再生集料破碎行为对沥青混合料性能影响

2021-05-27王二兵杜西江

公路工程 2021年2期

王二兵,杜西江 ,徐良,胡靖

(1.中交一公局第五工程有限公司，北京 100024；2.东南大学智能运输系统研究中心，江苏南京 211189)

0 引言

在过去的几十年中，我国传统建筑行业一直在消耗大量的不可再生资源；同时随着大批建筑构造物使用报废年限的临近，大量的建筑垃圾随之产生，而对此常规的处理措施就是简单掩埋处理，这种现象造成了极大的资源浪费和环境污染[1]。近年来，工程界逐渐将眼光聚集如何科学、经济地二次利用这种建筑废弃物。通常而言，建筑垃圾主要包含了大量水泥混凝土块状物、水泥砂浆碎屑，少量的碎粘土砖和碎陶瓷等材料[2]。由于这些成分也具有一定的强度，因此其在土木工程领域具有巨大的再利用潜力，其中的关键应用便是将处理后的建筑垃圾用作路基和沥青路面施工的再生集料[3]。而将再生应用在沥青混合料中成为近期道路工程研究的热点[4-5]。

一般经过砖混分离处理后的再生集料，其碎粘土砖含量可以控制到基本可以忽略不记，因此再生骨料主要包含的为水泥混凝土颗粒和水泥砂浆颗粒[6]。由于附着在原生集料的水泥砂浆和水泥砂浆颗粒的抗压强度远小于天然集料，因此再生集料的破碎现象比天然集料更加明显。同时，成型再生集料沥青混合料的过程中，部分粗集料破碎，导致沥青混合料内部集料的骨架结构变化，而这与普通沥青混合料的行为特征有明显不同。因此亟需探究再生集料在荷载作用下的破碎行为模式以及其对沥青混合料性能的影响规律，以优化再生集料在沥青混合料中的应用方法。

1 配合比设计

本文所用再生集料以建筑拆除固体废弃垃圾中的废旧水泥混凝土作为原材料，经过一系列破碎、筛分、除杂等集料加工工艺处理后的最终产品，其粒径范围处于13.2～16 mm，压碎值为24.7%。采用的天然集料为辉绿岩集料。天然集料、再生集料以及石灰岩矿粉的密度如表1所示。

表1 矿料密度表Table1 Aggregatedensity矿料种类尺寸/mm密度/(g·cm-3) 1～192.91213.2～162.925 9.5～13.22.923 4.75～9.52.934 2.36～4.752.940天然辉绿岩 1.18～2.352.947 0.6～1.182.952 0.3～0.62.957 0.15～0.32.964 0.075～0.152.951<0.0752.718石灰岩矿粉<0.0752.726再生集料 13.2～162.312

在沥青混凝土中，较大粒径的骨料对混凝土强度的影响较大。为了更为有准确、有效地分析再生集料的破碎对于沥青混凝土性能的作用规律，故本文采用了最大一级粒径碎石(13.2～16 mm)作为替代对象。沥青结合料采用SBS改性沥青，将最大一级粒径碎石(13.2～16 mm)的再生集料，替代不同用量的天然辉绿岩集料，制备成型再生集料沥青混合料RCAM-16，其设计矿料级配如表2所示。

根据表1矿料密度和表2级矿料级配，可计算各档集料体积占比。如图1所示，在RCAM-16中，辉绿岩13.2～16 mm粒径集料的体积占比为13.9%。由于再生集料与天然集料密度相差较大，而沥青混合料设计级配应保持体积一致性，参照以往研究经验[3]，采用0%、25%、50%、75%和100%体积替换率的再生集料，替代13.2～16 mm粒径尺寸的天然辉绿岩集料，通过旋转压实仪所制备的再生集料沥青混合料主要用于路用性能试验的研究。

表2 再生集料沥青混合料(RCAM-16)设计级配表Table2 Designgradationtableofasphaltmixturecontainingrecycledconcreteaggregate尺寸/mm通过不同筛孔尺寸(mm)质量百分率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075上限10010092806248362618148上限1009076603420139754合成10097.283.375.147.540.433.224.416.710.76.1

图1 各档矿料体积占比

采用常规马歇尔击实仪成型沥青混合料马歇尔试件，双面击实试件各75次，混合料拌合控制在(175～185)℃，混合料成型温度控制在(140～145)℃。根据《JTG F40-2004 公路沥青路面施工技术规范》中的马歇尔配合比设计方法，结合马歇尔试验结果中各项体积指标和力学参数，确定0%、25%、50%、75%和100%再生集料体积替代的沥青混合料最佳沥青用量分别为5.4%、5.5%、5.6%、5.7%和5.9%。

由表3可以看出，随着再生集料替代天然粗集料用量不断增加，沥青混合料的最佳沥青用量不断增大，马歇尔稳定度不断降低；同时，沥青混合料的毛体积密度也不断减小。此外，含再生集料的沥青混合料相比于天然集料沥青混合料具有更低的骨架间隙率，表明再生集料中的多孔水泥砂浆成分能吸收更多的沥青材料，由于有效沥青减少导致沥青胶浆含量降低，因而再生集料沥青混合料的空隙率也随之增大。

