沥青路面具有行驶舒适性好、噪音低、施工及养护期短等优点，但是对太阳辐射的吸收能力很强，大量热量在道路结构中蓄积，使得沥青路面在高温和荷载耦合作用下容易出现车辙病害。另外，我国是陶瓷生产和消费大国，陶瓷在工业生产过程中，会产生5%~26%的废弃品，而且作为日常使用的易碎产品，每年将产生大量的陶瓷固体废弃物^[1]。陶瓷固体废弃物处理不当，将会严重污染我国的环境。

陶瓷的颜色浅，导热系数小，将废旧陶瓷回收应用于道路材料成为近年来国内外的研究热点。研究表明，废陶瓷粉的掺入可以改善沥青砂浆的抗变形能力，提高沥青混凝土的抗车辙性能^{[2, 3, 4]}。使用废陶瓷替代15%的粗集料制成基层用沥青混合料，发现掺加废陶瓷的沥青混合料与普通沥青混合料的各项马歇尔指标相差不大，并表现出较好的力学特性^[5]。此外，在沥青混合料中掺加陶瓷能够提高路面材料的热阻性能，有效减少热量在路面中的累积^{[6, 7]}，降低路面结构内部的温度。

陶瓷废料用于沥青混合料中的研究近些年刚刚展开，陶瓷对路面结构内部温度的降温效果也少有研究。因此本文根据原材料的性能，采用马歇尔试验方法进行陶瓷沥青混合料(Ceramic Asphalt Mixture,CAM)的配合比设计，确定粗集料、陶瓷集料、细集料、矿粉和沥青的最佳组成比例；在此基础上对陶瓷沥青混合料的高温、水稳、低温以及抗疲劳性能进行探究，明确陶瓷的掺入量对沥青混合料路用性能的影响规律；通过室内光照辐射试验测试了CAM的降温隔热效果。 1 原材料的基本性能

本研究使用SBS改性沥青作为沥青结合料，其主要技术性能指标见表 1。粗集料采用玄武岩，细集料采用人工砂(机制砂)，矿粉选用石灰石矿粉。矿料和矿粉的各项试验指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求。

本研究陶瓷废料来源于建筑拆除的废瓷砖，采用“颚式破碎+反击式破碎”的二次破碎工艺，并掺加3%的水泥替代矿粉来改善陶瓷集料与沥青的黏附性。陶瓷集料见图 1，二次破碎后陶瓷集料性能见表 2。

图 1 陶瓷集料 Fig. 1 Ceramic aggregate

图选项

本文选定沥青混合料级配类型为SMA-13。根据规范推荐的SMA-13的级配范围进行配料，配比结果见表 4，其中4.75 mm的通过率分别为23.0%，27.0%，29.5%。以6%为初始油石比，每个级配制作4个马歇尔试件，试件的各项体积和马歇尔强度结果表明级配2为推荐级配。对级配2，分别取5.7%,6.0%和6.3%这3个油石比进行室内马歇尔试验，不同油石比下马歇尔试件的体积参数与力学性质表明该级配最佳油石比为5.7%。

将陶瓷集料按照10%，20%，30%，40%，50%共5种掺量等体积替代级配2中大于4.75 mm粒径的粗集料，并按照规范中的方法，确定不同陶瓷掺量下的最佳油石比；按照最佳油石比拌和CAM，成型马歇尔试件并测试其各项参数，研究陶瓷集料掺量对SMA-13性能的影响，试验结果见表 5。

从最佳油石比来看，由于陶瓷与沥青的黏附性较差，随着陶瓷集料掺量的增加，CAM最佳油石比增加。从马歇尔试件的流值和稳定度来看，10%陶瓷掺量的CAM的流值略微增加，稳定度略微减少;而当陶瓷掺量为20%时，CAM的流值比SMA-13的流值增大了13%，稳定度减小了17%。随着陶瓷集料的掺量的增加，CAM的流值不断增加，稳定度不断减小，这表明随着陶瓷集料掺量的增加，CAM的抗变形能力变差。从析漏损失和飞散损失来看，陶瓷集料的掺入增加了自由沥青的含量，并且在陶瓷集料掺量为50%时，析漏损失超过0.1%，已经不满足要求。因此，CAM中的陶瓷集料掺量不宜超过50%。

