废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的路用性能研究

随着我国城市建设规模的不断扩大，建筑垃圾年产生量以8%的速度逐年增多，在我国，建筑垃圾资源化利用能力很低，全国平均综合利用率不足5%，远低于欧美、日本等发达国家。建筑垃圾绝大部分未经处理，直接运往郊外或乡村采用露天堆放或填埋的方式进行处理，需耗用大量的征地费、垃圾清运费、处理费等建设费用；同时，清运和堆放过程中的遗散和粉尘、灰砂飞扬等问题又造成了严重的环境污染。由于城市破旧建筑物的拆除、城市道路白改黑等改造工程的逐步实施，废弃水泥混凝土已经成为城市建筑垃圾的主要形式。目前我国部分研究人员已提出了利用废弃水泥混凝土生产再生集料的方法，但用其生产出的颗粒形状和级配都不好，故其性能较差，一般只能用于低强度的混凝土及其制品，用途比较单一。

近年来再生集料生产工艺逐步完善，国内开始研究将再生集料用于制备热拌沥青混合料，扩展了再生集料的应用范围，但再生集料热拌沥青混合料仍然需要将原材料加热到相当高的温度，不仅需要消耗大量的能源，而且在生产和施工的过程中还会排放出大量的废气，严重影响周围环境。本研究通过回收废弃水泥混凝土破碎成级配合理的再生集料，结合温拌沥青技术，探寻将其配制成废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的方法，制备出一种新型低碳环保路面材料。这不仅可以减少建筑废弃物污染，节省天然集料资源，而且能够降低热拌沥青混合料生产和铺筑时的能源消耗和废气排放，同时达到建筑废弃物资源化利用和节能减排的双重环保目标，对于我国建立资源节约型社会，发展循环型经济，对改造生态环境都具有极其重要的意义。

废弃水泥混凝土再生集料的制备及其特性

废弃水泥混凝土再生集料的制备

本研究选取已达使用年限的城市道路破旧水泥混凝土路面板块作为加工原料，将其破碎成粒径不超过30mm的集料并用方孔筛筛分直至其级配满足规范要求。由于本研究加工再生集料的原材料是从施工现场直接选取，故其表面粉尘较多，但在再生集料加工过程中，强化了筛分等加工环节，再生集料表面的尘土大部分都已飞散或筛除了，并没有过多的粉尘积聚在再生集料的表面，保证了后期沥青混合料制备过程中再生集料与沥青之间良好的黏附性。此外，原先加工的再生集料针片状颗粒较多，后期采用加强破碎等方法改进了工艺，大幅减少了针片状颗粒。

废弃水泥混凝土再生集料的特性

外观特性与购买的天然集料有些不同，大部分废弃水泥混凝土再生集料表面孔隙较多且较粗糙，这主要是因为部分集料是由水泥砂浆包裹石子形成的。由于强化了加工细节，粗颗粒形状基本接近立方体且棱角分明，符合沥青混合料对集料外观的要求。

物理性质。(1)密度。可知各种规格的废弃水泥混凝土再生集料的表观相对密度能够满足《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

(2)孔隙率。从外观上看废弃水泥混凝土再生集料表面多孔，由于集料孔隙率的大小会影响沥青混合料中沥青与集料的黏附性，从而影响沥青混合料的水稳定性等路用性能，故本研究通过试验检测了废弃水泥混凝土再生粗集料的孔隙率。

数据可见废弃水泥混凝土再生集料的孔隙率比天然石灰岩粗集料大很多，其原因是再生粗集料表面附有水泥砂浆，水泥砂浆硬化后一般表面会密集分布很多细小的孔隙；同时，废弃水泥混凝土再生集料由于使用时间较长，部分已发生风化，产生了很多细微裂缝，而天然石灰岩粗集料中的孔隙仅仅是岩石本身的孔隙，其数量较少。

