再生粗骨料对沥青混合料路用性能的影响

引言

随着城镇化建设的不断推进，中国每年拆建大量的建(构)筑物，年产建筑垃圾(含渣土)十几亿吨之多。道路作为体量最大的人造工程需要消耗大量的砂石材料，将再生骨料应用到道路工程建设能很好地利用建筑废弃物并减少天然石料的开采，保护环境。将建筑垃圾资源化再利用，替代天然砂石料用于道路工程，也是国外常见的做法。目前国内外对再生骨料在道路工程中的应用研究已经取得了许多成果，但主要集中在道路垫层、无机结合料稳定再生骨料底基层、基层以及再生水泥混凝土等方面，而对于再生骨料应用于沥青混合料的研究较少。随着建筑垃圾分拣、加工工艺的发展，相当比例的再生骨料质量较好，沥青路面中下面层以及沥青稳定碎石柔性基层对集料的要求比抗滑表层低，且在路面结构中的厚度大，因此该文通过研究再生粗骨料对沥青混合料路用性能以及力学性能的影响，探讨其用于沥青路面中下面层与柔性基层的可行性。

沥青混合料配合比

集料技术指标

天然骨料(花岗岩)取样于广东某石场，再生粗骨料取样于广东再生骨料生产厂。可知，与天然粗骨料相比，再生粗骨料的密度小，吸水率大，压碎值大，洛杉矶磨耗损失大。

矿料级配及最佳油石比

中国用于沥青路面中下面层与柔性基层的典型混合料类型为AC-20C与ATB-25，因此研究采用AC-20C与ATB-25沥青混合料作为研究对象。

试验室内逐级筛分天然骨料与再生骨料，保持细骨料与填料不变，按照不同再生粗骨料掺量配制沥青混合料，研究不同掺量再生粗骨料对沥青混合料体积参数、最佳沥青用量、力学特性、路用性能的影响。马歇尔试验可以反映混合料的体积特性、确定最佳沥青用量以及力学特性。

表明：随着再生粗骨料掺量增加，沥青混合料的最佳油石比增大，但有效沥青用量及沥青膜厚度基本维持不变。再生粗骨料表面附有部分水泥砂浆，导致破碎的再生粗骨料界面多孔、疏松，矿料的沥青吸收系数增大，使得沥青混合料的最佳油石比增大，但有效沥青用量与沥青膜厚度基本不变，由此可见，增加的沥青用量主要是被再生粗骨料的孔隙所吸附。可知：由于再生粗骨料密度较小，因此再生粗骨料混合料的毛体积相对密度与理论最大相对密度均随着再生粗骨料掺量的增加而减小，这就意味着相同质量的混合料，再生骨料沥青混合料铺筑的路面面积略大，这将抵消一部分增加的沥青用量。试验结果也表明，再生粗骨料对混合料的体积参数以及稳定度、流值影响不明显，与天然骨料混合料基本相同。

再生粗骨料对沥青混合料路用性能的影响

高温稳定性

车辙试验的动稳定度指标反映沥青混合料高温条件下抵抗永久变形的能力。表明：相比于天然骨料沥青混合料，掺加少量再生粗骨料可以显著提高沥青混合料的动稳定度，但随着掺量的增加，混合料的动稳定度先增加再逐渐减小，对于AC-20C混合料，即使再生粗骨料掺量达到60%，动稳定度指标也不低于天然骨料混合料，ATB-25沥青混合料中的再生粗骨料掺量达到75%以后，动稳定度略有降低。再生粗骨料表面裹附的水泥砂浆是多孔的碱性材料，能够提高沥青与集料之间的黏附能力，同时有利于形成结构沥青膜，提高黏结力，因此掺加一部分再生粗骨料可提高高温抗变形能力，但是再生骨料的力学强度较低(压碎值低于天然骨料)，在长期使用以及再加工过程中，产生较多微裂缝等缺陷，当再生骨料掺量超过60%时，负面作用逐渐显现。

水稳定性

对天然骨料以及不同掺量再生粗骨料AC-20C及ATB-25分别进行浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验，研究再生粗骨料对沥青混合料水稳定性的影响。

可知：随着再生粗骨料掺量的增加，两种沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比都有一定程度的增加。可见相比天然粗骨料沥青混凝土，掺加再生粗骨料沥青混凝土的水稳定性能更好。

矿料表面层分子存在自发地吸引其他物质以降低其表面能的趋势。当矿料与沥青接触后，通过吸附沥青中的沥青酸、沥青酸酐而降低其表面能，且矿料与沥青的吸附能力与矿料所带电荷有关。沥青中的沥青酸、沥青酸酐带负电荷，花岗岩表面也带负电荷，因此二者的黏附能力较差，而再生花岗岩骨料表面包裹了水泥砂浆，水泥砂浆表面带有弱的负电荷，与沥青接触时更容易通过吸附沥青中的沥青酸、沥青酸酐，降低其过剩表面能，表现出更好的黏附性，因此再生骨料沥青混合料的水稳定性优于天然骨料混合料。

