改性再生粗骨料透水沥青混凝土性能研究

摘要第1章绪论1.1研究背景和意义1.1.1再生粗骨料应用的必要性近年来随着我国城市化迅速发展，新建筑拔地而起的同时众多老旧建筑拆除，从而产生建筑垃圾。在中国砂石骨料年用量超过200亿吨，是目前开采量最大的矿产资源[1]，远高于其他国家。全球范围而言仅用于混凝土的制造的天然骨料每年消耗80亿吨。老旧建筑和路面拆除产生的废混凝土大多直接堆放，造成垃圾围城如图1.1所示，不但占用大量的土地，严重影响生态和环境，而且造成资源浪费，解决这一问题已经迫在眉睫。利用建筑废弃物生产再生骨料是主要方法之一，已引起越来越多的关注[2]。(a)建筑垃圾集中堆放(b)老旧路面拆除图1.1建筑垃圾1.1.2透水沥青混合料的研究意义传统的沥青路面是密实型沥青混合料，在大雨时期遇到排水系统排水不及时就会造成雨涝灾害，例如，如图1.2图1.3所示，2019年7月9日凌晨，江西省新余市遭持续降雨袭击，多条道路由于排水不畅被淹，给交通造成严重不便。2012年8月21日15时至23时，南昌市遭受了一次强降雨天气过程，20个乡镇雨量超过50毫米，造成市区内多条道路积水严重致车辆无法通行。图1.22019年新余市道路积水图1.32019年南昌道路积水随着城镇化的快速发展，大自然的原始状态被改变，原先能透水的地面由于屋面、道路、地面等设施建设导致下垫面硬化，其中百分之七十以上的降雨形成径流，仅有不到百分之三十的雨水能够入渗地下，造成平衡失稳[3]。不仅如此，雨水集中形成径流汇入湖海[4]，造成水资源的污染集中和地下水补充缺失。为尝试解决这一难题，海绵城市的概念应运而生，透水路面取代传统密实性路面也在逐步运用到现实中,上海市、杭州市和湖南省宁乡县等地已经进行了实践[5-7]。透水沥青路面不但能有效缓解上述问题，而且能提高车辆行驶安全。由于透水路面表面并非密实，透水路面和车轮胎之间的摩擦力增大[8-9]，遇到突发事件能较少刹车距离，并且反光比传统密实型路面要弱，还可以降低噪音[10]。1.2再生粗骨料的研究1.2.1再生粗骨料缺陷以及改性方法再生粗骨料是由废弃混凝土破碎得到，表面包裹大量的水泥砂浆，被认为是再生骨料与天然最大的区别，也是导致再生混凝土（RAC）性能较低的主要原因[11-13]。较之天然骨料，再生粗骨料的吸水率高[14-15]，表观密度低[16-17]，压碎值偏高[18-19]。再生骨料比天然骨料有明显的劣势，经过研究发现再生骨料混凝土的性能虽然低于相同比例的普通混凝土，但经过合理的配合比设计或加固处理后，能满足强度和耐久性要求[20-21]。再生粗骨料的缺陷对于其自身强度和混凝土都极为不利，为了提高再生骨料和用再生骨料制备的混凝土性能，众多学者做了很多的研究归纳。池漪[22]和Y.Li[23]等学者研究表明粉煤灰外加剂的处理可以提高再生骨料混凝土的整体性能。BibhutiBhusanMukharjee[24]研究了胶体纳米二氧化硅的掺入对再生混凝土性能的影响，试验研究结果表明，纳米二氧化硅的加入提高了材料的抗压强度、抗拉强度和无损性能。张学兵[25]等利用活性粉末混凝土(RPC,reactivepowderconcrete)浆液对再生粗骨料进行浸泡包裹处理，结果表明:经RPC浆液强化处理后的再生骨料吸水率降低,压碎值显著减小，再生骨料的性能得到显著提升。张鸿儒[26]采用经纳米复合强化浆液处理再生粗骨料，可以改善再生粗骨料的性能，便其吸水率下降、压碎值指标减小；Shi-CongKou[27]等用聚乙烯醇（PVA）浸渍再生混凝土集料（RCA）改善其性能的试验研究。结果表明，与未经处理的RCA相比，处理过后的RCA细粉值较高，吸水率较低。张九峰[28]用水泥浆浸泡的方式对再生骨料进行改性，研究发现用经过改性后的再生骨料制作的混凝土抗断裂性能有所提高,但对再生骨料混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度的提高作用不明显。婷等[29]用4种不同的浆液对再生骨料进行改性,并分别对试验结果进行了分析。强化试验表明,水泥外掺Kim粉浆液强化再生骨料效果理想。海丽[30]用水玻璃溶液对再生骨料进行改性，探究不同浓度的水玻璃溶液和不同浸泡时间对再生骨料的改性影响，结果表明：再生骨料经过浓度为5％的水玻璃溶液浸泡时间1h后，用其制作的混凝土强度有明显的提高作用。郭远新，李秋义等[31]分别采用物理强化、化学强化和物理-化学复合强化三种不同的强化方式对简单破碎再生粗骨料进行强化处理,研究了不同强化处理后的再生粗骨料对混凝土性能的影响。结果表明,经过强化处理的再生粗骨料混凝土的各项性能均有不同程度的提高。这些加固水泥混凝土中RCA的方法可能不适用于沥青混合料，例如酸和硅酸钠溶液浸泡会降低RCA与沥青之间的粘聚力[32]。1.2.2再生骨料在沥青混合料中的研究现状国内外学者对RCA在路面中的应用进行了研究，刘占良，杜玉林[33]等研究发现再生骨料用量越多,矿料间隙率和沥青饱和度越低,而沥青混合料的空隙率呈现增大趋势;同时其回弹模量和水稳定性有所衰减,而高温性能得到明显的提高。

陈美祝，钟进军[34]采用物理和化学方法对废弃水泥混凝土路面再生粗骨料进行了强化改性,对比研究了再生粗骨料强化改性前后的吸水率、磨耗值、坚固性、压碎值等物理性能,并结合SEM微观形貌分析,证实了物理和化学强化方法能够改善再生粗骨料的物理性能，为再生骨料替代天然骨料应用于沥青混凝土路面提供了依据。贾艳东[35]等研究发现再生骨料沥青混凝土搅拌要高于天然骨料沥青混凝土，以形成更好的沥青膜。粒料间空隙率与饱和度随沥青用量的增加而增加，说明混合料的水稳定性降低。并且在沥青混凝土中，沥青用量关系到沥青混凝土的稳定性。侯月琴等[36]研究发现RCA空隙率较大，导致吸水率和压碎值偏高，密度和强度偏低，进而导致ATRCA的沥青用量增大、Marshall稳定度降低；不同RCA掺量下的ATRCA有效沥青含量与沥青膜厚度基本一致，说明RCA和天然集料与沥青相互作用的结构强度接近。J.Mills-Beale，D.El-Tahan等研究表明由再生骨料制作的热拌沥青(HMA)的力学性能通常不如由天然骨料制作的热拌沥青。这会影响HMA的路面性能，随着RCA含量的增加，沥青混合料的体积比重减小，而最佳沥青掺量(OAC)增加[37-39]。Mills-Beal等[37]研究表明随着RCA含量的增加，弹性模量增加，动态模量降低。El-Tahan等人[38]报告说，在HMA中加入RCA会增加沥青的稳定性、流量和空隙，相反，矿物集料的体积密度、空气空隙和空隙减小。张志庆[39]报告说，随着RCA取代率提高，沥青混凝土的高温稳定性和低温抗裂性普遍提高，水稳定性明显低于用NCA配制的沥青混凝土，含50%的RCA的沥青混凝土可用于道路建设。Qasrawi和Asi[40]研究表明RCA含量的增加降低了沥青混合料的回弹模量，提高了沥青混合料的抗滑性能。60/70沥青比80/100沥青有更高的沥青混合料的回弹模量和抗滑性能，含有RCA的混合物具有较低的水敏感性(抗剥落性)，与沥青60/70相比，在无RCA的混合物中，沥青80/100表现出更好的水敏感性性能。1.3沥青混合料改性研究现状纤维提供多种增强和桥接功能，帮助沥青混合料耐高温，最大限度地减少剪切变形和低温开裂。同时，能显著改善疲劳破坏、水损伤和抗冻融循环[41-44]。李映[45]、马丽霞[46]和杨红辉[47]等将木纤维掺加到沥青混合料中，试验结果发现木纤维的掺加会降低沥青混合料的最佳油石比，同时会提高沥青混合料的高温抗变形能力、低温抗裂性能和水稳定性能。吴金荣，王宏等研究发现掺加聚酯纤维后沥青混合料的性能有明显提高[48-50]。