力学性能。本研究通过压碎值试验和洛杉矶磨耗试验评价废弃水泥混凝土再生粗集料的力学性能。

可看出废弃水泥混凝土再生粗集料的压碎值和洛杉机磨耗损失均能够满足《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

化学性质。废弃水泥混凝土再生集料是由破旧水泥混凝土板块破碎加工而成，制备的再生集料颗粒多为周围附着一定水泥砂浆的石灰岩集料，石灰岩集料本身即为碱性集料，其周围附着的水泥砂浆相当于在碱性集料上又裹覆了一层碱性抗剥落剂，故废弃水泥混凝土再生集料具有明显的碱性，用其制备沥青混合料，能增强与沥青结合料的化学吸附，从而保证沥青混合料的水稳定性。

废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的制备

原材料的选择

本研究选用常规A级70号沥青、XT-W3型沥青温拌剂以及石灰岩矿粉等原材料配制废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料。

XT-W3型沥青温拌剂为白色粉末，其属于发泡型温拌剂，但与其他发泡型沥青温拌剂不同，在使用XT-W3型温拌剂拌制温拌沥青混合料的过程中不需要另外加水，也不需要采用湿冷的集料，因其自身就含有20%的结晶水，当沥青混合料的拌和温度达到85℃以上时水分会自动散失出来使沥青发泡，降低了热沥青黏度，从而保证了低温下沥青结合料牢牢裹覆在集料周围，达到低温拌和的效果。

配合比确定

由于再生集料主要取材于城市建筑垃圾废弃水泥混凝土，基于减少原材料运输成本的原则，废弃水泥混凝土再生集料宜就地使用，因而用其拌制的温拌沥青混合料主要用于城市道路工程。故本研究以城市道路常用的连续型密级配AC-13为例配制废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料，采用马歇尔配合比设计方法确定其配合比。

制备工艺

将加热好的集料加入沥青混合料拌和机中，并加入计算用量的XT-W3型沥青温拌剂干拌30s左右，再将加热至规定温度的沥青加入拌和机中湿拌150s左右，最后加入矿粉拌和至均匀为止，总拌和时间约为3min。拌和过程中XT-W3型沥青温拌剂中的结晶水被激发出来，从而使沥青产生连续的发泡反应，泡沫起到润滑剂的作用，从而提高了混合料的施工和易性，使其在较低温度下拌和均匀。待混合料拌和均匀后，在规定温度下采用击实仪或轮碾机压实成型。

数据可知，与天然石灰岩集料热拌沥青混合料相比，废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的集料加热温度低33℃，其拌和温度低30℃，这说明废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的制备过程能够大幅度节约能源，节省建设成本，减少碳排放。

废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的路用性能检测

高温稳定性检测

本研究采用60℃时的马歇尔稳定度试验和车辙试验检测废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的高温稳定性。　

试验结果可看出废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料马歇尔稳定度略大于天然石灰岩集料热拌沥青混合料，比天然石灰岩集料温拌沥青混合料大3.2%；其动稳定度比天然石灰岩集料温拌沥青混合料大8%，甚至比天然石灰岩集料热拌沥青混合料还大4.3%；废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的各项高温性能指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》的要求。究其原因，主要是沥青混合料的稳定度和动稳定度的大小与其抗剪强度有关，而沥青混合料的抗剪强度又取决于黏聚力和内摩擦角。废弃水泥混凝土再生集料孔隙较多，能够牢固地吸附较多的结构沥青，提高了沥青混合料的黏聚力；同时废弃水泥混凝土再生集料表面较粗糙，集料颗粒之间的摩擦力比天然石灰岩集料更大，故其具有较大的内摩擦角，因此，废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的高温抗剪强度大于天然石灰岩集料温拌沥青混合料和天然石灰岩集料热拌沥青混合料，从而保证了废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料达到最佳的高温抗车辙性能。

