再生粗骨料瀝青混合料性能及界面特性研究

□□ 黃少龍 (福建上若工程技術(shù)有限公司，福建 廈門(mén) 361100)

隨著(zhù)基建開(kāi)發(fā)力度不斷加大，越來(lái)越多的建筑垃圾與越來(lái)越匱乏的天然砂石資源已經(jīng)成為我國環(huán)境保護和工程建設的主要矛盾之一。其中，廢棄混凝土占建筑垃圾的比例最大，如果能將其經(jīng)過(guò)破碎得到合理級配的骨料，用于制備再生粗骨料瀝青混合料，不僅可以減少混凝土固廢垃圾的堆積，達到資源再利用的目的，還可以減少天然砂石的使用，減少天然資源開(kāi)發(fā)和利用。

用廢棄混凝土再生粗骨料取代天然集料制備瀝青混合料，由于再生骨料和天然集料兩者的表面層性能存在顯著(zhù)差異，使得不同骨料與瀝青膠漿的界面存在不同的結構狀態(tài)，從而會(huì )間接影響瀝青混合料的路面性能[1]。因此，試驗擬基于SMA-13瀝青混合料，以再生粗骨料取代38.5%天然集料，研究再生粗骨料瀝青混合料路面性能，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀(guān)察再生粗骨料混合料新、舊界面的表觀(guān)形貌特征，研究新舊界面過(guò)渡區對瀝青混合料性能的影響機理，分析再生骨料與瀝青膠漿界面之間力學(xué)性能薄弱的原因，為路面建設用再生骨料瀝青混合料的制備及應用建立基礎。

1.1 瀝青

試驗采用福建地區SBS改性瀝青，按相關(guān)規程試驗，試驗結果見(jiàn)表1。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標

1.2 集料

試驗采用玄武巖粗集料和石灰巖細集料(產(chǎn)地福建)，以及某攪拌站提供的廢棄混凝土破碎的再生粗骨料，再生骨料粒徑范圍為4.75～16.00 mm。

1.3 礦粉

選用福建龍巖地區石灰巖磨細粉，密度為2.701 g·cm-3，無(wú)結塊，其他性能均滿(mǎn)足標準要求。

1.4 纖維穩定劑

試驗選用江蘇地區生產(chǎn)的木質(zhì)素纖維，呈現白色絮狀，吸油率為6.3。

2.1 再生骨料取代

試驗設計SMA-13瀝青混合料，礦料級配參考目標級配并在試驗室驗證確定。再生骨料瀝青混合料礦料組成選用4.75～16.00 mm的再生粗骨料和天然集料，將再生骨料按粒徑篩分成4.75～9.50 mm、9.50～13.20 mm、13.20～16.00 mm等3檔骨料，分別取代對應級配的天然粗骨料，在4.75～16.00 mm粒徑范圍內，共計取代38.5%的天然集料。

2.2 礦料級配

礦料級配是設計瀝青混合料的關(guān)鍵指標之一，根據標準和工程經(jīng)驗，確定礦料級配見(jiàn)表2。

表2 再生粗骨料瀝青混合料礦料級配

2.3 最佳油石比

試驗確定未摻再生粗骨料和摻38.5%的再生粗骨料的瀝青混合料的最佳油石比，試驗結果見(jiàn)表3。進(jìn)一步通過(guò)馬歇爾試驗得到穩定度、流值以及再生混合料體積參數，體積參數包括密度、空隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)和瀝青飽和度(VFA)，試驗結果見(jiàn)表4。

表3 瀝青混合料最佳油石比

表4 摻38.5%再生粗骨料SMA-13馬歇爾試驗結果

從表3可以看出，對比未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的最佳油石比，油石比從5.8提高到6.3，說(shuō)明再生粗骨料對瀝青的吸附能力比天然集料強，再生粗骨料瀝青混合料中的瀝青被骨料吸附，有效瀝青含量就降低了，導致混合料需要更多的瀝青，從而造成最佳油石比的提高。分析原因在于再生粗骨料表面表面粗糙度較大，殘留砂漿含有大量微裂縫和微孔隙，能吸附更多的瀝青[2]。

從表4可以看出，對比未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的性能參數，兩者力學(xué)性能差別不大，穩定度和流值分別為13.16 kN、13.21 kN和4.2(0.1 mm)、4.3(0.1 mm)，兩者的體積參數密度、VV、VMA、VFA等指標差異也不大，均滿(mǎn)足標準要求。

3.1 高溫穩定性

試驗采用車(chē)轍試驗的動(dòng)穩定度和相對變形率來(lái)評價(jià)再生粗骨料瀝青混合料高溫穩定性，試驗結果見(jiàn)表5。

表5 車(chē)轍試驗結果

由表5可知，未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的動(dòng)穩定度均滿(mǎn)足標準要求，兩者的動(dòng)穩定度分別為4 667次·mm-1和6 562次·mm-1，動(dòng)穩定度提高40.1%，提高顯著(zhù)；
相對變形率分別為8.29%和7.28%，相對變形率降低12.2%，說(shuō)明摻入再生粗骨料有助于大幅提升瀝青混合料的高溫穩定性。分析原因在于再生粗骨料表面較為粗糙，骨料之間摩擦力、骨料與瀝青膠漿之間粘附力均更強，有利于穩定瀝青混合料的結構，進(jìn)而提高混合料的高溫穩定性[3]。

