郭培达
（湖北交投高速公路运营集团有限公司，武汉 430074）
我国经济建设取得突出的成就离不开交通运输领域的快速发展。交通运输系统是一个复杂的体系，包括公路运输、铁路运输和航空运输等，其中公路运输占比达80%以上，道路是公路运输的载体，因此道路建设的重要性不言而喻。我国道路多采用低噪音、抗滑和耐磨的沥青混凝土路面，沥青路面建设所需要的原材料主要是骨料（玄武岩、石灰岩等）和沥青胶结料，其中骨料占到沥青混凝土90%以上[1]，因此我国沥青路面建设消耗了大量天然石材。天然原材料短缺已经逐渐成为制约道路建设与发展的主要因素。
随着我国城市化的建设，道路翻新、旧城区改造等会不可避免地产生大量的建筑垃圾。现阶段建筑垃圾占城市垃圾总量已经达到30%以上[2]，数量巨大，但其中90%以上都没得到充分利用[3]。对建筑垃圾的处理也多是露天堆积或填埋，对空气环境、水源和土壤造成严重污染，因此实现建筑垃圾的循环利用已经势在必行[4]。将建筑垃圾加工为再生骨料用于道路建设被视为可高效、高附加值处理建筑垃圾的前景途径之一。针对再生骨料沥青混凝土已经开展了大量的研究工作[2-6]，但因再生骨料自身存在孔隙多、吸水率高和强度低等缺陷，其在沥青混凝土中的使用受到限制。因此，开展再生骨料改性及沥青混凝土路用性能的研究对于促进再生骨料的应用有重要意义。
本研究采用有机改性技术对再生骨料表面进行改性，采用改性前后的再生骨料以不同比例取代天然粗骨料制备沥青混凝土，分析有机改性技术和再生骨料掺量对沥青混凝土高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性的影响。
1 原材料性能
本研究所选用的粗集料包括再生骨料和石灰石两类，细集料为石灰石，填料为石灰石矿粉，沥青选用AH-70 基质沥青。其中，再生骨料来自武汉周边某建筑垃圾加工厂。此外，还使用到有机硅树脂溶液，采用其对再生骨料表面进行改性。
2 试验方法
有机硅树脂溶液改性再生骨料的过程：将再生骨料置于振动台上，垂直振动台面往再生骨料表面喷洒有机硅树脂溶液；振动台的振动作用使骨料不断调整与硅树脂接触的表面；将表面被有机硅树脂溶液充分润湿的再生骨料移入室内环境下放置，使有机硅树脂溶液充分固化。
采用有机改性前后的再生骨料按照马歇尔标准方法设计沥青混凝土，再生骨料替代天然石灰石的量分别设定为20%、40%、60%、80%和100%。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，开展沥青混凝土的车辙试验、小梁低温弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。
3 结果与讨论
3.1 高温性能
一般通过车辙试验测定沥青混凝土的动稳定度来评价其高温性能。对于未掺入再生骨料的石灰石沥青混凝土对照组，其动稳定度为3 015 次/mm。当采用不同数量再生骨料取代石灰石粗骨料后，沥青混凝土的动稳定度变化情况如图1 所示。从图1 可以看出，采用未改性再生骨料按照20%、40%、60%、80%和100%比例分别取代石灰石粗骨料时，沥青混凝土的动稳定度则分别下降了3.7%、11.2%、17.1%、34.9%和48.4%。显然，随着再生骨料掺量增加，沥青混凝土的动稳定度呈现逐渐下降的趋势，尤其当再生骨料掺量超过60%时，动稳定度快速下降。采用有机硅树脂改性再生骨料后，情况发生了一些变化，改性再生骨料掺量为20%时，沥青混凝土的动稳定度达到3 199 次/mm，提高了6.1%。但随着改性再生骨料掺量进一步增加，动稳定度呈逐渐下降的趋势，但下降速度相比未改性再生骨料沥青混凝土明显放缓。改性再生骨料掺量为60%时，动稳定度仅下降了4.3%；即使粗骨料全部为改性再生骨料时，动稳定度也保持在2 000 次/mm 以上，下降了约26.4%，下降幅度显着小于未改性再生骨料沥青混凝土。可见有机改性技术使得再生骨料沥青混凝土的高温性能得到明显提升。虽然沥青混凝土的动稳定度随改性和未改性两种再生骨料掺量的增加均显现出明显的下降，但所有类型再生骨料沥青混凝土的动稳定度结果均满足规范《公路沥青路面施工技术规范》不低于1 000 次/mm 的高要求。因此，就稳定度而言，再生骨料及改性再生骨料均可用于100%替代石灰石粗骨料。
