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摘 要： 公路工程
《再生集料破碎行為對瀝青混合料性能影響》論文發表期刊：《公路工程》；發表周期：2021年02期
《再生集料破碎行為對瀝青混合料性能影響》論文作者信息：王二兵( 1982—) ，男，河南蘭考人，高級工程師，主要從事道路新材料研究。
[摘要]采用再生集料替代瀝青混合料中的天然集料具有巨大的經濟潛力和環保優勢，但其中的低強度水泥砂漿較天然集料更易在壓實荷載下出現破碎的問題，因此亟需探究再生集料在荷載作用下的破碎行為模式以及其對瀝青混合料性能的影響規律，以優化再生集料在瀝青混合料中的應用方法。通過旋轉壓實試驗以模擬瀝青混合料壓實過程中集料的破碎行為，分析不同破碎程度再生集料對瀝青混合料的擺值、60 ℃動穩定度、-15℃劈裂強度、凍融劈裂比的影響規律。試驗結果表明，再生集料瀝青混合料RCAM-16具有良好的抗滑性能，當集料破碎指數小于8.6%時，集料破碎對再生集料瀝青混合料的抗滑性能影響不明顯;隨著集料破碎指數的增大，再生集料瀝青混合料的高溫穩定性和低溫抗裂性出現一定的下降，而水穩定性則受到了極大程度的削減。因此，需控制瀝青混合料中13.2-16mm再生集料的體積替代率不超過75%。
[關鍵詞]再生集料;破碎指數;瀝青混合料路用性能
[Abstract] Replacement of natural aggregates with recycled aggregates in asphalt mixtures has great economic potential and environmental advantages, but the low-strength cement mortar is more proneto crushing under compaction loads compared natural aggregates, so it is urgent to explore the crushing behavior mode of recycled aggregate under load and its influence on the road performance of asphalt mixture. The gyratory compaction test was used to simulate the crushing behavior of the aggregate during the compaction. The effect of crushing conditions on the BPN, 60 C dynamic stability, -15 ℃ indirect tensile strength, and TSR of asphalt mixture were analyzed. The test results show that the crushing state of recycled aggregates has a limited impact on the anti-sliding performance of asphalt mixtures. As the crushing index of recycled aggregates increases, the high temperature deformation resistance and low temperature crack resistance of asphalt mixtures continue to decline, while the water stability greatly reduced. Therefore, it is necessary to control the volume replacement rate of 13. 2 mm-16 mm recycled aggregate in the asphalt mixture not to exceed 75%.
[ Key words] recycled aggregate; crushing index; asphalt mixture; road performance
0引言
