建筑再生集料对沥青混合料水稳定性能的影响

2021-11-08韦炳锐龚伟迪刘威勤

西部交通科技 2021年8期

黎旭，韦炳锐，龚伟迪，刘威勤

(广西新发展交通集团有限公司，广西南宁 530029)

0 引言

城市建筑的改建会产生大量的建筑垃圾，其约占城市废弃固体总量的40%左右，据统计，全国建筑垃圾的生成量约16亿 t，多年累积量高达数十亿 t。建筑垃圾的堆放与处理是一项技术难题，目前建筑垃圾的处理方式主要为堆弃在偏远的郊外或乡村，这会占用大量的土地资源，也会对当地环境造成污染，所以如何有效地处置建筑垃圾是社会关注的焦点之一。建筑垃圾中的砖混材料本来就具有工程材料的属性，具有再生利用的潜力，若能将废旧的砖混材料再生利用，可实现资源的循环利用，减轻石料紧张的压力，减少环境污染[1-3]。

建筑垃圾中的碎砖和碎混凝土块经过处理可转化为具有一定级配的建筑再生粗集料，截至2018年，我国的三等级及以下公路里程占全国总里程的80%，为381.81万 km，这些公路的养护维修和改扩建需要消耗大量的建筑集料。若将建筑再生粗集料代替天然骨料，可提高建筑垃圾的利用率，减少环境污染，符合绿色交通的理念[4-6]。

在建筑再生粗集料应用于道路面层方面，国内研究人员做了大量研究。钟进军[7]将粒径为0～4.75 mm的再生集料掺加到沥青混合料中，试验表明：沥青混合料(含再生集料)的劈裂强度、动稳定度和低温抗开裂性能均低于沥青混合料(含天然集料)，这是由于再生集料的自生强度特性较低导致的，但沥青混合料(含再生集料)的路用性能均满足规范要求，故建筑再生集料可用于道路沥青混合料中。张涛[8]将改性后的建筑再生集料掺加到沥青混合料中，研究表明：建筑集料表面的多孔结构会致使其吸水率较高，防水抗油剂和研磨可有效降低其吸水率，沥青混合料(含再生集料)的强度会随着建筑再生集料掺量的增加而降低。陈伟[9]的研究结果表明：再生集料与沥青间的粘结性强于天然集料与沥青间的，故含再生集料的沥青混合料动稳定度大于含天然集料的，且含再生集料的沥青混合料水稳定性也较好，再者，以混合料的抗剪力为设计指标，提出了建筑再生集料沥青混合料设计方法。王知乐[10]将建筑再生集料掺加到沥青混合料中，结果表明：再生集料的技术指标均满足规范要求，其沥青混合料的稳定度比含天然集料的提高了4%，沥青的最佳掺量提高了0.2%。贾艳东等[11]研究表明：再生集料表面含有的水泥浆使其密度降低，进而使混合料的密度降低，通过增加搅拌次数增加再生集料表面的沥青膜厚度，沥青膜厚度对马歇尔稳定度的影响较大，对流值的影响较小。赵振宇[12]将粒径为10～20 mm的建筑再生集料应用于低等级道路的沥青面层，研究结果表明：随着建筑再生集料掺量的增加，沥青混合料的动稳定度先增加后下降，掺量为50%时，动稳定度最大，破坏应变、弯拉强度和浸水残留稳定度逐渐下降，综上，建议再生集料的掺量为50%。

以上文献研究表明：大多数情况下，沥青混合料(含再生集料)的水稳定性较差。为提高建筑再生集料的水稳定性，本文将探究沥青膜厚度对建筑再生集料沥青混合料水稳定性的影响，以求通过调整沥青膜厚度增加建筑再生集料沥青混合料的水稳定性。

1 原材料

1.1 SBS改性沥青

为提高沥青混合料的强度，本文采用SBS改性沥青，其技术指标均满足规范要求，SBS改性沥青的技术指标如表1所示。

表1 SBS改性沥青技术指标表

1.2 甲基硅酸钠

因建筑再生集料的吸水量较大，本文将抗渗型甲基硅酸钠防水剂拌和到建筑再生集料的表面，以提高其防水能力。抗渗型甲基硅酸钠防水剂的技术指标如表2所示。使用方法：将甲基硅酸钠与水均匀混合在一起，甲基硅酸钠与水的体积比为1∶4，利用喷水壶将混合料溶液均匀喷洒在建筑再生集料表面上，等水蒸发后，甲基硅酸钠会粘附在建筑再生集料的表面。

表2 甲基硅酸钠技术指标表

1.3 建筑再生集料与新集料的技术特性

本文采用粒径为10～15 mm和5～10 mm的建筑再生集料按比例等质量替代新集料，建筑再生集料与新集料均由浙江省金鑫矿业有限公司提供，建筑再生集料与新集料的技术特性如表3所示。由表3可知，建筑再生集料的吸水率大于新集料的，这是因为建筑再生集料中含有碎砖和碎混凝土等材料，这些材料表面有大量孔隙，所以导致了吸水率增大。当集料表面涂敷甲基硅酸钠后，建筑再生集料的吸水量大幅度降低。除此之外，建筑再生集料的洛杉矶磨耗损失率和压碎值均大于新材料的，这是因为建筑再生集料在服役后强度有所降低，且部分建筑再生集料表面粘有碎水泥混凝土，在外力作用下剥落。

