沥青等级对废弃混凝土粗骨料(RCA)热再生沥青混合料性能的影响

2022-11-08王菲菲姜风华

中外公路 2022年5期

王菲菲，姜风华

(1.河南交院工程技术集团有限公司，河南郑州 450046； 2.河南省公路工程监理咨询有限公司，河南郑州 450046)

建筑材料的循环利用对保护自然资源具有重要作用，有利于促进自然资源材料的可持续发展，在新的施工建设中，有必要将破碎的混凝土作为粗骨料进行再生利用，这样将会产生巨大的经济、社会及环境效益[1-3]。

自1982年以来，美国材料试验协会(ASTM)将粗骨料定义为碎的水硬性水泥混凝土，而将人造砂定义为碎混凝土细骨料[4]。同样，美国陆军工程兵团和联邦公路管理局在其规范和指南中提倡使用再生混凝土作为骨料[5]。文献[6-12]介绍了再生骨料、混凝土和砌体的使用及其对环境保护影响方面的研究成果，表明RCA在混合料中的使用将会带来巨大的环境及经济效益。Parekh等[13]认为RCA的使用是对全球现行建筑工程混凝土废料持续增长的一种合理的“绿色”解决方案；魏巍等[14]研究了建筑废弃物再生粗骨料在沥青稳定碎石基层中的应用，发现建筑废弃物沥青混凝土具有良好的力学性能，可达到有关规范要求；Kawakami等[15]研究表明：使用再生混凝土骨料作为建筑材料有助于解决原材料短缺的问题，从而使基础设施建设能够利用循环系统进行资源利用；Qasrawi等[16]研究了RCA对掺60/70沥青的混合料性能的影响；张涛等[17]研究了再生骨料在沥青混合料中的应用，发现适当掺量的再生骨料沥青混合料路用性能完全能够满足规范要求；陈伟等[18]对再生骨料沥青混合料的路用性能进行了研究，发现再生骨料的添加能够改善其抗车辙性能，但对混合料耐久性影响不大。为了探究RCA在热拌沥青混合料中的适用性，研究人员进行了大量研究[19-26]，结果表明RCA的使用具有良好的环境效应。综上所述，关于再生骨料在沥青混合料中的应用研究已经取得了一定的成果，但是沥青等级会影响再生骨料混合料的路用性能，且对于不同的沥青等级，其RCA热再生沥青混合料中RCA的最佳掺量也是不同的，而目前这方面的研究比较缺乏，但是，不同地区在不同气候条件下路面所选用的沥青等级是不同的，因此，开展沥青等级对RCA热再生沥青混合料性能影响的研究十分必要。

由于60/70、80/100两种等级的沥青通常应用于道路施工中，故该文针对不同RCA掺量下，探讨沥青等级(60/70、80/100)对RCA热再生沥青混合料性能的影响。首先对RCA的基本性能进行测定，并与普通骨料进行对比，随后，将粗RCA、普通骨料及不同等级沥青(60/70沥青或80/100沥青)按照一定的比例制备RCA热再生沥青混合料(A型、B型)，最后，对不同混合料试样分别进行体积特性测试和基本性能试验，以深入分析沥青等级及RCA掺量对混合料性能的具体影响，并确定重交通条件下，RCA热再生混合料的最大RCA掺量。

1 试验材料和方法

1.1 原材料

研究选择60/70和80/100两个等级的沥青，参照ASTM规范，对两种沥青的基本特性进行测试，结果如表1所示。粗骨料选用当地的石灰岩碎石，细骨料选择天然砂。

表1 沥青的基本特性

RCA的制备方法如下：首先，将试验室中先前测试的混凝土样品粉碎成块状，再将块状混凝土放在洛杉矶磨耗仪中进行粉碎，然后用粗骨料标准筛对这些颗粒进行清洗、干燥和筛分。由于该文研究的目的是探究粗骨料对沥青混合料性能的影响，因此去除直径小于5 mm或大于25.4 mm(ASTM#4)的RCA料。随后，将普通骨料和粗骨料按照一定比例进行混合，骨料的级配曲线如图1所示。