在過去的幾十年中，我國傳統建筑行業一直在消耗大量的不可再生資源;同時隨著大批建筑構造物使用報廢年限的臨近，大量的建筑垃圾隨之產生，而對此常規的處理措施就是簡單掩埋處理，這種現象造成了極大的資源浪費和環境污染"。近年來，工程界逐漸將眼光聚集如何科學、經濟地二次利用這種建筑廢棄物。通常而言，建筑垃圾主要包含了大量水泥混凝土塊狀物、水泥砂漿碎屑，少量的碎粘土磚和碎陶瓷等材料2。由于這些成分也具有一定的強度，因此其在土木工程領域具有巨大的再利用潛力，其中的關鍵應用便是將處理后的建筑垃圾用作路基和瀝青路面施工的再生集料1。而將再生應用在瀝青混合料中成為近期道路工程研究的熱點3-3
·般經過磚混分離處理后的再生集料，其碎粘土磚含量可以控制到基本可以忽略不記，因此再生骨料主要包含的為水泥混凝土顆粒和水泥砂漿顆粒。由于附著在原生集料的水泥砂漿和水泥砂漿顆粒的抗壓強度遠小于天然集料，因此再生集料的破碎現象比天然集料更加明顯。同時，成型再生集料瀝青混合料的過程中，部分粗集料破碎，導致瀝青混合料內部集料的骨架結構變化，而這與普通瀝青混合料的行為特征有明顯不同。因此亟需探究再生集料在荷載作用下的破碎行為模式以及其對瀝青混合料性能的影響規律，以優化再生集料在瀝青混合料中的應用方法。
1 配合比設計
本文所用再生集料以建筑拆除固體廢棄垃圾中的廢舊水泥混凝土作為原材料，經過一系列破碎、篩分、除雜等集料加工工藝處理后的最終產品，其粒徑范圍處于13.2-16mm，壓碎值為24.7%。采用的天然集料為輝綠巖集料。天然集料、再生集料以及石灰巖礦粉的密度如表1所示。
在瀝青混凝土中，較大粒徑的骨料對混凝土強度的影響較大。為了更為有準確、有效地分析再生集料的破碎對于瀝青混凝土性能的作用規律，故本文采用了最大一級粒徑碎石( 13. 2 ～ 16 mm) 作為替代對象。瀝青結合料采用 SBS 改性瀝青，將最大一級粒徑碎石( 13. 2 ～ 16 mm) 的再生集料，替代不同用量的天然輝綠巖集料，制備成型再生集料瀝青混合料 RCAM - 16，其設計礦料級配如表 2 所示。
根據表 1 礦料密度和表 2 級礦料級配，可計算各檔集料體積占比。如圖1所示，在RCAM-16中，輝綠巖 13. 2 ～ 16 mm 粒徑集料的體積占比為13. 9% 。由于再生集料與天然集料密度相差較大，而瀝青混合料設計級配應保持體積一致性，參照以往研究經驗[3]，采用0%、25%、50% 、75%和100% 體積替換率的再生集料，替代 13. 2 ～ 16 mm粒徑尺寸的天然輝綠巖集料，通過旋轉壓實儀所制備的再生集料瀝青混合料主要用于路用性能試驗的研究。
采用常規馬歇爾擊實儀成型瀝青混合料馬歇爾試件，雙面擊實試件各 75 次，混合料拌合控制在( 175 ～ 185) ℃，混合料成型溫度控制在 ( 140 ～ 145) ℃。根據 《JTG F40 - 2004 公路瀝青路面施工技術規范》中的馬歇爾配合比設計方法，結合馬歇爾試驗結果中各項體積指標和力學參數，確定0% 、25% 、50% 、75% 和 100% 再生集料體積替代的瀝青混合料最佳瀝青用量分別為 5. 4% 、 5. 5% 、5. 6% 、5. 7% 和 5. 9% 。
由表3可以看出，隨著再生集料替代天然粗集料用量不斷增加，瀝青混合料的最佳瀝青用量不斷增大，馬歇爾穩定度不斷降低;同時，瀝青混合料的毛體積密度也不斷減小。此外，含再生集料的瀝青混合料相比于天然集料瀝青混合料具有更低的骨架間隙率，表明再生集料中的多孔水泥砂漿成分能吸收更多的瀝青材料，由于有效瀝青減少導致瀝青膠漿含量降低，因而再生集料瀝青混合料的空隙率也隨之增大。
2再生集料破碎模擬
室內旋轉壓實儀的對瀝青混合料的壓實效果與實際瀝青路面碾壓工藝中的壓路機作用相似。因此，本文采用旋轉壓青混合料(RCAM-16)施加壓實荷載，以模擬現場瀝青混凝土路面壓實過程中，再生集料的破碎行為。
選擇旋轉壓實次數為100次，以保證再生集料瀝青混合料(RCAM-16)受到足夠的壓實荷載作用。將成型完畢的再生集料瀝青混合料試件放入145 ℃烘箱中重新加熱，待RCAM-16試件完全軟化后，打散試件，對打散后的瀝青混合料進行抽提試驗，分離旋轉壓實作用后試件中的礦質集料，并逐檔篩分、稱重。由于抽提試驗過程中瀝青混合料的細集料(<2.36 mm)損失較大，而再生集料受壓實荷載作用后，破碎后的集料顆粒有相當一部分粒徑小于2.36 mm，因此必需準確量化細集料質量的變化狀態。根據混合料中礦料的質量守恒，粒徑小于2.36 mm的細集料質量變化等于所有粒徑大于2.36mm的各檔集料重量變化之和的相反數，由此可以計算細集料質量變化。具體抽提、篩分試驗結果如表4所示。