3 陶瓷沥青混合料路用性能研究 3.1 高温稳定性

采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中沥青混合料的车辙试验来评价CAM的高温稳定性^{[8, 9]}。试验温度为60 ℃，每组3个试件，取均值。试验结果见表 6。随着陶瓷掺量的增加，试件永久变形增加，动稳定度不断下降。当陶瓷掺量达到40%时，动稳定度为3 524 次/mm，陶瓷集料掺量为10%，20%，30%的CAM动稳定度分别比SMA-13降低了13%，15%，22%;而当陶瓷掺量达到50%时，动稳定度已经不满足规范要求。这表明陶瓷的掺入使得CAM的抗车辙性能有一定的降低，但仍能满足规范的要求。考虑CAM的高温稳定性，推荐陶瓷集料掺量不大于40%。

沥青混合料的水稳定性是指其抵抗因水的侵蚀而逐渐产生的沥青膜剥离、掉粒、松散、坑槽等破坏的能力^[10]。本文按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的试验方法，对双面击实50次的马歇尔试件进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，试验结果见表 7。

从浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验结果来看，陶瓷集料的掺入使得沥青混合料的水稳定性出现一定程度的降低。陶瓷集料掺量为10%时，浸水残留稳定度为88.5%，冻融劈裂残留强度比为85.7%。当陶瓷集料掺量为20%，30%，40%，50%时，CAM的浸水残留稳定度分别降低了6.4%，9.3%，8.5%，12.6%，13.4%，冻融劈裂残留强度比分别降低了7.1%，7.4%，10.4%，15.8%。结果表明，随着陶瓷集料掺入量的增加，CAM水稳定性逐渐降低，当陶瓷集料掺量超过40%以后，冻融劈裂残留强度比已经不满足规范要求。因此，陶瓷集料的掺量应该控制在40%以内。

出现上述现象是由于陶瓷物理性质稳定，耐酸，耐碱，耐腐蚀，因此与沥青胶结料之间的黏结性较弱，容易被水剥离，在一定程度上降低了CAM的水稳定性。

3.3 低温抗裂性

采用小梁三点弯曲低温试验^[11]评价CAM的抗弯拉强度和变形能力。试验温度为-10 ℃，将车辙板切割成250 mm×30 mm×35 mm的小梁试件，每组4个试件，取均值。结果见表 8。

由小梁低温弯曲试验结果来看，随着陶瓷集料掺量的增加，沥青混合料的抗弯拉强度和极限弯拉应变都有所下降，但是降低的幅度较小，劲度模量变化不大，这说明陶瓷集料的掺入对于沥青混合料的低温抗裂性能影响较小。

3.4 抗疲劳性能

采用三点弯曲法测试CAM的抗疲劳性能。试验设备采用LDMT-25微机控制沥青混合料疲劳试验机，加载模式为控制应力模式。综合沥青混合料疲劳特性及以往的研究经验^[12]。确定应力比为0.3，0.4，0.5，0.6，试验温度为20 ℃，加载波为半正弦波，加载频率为10 Hz。将车辙板切割成300 mm×40 mm×50 mm的试件，每组4个试件，取均值，试件有效跨径250 mm。试验结果见图 2。

图 2 CAM小梁疲劳试验结果 Fig. 2Fatigue test result of CAM small beam

图选项

从图 2中可以发现，随着应力比的增大，CAM的疲劳寿命急剧下降。但是在相同应力比下，混合料的疲劳寿命相差不大，掺加陶瓷集料的沥青混合料满足在常温下抵抗疲劳破坏的性能要求。