3.2 低溫開(kāi)裂性

采用低溫彎曲試驗(-10 ℃)來(lái)評價(jià)再生粗骨料瀝青混合料的低溫開(kāi)裂性能，低溫小梁彎曲試驗結果見(jiàn)表6。

表6 低溫小梁彎曲試驗結果

由表6結果可看出，未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的抗彎拉強度從8.68 MPa下降至7.24 MPa，下降16.6%，彎拉應變從3 270.5 με下降至2 512.6 με，下降23.2%，這說(shuō)明再生粗骨料的摻入會(huì )降低瀝青混合料的低溫抗裂性能。分析原因可能是在破碎過(guò)程中再生粗骨料產(chǎn)生許多細微裂紋，引發(fā)再生骨料抗拉強度進(jìn)一步降低；
同時(shí)，再生粗骨料表面的殘留砂漿也基本無(wú)抗拉強度，即降低骨料與瀝青膠漿的粘結界面強度，以上兩種情況均對混合料的低溫抗裂性能起反面影響作用，從而使低溫抗裂性能下降[4]。

摻再生粗骨料的瀝青混合料的彎拉應變?yōu)? 512.6 με，僅比標準要求大162.6 με，屬于能滿(mǎn)足要求，但富余系數低，因此，摻再生骨料的瀝青混合料需要重點(diǎn)關(guān)注其低溫開(kāi)裂性能。

3.3 水穩定性

水穩定性能評價(jià)采用浸水試驗和凍融劈裂試驗，試驗結果見(jiàn)表7。

表7 浸水殘留穩定度與凍融劈裂強度試驗結果

由表7結果表明，未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的水穩定性能均滿(mǎn)足標準要求，兩者的浸水殘留穩定度MS0分別為87.8%和90.2%，提高2.66%，凍融劈裂強度比TSR分別為82.4%和85.1%，提高3.17%。分析原因可能是再生粗骨料表面附著(zhù)堿性砂漿，與瀝青形成較穩定的結構瀝青膜，提高再生粗骨料與瀝青之間粘附性能，使瀝青混合料的水穩定性有所增強。

3.4 抗開(kāi)裂性能

試驗選用半圓彎拉試驗來(lái)評價(jià)再生粗骨料瀝青混合料的抗開(kāi)裂性能，通過(guò)參考文獻[5]計算試件層底抗拉強度。試驗結果見(jiàn)表8，試件破壞形態(tài)如圖1和圖2所示。

圖1 試件在骨料中間發(fā)生破壞

圖2 試件在新、舊界面過(guò)渡區破壞

由表8可知，未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的抗彎拉強度存在一定差異，兩者的最大荷載分別為9 521 kN和8 146 kN，對應的抗彎拉強度分別為9.13 MPa和7.67 MPa，下降16.0%，抗彎拉強度下降較為顯著(zhù)。說(shuō)明再生粗骨料的摻入對瀝青混合料的抗裂性能起到反面影響作用。分析原因可能是再生粗骨料在破碎過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生許多細微裂紋，引發(fā)再生骨料抗拉強度進(jìn)一步降低，且再生粗骨料表面的殘余砂漿也基本無(wú)抗拉強度，在荷載作用下，細微裂縫和殘余砂漿作為薄弱和應力集中區域，易引起粘結界面的強度不足，進(jìn)而在骨料新、舊界面過(guò)渡性發(fā)生彎拉破壞。

表8 半圓彎拉強度試驗結果

從圖1可以看出，再生粗骨料瀝青混合料的彎拉破壞發(fā)生在再生粗骨料本身，進(jìn)一步說(shuō)明再生粗骨料在破碎過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生許多細微裂紋導致骨料抗拉強度不高。從圖2可以看出，再生粗骨料瀝青混合料的彎拉破壞發(fā)生在骨料新、舊界面過(guò)渡區，骨料形態(tài)基本無(wú)未見(jiàn)破壞，驗證了再生粗骨料新、舊為薄弱和應力集中區域，易引起粘結界面的強度不足。

為了全面了解新、舊界面過(guò)渡區的表觀(guān)形貌特征，采用掃描電子顯微鏡觀(guān)測再生粗骨料-瀝青膠漿界面過(guò)渡區的微觀(guān)形貌特征，圖像如圖3和圖4所示。

圖3 新界面過(guò)渡區微觀(guān)形貌特征圖

圖4 舊界面過(guò)渡區微觀(guān)形貌特征圖

從圖3可以看出，新界面過(guò)渡區砂漿-瀝青膠漿相連的區域，存有2～5 μm間隙，其產(chǎn)生間隙的原因可能是礦粉和細集料的紊亂堆積造成的，從而在界面附近阻止瀝青膠漿的滲透，導致新界面粘結力下降。從圖4可以看出，雖然舊界面和再生粗骨料之間有一點(diǎn)間隙，但具有更好的整體性，因此，舊界面過(guò)渡區相較于新界面過(guò)渡區表現出更好的粘附性，此外，隨著(zhù)舊界面過(guò)渡區內部遠離骨料邊界，部分區域存在未密實(shí)孔隙。

5.1 由于再生粗骨料表面表面粗糙度較大，殘留砂漿含有大量微裂縫和微孔隙，再生粗骨料瀝青混合料的最佳油石比有所增大。

5.2 未摻入再生粗骨料和摻入38.5%再生粗骨料瀝青混合料的力學(xué)性能差別不大，再生粗骨料的摻入對瀝青混合料的高溫穩定性和水穩定性能均有積極作用。

5.3 受再生粗骨料細微裂紋和殘余砂漿的負面影響，再生骨料瀝青混合料的界面粘結強度不足，進(jìn)而表現為低溫抗裂性和抗開(kāi)裂性能有所下降。

5.4 通過(guò)表觀(guān)形貌特征發(fā)現，新、舊界面過(guò)渡區瀝青膠漿相與砂漿相之間存在2～5 μm間隙，部分區域分布未密實(shí)孔隙與微裂紋，易引起應力集中，是破壞骨料和瀝青膠漿之間牢固性的重要原因之一。