吴金荣[48]为研究聚酯纤维掺量以及冻融循环次数对沥青混合料的水稳定性能影响，分别制作聚酯纤维掺量为0、0.1%、0.2%、0.3%的沥青混合料试件，结果表明相对于不掺聚酯纤维的沥青混合料，聚酯纤维的掺加会提高沥青混合料的水稳定性。王宏[49]研究表明聚酯纤维在与硬质沥青形成的共混体中通过吸附稳定作用、纤维界面增强作用、加筋阻裂作用显著提高了硬质沥青混合料的低温抗裂性和抗疲劳耐久性，推荐其最佳掺量为0.3%—0.4%。安静[50]的试验结果表明，聚酯纤维的添加可显著改善沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性。汤寄予[51]等研究了玄武岩纤维对沥青混合料水稳定性的影响,首先由马歇尔试验以及车辙试验确定玄武岩纤维的最佳掺量,然后按照规范JTGF40-2004规定的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验方法测试含玄武岩纤维的沥青混合料水稳定性能，发现评价玄武岩矿物纤维对沥青混合料水稳定性的改善效果。韦佑坡等[52]研究表明玄武岩纤维会提高沥青混合料的稳定度和浸水马歇尔稳定度，且随着纤维掺量的增加不断增强；玄武岩纤维的加入显著提高了动态蠕变试验沥青混合料的流变次数，其对混合料动稳定度有明显的增强作用。Bonica和Cristina等[53]通过研究纤维对沥青混合料力学性能的影响，采用3种沥青(其中2种用SBS聚合物改性)、一种钙质填料和4种不同含量的纤维，结果表明，纤维改善了热拌沥青的力学性能，特别是在高温下防止车辙现象方面。PiotrJaskuł[54]介绍了纤维增强沥青混凝土研究方案的选择结果，文章中选用芳纶-聚α-烯烃纤维，根据断裂力学理论，采用恒变形率矩形梁弯曲试验和半圆弯曲试验，对低温开裂敏感性进行了评价，表明纤维能改善低温路面性能。LuoD和KhaterA等[55]综述了木质素和玻璃纤维在沥青混合料中的改性作用，采用低温弯曲试验、间接抗拉强度试验、轮载跟踪试验、汉堡轮轨试验、马歇尔浸没试验、冻融劈裂试验、三点弯曲疲劳试验和间接拉伸疲劳试验等方法，分析木质素或玻璃纤维改性沥青混合料的抗损伤和疲劳性能。结果表明，木质素纤维和玻璃纤维的加入显著提高了沥青混合料的质量。沥青粘结剂改性是提高沥青混凝土路面性能的又一途径。通过研究老化时间对含再生混凝土骨料的热拌沥青混合料（HMA）的主要性能的影响表明：增加含RCA的HMA的老化时间可提高HMA的空气空洞数，环境温度下的刚度和初始永久变形[56]。聚合物改性剂，如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)和聚烯烃屑橡胶或纤维作为一种增强剂被用于沥青混合料[57]。陈华鑫，张争奇[58]等观察研究了不同纤维的微观特性以及做了纤维沥青胶浆的沉锤试验，通过3种级配的纤维沥青混合料低温弯曲蠕变试验,分析纤维和级配对沥青混合料低温抗裂性能的影响,并从复合材料角度对纤维的加强和改善作用机理进行了剖析。结果表明,纤维的加入可明显提高沥青混合料的低温抗裂性能,其中聚酯纤维的作用效果最为显著。1.4本文的研究思路为适应建筑垃圾资源化利用和海绵城市建设两大趋势，本文尝试将再生粗骨料运用到透水沥青混合料（PAM）中，采用再生粗骨料强化和添加纤维的方式分别对PAM进行改性。（1）再生粗骨料(RCA)不做任何处理，分别以0，30%，70%，100%的取代率替换PAM中的天然粗骨料，研究再生粗骨料掺量对PAM的最佳油石比和渗透系数的影响。

（2）采用水泥砂浆包裹再生骨料（CSRCA），饱和氢氧化钙溶液中浸泡再生粗骨料（CHRCA）和有机硅树脂包裹再生粗骨料（SRRCA）等3种改性再生粗骨料0，30%，70%，100%的取代率替换天然粗骨料，研究改性再生粗骨料及其掺量对PAM的最佳油石比和水稳定性的影响。（3）在对沥青混合料改性方法即为掺加玄武岩纤维（PF）和聚酯纤维（BF），纤维的掺量为0.4%（以混合料的质量百分数计），考虑聚玄武岩纤维(BF)和聚酯纤维（PF）以1:0，3：1，2:2，1:3，0:1质量比例混杂，再生骨料掺量均为100%，研究纤维对PAM的最佳油石比和水稳定性的影响。本文总的技术路线如下图1.4所示。图1.4技术路线第2章试验原材料第2章试验原材料2.1引言试验所用的材料包括天然细骨料，天然粗骨料，再生粗骨料，矿粉，沥青，纤维等，本章主要介绍各种材料的性能及不同再生粗骨料掺量时混合料的合成骨料级配。2.2试验材料2.2.1沥青透水沥青混合料需具备较高的耐水性，为了保证混合料能够正常使用，选用的沥青应具有较好的抗水侵害能力。SBS改性沥青较普通沥青防水性更佳，可以提高沥青混合料的使用寿命和高温稳定性能等，被广泛的使用于透水沥青混合料中。所以本次试验选用SBS成品改性沥青，表2.1是SBS改性沥青的相关参数，由表可知SBS改性沥青各项参数均符合相关技术要求。表2.1茂名石化东海牌SBS改性沥青相关参数测试项目实际结果技术指标针入度（25℃）/0.1mm50.440～60针入度指数PI0.16≥0延度（5℃）/cm26.3≥20软化点（环球法）（℃）80.5≥60闪点（开口）（℃）288≥230动力粘度（135℃）/Pa.s2.1≤3.0溶解度（%）99.2≥99膜后：质量损失（%）0.22-1～1膜后：针入度比%72.3≥65膜后：延度（5℃）（cm）15.6≥15从上表可以看出，本次试验所用SBS改性沥青的参数均符合技术指标，与普通70#和90#沥青相比SBS改性沥青拥有更低的针入度，更高的软化点和粘度。说明SBS改性沥青确实拥有其优异性。2.2.2矿粉对于普通沥青混合料，矿粉的主要作用有两个。第一，相对于骨料矿粉体积较小，可以填充混合料的空隙，减小其空隙率增加密实度；第二，矿粉和沥青结合形成沥青胶浆，矿粉的表面积很大，使沥青材料形成薄膜，从而提高了沥青材料的粘结强度和温度稳定性。对于PAM，更注重矿粉的第二个作用。本文选用实验室专用碱性石灰石矿粉，技术指标如表2.2所示，矿粉各项参数均符合技术要求，可以用于试验研究。表2.2矿粉参数试验项目实际结果技术要求视密度（g/cm3）2.71≥2.5含水量（%）0.4≤1粒径＜0.6mm（%）100100粒径＜0.7mm（%）92.690～100粒径＜0.8mm（%）86.475～100外观无团粒结块无团粒结块亲水系数（%）0.78＜12.2.3细骨料天然细骨料根据《公路工程集料试验规程》（JTGE42—2005）测得相关指标，试验结果如表，并与《公路沥青路面施工技术规范》（JGJ/T240-2011）相关技术要求进行比对，从表2.3中可以看出能够满足技术要求。表2.3细骨料参数试验项目试验结果技术要求表观相对密度（g/cm3）2.70≥2.50沙含量（%）62≥60棱角性（s）46≥30小于0.075的颗粒含量（%）1.17≤3.02.2.4纤维本文将聚酯纤维和玄武岩纤维掺加到沥青混合料作为一种改性方法，很多学者曾尝试将纤维掺加到沥青混合料中。汤寄予，高丹盈[51]等研究了玄武岩纤维对沥青混合料水稳定性的影响，发现玄武岩纤维对沥青混合料的水稳定性能有显著的改善作用；韦佑坡[52]等研究表明玄武岩纤维沥青混合料的稳定度和浸水马歇尔稳定度值明显增大,且随着纤维掺量的增加而递增;玄武岩纤维的加入显著提高了动态蠕变试验沥青混合料的流变次数,其对混合料动稳定度有明显的增强作用。陈华鑫，张争奇[58]等从不同纤维的微观特性和纤维沥青胶浆的沉锤试验出发,通过3种级配的纤维沥青混合料低温弯曲蠕变试验,分析了纤维和级配对沥青混合料低温抗裂性能的影响,并从复合材料角度对纤维的加强和改善作用机理进行了剖析.