表3 再生集料用量对沥青混合料(RCAM-16)马歇尔试验的影响Table3 Effectsofrecycledconcreteaggregatecontentonmar-shalltestresults再生集料替代率/%最佳沥青用量/%密度/g·cm-3()空隙率/%沥青饱和度/%骨架间隙率/%稳定度/kN流值/0.1mm05.42.5444.068.114.318.7538.8255.52.4353.967.614.248.6336.9505.62.4014.167.214.178.3235.7755.72.3344.166.914.168.4232.71005.92.2884.266.513.948.3334.0标准——3～565～75>13.5>8.020～40

2 再生集料破碎模拟

室内旋转压实仪的对沥青混合料的压实效果与实际沥青路面碾压工艺中的压路机作用相似。因此，本文采用旋转压实仪对沥青混合料(RCAM-16)施加压实荷载，以模拟现场沥青混凝土路面压实过程中，再生集料的破碎行为。

选择旋转压实次数为100次，以保证再生集料沥青混合料(RCAM-16)受到足够的压实荷载作用。将成型完毕的再生集料沥青混合料试件放入145 ℃烘箱中重新加热，待RCAM-16试件完全软化后，打散试件，对打散后的沥青混合料进行抽提试验，分离旋转压实作用后试件中的矿质集料，并逐档筛分、称重。由于抽提试验过程中沥青混合料的细集料(<2.36 mm)损失较大，而再生集料受压实荷载作用后，破碎后的集料颗粒有相当一部分粒径小于2.36 mm，因此必需准确量化细集料质量的变化状态。根据混合料中矿料的质量守恒，粒径小于2.36 mm的细集料质量变化等于所有粒径大于2.36 mm的各档集料重量变化之和的相反数，由此可以计算细集料质量变化。具体抽提、筛分试验结果如表4所示。

表4 各档集料破碎质量变化率Table4 Aggregateweightratioincrementofeachsievesize再生集料替代率/%通过不同筛孔尺寸(mm)质量变化率/%<2.362.364.759.513.21601.480.540.77-0.22-1.42-1.17101.871.221.110.24-3.43-1.01202.082.181.930.36-5.48-1.07302.972.011.760.51-6.28-0.97

由表4可知，13.2～16 mm集料的质量损失明显，且随着沥青混合料中再生集料替代率的增大，质量损失不断增加；同时，再生集料替代率对粒径大于16 mm的天然集料的质量变化几乎没有影响，即4种不同再生集料替代率下，沥青混合料中16～19 mm集料的质量变化率始终处于-1.0%左右。对于普通沥青混合料AC-16而言，压实作用后粒径大于9.5 mm的各档集料均出现质量减小现象，即破碎成粒径更小的集料(<9.5 mm)。而对于再生集料沥青混合料RCAM-16，压实作用后粒径大于13.2 mm的各档集料均出现质量降低现象，即破碎成粒径小于13.2 mm的集料。该现象表明旋转压实仪对沥青混合料所施加的压实能量主要被粒径大于13.2 mm的各档集料吸收；同时，由于再生集料的粒径为13.2～16 mm，降低了压实过程中，粒径小于13.2 mm的天然集料被压碎风险。

同时，旋转压实作用后的再生集料沥青混合料只有粒径尺寸大于13.2 mm的各档集料含量降低，且13.2～16 mm集料的质量变化率远大于16～19 mm集料的质量变化率。因此，本文选择13.2～16 mm集料质量变化率的绝对值作为再生集料沥青混合料的集料破碎指数(ACI)，以量化不同压实作用次数和不同再生集料替代率的条件下，再生集料沥青混合料RCAM-16中集料的破碎状态。集料破碎指数越大，再生就沥青混合料中的集料破碎现象越严重。

由表5可知，随着旋转压实次数和再生集料替代率的不断增加，再生集料沥青混合料RCAM-16的集料破碎指数不断升高，集料破碎情况逐渐恶化。

表5 压实次数对集料破碎指数影响Table5 EffectsofgyrationnumbersonACI再生集料替代率/%不同旋转压实次数(次)的破碎指数/%100150200101.426.647.68203.436.797.83305.487.417.95

3 再生集料破碎对沥青混合料性能影响

3.1 抗滑性能影响

现有文献表明[7]，沥青混合料中的矿料级配对其表面抗滑性能具有显著的影响。再生集料沥青混合料在压实荷载作用下，部分粗集料由于破碎导致实际级配与设计级配产生差异。因此，有必要研究再生集料破碎状态对沥青混合料RCAM-16抗滑性能的影响。本文采用摆式摩擦仪和铺砂法，测试不同破碎指数下，旋转压实试件(Φ150 mm)顶端的抗滑性能指标，试验结果见图2。

