建筑再生集料對瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響

黎 旭，韋炳銳，龔偉迪，劉威勤

(廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

城市建筑的改建會產(chǎn)生大量的建筑垃圾，其約占城市廢棄固體總量的40%左右，據(jù)統(tǒng)計，全國建筑垃圾的生成量約16億 t，多年累積量高達(dá)數(shù)十億 t。建筑垃圾的堆放與處理是一項技術(shù)難題，目前建筑垃圾的處理方式主要為堆棄在偏遠(yuǎn)的郊外或鄉(xiāng)村，這會占用大量的土地資源，也會對當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成污染，所以如何有效地處置建筑垃圾是社會關(guān)注的焦點之一。建筑垃圾中的磚混材料本來就具有工程材料的屬性，具有再生利用的潛力，若能將廢舊的磚混材料再生利用，可實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，減輕石料緊張的壓力，減少環(huán)境污染[1-3]。

建筑垃圾中的碎磚和碎混凝土塊經(jīng)過處理可轉(zhuǎn)化為具有一定級配的建筑再生粗集料，截至2018年，我國的三等級及以下公路里程占全國總里程的80%，為381.81萬 km，這些公路的養(yǎng)護維修和改擴建需要消耗大量的建筑集料。若將建筑再生粗集料代替天然骨料，可提高建筑垃圾的利用率，減少環(huán)境污染，符合綠色交通的理念[4-6]。

在建筑再生粗集料應(yīng)用于道路面層方面，國內(nèi)研究人員做了大量研究。鐘進(jìn)軍[7]將粒徑為0～4.75 mm的再生集料摻加到瀝青混合料中，試驗表明：瀝青混合料(含再生集料)的劈裂強度、動穩(wěn)定度和低溫抗開裂性能均低于瀝青混合料(含天然集料)，這是由于再生集料的自生強度特性較低導(dǎo)致的，但瀝青混合料(含再生集料)的路用性能均滿足規(guī)范要求，故建筑再生集料可用于道路瀝青混合料中。張濤[8]將改性后的建筑再生集料摻加到瀝青混合料中，研究表明：建筑集料表面的多孔結(jié)構(gòu)會致使其吸水率較高，防水抗油劑和研磨可有效降低其吸水率，瀝青混合料(含再生集料)的強度會隨著建筑再生集料摻量的增加而降低。陳偉[9]的研究結(jié)果表明：再生集料與瀝青間的粘結(jié)性強于天然集料與瀝青間的，故含再生集料的瀝青混合料動穩(wěn)定度大于含天然集料的，且含再生集料的瀝青混合料水穩(wěn)定性也較好，再者，以混合料的抗剪力為設(shè)計指標(biāo)，提出了建筑再生集料瀝青混合料設(shè)計方法。王知樂[10]將建筑再生集料摻加到瀝青混合料中，結(jié)果表明：再生集料的技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，其瀝青混合料的穩(wěn)定度比含天然集料的提高了4%，瀝青的最佳摻量提高了0.2%。賈艷東等[11]研究表明：再生集料表面含有的水泥漿使其密度降低，進(jìn)而使混合料的密度降低，通過增加攪拌次數(shù)增加再生集料表面的瀝青膜厚度，瀝青膜厚度對馬歇爾穩(wěn)定度的影響較大，對流值的影響較小。趙振宇[12]將粒徑為10～20 mm的建筑再生集料應(yīng)用于低等級道路的瀝青面層，研究結(jié)果表明：隨著建筑再生集料摻量的增加，瀝青混合料的動穩(wěn)定度先增加后下降，摻量為50%時，動穩(wěn)定度最大，破壞應(yīng)變、彎拉強度和浸水殘留穩(wěn)定度逐漸下降，綜上，建議再生集料的摻量為50%。

以上文獻(xiàn)研究表明：大多數(shù)情況下，瀝青混合料(含再生集料)的水穩(wěn)定性較差。為提高建筑再生集料的水穩(wěn)定性，本文將探究瀝青膜厚度對建筑再生集料瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，以求通過調(diào)整瀝青膜厚度增加建筑再生集料瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