低温抗裂性

研究采用-10℃条件下的弯曲试验评价再生粗骨料对沥青混合料低温抗裂性的影响。

表明：随着再生粗骨料掺量的增加，再生粗骨料的低温劲度模量增大，低温弯拉强度逐渐降低，再生粗骨料的破坏应变逐渐减小，说明再生粗骨料低温条件下变得更硬、更脆，低温抗裂性下降。

取破坏后的小梁试件观测破坏断面的情况可以看出，低温条件下，天然骨料沥青混合料试件的破坏主要发生在骨料与沥青的界面，是沥青胶浆低温抗变形能力不足引起的破坏，粗骨料颗粒完好。而60%掺量的再生粗骨料沥青混合料试件除了在骨料与沥青黏结界面发生破坏外，再生粗骨料中水泥砂浆与骨料黏结界面的强度不足也是造成断面破坏的重要原因。

再生粗骨料对沥青混合料劈裂强度的影响

劈裂试验可以测定沥青混合料在特定条件破坏时的间接抗拉强度、极限拉伸应变、破坏劲度模量，反映沥青混合料劈裂破坏时的力学性质，也可用于结构设计参数使用。劈裂试验温度采用15℃。

表明：随着再生粗骨料掺量的增大，AC-20C劈裂抗拉强度逐渐下降，混合料的破坏劲度模量下降，但破坏拉伸应变基本保持不变。ATB-25沥青混合料也显示出相似规律。相比于天然粗骨料沥青混合料试件，再生粗骨料的AC-20C劈裂抗拉强度依次减少了3.9%、8.2%、15.3%，再生粗骨料ATB-25混合料的劈裂抗拉强度依次减少了9.8%、19.6%、36.3%。

在水泥混凝土结构形成过程中，多余水分残留在水泥浆中，水分析出后在水泥石中形成泌水通道，也就是毛细孔，或聚集在粗骨料下缘处形成小水囊，水化硬化结束后形成孔隙，再者，由于水泥水化产生的化学收缩以及各种物理性收缩会在水泥石和骨料界面形成微裂缝，以上这些孔隙与微裂缝形成水泥混凝土的原始结构缺陷。在混凝土长期使用过程中，以及建筑结构物拆除与破碎旧水泥混凝土过程中，水泥石与骨料界面处最易出现开裂，其次水泥石也会开裂、软弱的旧骨料也会出现开裂，或者没有开裂，损伤与缺陷也会在这几个部分发展，因此，再生粗骨料沥青混合料劈裂破坏时，破坏的界面不仅发生在沥青胶浆界面，也发生在水泥石与骨料的界面或已存在损伤与缺陷的旧骨料上。而天然骨料沥青混合料试件劈裂试验时，骨料表面洁净、骨料强度高，破坏的界面主要发生在沥青胶浆中。因此，再生粗骨料沥青混合料的劈裂抗拉强度低于天然骨料混合料。

结论

通过对再生粗骨料与天然骨料路用技术指标的比较，以及进行再生粗骨料对沥青混合料配合比设计、高温性能、水稳定性能、低温性能、力学性质的影响试验，可得出以下主要结论：

(1)再生粗骨料表面存留多孔的水泥砂浆，随着再生粗骨料掺量增加，沥青混合料的最佳油石比增大，但有效沥青用量及沥青膜厚度基本维持不变，对体积参数以及稳定度、流值影响不明显。

(2)相比于天然骨料沥青混合料，掺加少量再生粗骨料可以显著提高沥青混合料的动稳定度，但随着掺量超过60%，负面作用逐渐显现。

(3)再生粗骨料对沥青混凝土水稳定性能具有积极影响。

(4)再生粗骨料的掺量越大，沥青混合料低温性能越差，低温开裂不仅发生在沥青胶浆中，再生粗骨料表面的水泥砂浆与骨料黏结界面的强度不足也是造成破坏的重要原因。

(5)随着再生粗骨料掺量的增大，沥青混合料劈裂抗拉强度逐渐减小。再生粗骨料沥青混合料劈裂破坏的界面不仅发生在沥青胶浆中，也发生在水泥石与骨料的界面或已经存在损伤与缺陷的旧骨料上。

研究结果表明，只要控制沥青混合料中再生骨料的掺加比例，再生骨料沥青混合料的路用性能是可控的，甚至在水稳定性、高温性能方面是有积极影响的。根据公路等级与使用层位合理利用再生骨料，做到物尽其用，发挥再生骨料的价值具有可行性。综合考虑再生骨料对沥青用量与路用性能的影响，建议再生粗骨料掺量不超过60%。