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        1. 再生粗骨料對瀝青混合料路用性能的影響

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          2018-09-10

          引言


          隨著城鎮化建設的不斷推進,中國每年拆建大量的建(構)筑物,年產建筑垃圾(含渣土)十幾億噸之多。道路作為體量最大的人造工程需要消耗大量的砂石材料,將再生骨料應用到道路工程建設能很好地利用建筑廢棄物并減少天然石料的開采,保護環境。將建筑垃圾資源化再利用,替代天然砂石料用于道路工程,也是國外常見的做法。目前國內外對再生骨料在道路工程中的應用研究已經取得了許多成果,但主要集中在道路墊層、無機結合料穩定再生骨料底基層、基層以及再生水泥混凝土等方面,而對于再生骨料應用于瀝青混合料的研究較少。隨著建筑垃圾分揀、加工工藝的發展,相當比例的再生骨料質量較好,瀝青路面中下面層以及瀝青穩定碎石柔性基層對集料的要求比抗滑表層低,且在路面結構中的厚度大,因此該文通過研究再生粗骨料對瀝青混合料路用性能以及力學性能的影響,探討其用于瀝青路面中下面層與柔性基層的可行性。


          瀝青混合料配合比


          集料技術指標


          天然骨料(花崗巖)取樣于廣東某石場,再生粗骨料取樣于廣東再生骨料生產廠??芍?,與天然粗骨料相比,再生粗骨料的密度小,吸水率大,壓碎值大,洛杉磯磨耗損失大。


          礦料級配及最佳油石比


          中國用于瀝青路面中下面層與柔性基層的典型混合料類型為AC-20C與ATB-25,因此研究采用AC-20C與ATB-25瀝青混合料作為研究對象。


          試驗室內逐級篩分天然骨料與再生骨料,保持細骨料與填料不變,按照不同再生粗骨料摻量配制瀝青混合料,研究不同摻量再生粗骨料對瀝青混合料體積參數、最佳瀝青用量、力學特性、路用性能的影響。馬歇爾試驗可以反映混合料的體積特性、確定最佳瀝青用量以及力學特性。


          表明:隨著再生粗骨料摻量增加,瀝青混合料的最佳油石比增大,但有效瀝青用量及瀝青膜厚度基本維持不變。再生粗骨料表面附有部分水泥砂漿,導致破碎的再生粗骨料界面多孔、疏松,礦料的瀝青吸收系數增大,使得瀝青混合料的最佳油石比增大,但有效瀝青用量與瀝青膜厚度基本不變,由此可見,增加的瀝青用量主要是被再生粗骨料的孔隙所吸附??芍河捎谠偕止橇厦芏容^小,因此再生粗骨料混合料的毛體積相對密度與理論最大相對密度均隨著再生粗骨料摻量的增加而減小,這就意味著相同質量的混合料,再生骨料瀝青混合料鋪筑的路面面積略大,這將抵消一部分增加的瀝青用量。試驗結果也表明,再生粗骨料對混合料的體積參數以及穩定度、流值影響不明顯,與天然骨料混合料基本相同。


           
           再生粗骨料對瀝青混合料路用性能的影響


          高溫穩定性


          車轍試驗的動穩定度指標反映瀝青混合料高溫條件下抵抗永久變形的能力。表明:相比于天然骨料瀝青混合料,摻加少量再生粗骨料可以顯著提高瀝青混合料的動穩定度,但隨著摻量的增加,混合料的動穩定度先增加再逐漸減小,對于AC-20C混合料,即使再生粗骨料摻量達到60%,動穩定度指標也不低于天然骨料混合料,ATB-25瀝青混合料中的再生粗骨料摻量達到75%以后,動穩定度略有降低。再生粗骨料表面裹附的水泥砂漿是多孔的堿性材料,能夠提高瀝青與集料之間的黏附能力,同時有利于形成結構瀝青膜,提高黏結力,因此摻加一部分再生粗骨料可提高高溫抗變形能力,但是再生骨料的力學強度較低(壓碎值低于天然骨料),在長期使用以及再加工過程中,產生較多微裂縫等缺陷,當再生骨料摻量超過60%時,負面作用逐漸顯現。


          水穩定性


          對天然骨料以及不同摻量再生粗骨料AC-20C及ATB-25分別進行浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗,研究再生粗骨料對瀝青混合料水穩定性的影響。


          可知:隨著再生粗骨料摻量的增加,兩種瀝青混合料的殘留穩定度和凍融劈裂強度比都有一定程度的增加??梢娤啾忍烊淮止橇蠟r青混凝土,摻加再生粗骨料瀝青混凝土的水穩定性能更好。


          礦料表面層分子存在自發地吸引其他物質以降低其表面能的趨勢。當礦料與瀝青接觸后,通過吸附瀝青中的瀝青酸、瀝青酸酐而降低其表面能,且礦料與瀝青的吸附能力與礦料所帶電荷有關。瀝青中的瀝青酸、瀝青酸酐帶負電荷,花崗巖表面也帶負電荷,因此二者的黏附能力較差,而再生花崗巖骨料表面包裹了水泥砂漿,水泥砂漿表面帶有弱的負電荷,與瀝青接觸時更容易通過吸附瀝青中的瀝青酸、瀝青酸酐,降低其過剩表面能,表現出更好的黏附性,因此再生骨料瀝青混合料的水穩定性優于天然骨料混合料。