表3 建筑再生集料与新集料的技术特性表

2 试验方案

本文参照《公路沥青路面施工技术规范》选用AC-16型沥青混合料配比范围，再生集料的替代比例分别为0%、25%、50%、75%和100%，分别命名为ZS-0、ZS-25、ZS-50、ZS-75和ZS-100，替代方式为按比例等质量替代，它们的合成级配如下页表4所示。当建筑再生集料的掺量为50%和100%，且表面涂敷甲基硅酸钠时，混合料命名为ZS-50J和ZS-100J。

表4 合成级配的通过率表

3 水侵蚀作用下路用性能的衰变

本文主要探讨建筑再生集料对沥青混合料水稳定性的影响以及在水侵蚀下建筑再生集料沥青混合料路用性能的衰变情况试验主要包括浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、高温车辙试验和低温弯曲小梁试验。

3.1 水稳定性

采用劈裂试验探究建筑再生骨料AC-16的水稳定性。本文对路用性能试验条件进行调整，在劈裂试验中，试验方案一：(1)60 ℃水浸泡48 h+25 ℃水浸泡2 h；(2)60 ℃水浸泡96 h+25 ℃水浸泡2 h；(3)60 ℃水浸泡144 h+25 ℃水浸泡2 h。试验方案二：(1)-18 ℃冰冻16 h+60 ℃热水浸泡24 h+25 ℃水浸泡2 h(1次冻融循环)；(2)3次冻融循环；(3)5次冻融循环。得到的试验结果如表5和表6所示。由表5和表6可知，随着建筑再生骨料掺量的增加，劈裂残留强度比值逐渐减小，试件浸泡48 h，建筑再生骨料的掺量>50%时，劈裂残留强度比值<80%，不满足规范要求。当建筑再生骨料的掺量为50%时，60 ℃水浸泡144 h后，劈裂残留强度比值为73.1%，5次冻融循环后，劈裂残留强度比值为63.8%，说明冻融循环更容易对建筑再生骨料沥青混合料造成破坏，这可能是因为建筑再生骨料表面孔隙中的水在冰冻下的膨胀力会使骨料与沥青脱离接触，故骨料表面孔隙越多，混合料越容易损害。

表5 方案一劈裂试验结果表

表6 方案二劈裂试验结果表

当建筑再生集料的表面涂敷甲基硅酸钠时，沥青混合料的劈裂残留强度比提高。例如，当建筑再生集料的掺量为50%，表面涂敷甲基硅酸钠时，沥青混合料的劈裂残留强度比比未涂敷甲基硅酸钠的提高了3.9%(60 ℃，48 h)、2.7%(60 ℃，96 h)和3.2%(60 ℃，144 h)。经冻融循环后，劈裂残留强度比也分别提高了3.4%(1次循环)、4.2%(3次循环)和3.3%(5次循环)。这说明了甲基硅酸钠能防止水侵入到沥青与集料间的空隙。

3.2 高温稳定性

本文采用车辙试验评价再生沥青混合料的高温稳定性能，得到的试验结果如图1所示。由图1可知，随着建筑再生集料掺量的增加，沥青混合料的高温稳定性降低，这是因为建筑再生集料的技术特性(例如压碎值)低于新集料。沥青混合料(经5次冻融循环)的动稳定度小于水侵蚀144 h后的沥青混合料。这说明冻融循环对沥青混合料的抗剪性能影响较大。当建筑再生集料的掺量为75%和100%时，经水侵蚀后，动稳定度下降幅度较小，这是因为建筑再生集料形成的嵌挤结构不足以抵抗轮载的抗剪力，故在水侵蚀前后，其动稳定度都较小。除此之外，甲基硅酸钠对沥青混合料的高温性能影响不大，因为高温稳定度主要是混合料的级配决定的。

图1 混合料车辙动稳定性试验结果柱状图

3.3 低温小梁弯曲试验

通过小梁弯曲试验检验建筑再生集料对沥青混合料低温性能的影响，试验结果如图2～4所示。当建筑再生集料的掺量分为25%、50%和75%和100%时，破坏应变分别下降了11.08%、22.38%、31.39%和40.09%，弯拉强度分别降低了2.41%、5.03%、5.61%和5.94%，随着建筑再生集料掺量的增加，沥青混合料的低温抗裂性能降低。除此之外，试件经冻融循环后，其抗裂性能下降幅度较大。例如，当建筑再生集料的掺量为50%时，5次冻融循环后，破坏应变下降了35.92%，60 ℃浸水144 h后，破坏应变下降了28.51%。所以水的冻胀力对掺加建筑再生集料的沥青混合料低温抗裂性能破坏较大。

图2 沥青混合料的破坏应变柱状图

当建筑再生集料的表面涂敷甲基硅酸钠时，沥青混合料的低温抗裂性能提高。例如，当建筑再生集料的掺量为50%，表面涂敷甲基硅酸钠时，沥青混合料的破坏应变比未涂敷甲基硅酸钠的提高了14.91%(60 ℃，144 h)、12.69%(5次循环)，弯拉强度分别提高了1.72%(60 ℃，144 h)、3.34%(5次循环)，劲度模量分别降低了13.45%(60 ℃，144 h)、8.28%(5次循环)。