高林麗，李文凱，王新嚴(yán)，邵景干，王菲菲

(1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)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(tuán)有限公司 綠色高性能材料應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)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(guó)學(xué)者將不同摻量的再生骨料摻入瀝青混合料中進(jìn)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(dāng)中，但摻量不宜超過(guò)75%。新加坡學(xué)者將建筑垃圾再生細(xì)集料等質(zhì)量替代機(jī)制砂進(jìn)行瀝青混合料性能研究，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)滿足本國(guó)規(guī)范要求。漢城國(guó)立大學(xué)學(xué)者對(duì)摻有再生骨料的路面基層及底基層性能進(jìn)行了研究，通過(guò)調(diào)整礦料級(jí)配、棱角性等參數(shù)來(lái)測(cè)定路面的力學(xué)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(guó)學(xué)者選用密級(jí)配AC-25C瀝青混合料，將再生細(xì)集料與天然細(xì)集料瀝青混合料進(jìn)行性能對(duì)比研究得出，再生細(xì)集料瀝青路面整體路用性能低于天然細(xì)集料，但相關(guān)技術(shù)指標(biāo)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；對(duì)地震廢棄物再生骨料進(jìn)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(jī)硅樹脂來(lái)彌補(bǔ)其性能的不足；用有機(jī)硅樹脂處理再生骨料，使得再生骨料強(qiáng)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(duì)密度測(cè)定方法；通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)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(shí)間能夠增加骨料表面瀝青膜厚度，油石比對(duì)馬歇爾試件流值影響不大。本文選用小型反擊式破碎機(jī)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(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的對(duì)比試驗(yàn)，然后對(duì)不同再生骨料摻量的AC-20C瀝青混合料分別進(jìn)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(duì)再生骨料的質(zhì)量至關(guān)重要。傳統(tǒng)顎式破碎機(jī)生產(chǎn)出的骨料壓碎值、針片狀含量等指標(biāo)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(jìn)的破碎機(jī)械相繼出現(xiàn)。

1.1 顎式破碎機(jī)

顎式破碎機(jī)按進(jìn)料口尺寸分為大、中、小3類機(jī)型，作業(yè)時(shí)模擬動(dòng)物兩顎運(yùn)動(dòng)進(jìn)行巖石破碎，巖石在活動(dòng)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(jī)

在顎式破碎機(jī)的基礎(chǔ)上，20世紀(jì)20年代德國(guó)研發(fā)出反擊式破碎機(jī)，它利用沖擊動(dòng)能進(jìn)行物料破碎，進(jìn)料寬度100～500 mm，最大強(qiáng)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(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中被廣泛應(yīng)用。

1.3 圓錐式破碎機(jī)

圓錐式破碎機(jī)主要由靜錐及動(dòng)錐構(gòu)成，靜錐固定在外圍，動(dòng)錐由偏心軸套帶動(dòng)做圓周運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)動(dòng)錐及靜錐距離不斷變化，當(dāng)距離最小時(shí)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(diǎn)。

1.4 錘式破碎機(jī)

錘式破碎機(jī)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(guò)沖擊原理進(jìn)行工作的破碎設(shè)備。具有破碎效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低，履帶式、便于移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的小型反擊式破碎機(jī)進(jìn)行再生骨料生產(chǎn)，破碎機(jī)功率為5 kW，示意圖如圖1所示。建筑垃圾水泥混凝土塊來(lái)源于鄭州市某混凝土結(jié)構(gòu)拆遷現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)反擊式破碎機(jī)進(jìn)料尺寸對(duì)建筑垃圾水泥混凝土塊進(jìn)行人工篩選，篩選過(guò)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(chǎng)局部建筑垃圾示意圖如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)室反擊式破碎機(jī)

圖2 鄭州某拆遷現(xiàn)場(chǎng)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(guò)13.2、9.5 mm篩孔，且參照J(rèn)TG E42─2005相關(guān)規(guī)定進(jìn)行壓碎值試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 壓碎值試驗(yàn)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?yàn)樵偕橇媳凰嗌皾{包裹，而水泥砂漿的強(qiáng)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(dǎo)致兩種粗集料壓碎值試驗(yàn)結(jié)果差異較大，但再生骨料壓碎值試驗(yàn)結(jié)果仍滿足高速公路及一級(jí)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J(rèn)TG E42─2005相關(guān)規(guī)定進(jìn)行洛杉磯磨耗損失試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 洛杉磯磨耗損失試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果相吻合，但再生骨料洛杉磯磨耗損失試驗(yàn)結(jié)果仍滿足高速公路及一級(jí)公路不大于30%的要求。

2.3 粘附性試驗(yàn)

選用70號(hào)A級(jí)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J(rèn)TG E20─2011相關(guān)規(guī)定進(jìn)行粘附性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 粘附性等級(jí)試驗(yàn)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(jí)相同，均為5級(jí)，表明再生骨料與70號(hào)A級(jí)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(yàn)

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

表4 篩分及毛體積相對(duì)密度試驗(yàn)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(guò)百分率相當(dāng)；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(biāo)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(hào)A級(jí)道路石油瀝青展開研究，其主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

