基于数字图像技术的再生骨料沥青混合料骨架接触类型量化表征

王芸芸,寇长江, 2,胡皓天,张维嘉,刘安安

(1.扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127；2.滑铁卢大学 道路与交通技术中心， 加拿大 滑铁卢市 N2L3G1)

0 引言

随着我国城镇化建设的不断推进，各种混凝土结构物的维修、拆除导致建筑垃圾存量日益累积，绝大部分未能得到合理利用，其再生利用率远远低于发达国家[1-2]。将废弃混凝土清洗、物理破碎，按粒径分级和按合理比例混合配制成再生骨料(Recycled Concrete Aggregate，简称RCA)，对节约资源和保护生态环境意义重大[3-4]。

作为一种环保材料，再生骨料的物理特性基本符合规范要求，能够用于道路的新建、维修与养护工程。目前，我国对再生骨料的应用研究多集中于水泥混凝土，即再生混凝土，大大限制了再生骨料的使用量。而不同等级、层位沥青路面结构能够为不同品质再生骨料提供大体量的消耗场所。但掺加再生骨料对于沥青混合料性能存在较大影响，高低温性能的结论基本一致，与天然骨料相比，再生骨料沥青混合料高温性能有所提升，低温性能有所降低，但水稳定性没有一致的结论[5-8]。袁峻[9]等人[10-14]采用数字图像处理技术，分析集料表面特征与混合料性能的相关性。现有技术主要是通过接触点数量、接触长度等集料接触特性去评价沥青混合料骨料接触[15-16]，需要大量的试验、材料和能源消耗，且对骨料的多样性方面考虑不足。再生骨料沥青混合料中骨料类型有再生骨料、天然骨料和残余砂浆，在强度、吸水率等方面存在较大差异，因此对再生骨料沥青混合料的性能影响也不同。为保证再生骨料沥青混合料的性能，必须对再生骨料沥青混合料中不同骨料接触类型及其比例进行分析。

本文在再生骨料、天然骨料物理特性测试与对比分析的基础上，对AC-20C型天然骨料沥青混合料和取代率为30%的再生骨料沥青混合料进行配合比设计，并测试其高温稳定性等性能。通过采集和处理再生骨料沥青混合料试件断面的图像，分析了再生骨料沥青混合料的骨架接触类型，以及各接触类型对沥青混合料破坏的影响。

1 原材料和配合比设计

1.1 再生骨料与天然骨料

采用扬州惠民再生资源有限公司生产的0～5 mm档、5～15 mm档、15～31 mm档再生粗骨料。为进行变异性分析，设置3组平行试验检测再生骨料的各项物理性能；天然骨料采用石灰岩；相关物理性能试验结果见表1。

表1 再生骨料与天然骨料技术指标Table 1 Technical index of recycled concrete aggregate and natural aggregate测试指标压碎值/%针片状含量/%吸水率/%表观密度/(g·cm-3)130.58.73.82.40再生粗骨料(一档料)227.68.43.32.60328.18.33.22.40平均值28.78.33.42.50天然粗骨料20.411.81.42.90再生规范要求<20.0<10.0<5.0>2.35

从3组平行试验来看，再生骨料的变异性很小。除压碎值外，其他指标均符合Ⅱ类再生骨料规范要求，但压碎值满足天然骨料技术要求，可以进行后续试验。由于其表面黏附的残留砂浆，再生骨料的针片状含量和表观密度，与天然骨料相比较小，而压碎值和吸水率较大。

1.2 沥青

沥青采用江阴宝利生产的成品SBS改性沥青，相关技术指标见表2。

1.3 矿粉

矿粉采用镇江高资石灰岩矿粉，技术性能指标如表3所示。

1.4 再生骨料沥青混合料配合比设计

选取AC-20C型作为天然骨料沥青混合料和再生骨料沥青混合料的设计级配。大量研究表明，再生骨料取代率的上限为60%，且当取代率为30%时，沥青混合料的各项性能最佳[8]。故本文以30%取代率的AC-20C型再生骨料沥青混合料为研究对象。天然骨料沥青混合料合成矿料级配比例为1#∶2#∶3#∶4#∶矿粉=28∶32∶12∶24∶4；再生骨料沥青混合料合成矿料级配比例为1#∶2#∶3#∶4#∶矿粉∶再生1#∶再生2#∶再生3#=11∶19∶18∶19:3∶16∶7∶7。两种沥青混合料设计级配见表4。

