孫藝涵 吳少鵬 朱繼青 鐘進(jìn)軍 王冬明

（武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1） 武漢 430070）

（武漢理工大學(xué)硅酸鹽材料工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2） 武漢 430070）

0 引 言

2008年5月12日14時(shí)28分，四川省汶川縣附近發(fā)生里氏8.0級(jí)特大地震災(zāi)害，地震使得大量房屋建筑倒塌，產(chǎn)生了數(shù)量巨大的建筑廢棄物.地震建筑廢棄物的再生利用，一直是災(zāi)后重建過程中的一項(xiàng)重要工作，這些建筑廢棄物被加工成空心磚、實(shí)心磚、保溫磚、模塊磚、透水磚、聲屏障等產(chǎn)品［1－2］，在災(zāi)后重建的過程中發(fā)揮了重大作用.同時(shí)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究者越來(lái)越多地將建筑廢棄物應(yīng)用于瀝青混合料［3－4］.為進(jìn)一步提高地震建筑廢棄物的再生利用率，本文提出利用地震建筑廢棄物制備瀝青混合料的新方案，并對(duì)瀝青混合料的性能進(jìn)行研究，以期拓寬地震建筑廢棄物的利用領(lǐng)域.

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

圖1 地震建筑廢棄物再生骨料的組成成分

試驗(yàn)采用成都德濱環(huán)保材料公司生產(chǎn)的地震建筑廢棄物再生骨料，其組成成分如圖1所示，基本性能指標(biāo)如表1～2所列.由表1～2可知，該再生骨料的大多數(shù)性能指標(biāo)均能夠滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40－2004）［5］對(duì)天然骨料的相關(guān)技術(shù)要求，但由于組成成分的復(fù)雜性，其洛杉磯磨耗值和吸水率2個(gè)性能指標(biāo)不能滿足對(duì)天然骨料的技術(shù)要求.試驗(yàn)采用的瀝青為韓國(guó)SK能源公司生產(chǎn)的AH－70重交石油瀝青，基本性能指標(biāo)如表3所列.礦粉產(chǎn)自湖北省麻城市，基本性能指標(biāo)如表4所列.

表1 地震建筑廢棄物再生粗骨料的基本性能指標(biāo)

表2 地震建筑廢棄物再生細(xì)骨料的基本性能指標(biāo)

表3 AH－70重交石油瀝青的基本性能指標(biāo)

表4 礦粉的基本性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)利用地震建筑廢棄物再生骨料制備AC－25型瀝青混合料，并對(duì)瀝青混合料的性能進(jìn)行研究.瀝青混合料的礦料級(jí)配設(shè)計(jì)和最佳油石比確定均依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40－2004）的規(guī)定進(jìn)行，并采用貝雷法中的CA值［6］設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)瀝青混合料的礦料級(jí)配進(jìn)行控制.瀝青混合料制備完成后，依據(jù)我國(guó)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052－2000）［7］的規(guī)定對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能（浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)）、高溫性能（高溫車轍試驗(yàn)）和低溫性能（低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)）進(jìn)行測(cè)試.

2 結(jié)果與討論

2.1 材料組成設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用最大公稱粒徑為26.5mm，目標(biāo)空隙率為5%的AC－25型瀝青混合料，合成級(jí)配曲線如圖2所示，該礦料級(jí)配的CA值為0.86.在進(jìn)行瀝青混合料的材料組成設(shè)計(jì)時(shí)，空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、馬歇爾穩(wěn)定度和流值是最重要的設(shè)計(jì)指標(biāo).依據(jù)這些設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行最佳油石比的優(yōu)選，最終確定的最佳油石質(zhì)量比為8.2%.在最佳油石比條件下，瀝青混合料的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表5所列，均滿足相關(guān)規(guī)范的對(duì)天然骨料瀝青混合料的技術(shù)要求.與天然骨料瀝青混合料相比，利用地震建筑廢棄物制備的瀝青混合料的最佳油石比較高，這與所采用的再生骨料的吸水率較大有關(guān).

圖2 瀝青混合料（AC－25）的礦料級(jí)配圖

表5 瀝青混合料的設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.2 水穩(wěn)定性能

水和骨料相互作用導(dǎo)致的水損害是我國(guó)瀝青路面早期破壞的主要原因之一.瀝青混合料發(fā)生水損害后，瀝青與骨料脫離，從而使瀝青路面出現(xiàn)松散、剝離、坑洞等病害，嚴(yán)重危害瀝青路面的使用性能［8］.試驗(yàn)采用文獻(xiàn)［7］規(guī)定的浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能.試驗(yàn)方法分別參照文獻(xiàn)［7］中的T 0709－2000和T 0729－2000.

2.2.1 浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度

浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)通過試件浸水前后馬歇爾穩(wěn)定度的變化情況來(lái)反映瀝青混合料的抗水損害能力，用浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能.浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度的計(jì)算式如式（1）.浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度越大，瀝青混合料的水穩(wěn)定性能越好.

式中：MS為試件的浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度，%；MS1為試件浸水48h后的馬歇爾穩(wěn)定度，kN，即浸水馬歇爾穩(wěn)定度；MS0為試件浸水30～40min后的馬歇爾穩(wěn)定度，kN，即常規(guī)馬歇爾穩(wěn)定度.

通過對(duì)瀝青混合料的浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，可得到瀝青混合料的常規(guī)馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度和浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度，試驗(yàn)結(jié)果如表6.由表6可知，利用地震建筑廢棄物制備的瀝青混合料的浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到94.79%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過文獻(xiàn)［5］對(duì)用于年降雨量大于1 000mm的潮濕地區(qū)的天然骨料熱拌瀝青混合料80%的技術(shù)要求.