图1 车辙试验结果
动稳定度结果表明，虽然有机硅树脂溶液可改善再生骨料沥青混凝土的高温性能，但随着改性再生骨料掺入量的增加，沥青混凝土的动稳定度仍然难以保持在与普通石灰石沥青混凝土相当的水平。这可能有两方面的原因，一是采用有机硅树脂溶液改性再生骨料表面，虽然填充了表面裂缝和孔隙，但未完全解决砂浆造成的再生骨料强度低等问题；另外，采用再生骨料逐步替代天然石灰石粗骨料，改变了骨架结构的构成，再生骨料掺入前后骨架的差异性也可能被逐渐放大，最终影响到沥青混凝土的高温稳定性。
3.2 低温性能
采用小梁低温弯曲试验评价沥青混凝土的低温性能，主要涉及破坏弯拉应变、弯拉强度和弯曲劲度模量这三类指标。对于未掺入再生骨料的石灰石沥青混凝土对照组，其破坏应变、破坏强度、破坏劲度模量分别为2 350 με、8.91 MPa、3 791 MPa。掺入再生骨料后，沥青混凝土破坏应变、破坏强度和破坏劲度模量的变化情况分别如图2—图4 所示。
破坏应变大小是沥青混凝土柔韧性的体现，破坏应变越大，其抗开裂性能越好。从图2 可以看出，随着再生骨料掺量的增加，未改性再生骨料沥青混凝土的破坏应变逐渐减小，且掺量越大变化越剧烈，当采用再生骨料完全替代石灰石粗骨料时，沥青混凝土的最大弯拉应变下降了15.7%。而改性再生骨料沥青混凝土的应变变化则显着不同，其并未表现出有规律的变化，而是在2 300 με 附近波动。这主要和再生骨料表面状态有关，对于未改性处理的再生骨料，表面因砂浆存在很多裂缝和孔隙，其对沥青的吸收效应可能会显着影响沥青与再生骨料之间的作用，如造成再生骨料表面沥青膜逐渐变薄。因而，未改性再生骨料表面与沥青的作用实则相当复杂。而对于有机改性后的再生骨料，在有机硅树脂的包裹下，再生骨料表面性质得到“均化”，此时由再生骨料性质对沥青混凝土低温变形产生的影响减弱，沥青胶浆成为沥青混凝土低温性能的主要决定者。因此，不同掺量的改性再生骨料沥青混凝土的低温弯拉应变则相对比较稳定。我国规范《公路沥青路面施工技术规范》对基质沥青混凝土低温弯拉应变的最低要求是不低于2 000 με，从试验结果来看，不同掺量的改性再生骨料沥青混凝土均能满足要求；而对于未改性再生骨料沥青混凝土，当再生骨料掺量超过60%时，满足这一指标则变得比较困难。
图2 弯拉应变试验结果
从图3 来看，沥青混凝土的破坏强度均随着未改性或改性再生骨料掺量的增加而不同程度地下降，未改性再生骨料沥青混凝土下降得更为明显。具体来看，当再生骨料掺量从0%逐渐提高到100%时，未改性再生骨料沥青混凝土的弯拉破坏强度下降了13.2%，而对于改性再生骨料，这一值则为6.3%。这说明有机硅树脂溶液赋予了改性再生骨料沥青混凝土更好的强度。但随着改性再生骨料在沥青混凝土中掺量的增加，弯拉破坏强度依旧呈现下降的趋势，这也间接表明对再生骨料表面进行有机改性处理不能完全解决再生骨料强度低等性能问题。
图3 弯拉强度试验结果
一般来说，较低的弯曲破坏劲度模量能赋予沥青混凝土较好的低温性能。由图4 可知，随着再生骨料掺量的增加，未改性再生骨料沥青混凝土的破坏劲度模量逐步上升，且在高掺量下劲度模量的上升幅度趋于明显。但整体上来看，劲度模量的变化并不显着。未改性再生骨料掺量在40%及以下时，劲度模量的变化很小，近乎维持不变；当掺量提高到60%及以上，劲度模量逐渐上升，当粗骨料全部为未改性再生骨料时，沥青混凝土的劲度模量增加了约3%。对于改性再生骨料沥青混凝土，随着再生骨料掺量的增加，劲度模量整体上呈现先下降后上升的变化趋势，且下降的幅度要高于上升的幅度。具体来看，当改性再生骨料的掺量为60%时，沥青混凝土的劲度模量下降了约4%；此后随着改性再生骨料掺量的进一步提高，劲度模量又从低点恢复了约2%。综合破坏应变、破坏强度及破坏劲度模量来看，有机硅树脂溶液对再生骨料沥青混凝土低温性能的改善效果是显着的。当有机改性再生骨料替代石灰石粗集料的量超过60%时，应变和强度都有比较明显的回落，且此时劲度模量又开始上升。