结果表明,纤维的加入可明显提高沥青混合料的低温抗裂性能,其中聚酯纤维的作用效果最为显著。本文选用玄武岩纤维和聚酯纤维来改性透水沥青混合料，掺加方法分为单一纤维掺加和两种纤维混掺。玄武岩纤维和聚酯纤维平均长度12mm，如图2.1所示。各项参数见表2.4(a)聚酯纤维(b)玄武岩纤维图2.1纤维表2.4纤维参数纤维种类纤维直径（μm）纤维长度（mm）密度（g/cm3）颜色抗拉强度（MPa）玄武岩纤维15122.44褐色3000聚酯纤维19121.37白色5002.2.5再生粗骨料再生粗骨料来源于南昌大学前湖校区后街的废弃混凝土，在挑选时尽量选取天然骨料含量高卵石少的废弃混凝土，这样的混凝土性能相对较好。在选取时还需要注意避开含有钢筋尤其是长钢筋的废弃混凝土，以便于后期的破碎防止对破碎机造成损伤。再生粗骨料制作流程：（1）由于破碎机入口大小有限，现场收集到的废弃混凝土相对来说较大，所以先将废弃混凝土用锤子人工破碎至能够放进破碎机大小，图2.2为人工破碎流程。（2）利用破碎机二次破碎，用破碎机破碎时要时刻关注破碎出来的骨料粒径大小，及时调整破碎入口的尺寸。（3）筛分机进行筛分，根据自己的需求准备不同的网筛。图2.3为机械破碎筛分过程，本次试验需要的再生粗骨料粒径分别为4.75mm-9.5mm，9.5mm-13.2mm和13.2mm-16mm，各粒径骨料分类堆放，冲洗备用。如图2.4所示。图2.2再生集料人工破碎(a)破碎机破碎(b)筛分图2.3再生集料机械破碎筛分（a）按粒径堆放（b）冲洗之后图2.4再生集料分类冲洗备用2.3合成骨料级配本文选用PAM-13的透水沥青混合料的目标孔隙率控制在20%左右，参照《透水沥青路面技术规程》（CJJ／T190．2012）中PAC-13的级配范围制定的骨料级配。再生骨料的掺量为0%、30%、70%和100%的混合料分别用NA、RA30、RA70、RA100表示。不同再生粗骨料掺量时混合料的合成骨料级配如下图表所示。表2.5骨料级配通过筛孔粒径（mm）0.071.182.364.759.513.216级配上限（%）68121518223080100100NA合成级配（%）10.360.695.4100RA30合成级配（%）9.511.613.214.661.394.2100RA70合成级配（%）10.612.314.315.459.695.8100RA100合成级配（%）1111.813.814.960.795.3100级配下限（%）2334610125090100图2.5NA集料级配曲线图2.6RA30集料级配曲线图2.7RA70集料级配曲线图2.8RA100骨料级配曲线从上图所示矿料级配可以看出，本文混合料所用粗骨料占比达到85%，粒径0mm—4.75mm的骨料所占比例很小。2.4本章小结本章参照有关材料各自的规范技术对SBS改性沥青、矿粉，细骨料、纤维及再生粗骨料等原材料进行试验，获得了不同再生粗骨料掺量情况下各自的骨料级配曲线，为后面开展试验提供基础。第3章再生粗骨料改性及其PAM制备方法再生粗骨料改性及其PAM制备方法3.1引言再生粗骨料本身存在的缺陷可以通过改性进行部分弥补，本章采用3种不同的再生粗骨料强化方法进行改性，以期改善再生粗骨料的物理性能。PAM中是否含有纤维会对制作流程产生影响，分别介绍PAM不含纤维和含有纤维时的不同马歇尔标准试块制作方法。3.2试件设计试验制作的试块均为双面击实50次的（试件尺寸）标准马歇尔试块，天然骨料透水沥青混合料试件编号为NA。本次实验所有混合料的细骨料（粒径小于4.75mm）均为天然骨料，粗骨料（粒径大于4.75mm）分别为再生粗骨料和天然粗骨料。再生粗骨料掺量为30%，70%，100%的透水沥青混合料试件编号为RA30，RA70，RA100。水泥浆处理后的再生粗骨料（CSRCA）掺量为30%，70%，100%的透水沥青混合料试件编号为：CSRA30，CSRA70，CSRA100；饱和氢氧化钙溶液处理后的再生粗骨料（CHRCA）处理掺量为30%，70%，100%的透水混合料编号为CHRA30，CHRA70，CHRA100；有机硅树脂处理后的再生粗骨料（SRRCA）掺量为30%，70%，100%的透水混合料编号为SRRA30，SRRA70，SRRA100。纤维的掺量为0.4%（以混合料的质量百分数计），考虑聚玄武岩纤维(BF)和聚酯纤维（PF）以1:0，3：1，2:2，1:3，0:1质量比例混杂，未处理再生骨料掺量均为100%，编号为BPRA10，BPRA31，BPRA22，BPRA13和BPRA01。主要实验器材和不含纤维的透水沥青混合料一样，材料则比之多了两种纤维，即聚酯纤维和玄武岩纤维。试件设计汇总如表3.1。表3.1透水性沥青混合料试件设计汇总表试件编号改性方法再生粗骨料取代率(%)纤维含量(%)聚酯纤维玄武岩纤维NA-000RA30-3000RA70-7000RA100-10000CSRA30水泥浆包裹3000CSRA70水泥浆包裹7000CSRA100水泥浆包裹10000CHRA30氢氧化钙浸泡3000CHRA70氢氧化钙浸泡7000CHRA100氢氧化钙浸泡10000SRRA30有机硅树脂包裹3000SRRA70有机硅树脂包裹7000SRRA100有机硅树脂包裹10000BPRA10聚酯纤维1000.40BPRA31聚酯&玄武岩纤维1000.30.1BPRA22聚酯&玄武岩纤维1000.20.2BPRA13聚酯&玄武岩纤维1000.10.3BPRA01玄武岩纤维10000.43.3再生粗骨料处理方法3.3.1水泥浆包裹再生粗骨料（CSRCA）试验材料和设备为42.5MPa的水泥，搅拌棒，铁容器，振动台，孔径4.75mm的筛子等。水泥浆改性再生粗骨料（CSRCA）处理方法的步骤如下（见图3.1）：（1）称取试验所需要的水泥（海螺牌42.5水泥）及4.75mm-9.5mm、9.5mm-13.2mm的再生粗骨料（不同粒径分开处理）。（2）将水泥倒入容器中，本次试验所用水灰比为1：1，称取和水泥同等质量的水倒入容器中，用搅拌棒快速搅拌40s，若水泥浆未均匀可以适当加长搅拌时间但不得超过一分钟。（3）水泥浆搅拌均匀后，迅速将事先准备好的粗骨料倒入容器中，快速搅拌10s后放置在振动台上振捣3min，让水泥浆能充分包裹骨料。（4）振捣结束后将容器中的水泥浆和骨料一起倒入孔径4.75mm的网筛中，等网筛过滤掉水泥浆后，在实验室地上铺上塑料纸，将骨料均匀平铺在塑料纸上，自然养护28天。若养护完成的骨料有明显包裹不完全的现象则这批骨料丢弃不用。(a)置于振动台振捣(b)振捣结束筛出骨料(c)骨料养护后的成品图3.1CSRCA骨料处理方法3.2.2氢氧化钙浸泡再生粗骨料（CHRCA）饱和氢氧化钙溶液浸泡骨料（CHRCA）处理方法的步骤为：准备好1mol/L的饱和氢氧化钙溶液，将粒径为4.75mm-9.5mm和9.5mm-13.2mm的再生骨料分别水洗净备用。4.75mm-9.5mm和9.5mm-13.2mm的再生骨料分开处理，并且分成若干份，每一份的质量1kg左右，将骨料放入铁桶之中，随即倒入饱和的氢氧化钙溶液，氢氧化钙溶液超过骨料最低十厘米，每隔5分钟用搅拌棒缓慢搅拌30s，保证骨料可以被氢氧化钙溶液充分浸泡。20分钟后取出再生粗骨料放置于扎满小孔的木板上。浸泡后的骨料放置于实验室中备用，温度在20度左右，严禁放置于通风口，避免氢氧化钙溶液由于风干流失，养护28天。图3.2为处理前后的再生粗骨料。(a)浸泡前(b)浸泡后图3.2饱和氢氧化钙溶液浸泡骨料3.2.3有机硅树脂包裹再生粗骨料（SRRCA）有机硅树脂浸泡骨料（SRRCA）处理方法的步骤为：将粒径为4.75～9.5mm、9.5～13.2mm的骨料分别筛出清洗，因为不同粒径的再生粗骨料，同等质量下的表面积不同，需要包裹的树脂质量也不一样。