。同时粒径超过4.75 mm的玻璃在压实过程中又易破碎从而改变级配，因此本次研究的废玻璃粒径控制在3～5 mm。研究采用收购的平板玻璃，经压路机碾压破碎过筛后二次碾压形成玻璃砂，如图1所示，其主要物理性质如表3所示。

图1 二次碾压破碎后的玻璃砂Fig.1 Glass sand after secondary rolling and crushing

表3 玻璃的主要物理性质

1.3 配合比设计

以当前道路中常用的AC-13密级配进行试验，根据各档集料和玻璃砂的筛分结果进行配合比设计，其中玻璃砂的替代率分别占细集料总量的0、5%、10%和15%，级配设计曲线如图2所示。

图2 级配设计曲线Fig.2 Graph of gradation design curve

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，对上述4种掺量沥青混合料进行室内马歇尔试验，油石比从4.3%～5.5%按0.3%递增。

2 体积参数分析

以油石比为横坐标，分别以毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度以及马歇尔稳定度和流值为纵坐标，得到4种不同玻璃掺量的沥青混合料试验结果，如图3～图8所示。

图3 毛体积密度试验结果Fig.3 Results of bulk density

图4 空隙率试验结果Fig.4 Results of void volume

图5 矿料间隙率试验结果Fig.5 Results of void in the mineral aggregate

图6 沥青饱和度试验结果Fig.6 Results of asphalt saturation

图7 稳定度试验结果Fig.7 Results of density

图8 流值试验结果Fig.8 Results of flow value

由试验结果可以看出，相同油石比下，掺玻璃的马歇尔试件毛体积密度要小于不掺玻璃的毛体积密度，且随着玻璃掺量增加，毛体积密度逐渐减小。不难解释，由于玻璃的密度小于细集料，因此对细集料的替代率越大，其相应的毛体积密度就越小。

随着玻璃掺量的增加，马歇尔试件空隙率整体上呈减小趋势，说明相同压实功下，由于玻璃表面相对光滑、摩擦系数小，在压力作用下混合料的流动性好、排列更为密集，同时较低的空隙率也保证了混合料对渗水系数的要求。

结合矿料间隙率的计算公式可知，不同玻璃掺量矿料间隙率的比较实际上是毛体积密度与矿料合成毛体积密度之比的比较。由于玻璃密度和吸油率均小于集料，因此在相同油石比下，试件的相对有效沥青含量越大，使得试件击实时更加密实，故而矿料间隙率减小、沥青饱和度增加。然而，当油石比为5.2%和5.5%时，15%掺量的矿料间隙率大于10%。这是因为，破碎后的玻璃颗粒多呈片状、针状，当玻璃掺量超过一定比例时，相同的压实功下颗粒间位移阻力越明显，从而导致矿料间隙率变大，与图4中空隙率的检测结果一致。

而稳定度和流值与玻璃掺量没有明显规律，但总体可认为：玻璃掺量少时的稳定度(0和5%)要高于玻璃掺量多的(10%和15%)，说明玻璃掺量的多少对混合料的强度有一定影响。

3 路用性能分析

基于室内马歇尔试验的各项指标参数，计算得到0、5%、10%和15% 4种掺量下沥青混合料的最佳油石比分别为4.65%、4.58%、4.48%和4.31%。然后进行车辙试验、低温小梁弯曲试验、冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验、摆式摩擦试验和加速加载试验，对玻璃沥青混合料的各项路用性能进行验证。

3.1 高温稳定性能

采用60 ℃车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性能，以动稳定度作为评价指标，试验结果如图9所示。

图9 车辙试验结果Fig.9 Results of rutting test

由图9可以看出：玻璃掺量为5%时其动稳定度略高于掺量为0时，可能是掺加少量的光滑玻璃砂之后，在相同压实状态下玻璃沥青混合料更密实，因此高温下抵抗车辙变形的能力也相应有所提高，这与稳定度的检测结果一致；当继续增加玻璃掺量后，玻璃沥青混合料的动稳定度降低，15%掺量时已不再满足规范要求。

3.2 低温抗裂性能

采用低温小梁弯曲试验评价沥青混合料的低温抗裂性能，以极限弯拉应变作为评价指标，试验结果如图10所示。

图10 低温小梁弯曲试验结果Fig.10 Results of low temperature trabecular bending test

由图10可以看出，随着玻璃掺量的增加，玻璃沥青混合料的极限弯拉应变越来越小，当掺量为15%时已低于规范要求。该指标是反映沥青混合料在低温状态下的抗开裂能力，与沥青用量有直接关系，而由于玻璃的吸油率低，掺量增加时沥青用量减少，因此必然导致其低温性能下降。

