建筑垃圾再生骨料瀝青混合料性能研究

高林麗，李文凱，王新嚴，邵景干，王菲菲

(1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000; 2.河南交院工程技術(shù)集團有限公司 綠色高性能材料應(yīng)用技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，河南 鄭州 450046；3.河南建元公路附屬設(shè)施工程有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453400)

美國學者將不同摻量的再生骨料摻入瀝青混合料中進行相關(guān)路用性能研究得出，再生骨料能夠用到瀝青路面工程當中，但摻量不宜超過75%。新加坡學者將建筑垃圾再生細集料等質(zhì)量替代機制砂進行瀝青混合料性能研究，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)技術(shù)指標滿足本國規(guī)范要求。漢城國立大學學者對摻有再生骨料的路面基層及底基層性能進行了研究，通過調(diào)整礦料級配、棱角性等參數(shù)來測定路面的力學性能得出，再生骨料部分替代天然骨料作為基層材料滿足規(guī)范要求。我國學者選用密級配AC-25C瀝青混合料，將再生細集料與天然細集料瀝青混合料進行性能對比研究得出，再生細集料瀝青路面整體路用性能低于天然細集料，但相關(guān)技術(shù)指標滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；對地震廢棄物再生骨料進行研究表明，再生骨料能夠用于瀝青路面，但需添加部分天然骨料或有機硅樹脂來彌補其性能的不足；用有機硅樹脂處理再生骨料，使得再生骨料強度、粘附性及吸水率等性能得到改善，并提出新的再生骨料瀝青混合料最大理論相對密度測定方法；通過室內(nèi)試驗證明再生骨料能夠應(yīng)用于瀝青路面，提高混合料的拌和時間能夠增加骨料表面瀝青膜厚度，油石比對馬歇爾試件流值影響不大。本文選用小型反擊式破碎機將建筑垃圾水泥混凝土塊破碎成10～20 mm的再生骨料，并將再生骨料與天然石灰?guī)r碎石進行相關(guān)指標的對比試驗，然后對不同再生骨料摻量的AC-20C瀝青混合料分別進行高溫抗車轍、低溫抗開裂以及抗水損害等路用性能研究，為建筑垃圾水泥混凝土塊再生骨料在公路中、下面層的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 再生骨料破碎設(shè)備

建筑垃圾再生骨料生產(chǎn)主要包括2大核心：破碎及篩分裝置。破碎水平的高低對再生骨料的質(zhì)量至關(guān)重要。傳統(tǒng)顎式破碎機生產(chǎn)出的骨料壓碎值、針片狀含量等指標較差，骨料之間嵌擠效果較差，影響瀝青路面的路用性能。隨著科技的發(fā)展，技術(shù)工藝先進的破碎機械相繼出現(xiàn)。

1.1 顎式破碎機

顎式破碎機按進料口尺寸分為大、中、小3類機型，作業(yè)時模擬動物兩顎運動進行巖石破碎，巖石在活動顎板與固定顎板作用下受壓、扭曲、彎曲直至破碎。

1.2 反擊式破碎機

在顎式破碎機的基礎(chǔ)上，20世紀20年代德國研發(fā)出反擊式破碎機，它利用沖擊動能進行物料破碎，進料寬度100～500 mm，最大強度350 MPa。具有被破碎物料硬度范圍廣，處理含水率大的物料更有效，出料粒度調(diào)節(jié)范圍廣，構(gòu)件磨損率低、維修費用少等優(yōu)點，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中被廣泛應(yīng)用。

1.3 圓錐式破碎機

圓錐式破碎機主要由靜錐及動錐構(gòu)成，靜錐固定在外圍，動錐由偏心軸套帶動做圓周運動。工作時動錐及靜錐距離不斷變化，當距離最小時物料受到擠壓、彎曲而破碎。具有效率高、能耗低，降低骨料的針片狀含量，適用范圍廣，易于操作、便于維修等優(yōu)點。