将再生粗骨料每1kg一份分成若干份，每一份单独处理。两种骨料分开处理，粒径为4.75～9.5mm的再生粗骨料和有机硅树脂的质量比为5.5%，粒径为9.5～13.2mm的再生粗骨料和有机硅树脂的质量比为3%，再生粗骨料粒径越大。同等质量下表面积就越小，所用的有机硅树脂的量比等质量的小粒径再生粗骨料要少，有机硅树脂加同等质量的水稀释后之后与骨料充分拌合。在160℃的烘箱中放置4h烘干，再生骨料表面均匀包裹有一层薄膜为准，剔除不符合要求的，如果一批中不符合要求的过多，该批重新处理。图3.3为处理后的再生粗骨料图片。图3.3SRRCA3.4PAM标准马歇尔试块制备方法3.4.1未掺纤维的PAM标准马歇尔试试件（1）试件制作主要试验器材如图3.4。(a)电热鼓风恒温干燥烘箱(b)沥青混合料拌合机(c)数控马歇尔电动击实仪(d)电动脱模器图3.4试块制作过程的实验设备根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJE20-2011）中T0702—2011的要求，具体制作步骤如下：（1）将各粒径的矿料放入105℃的烘箱中烘干脱水，6小时后取出，按照骨料级配，每组准备7200g。称取一个试件所需的拌和好的混合料，矿粉单独用小盆盛放，如下图所示，准备6份，每份1200g，放入烘箱中，加热至185℃。图3.5骨料和矿粉（2）将SBS改性沥青用小盆称取6份，放入烘箱中，加热至170℃。（3）将试模刷上黄油和套筒、击实底座放入100℃烘箱中加热一小时备用。（4）搅拌机加热至180℃。（5）上述条件全部符合后，将粗细骨料倒入搅拌机中，用小铲子翻搅均匀，倒入沥青，启动搅拌机搅拌90s，均匀倒入矿粉，继续搅拌90s，如图3.6所示。（a）骨料搅拌（b）倒入沥青搅拌（c）加入矿粉图3.6搅拌顺序（6）试模、套筒、击实底座刷黄油，由于有再生粗骨料，各试块所需质量不同，可以先称取1000g混合料，将预热的套筒和滤纸装在底座上，将拌合物加入并插捣25次，再在上面垫滤纸，双面击实50次，拆模。（7）测得高度h1，具体所需混合料质量如下列公式。（3.1）式中，m:实际标准试块所需混合料质量（g）h1:1000g矿料制作成的试块高度(mm）（8）按照测得的实际所需质量，制作出标准试块，用游标卡尺测量高度看高度是否满足63.5±1.3mm，不满足即废弃不用。3.4.2掺纤维的PAM标准马歇尔试件同样根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJE20-2011）中T0702—2011的要求，骨料按上节要求处理，其他具体制作步骤如下：（1）将SBS改性沥青用小盆称取6份，放入烘箱中，加热至170℃。（2）将试模刷上黄油和套筒、击实底座放入100℃烘箱中加热一小时备用。（3）搅拌机加热至190℃。（4）上述条件全部符合后，将粗细骨料和纤维倒入搅拌机中，用小铲子翻搅均匀，启动搅拌机搅拌60s，倒入沥青搅拌60S，均匀倒入矿粉，继续搅拌60s。拆模和检测方法与不含纤维混合料一样，不过为了后续实验数据更加精确，在制作含有纤维的透水沥青混合料时，在搅拌机搅拌完成出料时，以及混合料击时后需观测纤维是否分散均匀，如图3.9所示，若有明显结团或分布不均匀的则弃之不用。图3.7纤维在混合料中分布3.5本章小结本章介绍了水泥浆、饱和氢氧化钙溶液、有机硅树脂三种材料对再生粗骨料的改性过程，展示改性前后再生粗骨料的表面变化。介绍了本文含有纤维和不含纤维的标准马歇尔试块的制作过程，两者制作过程的不同之处。为后续两章所需的马歇尔标准试块提供技术参考。第4章改性再生粗骨料性能及其PAM的最佳油石比第4章改性再生粗骨料性能及其PAM的最佳油石比4.1引言粗骨料在PAM中占据的比例很大，因此粗骨料的性能会对PAM的性能产生很大影响。经过改性的再生粗骨料的物理性能也会随之发生变化，参照《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）对改性前后的再生粗骨料进行物理性能测试，分析比较它们之间的不同。制备PAM时，需知其最佳油石比，由于骨料和沥青的性能各不相同，沥青混合料的最佳油石比并非固定不变。当沥青用量过低时，骨料无法被沥青充分包裹，导致沥青混合料的强度下降。当油石比大于最佳油石比时，充分包裹骨料后的多余沥青在矿料之间会引起润滑作用，导致矿料之间的内摩阻力降低，受到外力后较容易引起矿料之间的互相滑移，最终使沥青混合料的整体强度下降，因此需要对不同的PAM分别进行最佳油石比测试。目前确定最佳油石比的方法主要有飞散、析漏试验方法和马歇尔试验方法。飞散、析漏试验方法通过不同油石比混合料的飞散、析漏试验曲线的拐点分别确定最小和最大油石比，然后取最大、最小油石比的中间值作为最佳油石比。而马歇尔试验方法则主要是选取一组混合料中马歇尔稳定度最大值等数值确定最佳油石比。本文采用二者结合的方法，即先通过飞散、析漏试验方法确定最佳油石比并由马歇尔试验进一步验证。4.2改性再生粗骨料的性能4.2.1表观密度参照规范《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005），采用网篮法，首先称取1.5kg粗骨料，浸洗1天。将吊篮挂在天平挂钩上，置于有溢流孔的水槽中，向水槽中注水，直到溢流孔溢出水为止，天平调零。将骨料放入吊篮中，记下此时天平的读数mw;取出吊篮将骨料表面水用干毛巾轻轻擦干，称取质量mf，再将骨料放入恒温箱中，温度调至105℃，6h后取出称取质量ma。按照规范，需要做两组试验，但是相关数据吸水率试验也可以用到，所以为了节省时间一共做6组，3组用来计算吸水率，3组用来计算表观密度。表观相对密度用（γa)按公式4.1计算：(4.1)(4.1)式中，γa——骨料的表观相对密度，无量纲ma——骨料的烘干质量（g）mw——骨料的水中质量（g）各粗骨料表观密度试验结果如下表所示表4.1各再生粗骨料表观密度NCARCACSRCACHRCASRRCA技术要求表观密度（g/cm3）粒径：4.75-9.5mm2.722.642.782.862.75≤3.0粒径：9.5-13.2mm2.72.632.752.842.74≤3.0从表4.1可以看出，4.75mm-9.5mm的再生粗骨料比天然粗骨料表观密度降低2.9%，经过不同的处理方法后，再生粗骨料的表观密度有显著改善，CSRCA、CHRCA、SRRCA的表观密度比RCA分别提高4.6%、8.0%、4.2%。9.5mm-13.2mm的再生粗骨料比天然骨料的表观密度降低2.6%，降低幅度比4.75mm-9.5mm的再生粗骨料低11.5%，可以看出9.5mm-13.2mm的再生粗骨料比4.75mm-9.5mm的再生粗骨料表观密度变化较小，经过水泥浆、饱和氢氧化钙、有机硅树脂处理后表观密度比RCA有不同程度的提高，效果和4.75mm-9.5mm的再生粗骨料类似。由上述可知，再生粗骨料表观密度低于天然粗骨料，原因分析：再生骨料表面包裹大量的老化水泥砂浆，老化后的水泥砂浆疏松多孔，其密度较低，进而导致再生粗骨料表观密度下降[61]。和小粒径再生粗骨料相比，大粒径的再生粗骨料表观密度下降程度较小。这是因为同等体积下粒径较小的骨料表面积越大，包裹的老化水泥砂浆越多。经过表面处理后再生粗骨料的表观密度均有提高，因为本文采用的处理材料最终都是以非固态的形式和再生粗骨料接触，有效的填充的再生粗骨料表面孔隙和裂纹。不同处理方法对再生粗骨料的表观密度影响不同，其中氢氧化钙处理后的再生粗骨料密度提高最多，水泥浆处理的次之，有机硅树脂最差。