1 原材料

1.1 SBS改性瀝青

為提高瀝青混合料的強度，本文采用SBS改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)表

1.2 甲基硅酸鈉

因建筑再生集料的吸水量較大，本文將抗?jié)B型甲基硅酸鈉防水劑拌和到建筑再生集料的表面，以提高其防水能力。抗?jié)B型甲基硅酸鈉防水劑的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。使用方法：將甲基硅酸鈉與水均勻混合在一起，甲基硅酸鈉與水的體積比為1∶4，利用噴水壺將混合料溶液均勻噴灑在建筑再生集料表面上，等水蒸發(fā)后，甲基硅酸鈉會粘附在建筑再生集料的表面。

表2 甲基硅酸鈉技術(shù)指標(biāo)表

1.3 建筑再生集料與新集料的技術(shù)特性

本文采用粒徑為10～15 mm和5～10 mm的建筑再生集料按比例等質(zhì)量替代新集料，建筑再生集料與新集料均由浙江省金鑫礦業(yè)有限公司提供，建筑再生集料與新集料的技術(shù)特性如表3所示。由表3可知，建筑再生集料的吸水率大于新集料的，這是因為建筑再生集料中含有碎磚和碎混凝土等材料，這些材料表面有大量孔隙，所以導(dǎo)致了吸水率增大。當(dāng)集料表面涂敷甲基硅酸鈉后，建筑再生集料的吸水量大幅度降低。除此之外，建筑再生集料的洛杉磯磨耗損失率和壓碎值均大于新材料的，這是因為建筑再生集料在服役后強度有所降低，且部分建筑再生集料表面粘有碎水泥混凝土，在外力作用下剝落。

表3 建筑再生集料與新集料的技術(shù)特性表

2 試驗方案

本文參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》選用AC-16型瀝青混合料配比范圍，再生集料的替代比例分別為0%、25%、50%、75%和100%，分別命名為ZS-0、ZS-25、ZS-50、ZS-75和ZS-100，替代方式為按比例等質(zhì)量替代，它們的合成級配如下頁表4所示。當(dāng)建筑再生集料的摻量為50%和100%，且表面涂敷甲基硅酸鈉時，混合料命名為ZS-50J和ZS-100J。

表4 合成級配的通過率表

3 水侵蝕作用下路用性能的衰變

本文主要探討建筑再生集料對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響以及在水侵蝕下建筑再生集料瀝青混合料路用性能的衰變情況試驗主要包括浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、高溫車轍試驗和低溫彎曲小梁試驗。

3.1 水穩(wěn)定性

采用劈裂試驗探究建筑再生骨料AC-16的水穩(wěn)定性。本文對路用性能試驗條件進(jìn)行調(diào)整，在劈裂試驗中，試驗方案一：(1)60 ℃水浸泡48 h+25 ℃水浸泡2 h；(2)60 ℃水浸泡96 h+25 ℃水浸泡2 h；(3)60 ℃水浸泡144 h+25 ℃水浸泡2 h。試驗方案二：(1)-18 ℃冰凍16 h+60 ℃熱水浸泡24 h+25 ℃水浸泡2 h(1次凍融循環(huán))；(2)3次凍融循環(huán)；(3)5次凍融循環(huán)。得到的試驗結(jié)果如表5和表6所示。由表5和表6可知，隨著建筑再生骨料摻量的增加，劈裂殘留強度比值逐漸減小，試件浸泡48 h，建筑再生骨料的摻量>50%時，劈裂殘留強度比值<80%，不滿足規(guī)范要求。當(dāng)建筑再生骨料的摻量為50%時，60 ℃水浸泡144 h后，劈裂殘留強度比值為73.1%，5次凍融循環(huán)后，劈裂殘留強度比值為63.8%，說明凍融循環(huán)更容易對建筑再生骨料瀝青混合料造成破壞，這可能是因為建筑再生骨料表面孔隙中的水在冰凍下的膨脹力會使骨料與瀝青脫離接觸，故骨料表面孔隙越多，混合料越容易損害。

表5 方案一劈裂試驗結(jié)果表

表6 方案二劈裂試驗結(jié)果表

當(dāng)建筑再生集料的表面涂敷甲基硅酸鈉時，瀝青混合料的劈裂殘留強度比提高。例如，當(dāng)建筑再生集料的摻量為50%，表面涂敷甲基硅酸鈉時，瀝青混合料的劈裂殘留強度比比未涂敷甲基硅酸鈉的提高了3.9%(60 ℃，48 h)、2.7%(60 ℃，96 h)和3.2%(60 ℃，144 h)。經(jīng)凍融循環(huán)后，劈裂殘留強度比也分別提高了3.4%(1次循環(huán))、4.2%(3次循環(huán))和3.3%(5次循環(huán))。這說明了甲基硅酸鈉能防止水侵入到瀝青與集料間的空隙。