1.4 錘式破碎機

錘式破碎機能夠?qū)⒋罅降乃嗷炷翂K破碎成粒徑小于25 mm的再生骨料，是通過沖擊原理進行工作的破碎設(shè)備。具有破碎效率高，結(jié)構(gòu)簡單、能耗低，履帶式、便于移動等優(yōu)點，但其構(gòu)件易磨損、維修成本高，不能破碎含水率大于10%的塊石。

2 再生骨料及瀝青性能

本文選用鞏義鑫利重工機械制造有限公司生產(chǎn)的小型反擊式破碎機進行再生骨料生產(chǎn)，破碎機功率為5 kW，示意圖如圖1所示。建筑垃圾水泥混凝土塊來源于鄭州市某混凝土結(jié)構(gòu)拆遷現(xiàn)場，根據(jù)反擊式破碎機進料尺寸對建筑垃圾水泥混凝土塊進行人工篩選，篩選過程中要注意非水泥混凝土塊不能用于瀝青路面；拆遷現(xiàn)場局部建筑垃圾示意圖如圖2所示。

圖1 試驗室反擊式破碎機

圖2 鄭州某拆遷現(xiàn)場局部建筑垃圾

2.1 壓碎值

選用粒徑為10～20 mm天然石灰?guī)r碎石及破碎好的再生骨料過13.2、9.5 mm篩孔，且參照JTG E42─2005相關(guān)規(guī)定進行壓碎值試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 壓碎值試驗結(jié)果

由表1可知，天然石灰?guī)r碎石壓碎值顯著低于再生骨料，這主要因為再生骨料被水泥砂漿包裹，而水泥砂漿的強度低于母巖，在400 kN壓力作用下穩(wěn)壓10 min極易發(fā)生破碎，導致兩種粗集料壓碎值試驗結(jié)果差異較大，但再生骨料壓碎值試驗結(jié)果仍滿足高速公路及一級公路不大于28%的要求。

2.2 洛杉磯磨耗損失

選用粒徑為10～20 mm天然石灰?guī)r碎石及再生骨料參照JTG E42─2005相關(guān)規(guī)定進行洛杉磯磨耗損失試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 洛杉磯磨耗損失試驗結(jié)果

由表2可知，天然石灰?guī)r碎石洛杉磯磨耗損失顯著低于再生骨料，這與壓碎值試驗結(jié)果相吻合，但再生骨料洛杉磯磨耗損失試驗結(jié)果仍滿足高速公路及一級公路不大于30%的要求。

2.3 粘附性試驗

選用70號A級道路石油瀝青及粒徑為9.5～13.2 mm的天然石灰?guī)r碎石及再生骨料參照JTG E20─2011相關(guān)規(guī)定進行粘附性試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 粘附性等級試驗結(jié)果

由表3可知，天然石灰?guī)r碎石與再生骨料的粘附性等級相同，均為5級，表明再生骨料與70號A級道路石油瀝青具有良好的相容性，再生骨料應(yīng)用到瀝青混合料中不易出現(xiàn)水穩(wěn)定性差的危害。

2.4 篩分及密度試驗

選用粒徑為10～20 mm的天然石灰?guī)r碎石及再生骨料參照JTG E42─2005相關(guān)規(guī)定進行水洗法篩分及密度試驗，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 篩分及毛體積相對密度試驗結(jié)果

由表4可知，再生骨料與天然石灰?guī)r碎石的各篩孔篩分通過百分率相當；而天然石灰?guī)r碎石的密度大于再生骨料，但相差不大，表明再生骨料等質(zhì)量替代天然碎石在混合料體積指標方面上可行。

2.5 瀝青

本文選用中石油燃料油有限公司生產(chǎn)的70號A級道路石油瀝青展開研究，其主要技術(shù)指標試驗結(jié)果如表5所示。

表5 瀝青主要技術(shù)指標試驗結(jié)果

3 配合比設(shè)計

本文選用密級配AC-20C瀝青混合料展開研究，粗集料為10～20、5～10、3～5 mm石灰?guī)r碎石及10～20 mm再生骨料，細集料為0～3 mm石灰?guī)r機制砂，填料為石灰?guī)r磨細的礦粉。再生骨料摻量分別為0%、20%、40%、60%(等百分比替代天然石灰?guī)r碎石)時AC-20C礦料級配設(shè)計結(jié)果如表6所示；最佳油石比及馬歇爾試驗結(jié)果如表7所示。