对于普通骨料的性能测试，每项性能测试3次并取平均值。由于RCA性能测试结果的离散性太大，因此每项性能测试6次并取平均值(取自不同的压碎批次)。按照ASTM规范，对普通骨料和RCA的相对密度、吸水率、硬度以及压实密度指标分别进行测定，两种骨料的基本物理特性如表2所示。

图1 骨料的级配曲线

从表2可以看出：相比于普通骨料，RCA的相对密度更低，而吸水率更高，这主要是由于在RCA中，水泥浆与骨料之间的附着力受水分的影响，其中的水泥浆是良好的吸水性材料，因此，RCA的相对密度低，吸水性好。同时，两种骨料的磨光值、洛杉矶磨耗值以及骨料压碎值接近。

表2 骨料的物理特性

1.2 试验方案

为了制备不同RCA掺量下热再生混合料试件，首先采用Superpave旋转压实仪初步确定不掺RCA的普通混合料的最佳沥青用量，即混合料空隙率为4.0%时的沥青含量，其最佳沥青用量的确定如图2所示。然后在最佳沥青用量下，验证混合料的其他体积特性是否满足要求。其次，采用RCA以不同的掺配比例替换混合料中的粗骨料，RCA的掺量分别为25%、50%、75%和100%(占全部粗骨料，包括普通粗骨料和RCA)，得到4种掺量的RCA热再生混合料试件，然后采用旋转压实仪确定RCA热再生混合料的最佳沥青用量。其中，在不同RCA掺量(0、25%、50%、75%和100%)下，采用60/70沥青制备的再生混合料统一记为A型混合料，采用80/100沥青制备的再生混合料统一记为B型混合料。对A型和B型混合料均采用相同的试验步骤。

图2 最佳沥青用量的确定

研究制备了10种RCA热再生混合料试件，包括5种A型混合料试件和5种B型混合料试件(0、25%、50%、75%和100%)，然后对这10种混合料试件分别进行物理体积特性测试以及基本路用性能测试，以深入分析沥青等级对RCA热再生沥青混合料性能的影响，并确定满足重交通极限要求的最大RCA掺量。

2 沥青等级对RCA热再生混合料物理体积特性的影响

为了研究沥青等级对RCA热再生混合料体积特性的影响效果，并确定满足重交通极限要求的最大RCA掺量，首先采用旋转压实仪确定不同混合料的最佳沥青用量，然后在此最佳沥青用量下，对不同混合料的相对密度、空隙率、沥青填充空隙率、矿料空隙率及马歇尔稳定度等物理体积特性进行对比分析，进而得出RCA掺量对混合料体积特性的影响效果，试验结果如图3～8所示。

由图3可知：RCA掺量对混合料的最佳沥青用量具有显著影响，对于A型和B型混合料，其最佳沥青用量均随着RCA掺量的增加而增加；且在相同的RCA掺量下，A型(60/70)再生混合料的最佳沥青用量明显低于B型(80/100)，这说明沥青等级对混合料的最佳沥青用量具有显著影响。Rafi等[20]研究表明：

图3 RCA掺量与最佳沥青用量之间的关系

图4 RCA掺量与混合料相对密度之间的关系

图5 RCA掺量与空隙率之间的关系

图6 RCA掺量与矿料空隙率之间的关系

混合料的最佳沥青用量之所以会出现这种变化趋势，主要是因为与普通骨料相比，RCA对沥青的吸收效果更好。同时，Sushanta等[21]研究发现在混合料中掺入RCA会导致最佳沥青用量的显著增加，而这种增加是由于RCA表面较大的粗糙度导致的。与此相反，Zulkati等[22]研究表明：RCA的掺量对混合料最佳沥青用量无显著影响，且对于不同类型的沥青都是一样的。

