高舉

(湖南建工交通建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410005)

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和有效利用資源的重視，建筑廢物回收利用成為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。張童童等分析了溫拌再生瀝青材料的使用壽命，同時(shí)評(píng)價(jià)了能耗和碳排放指標(biāo)，表明使用溫拌再生瀝青能節(jié)能11.1%、碳排放率降低10.5%，溫拌瀝青材料的使用壽命優(yōu)于熱拌瀝青材料。蔣定良等通過多種添加劑聯(lián)合作用對(duì)瀝青砼進(jìn)行改性，結(jié)果表明采用適量的海泡石纖維或化工鐵粉可提高材料的高溫穩(wěn)定性與水穩(wěn)定性，且可減少對(duì)瀝青的使用。徐偉等針對(duì)高溫環(huán)境下瀝青砼最佳拌和時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)分析，對(duì)比不同拌和溫度、拌和時(shí)間下的馬歇爾性能、穩(wěn)定性及空隙率，發(fā)現(xiàn)拌和溫度為175～185 ℃、放置時(shí)間控制在2 h時(shí)，瀝青混合料各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。張新會(huì)利用不同工藝的瀝青混合料進(jìn)行性能測(cè)試，認(rèn)為熱拌瀝青混合料性能最穩(wěn)定，但對(duì)能耗要求較高。對(duì)再生砼骨料進(jìn)行回收利用，不僅可解決城市建筑廢料堆積問題，還可減少對(duì)天然骨料的消耗。而目前道路鋪設(shè)和維護(hù)對(duì)天然骨料消耗過多，不符合可持續(xù)發(fā)展宗旨，現(xiàn)有研究對(duì)含再生骨料熱拌瀝青混合料也鮮有涉及。為此，該文采用天然骨料和再生骨料分別配置4種混合料研究其基本性能，為再生砼骨料的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 混合料材料與樣品制作

為評(píng)估骨料尺寸對(duì)熱拌瀝青混合料(HMA)基本性能的影響，將天然碎骨料和粗骨料混合制作4種混合料，其中：混合料1中僅使用天然骨料，混合料2中分別使用天然骨料和再生骨料作為粗骨料、細(xì)骨料，混合料3中分別使用再生骨料和天然骨料作為粗骨料、細(xì)骨料，混合料4僅使用再生骨料(見表1)。所有混合料都添加相同劑量的黏合劑，最佳黏合劑含量按照Superpave混合料設(shè)計(jì)方法確定。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定，天然骨料(混合料1)和再生粗骨料(混合料4)中扁長(zhǎng)顆粒含量分別為19.91%、16.78%。2種骨料的吸水率、密度根據(jù)GB/T 25177—2010確定(見表2)。骨料的混合級(jí)配見圖1。

圖1 混合料級(jí)配

表1 天然-再生骨料混合物成分

表2 天然骨料和再生骨料的基本特性

圖2為5%目標(biāo)空隙率下4種混合料的測(cè)量空隙率分布。在試件放置4 h后，通過回轉(zhuǎn)壓實(shí)機(jī)將所有混合料試件壓實(shí)至直徑150 mm、高度170 mm。為獲取空隙分布均勻的樣品，對(duì)直徑100 mm的樣品進(jìn)行取芯，切割高度一定。根據(jù)空隙含量，空隙率為7.5%的壓實(shí)圓柱形混合料芯樣產(chǎn)生的空隙為(5.0±0.5)%，該試件瀝青混合料符合GB/T 25177—2010的要求。

圖2 混合物芯樣空隙分布

2 4種混合料性能分析

對(duì)比分析4種混合料的吸水率，并通過馬歇爾試驗(yàn)和間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)評(píng)價(jià)含再生砼骨料(RCA)瀝青混合料的抗裂性，以Kim試驗(yàn)與車輪跟蹤試驗(yàn)分析混合料的抗車轍性能。

2.1 吸水率測(cè)試

4種混合料吸水率測(cè)試結(jié)果見表3。規(guī)范要求中國(guó)一級(jí)公路表面層最大吸水率為2%。由表3可知：除混合料4外，其他3種混合料都滿足該要求。

