建筑垃圾再生骨料沥青混合料性能研究

2022-09-28高林丽李文凯王新严邵景干王菲菲

粘接 2022年9期

高林丽，李文凯，王新严，邵景干，王菲菲

(1.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南郑州 450000; 2.河南交院工程技术集团有限公司绿色高性能材料应用技术交通运输行业研发中心，河南郑州 450046；3.河南建元公路附属设施工程有限公司，河南新乡 453400)

美国学者将不同掺量的再生骨料掺入沥青混合料中进行相关路用性能研究得出，再生骨料能够用到沥青路面工程当中，但掺量不宜超过75%。新加坡学者将建筑垃圾再生细集料等质量替代机制砂进行沥青混合料性能研究，发现其相关技术指标满足本国规范要求。汉城国立大学学者对掺有再生骨料的路面基层及底基层性能进行了研究，通过调整矿料级配、棱角性等参数来测定路面的力学性能得出，再生骨料部分替代天然骨料作为基层材料满足规范要求。我国学者选用密级配AC-25C沥青混合料，将再生细集料与天然细集料沥青混合料进行性能对比研究得出，再生细集料沥青路面整体路用性能低于天然细集料，但相关技术指标满足现行规范要求；对地震废弃物再生骨料进行研究表明，再生骨料能够用于沥青路面，但需添加部分天然骨料或有机硅树脂来弥补其性能的不足；用有机硅树脂处理再生骨料，使得再生骨料强度、粘附性及吸水率等性能得到改善，并提出新的再生骨料沥青混合料最大理论相对密度测定方法；通过室内试验证明再生骨料能够应用于沥青路面，提高混合料的拌和时间能够增加骨料表面沥青膜厚度，油石比对马歇尔试件流值影响不大。本文选用小型反击式破碎机将建筑垃圾水泥混凝土块破碎成10～20 mm的再生骨料，并将再生骨料与天然石灰岩碎石进行相关指标的对比试验，然后对不同再生骨料掺量的AC-20C沥青混合料分别进行高温抗车辙、低温抗开裂以及抗水损害等路用性能研究，为建筑垃圾水泥混凝土块再生骨料在公路中、下面层的应用提供理论基础。

1 再生骨料破碎设备

建筑垃圾再生骨料生产主要包括2大核心：破碎及筛分装置。破碎水平的高低对再生骨料的质量至关重要。传统颚式破碎机生产出的骨料压碎值、针片状含量等指标较差，骨料之间嵌挤效果较差，影响沥青路面的路用性能。随着科技的发展，技术工艺先进的破碎机械相继出现。

1.1 颚式破碎机

颚式破碎机按进料口尺寸分为大、中、小3类机型，作业时模拟动物两颚运动进行岩石破碎，岩石在活动颚板与固定颚板作用下受压、扭曲、弯曲直至破碎。

1.2 反击式破碎机

在颚式破碎机的基础上，20世纪20年代德国研发出反击式破碎机，它利用冲击动能进行物料破碎，进料宽度100～500 mm，最大强度350 MPa。具有被破碎物料硬度范围广，处理含水率大的物料更有效，出料粒度调节范围广，构件磨损率低、维修费用少等优点，在基础设施建设过程中被广泛应用。

1.3 圆锥式破碎机

圆锥式破碎机主要由静锥及动锥构成，静锥固定在外围，动锥由偏心轴套带动做圆周运动。工作时动锥及静锥距离不断变化，当距离最小时物料受到挤压、弯曲而破碎。具有效率高、能耗低，降低骨料的针片状含量，适用范围广，易于操作、便于维修等优点。

1.4 锤式破碎机

锤式破碎机能够将大粒径的水泥混凝土块破碎成粒径小于25 mm的再生骨料，是通过冲击原理进行工作的破碎设备。具有破碎效率高，结构简单、能耗低，履带式、便于移动等优点，但其构件易磨损、维修成本高，不能破碎含水率大于10%的块石。

2 再生骨料及沥青性能

本文选用巩义鑫利重工机械制造有限公司生产的小型反击式破碎机进行再生骨料生产，破碎机功率为5 kW，示意图如图1所示。建筑垃圾水泥混凝土块来源于郑州市某混凝土结构拆迁现场，根据反击式破碎机进料尺寸对建筑垃圾水泥混凝土块进行人工筛选，筛选过程中要注意非水泥混凝土块不能用于沥青路面；拆迁现场局部建筑垃圾示意图如图2所示。