图7 RCA掺量与沥青填充空隙率之间的关系

图8 RCA掺量与马歇尔稳定度之间的关系

从图4可以看出：RCA掺量对混合料的相对密度有显著影响，且相对密度随着RCA掺量的增加而减小。同时随着RCA掺量的增加，混合料相对密度减小的幅度逐渐增大，出现这种结果的原因可能是：① RCA的相对密度比普通骨料的相对密度更低；② 在保证混合料性能的前提下，相比于普通沥青混合料，RCA热再生混合料对添加的沥青要求更高；③ RCA热再生混合料的空隙率高于普通沥青混合料。此外，A型、B型两种混合料的曲线变化趋势相同，但B型混合料的相对密度低于A型，这主要是因为B型沥青混合料所需的沥青用量更高。

从图5可以看出：A型、B型两种再生混合料的曲线变化情况是一致的，RCA掺量对两种再生混合料的空隙率均具有显著的影响，且混合料空隙率随着RCA掺量的增加而增加，RCA掺量越大，空隙率也越大。同时，在相同的RCA掺量下，A型、B型两种再生混合料的空隙率接近。由图6可知：RCA掺量对矿料空隙率具有显著的影响，矿料空隙率随着RCA掺量的增加而减小。这与前人的研究结果是一致的[21-23]，原因是相比于普通骨料，RCA表面的孔隙数量更多，能够吸收更多的沥青，导致沥青混合料中有效沥青的含量减少，从而导致矿料空隙率减小[23]。此外，对于A型、B型两种再生混合料来说，其矿料空隙率随RCA掺量的变化趋势是一致的，且在相同的RCA掺量下，它们的矿料空隙率值也是接近的，说明这两种沥青等级(60/70、80/100)对于混合料的空隙率和矿料空隙率无显著影响。同时，从图5、6可以看出，若考虑空隙率和矿料空隙率指标，在满足重交通极限要求的前提下，对于A型和B型混合料，其最大RCA掺量均为25%。

由图7可知：A型、B型两种再生混合料的曲线变化情况是一致的，RCA掺量对沥青填充空隙率具有显著的影响，RCA掺量的增加会导致沥青填充空隙率减少，这与Rafi等、Sushanta等、Zulkati等及Paranavithana等的研究结果是一致的[20-24]。在相同的RCA掺量下，B型再生混合料的沥青填充空隙率高于A型混合料，这可能是由于与60/70沥青相比，80/100沥青的黏度较低导致的。说明沥青等级(60/70、80/100)对于混合料的沥青填充空隙率具有一定的影响。此外，若考虑沥青填充空隙率指标，对于A型和B型混合料，其满足重交通极限要求的最大RCA掺量分别为25%和50%。

由图8可知：RCA的加入会降低混合料的马歇尔稳定度，且马歇尔稳定度是随着RCA掺量的增加而降低的；随着RCA掺量的增加，B型混合料的降低幅度越来越大，而A型混合料的降低幅度越来越平缓。同样，在相同的RCA掺量下，A型混合料的马歇尔稳定度高于B型，这主要是由于80/100沥青的黏度低于60/70沥青导致的。此外，若考虑马歇尔稳定度指标，对于A型和B型混合料，其满足重交通极限要求的最大RCA掺量均为25%。

3 沥青等级对RCA热再生混合料性能的影响

3.1 间接拉伸强度(SITS)和拉伸强度比(RTSR)分析

为了研究沥青等级对不同掺量RCA热再生混合料性能的影响，需计算间接拉伸强度和拉伸强度比。首先在最佳沥青用量下，借助马歇尔稳定试验仪，对不同混合料(每种混合料测试3个样品取平均值)进行试验，设置试验温度为25 ℃，试验模式为间接拉伸模式，并记录每个样品的失效荷载，同时采用式(1)计算每个样品的间接拉伸强度，SITS随RCA掺量的变化情况如图9所示。

(1)