3.2 高溫穩(wěn)定性

本文采用車轍試驗評價再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，得到的試驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，隨著建筑再生集料摻量的增加，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性降低，這是因為建筑再生集料的技術(shù)特性(例如壓碎值)低于新集料。瀝青混合料(經(jīng)5次凍融循環(huán))的動穩(wěn)定度小于水侵蝕144 h后的瀝青混合料。這說明凍融循環(huán)對瀝青混合料的抗剪性能影響較大。當(dāng)建筑再生集料的摻量為75%和100%時，經(jīng)水侵蝕后，動穩(wěn)定度下降幅度較小，這是因為建筑再生集料形成的嵌擠結(jié)構(gòu)不足以抵抗輪載的抗剪力，故在水侵蝕前后，其動穩(wěn)定度都較小。除此之外，甲基硅酸鈉對瀝青混合料的高溫性能影響不大，因為高溫穩(wěn)定度主要是混合料的級配決定的。

圖1 混合料車轍動穩(wěn)定性試驗結(jié)果柱狀圖

3.3 低溫小梁彎曲試驗

通過小梁彎曲試驗檢驗建筑再生集料對瀝青混合料低溫性能的影響，試驗結(jié)果如圖2～4所示。當(dāng)建筑再生集料的摻量分為25%、50%和75%和100%時，破壞應(yīng)變分別下降了11.08%、22.38%、31.39%和40.09%，彎拉強度分別降低了2.41%、5.03%、5.61%和5.94%，隨著建筑再生集料摻量的增加，瀝青混合料的低溫抗裂性能降低。除此之外，試件經(jīng)凍融循環(huán)后，其抗裂性能下降幅度較大。例如，當(dāng)建筑再生集料的摻量為50%時，5次凍融循環(huán)后，破壞應(yīng)變下降了35.92%，60 ℃浸水144 h后，破壞應(yīng)變下降了28.51%。所以水的凍脹力對摻加建筑再生集料的瀝青混合料低溫抗裂性能破壞較大。

圖2 瀝青混合料的破壞應(yīng)變柱狀圖

當(dāng)建筑再生集料的表面涂敷甲基硅酸鈉時，瀝青混合料的低溫抗裂性能提高。例如，當(dāng)建筑再生集料的摻量為50%，表面涂敷甲基硅酸鈉時，瀝青混合料的破壞應(yīng)變比未涂敷甲基硅酸鈉的提高了14.91%(60 ℃，144 h)、12.69%(5次循環(huán))，彎拉強度分別提高了1.72%(60 ℃，144 h)、3.34%(5次循環(huán))，勁度模量分別降低了13.45%(60 ℃，144 h)、8.28%(5次循環(huán))。

圖3 瀝青混合料的彎拉強度柱狀圖

圖4 瀝青混合料的勁度模量柱狀圖

4 結(jié)語

(1)建筑再生集料的吸水率、洛杉磯磨耗損失率和壓碎值均大于新材料，這是因為這些材料表面有大量孔隙，且部分建筑再生集料表面粘有碎水泥混凝土，導(dǎo)致其吸水率增大，在外力作用下剝落。

(2)隨著建筑再生骨料摻量的增加，劈裂殘留強度比值、動穩(wěn)定度和低溫抗裂性能都逐漸減小。經(jīng)凍融循環(huán)后，瀝青混合料的性能衰變速度較快，這是因為侵入瀝青與建筑再生集料間空隙的水凍融時，水的凍脹力使瀝青膠結(jié)料與集料分離。

(3)當(dāng)集料表面涂敷甲基硅酸鈉后，建筑再生集料的吸水量大幅度降低，瀝青混合料的劈裂殘留強度比(60 ℃浸水144 h后，5次凍融循環(huán))提高，瀝青混合料的低溫抗裂性能提高，但甲基硅酸鈉對瀝青混合料的高溫性能影響不大。