□□ 黃少龍 (福建上若工程技術(shù)有限公司，福建 廈門 361100)

引言

隨著基建開(kāi)發(fā)力度不斷加大，越來(lái)越多的建筑垃圾與越來(lái)越匱乏的天然砂石資源已經(jīng)成為我國(guó)環(huán)境保護(hù)和工程建設(shè)的主要矛盾之一。其中，廢棄混凝土占建筑垃圾的比例最大，如果能將其經(jīng)過(guò)破碎得到合理級(jí)配的骨料，用于制備再生粗骨料瀝青混合料，不僅可以減少混凝土固廢垃圾的堆積，達(dá)到資源再利用的目的，還可以減少天然砂石的使用，減少天然資源開(kāi)發(fā)和利用。

用廢棄混凝土再生粗骨料取代天然集料制備瀝青混合料，由于再生骨料和天然集料兩者的表面層性能存在顯著差異，使得不同骨料與瀝青膠漿的界面存在不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，從而會(huì)間接影響瀝青混合料的路面性能[1]。因此，試驗(yàn)擬基于SMA-13瀝青混合料，以再生粗骨料取代38.5%天然集料，研究再生粗骨料瀝青混合料路面性能，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察再生粗骨料混合料新、舊界面的表觀形貌特征，研究新舊界面過(guò)渡區(qū)對(duì)瀝青混合料性能的影響機(jī)理，分析再生骨料與瀝青膠漿界面之間力學(xué)性能薄弱的原因，為路面建設(shè)用再生骨料瀝青混合料的制備及應(yīng)用建立基礎(chǔ)。

1 原材料

1.1 瀝青

試驗(yàn)采用福建地區(qū)SBS改性瀝青，按相關(guān)規(guī)程試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料

試驗(yàn)采用玄武巖粗集料和石灰?guī)r細(xì)集料(產(chǎn)地福建)，以及某攪拌站提供的廢棄混凝土破碎的再生粗骨料，再生骨料粒徑范圍為4.75～16.00 mm。

1.3 礦粉

選用福建龍巖地區(qū)石灰?guī)r磨細(xì)粉，密度為2.701 g·cm-3，無(wú)結(jié)塊，其他性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 纖維穩(wěn)定劑

試驗(yàn)選用江蘇地區(qū)生產(chǎn)的木質(zhì)素纖維，呈現(xiàn)白色絮狀，吸油率為6.3。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 再生骨料取代

試驗(yàn)設(shè)計(jì)SMA-13瀝青混合料，礦料級(jí)配參考目標(biāo)級(jí)配并在試驗(yàn)室驗(yàn)證確定。再生骨料瀝青混合料礦料組成選用4.75～16.00 mm的再生粗骨料和天然集料，將再生骨料按粒徑篩分成4.75～9.50 mm、9.50～13.20 mm、13.20～16.00 mm等3檔骨料，分別取代對(duì)應(yīng)級(jí)配的天然粗骨料，在4.75～16.00 mm粒徑范圍內(nèi)，共計(jì)取代38.5%的天然集料。

2.2 礦料級(jí)配

礦料級(jí)配是設(shè)計(jì)瀝青混合料的關(guān)鍵指標(biāo)之一，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和工程經(jīng)驗(yàn)，確定礦料級(jí)配見(jiàn)表2。

表2 再生粗骨料瀝青混合料礦料級(jí)配

2.3 最佳油石比

試驗(yàn)確定未摻再生粗骨料和摻38.5%的再生粗骨料的瀝青混合料的最佳油石比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。進(jìn)一步通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)得到穩(wěn)定度、流值以及再生混合料體積參數(shù)，體積參數(shù)包括密度、空隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)和瀝青飽和度(VFA)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 瀝青混合料最佳油石比