          低溫抗裂性


          研究采用-10℃條件下的彎曲試驗評價再生粗骨料對瀝青混合料低溫抗裂性的影響。


          表明:隨著再生粗骨料摻量的增加,再生粗骨料的低溫勁度模量增大,低溫彎拉強度逐漸降低,再生粗骨料的破壞應變逐漸減小,說明再生粗骨料低溫條件下變得更硬、更脆,低溫抗裂性下降。


          取破壞后的小梁試件觀測破壞斷面的情況可以看出,低溫條件下,天然骨料瀝青混合料試件的破壞主要發生在骨料與瀝青的界面,是瀝青膠漿低溫抗變形能力不足引起的破壞,粗骨料顆粒完好。而60%摻量的再生粗骨料瀝青混合料試件除了在骨料與瀝青黏結界面發生破壞外,再生粗骨料中水泥砂漿與骨料黏結界面的強度不足也是造成斷面破壞的重要原因。


          再生粗骨料對瀝青混合料劈裂強度的影響


          劈裂試驗可以測定瀝青混合料在特定條件破壞時的間接抗拉強度、極限拉伸應變、破壞勁度模量,反映瀝青混合料劈裂破壞時的力學性質,也可用于結構設計參數使用。劈裂試驗溫度采用15℃。


          表明:隨著再生粗骨料摻量的增大,AC-20C劈裂抗拉強度逐漸下降,混合料的破壞勁度模量下降,但破壞拉伸應變基本保持不變。ATB-25瀝青混合料也顯示出相似規律。相比于天然粗骨料瀝青混合料試件,再生粗骨料的AC-20C劈裂抗拉強度依次減少了3.9%、8.2%、15.3%,再生粗骨料ATB-25混合料的劈裂抗拉強度依次減少了9.8%、19.6%、36.3%。


          在水泥混凝土結構形成過程中,多余水分殘留在水泥漿中,水分析出后在水泥石中形成泌水通道,也就是毛細孔,或聚集在粗骨料下緣處形成小水囊,水化硬化結束后形成孔隙,再者,由于水泥水化產生的化學收縮以及各種物理性收縮會在水泥石和骨料界面形成微裂縫,以上這些孔隙與微裂縫形成水泥混凝土的原始結構缺陷。在混凝土長期使用過程中,以及建筑結構物拆除與破碎舊水泥混凝土過程中,水泥石與骨料界面處最易出現開裂,其次水泥石也會開裂、軟弱的舊骨料也會出現開裂,或者沒有開裂,損傷與缺陷也會在這幾個部分發展,因此,再生粗骨料瀝青混合料劈裂破壞時,破壞的界面不僅發生在瀝青膠漿界面,也發生在水泥石與骨料的界面或已存在損傷與缺陷的舊骨料上。而天然骨料瀝青混合料試件劈裂試驗時,骨料表面潔凈、骨料強度高,破壞的界面主要發生在瀝青膠漿中。因此,再生粗骨料瀝青混合料的劈裂抗拉強度低于天然骨料混合料。


          結論


          通過對再生粗骨料與天然骨料路用技術指標的比較,以及進行再生粗骨料對瀝青混合料配合比設計、高溫性能、水穩定性能、低溫性能、力學性質的影響試驗,可得出以下主要結論:


          (1)再生粗骨料表面存留多孔的水泥砂漿,隨著再生粗骨料摻量增加,瀝青混合料的最佳油石比增大,但有效瀝青用量及瀝青膜厚度基本維持不變,對體積參數以及穩定度、流值影響不明顯。


          (2)相比于天然骨料瀝青混合料,摻加少量再生粗骨料可以顯著提高瀝青混合料的動穩定度,但隨著摻量超過60%,負面作用逐漸顯現。


          (3)再生粗骨料對瀝青混凝土水穩定性能具有積極影響。


          (4)再生粗骨料的摻量越大,瀝青混合料低溫性能越差,低溫開裂不僅發生在瀝青膠漿中,再生粗骨料表面的水泥砂漿與骨料黏結界面的強度不足也是造成破壞的重要原因。


          (5)隨著再生粗骨料摻量的增大,瀝青混合料劈裂抗拉強度逐漸減小。再生粗骨料瀝青混合料劈裂破壞的界面不僅發生在瀝青膠漿中,也發生在水泥石與骨料的界面或已經存在損傷與缺陷的舊骨料上。


          研究結果表明,只要控制瀝青混合料中再生骨料的摻加比例,再生骨料瀝青混合料的路用性能是可控的,甚至在水穩定性、高溫性能方面是有積極影響的。根據公路等級與使用層位合理利用再生骨料,做到物盡其用,發揮再生骨料的價值具有可行性。綜合考慮再生骨料對瀝青用量與路用性能的影響,建議再生粗骨料摻量不超過60%。


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