邓宗才,佘向军,刘 欢,尉中兴

(北京工业大学城市与工程防灾减灾省部共建教育部重点实验室,北京 100124)

国外对再生混凝土骨料(recycled concrete aggregate,简称 RCA)的应用研究起源于 20世纪 50年代,重点研究了 RCA的物理力学性能、RCA应用于水泥混凝土和沥青混凝土路面的力学性能和耐久性等[1-2].

对于再生混凝土骨料应用于沥青混凝土,Sumede等[3]研究了废弃混凝土骨料沥青混合料的基本性能,以 RCA作粗骨料的沥青混合料试件,其容积比、弹性模量和徐变值相对于天然骨料试件均有所降低,但仍满足当地规范;Yiik等[4]研究了废弃混凝土代替花岗岩集料用于热拌沥青混合料的可行性,其中废弃混凝土骨料取代天然骨料的比例分别为 6%、45%(未处理)和 45%(热处理).试验表明:废弃混凝土骨料替代天然集料是可行的.Alijassar等[5]通过马歇尔试验、浸水受压试验和坚固性试验,证明了再生骨料混凝土应用于沥青混合料中能满足当地规范要求.Abdol等[6]的试验研究结果表明:使用 3年多的 RCA沥青路面,其抗车辙能力与天然骨料沥青路面相当.

本文提出了 RCA用于沥青混合料时最佳沥青含量的估算方法,并用马歇尔试验予以验证,同时通过对不同 RCA掺量下沥青混合料路用性能的试验研究,分析了影响 RCA沥青混合料路用性能的主要因素和原因.

1 试验概况

试验采用连续密级配 AC-16型热拌沥青混合料,为研究 RCA掺量对沥青混合料性能的影响规律,试验中矿质混合料中的粗集料(粒径 ＞4.75mm)分别用 30%(RCA-1)、50%(RCA-2)、75%(RCA-3)的再生水泥混凝土骨料取代.为了对比,同时制作一组纯天然骨料沥青混合料试件(NC).

1.1 试验材料

试验所用的再生混凝土骨料来源于某工地楼房拆迁弃用的十余年水泥混凝土梁,经破碎、筛分后,按粒径范围分类,其基本物理、力学性能参数列于表 1,表中 NC-1、NC-2、NC-3分别代表粒径范围为 5～10 mm、10～15mm、10～20mm的天然骨料,RC-1、RC-2分别代表粒径范围为 5～10mm、10～20mm的再生骨料.

矿质混合料中机制砂和矿粉的表观相对密度分别为 2.765、2.822,试验采用 AH-70号普通沥青,其相对密度为 1.032,针入度为 75.5,软化点为 49.85℃.各类矿料筛分通过率列于表 2.

1.2 级配设计

参照国内规范的级配设计原则,4种沥青混合料的级配设计曲线如图 1所示.

2 理论分析与试验研究

2.1 确定最佳沥青含量

2.1.1 理论估算法确定 RCA混合料最佳沥青含量

在实际工程中,RCA来源的不确定性导致其物理、力学性能指标离散性较大,因而在确定最佳沥青含量时,并无类似天然骨料的沥青含量试配区间可供参考.林绣贤等[8]对 Superpave计算公式进行修订后,估算得出的沥青含量接近于最佳含量,经旋转压实依据民型设计法和马歇尔设计法所得结果进行比较并经实体工程检验,证明可行.刘树棠等[9]针对沥青混合料目标配合比设计阶段马歇尔方法确定最佳沥青含量时因拟定的沥青含量范围宽而导致试验工作量大的情况,以空隙率和矿料间隙率计算公式联合解得沥青含量表达式,再依据体积指标的标准要求估算出最佳沥青含量范围,减少了试验工作量.本文综合上述两者研究,在矿料级配设计中,结合各种集料的毛体积相对密度、表观相对密度实测值,以沥青混合料空隙率、矿料间隙率及沥青饱和度等体积指标要求为约束条件,并考虑 RCA的性能特点,推导其沥青混合料的最佳沥青含量.

在 RCA沥青混合料最佳沥青含量的推导过程中,首先需要确定矿料有效相对密度 γse.一般可采用经验公式代替真空法确定

式中,γsa、γsb分别为矿质混合料的表观相对密度和毛体积相对密度;c为常数,取 0.8.随后,假定某一沥青含量 Pb,则沥青混合料的理论最大相对密度为

式中,Pb为沥青混合料中沥青占沥青混合料总质量的百分率;Ps为沥青混合料中各种矿料占沥青混合料总质量的百分率之和;γa为沥青相对密度;γse为矿料有效相对密度.

在沥青混合料马歇尔试验指标中,空隙率是最重要的体积指标.试验研究和工程经验表明[10],设计空隙率为 4%时,当施工压实度达到 97%,竣工时沥青路面的空隙率小于等于 7%,此时路面的耐久性能最佳,故本方法取 4%为目标空隙率,则沥青混合料毛体积相对密度为

沥青混合料中矿质混合料的相对质量为

由表 1可知,RCA吸水率较大,这是由于 RCA表面含有较多微裂纹和孔隙的原因.在推导 RCA沥青混合料的最佳沥青含量时,需要考虑 RCA自身吸收沥青的情况.为此,RCA沥青混合料中的沥青体积应由集料吸入的沥青体积 Va和有效沥青体积 Vae组成.单位沥青混合料中集料吸入的沥青体积

沥青混合料中有效沥青体积 Vae采用文献[10]中的经验公式,其表达式为

式中 D为集料公称最大粒径,单位 mm.