这跟处理材料有很大关系，氢氧化钙进入再生粗骨料孔隙中继而和空气中的二氧化碳发生化学反应，生成碳酸钙，碳酸钙的密度是2.7g/cm3；1:1水泥净浆密度为1.52g/cm3左右；有机硅树脂固化前后的密度变化很大较难测算，正常固化树脂涂料的密度约为1.25g/cm3。4.2.2吸水率李碧等[59]发现试验中的玄武岩骨料在开采前后的吸水率会有约0.3%的差距，而由不同开采前后的骨料制作的沥青混合料最佳油石比不同，骨料吸水率较大时最佳油石比也越大。杨瑞华等[60]分析了骨料吸水率对沥青混合料最佳油石比的影响，经研究发现骨料的吸水率差值越大时，沥青混合料的最佳油石相差越大。因此当骨料吸水率在沥青混合料中除了会影响其力学性能，同样也会对沥青混合料的最佳油石比产生影响。吸水率计算公式(4.2)如下。(4.2(4.2)式中，ma——集料的烘干质量（g）；mf——试件的表干质量（g）；ωx——粗集料的吸水率（%）粗骨料吸水率试验结果如下表4.2表4.2各再生粗骨料吸水率NCARCACSRCACHRCASRRCA技术要求吸水率（%）粒径：4.75-9.5mm0.533.783.613.540.51≤3.0粒径：9.5-13.2mm0.675.425.245.080.69≤3.0从上表可以看出，4.75-9.5mm骨料，未经处理的再生粗骨料吸水率是天然骨料的7.13倍，经过水泥浆包裹和氢氧化钙溶液浸泡后吸水率分别下降4.5%和6.3%，有机硅树脂包裹后再生粗骨料吸水率大幅度降低，甚至比天然骨料略低。9.5-13.2mm的再生粗骨料吸水率高于4.75-9.5mm的再生粗骨料，处理后的效果类似。再生粗骨料的吸水率远高于天然骨料，这是因为再生粗骨料在制作的过程中经过搬运、破碎，会产生裂纹与孔隙，水会进入其中；而且表面存在的老化水泥砂浆疏松多孔，吸水率大，需要吸取大量水分才会达到饱和状态[61]。经过3种处理方法后再生粗骨料的吸水率都有所下降，其中有机硅树脂包裹后的再生粗骨料吸水率降低最多，这是因为有机硅树脂高温固化后在再生粗骨料表面形成一层薄膜，并且有机硅树脂是一种憎[62-64]水材料，有效隔绝水进入到再生粗骨料中。4.2.2压碎值粗骨料的压碎值可以反映骨料的强度，骨料被压碎会导致骨料和沥青之间的黏附力下降，从而使混合料的性能下降。准备三份粒径在9.5-13.2mm之间的干燥骨料，每份3千克，按照规范《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）中T0316—2005粗集料压碎值规范对各粗骨料的压碎值进行测试，计算公式(4.3)如下所示。(4.3)(4.3)—压碎值（%）—最初骨料的质量（g）—压碎后2.36mm筛孔筛余的骨料质量（g）试验结果如表4.3所示。表4.3各再生粗骨料压碎值NCARCACSRCACHRCASRRCA技术要求压碎值（%）13.124.725.423.919.2≤28再生粗骨料的压碎值是天然骨料的近两倍，经过表面处理后压碎值发生了变化，水泥浆包裹后再生粗骨料的压碎值增长了2.8%，氢氧化钙溶液处理后压碎值降低了3.2%，有机硅树脂包裹后压碎值较未处理时降低了22.3%。再生粗骨料的压碎值明显高于天然骨料，这是因为，再生粗骨料表面存在的老化水泥砂浆不但强度低而且容易剥落[65]；再生粗骨料存在裂纹，容易产生应力集中，加剧骨料的破坏。经过有机硅树脂包裹和氢氧化钙溶液浸泡的再生粗骨料压碎值都有不同程度的下降，这是因为经过氢氧化钙溶液浸泡后的再生粗骨料被填充了部分孔隙[66]，减少了应力集中；有机硅树脂包裹后不但填充了孔隙，固化后增强了老化水泥砂浆和再生粗骨料之间的整体性。水泥浆包裹后的再生粗骨料压碎值反而提高了，水泥浆包裹后再生粗骨料的部分孔隙得到填充，针片状也有所改善，但是与有机硅树脂不同，水泥浆包裹的厚度较大，界面也随之增多[67]，如图4.1所示图4.1CSRCA界面示意图再生粗骨料的天然骨料和老化水泥砂浆之间存在一个界面，经过水泥浆包裹后界面增加，老化水泥砂浆-天然骨料，天然骨料-新水泥浆，老化水泥砂浆-新水泥浆之间都存在界面，界面往往是薄弱点，导致骨料压碎风险上升。4.2.3骨料与沥青粘附性能透水沥青混合料对抗水能力有较高的要求，而骨料和沥青的粘附性直接关系到混合料的抗水能力。试验步骤如下：（1）将骨料用铁丝围绑，置于温度为106℃烘箱内，烘烤1小时。之后将骨料迅速去除浸人预先加热的135℃沥青试样中45s后，轻轻拿出，观察骨料是否沥青完全裹覆，如果没有则废弃不用。（2）将铁丝和围绑好的骨料悬挂于试验架，置于常温下冷却15min，在下方放置一张废纸以免滴落的沥青污染地面。（3）待骨料冷却后放入盛有经电磁炉煮沸水的大烧杯中央，持续3min，在此过程中保证烧杯中的水处于沸腾状态。（4）将骨料从水中取出，察骨料颗粒上沥青膜的剥落程度，评定其粘附性等级，同一骨料应做5个骨料颗粒的平行试验。试验结果如表4.4所示.表4.4各粗骨料和沥青之间的粘附性NCARCACSRCACHRCASRRCA粘附性44555从上表可以看出，再生骨料和天然骨料的粘附性一致，经过处理后粘附性均提高一级。沥青和骨料之间的粘附性和骨料表明的粗糙程度有很大关系[78]，如果骨料表面存在着许多微孔或裂隙，沥青就容易吸附在骨料表面和微孔内；骨料的比表面积越大，对沥青的吸附能力越强。如果骨料表面光滑，吸附在骨料表面的沥青膜很薄且不牢固，在载荷和水的作用下，易造成沥青膜与骨料剥离。沥青的化学成分对沥青和骨料的粘附性同样有很大影响，本文选用的沥青属于石油沥青，石油沥青中含有大量的酸性或碱性化合物，其中的表面活性物质的活性从大到小的顺序为：沥青酸﹥沥青酸酐﹥沥青质﹥胶质﹥油分。在这些物质中，沥青酸和酸酐的活性最强，因此石油沥青呈酸性[69]。本次试验采用的骨料虽然前期尽量选择天然骨料含量较高的废弃混凝土制备，但依旧含有较多卵石，卵石是酸性材料和同为酸性材料的沥青之间化学黏附减弱[70]。天然骨料表面光滑，本次试验选用的天然骨料是玄武岩，玄武岩主要是由二氧化硅、氧化钙等物质构成，而这些物质容易被氧化成为氢氧化钙等碱性物质，所以说玄武岩石子是一种碱性岩石，和沥青之间的化学黏附优于再生骨料，双方各有利弊。经过3种处理方法后，再生粗骨料和沥青之间的粘附性均提高一级。氢氧化钙和新水泥浆都呈碱性，增强了骨料和沥青之间的化学黏附，有机硅树脂在骨料表面形成固化薄膜，削弱了卵石和沥青之间的不利化学黏附。4.3PAM的最佳油石比的试验方法4.3.1谢伦堡沥青析漏试验谢伦堡沥青析漏试验常被用来检测高温下沥青结合料析出多余的自由沥青数量，以确定沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）、排水式大空隙沥青混合料（OGFC）或沥青碎石类混合料的最大沥青用量。本研究采用谢伦堡沥青析漏试验确定各再生粗骨料掺量PAM的最大沥青用量。选取五个油石比，按照级配和配比分别称取集料、沥青、纤维，一共1100g，按照JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规》中T0702的方法用搅拌机搅拌均匀，称取洗干净的800ml烧杯的质量m0，称取1000g混合料倒入烧杯，称取烧杯和混合料的质量m1。将烧杯盖上玻璃盖，放到温度为185℃的烘箱中，1h后取出，不加任何振捣和外力把烧杯倒扣在玻璃板上，称取此时烧杯的质量m2。利用下列公式(4.4)算出沥青析漏损失。(4.4(4.4)式中，Δm—沥青析漏损失（%）m0—实验前烧杯质量（g）m1—烧杯和沥青混合料总质量（g）m2—实验后烧杯及烧杯残留物质量（g）图4.2是一组试验后烧杯的图片，重复做四次，取其中离散较小的三个数据平均值作为最终实验结果。