图1 试验室反击式破碎机

图2 郑州某拆迁现场局部建筑垃圾

2.1 压碎值

选用粒径为10～20 mm天然石灰岩碎石及破碎好的再生骨料过13.2、9.5 mm筛孔，且参照JTG E42─2005相关规定进行压碎值试验，试验结果如表1所示。

表1 压碎值试验结果

由表1可知，天然石灰岩碎石压碎值显著低于再生骨料，这主要因为再生骨料被水泥砂浆包裹，而水泥砂浆的强度低于母岩，在400 kN压力作用下稳压10 min极易发生破碎，导致两种粗集料压碎值试验结果差异较大，但再生骨料压碎值试验结果仍满足高速公路及一级公路不大于28%的要求。

2.2 洛杉矶磨耗损失

选用粒径为10～20 mm天然石灰岩碎石及再生骨料参照JTG E42─2005相关规定进行洛杉矶磨耗损失试验，试验结果见表2。

表2 洛杉矶磨耗损失试验结果

由表2可知，天然石灰岩碎石洛杉矶磨耗损失显著低于再生骨料，这与压碎值试验结果相吻合，但再生骨料洛杉矶磨耗损失试验结果仍满足高速公路及一级公路不大于30%的要求。

2.3 粘附性试验

选用70号A级道路石油沥青及粒径为9.5～13.2 mm的天然石灰岩碎石及再生骨料参照JTG E20─2011相关规定进行粘附性试验，试验结果如表3所示。

表3 粘附性等级试验结果

由表3可知，天然石灰岩碎石与再生骨料的粘附性等级相同，均为5级，表明再生骨料与70号A级道路石油沥青具有良好的相容性，再生骨料应用到沥青混合料中不易出现水稳定性差的危害。

2.4 筛分及密度试验

选用粒径为10～20 mm的天然石灰岩碎石及再生骨料参照JTG E42─2005相关规定进行水洗法筛分及密度试验，试验结果如表4所示。

表4 筛分及毛体积相对密度试验结果

由表4可知，再生骨料与天然石灰岩碎石的各筛孔筛分通过百分率相当；而天然石灰岩碎石的密度大于再生骨料，但相差不大，表明再生骨料等质量替代天然碎石在混合料体积指标方面上可行。

2.5 沥青

本文选用中石油燃料油有限公司生产的70号A级道路石油沥青展开研究，其主要技术指标试验结果如表5所示。

表5 沥青主要技术指标试验结果

3 配合比设计

本文选用密级配AC-20C沥青混合料展开研究，粗集料为10～20、5～10、3～5 mm石灰岩碎石及10～20 mm再生骨料，细集料为0～3 mm石灰岩机制砂，填料为石灰岩磨细的矿粉。再生骨料掺量分别为0%、20%、40%、60%(等百分比替代天然石灰岩碎石)时AC-20C矿料级配设计结果如表6所示；最佳油石比及马歇尔试验结果如表7所示。

表6 密级配AC-20C沥青混合料矿料级配设计结果

表7 最佳油石比及马歇尔试验结果

4 路用性能

4.1 高温稳定性

沥青面层是一种柔性结构层，对温度较为敏感，夏季炎热季节，路表温度往往会超过60 ℃，极炎热地区甚至会超过70 ℃，高温环境下沥青塑性增强，韧性降低，沥青路面在车辆轴载，尤其重轴载重复作用下会发生永久性塑性变形。车辙、拥包、泛油及推移等病害的出现是沥青路面高温稳定性差的主要表现形式。本文选用60 ℃车辙试验来评价不同再生骨料掺量(0%、20%、40%、60%)时AC-20C沥青混合料高温抗车辙能力，车辙板试模的尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，HYCX-1车辙试样成型机如图3所示；试验后的的车辙板试件如图4所示。

图3 车辙试样成型机

图4 试验后的车辙板试件

车辙板成型后需连同试模在室温条件下静置24 h后再进行车辙试验，车辙深度及动稳定度试验结果分别如图5、图6所示；动稳定度(DS)计算公式：

图5 车辙深度试验结果

图6 动稳定度试验结果

(1)

式中：、即碾压时间分别为、时的车辙深度，mm；、分别取45、60 min；为车辙试验机小轮每1 min行走的次数，42次min；、为试验机常数，均取10。

由图5、图6可知，随着再生骨料掺量的增加，AC-20C沥青混合料车辙深度试验结果先降低后升高；动稳定度试验结果先升高后降低，由拟合曲线可以看出，当再生骨料掺量为25%左右时，动稳定度试验结果达到峰值。这主要因为破碎后的再生骨料形状极不规则且表面粗糙，与天然骨料之间能够形成稳定的嵌挤作用；再生骨料表面为碱性的水泥砂浆材料，与沥青有很好的相容性，增加了骨料之间沥青膜的厚度，提高混合料的高温稳定性；当再生骨料掺量超过25%时，再生骨料本身的性能开始发挥作用，水泥砂浆强度较低，掺量过高时会对沥青路面高温抗车辙性能起负面作用。

