李滿意

(江蘇緯信工程咨詢有限公司，南京 210000)

可持續(xù)公路路面的設(shè)計和施工旨在保護(hù)自然資源、降低經(jīng)濟(jì)成本[1-2]，但目前使用天然集料進(jìn)行大量路面施工和維護(hù)違反了可持續(xù)發(fā)展的宗旨。 建筑垃圾破碎生產(chǎn)的再生骨料作為一種可循環(huán)利用的再生材料，因其低價易得、可塑性強(qiáng)、附加值高、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)受到國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者的關(guān)注，并在再生水泥混凝土中進(jìn)行大量應(yīng)用[3-5]。 羅玲等[6-7]以原生混凝土的強(qiáng)度為依據(jù)，以不同類別的再生骨料代替部分天然集料制備再生砂漿。 李爽[8]在研究再生粗骨料宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了針對再生骨料的三級評價體系。 胡忠豪[9]、王馨偉[10]通過對比天然粗骨料和再生粗骨料在性能的差異，對各種混凝土用粗集料實行統(tǒng)一的分級標(biāo)準(zhǔn)。 目前對再生骨料的研究應(yīng)用大多集中在水泥混凝土中， 本文嘗試將再生骨料應(yīng)用于目前使用最廣泛的SMA-13 型瀝青混合料中， 一方面解決建筑垃圾占用大量空間且污染水土環(huán)境的問題， 另一方面避免天然石材的過度開采，降低建設(shè)成本。

1 原材料及性能評價及配合比設(shè)計

1.1 集料

本研究所用集料包括天然骨料 (NA) 和再生骨料(RCA)。其中，天然骨料為江西某石場生產(chǎn)的玄武巖，根據(jù)粒徑將其分為NA1# 料(5～15 mm)、NA2# 料(5～10 mm)、NA3# 料(3～5 mm)和NA4# 料(0～3 mm)，再生骨料由抗壓強(qiáng)度為60 MPa 的混凝土梁廢料進(jìn)行破碎后得到，對粉碎的混凝土進(jìn)行篩分，并將通過16 mm 篩網(wǎng)的顆粒用于試驗。 集料各項技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 集料技術(shù)指標(biāo)

1.2 瀝青

本研究選取江陰寶利生產(chǎn)的I-C 型SBS 改性瀝青，按相關(guān)規(guī)范對其進(jìn)行性能指標(biāo)試驗，試驗結(jié)果見表2。

1.3 木質(zhì)素纖維

本試驗選用的木質(zhì)素纖維為瑞登梅父子公司生產(chǎn)的ZZ8/1 型絮狀纖維，摻量為3‰。 對木質(zhì)素纖維進(jìn)行相關(guān)性能測試，測試結(jié)果見表3。

1.4 礦料級配設(shè)計

本文選取的瀝青混合料類型為SMA-13 型瀝青混合料，其中RCA 摻量分別為0%、20%、40%、60%。 ，合成級配見表4 所示。

1.5 最佳油石比的確定

本研究采用馬歇爾設(shè)計法， 通過測量瀝青混合料流量值、空隙率、瀝青飽和度、總體積密度、穩(wěn)定性和其他指標(biāo)，經(jīng)過計算得出最佳油石比OAC。 試驗結(jié)果見表5。

2 再生骨料瀝青混合料力學(xué)性能研究

2.1 抗壓回彈模量

雖然瀝青試件的馬歇爾穩(wěn)定度被廣泛應(yīng)用于路面施工過程中的質(zhì)量控制， 但并沒有用于實際的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計。最新的路面設(shè)計考慮了材料的剛度和彈性，路面層設(shè)計厚度取決于所采用材料的彈性模量大小。 彈性模量測量是材料在不經(jīng)歷永久變形的情況下吸收重復(fù)沖擊載荷的剛度， 彈性模量高的路面能夠承受較大交通量而不會產(chǎn)生裂縫和車轍。 本研究通過逐級加載、卸載試驗方法確定再生骨料瀝青混合料的抗壓回彈模量。 試驗結(jié)果見圖1。