通过试验得到不同再生骨料掺量、不同油石比的混合料的析漏损失。图4.2析漏实验后烧杯由未经处理的再生粗骨料制作的透水沥青混合料飞散实验结果如下表4.5所示表4.5不同再生粗骨料掺量、不同油石比PAM析漏试验结果再生骨料掺量为0%析漏实验油石比%44.555.56析漏损失%0.040.080.020.020.030.08平均值0.030.09再生骨料掺量为30%析漏实验油石比%6.36.8析漏损失%0.020.310.040.070.030.09平均值0.040.02再生骨料掺量为70%析漏实验油石比%7.47.9析漏损失%0.080.410.060.390.030.090.170.340.48平均值0.090.43再生骨料掺量为100%析漏实验油石比%6.577.588.5析漏损失%0.040.460.010.50.050.090.20.330.51平均值0.030.49从上表可以看出同一种骨料的析漏损失随着油石比的增加而增大，因为沥青用量越大，骨料表面包裹的沥青越多，能够吸附在烧杯上的骨料与沥青越多，析漏损失随之增加。不同再生掺量的骨料，随着再生粗骨料的掺量的增加，析漏损失随之增加，这是因为同体积的骨料，再生粗骨料由于表面老化水泥砂浆的存在，质量要低于天然骨料。在搅拌过程中，骨料避免不了相互挤压，老化的水泥砂浆容易破碎断裂，小体积的骨料更加容易粘结在烧杯上。并且随再生粗骨料掺量的增加，相同析漏损失PAM所用的沥青用量在增加。4.2.2肯塔堡飞散试验肯塔堡飞散试验常被用来检测沥青混合料在交通荷载作用下，道路表面骨料脱落和散失的程度。将马歇尔试件置于洛杉矶试验机中无球状态下旋转撞击规定的次数，用沥青混合料试件散落质量的百分率体现飞散损失。飞散试验可以确定沥青道路表面层的沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)、排水式大孔隙沥青混合料、抗滑表层混合料、沥青碎石或乳化沥青碎石混合料所需的最少沥青用量。本文采用肯塔堡飞散试验确定各再生粗骨料掺量下PAM的最小沥青用量。试验方法如下：根据各类沥青混合料的配合比参照第三章介绍的方法制备标准歇尔试块，沥青混合料制作中双面各50次，脱模后检测试件尺寸，其直径应为101.6mm±0.2mm，高63.5mm±1.3mm，若达不到标准则废弃不用，一组试件的数量为4个。将沥青混合料试块放入20℃恒温水槽中底部垫高浸泡20h，浸泡结束后从恒温水槽中取出试件，称取试件质量m0，精确至0.1g。立即将试块放入洛杉矶试验机中，不加钢球，盖紧盖子，启动洛杉矶试验机，设置转速为30r/min，旋转数为300转。旋转结束后打开试验机盖子，取出试件并称取此时的质量，如果试件已经粉碎，选取最大的一块残留部分的混合料质量称取质量m1。一次试验只能测试一个试块，剩余试块重复以上步骤，一种沥青混合料的平行试验为4次。沥青混合料的飞散损失按式(4.5)计算。(4.5)(4.5)ΔS—沥青混合料的飞散损失（%）m0—试验前混合料的质量（g）m1—试验后混合料的质量（g）（a）混合料飞散实验前图片（b）混合料飞散实验后图片图4.3PAM飞散实验前后图片下图是一组不同油石比的PAM实验前后图片由未经处理的再生粗骨料制作的透水沥青混合料飞散实验结果如下表所示表4.6不同再生粗骨料掺量、不同油石比PAM飞散损失数据生骨料掺量为0%油石比%44.555.56飞散损失%17.811.714.612.915.98.3平均值16.112.5再生骨料掺量为30%油石比%6.36.8飞散损失%20.517.611.720.914.8平均值21.215.812.4108.5再生骨料掺量为70%油石比%7.47.9飞散损失%25.617.312.713.39.630.920.416.810.910.228.720.616.311.27.8平均值28.419.915.311.89.2再生骨料掺量为100%油石比%6.577.588.5飞散损失%31.425.838.411.230.922.316.411.58.8平均值33.69.9同种类型的透水沥青混合料，随着油石比的增加，飞散损失不断减少，因为沥青用量的减少会降低骨料和沥青之间的粘结性，在碰撞过程中容易发生脱落，导致飞散损失的提高。不同再生骨料掺量的PAM，再生粗骨料掺量越多飞散损失越大。再生粗骨料表面的老化水泥砂浆和骨料之间的粘附性较低，容易发生松散和脱落的现象。而且老化水泥砂浆的强度低并且表面棱角较多，容易脱落断裂，增加了飞散损失的风险。在破碎过程中，骨料也产生裂缝，导致强度进一步降低。4.2.3马歇尔稳定度试验本研究采用马歇尔稳定度试验得出不同油石比PAM马歇尔稳定度，获得PAM马歇尔稳定度最大值对应的油石比即为最佳油石比。试验步骤如下：（1）将恒温水箱温度设置为60度，待温度达到后将试件置于恒温水槽中保温30min，试件之间留有部分间隔，底部垫起，保证其距离容器底部5cm以上间隔，并将马歇尔试验仪器的上下压头一同放入恒温水箱中。 （2）沥青混合料浸泡完成后，将马歇尔试验仪上下压头从恒温水箱中取出擦拭干净尤其是内面。并在上下压头的导棒上涂抹润滑油，减小导棒和压头的摩擦力。接着将试样取出迅速置于下压头，盖上上压头，放置在加载设备上。 （3）将上压头的球座上放妥钢球，并对准荷载测定装置的压头。（4）将马歇尔试验仪的压力传感器，位移传感器与X-Y记录仪正确连接。调整好计算机程序或将X-Y记录仪的记录笔对准原点，将流值计安装在导棒上使导向套管轻轻地压住上压头，同时将流值计读数调零。调整压力环中百分表，对零。 （5）准备完成后启动加载设备，加载速度为50±5mm/min。（6）从恒温水槽中取出试件至测出最大荷载的试件在30s内完成。由未经处理再生粗骨料制作的PAM飞散实验结果如表4.7所示。表4.7不同再生粗骨料掺量、不同油石比PAM马歇尔稳定度再生骨料掺量为0%油石比%5.66.1稳定度7.188.3110.788.647.797.898.819.118.527.916.989.638.938.779.03平均值7.358.929.618.648.24再生骨料掺量为30%油石比%6.36.8稳定度6.236.787.047.597.977.536.316.377.217.396.957.53平均值6.557.187.537.216.84再生骨料掺量为70%油石比%7.47.9稳定度7.319.069.428.347.936.948.678.268.818.318.427.738.948.768.47平均值7.568.498.878.648.24再生骨料掺量为100%油石比%6.577.588.5稳定度6.677.638.327.928.047.128.527.948.257.717.397.589.018.8277.86平均值7.067.918.428.337.874.2.4最佳油石比的综合确定本次试验的最佳油石比由上述三种试验方法综合确定，以天然骨料制备的PAM（即NA）的最佳油石比加以具体解释说明。将NA的谢伦堡沥青析漏试验获得不同油石比PAM的析漏损失和肯塔堡飞散试验获得不同油石比PAM的飞散损失绘制成图，找出各自拐点，确定最大、最小油石比并用马歇尔稳定度进一步检验确认。如图4.4所示，由飞散损失可以确定NA的最小油石比是4.8%，析漏损失确定最大油石比为5.4%，初步确定最佳油石比为两者均值5.1%。以5.1%为定值，分别向前后取两个数值，每个数值间隔0.5%，制作标准马歇尔试块并测得各自马歇尔稳定度。