再生骨料表面改性及在瀝青混凝土中的應用研究

郭培達

（湖北交投高速公路運營集團有限公司，武漢 430074）

我國經濟建設取得突出的成就離不開交通運輸領域的快速發展。交通運輸系統是一個復雜的體系，包括公路運輸、鐵路運輸和航空運輸等，其中公路運輸占比達80%以上，道路是公路運輸的載體，因此道路建設的重要性不言而喻。我國道路多采用低噪音、抗滑和耐磨的瀝青混凝土路面，瀝青路面建設所需要的原材料主要是骨料（玄武巖、石灰巖等）和瀝青膠結料，其中骨料占到瀝青混凝土90%以上[1]，因此我國瀝青路面建設消耗了大量天然石材。天然原材料短缺已經逐漸成為制約道路建設與發展的主要因素。

隨著我國城市化的建設，道路翻新、舊城區改造等會不可避免地產生大量的建筑垃圾。現階段建筑垃圾占城市垃圾總量已經達到30%以上[2]，數量巨大，但其中90%以上都沒得到充分利用[3]。對建筑垃圾的處理也多是露天堆積或填埋，對空氣環境、水源和土壤造成嚴重污染，因此實現建筑垃圾的循環利用已經勢在必行[4]。將建筑垃圾加工為再生骨料用于道路建設被視為可高效、高附加值處理建筑垃圾的前景途徑之一。針對再生骨料瀝青混凝土已經開展了大量的研究工作[2-6]，但因再生骨料自身存在孔隙多、吸水率高和強度低等缺陷，其在瀝青混凝土中的使用受到限制。因此，開展再生骨料改性及瀝青混凝土路用性能的研究對于促進再生骨料的應用有重要意義。

本研究采用有機改性技術對再生骨料表面進行改性，采用改性前后的再生骨料以不同比例取代天然粗骨料制備瀝青混凝土，分析有機改性技術和再生骨料摻量對瀝青混凝土高溫穩定性、低溫抗裂性及水穩定性的影響。

1 原材料性能

本研究所選用的粗集料包括再生骨料和石灰石兩類，細集料為石灰石，填料為石灰石礦粉，瀝青選用AH-70 基質瀝青。其中，再生骨料來自武漢周邊某建筑垃圾加工廠。此外，還使用到有機硅樹脂溶液，采用其對再生骨料表面進行改性。

2 試驗方法

有機硅樹脂溶液改性再生骨料的過程：將再生骨料置于振動臺上，垂直振動臺面往再生骨料表面噴灑有機硅樹脂溶液；振動臺的振動作用使骨料不斷調整與硅樹脂接觸的表面；將表面被有機硅樹脂溶液充分潤濕的再生骨料移入室內環境下放置，使有機硅樹脂溶液充分固化。

采用有機改性前后的再生骨料按照馬歇爾標準方法設計瀝青混凝土，再生骨料替代天然石灰石的量分別設定為20%、40%、60%、80%和100%。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，開展瀝青混凝土的車轍試驗、小梁低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。

3 結果與討論

3.1 高溫性能

一般通過車轍試驗測定瀝青混凝土的動穩定度來評價其高溫性能。對于未摻入再生骨料的石灰石瀝青混凝土對照組，其動穩定度為3 015 次/mm。當采用不同數量再生骨料取代石灰石粗骨料后，瀝青混凝土的動穩定度變化情況如圖1 所示。從圖1 可以看出，采用未改性再生骨料按照20%、40%、60%、80%和100%比例分別取代石灰石粗骨料時，瀝青混凝土的動穩定度則分別下降了3.7%、11.2%、17.1%、34.9%和48.4%。顯然，隨著再生骨料摻量增加，瀝青混凝土的動穩定度呈現逐漸下降的趨勢，尤其當再生骨料摻量超過60%時，動穩定度快速下降。采用有機硅樹脂改性再生骨料后，情況發生了一些變化，改性再生骨料摻量為20%時，瀝青混凝土的動穩定度達到3 199 次/mm，提高了6.1%。但隨著改性再生骨料摻量進一步增加，動穩定度呈逐漸下降的趨勢，但下降速度相比未改性再生骨料瀝青混凝土明顯放緩。改性再生骨料摻量為60%時，動穩定度僅下降了4.3%；即使粗骨料全部為改性再生骨料時，動穩定度也保持在2 000 次/mm 以上，下降了約26.4%，下降幅度顯著小于未改性再生骨料瀝青混凝土。可見有機改性技術使得再生骨料瀝青混凝土的高溫性能得到明顯提升。雖然瀝青混凝土的動穩定度隨改性和未改性兩種再生骨料摻量的增加均顯現出明顯的下降，但所有類型再生骨料瀝青混凝土的動穩定度結果均滿足規范《公路瀝青路面施工技術規范》不低于1 000 次/mm 的高要求。因此，就穩定度而言，再生骨料及改性再生骨料均可用于100%替代石灰石粗骨料。