表2 瀝青技術(shù)指標(biāo)

表3 木質(zhì)素纖維性能指標(biāo)及檢測數(shù)據(jù)

表4 礦料合成級配

表5 各摻量再生骨料瀝青混合料最佳油石比

圖1 再生骨料瀝青混合料抗壓回彈模量

試驗結(jié)果表明，20%RCA 的抗壓回彈模量最高。 40%RCA 的抗壓回彈模量與不摻RCA 的抗壓回彈模處于同一水平，僅相差0.6%。超過40%RCA 后，抗壓回彈模量減小，與不摻RCA 的抗壓回彈模相比減少了約20%，這意味著混合料中RCA 含量超過40%可能無法長期承荷載，并且由于混合料中較高的空隙率而不會出現(xiàn)松散和裂縫擴(kuò)展現(xiàn)象。

2.2 間接抗拉強(qiáng)度

瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和抗壓回彈模量的應(yīng)用本質(zhì)上模擬路面受壓情況， 路面表面承受不同類型的壓應(yīng)力，從而在路面層內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，因此在進(jìn)行路面設(shè)計時應(yīng)充分考慮路面受壓引起的內(nèi)部拉應(yīng)力。 路面承受此類拉應(yīng)力的能力可通過間接抗拉強(qiáng)度試驗進(jìn)行評估。 本文采用劈裂試驗測定不同再生骨料摻量的瀝青混合料間接抗拉強(qiáng)度。采用UTM-25 萬能試驗機(jī)進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 劈裂試驗結(jié)果

瀝青混合料間接抗拉強(qiáng)度代表再生骨料瀝青混合料在外界荷載作用下抵抗破壞的能力， 破壞勁度模量則反映了再生骨料瀝青混合料抵抗長期荷載的能力， 間接抗拉強(qiáng)度越大，表示混合料抵抗破壞的能力越強(qiáng)。由圖2 的試驗結(jié)果分析可知，隨著RCA 摻量的不斷提高，瀝青混合料的間接抗拉強(qiáng)度和破壞勁度模量都呈下降趨勢，摻20%RAC、40%RCA、60%RCA 的瀝青混合料抗拉強(qiáng)度分別降低了4.6%、8.9%、17.8%。 這說明RCA 的摻入會使得瀝青混合料的抵抗破壞的能力變差。其原因可能是：瀝青混合料中摻加RAC 后帶來部分殘余砂漿，骨料與瀝青黏結(jié)這一接觸類型被再生粗骨料表面的殘余砂漿所取代，殘余砂漿的強(qiáng)度自然低于骨料的強(qiáng)度， 因此部分砂漿由于強(qiáng)度不足被破壞， 導(dǎo)致試件整體的破壞，RCA 摻量越大，殘余砂漿越多，試件抗拉強(qiáng)度自然下降越多。

3 再生骨料瀝青混合料路用性能研究

3.1 高溫穩(wěn)定性

變形是路面病害最常見的表現(xiàn)形式， 路面發(fā)生永久變形的現(xiàn)象稱為車轍， 路面抗車轍性能是衡量其動態(tài)穩(wěn)定性的指標(biāo)。在高溫氣候下，路面更容易出現(xiàn)車轍，此外，交通較為集中的地區(qū)例如交叉口也容易出現(xiàn)車轍。 本文選用車轍試驗來評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性， 試驗結(jié)果如圖3、表6 所示。