式中：P为破坏载荷；t为样品厚度；d为样品直径。

由图9可知：对于A型和B型两种混合料的曲线变化趋势是一致的，RCA的加入均降低了混合料的间接拉伸强度值，且间接拉伸强度随着RCA掺量的增加而降低，降低幅度越来越大，B型再生混合料的间接拉伸强度降低幅度高于A型再生混合料。另外，在RCA掺量相同时，与B型再生混合料相比，A型再生混合料具有更高的间接拉伸强度值。这说明沥青等级(60/70、80/100)对混合料的间接拉伸强度具有显著影响。

图9 RCA掺量与间接拉伸强度之间的关系

相关研究表明路面车辙深度与间接拉伸强度成反比[23-26]，因此在混合料中添加RCA会增加路面车辙出现的可能性，如果在混合料中掺入大量的RCA，则会降低混合料的间接拉伸强度值，进而降低混合料的抗车辙性能。此外，Khosla等[25]指出，在一定的当量荷载条件下，路面的预期寿命受间接拉伸强度最低水平的控制，因此，RCA热再生混合料路面的预期寿命将低于普通混合料(不含RCA)路面，而再生混合料中RCA掺量过高可能会加剧路面车辙的产生，降低路面的预期寿命。

此外，将上述混合料试样在60 ℃及有水条件下放置24 h，然后测试其拉伸强度，测试结果发现其间接拉伸强度有所降低。同时计算其拉伸强度比，拉伸强度比是经过水处理的样品(间接拉伸强度，有水处理24 h，60 ℃)与未经处理的样品的拉伸强度之比，拉伸强度比是衡量沥青混合料对水敏感性的指标[25]。拉伸强度比值越高表明该混合料的水敏感性越差，抗水损害性能越好。不同混合料试件的拉伸强度比计算结果如图10所示。

图10 拉伸强度比随着RCA掺量的变化情况

由图10可知：RCA掺量对拉伸强度比具有显著影响，且拉伸强度比随RCA掺量的增加而减小，即RCA热再生混合料的水敏感性优于普通混合料(不掺RCA)的水敏感性，表明RCA热再生混合料试样的耐水损害性较差。A型和B型混合料的拉伸强度比曲线变化趋势是一致的，在相同的RCA掺量下，B型混合料的拉伸强度比值高于A型，即B型混合料的耐水损害性优于A型，这说明沥青等级对混合料的拉伸强度比具有显著影响。此外，若考虑拉伸强度比指标，对于A型和B型混合料，其满足极限要求的最大RCA掺量均为50%。

根据上述分析结果可知：RCA热再生混合料的间接拉伸强度和TSR均随着RCA掺量的增加而减小，且变化规律比较明显，这主要是由于混合料自身强度的大小受沥青结合料性能的影响，而在RCA再生混合料中，随着RCA掺量的增加，再生混合料中所含老化结合料的掺量会增大，从而使得结合料变硬，塑性下降而流动性变差，再生混合料中结合料与集料之间的黏附性下降，进而使得再生混合料的间接拉伸强度值下降，水稳定性变差，拉伸强度比值下降。

但是，由于单独采用拉伸强度比指标对路面整体抗水损害性能进行评价是不全面的，因此，应采用混合料试样的拉伸强度间接拉伸强度以及拉伸强度比来进行综合评价[25]。尽管当RCA的掺量为50%时，RCA热再生混合料的拉伸强度比值满足极限要求，但试样的间接拉伸强度值较小，仍旧说明RCA热再生混合料的整体性能较差。

综上所述，当RCA的掺量为25%时，混合料试样的上述所有指标均能够满足AASHTO规范对重交通的要求(空隙率为3%～5%，稳定度大于6 672 N，矿料空隙率大于14%，沥青填充空隙率为65%～80%)。当RCA的掺量高于25%时，混合料试样的某些特性不能满足规范要求。但对于水敏感性，当RCA的掺量不超过50%时，其拉伸强度比指标高于80%，可以认为混合料试样的水敏感性满足规定要求。因此，对于A型和B型混合料，建议其满足重交通要求的最大RCA掺量为25%。