联立式(4)～(6),得 RCA沥青混合料最佳沥青含量

2.1.2 马歇尔试验法确定 RCA混合料最佳沥青含量

依式(7)计算得到的最佳沥青含量值,根据我国规范,采用 Pb±0.5的沥青量成型马歇尔试件,运用马歇尔试验法确定各类混合料的最佳沥青含量列于表 3.

表3 马歇尔试验法与理论计算法确定混合料最佳沥青含量Tab le 3 The optimum asphalt by M arshall test and method estimation

运用理论估算公式计算的最佳 Pb非常接近由马歇尔试验法确定的最佳 Pb,该理论计算法中采用了Superpave设计法的部分指标,考虑到 Superpave的试件成型方法与马歇尔试件成型方法的差别,在实际工程应用中,理论估算法的计算值可供试验法中确定试配区间时参考.

2.2 RCA沥青混合料路用性能试验

2.2.1 高温抗车辙性

根据马歇尔试验确定的各配合比沥青混合料最佳沥青含量,成型标准抗车辙试件,按照国内规范的要求开展试验,各类型沥青混合料的动稳定度(DS).试验计算分别为:NC动稳定度为 1 358.406;RCA-1动稳定度为 1 623.030;RCA-2动稳定度为 1716.667;RCA-3动稳定度为 1537.408.

与天然骨料相比,RCA沥青混合料的整体抗车辙性能有一定程度提高,并随着 RCA掺量的增加先增大后减小.究其原因,RCA在较高的压实水平下产生了更多的混凝土碎片和细骨料,这些碎片和细骨料填充在沥青混凝土空隙中,提高了混合料结构的整体受力性能,从而对提高沥青混合料的抗车辙能力有利.由于 RCA的强度弱于天然骨料,随着掺量的增加,其整体强度有所减小,从而使其动稳定度先升高后降低.此外,在试验中发现,掺有 RCA的沥青混合料相对于天然骨料混合料,虽然最终动稳定度增大,但其变形亦增大,这主要是由于 RCA沥青混合料在车辙试验中初始变形较大的缘故.在相同压实条件下,RCA混合料的压实度小于 NC混合料,其初始变形增加.

2.2.2 低温抗裂性

低温冻断试验是模拟试件在实际温度变化时沥青混合料的温度-应力过程线和低温开裂温度,该方法能比较全面地反映出各种因素对沥青混凝土低温性能的影响,是评定沥青混合料低温抗裂性能的有效手段.通过冻断试验可以得到不同沥青、不同配合比的沥青混合料的低温开裂温度和温度-应力变化过程线.试验采用低温冻断试验研究 RCA沥青混合料的低温抗裂性能,试验结果列于表 4.

表4 沥青混合料低温冻断试验Tab le 4 Low tem perature frost-break test

随着 RCA掺量的增加,沥青混合料的低温冻断温度、破坏应力逐渐减小.究其原因,RCA含量的增加使混合料中砂浆的含量增加,而砂浆的抗冻性能显著弱于矿质骨料.由于 RCA含量的增加,混合料吸收的沥青同步增加,这些增加的沥青间接提高了沥青混合料的韧性.故试件在产生相同的变形时,所需要降低的温度增加,从而其破坏温度会逐渐降低,如图 2所示.总体而言,RCA沥青混合料仍具有较好的低温抗裂性能,其冻断时的温度均在 -20℃以下.

图2 低温冻断试验温度-应力曲线Fig.2 The temperature-stress curve of low temperature frost-break test

2.2.3 水稳定性

1)浸水马歇尔试验

浸水马歇尔试验可间接反映沥青与矿料的黏附性,国内现行规范要求浸水马歇尔试验残留稳定度(MS0)不小于 80%.本试验研究中有关 RCA沥青混合料的试验数据列于表 5,试验结果表明:RCA沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度均满足规范要求,并且与天然骨料沥青混合料相比均有不同程度的提高.

2)冻融劈裂试验

冻融劈裂试验是评价沥青混合料在低温下的抗冻性能与抗水损害性能的方法之一.国内规范要求冻融劈裂的残留强度(TSR)不小于 75%.本试验结果列于表 5,RCA沥青混合料冻融劈裂残留强度比均满足规范要求,并比天然骨料沥青混合料的水稳定性有一定程度提高.

表5 浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验Table 5 Immersion M arshall Test and freeze-thaw split test

3 结论

1)RCA沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性等路用性能均满足我国规范要求,RCA应用于沥青路面是可行的.

2)推导出了 RCA沥青混合料中最佳沥青含量的计算公式,运用该公式计算所得值与马歇尔试验法所得结果非常接近.

3)随着矿质混合料中 RCA掺量的增加,其最佳沥青含量亦相应增加.试验表明,当 RCA在矿质混合料中所占比例为 50%时,沥青路面的路用性与经济性能得到较好的统一,实际工程应用中可以此比例作为参考.

4)RCA的砂浆含量对其吸水率、混合料最佳沥青含量影响较大.建议在 RCA生产过程中,采取一些措施减少砂浆黏附量,其中 RCA干拌后筛分是一种较好的方式;此外,可通过提高 RCA沥青路面中的初始压实度减少路面的初始车辙变形.

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