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(jì)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(jià)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(jí)評價(jià)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(shí)行統(tǒng)一的分級(jí)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(jià)及配合比設(shè)計(jì)

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(yàn)。 集料各項(xiàng)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(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

1.3 木質(zhì)素纖維

本試驗(yàn)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(jí)配設(shè)計(jì)

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(jí)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(jì)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(jì)算得出最佳油石比OAC。 試驗(yàn)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(shí)際的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最新的路面設(shè)計(jì)考慮了材料的剛度和彈性，路面層設(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)生裂縫和車轍。 本研究通過逐級(jí)加載、卸載試驗(yàn)方法確定再生骨料瀝青混合料的抗壓回彈模量。 試驗(yàn)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(jí)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(yàn)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(huì)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(jì)時(shí)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(yàn)進(jìn)行評估。 本文采用劈裂試驗(yàn)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(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 劈裂試驗(yàn)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(yàn)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(huì)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(dòng)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(yàn)來評價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性， 試驗(yàn)結(jié)果如圖3、表6 所示。

表6 車轍試驗(yàn)結(jié)果

圖3 車轍試驗(yàn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)穩(wěn)定度分別提高了4.1%、9.3%、14.2%。 這說明RCA 的摻入會(huì)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?yàn)闅堄嗌皾{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(huì)使路面抗水損害能力不足。本文采用浸水馬歇爾試驗(yàn)， 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(yàn)結(jié)果見表7。

表7 浸水馬歇爾試驗(yàn)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(shí)會(huì)對瀝青混合料的抗水損害能力起負(fù)面作用，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，建議在實(shí)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(shí)間內(nèi)反復(fù)受到交通荷載和溫度荷載時(shí)，會(huì)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(yàn)表征瀝青試件對反復(fù)荷載作用的承受能力。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 疲勞實(shí)驗(yàn)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(yàn)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?yàn)樵偕止橇系臍堄嗌皾{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(yàn)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。