表6 浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 凍融劈裂

文獻(xiàn)［7］規(guī)定的凍融劈裂試驗(yàn)是參照美國(guó)AASHTO T283試驗(yàn)方法提出來(lái)的，是一種簡(jiǎn)化了的Lottoman試驗(yàn)方法.凍融劈裂試驗(yàn)通過試件凍融前后劈裂抗拉強(qiáng)度的變化情況來(lái)反映瀝青混合料的抗水損害能力，用凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能.凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比的計(jì)算式如式（2）.凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比越大，瀝青混合料的水穩(wěn)定性能越好.

式中：TSR為試件的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比，%；R1為試件凍融后的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa，即凍融劈裂抗拉強(qiáng)度；R0為試件未凍融時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa，即常規(guī)劈裂抗拉強(qiáng)度.

通過對(duì)瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)，可以得到瀝青混合料的常規(guī)劈裂抗拉強(qiáng)度、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比，試驗(yàn)結(jié)果見表7.由表7可知，利用地震建筑廢棄物制備的瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比達(dá)到82.42%，超過文獻(xiàn)［5］對(duì)用于年降雨量大于1 000mm的潮濕地區(qū)的天然骨料熱拌瀝青混合料75%的技術(shù)要求.

表7 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

2.3 高溫性能

為了保證高溫季節(jié)瀝青路面在行車荷載反復(fù)作用下不產(chǎn)生波浪、推移、車轍、擁包等病害，瀝青路面應(yīng)具有良好的高溫性能.瀝青路面的高溫性能習(xí)慣上是指瀝青混合料在荷載作用下抵抗永久變形的能力，主要表現(xiàn)為車轍［9］.通常采用文獻(xiàn)［7］規(guī)定的高溫車轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能，試驗(yàn)方法參照該規(guī)定中的T 0719－1993.

高溫車轍試驗(yàn)是在規(guī)定的溫度（60℃）下通過板狀試件與車輪間的往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使試塊在車輪的重復(fù)作用下產(chǎn)生壓密、剪切、推移和流動(dòng)，從而產(chǎn)生車轍，使用試驗(yàn)儀器將試件的變形量和試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行測(cè)定，用動(dòng)穩(wěn)定度來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能.動(dòng)穩(wěn)定度越大，瀝青混合料的高溫性能越好.

通過對(duì)瀝青混合料的高溫車轍試驗(yàn)，可以得到高溫車轍試件試驗(yàn)過程中不同時(shí)間的變形量和瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，分別如圖3和表8所示.由表8可知，利用地震建筑廢棄物制備的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到2 127次／mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過文獻(xiàn)［5］對(duì)用于7月平均最高氣溫高于30℃的夏季炎熱地區(qū)的天然骨料熱拌瀝青混合料1 000次／mm的技術(shù)要求.

圖3 高溫車轍試件變形量隨試驗(yàn)時(shí)間的變化

表8 高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果

2.4 低溫性能

瀝青路面在晝夜溫差較大地區(qū)或遭遇溫度驟降時(shí)，會(huì)由于溫度應(yīng)力的作用而產(chǎn)生裂縫.瀝青路面低溫縮裂在我國(guó)寒冷地區(qū)非常普遍，嚴(yán)重危害瀝青路面的使用性能，是瀝青路面破壞的主要形式之一［10－13］.通常采用文獻(xiàn)［7］規(guī)定的低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能，試驗(yàn)方法參照該規(guī)定中的T 0715－1993.

低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是通過在低溫下試件的彎曲破壞情況（荷載、撓度等）來(lái)計(jì)算瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量，計(jì)算式分別如式（3）～（5），并以此來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能.其中，文獻(xiàn)［7］對(duì)瀝青混合料低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)最大彎拉應(yīng)變做出了技術(shù)要求.

在－10℃條件下，采用UTM－25飼服試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，通過試驗(yàn)得到的荷載－撓度曲線和抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量等指標(biāo)分別如圖4和表9所示.由表9可知，利用地震建筑廢棄物制備的瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變達(dá)到2 483×10－6，超過文獻(xiàn)［5］對(duì)用于年極端最低氣溫在－21.5℃至－37.0℃之間的冬季寒冷地區(qū)的天然骨料熱拌瀝青混合料2 300×10－6的技術(shù)要求.

式中：RB為試件的抗彎拉強(qiáng)度，MPa；L為試件的跨度，mm；PB為試件破壞時(shí)的最大荷載，N；b為試件的寬度，mm；h為試件的高度，mm；εB為試件的最大彎拉應(yīng)變；d為試件破壞時(shí)的跨中撓度，mm；SB為試件的彎曲勁度模量，MPa.

圖4 低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的荷載－撓度曲線

表9 低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

1）試驗(yàn)采用的地震建筑廢棄物再生骨料除洛杉磯磨耗值和吸水率外的其它性能指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40－2004）對(duì)天然骨料的技術(shù)要求，利用該再生骨料制備的瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、馬歇爾穩(wěn)定度和流值等設(shè)計(jì)指標(biāo)也滿足我國(guó)相關(guān)規(guī)范對(duì)天然骨料瀝青混合料的技術(shù)要求.

2）與天然骨料瀝青混合料相比，利用地震建筑廢棄物制備的瀝青混合料的最佳油石比較高.

3）利用地震建筑廢棄物制備的瀝青混合料的浸水殘留馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比、動(dòng)穩(wěn)定度、最大彎拉應(yīng)變等性能指標(biāo)滿足文獻(xiàn)［5］對(duì)天然骨料瀝青混合料的技術(shù)要求.

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