表6 密級配AC-20C瀝青混合料礦料級配設(shè)計結(jié)果

表7 最佳油石比及馬歇爾試驗結(jié)果

4 路用性能

4.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青面層是一種柔性結(jié)構(gòu)層，對溫度較為敏感，夏季炎熱季節(jié)，路表溫度往往會超過60 ℃，極炎熱地區(qū)甚至會超過70 ℃，高溫環(huán)境下瀝青塑性增強，韌性降低，瀝青路面在車輛軸載，尤其重軸載重復作用下會發(fā)生永久性塑性變形。車轍、擁包、泛油及推移等病害的出現(xiàn)是瀝青路面高溫穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)形式。本文選用60 ℃車轍試驗來評價不同再生骨料摻量(0%、20%、40%、60%)時AC-20C瀝青混合料高溫抗車轍能力，車轍板試模的尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，HYCX-1車轍試樣成型機如圖3所示；試驗后的的車轍板試件如圖4所示。

圖3 車轍試樣成型機

圖4 試驗后的車轍板試件

車轍板成型后需連同試模在室溫條件下靜置24 h后再進行車轍試驗，車轍深度及動穩(wěn)定度試驗結(jié)果分別如圖5、圖6所示；動穩(wěn)定度(DS)計算公式：

圖5 車轍深度試驗結(jié)果

圖6 動穩(wěn)定度試驗結(jié)果

(1)

式中：、即碾壓時間分別為、時的車轍深度，mm；、分別取45、60 min；為車轍試驗機小輪每1 min行走的次數(shù)，42次min；、為試驗機常數(shù)，均取10。

由圖5、圖6可知，隨著再生骨料摻量的增加，AC-20C瀝青混合料車轍深度試驗結(jié)果先降低后升高；動穩(wěn)定度試驗結(jié)果先升高后降低，由擬合曲線可以看出，當再生骨料摻量為25%左右時，動穩(wěn)定度試驗結(jié)果達到峰值。這主要因為破碎后的再生骨料形狀極不規(guī)則且表面粗糙，與天然骨料之間能夠形成穩(wěn)定的嵌擠作用；再生骨料表面為堿性的水泥砂漿材料，與瀝青有很好的相容性，增加了骨料之間瀝青膜的厚度，提高混合料的高溫穩(wěn)定性；當再生骨料摻量超過25%時，再生骨料本身的性能開始發(fā)揮作用，水泥砂漿強度較低，摻量過高時會對瀝青路面高溫抗車轍性能起負面作用。

4.2 低溫抗裂性

低溫環(huán)境下，瀝青變得硬而脆，瀝青路面在車輛軸載作用下，當結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的溫縮應(yīng)力大于其允許拉應(yīng)力時就會發(fā)生細小裂縫，這些病害在北方凍融交替地區(qū)更易出現(xiàn)，冬季氣溫較低時，路面出現(xiàn)收縮，春季溫度回暖時，路面體積膨脹，循環(huán)往復開裂間隙逐漸增大，如不加以處治就會進一步惡化成嚴重裂縫，甚至塊狀裂縫及龜裂。本文選用-10℃小梁彎曲試驗來評價不同再生骨料摻量(0%、20%、40%、60%)時AC-20C瀝青混合料的低溫抗開裂能力，將車轍板試件切割得到尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件，試驗時小梁跨徑為200 mm，小梁試件見圖7；SYD-0730A多功能全自動瀝青壓力試驗儀見圖8；彎拉強度及彎曲破壞應(yīng)變試驗結(jié)果分別如圖9、圖10所示，二者計算公式如下：

圖7 小梁試件

圖8 彎曲試驗儀

圖9 彎拉強度試驗結(jié)果

圖10 彎曲破壞應(yīng)變試驗結(jié)果

(2)

(3)