表4 摻38.5%再生粗骨料SMA-13馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，對(duì)比未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的最佳油石比，油石比從5.8提高到6.3，說(shuō)明再生粗骨料對(duì)瀝青的吸附能力比天然集料強(qiáng)，再生粗骨料瀝青混合料中的瀝青被骨料吸附，有效瀝青含量就降低了，導(dǎo)致混合料需要更多的瀝青，從而造成最佳油石比的提高。分析原因在于再生粗骨料表面表面粗糙度較大，殘留砂漿含有大量微裂縫和微孔隙，能吸附更多的瀝青[2]。

從表4可以看出，對(duì)比未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的性能參數(shù)，兩者力學(xué)性能差別不大，穩(wěn)定度和流值分別為13.16 kN、13.21 kN和4.2(0.1 mm)、4.3(0.1 mm)，兩者的體積參數(shù)密度、VV、VMA、VFA等指標(biāo)差異也不大，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 高溫穩(wěn)定性

試驗(yàn)采用車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度和相對(duì)變形率來(lái)評(píng)價(jià)再生粗骨料瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，兩者的動(dòng)穩(wěn)定度分別為4 667次·mm-1和6 562次·mm-1，動(dòng)穩(wěn)定度提高40.1%，提高顯著；相對(duì)變形率分別為8.29%和7.28%，相對(duì)變形率降低12.2%，說(shuō)明摻入再生粗骨料有助于大幅提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。分析原因在于再生粗骨料表面較為粗糙，骨料之間摩擦力、骨料與瀝青膠漿之間粘附力均更強(qiáng)，有利于穩(wěn)定瀝青混合料的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高混合料的高溫穩(wěn)定性[3]。

3.2 低溫開(kāi)裂性

采用低溫彎曲試驗(yàn)(-10 ℃)來(lái)評(píng)價(jià)再生粗骨料瀝青混合料的低溫開(kāi)裂性能，低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表6結(jié)果可看出，未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度從8.68 MPa下降至7.24 MPa，下降16.6%，彎拉應(yīng)變從3 270.5 με下降至2 512.6 με，下降23.2%，這說(shuō)明再生粗骨料的摻入會(huì)降低瀝青混合料的低溫抗裂性能。分析原因可能是在破碎過(guò)程中再生粗骨料產(chǎn)生許多細(xì)微裂紋，引發(fā)再生骨料抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步降低；同時(shí)，再生粗骨料表面的殘留砂漿也基本無(wú)抗拉強(qiáng)度，即降低骨料與瀝青膠漿的粘結(jié)界面強(qiáng)度，以上兩種情況均對(duì)混合料的低溫抗裂性能起反面影響作用，從而使低溫抗裂性能下降[4]。

摻再生粗骨料的瀝青混合料的彎拉應(yīng)變?yōu)? 512.6 με，僅比標(biāo)準(zhǔn)要求大162.6 με，屬于能滿足要求，但富余系數(shù)低，因此，摻再生骨料的瀝青混合料需要重點(diǎn)關(guān)注其低溫開(kāi)裂性能。

3.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)采用浸水試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 浸水殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表7結(jié)果表明，未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的水穩(wěn)定性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，兩者的浸水殘留穩(wěn)定度MS0分別為87.8%和90.2%，提高2.66%，凍融劈裂強(qiáng)度比TSR分別為82.4%和85.1%，提高3.17%。分析原因可能是再生粗骨料表面附著堿性砂漿，與瀝青形成較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)瀝青膜，提高再生粗骨料與瀝青之間粘附性能，使瀝青混合料的水穩(wěn)定性有所增強(qiáng)。

3.4 抗開(kāi)裂性能

試驗(yàn)選用半圓彎拉試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)再生粗骨料瀝青混合料的抗開(kāi)裂性能，通過(guò)參考文獻(xiàn)[5]計(jì)算試件層底抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8，試件破壞形態(tài)如圖1和圖2所示。