此外，数据显示废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的流值较低，主要也是由于废弃水泥混凝土再生集料颗粒多孔，增加了混合料中的结构沥青，减少了自由沥青，使沥青混合料内部的相对位移缺少了润滑剂；另外再生集料粗糙的表面导致颗粒间的相对移动受到较大摩阻力的约束。这些因素的累加使沥青混合料内部的废弃水泥混凝土再生集料颗粒发生相对位移比天然集料更加困难，据此废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料表现出较低的流值。

低温抗裂性检测

本研究采用-10℃时的小梁弯曲试验评价废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的低温抗裂性能。　

沥青混合料低温弯拉应变越大，其低温时的变形性能越好；沥青混合料低温抗弯拉强度越大，其低温时抵抗收缩应力能力越强。数据可知，沥青混合料破坏时的弯拉应变和抗弯拉强度的变化均遵循如下规律：废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料>天然石灰岩集料热拌沥青混合料>天然石灰岩集料温拌沥青混合料，这表明对比天然石灰岩集料热拌沥青混合料和天然石灰岩集料温拌沥青混合料，废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料在低温时的变形性能和抵抗收缩应力的能力最佳，故其低温抗裂性能最好。保证废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料具有良好低温性能的主要原因是废弃水泥混凝土再生集料的多孔结构吸附了较多的沥青，提高了混合料的塑性，使其低温时抵抗路面收缩开裂的能力增强。

水稳定性检测

本研究采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的水稳定性。　

可以看出，废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂残留强度比均满足《公路沥青路面施工技术规范》的要求，说明废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的水稳定性能够适应道路路面使用要求。数据显示废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的水稳定性优于天然石灰岩集料温拌沥青混合料，略低于天然石灰岩集料热拌沥青混合料，说明采用温拌工艺一定程度影响了沥青混合料的抗剥落性能，使天然石灰岩集料温拌沥青混合料的水稳定性相关指标稍低于天然石灰岩集料热拌沥青混合料，但废弃水泥混凝土再生集料的多孔结构和表面附着的碱性水泥砂浆使其与沥青结合料之间的黏附性得到了增强，提高了废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料抵抗水侵蚀的能力。

结语

(1)利用破旧水泥混凝土路面板块可加工成制备沥青混合料的再生集料，其外观特性、物理性质、力学性质、化学性质均符合规范的要求。

(2)选用XT-W3沥青温拌剂制备废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料是可行性。含有20%结晶水的XT-W3型沥青温拌剂能够使沥青产生连续的发泡反应，降低沥青黏度，保证混合料在较低温度下拌和均匀；废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的集料加热温度、拌和温度、出料温度和成型温度均低于天然石灰岩集料热拌沥青混合料30℃左右。

(3)通过马歇尔试验和车辙试验分析了废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的高温稳定性能，结果显示再生集料粗糙的表面和多孔结构提高了废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的高温抗剪强度，从而保证了其高温性能优于天然石灰岩集料热拌沥青混合料和天然石灰岩集料温拌沥青混合料。

(4)通过低温小梁弯曲试验分析了废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的低温抗裂性能，结果显示废弃水泥混凝土再生集料的孔隙能够吸附较多的沥青，提高了混合料的低温变形性能和抵抗低温收缩应力的能力，使其优于天然石灰岩集料热拌沥青混合料和天然石灰岩集料温拌沥青混合料。

(5)通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验分析了废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料的水稳定性，结果显示废弃水泥混凝土再生集料的多孔结构和表面附着的水泥砂浆使其与沥青结合料之间的黏附性得到了增强，抵消了温拌工艺使其抗剥落性能下降的不利影响，保证了废弃水泥混凝土再生集料温拌沥青混合料与天然石灰岩集料温拌沥青混合料抵抗水侵蚀的能力相当。

(6)高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性等路用性能的检测结果证明废弃水泥混凝土再生集料与沥青温拌技术的结合弥补了单纯使用沥青温拌工艺的不足，在不降低路用性能的情况下，达到了双重环保的效果。