再生瀝青路面骨料堿活性混凝土砌塊制備技術研究

趙曉荷

（會寧縣縣鄉公路養護站，甘肅 白銀 730799）

再生瀝青路面（RAP）是在現有劣化瀝青路面結構銑刨過程中產生的，它由裹附著老化瀝青的碎骨料組成。粗略統計，全世界每年都有數百萬噸的RAP 產生。瀝青路面再生過程中，可以將RAP 用作HMA 混合料的骨料或加入水泥拌和作為穩定基層材料或作為無粘結基層材料，但仍有大量未使用RAP 直接丟棄在垃圾填埋場，不僅占用資源，造成資源浪費，而且還污染環境。因此，為了充分利用RAP，本文嘗試用RAP 替代原碎骨料，開發堿活性RAP 混凝土攤鋪機砌塊（AARCPB）。

1 試驗材料與方案

1.1 材料

用于生產AARCPB 的原材料包括粉煤灰（FLA）、磨細高爐礦渣（GGBS）、天然粗骨料（NCA）、天然細骨料（NFA）、再生瀝青粗骨料（CRAA）、再生瀝青細骨料（FRAA）。用于堿性活化的化學品是純度為99%的分析級NaOH 顆粒和Na2SiO3溶膠，Na2O=14.7%，SiO2=29.4%，H2O=55.9%。FLA 由燃煤發電站提供，GGBS 從某水泥有限公司獲得，原始骨料從當地采石場獲得，RAP 則從某國道上獲得，且用4.75mm 篩分進一步分離粗粒和細粒。混合料制備采用蒸餾水，高效減水劑為磺化萘甲醛。圖1 顯示了用于制備AARCPB 的天然和RAP 骨料。

圖1 天然和RAP 骨料；依次是CRAA，NCA，NFA，FRAA

1.2 配合比

為了研究RAP 骨料在AARCPB 中應用的可行性，對混凝土混合料進行配比設計，大多數設計參數保持不變，RAP 的替換按重量計，見表1。AARCPB 配比主要參數包括NaOH 溶膠的摩爾濃度、堿液與結合料含量的比率、Na2SiO3溶膠的比率。在NaOH 溶膠中，FLA 和GGBS 占結合料總含量的比例，以及額外的水。

表1 AARCPB 配合比

1.3 AARCPB 的生產

AARCPB 試樣在內部尺寸為200mm×100mm×60mm 的鋼模具中制備，每種試驗做三個樣品，制備前1 h 保證NCA 和CRAA 干燥，先將NCA、NFA、CRAA、FRAA、FLA 和GGBS 在盤式混合器中徹底干混2 min，向盤式混合器中添加堿性溶膠、高效減水劑和額外的水。繼續攪拌，直到獲得均勻混合料。將新鮮混合料裝入鋼模中，用搗棒壓實，然后在振動臺上振搗45s，所有試件在室溫下風干7d 和28d，制備的AARCPB 如圖2 所示。

圖2 AARCPB制備和測試

1.4 試驗方案

使用不同的標準對NCA、NFA、CRAA 和FRAA進行了測試。這些試驗包括比重和吸水率、粒徑分布、堆積密度和壓碎值、LA 磨損和沖擊值。用X 射線熒光（XRF）、X 射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、粒度分析（PSA）和表面積分析（BET）等物理化學技術對FLA 和GGBS 進行了表征。根據相關規范標準規定的強制性試驗，對研制的AARCPB 進行了吸水率、抗壓強度和耐磨性試驗。

2 試驗結果分析

2.1 材料性能

表2 列出了原材料的化學成分。對于FLA，結合的SiO2、Al2O3和Fe2O3大于70%，70.5%的FLA顆粒小于45mm。對于GGBS，質量比（CaO+MgO）/（SiO2）應超過1.0，硫含量不應超過2.5%，在45mm篩網上保留的細度小于20%。RAP、NFA 和NCA 主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 和K2O 組成。RAP 還含有粘附在骨料上的老化瀝青結合料，RAP 中結合料的含量在3%～7%之間，由于氧化作用，它比新瀝青材料更硬。由于礦物骨料占大多數（即93%～97%），RAP 的總體化學成分或多或少與天然骨料相似。將RAP 的XRF 結果與NCA 和NFA（見表2）進行比較，可以觀察到所有骨料的化學成分大同小異。