4 陶瓷沥青混合料隔热性能研究 4.1 试验方法

试验采用碘钨灯作为辐射光源，辐射加热8 h；在试件上表面、4 cm深度以及下表面每层各设置5个测点，取均值，计算出试件上表面与4 cm深度、上表面与下表面的温度差，观测在掺加陶瓷集料后的沥青混合料的降温隔热效果。

4.2 试件制备

采用10 cm厚的双层车辙板试件，上层为4 cm厚的不同陶瓷掺量的CAM，下层为6 cm厚的AC-20C，层间采用SBS乳化沥青作为黏结层；在试件4 cm深度及下表面分别安装5个温度传感器，并标出试样表面测温点的位置，保证测温位置一一对应，见图 3。

图 3 室内光照辐射试验 Fig. 3 Indoor light radiation test

图选项

通过室内光照辐射试验，得到不同陶瓷掺量下的沥青混凝土上表面、4 cm深度和下表面的温度，见表 9。上表面与4 cm深度温度差、上表面和下表面温度差见图 4、图 5。其中定义阻热容α，表示单位陶瓷集料掺量的上表面与4 cm深度温度差，单位为℃/%，α的数值越大表示单位陶瓷集料的降温效果越明显。

图 4 上表面与4 cm深度温度差 Fig. 4 Temperature difference between surface and 4 cm depth

图选项

图 5 上表面和下表面温度差 Fig. 5 Temperature difference between surface and innersurface

图选项

从表 9可知，在相同光照辐射强度下，随着陶瓷集料掺量的增加，试件上表面温度不断升高，这是由于陶瓷集料的掺入使得沥青混合料的油石比增大，混合料的吸热能力增强。从图 4可知，上表面与4 cm深度温度差随着陶瓷集料掺量的增加不断增大，陶瓷集料掺量为10%的CAM温差为5.8 ℃，相对于SMA-13提高了140%。陶瓷集料掺量为20%，30%，40%，50%的CAM相比于SMA-13降温效果提高了220%，280%，330%，370%。从图 5可知，上表层和下表层的温度差也随着陶瓷集料掺量的增加而增大。从表 9中阻热容α可知，随着陶瓷集料掺量的增加，单位陶瓷集料的降温效果减弱，这说明陶瓷集料掺量并不是越多越好，要综合考虑其路用性能和降温效果进行CAM的设计。

出现上述现象是由于陶瓷集料的掺入提高了混合料的热阻性能，阻止热量从上表面向下传递。由此可见，陶瓷沥青混凝土具有良好的隔热效果，在一定程度上可以减少车辙的产生。

5 结论

本文将陶瓷集料按照10%，20%，30%，40%，50%共5种掺量等体积替代SMA-13级配中大于4.75粒径的粗集料，试验研究掺加陶瓷废料的沥青混合料的路用和隔热性能，研究结论如下：

(1)随着陶瓷集料掺量的增加，SMA-13的最佳油石比增加，毛体积相对密度减小，马歇尔稳定度减小，流值增大，析漏损失和飞散损失逐渐增加，陶瓷掺量为50%时，析漏试验结果已不满足规范要求。

(2)随着陶瓷集料掺入量增大，CAM的动稳定度减小、高温下的变形量增大，水稳定性也变差，但在陶瓷集料掺量低于40%时，其高温稳定性和水稳定性均满足规范要求。陶瓷集料的掺入对沥青混合料的低温性能和抗疲劳性能影响较小。

(3)由于陶瓷集料为脆性材料，压碎值和磨耗值较大，且与沥青的黏附性较差，综合配合比试验与路用性能试验的结果来看，推荐使用陶瓷集料掺量为40%。

(4)CAM具有良好的隔热性能。试验结果表明，陶瓷集料掺量的增加有助于提高沥青混合料隔热性能，有效降低路面内部温度，与未掺加陶瓷集料的SMA-13相比，降温效果提高了140%~360%。

陶瓷集料与沥青的黏附性限制了陶瓷集料的掺量，提高两者之间的黏附性有待于进一步的研究。