圖1 試件在骨料中間發(fā)生破壞

圖2 試件在新、舊界面過(guò)渡區(qū)破壞

由表8可知，未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度存在一定差異，兩者的最大荷載分別為9 521 kN和8 146 kN，對(duì)應(yīng)的抗彎拉強(qiáng)度分別為9.13 MPa和7.67 MPa，下降16.0%，抗彎拉強(qiáng)度下降較為顯著。說(shuō)明再生粗骨料的摻入對(duì)瀝青混合料的抗裂性能起到反面影響作用。分析原因可能是再生粗骨料在破碎過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多細(xì)微裂紋，引發(fā)再生骨料抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步降低，且再生粗骨料表面的殘余砂漿也基本無(wú)抗拉強(qiáng)度，在荷載作用下，細(xì)微裂縫和殘余砂漿作為薄弱和應(yīng)力集中區(qū)域，易引起粘結(jié)界面的強(qiáng)度不足，進(jìn)而在骨料新、舊界面過(guò)渡性發(fā)生彎拉破壞。

表8 半圓彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從圖1可以看出，再生粗骨料瀝青混合料的彎拉破壞發(fā)生在再生粗骨料本身，進(jìn)一步說(shuō)明再生粗骨料在破碎過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多細(xì)微裂紋導(dǎo)致骨料抗拉強(qiáng)度不高。從圖2可以看出，再生粗骨料瀝青混合料的彎拉破壞發(fā)生在骨料新、舊界面過(guò)渡區(qū)，骨料形態(tài)基本無(wú)未見(jiàn)破壞，驗(yàn)證了再生粗骨料新、舊為薄弱和應(yīng)力集中區(qū)域，易引起粘結(jié)界面的強(qiáng)度不足。

4 再生骨料瀝青混合料界面過(guò)渡區(qū)微觀形貌特征分析

為了全面了解新、舊界面過(guò)渡區(qū)的表觀形貌特征，采用掃描電子顯微鏡觀測(cè)再生粗骨料-瀝青膠漿界面過(guò)渡區(qū)的微觀形貌特征，圖像如圖3和圖4所示。

圖3 新界面過(guò)渡區(qū)微觀形貌特征圖

圖4 舊界面過(guò)渡區(qū)微觀形貌特征圖

從圖3可以看出，新界面過(guò)渡區(qū)砂漿-瀝青膠漿相連的區(qū)域，存有2～5 μm間隙，其產(chǎn)生間隙的原因可能是礦粉和細(xì)集料的紊亂堆積造成的，從而在界面附近阻止瀝青膠漿的滲透，導(dǎo)致新界面粘結(jié)力下降。從圖4可以看出，雖然舊界面和再生粗骨料之間有一點(diǎn)間隙，但具有更好的整體性，因此，舊界面過(guò)渡區(qū)相較于新界面過(guò)渡區(qū)表現(xiàn)出更好的粘附性，此外，隨著舊界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)部遠(yuǎn)離骨料邊界，部分區(qū)域存在未密實(shí)孔隙。

5 結(jié)論

5.1 由于再生粗骨料表面表面粗糙度較大，殘留砂漿含有大量微裂縫和微孔隙，再生粗骨料瀝青混合料的最佳油石比有所增大。

5.2 未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的力學(xué)性能差別不大，再生粗骨料的摻入對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性能均有積極作用。

5.3 受再生粗骨料細(xì)微裂紋和殘余砂漿的負(fù)面影響，再生骨料瀝青混合料的界面粘結(jié)強(qiáng)度不足，進(jìn)而表現(xiàn)為低溫抗裂性和抗開(kāi)裂性能有所下降。

5.4 通過(guò)表觀形貌特征發(fā)現(xiàn)，新、舊界面過(guò)渡區(qū)瀝青膠漿相與砂漿相之間存在2～5 μm間隙，部分區(qū)域分布未密實(shí)孔隙與微裂紋，易引起應(yīng)力集中，是破壞骨料和瀝青膠漿之間牢固性的重要原因之一。