（a）各油石比的析漏和飞散损失析漏（b）NA各油石比的马歇尔稳定度图4.4各油石比的析漏和飞散损失及马歇尔稳定度由上图可以看出，根据飞散试验和析漏试验确定的最佳油石比，与马歇尔稳定度规律匹配，即由飞散与析漏试验确定的最佳油石比是合理的。以同样的方法分别绘制RA30，RA70，RA100的飞散和析漏及马歇尔数据结果，如下图所示。(a)析漏和飞散损失(b)马歇尔稳定度图4.5RA30各油石比的析漏和飞散损失及马歇尔稳定度(a)析漏和飞散损失(b)马歇尔稳定度图4.6RA70各油石比的析漏和飞散损失及马歇尔稳定度(a)析漏和飞散损失(b)马歇尔稳定度图4.7RA70各油石比的析漏和飞散损失及马歇尔稳定度同样的方法得出RA30最佳油石比为5.7%，RA70最佳油石比为6.8%，RA100最佳油石比为7.4%。4.4PAM的最佳油石比试验结果分析4.4.1不同再生粗骨料掺量PAM的最佳油石比0%，30%,70%和100%再生粗骨料掺量的PAM最佳油石比如图4.8所示。图4.8不同再生粗骨料含量的PAM最佳油石比再生骨料为30%混合料（RA30）的最佳油石比比天然骨料混合料（NA）增加了11.8%，RA70比NA33.3%，RA100增加了45.1%，可以看出随着再生粗骨料的增加，混合料的最佳油石比即沥青用量也随之增加，因为再生骨料在运输和破碎过程中会产生大量的孔隙和裂纹[61]，沥青经过加热后很容易进入其中；并且老化水泥砂浆的表面积比同等体积的天然骨料大，所以和沥青接触面较大，导致沥青用量增加[38-39]。4.4.2不同改性再生粗骨料掺量PAM的最佳油石比再生粗骨料进行改性之后，表面性能等发生变化，由它们制备的混合料最佳油石比需要重新测定。经过水泥浆包裹后的再生粗骨料制备成的透水沥青混合料在不同掺量下的最佳油石比按照上节相同方法测定，试验结果如下图所示。图4.9水泥浆包裹后再生粗骨料和未经处理再生粗骨料最佳油石比对比再生粗骨料掺量为30%时，CSRA的最佳油石比比RA降低3.5%。再生粗骨料掺量为70%时，最佳油石比比RA降低4.4%。再生粗骨料掺量为100%时，最佳油石比比RA降低4.1%。经过水泥浆包裹后，PAM在不同骨料掺量下的最佳油石比都有所降低，但是降低幅度都是在5%以内效果并不显著。这是因为：首先水泥浆填充再生骨料孔隙，减少了沥青进入骨料内部的量，导致沥青用量减少。但是水泥浆包裹后骨料的表面积增大，水泥浆的密度要低于天然骨料，同等质量下拥有更大的表面积，沥青用量增大，但是单位面积占有的沥青用量并不会发生增多，所以这种因素导致的沥青用量增大并不会对混合料的力学性能造成影响。再生粗骨料经过氢氧化钙浸泡后PAM最佳油石比变化如下图所示。图4.10氢氧化钙浸泡后再生粗骨料和未经处理再生粗骨料最佳油石比对比从图4.10可以看出，RCA经过氢氧化钙处理后PAM的最佳油石比降低效果非常小，原因分析：氢氧化钙改性原理是液态的氢氧化钙溶液进入再生粗骨料内部空隙中，然后在空气中与二氧化碳反应生成碳酸钙填充空隙[66]，但是如果空隙较大氢氧化钙溶液未来得及和二氧化碳反应生成碳酸钙就会流失，所以只能填充微小孔隙，与水泥浆包裹不同，氢氧化钙溶液没有增大再生粗骨料的表面积，但是新的水泥浆密实度远高于老化水泥砂浆，老化水泥砂浆疏松多孔的性质没有得到完全改善，所以沥青用量降低很少。有机硅树脂包裹后的再生粗骨料制备成的混合料最佳油石比和其他骨料对比如下图所示。图4.11有机硅树脂包裹后再生粗骨料和未经处理再生粗骨料最佳油石比对比从上图可以看出，再生粗骨料经过有机硅树脂包裹后PAM最佳油石比明显降低。再生粗骨料掺量为30%时，SRRCA的最佳油石比比RCA降低8.8%。再生粗骨料掺量为70%时，SRRCA最佳油石比比RCA降低13.2%。再生粗骨料掺量为100%时，CSRCA的最佳油石比比RCA降低16.2%。原因分析：有机硅树脂能够很好的填充再生粗骨料的裂纹和孔隙并在骨料表面形成一层固化薄膜[57]，有机硅树脂不但具有极高的憎水性[63-64]，而且固化后本身密度很大，厚度很小，不会明显增大表面积，从而减少沥青的吸附量，所以有机硅树脂处理后混合料的最佳油石比降低最多，这一点和吸水率降低的原因十分相似。图4.12各类再生粗骨料不同油石比小结：再生粗骨料经过不同处理方法后最佳油石比都有变化，其中有机硅树脂处理后各再生粗骨料掺量的PAM最佳油石比降低最多，水泥浆处理后的其次，氢氧化钙包裹后效果最不明显。4.4.3掺加纤维PAM的最佳油石比据以往学者研究发现，纤维对最佳油石比也有一定的影响，对玄武岩纤维和聚酯纤维不同比例掺量对混合料最佳油石比的影响同样通过飞散和析漏试验确定并通过马歇尔稳定度检验，试验结果如图4.13所示图4.13不同纤维掺加方式下的最佳油石比BPRA10，BPRA31，BPRA22，BPRA13和BPRA01的最佳油石比为7.6%，7.8%，8.0%和8.2%。可以看出聚酯纤维每多0.1%，最佳油石比提高0.2%；玄武岩纤维增加0.1%，最佳油石比提高0.05%。纤维可以吸收沥青中的部分组分[71]，比如油脂和树脂，增加沥青的用量，玄武岩纤维的密度是2.44g/cm3，聚酯纤维的密度是1.37g/cm3，在同等质量下聚酯纤维的体积远大于玄武岩纤维，所以聚酯纤维的用量越多，沥青用量也随之增加的越多。4.4.4不同因素对最佳油石比的显著性分析结果为了更加直观的了解各因素对最佳油石比是否有明显的影响，对再生粗骨料不同掺加量和不同再生骨料处理方法以及纤维掺加对PAM-13的最佳油石比结果，利用IBMSPSSStatistics中的线性回归做显著性分析，以下是不同因素对最佳油石比的显著性分析结果。表4.8各改性方式对PAM最佳油石比的影响主要效应RCA不同取代率CSRCA不同取代率CHRCA不同取代率SRRCA不同取代率纤维掺加方式最佳油石比P-value0.0020.0050.0040.0230.001是否显著是是是是是从表4.4的结果可以看出，RCA、CSRCA、CHRCA、SRRCA不同取代率和各种纤维掺加方式对PAM的最佳油石比都有显著影响且各自P-value值均不相同，表明对再生粗骨料进行处理、不同再生粗骨料掺量和掺加纤维会显著影响混合料的沥青用量。4.5本章小结本章对改性再生粗骨料性能及其PAM的最佳油石比进行了试验，得出以下结论：从不同再生粗骨料物理性能检测结果可以看出再生粗骨料的吸水率和压碎值远高于天然骨料，表观密度降低。经过有机硅树脂包裹之后，再生骨料吸水率和压碎值改善效果最为明显，甚至吸水率略低于天然骨料。天然骨料和再生骨料的粘附性是4级，可以满足《透水沥青路面技术规程》中粗集料与沥青粘附性的要求，再生骨料经过不同方法处理后粘附性均提高1级。再生粗骨料掺加后，PAM的最佳油石比增大。并且再生粗骨料取代率越高，PAM最佳油石比越大，当再生骨料取代率为100%时PAM最佳油石比比天然骨料混合料（NA）增加了45.1%。RCA经过改性之后，同等RCA掺量下最佳油石比下降。其中有机硅树脂处理后最佳油石比下降最多，水泥浆包裹的效果次之，氢氧化钙最弱。纤维的添加导致最佳油石比增大，且聚酯纤维掺量越大最佳油石比增加越多。显著性分析结果表明，不同再生粗骨料和再生粗骨料掺量以及掺加纤维都会显著影响混合料的沥青用量。第5章PAM透水性能和水稳定性能第5章PAM透水性能和水稳定性能5.1引言透水沥青混合料的出现主要是针对水灾害，加速路面排水。所以排水能力的强弱是衡量PAM是否能发挥作用的一项重要指标，本文采用渗透系数来表示PAM的排水能力。PAM确保排水性能的同时，势必会对混合料的水稳定性产生不利影响，关彦斌[72]表明透水性沥青混合料的孔隙率越大，其混合料的水稳定性也越差。所以本章还将研究不同再生粗骨料取代率和掺加纤维的PAM水稳定性，并分析不同改性方法对PAM水稳定性的影响。