3.2 回弹模量分析

回弹模量(MR)是衡量沥青混合料刚度大小的指标。材料的回弹模量实际上是对其弹性模量(E)的估计。弹性模量是指应力除以缓慢施加荷载的应变，而回弹模量是指应力除以快速施加荷载的应变，更接近实际路面受力状态。

回弹模量是通过单轴试验测定的。该试验是对圆柱形混合料试件施加大小、持续时间及循环次数恒定的重复轴向循环应力，它本质上是循环版的单轴压缩试验，而循环荷载能够很精确地模拟实际交通荷载。在25 ℃的测试温度下，对不同RCA掺量下的A型及B型混合料试样(每种混合料测试3个样品)进行回弹模量(MR)测试，测试结果如图11所示。

图11 回弹模量随着RCA掺量的变化

图11表明：RCA的加入会降低混合料的回弹模量，且混合料的回弹模量随着RCA掺量的增加而减小，这主要是由于在RCA热再生混合料中，随着RCA掺量的增加，混合料中骨料的整体强度下降，从而导致混合料的刚度下降，回弹模量减小。其中B型混合料(80/100)的减小量越来越大，而A型混合料(60/70)的减小量越来越平缓。分析原因如下：① 相比于普通骨料，RCA的硬度较小且洛杉矶磨耗值较高；② 普通骨料的压碎值低于RCA，普通骨料的强度更高；③ RCA掺量较高的再生混合料其沥青用量更高。因此，相比于普通混合料(不掺RCA)，RCA热再生混合料的回弹模量更低。此外，由图11可以看出：在RCA掺量相同时，A型再生混合料的MR值高于B型再生混合料，这是因为60/70沥青比80/100沥青更硬，且黏度更高导致的，同时说明沥青等级(60/70、80/100)对RCA热再生混合料的回弹模量具有显著的影响。

3.3 抗滑性能分析

为了研究沥青等级对不同掺量RCA热再生混合料抗滑性能的影响，采用Superpave旋转压实仪对直径为15 cm、高为7 cm的混合料试件进行压实，采用英国摆式防滑测试仪测试混合料试件的抗滑性能。英式摆锤仪适用于现场沥青路面测试，而不适用于测试试验室混凝土样品，且由于英式摆锤仪在沥青混凝土表面的接触范围为124～127 mm，因此可设计一个特殊的夹具将样品固定在适当的位置，夹具底座调整为可以容纳直径为15 cm的试件，此外，用较长的螺钉替换摆锤的调节螺钉，使其可以测试7 cm高的试件。改进后的英式摆锤测试仪如图12所示[27]。

图12 改进的英国摆式防滑测试仪

参照ASTM E303-93(2013)，对混合料试件进行抗滑性能测试，每种混合料选择两个试样进行测试，每个样品重复测试5次，不同混合料试样的抗滑摆值测试结果如图13所示。

图13 抗滑摆值随RCA掺量的变化

从图13可以看出：混合料的抗滑摆值随着RCA掺量的增加而增大，即RCA掺量对混合料的抗滑性能具有显著影响，RCA的掺量越高，混合料抗滑性能越好，这主要由于RCA表面纹理的粗糙度较大导致的。此外，对于A型、B型两种再生混合料来说，其抗滑摆值随RCA掺量的变化趋势是一致的，且在相同的RCA掺量下，A型再生混合料的抗滑性能优于B型再生混合料，原因是60/70沥青的黏度高于80/100沥青，同时说明沥青等级对RCA热再生混合料的抗滑性能具有显著影响。此外，为了进一步研究RCA掺量对混合料抗滑性能的长期影响，对普通骨料和RCA的磨光值进行了测试，结果如表2所示。由表2可得，普通骨料的磨光值略高于RCA(两者之间仅相差2)，因此可得，与不掺RCA的混合料相比，尽管RCA热再生沥青混合料的初始抗滑性能更好，但从长远来看，两者的抗滑性能相近。