4.2 低温抗裂性

低温环境下，沥青变得硬而脆，沥青路面在车辆轴载作用下，当结构层内部的温缩应力大于其允许拉应力时就会发生细小裂缝，这些病害在北方冻融交替地区更易出现，冬季气温较低时，路面出现收缩，春季温度回暖时，路面体积膨胀，循环往复开裂间隙逐渐增大，如不加以处治就会进一步恶化成严重裂缝，甚至块状裂缝及龟裂。本文选用-10℃小梁弯曲试验来评价不同再生骨料掺量(0%、20%、40%、60%)时AC-20C沥青混合料的低温抗开裂能力，将车辙板试件切割得到尺寸为250 mm×30 mm×35 mm的小梁试件，试验时小梁跨径为200 mm，小梁试件见图7；SYD-0730A多功能全自动沥青压力试验仪见图8；弯拉强度及弯曲破坏应变试验结果分别如图9、图10所示，二者计算公式如下：

图7 小梁试件

图8 弯曲试验仪

图9 弯拉强度试验结果

图10 弯曲破坏应变试验结果

(2)

(3)

式中：为试件破坏时的弯拉强度,MPa；为试件破坏时弯拉破坏应变,με；为小梁试件宽度,mm；为小梁试件高度,mm；为小梁试件跨径,mm；为试件破坏时的最大荷载,N；为试件破坏时的跨中挠度,mm。

由图9、图10可知，随着再生骨料掺量的增加，AC-20C沥青混合料弯拉强度及弯曲破坏应变试验结果均逐渐降低，再生骨料掺量分别为20%、40%、60%时，混合料弯拉强度试验结果分别降低了2.28%、6.05%、7.99%；弯曲破坏应变试验结果分别降低了8.28%、15.38%、28.44%；当掺量为60%时，弯曲破坏应变为1 842 με，不能满足普通沥青混合料冬冷区不低于2 000 με的要求。为保证沥青路面具有良好的低温抗开裂能力，再生骨料掺量不易超过40%，这主要因为颚式破碎过程中再生骨料内部易发生细微裂纹，会降低沥青路面的低温抗弯拉强度；随着再生骨料的增加，降低幅度逐渐增大，因此再生骨料的掺量不易过大。

4.3 水稳定性

夏季多雨地区，水损害是沥青路面常见的病害，沥青路面随着使用年限的增加，沥青胶浆在温度、车辆轴载、雨水及紫外线等综合作用下极易从骨料之间剥落，坑槽、松散等路面病害的出现是沥青路面水稳定性差的主要表现形式。本文选用浸水马歇尔及冻融劈裂试验来评价在不同再生骨料掺量时，AC-20C沥青混合料的抗水损害能力。浸水马歇尔及冻融劈裂试件各8个，浸水马歇尔试件双面各击实75次，冻融劈裂试件双面各击实50次，浸水马歇尔残留稳定度，冻融劈裂残留强度比(TSR)如计算公式：式(4)式(5)，其试验结果分别如图11、图12所示。

图11 浸水马歇尔残留稳定度试验结果

图12 冻融劈裂残留强度比试验结果

(4)

(5)

式中：为浸水马歇尔残留稳定度，%；为浸水30 min稳定度，kN；S为浸水48 h稳定度，kN；2为冻融后劈裂抗拉强度，MPa；为未冻融劈裂抗拉强度，MPa。

由图11、图12可知，随着再生骨料掺量的增加，AC-20C沥青混合料浸水马歇尔残留稳定度及冻融劈裂残留强度比试验结果均逐渐升高；再生骨料掺量分别为20%、40%、60%时，混合料浸水马歇尔残留稳定度试验结果分别提高了1.59%、3.29%、4.04%，冻融劈裂残留强度比试验结果分别提高了0.51%、1.67%、3.34%。这主要因为再生骨料表面被碱性水泥砂浆包裹，与沥青之间具有较好的粘附性，沥青能够在骨料表面形成稳定的结构沥青膜，且随着掺量的增加，混合料最佳油石比逐渐增大，增大了骨料之间结构沥青膜的厚度，限制了沥青胶浆从骨料之间剥落的风险，抗水损害能力逐渐增强。