图2 摆值与构造深度试验结果

由再生集料体积替代率增大所导致的集料破碎指数增大，并未引起再生集料沥青混合料RCAM-16抗滑性能的显著变化。由图2试验结果可知，RACM-16满足中潮湿地区的路面抗滑指标要求(BPN>60、MTD>0.6 mm)，表明再生集料沥青混合料可以为车辆行驶提供足够的道路抗滑支持。同时，结合表4中再生集料沥青混合料RCAM-16的集料破碎指数小于8.8%的试验结果，可以认为，当破碎指数小于8.8%时，集料破碎对再生集料沥青混合料抗滑性能的影响可以忽略不计。

3.2 高温稳定性影响

由于压实过程中部分粗集料的破碎，削弱了混合料中粗集料骨架结构的稳定性，这在一定程度上将影响再生集料沥青混合料的高温抗车辙性能。因此，有必要研究集料破碎对RCAM-16高温稳定性的作用规律。本文将不同破碎指数的旋转压实试件切割成5 cm高圆柱体，并固定于改装后的车辙板模具中，用于后续高温车辙试验。根据《JTGE20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，设定试验温度为60 ℃，橡胶块接触压力为0.70 MPa，试验时间为60 min，混合料的车辙试验结果如图3所示。

图3 动稳定度试验结果

由图3可知，60 ℃车辙试验中绝大部分的再生集料沥青混合料RCAM-16动稳定度高于3 000 次/min，表明即使在一定集料破碎的条件下，再生集料混合料在高温条件下仍表现出优异结构强度和抗变形能力。同时，随着再生集料体积替代率的不断提高，集料破碎指数不断增大，再生集料沥青混合料的动稳定度呈逐渐下降的趋势。当集料破碎指数大于8.6%时，再生集料沥青混合料RCAM-16的动稳定度小于规范要求3 000 次/min。因此，实际工程应控制再生集料沥青混合料中集料破碎指数(ACI)不超过8.6%。

3.3 低温抗裂性影响

采用间接拉伸试验研究再生集料沥青混合料的低温抗裂性能，根据《ASTM D6931-2017 沥青混合料间接拉伸强度的标准试验方法》，间接拉伸试验温度设置为-15 ℃，加载速率设置为50 mm/min。分别对12种不同集料破碎指数的旋转压实试件进行低温间接拉伸试验，试验结果如图4所示。

图4 低温间接劈裂强度试验结果

由图4可以看出，在再生集料体积替代率固定的情况下，随着集料破碎指数的增加，再生集料沥青混合料RCAM-16的低温抗裂性呈逐渐下降趋势。如再生集料体积替代率为25%时，破碎指数1.42%沥青混合料试件的低温拉伸强度比破碎指数5.48%试件高出近13.2%；而再生集料体积替代率100%时，破碎指数7.87%沥青混合料试件的低温拉伸强度比破碎指数8.81%试件高出近19.1%。同时，随着再生集料替代率不断增加，沥青混合料RCAM-16的-15 ℃间接拉伸强度不断减小，表明再生集料用量的增加对沥青混合料RCAM-16的低温抗裂性也具有不利影响，而产生强度衰减主要是由于再生集料中水泥砂浆的抗压强度远小于天然集料所引起。

3.4 水稳定性影响

由于再生集料中的水泥砂浆含有较多的二氧化硅，在一定程度上会影响沥青与再生集料的黏附性能，因此必须重视再生集料沥青混合料的抗水损害能力；同时，为了进一步分析再生集料破碎行为对再生集料沥青混合料RCAM-16的水稳定性能作用，本文根据《JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，分别进行了冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验，以残留稳定度MSR和冻融劈裂比TSR作为评价指标，具体试验结果如图5所示。

图5 水稳定性能试验结果

由图5可知，天然集料沥青混合料的水稳定性能优于含有再生集料沥青混合料，即不含再生集料沥青混合料具有更高的残留稳定度和冻融劈裂比。同时，在再生集料体积替代率固定的情况下，随着破碎指数的增大，再生集料沥青混合料RCAM-16的残留稳定度与冻融劈裂比均呈现显著的下降趋势，表明集料破碎行为在一定程度上削弱了沥青混合料的水稳定性。这是由于压实过程中，粒径范围从13.2 mm到19 mm的各档集料破碎为粒径更小的集料颗粒，集料中出现了更多没有被沥青所裹覆的花白面，且水泥砂浆中含有大量的二氧化硅进一步削弱了沥青和再生集料界面之间的粘结效果，在水分进入沥青混合料内部时，加速了沥青剥离进程，从而降低了再生沥青混合料的水稳定性能。

此外，当集料破碎指数大于8.6%时，再生集料沥青混合料RCAM-16的残留稳定度、冻融劈裂比分别不满足规范>85%、>80%的要求。因此，实际工程应控制再生集料沥青混合料中集料破碎指数(ACI)不超过8.6%，对应的再生集料体积替代率不应超过75%。