圖1 車轍試驗結果

動穩定度結果表明，雖然有機硅樹脂溶液可改善再生骨料瀝青混凝土的高溫性能，但隨著改性再生骨料摻入量的增加，瀝青混凝土的動穩定度仍然難以保持在與普通石灰石瀝青混凝土相當的水平。這可能有兩方面的原因，一是采用有機硅樹脂溶液改性再生骨料表面，雖然填充了表面裂縫和孔隙，但未完全解決砂漿造成的再生骨料強度低等問題；另外，采用再生骨料逐步替代天然石灰石粗骨料，改變了骨架結構的構成，再生骨料摻入前后骨架的差異性也可能被逐漸放大，最終影響到瀝青混凝土的高溫穩定性。

3.2 低溫性能

采用小梁低溫彎曲試驗評價瀝青混凝土的低溫性能，主要涉及破壞彎拉應變、彎拉強度和彎曲勁度模量這三類指標。對于未摻入再生骨料的石灰石瀝青混凝土對照組，其破壞應變、破壞強度、破壞勁度模量分別為2 350 με、8.91 MPa、3 791 MPa。摻入再生骨料后，瀝青混凝土破壞應變、破壞強度和破壞勁度模量的變化情況分別如圖2—圖4 所示。

破壞應變大小是瀝青混凝土柔韌性的體現，破壞應變越大，其抗開裂性能越好。從圖2 可以看出，隨著再生骨料摻量的增加，未改性再生骨料瀝青混凝土的破壞應變逐漸減小，且摻量越大變化越劇烈，當采用再生骨料完全替代石灰石粗骨料時，瀝青混凝土的最大彎拉應變下降了15.7%。而改性再生骨料瀝青混凝土的應變變化則顯著不同，其并未表現出有規律的變化，而是在2 300 με 附近波動。這主要和再生骨料表面狀態有關，對于未改性處理的再生骨料，表面因砂漿存在很多裂縫和孔隙，其對瀝青的吸收效應可能會顯著影響瀝青與再生骨料之間的作用，如造成再生骨料表面瀝青膜逐漸變薄。因而，未改性再生骨料表面與瀝青的作用實則相當復雜。而對于有機改性后的再生骨料，在有機硅樹脂的包裹下，再生骨料表面性質得到“均化”，此時由再生骨料性質對瀝青混凝土低溫變形產生的影響減弱，瀝青膠漿成為瀝青混凝土低溫性能的主要決定者。因此，不同摻量的改性再生骨料瀝青混凝土的低溫彎拉應變則相對比較穩定。我國規范《公路瀝青路面施工技術規范》對基質瀝青混凝土低溫彎拉應變的最低要求是不低于2 000 με，從試驗結果來看，不同摻量的改性再生骨料瀝青混凝土均能滿足要求；而對于未改性再生骨料瀝青混凝土，當再生骨料摻量超過60%時，滿足這一指標則變得比較困難。

圖2 彎拉應變試驗結果

從圖3 來看，瀝青混凝土的破壞強度均隨著未改性或改性再生骨料摻量的增加而不同程度地下降，未改性再生骨料瀝青混凝土下降得更為明顯。具體來看，當再生骨料摻量從0%逐漸提高到100%時，未改性再生骨料瀝青混凝土的彎拉破壞強度下降了13.2%，而對于改性再生骨料，這一值則為6.3%。這說明有機硅樹脂溶液賦予了改性再生骨料瀝青混凝土更好的強度。但隨著改性再生骨料在瀝青混凝土中摻量的增加，彎拉破壞強度依舊呈現下降的趨勢，這也間接表明對再生骨料表面進行有機改性處理不能完全解決再生骨料強度低等性能問題。

圖3 彎拉強度試驗結果

一般來說，較低的彎曲破壞勁度模量能賦予瀝青混凝土較好的低溫性能。由圖4 可知，隨著再生骨料摻量的增加，未改性再生骨料瀝青混凝土的破壞勁度模量逐步上升，且在高摻量下勁度模量的上升幅度趨于明顯。但整體上來看，勁度模量的變化并不顯著。未改性再生骨料摻量在40%及以下時，勁度模量的變化很小，近乎維持不變；當摻量提高到60%及以上，勁度模量逐漸上升，當粗骨料全部為未改性再生骨料時，瀝青混凝土的勁度模量增加了約3%。對于改性再生骨料瀝青混凝土，隨著再生骨料摻量的增加，勁度模量整體上呈現先下降后上升的變化趨勢，且下降的幅度要高于上升的幅度。具體來看，當改性再生骨料的摻量為60%時，瀝青混凝土的勁度模量下降了約4%；此后隨著改性再生骨料摻量的進一步提高，勁度模量又從低點恢復了約2%。綜合破壞應變、破壞強度及破壞勁度模量來看，有機硅樹脂溶液對再生骨料瀝青混凝土低溫性能的改善效果是顯著的。當有機改性再生骨料替代石灰石粗集料的量超過60%時，應變和強度都有比較明顯的回落，且此時勁度模量又開始上升。