3 配合比設(shè)計(jì)

本文選用密級(jí)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(xì)集料為0～3 mm石灰?guī)r機(jī)制砂，填料為石灰?guī)r磨細(xì)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(shí)AC-20C礦料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果如表6所示；最佳油石比及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表6 密級(jí)配AC-20C瀝青混合料礦料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果

表7 最佳油石比及馬歇爾試驗(yàn)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(duì)溫度較為敏感，夏季炎熱季節(jié)，路表溫度往往會(huì)超過(guò)60 ℃，極炎熱地區(qū)甚至?xí)^(guò)70 ℃，高溫環(huán)境下瀝青塑性增強(qiáng)，韌性降低，瀝青路面在車輛軸載，尤其重軸載重復(fù)作用下會(huì)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(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)不同再生骨料摻量(0%、20%、40%、60%)時(shí)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(jī)如圖3所示；試驗(yàn)后的的車轍板試件如圖4所示。

圖3 車轍試樣成型機(jī)

圖4 試驗(yàn)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(jìn)行車轍試驗(yàn)，車轍深度及動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果分別如圖5、圖6所示；動(dòng)穩(wěn)定度(DS)計(jì)算公式：

圖5 車轍深度試驗(yàn)結(jié)果

圖6 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

(1)

式中：、即碾壓時(shí)間分別為、時(shí)的車轍深度，mm；、分別取45、60 min；為車轍試驗(yàn)機(jī)小輪每1 min行走的次數(shù)，42次min；、為試驗(yàn)機(jī)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(yàn)結(jié)果先降低后升高；動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果先升高后降低，由擬合曲線可以看出，當(dāng)再生骨料摻量為25%左右時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到峰值。這主要因?yàn)槠扑楹蟮脑偕橇闲螤顦O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(dāng)再生骨料摻量超過(guò)25%時(shí)，再生骨料本身的性能開始發(fā)揮作用，水泥砂漿強(qiáng)度較低，摻量過(guò)高時(shí)會(huì)對(duì)瀝青路面高溫抗車轍性能起負(fù)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(dāng)結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的溫縮應(yīng)力大于其允許拉應(yīng)力時(shí)就會(huì)發(fā)生細(xì)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(shí)，路面出現(xiàn)收縮，春季溫度回暖時(shí)，路面體積膨脹，循環(huán)往復(fù)開裂間隙逐漸增大，如不加以處治就會(huì)進(jìn)一步惡化成嚴(yán)重裂縫，甚至塊狀裂縫及龜裂。本文選用-10℃小梁彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)不同再生骨料摻量(0%、20%、40%、60%)時(shí)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(yàn)時(shí)小梁跨徑為200 mm，小梁試件見圖7；SYD-0730A多功能全自動(dòng)瀝青壓力試驗(yàn)儀見圖8；彎拉強(qiáng)度及彎曲破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果分別如圖9、圖10所示，二者計(jì)算公式如下：

圖7 小梁試件

圖8 彎曲試驗(yàn)儀

圖9 彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖10 彎曲破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果

(2)

(3)

式中：為試件破壞時(shí)的彎拉強(qiáng)度,MPa；為試件破壞時(shí)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(shí)的最大荷載,N；為試件破壞時(shí)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(qiáng)度及彎曲破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果均逐漸降低，再生骨料摻量分別為20%、40%、60%時(shí)，混合料彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別降低了2.28%、6.05%、7.99%；彎曲破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果分別降低了8.28%、15.38%、28.44%；當(dāng)摻量為60%時(shí)，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(guò)40%，這主要因?yàn)轭€式破碎過(guò)程中再生骨料內(nèi)部易發(fā)生細(xì)微裂紋，會(huì)降低瀝青路面的低溫抗彎拉強(qiáng)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(guò)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(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)在不同再生骨料摻量時(shí)，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(gè)，浸水馬歇爾試件雙面各擊實(shí)75次，凍融劈裂試件雙面各擊實(shí)50次，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度，凍融劈裂殘留強(qiáng)度比(TSR)如計(jì)算公式：式(4)式(5)，其試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果

圖12 凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)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(qiáng)度，MPa；為未凍融劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果均逐漸升高；再生骨料摻量分別為20%、40%、60%時(shí)，混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果分別提高了1.59%、3.29%、4.04%，凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果分別提高了0.51%、1.67%、3.34%。這主要因?yàn)樵偕橇媳砻姹粔A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(fēng)險(xiǎn)，抗水損害能力逐漸增強(qiáng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)再生粗骨料原材料試驗(yàn)及不同再生骨料摻量的AC-20C瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)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(yàn)結(jié)果表明，粒徑為10～20 mm建筑垃圾再生骨料滿足濕潤(rùn)區(qū)高速公路及一級(jí)公路粗集料主要技術(shù)指標(biāo)要求；

(2)隨著再生骨料摻量的增加，AC-20C瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果先升高后降低；彎拉強(qiáng)度及彎曲破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)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(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果逐漸提高，再生骨料摻量為25%左右時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)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%。