表6 車轍試驗結(jié)果

圖3 車轍試驗結(jié)果

由圖3、表6 可知，在本文研究范圍內(nèi)，4 種RCA 摻量的混合料動穩(wěn)定度均大于3000 次/mm， 滿足規(guī)范要求。 并且隨著RCA 應(yīng)用比例的提高，瀝青混合料動穩(wěn)定度呈現(xiàn)上升的趨勢，并且其相對變形率不斷減小。與天然骨料成型的再生骨料瀝青混合料對比后發(fā)現(xiàn)， 摻20%RAC、40%RCA、60%RCA 的瀝青混合料動穩(wěn)定度分別提高了4.1%、9.3%、14.2%。 這說明RCA 的摻入會使得再生骨料瀝青混合料的抵抗高溫永久變形能力增強(qiáng)。 這主要是因為殘余砂漿的附著使再生粗骨料的表面具有較大的粗糙度，在混合料內(nèi)部，骨料與骨料之間的摩擦力較天然骨料之間有所增大。因此在車輪荷載作用下，骨料之間的嵌擠作用得到增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定，從而提高了再生骨料瀝青混合料的抗高溫永久變形能力。

3.2 水穩(wěn)定性

通過文獻(xiàn)調(diào)研可知， 再生骨料替代部分天然集料應(yīng)用于瀝青混合料中，通常會使路面抗水損害能力不足。本文采用浸水馬歇爾試驗， 以殘留穩(wěn)定度這一指標(biāo)作為路面抗水損害的衡量標(biāo)準(zhǔn)。 試驗結(jié)果見表7。

表7 浸水馬歇爾試驗結(jié)果

由表7 可知， 隨著RCA 代替天然骨料比例的增加，再生骨料瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和浸水殘留穩(wěn)定度都在不斷下降， 與天然骨料成型的再生瀝青混合料對比后可以得出結(jié)論， 摻20%RAC、40%RCA、60%RCA 的殘留穩(wěn)定度分別降低了1.8%、3.0%、6.3%，雖然從數(shù)值上看下降幅度并不算明顯，但40%RCA 的抗水損害能力僅僅剛達(dá)到規(guī)范要求，60%RCA 甚至不能滿足規(guī)范要求。這說明在本文研究范圍內(nèi)再生骨料的應(yīng)用確實會對瀝青混合料的抗水損害能力起負(fù)面作用，從實驗結(jié)果來看，建議在實際工程中RCA 摻量不要超過40%。

3.3 抗疲勞性能

當(dāng)路面在一段時間內(nèi)反復(fù)受到交通荷載和溫度荷載時，會出現(xiàn)拉伸應(yīng)變的累積，表現(xiàn)為路表面的裂縫萌生和擴(kuò)展，由此產(chǎn)生的裂縫被叫做疲勞裂縫。本研究采用間接拉伸疲勞試驗表征瀝青試件對反復(fù)荷載作用的承受能力。 實驗結(jié)果見圖4。

圖4 疲勞實驗結(jié)果

瀝青混合料的疲勞作用次數(shù)越多，，其抵抗疲勞荷載的能力越好。 由圖4 的試驗數(shù)據(jù)分析可知，隨著RCA 摻量的增加，瀝青混合料的疲勞作用次數(shù)在不斷降低，這說明CRCA 的摻入使瀝青混合料的抗疲勞性能有所下降。摻20%RAC、40%RCA、60%RCA，相對于天然骨料成型的瀝青混合料，分別降低了5.3%、9.6%和13.5%。 這主要是因為再生粗骨料的殘余砂漿與骨料之間的接觸界面在彎曲荷載作用下更容易產(chǎn)生脆性破壞， 再加上再生粗骨料瀝青混合料擁有較大的勁度模量， 使得混合料的變形受到阻礙，從而導(dǎo)致發(fā)生斷裂破壞的可能性變大。

4 結(jié)論

(1)再生骨料瀝青混合料中RCA 所占比例越高，則需要更高的瀝青含量才能獲得最佳性能。

(2)在彈性模量和間接拉伸強(qiáng)度試驗中，20%RAC 彈性模量最高，40%RAC 的彈性模量和間接抗拉強(qiáng)度與普通瀝青混合料相持平。

(3)再生骨料瀝青混合料的高溫抗永久變形能力隨RCA 摻量的增加而提升，但其抗水損害性及抵抗疲勞荷載的能力卻隨RAC 摻量的增加而降低。

(4)綜合考慮其力學(xué)性能及路用性能，建議用40%的RCA 替代天然骨料。