由表 4 可知，13. 2 ～ 16 mm 集料的質量損失明顯，且隨著瀝青混合料中再生集料替代率的增大，質量損失不斷增加; 同時，再生集料替代率對粒徑大于 16 mm 的天然集料的質量變化幾乎沒有影響， 即 4 種不同再生集料替代率下，瀝青混合料中16 ～ 19 mm 集料的質量變化率始終處于 - 1. 0% 左右。對于普通瀝青混合料AC-16而言，壓實作用后粒徑大于9.5 mm的各檔集料均出現質量減小現象，即破碎成粒徑更小的集料(<9.5 mm)。而對于再生集料瀝青混合料RCAM-16，壓實作用后粒徑大于13.2 mm的各檔集料均出現質量降低現象，即破碎成粒徑小于13.2 mm的集料。該現象表明旋轉壓實儀對瀝青混合料所施加的壓實能量主要被粒徑大于13.2mm的各檔集料吸收;同時，由于再生集料的粒徑為13.2-16 mm，降低了壓實過程中，粒徑小于13.2 mm的天然集料被壓碎風險。
同時，旋轉壓實作用后的再生集料瀝青混合料只有粒徑尺寸大于13.2 mm的各檔集料含量降低，且13.2-16 mm集料的質量變化率遠大于16-19mm集料的質量變化率。因此，本文選擇13.2-16mm集料質量變化率的絕對值作為再生集料瀝青混合料的集料破碎指數(ACI)，以量化不同壓實作用次數和不同再生集料替代率的條件下，再生集料瀝青混合料RCAM-16中集料的破碎狀態。集料破碎指數越大，再生就瀝青混合料中的集料破碎現象越嚴重。
由表 5 可知，隨著旋轉壓實次數和再生集料替代率的不斷增加，再生集料瀝青混合料 RCAM - 16的集料破碎指數不斷升高，集料破碎情況逐漸惡化。
3 再生集料破碎對瀝青混合料性能影響
3. 1 抗滑性能影響
現有文獻表明[7]，瀝青混合料中的礦料級配對其表面抗滑性能具有顯著的影響。再生集料瀝青混合料在壓實荷載作用下，部分粗集料由于破碎導致實際級配與設計級配產生差異。因此，有必要研究再生集料破碎狀態對瀝青混合料 RCAM - 16 抗滑性能的影響。本文采用擺式摩擦儀和鋪砂法，測試不同破碎指數下，旋轉壓實試件 ( Φ150 mm)頂端的抗滑性能指標，試驗結果見圖 2。
由再生集料體積替代率增大所導致的集料破碎指數增大，并未引起再生集料青混合料RCAM-16抗滑性能的顯著變化。由圖2試驗結果可知，RACM-16滿足中潮濕地區的路面抗滑指標要求
(BPN >60，MTD >0.6 mm)，表明再生集料瀝青混合料可以為車輛行駛提供足夠的道路抗滑支持。同時，結合表4中再生集料1混合料RCAM-16的集料破碎指數小于8.8%的試驗結果，可以認為，當破碎指數小于8.8%時，集料破碎對再生集料瀝青混合料抗滑性能的影響可以忽略不計。
3.2高溫穩定性影響
由于壓實過程中部分粗集料的破碎，削弱了混合料中粗集料骨架結構的穩定性，這在一定程度上將影響再生集料瀝青混合料的高溫抗車轍性能。因此，有必要研究集料破碎對RCAM-16高溫穩定性的作用規律。本文將不同破碎指數的旋轉壓實試件切割成5cm高圓柱體，并固定于改裝后的車轍板模具中，用于后續高溫車轍試驗。根據《TGE20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，設定試驗溫度為60 ℃，橡膠塊接觸壓力為0.70 MPa，試驗時間為60 min，混合料的車轍試驗結果如圖3所示。
由圖3可知，60 ℃車轍試驗中絕大部分的再生集料瀝青混合料RCAM-16動穩定度高于3000次/min，表明即使在一定集料破碎的條件下，再生集料混合料在高溫條件下仍表現出優異結構強度和抗變形能力。同時，隨著再生集料體積替代率的不斷提高，集料破碎指數不斷增大，再生集料瀝青混合料的動穩定度呈逐漸下降的趨勢。當集料破碎指數大于8.6%時，再生集料瀝青混合料RCAM-16的動穩定度小于規范要求3000次/min。因此，實際工程應控制再生集料瀝青混合料中集料破碎指數(AC)不超過8.6%。
3.3 低溫抗裂性影響
采用間接拉伸試驗研究再生集料瀝青混合料的低溫抗裂性能，根據《ASTM D6931-2017瀝青混合料間接拉伸強度的標準試驗方法》，間接拉伸試驗溫度設置為-15 ℃，加載速率設置為50
mm/min。分別對12種不同集料破碎指數的旋轉壓實試件進行低溫間接拉伸試驗，試驗結果如圖4所示。
由圖4可以看出，在再生集料體積替代率固定的情況下，隨著集料破碎指數的增加，再生集料瀝青混合料RCAM-16的低溫抗裂性呈逐漸下降趨勢。如再生集料體積替代率為25%時，破碎指數