式中：為試件破壞時的彎拉強度,MPa；為試件破壞時彎拉破壞應(yīng)變,με；為小梁試件寬度,mm；為小梁試件高度,mm；為小梁試件跨徑,mm；為試件破壞時的最大荷載,N；為試件破壞時的跨中撓度,mm。

由圖9、圖10可知，隨著再生骨料摻量的增加，AC-20C瀝青混合料彎拉強度及彎曲破壞應(yīng)變試驗結(jié)果均逐漸降低，再生骨料摻量分別為20%、40%、60%時，混合料彎拉強度試驗結(jié)果分別降低了2.28%、6.05%、7.99%；彎曲破壞應(yīng)變試驗結(jié)果分別降低了8.28%、15.38%、28.44%；當摻量為60%時，彎曲破壞應(yīng)變?yōu)? 842 με，不能滿足普通瀝青混合料冬冷區(qū)不低于2 000 με的要求。為保證瀝青路面具有良好的低溫抗開裂能力，再生骨料摻量不易超過40%，這主要因為顎式破碎過程中再生骨料內(nèi)部易發(fā)生細微裂紋，會降低瀝青路面的低溫抗彎拉強度；隨著再生骨料的增加，降低幅度逐漸增大，因此再生骨料的摻量不易過大。

4.3 水穩(wěn)定性

夏季多雨地區(qū)，水損害是瀝青路面常見的病害，瀝青路面隨著使用年限的增加，瀝青膠漿在溫度、車輛軸載、雨水及紫外線等綜合作用下極易從骨料之間剝落，坑槽、松散等路面病害的出現(xiàn)是瀝青路面水穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)形式。本文選用浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗來評價在不同再生骨料摻量時，AC-20C瀝青混合料的抗水損害能力。浸水馬歇爾及凍融劈裂試件各8個，浸水馬歇爾試件雙面各擊實75次，凍融劈裂試件雙面各擊實50次，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度，凍融劈裂殘留強度比(TSR)如計算公式：式(4)式(5)，其試驗結(jié)果分別如圖11、圖12所示。

圖11 浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果

圖12 凍融劈裂殘留強度比試驗結(jié)果

(4)

(5)

式中：為浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度，%；為浸水30 min穩(wěn)定度，kN；S為浸水48 h穩(wěn)定度，kN；2為凍融后劈裂抗拉強度，MPa；為未凍融劈裂抗拉強度，MPa。

由圖11、圖12可知，隨著再生骨料摻量的增加，AC-20C瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強度比試驗結(jié)果均逐漸升高；再生骨料摻量分別為20%、40%、60%時，混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果分別提高了1.59%、3.29%、4.04%，凍融劈裂殘留強度比試驗結(jié)果分別提高了0.51%、1.67%、3.34%。這主要因為再生骨料表面被堿性水泥砂漿包裹，與瀝青之間具有較好的粘附性，瀝青能夠在骨料表面形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)瀝青膜，且隨著摻量的增加，混合料最佳油石比逐漸增大，增大了骨料之間結(jié)構(gòu)瀝青膜的厚度，限制了瀝青膠漿從骨料之間剝落的風險，抗水損害能力逐漸增強。

5 結(jié)語

本文通過對再生粗骨料原材料試驗及不同再生骨料摻量的AC-20C瀝青混合料進行配合比設(shè)計及高溫抗車轍、低溫抗開裂及水穩(wěn)定性等路用性能研究得出：

(1)壓碎值、洛杉磯磨耗、粘附性、篩分及密度試驗結(jié)果表明，粒徑為10～20 mm建筑垃圾再生骨料滿足濕潤區(qū)高速公路及一級公路粗集料主要技術(shù)指標要求；

(2)隨著再生骨料摻量的增加，AC-20C瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果先升高后降低；彎拉強度及彎曲破壞應(yīng)變試驗結(jié)果均逐漸降低；浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強度比試驗結(jié)果逐漸提高，再生骨料摻量為25%左右時，動穩(wěn)定度試驗結(jié)果最優(yōu)。綜合考慮建筑垃圾再生骨料的推薦摻量為25%。