表2 原材料化學成分/%

表3 列出了天然骨料和再生骨料的特性。與CRAA 和FRAA 相比，NCA 和NFA分別顯示出更高的容積密度和比重值。這是因為再生骨料中存在老化瀝青，與散裝骨料相比，再生骨料的比重較低。而FRAA 和CRAA 的吸水率略高于NFA 和NCA。耐磨性、壓碎性和抗沖擊性是粗骨料的重要特性，尤其是在路面施工中。在本研究中，對于骨料的質量要求較低，由表3 可知，NCA 的耐磨性和抗沖擊性略優于CRAA。

表3 天然和再生骨料特性

由于結合料的存在，結合料使細骨料顆粒團聚，而研磨操作導致較大的骨料顆粒以較小的尺寸破碎，因此，NFA 比FRAA 細，NCA 比CRAA 粗。從材料的掃描電鏡顯微照片來看，FLA 的SEM 顯微照片顯示了不同尺寸的球形顆粒，且較大的FLA 粒子的空腔被非常細的FLA 粒子占據，FLA 顆粒具有典型的微珠性質。GGBS 顯示了光滑表面的角粒子，細小的GGBS 顆粒粘附在較大尺寸的顆粒上。CRAA 質地粗糙，主要是由于老化瀝青表面附著有非常細的粉塵顆粒。而FRAA 比較光滑，表面存在不規則顆粒。

2.2 坍落度試驗

從坍落度試驗結果來看，R0 混合料的容積密度和坍落度達到2489kg/m3和175 mm，R25、R50 和R75 混合料的容積密度和坍落度分別減少1.2%和8.5%、6.4%和31.4%、10.8%和43%。因此，RAP 的加入降低了混凝土的容積密度和坍落度。與NFA 和NCA 相比，FRAA 和CRAA 的容積密度都比較較低。坍落度的降低可歸因于RAP 骨料中存在細粉塵顆粒，RAP 骨料中的粉塵顆粒吸收堿性溶膠，從而影響混凝土混合料的和易性。

2.3 吸水率

攤鋪機砌塊的吸水率是一個重要的性能指標，它反映了硬化漿體中的孔隙結構，較高的吸水率會影響攤鋪機砌塊的耐久性，因為它們更容易受到不良外部物質的侵蝕。因此，將單個試樣的吸水率最大值限制為7%，三個試樣的平均值最大為6%。攤鋪機砌塊老化7d 和28d 后結果表明，隨著混合料中RAP 的增加，吸水值降低。在7d 時，與R0 混合料相比，R25、R50 和R75 混合料的吸水率分別降低了3.82%、4.12%和7.94%。同樣，在28d 時，與R0 混合料相比，R25、R50 和R75 混合料的吸水率分別降低了5.57%、7.43%和12.63%。與7d 相比，28d 時吸水率降低，表明硬化漿體隨著時間的推移而改善。這種改進是由于FLA 和GGBS 的堿性活化反應產物形成的，即水合硅酸鋁鈣（C-A-S-H 凝膠）。R0 混合料在第7 天的最大吸水率為3.4%，R75 混合料在第28 天的最小吸水率為2.35%，對于包含RAP 的攤鋪機砌塊，吸水率的降低可歸因于混合料中存在老化瀝青。攤鋪機砌塊在110℃烘箱中加熱時，瀝青熔化，占據了硬化漿體中的孔隙，降低了孔隙率，影響了吸水率。