1.42%瀝青混合料試件的低溫拉伸強度比破碎指數
5.48%試件高出近13.2%;而再生集料體積替代率100%時，破碎指數7.87%瀝青混合料試件的低溫拉伸強度比破碎指數8.81%試件高出近19.1%。
同時，隨著再生集料替代率不斷增加，瀝青混合料RCAM-16的-15 ℃間接拉伸強度不斷減小，表明再生集料用量的增加青混合料RCAM-16的低溫抗裂性也具有不利影響，而產生強度衰減主要是由于再生集料中水泥砂漿的抗壓強度遠小于天然集料所引起。
3.4水穩定性影響
由于再生集料中的水泥砂漿含有較多的二氧化硅，在一定程度上會影響瀝青與再生集料的黏附性能，因此必須重視再生集料瀝青混合料的抗水損害能力;同時，為了進一步分析再生集料破碎行為對再生集料瀝青混合料RCAM-16的水穩定性能作用，本文根據《ITG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，分別進行了凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗，以殘留穩定度MSR和凍融劈裂比TSR作為評價指標，具體試驗結果如圖5所示。
由圖5可知，天然集料瀝青混合料的水穩定性能優于含有再生集料瀝青混合料，即不含再生集料瀝青混合料具有更高的殘留穩定度和凍融劈裂比。同時，在再生集料體積替代率固定的情況下，隨著破碎指數的增大，再生集料青混合料RCAM-16的殘留穩定度與凍融劈裂比均呈現顯著的下降趨勢，表明集料破碎行為在一定程度上削弱了瀝青混合料的水穩定性。這是由于壓實過程中，粒徑范圍從13.2 mm到19 mm的各檔集料破碎為粒徑更小的集料顆粒，集料中出現了更多沒有被瀝青所裹覆的花白面，且水泥砂漿中含有大量的二氧化硅進一步削弱了瀝青和再生集料界面之間的粘結效果，在水分進入瀝青混合料內部時，加速了瀝青剝離進程，從而降低了再生瀝青混合料的水穩定性能。此外，當集料破碎指數大于8.6%時，再生集料瀝青混合料RCAM-16的殘留穩定度、凍融劈裂比分別不滿足規范>85%、>80%的要求。因此，實際工程應控制再生集料瀝青混合料中集料破碎指數(ACI)不超過8.6%，對應的再生集料體積替代率不應超過75%。
4結論
根據本文研究結果，再生集料在一定程度上雖然削弱瀝青混合料的性能，但總體上滿足瀝青路面規范要求，可以將再生集料瀝青混合料RCAM-16應用于道路鋪裝工程，且必須控制再生集料的體積替代率不超過75%，具體結論如下：a.隨著壓實次數和再生集料替代率的提高，再生集料瀝青混合料中的集料破碎指數不斷升高，混合料內部集料的破碎情況不斷加劇。
b.再生集料青混合料RCAM-16具有良好的抗滑性能。當集料破碎指數小于8.8%時，集料破碎狀況對再生集料瀝青混合料的抗滑性能影響效果不明顯。
c.集料破碎指數越大，再生集料瀝青混合料的動穩定度越小，高溫性能越差。當集料破碎指數大于8.6%時，再生集料瀝青混合料的動穩定度不滿足規范要求。
d.隨著集料碎指數的增加，再生集料瀝青混合料低溫抗裂性呈明顯下降趨勢;同時，再生集料瀝青混合料低溫抗裂性隨再生集料替代率的升高而下降。
e.再生集料的破碎行增加了集料花白面，削弱了瀝青與集料界面粘結效果，進而顯著削弱瀝青混合料的水穩定性，當集料破碎指數大于8.6%時，再生集料瀝青混合料的水穩定性不滿足規范應用。
參考文獻]
[1]中國建筑垃圾資源化產業技術創新戰略聯盟.中國建筑垃圾資源業展告(20144[2].2015-02-23.
[2]王羅春，蔣路漫，趙由才，建筑垃圾處理與資源化(第二版)[M].北京：化學工業出版社，2018.
[3]彭超杰，再生粗骨料瀝青混凝土性能研究[D].廣州：華南理1大學，2017.
[4]侯月琴，紀小平，張文剛，等，含建筑垃圾再生骨料的瀝青穩定碎石的性能研究J.理1大報，2013，35(10)：60-64.
[5]王知樂，利用廢舊建筑垃圾制備瀝青混合料的試驗研究[].公路，2009(7)：317-321
[6]胡魁，建筑垃圾高效分選關鍵技術及在公路工程中的應用研究[D].西安：長安大學，2017.
[7]屈甜，劉一漾，謝清忠，等，基于抗滑性能的改進型多點支撐薄層罩面級配設計與性能研究[].中外公路，2019，39(6)：200-205.
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