再生骨料在SMA-13 沥青混合料中的应用研究

2021-01-22李满意

福建交通科技 2020年6期

李满意

(江苏纬信工程咨询有限公司，南京 210000)

可持续公路路面的设计和施工旨在保护自然资源、降低经济成本[1-2]，但目前使用天然集料进行大量路面施工和维护违反了可持续发展的宗旨。建筑垃圾破碎生产的再生骨料作为一种可循环利用的再生材料，因其低价易得、可塑性强、附加值高、应用广泛等特点受到国内外相关专家学者的关注，并在再生水泥混凝土中进行大量应用[3-5]。罗玲等[6-7]以原生混凝土的强度为依据，以不同类别的再生骨料代替部分天然集料制备再生砂浆。李爽[8]在研究再生粗骨料宏观性能和微观结构的基础上，提出了针对再生骨料的三级评价体系。胡忠豪[9]、王馨伟[10]通过对比天然粗骨料和再生粗骨料在性能的差异，对各种混凝土用粗集料实行统一的分级标准。目前对再生骨料的研究应用大多集中在水泥混凝土中，本文尝试将再生骨料应用于目前使用最广泛的SMA-13 型沥青混合料中，一方面解决建筑垃圾占用大量空间且污染水土环境的问题，另一方面避免天然石材的过度开采，降低建设成本。

1 原材料及性能评价及配合比设计

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，天然骨料为江西某石场生产的玄武岩，根据粒径将其分为NA1# 料(5～15 mm)、NA2# 料(5～10 mm)、NA3# 料(3～5 mm)和NA4# 料(0～3 mm)，再生骨料由抗压强度为60 MPa 的混凝土梁废料进行破碎后得到，对粉碎的混凝土进行筛分，并将通过16 mm 筛网的颗粒用于试验。集料各项技术指标见表1。

表1 集料技术指标

1.2 沥青

本研究选取江阴宝利生产的I-C 型SBS 改性沥青，按相关规范对其进行性能指标试验，试验结果见表2。

1.3 木质素纤维

本试验选用的木质素纤维为瑞登梅父子公司生产的ZZ8/1 型絮状纤维，掺量为3‰。对木质素纤维进行相关性能测试，测试结果见表3。

1.4 矿料级配设计

本文选取的沥青混合料类型为SMA-13 型沥青混合料，其中RCA 掺量分别为0%、20%、40%、60%。，合成级配见表4 所示。

1.5 最佳油石比的确定

本研究采用马歇尔设计法，通过测量沥青混合料流量值、空隙率、沥青饱和度、总体积密度、稳定性和其他指标，经过计算得出最佳油石比OAC。试验结果见表5。

2 再生骨料沥青混合料力学性能研究

2.1 抗压回弹模量

虽然沥青试件的马歇尔稳定度被广泛应用于路面施工过程中的质量控制，但并没有用于实际的路面结构设计。最新的路面设计考虑了材料的刚度和弹性，路面层设计厚度取决于所采用材料的弹性模量大小。弹性模量测量是材料在不经历永久变形的情况下吸收重复冲击载荷的刚度，弹性模量高的路面能够承受较大交通量而不会产生裂缝和车辙。本研究通过逐级加载、卸载试验方法确定再生骨料沥青混合料的抗压回弹模量。试验结果见图1。

表2 沥青技术指标

表3 木质素纤维性能指标及检测数据

表4 矿料合成级配

表5 各掺量再生骨料沥青混合料最佳油石比

图1 再生骨料沥青混合料抗压回弹模量

试验结果表明，20%RCA 的抗压回弹模量最高。 40%RCA 的抗压回弹模量与不掺RCA 的抗压回弹模处于同一水平，仅相差0.6%。超过40%RCA 后，抗压回弹模量减小，与不掺RCA 的抗压回弹模相比减少了约20%，这意味着混合料中RCA 含量超过40%可能无法长期承荷载，并且由于混合料中较高的空隙率而不会出现松散和裂缝扩展现象。

2.2 间接抗拉强度

沥青混合料的马歇尔稳定度和抗压回弹模量的应用本质上模拟路面受压情况，路面表面承受不同类型的压应力，从而在路面层内产生拉应力，因此在进行路面设计时应充分考虑路面受压引起的内部拉应力。路面承受此类拉应力的能力可通过间接抗拉强度试验进行评估。本文采用劈裂试验测定不同再生骨料掺量的沥青混合料间接抗拉强度。采用UTM-25 万能试验机进行试验，试验结果见图2。