表2 SBS改性沥青技术指标Table 2 Technical index of SBS modified asphalt项目针入度(25 ℃)/(0.1 mm)软化点/℃延度(5 cm/min,5 ℃)/cm针入度指数PI闪点/℃运动粘度(235℃)/(Pa·s)弹性恢复(25 ℃)/%RTFOT后残留物质量变化/%针入度比/%15℃残留延度/cm规范要求60～80≮55≮30-0.4～1.0≮230≯3.0≮65≯±1.00≮60≮20试验结果7164480.53291.876-0.088637

表3 矿粉技术指标Table 3 Technical index of mineral powder类别相对密度/(g·cm-3)含水率/%粒径范围<0.6 mm<0.15 mm<0.075 mm外观亲水系数试验结果2.7140.3810010092.2无团粒结块0.60规范要求≥2.500≤1.0010090～10075～100无团粒结块<1.00

采用马歇尔试验方法，确定天然骨料沥青混合料的最佳油石比为4.6%，再生骨料沥青混合料的最佳油石比为4.8%，马歇尔试验结果如表5所示。

表4 天然骨料沥青混合料和再生骨料沥青混合料设计级配Table 4 Design gradation of natural aggregate asphalt mixture and recycled concrete aggregate asphalt mixture类型通过各筛孔(方孔筛 mm)的质量百分率/%26.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075再生10094.791.078.469.149.227.019.613.99.67.55.9天然10095.184.971.558.837.324.818.712.98.58.16.2

表5 再生骨料沥青混合料马歇尔试验结果Table 5 Marshall test results of recycled concrete aggregate asphalt mixture级配类型油石比/%稳定度/kN流值/ 0.1 mmVMA/ %空隙率/ %VFA/ %毛体积相对密度最大理论相对密度4.08.6225.813.66.152.22.3312.4894.512.3127.813.54.865.82.3442.473AC-20C5.011.5731.913.53.772.52.3562.4555.510.8935.613.83.376.82.3532.4416.010.0142.514.53.078.62.3512.428要求≥8.0 20～40≥13.03.0～5.065～75——

2 混合料性能试验

2.1 高温稳定性

采用车辙试验，以动稳定度评价再生骨料沥青混合料的高温稳定性，试验结果见表6。

表6 沥青混合料车辙试验结果Table 6 Rut test results of asphalt mixture混合料类型再生骨料取代率/%油石比/%车辙试验动稳定度DS/(次·mm-1)试验结果规范要求天然骨料沥青混合料04.62 452≥2 400再生骨料沥青混合料304.82 767

由表6可知，在相同试验条件下，再生骨料沥青混合料由于油石比的增加，高温性能较好，掺加再生骨料使混合料的高温稳定性能得到一定程度的提高。

从微观分析，再生骨料由于残余砂浆的附着以及破碎过程中相互碰撞挤压产生的凹槽与裂缝，使得其表面粗糙度提升。与天然骨料或同类再生骨料接触时，在受到荷载挤压的情况下表面粗糙程度增加的摩阻力能抵消一部分荷载。同样荷载下，天然骨料与天然骨料的骨架接触类型受到荷载由于抵消较少，在荷载作用较大时这种骨架接触类型易受到破坏，试件发生变形。

2.2 低温抗裂性

采用低温小梁弯曲试验，根据抗弯拉强度、破坏应变和劲度模量对两种沥青混合料的低温抗裂性能进行评价，试验结果见表7。

由试验数据分析可知，破坏应变和抗弯拉强度伴随着再生骨料的掺加而下降，但仍符合规范要求；劲度模量由于再生骨料的加入得到提高。因此，在掺加再生骨料的情况下，沥青混合料的低温性能有了一定程度的下降。

再生骨料沥青混合料低温性能下降的原因主要是：① 沥青混合料中，骨料与沥青之间的黏结关系发生破坏，接触的界面分离，但是骨料本身并没有受到任何损伤；② 在再生骨料沥青混合料中，骨料与沥青黏结这一接触类型被再生骨料表面的残余砂浆所取代，残余砂浆的强度低于骨料强度，因此部分砂浆由于强度不足被损伤，试件发生破坏。