图4 弯曲劲度模量试验结果
我国《公路沥青路面施工技术规范》并未对弯拉破坏强度和弯曲劲度模量这两类指标提出限定要求，结合图3 和图4 结果来看，相比未改性的再生骨料，相同掺量下，有机改性再生骨料使沥青混凝土的这两类指标朝着有利于低温性能提升的方向发展。而对于未改性的再生骨料，随着掺量的提高，强度下降，而劲度模量则逐渐上升，因而需控制再生骨料的掺量，达到平衡强度和劲度模量的目的。同时，结合弯拉应变这一主要的低温性能评判指标来看，建议将再生骨料的掺量控制在60%以内，而改性再生骨料的掺量则可达到粗骨料的100%。
3.3 水稳定性能
本研究通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价再生骨料沥青混凝土的水稳定性。未掺入再生骨料时，石灰石沥青混凝土的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比分别为92%和90%，掺入再生骨料后的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比结果分别如图5 和图6 所示。从图中可以看出，随着再生骨料掺量的增加，改性和未改性再生骨料混凝土的浸水残留稳定度与冻融劈裂强度比都随之下降。其中，未改性再生骨料混凝土对应数值下降更明显。当粗集料全部为再生骨料时，未改性再生骨料沥青混凝土的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度分别比为72%和68%，而对于改性再生骨料沥青混凝土，则分别为82%和81%。说明再生骨料表面改性技术能够明显提高沥青混凝土的水稳定性。在掺量为20%时，改性和未改性的再生骨料沥青混凝土残留稳定度差值和劈裂强度比差值分别为2%和1%，而当粗集料全部为再生骨料时，差值则分别扩大到10%和13%。由此说明，随着再生骨料掺量的增加，虽然沥青混凝土的水稳定性变差，但有机硅树脂溶液对再生骨料沥青混凝土的水稳定改善效果更加显着。《公路沥青路面施工技术规范》对普通沥青混凝土残留稳定度和劈裂强度比的高要求是两者应分别不小于80%和75%。可见，当未改性再生骨料掺量超过60%时，残留稳定度和劈裂强度比则较快速下降至难以满足这一要求。从水稳定性方面考虑，也建议将再生骨料掺量控制在60%以内，而改性再生骨料的掺量则同样可以是粗集料的100%。
图5 浸水马歇尔试验结果
图6 冻融劈裂试验结果
未改性再生骨料之所以会导致水稳定性明显下降，同样是因为再生骨料表面因砂浆的存在而孔隙较多，吸水率高，造成再生骨料表面有着很强的亲水性，这将使沥青与骨料间的黏附性下降。而有机硅树脂溶液可以浸入再生骨料孔隙及裂缝，对其进行填充，同时再生骨料表面沥青膜能很好地包裹住再生骨料，使得水分浸入骨料内部困难，从而明显提高了再生骨料沥青混凝土的水稳定性。但同样，随着改性再生骨料掺量提高，沥青混凝土的水稳定性下降。推测主要有两方面的原因，一方面，对再生骨料表面进行有机改性处理不能完全解决再生骨料强度低等性能问题；另一方面，有机改性后的再生骨料表面与沥青的黏附性能可能仍不及石灰石集料与沥青那样优秀。
4 结论
本研究旨在采用有机硅树脂溶液改性再生骨料表面来提高再生骨料沥青混凝土的路用性能，促进再生骨料在沥青混凝土中的应用。通过研究可以获得如下结论：
（1）采用再生骨料取代天然石灰石粗集料，显着削弱了沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性；且随再生骨料掺量的逐步增加，沥青混凝土性能受到的影响也越发显着。采用有机硅树脂溶液改性再生骨料表面可有效改善沥青混凝土的路用性能。
（2）综合高温稳定性、低温抗裂性能和水稳定性这三类主要路用性能指标随再生骨料掺量的变化情况，建议将再生骨料取代天然石灰石粗集料的比例控制在60%以内，而有机改性再生骨料则可用于完全替代天然石灰石粗集料。