表3 混合骨料的吸水率

2.2 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用馬歇爾混合料設(shè)計(jì)方法進(jìn)行樣品制作，溫度為25 ℃，樣品高度為65 mm。為對(duì)比分析馬歇爾混合料設(shè)計(jì)方法和Superpave混合料設(shè)計(jì)方法之間的相關(guān)性，按照Superpave混合料設(shè)計(jì)方法確定4種混合料的最佳黏合劑含量。

在馬歇爾混合料設(shè)計(jì)方法中，常以混合料空隙率VTM、礦料間隙率VMA、瀝青填充飽和度VFA和穩(wěn)定性對(duì)瀝青混合料性能進(jìn)行評(píng)估。圖3為馬歇爾試驗(yàn)下混合料的性能。

由圖3可知：混合料1和混合料2的VTM、VMA、VFA和穩(wěn)定性檢測(cè)值在規(guī)范要求的上下限內(nèi)，而混合料 4的性能檢測(cè)值在上下限外?；旌狭?的VMA值和穩(wěn)定性均滿足要求，但VTM和VFA值不滿足要求。在馬歇爾試驗(yàn)壓實(shí)過程中，動(dòng)荷載作用下的粗骨料強(qiáng)度具有重要作用。對(duì)比混合料3和混合料4、混合料1和混合料2，粗RCA對(duì)應(yīng)的VTM值較低，而在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)機(jī)壓實(shí)的樣品中未觀察到這種趨勢(shì)。

圖3 馬歇爾試驗(yàn)下混合物性能檢測(cè)值

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，采用Superpave設(shè)計(jì)方法確定的天然粗骨料混合料的最佳黏結(jié)劑含量與馬歇爾配合比設(shè)計(jì)法確定的最佳黏結(jié)劑含量無顯著差異。由于馬歇爾試驗(yàn)壓實(shí)過程中動(dòng)荷載可能導(dǎo)致粗RCA破裂，馬歇爾混合料設(shè)計(jì)法不適合模擬含再生砼骨料瀝青混合料的設(shè)計(jì)。

2.3 間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行間接抗拉強(qiáng)度測(cè)試，評(píng)估混合料的抗裂性能。試驗(yàn)溫度為25 ℃，加載速率為50 mm/min。4種混合料的間接抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見圖4。

圖4 混合料間接抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

從圖4可以看出：間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的等級(jí)與圖3(d)中的穩(wěn)定性不匹配，且空隙含量函數(shù)的趨勢(shì)不顯著。表明瀝青黏結(jié)劑的黏結(jié)強(qiáng)度(即黏結(jié)劑類型)對(duì)瀝青混合料抗拉強(qiáng)度的影響更大，而與骨料類型無關(guān)。

2.4 Kim試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過Kim試驗(yàn)評(píng)估瀝青混合料的抗車轍能力。如圖5所示，將圓形尖端的桿與高度為63 mm、直徑為100 mm的樣品接觸，并以30 mm/min的速度向下移動(dòng)，測(cè)定形變強(qiáng)度、位移和失效時(shí)最大力之間的關(guān)系。試驗(yàn)溫度為(60±4)℃。形變強(qiáng)度SD按式(1)計(jì)算。不同混合料的形變強(qiáng)度見圖6。

圖5 Kim試驗(yàn)

圖6 Kim試驗(yàn)結(jié)果

(1)

式中：P為最大負(fù)載；y為變形量。

與間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)不同，多數(shù)混合料的形變強(qiáng)度和空隙率之間存在遞減關(guān)系，但混合料 3的形變強(qiáng)度與空隙率沒有呈現(xiàn)這種關(guān)系。以RCA作為混合料3和混合料4中的粗骨料會(huì)引起骨料之間摩擦，導(dǎo)致這2種混合料的形變強(qiáng)度較低。此外，混合料1和混合料2對(duì)應(yīng)的線性方程斜率更大，這是由于骨料摩擦影響了瀝青混合料的形變強(qiáng)度。

由圖6可知：在骨料摩擦和吸水率的綜合作用下，混合料2的變形強(qiáng)度較高，同時(shí)會(huì)使天然粗骨料強(qiáng)度增加。在任意程度吸水率下，混合料4的整體空隙率與形變強(qiáng)度的相關(guān)性均低于其他3種混合料，其原因?yàn)樵偕止橇虾图?xì)骨料的強(qiáng)度較低。