2.4 抗壓強度

攤鋪機砌塊的抗壓強度是影響其質量和使用壽命的重要性能之一。從抗壓強度試驗結果可知，RAP 的加入降低了AARCPB 的抗壓強度。AARCPB抗壓強度的降低可歸因于RAP 骨料中存在老化瀝青。含RAP 水泥混凝土抗壓強度的降低是由于界面過渡區（ITZ）較弱、ITZ 孔隙率增加和體積模量降低等原因造成的。此外，骨料周圍瀝青的存在阻礙了骨料表面和水泥基質之間良好黏結的形成。另外，RAP 集料中的老化瀝青比集料本身更軟、更弱，這會降低集料的硬度和抗沖擊性（如表3 所示），從而影響AARCPB 的抗壓強度。

2.5 耐磨性

材料的耐磨性會影響攤鋪機塊的使用壽命，因為它直接暴露在大氣中，受不同物體的打滑、滑動和摩擦。從耐磨試驗結果來看，在第7 天，與R0 混合料相比，R25、R50 和R75 混合料的體積損失分別增加了15.42%、26.70%和48.19%。同樣，在28 天時，與R0 混合料相比，R25、R50 和R75 混合料的損失增加分別為22.74%、37.48%和66.64%。在28 天老化時，R0 混合料的最小平均體積損失為12.62cm3/50cm2。而R75 混合料在7d 的最大平均體積損失為22.20cm3/50cm2。因此，AARCPB 中RAP骨料（即CRAA 和FRAA）的增加大大增加了質量損失。對于RAP 骨料，由于存在較軟的瀝青，骨料的硬度降低（如表3 中LA 磨損和沖擊試驗所示）。此外，由于RAP 集料中存在老化瀝青，RAP 集料與硬化土聚體糊料之間的黏結受到負面影響。AARCPB 試樣在用作磨料時，其體積損失更大，抗壓強度也是影響耐磨性的一個因素。所以使用高密度和高硬度的骨料會影響混凝土的強度和耐磨性，與天然骨料（NCA 和NFA）相比，AARCPB 中含有密度和硬度較低的RAP骨料，這直接影響了混凝土的強度和耐磨性。

2.6 環境和經濟效益

AARCPB 的使用將減少對硅酸鹽水泥和采石場碎骨料的依賴，從而帶來環境效益。采石作業對環境有負面影響，它擾亂了野生動物的棲息地和自然生態系統，爆破還破壞了水文資源，造成空氣和噪聲污染操作。還有，大部分地區正面臨采石場枯竭的問題，需要將開采的骨料運輸到更遠的距離，這既不可持續，也不環保。因此，使用不同的廢料是一種可持續的做法。因此，通過有效利用過量的RAP 集料來克服攤鋪行業面臨的問題意義深遠。

對AARCPB 進行了成本分析，以評估RAP 骨料替代天然骨料的經濟效益。AARCPB 的生產成本主要取決于使用的骨料和水泥。而RAP 骨料沒有市場價值，因為它被視為廢料。因此，用RAP 骨料替代天然骨料將具有可觀的經濟效益福利。基于在選定的配合比和成本分析中，與R0 混合料相比，R75 混合料的成本最大降低了25.8%。

3 結論

在AARCPB 中增加RAP 骨料會降低新拌混合料的和易性、容積密度、吸水率降、抗壓強度、耐磨性，而AARCPB 的體積損失增加，但是這些指標都滿足堿活性混凝土攤鋪機砌塊的施工要求，并且降低AARCPB 的生產成本，與R0 混合料相比，R25、R50 和R75 混合料的生產成本分別降低了8.6%、17.2%和25.8%。AARCPB 還將為城市地區提供環境效益，城市地區面臨著多種問題，如天然骨料采石場枯竭、垃圾填埋區減少、垃圾產生過多以及對建筑材料的需求增加。根據本研究結果，高達50%的RAP 骨料（即R50 混合料）可用于行人和非機動設施，也可以使用50%以上的替代品在交通量較少、耐磨性較低的公共場所使用。