圖4 彎曲勁度模量試驗結果

我國《公路瀝青路面施工技術規范》并未對彎拉破壞強度和彎曲勁度模量這兩類指標提出限定要求，結合圖3 和圖4 結果來看，相比未改性的再生骨料，相同摻量下，有機改性再生骨料使瀝青混凝土的這兩類指標朝著有利于低溫性能提升的方向發展。而對于未改性的再生骨料，隨著摻量的提高，強度下降，而勁度模量則逐漸上升，因而需控制再生骨料的摻量，達到平衡強度和勁度模量的目的。同時，結合彎拉應變這一主要的低溫性能評判指標來看，建議將再生骨料的摻量控制在60%以內，而改性再生骨料的摻量則可達到粗骨料的100%。

3.3 水穩定性能

本研究通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來評價再生骨料瀝青混凝土的水穩定性。未摻入再生骨料時，石灰石瀝青混凝土的浸水殘留穩定度和凍融劈裂強度比分別為92%和90%，摻入再生骨料后的浸水殘留穩定度和凍融劈裂強度比結果分別如圖5 和圖6 所示。從圖中可以看出，隨著再生骨料摻量的增加，改性和未改性再生骨料混凝土的浸水殘留穩定度與凍融劈裂強度比都隨之下降。其中，未改性再生骨料混凝土對應數值下降更明顯。當粗集料全部為再生骨料時，未改性再生骨料瀝青混凝土的浸水殘留穩定度和凍融劈裂強度分別比為72%和68%，而對于改性再生骨料瀝青混凝土，則分別為82%和81%。說明再生骨料表面改性技術能夠明顯提高瀝青混凝土的水穩定性。在摻量為20%時，改性和未改性的再生骨料瀝青混凝土殘留穩定度差值和劈裂強度比差值分別為2%和1%，而當粗集料全部為再生骨料時，差值則分別擴大到10%和13%。由此說明，隨著再生骨料摻量的增加，雖然瀝青混凝土的水穩定性變差，但有機硅樹脂溶液對再生骨料瀝青混凝土的水穩定改善效果更加顯著。《公路瀝青路面施工技術規范》對普通瀝青混凝土殘留穩定度和劈裂強度比的高要求是兩者應分別不小于80%和75%。可見，當未改性再生骨料摻量超過60%時，殘留穩定度和劈裂強度比則較快速下降至難以滿足這一要求。從水穩定性方面考慮，也建議將再生骨料摻量控制在60%以內，而改性再生骨料的摻量則同樣可以是粗集料的100%。

圖5 浸水馬歇爾試驗結果

圖6 凍融劈裂試驗結果

未改性再生骨料之所以會導致水穩定性明顯下降，同樣是因為再生骨料表面因砂漿的存在而孔隙較多，吸水率高，造成再生骨料表面有著很強的親水性，這將使瀝青與骨料間的黏附性下降。而有機硅樹脂溶液可以浸入再生骨料孔隙及裂縫，對其進行填充，同時再生骨料表面瀝青膜能很好地包裹住再生骨料，使得水分浸入骨料內部困難，從而明顯提高了再生骨料瀝青混凝土的水穩定性。但同樣，隨著改性再生骨料摻量提高，瀝青混凝土的水穩定性下降。推測主要有兩方面的原因，一方面，對再生骨料表面進行有機改性處理不能完全解決再生骨料強度低等性能問題；另一方面，有機改性后的再生骨料表面與瀝青的黏附性能可能仍不及石灰石集料與瀝青那樣優秀。

4 結論

本研究旨在采用有機硅樹脂溶液改性再生骨料表面來提高再生骨料瀝青混凝土的路用性能，促進再生骨料在瀝青混凝土中的應用。通過研究可以獲得如下結論：

（1）采用再生骨料取代天然石灰石粗集料，顯著削弱了瀝青混凝土的高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性；且隨再生骨料摻量的逐步增加，瀝青混凝土性能受到的影響也越發顯著。采用有機硅樹脂溶液改性再生骨料表面可有效改善瀝青混凝土的路用性能。

（2）綜合高溫穩定性、低溫抗裂性能和水穩定性這三類主要路用性能指標隨再生骨料摻量的變化情況，建議將再生骨料取代天然石灰石粗集料的比例控制在60%以內，而有機改性再生骨料則可用于完全替代天然石灰石粗集料。