3.3 水稳定性能

采用冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验评价沥青混合料的水稳定性能，以抗拉强度比和残留稳定度作为评价指标，试验结果如图11和图12所示。

图11 冻融劈裂试验结果Fig.11 Results of freeze-thaw splitting test

图12 浸水马歇尔试验结果Fig.12 Results of immersed Marshall test

由图11和图12可以看出，当以抗拉强度比作为评价指标时，不掺和掺5%玻璃时沥青混合料冻融循环后的水稳定性能满足规范要求，二者相差很小，在1%左右；而掺量为10%时，抗拉强度略低于规范要求；掺量为15%时，抗拉强度已小于规范要求。当以残留稳定度作为评价指标时，4种掺量的玻璃沥青混合料均超过90%时，大于规范要求。

显而易见，冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验测试得到的水稳定性能相差较大，这主要归因于两种试验的条件不同。在冻融劈裂试验中，试件需要真空保水后在-18 ℃条件下静置16 h，然后在60 ℃恒温水浴中静置24 h，这一冻融循环条件对玻璃沥青混合料的强度造成较大幅度影响。结合3.2节分析可知，低温状态下玻璃沥青混合料的抗开裂能力下降，掺量越大其下降程度越明显。相反，掺加一定比例的玻璃有利于混合料的压实，其空隙率更小。因此饱水48 h后其浸水残留稳定度依旧满足规范要求。

3.4 抗滑性能

由于玻璃表面光滑，可能会影响到玻璃沥青混合料的抗滑性能，因此采用摆式摩擦系数测定仪在车辙板试件上检测摩擦系数，结果如图13所示。

图13 摆式摩擦试验结果Fig.13 Results of pendulum friction test

由图13可知，不同玻璃掺量下沥青混合料的表面摩擦系数相差较小，这可能是由以下两个原因导致的：①试件成型完毕后未接触轮胎荷载，玻璃表面包裹着沥青，尚未露出光滑的一面；②玻璃粒径较小，在现有的掺量范围内对混合料表面的构造深度几乎没有影响。

3.5 长期性能

为分析玻璃沥青混合料的长期性能，采用南非进口的可移动式路面加速加载模拟试验设备MMLS3对不同玻璃掺量的沥青混合料进行浸水动载试验，胎压为0.7 MPa，速度为80 km/h，试验结果如图14所示。

图14 加速加载试验结果Fig.14 Results of accelerated loading test

由图14可以看出，在加载初期，4种掺量下玻璃沥青混合料的车辙深度迅速增大，而随着加载次数的增加，4种掺量的车辙深度增加速率各有不同：0和5%掺量的沥青混合料在加载600 000次时其车辙深度已趋于稳定，分别在2.5 mm和4 mm左右；10%掺量的沥青混合料在加载700 000次时，其车辙深度已趋于稳定，在5.5 mm左右；而15%掺量的沥青混合料在加载700 000次时，其车辙深度依旧呈快速增长趋势，且出现部分玻璃颗粒剥落的现象。由此说明，采用玻璃代替细集料对沥青混合料的长期性能有一定影响，建议掺量不宜超过10%。

4 实体工程应用

为检验玻璃沥青混合料在室外实体工程中的应用效果，在浙江省54省道改建工程中进行了试验段的铺筑，结合室内试验结果，选用的玻璃掺量为5%，沥青、集料、玻璃等原材料的各项指标满足规范要求。试验段施工现场如图15所示。

图15 试验段施工现场Fig.15 Construction site of test section

通车运行两年之后，对掺加5%玻璃以及不掺玻璃的路面进行检测，包括路面破损、车辙深度、渗水系数、反光度、抗滑性能等，如图16所示。检测结果表明，玻璃沥青路面表面无破损情况，路面车辙在2 mm以内，与不掺玻璃路面没有明显差别。玻璃沥青路面和不掺玻璃沥青路面的渗水系数、摩擦系数与反光度指标分别为56 mL/s、63 mL/s，62 BPN、61 BPN，1.2 mcd/lx/m2、5.9 mcd/lx/m2，以上指标表明玻璃沥青路面除具有较好的使用性能外，还具有出色的反光效果。