5.2PAM的透水性能5.2.1试验方法本文最大的挑战是将再生粗骨料运用到透水沥青混合料中，所以接下来测试不同再生粗骨料取代率对透水沥青混合料的渗透系数以及空隙率的影响。空隙率参照CJJ／T190．2012《透水沥青路面技术规程》中连通空隙率的试验方法测得。对于透水试验，目前大部分测试透水性能的试验都有水头压力，在现实中路面排水的时候往往是没有水头压力的[19]。为尽可能模拟现实的排水场景，本文采用无水头压力的试验方法：如图10所示，混合料在直径101.6mm的套筒模具中击实成型后不脱模，去掉滤纸，冷却后置于水中充分吸水饱和。将模具下部垫高，倒入100ml的水，得到水完全渗透的时间（渗透结束时间减去开始时间），计算得出渗透系数，计算公式如下K＝Qh/6.35At（5.1）式中：Q－倒入的水量（ml）A－试件面积（cm2）t－渗透时间（s）h－试件的高度（cm）(a)试验准备(b)倒入水并开始记时(c)水流完记录最终时间图5.1透水试验5.2.2试验结果及分析不同再生粗骨料掺量的透水沥青混合料渗透系数如下图所示图5.2不同再生粗骨料掺量下PAM渗透系数各再生骨料掺量下的透水沥青混合料渗透系数都大于2*10-2cm/s，能够满足《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2017）中关于排水面层混合料技术要求。随着再生粗骨掺量的增加，透水沥青混凝土的渗透系数先降低后增加。RA30和RA70的渗透系数比NA降低6.3%和15.6%，RCA100的渗透系数比NA提高15.6%。渗透系数并没有随着再生粗骨料的掺加逐渐增大或减小，而透水沥青混合料的排水能力和混合料的空隙率存在很大的关系[73]，为了解释这一现象，测试了不同再生粗骨料含量的透水沥青混合料的连通空隙率，如下图5.3所示。图5.3再生骨料不同掺量的混合料渗透系数和连通空隙率由上图可以看出，RA30的连通空隙率比NA低7.4%，RCA70的连通空隙率比NCA低16.2%，而RA100的连通空隙率比NA高12.2%。混合料渗透系数的整体升降趋势和连通空隙率是一致的。随着再生粗骨料的掺加，透水沥青混合料的结构发生了变化，内部的空隙在不断变化，但是最不利的情况下，排水能力也远远大于实际需求：不同掺量再生骨料混合料的渗透系数均大于规范要求，所以可以认为再生骨料的掺加不会影响其排水能力。利用IBMSPSSStatistics对再生粗骨料掺量和渗透系数以及连通空隙率的关系做线性回归做显著性分析，再生粗骨料掺量和渗透系数显著性为0.657，再生粗骨料掺量和连通空隙率显著性为0.727，可以看出再生粗骨料含量的多少和PAM的渗透系数与连通空隙率并没有线性上升和下降的规律。5.3PAM的水稳定性能5.3.1试验方法本文采用残留稳定度来衡量沥青混合料的水稳定性，将不同再生粗骨料掺量的混合料分别制作两组，每组4块，一组在60℃的恒温水箱中放置30min后利用马歇尔实验仪测得马歇尔稳定度和流值，另一组在60℃的恒温水箱中放置48h测得浸水马歇尔稳定度。马歇尔稳定度试验方法见4.2.3节，图5.4是马歇尔试验图片。残留稳定度计算公式参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000），如下所示：（5.1）式中：MS0—混合料的残留稳定度（%）MS1—混合料的浸水马歇尔稳定度（KN）MS2—混合料的马歇尔稳定度（KN）（a）试块制备（b）恒温水箱浸泡（c）测得稳定度图5.4马歇尔试验各种再生骨料掺量混合料的马歇尔稳定度如表5.1。表5.1不同再生粗骨料掺量PAM马歇尔稳定度再生粗骨料掺量（%）马歇尔稳定度（KN）09.61308.53708.871008.42从上表可以看出RA30，RA70，RA100的马歇尔稳定度比NCA分别降低11.2%，7.7%，12.4%。再生骨料掺加后PAM的马歇尔稳定度均不如天然骨料制备的混合的马歇尔稳定度，因为再生粗骨料压碎值高[18-19]，强度低。除此之外，再生粗骨料和沥青之间的界面增加，从下图5.7可以看出天然骨料和沥青之间仅存在一个界面即沥青—天然骨料的界面。而再生骨料和沥青之间存在四个界面，分别为天然骨料—沥青，老化水泥砂浆—沥青，老化水泥砂浆—天然骨料，老化水泥砂浆—天然骨料—沥青。界面的增加让混合料薄弱处增多，力学性能降低。天然骨料和沥青之间界面(b)再生骨料和沥青之间界面图5.5不同骨料和沥青之间的界面5.3.2未处理再生粗骨料PAM的稳定性能各再生粗骨料掺量的PAM浸水马歇尔稳定度如表5.2所示。表5.2不同再生粗骨料掺量下PAM浸水马歇尔稳定度再生粗骨料掺量（%）浸水马歇尔稳定度（KN）08.71307.53707.511006.77RA30，RA70，RA100的浸水马歇尔稳定度比NCA分别降低13.5%，13.8%，22.3%。各再生粗骨料掺量的混合料的浸水马歇尔稳定度降低幅度和马歇尔稳定度相对于天然骨料降低幅度不同。如下图所示，和马歇尔稳定度不同，浸水马歇尔稳定度随着再生粗骨料掺量的增加降低幅度不断增加，而且随着再生粗骨料掺量的增加，PAM的马歇尔稳定度和浸水马歇尔稳定度的降低幅度差距越来越大。而这种差距可以用残留稳定度更加直观的表现出来，也是衡量沥青混合料水稳定性的一个重要指标。不同再生粗骨料掺量的PAM残留稳定度如下图所示图5.6再生骨料不同掺量下的混合料的残留稳定度由图5.6可知随着再生粗骨料掺量增加混合料的残留稳定度降低。再生粗骨料掺量为30%。70%和100%时残留稳定度较纯天然骨料混合料分别降低了2.3%，5.9%和10.2%。原因是再生粗骨料的表面包裹有老化水泥砂浆受到压力后容易松散、脱落影响其整体性和强度。同时再生骨料中有很多卵石，骨料的碱性越强和沥青的粘结力就越强[44]，卵石表面呈酸性，所以卵石与沥青之间粘附性较差。其次再生骨料和沥青拌合之后界面增多，导致薄弱面增加。所以再生骨料的掺加对透水沥青混合料的水稳定性能影响较大，随着再生骨料掺量的增加，混合料的水稳定性逐渐降低。当再生骨料掺量为100%时，混合料的残留稳定度仅为80.4%，而规范要求为80%，十分危险，有必要采取改性措施增强混合料的残留稳定度。5.3.3水泥浆包裹再生粗骨料PAM的稳定性能（1）马歇尔稳定度经过水泥浆包裹后的再生骨料制作的透水沥青混合料和未经处理的再生骨料制作的透水沥青混合料，马歇尔稳定度试验结果如下图所示。图5.7CSRCA和RCA不同取代率的PAM马歇尔稳定度由图5.7可以看出随着再生骨料掺量的增加，用未经处理的再生粗骨料制作成的PAM马歇尔稳定度大体呈下降趋势，但在掺量为70%时略微上升。经过水泥浆包裹后，PAM马歇尔稳定度严格呈现下降的规律。从强度分析，经过水泥浆包裹后，PAM的马歇尔稳定度不论在何种掺量下比未作处理的再生粗骨料制备的PAM都要高。（2）浸水马歇尔稳定度经过水泥浆包裹后的再生骨料制作的透水沥青混合料和未经处理的再生骨料制作的透水沥青混合料，它们的浸水马歇尔稳定度试验结果如下图所示。图5.8CSRCA和RCA不同取代率的PAM浸水马歇尔稳定度再生粗骨料经过水泥浆包裹后，PAM的浸水马歇尔稳定度有提高，再生粗骨料掺量为30%时，CSRA30浸水马歇尔稳定度比RA30提高10.4%；再生粗骨料掺量为70%时，提高4.3%；再生粗骨料掺量为100%时，提高14.3%。（3）残留稳定度经过水泥浆包裹后的再生骨料制作的透水沥青混合料和未经处理的再生骨料制作的透水沥青混合料，它们的残留稳定度试验结果如下图所示。图5.10CSRCA和RCA不同取代率的PAM残留稳定度当再生骨料掺量为30%时，用水泥浆包裹后的再生粗骨料制作成的PAM比用未经处理的再生粗骨料制作成的PAM残留