表7 沥青混合料低温弯曲试验结果Table 7 Low temperature bending test results of asphalt mixture混合料类型再生骨料取代率/%破坏应变/με抗弯拉强度/MPa劲度模量/MPa技术标准天然骨料沥青混合料02 5108.573 312≥2 500再生骨料沥青混合料302 1208.313 930

2.3 水稳定性

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验检测沥青混合料的水稳定性，试验结果见表8。

表8 沥青混合料浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果Table 8 Results of immersion marshall test and freeze-thaw split test for asphalt mixture混合料类型再生骨料取代率/%浸水残留稳定度MS0/%冻融劈裂强度比TSR/%试验结果技术要求试验结果技术要求天然骨料沥青混合料087.3≥8586.3≥80再生骨料沥青混合料3084.183.2

从表8数据分析结果来看，再生骨料会使沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比下降，说明再生骨料沥青混合料比天然骨料沥青混合料的水稳定性差，且不满足规范要求。

本试验选取的天然骨料为石灰岩，这种岩石的二氧化硅的含量小于55%，为碱性石材。与酸性相比，碱性石材拥有与沥青更好黏结的能力。而表面的残余砂浆使得再生骨料的表面粗糙、孔隙率提高，由于需要填补孔隙，再生骨料需要的沥青用量更多，且更容易吸收周围环境中的水分。同时，再生骨料再生破碎过程中产生的微裂缝对再生骨料的抗磨耗性能有一定的影响。以上这些原因导致再生骨料-沥青黏结界面薄弱区的产生，从而再生骨料沥青混合料的水稳定性较弱。因此，通常需要对再生骨料进行强化处理以满足水稳定性要求。

2.4 抗疲劳性

采用小梁四点弯曲疲劳试验评价再生骨料沥青混合料的抗疲劳性能。结果见表9。

表9中数据可以看出，再生骨料沥青混合料的疲劳作用次数明显小于天然骨料，在450 με、650 με、850 με应变水平下，分别减少了27%、25%、16.5%，说明再生骨料对沥青混合料的疲劳性能有着不利的影响。再生骨料强度低于天然骨料，内部的微裂缝容易在荷载的作用下延展。而残余砂浆与骨料的接触界面更加可能导致脆性破坏的产生，并且在本文的级配中再生骨料粗粒的含量多于天然骨料，使得混合料变形受到阻碍、能力降低，断裂破坏的可能性变高。

表9 沥青混合料四点弯曲疲劳试验结果Table 9 Four-point bending fatigue test results of asphalt mixture沥青混合料类型疲劳作用次数Nf/万次450 με650 με850 με天然骨料沥青混合料57.0416.6761.594再生骨料沥青混合料41.6864.9861.331

3 接触特性试验研究

3.1 样本制备与图像采集

试件的切割工艺大致分为两类，平面切割和曲面切割。平面切割采用四点弯曲试验中的切割工艺。切割后的断面有两种，一种是平行于碾压方向的断面，由于受到压实，断面上的颗粒往往比真实的矿料颗粒小；另一种是垂直于碾压方向的断面，这类断面上颗粒大小与真实大小最为接近，故推荐采用该类断面图片。曲面切割方法切割出的试件呈圆柱状，对圆柱试件的侧面采用CDD线阵扫描相机进行图像的采集。与平面切割采集的图像相比，曲面图像是由曲面展开成平面，图像中的矿料形状易发生改变。因此本文采用平面切割方法。

试件切割完成后，洗净、放置于平整的桌面上静置1 d。1 d后，将试件放置在平面上，平台两边各摆放一盏LED灯照明，确保光照充足、亮度均匀。手持单反相机，由上向下拍摄照片，要求照片聚焦清晰。具体操作如图1所示。

图1 数字图像采集系统示意图

3.2 骨架接触类型分析

3.2.1天然骨料与再生骨料的区分原则

再生骨料沥青混合料接触类型的讨论，仅针对粒径为2.36 mm以上的粗骨料。由于再生骨料与天然骨料在断面上形状、颜色较为接近，需确定合理的原则区别再生骨料与天然骨料，以便更好地研究混合料的接触类型。