2.5 車輪跟蹤試驗(yàn)結(jié)果與分析

相較其他方法，車輪跟蹤試驗(yàn)更能真實(shí)地模擬現(xiàn)場(chǎng)條件。采用車輪跟蹤試驗(yàn)檢測(cè)瀝青混合料的抗車轍能力，試驗(yàn)溫度為(60±0.5)℃，試驗(yàn)過程中車輪的接觸壓力為(628±15)kPa。模具尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，放置在模具中的瀝青混合料用壓路機(jī)和捏合壓實(shí)機(jī)壓實(shí)，最大壓實(shí)力為8 820 N(見圖7)。以42 次/min的重復(fù)率對(duì)瀝青混合料進(jìn)行碾壓測(cè)試，每隔15 min(0、15、30、45、60 min)記錄瀝青樣品中心的車轍深度。由于車輪跟蹤測(cè)試結(jié)果受瀝青混合料組成及初始空隙率、試驗(yàn)溫度和加載方式的影響，在不改變測(cè)試溫度和壓實(shí)次數(shù)的情況下，將初步測(cè)試樣品切割成9個(gè)矩形片，并測(cè)量樣品中心的空隙含量。以混合料1為例，混合物空隙含量的變化見圖8。圖9為4種混合料車輪跟蹤測(cè)試結(jié)果。

圖7 車輪跟蹤測(cè)試設(shè)備

圖8 混合料1的質(zhì)量測(cè)定

圖9 車輪跟蹤測(cè)試結(jié)果

從圖9可以看出：在相同試驗(yàn)條件下，4種混合料按抗車轍性能優(yōu)劣排序?yàn)榛旌狭?>混合料3>混合料1>混合料4，與kim測(cè)試結(jié)果一致。隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，混合料2的形變量變化較小，混合料2具有較好的抗車轍能力。對(duì)比Kim試驗(yàn)結(jié)果，混合料2的形變量與空隙含量無關(guān)。在加載循環(huán)次數(shù)逐漸增多的條件下，混合料3的形變量增長(zhǎng)速度逐漸放緩，與Kim測(cè)試結(jié)果一致。雖然混合料1前期形變速率較快，但在循環(huán)次數(shù)達(dá)到2 500次時(shí)，混合料1對(duì)應(yīng)的形變量與混合料3最終產(chǎn)生的形變量大致相同。

2.6 間接拉伸強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過間接抗拉強(qiáng)度比試驗(yàn)預(yù)測(cè)瀝青混合料對(duì)潮濕損害的敏感性，加載速率和測(cè)試溫度分別為50 mm/min、25 ℃?；旌狭系拈g接抗拉強(qiáng)度比為原始樣品的間接抗拉強(qiáng)度比除以調(diào)節(jié)后樣品的間接抗拉強(qiáng)度比，所有混合料的最小允許抗拉強(qiáng)度比均為0.7。圖10為4種混合料調(diào)節(jié)前后的間接抗拉強(qiáng)度比。

圖10 混合料間接抗拉強(qiáng)度比測(cè)試結(jié)果

由圖10可知：調(diào)節(jié)后4種混合料的抗拉強(qiáng)度比均小于調(diào)節(jié)前的抗拉強(qiáng)度比。

3 結(jié)論

采用馬歇爾試驗(yàn)、間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、Kim試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)和間接抗拉強(qiáng)度比試驗(yàn)對(duì)含再生砼骨料瀝青混合料的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)論如下：

(1)根據(jù)混合料間接抗拉強(qiáng)度比、形變強(qiáng)度、車轍深度和間接抗拉強(qiáng)度比，混合料2和混合料3在不同測(cè)試下均顯示出較好的性能，可用作基層骨料；而由再生粗骨料和再生細(xì)骨料組成的混合料4表現(xiàn)出低抗拉性和低抗剪強(qiáng)度，不適合作為基層骨料。

(2)馬歇爾試驗(yàn)壓實(shí)法中的動(dòng)荷載會(huì)使瀝青混合料碾壓砼產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致碾壓砼性能較低。