图2 劈裂试验结果

沥青混合料间接抗拉强度代表再生骨料沥青混合料在外界荷载作用下抵抗破坏的能力，破坏劲度模量则反映了再生骨料沥青混合料抵抗长期荷载的能力，间接抗拉强度越大，表示混合料抵抗破坏的能力越强。由图2 的试验结果分析可知，随着RCA 掺量的不断提高，沥青混合料的间接抗拉强度和破坏劲度模量都呈下降趋势，掺20%RAC、40%RCA、60%RCA 的沥青混合料抗拉强度分别降低了4.6%、8.9%、17.8%。这说明RCA 的掺入会使得沥青混合料的抵抗破坏的能力变差。其原因可能是：沥青混合料中掺加RAC 后带来部分残余砂浆，骨料与沥青黏结这一接触类型被再生粗骨料表面的残余砂浆所取代，残余砂浆的强度自然低于骨料的强度，因此部分砂浆由于强度不足被破坏，导致试件整体的破坏，RCA 掺量越大，残余砂浆越多，试件抗拉强度自然下降越多。

3 再生骨料沥青混合料路用性能研究

3.1 高温稳定性

变形是路面病害最常见的表现形式，路面发生永久变形的现象称为车辙，路面抗车辙性能是衡量其动态稳定性的指标。在高温气候下，路面更容易出现车辙，此外，交通较为集中的地区例如交叉口也容易出现车辙。本文选用车辙试验来评价沥青混合料的高温稳定性，试验结果如图3、表6 所示。

表6 车辙试验结果

图3 车辙试验结果

由图3、表6 可知，在本文研究范围内，4 种RCA 掺量的混合料动稳定度均大于3000 次/mm，满足规范要求。并且随着RCA 应用比例的提高，沥青混合料动稳定度呈现上升的趋势，并且其相对变形率不断减小。与天然骨料成型的再生骨料沥青混合料对比后发现，掺20%RAC、40%RCA、60%RCA 的沥青混合料动稳定度分别提高了4.1%、9.3%、14.2%。这说明RCA 的掺入会使得再生骨料沥青混合料的抵抗高温永久变形能力增强。这主要是因为残余砂浆的附着使再生粗骨料的表面具有较大的粗糙度，在混合料内部，骨料与骨料之间的摩擦力较天然骨料之间有所增大。因此在车轮荷载作用下，骨料之间的嵌挤作用得到增强，结构变得更加稳定，从而提高了再生骨料沥青混合料的抗高温永久变形能力。

3.2 水稳定性

通过文献调研可知，再生骨料替代部分天然集料应用于沥青混合料中，通常会使路面抗水损害能力不足。本文采用浸水马歇尔试验，以残留稳定度这一指标作为路面抗水损害的衡量标准。试验结果见表7。

表7 浸水马歇尔试验结果

由表7 可知，随着RCA 代替天然骨料比例的增加，再生骨料沥青混合料的马歇尔稳定度和浸水残留稳定度都在不断下降，与天然骨料成型的再生沥青混合料对比后可以得出结论，掺20%RAC、40%RCA、60%RCA 的残留稳定度分别降低了1.8%、3.0%、6.3%，虽然从数值上看下降幅度并不算明显，但40%RCA 的抗水损害能力仅仅刚达到规范要求，60%RCA 甚至不能满足规范要求。这说明在本文研究范围内再生骨料的应用确实会对沥青混合料的抗水损害能力起负面作用，从实验结果来看，建议在实际工程中RCA 掺量不要超过40%。

3.3 抗疲劳性能

当路面在一段时间内反复受到交通荷载和温度荷载时，会出现拉伸应变的累积，表现为路表面的裂缝萌生和扩展，由此产生的裂缝被叫做疲劳裂缝。本研究采用间接拉伸疲劳试验表征沥青试件对反复荷载作用的承受能力。实验结果见图4。

图4 疲劳实验结果

沥青混合料的疲劳作用次数越多，，其抵抗疲劳荷载的能力越好。由图4 的试验数据分析可知，随着RCA 掺量的增加，沥青混合料的疲劳作用次数在不断降低，这说明CRCA 的掺入使沥青混合料的抗疲劳性能有所下降。掺20%RAC、40%RCA、60%RCA，相对于天然骨料成型的沥青混合料，分别降低了5.3%、9.6%和13.5%。这主要是因为再生粗骨料的残余砂浆与骨料之间的接触界面在弯曲荷载作用下更容易产生脆性破坏，再加上再生粗骨料沥青混合料拥有较大的劲度模量，使得混合料的变形受到阻碍，从而导致发生断裂破坏的可能性变大。