根据采集的图像，列出如下区分原则：① 表面附着残余砂浆的视为再生骨料；② 颜色存在明显区别的视为再生骨料；③ 断面存在微小裂缝的视为再生骨料；④ 存在一处边界不清晰的视为再生骨料；⑤ 同一颗粒断面上存在两处及以上不一样的颜色视为再生骨料；⑥ 颗粒断面上含有明显孔隙的视为再生骨料。区分示意图见图2。

3.2.2接触类型与特性分析

根据采集的断面图，将接触类型按照骨料类型分为6种：天然骨料与天然骨料的接触、天然骨料与再生骨料的接触、天然骨料与残余砂浆的接触、再生骨料与再生骨料的接触、再生骨料与残余砂浆的接触和残余砂浆与残余砂浆的接触。从采集的断面图中随机选出6张，使用6种颜色分别标志6种接触类型，统计这6张断面图中，各种接触类型所占的比例，结果如表10所示，统计过程见图3。

图2 骨料类型的区分示意图

表10 接触类型比例统计结果Table 10 Statistics on the proportion of contact types接触类型图(a)图(b)图(c)图(d)图(e)图(f)平均值/%天然与天然0.00.90.00.00.80.00.3天然与再生1.82.65.88.610.613.77.2天然与砂浆0.90.04.72.22.30.71.8再生与再生17.152.234.955.951.564.746.1再生与砂浆41.433.944.225.831.118.732.4砂浆与砂浆38.710.410.57.53.82.212.2

(a)

根据统计结果，天然骨料间的接触类型仅占9.3%。因为本文选用了AC-20C级配沥青混合料，且在设计的矿料中再生骨料一号料占16%，天然骨料一号料占11%，再生骨料大颗粒明显比天然骨料多。

在这6种接触类型中，天然骨料与天然骨料的接触为最优接触类型，而砂浆与砂浆的接触为最不利接触类型。再生骨料比天然骨料的棱角性更丰富、纹理结构更发达，有利于沥青混合料的结构稳定，而再生骨料与再生骨料的接触类型占比达46.1%，进一步解释了沥青混合料掺加再生骨料后高温性能得到大幅度提高。由于表面残余砂浆的存在，再生骨料强度相对较弱，对低温性能有一定的影响，残余砂浆与残余砂浆的接触类型占12.2%，一定程度上降低了混合料低温性能。再生骨料表面覆盖的残余砂浆引起再生骨料-沥青黏结界面薄弱，与残余砂浆有关的接触类型占46.4%，直接导致了再生骨料沥青混合料水稳定性的降低。而与再生骨料有关的接触类型占85.7%，再生骨料强度低以及内部微裂缝在重复荷载作用下更容易累积、扩展，这是再生骨料沥青混合料疲劳性能降低的主要因素。

4 结语

本文首先测试、分析了再生骨料的物理特性，然后设计了0%和30%再生骨料取代率的沥青混合料，通过马歇尔试验确定了最佳油石比，对天然骨料沥青混合料和再生骨料沥青混合料性能进行了测试，并通过采集试件的断面图，分析了再生骨料沥青混合料中骨架接触类型的特点，这些工作为从骨架接触特性角度评价再生骨料对再生骨料沥青混合料性能的影响奠定了基础。

a.再生骨料物理特性的3组平行试验结果表明：与天然骨料相比，再生骨料的表观密度和针片状含量较小，而吸水率和压碎值明显大于天然骨料，除了压碎值，其他指标仍能满足规范要求。

b.天然骨料沥青混合料最佳油石比为4.6%，再生骨料沥青混合料最佳油石比为4.8%，再生骨料表面附着砂浆及表面损伤增加了其沥青混合料的沥青用量。

c.再生骨料使沥青混合料高温抗车辙性提高，而低温抗裂性、水稳定性和抗疲劳性降低，且水稳定性低于规范要求。

d.对再生骨料沥青混合料中骨架接触类型进行了分类，并给出了判别原则。车辙板试件断面数字图像统计结果表明：30%取代率下AC-20C型再生骨料沥青混合料中再生骨料类接触占比高达85.7%，而天然骨料接触类型仅占9.3%。