粉煤灰處理后再生瀝青路面材料的耐久性評價

■龔 靖

（新疆交通建設管理局項目執(zhí)行二處，烏魯木齊 830000）

1 引言

近年來，再生瀝青路面（RAP）已成為全球研究的熱點。 由于材料用量不同，產(chǎn)品制作工藝存在差異，導致這種材料未被全面開發(fā)利用。 此外，由于對新材料的認知匱乏， 且沒有與其相適應的設計準則，使得研究在實踐中獲得的成果較少。

再生瀝青是一種變質的瀝青混合物，材料通常含有老化的瀝青和已使用的骨料等。 由于廢料的回收再利用導致再生瀝青的可變性、強度和剛度有所不足，從而限制了再生瀝青在道路基層中的應用[1]。考慮到再生瀝青作為非約束路面基層材料的性能較差， 通常將它們與天然骨料和水泥外加劑混合。然而， 要確保再生瀝青混合料在道路鋪設中的使用，需要考慮原始骨料（VA）、回收材料和化學穩(wěn)定劑之間的相互作用， 以提高再生瀝青材料的耐久性。 為此，學者們通過實驗對再生瀝青的性質進行了研究。 如：王海峰等[2]為研究膠凝材料對再生瀝青混凝土性能的影響，采用了無側限抗壓強度、劈裂強度、 水穩(wěn)定性及掃描電鏡等對其展開了測試，實驗結果表明，再生瀝青混凝土性能將隨著NaOH 摻量的增加而增強。 陳凱[3]研究分析了不同配比的粉煤灰熱再生瀝青混合料在路用的可行性，通過實驗測定混合料的高溫性能、 低溫性能及疲勞性能，實驗證明，舊摻量小于45%時，粉煤灰可增強瀝青混合料的低溫性，同時將改善混合料的疲勞性，降低對應力的敏感程度。 沈冰等[4]采用標準擊實試驗、SEM 測試等分析了在堿激發(fā)水泥粉煤灰作用下再生瀝青混合料的性能，研究認為堿可激發(fā)粉煤灰的潛在活性，從而促使混合料抗壓強度提升。 吳平等[5]確定了粉煤灰再生瀝青路用性質， 并對混合料進行車轍試驗、 彎曲度及浸水馬歇爾試驗， 證明了20%摻量的粉煤灰會使混合料穩(wěn)定性達到最優(yōu)，在摻量為15%條件下，混合物抗疲勞性最優(yōu)。 前人研究證明再生瀝青路面可以應用于各種路面。 然而，對再生瀝青路面耐久性方面的研究非常有限。 為保障再生瀝青路面在柔性路面中使用的可持續(xù)性， 因此評估再生瀝青路面混合料的耐久性至關重要。

實驗選擇粉煤灰處理后的再生瀝青路面混合料，同時對比使用NaOH 活化和不用NaOH 活化下再生瀝青的耐久性。 該實驗可在道路建設使用中降低自然資源的消耗，并減少城市垃圾與建筑垃圾用量，以達到保護環(huán)境的目的。

2 實驗與方法

2.1 材料

2.1.1 粉煤灰

為探究粉煤灰對瀝青混合料的影響， 收集火電廠粉煤灰為原料， 采用無任何處理的粉煤灰作為實驗材料基礎， 將粉煤灰用作膠凝材料摻入混合物中，并分析RAP-VA 混合物的強度。通過相關實驗對粉煤灰的物理性質進行檢測， 檢測結果如表1 所示。

表1 粉煤灰物理性質

由表1 可知，未經(jīng)處理的粉煤灰穩(wěn)定性為0.3，比重達到2.28，最大干密度（MDD）和最優(yōu)含水率（OMC）對應值分別為1.37 g/cm3和27%。 通過比重計對粉煤灰的粒度分布進行分析，并利用粒度分析儀對比重計分析結果進行交叉驗證，求得粉煤灰的級配。 粒度分析與比重分析結果如圖1 所示。

圖1 粉煤灰粒度分布曲線

采用X 射線熒光光譜儀（XRF）對粉煤灰的化學成分進行分析，化學成分檢測結果列于表2。

表2 粉煤灰化學成分

由表2 可知，粉煤灰中含量最高的是二氧化硅（SiO2），占比達到40.63%，其次是氧化鋁（Al2O3），占比為32.34%，氧化鈣（CaO）、鐵礦石（Fe2O3）和氧化鎂（MgO）占比較少，分別為11.93%、9.61%、1.85%。

2.1.2 氫氧化鈉（NaOH）

本研究采用純度為98.9%的實驗室級氫氧化鈉（NaOH）顆粒，對再生瀝青混合物進行處理。

2.1.3 再生瀝青路面和原始骨料

再生瀝青制作采用某公路路段150～200 mm 厚的舊瀝青層，并對其進行研磨及進一步加工。 為了減少取樣偏差， 從公路路段的4～6 個地點隨機取樣。 原始骨料從采石場獲取。 經(jīng)試驗測量舊瀝青層和原始骨料的比重分別為2.7 和2.6。再生瀝青路面和原始骨料的物理性質如表3 所示。

表3 再生瀝青路面與原始骨料物理性質

圖2 顯示了再生瀝青材料的粒度分布和規(guī)范標準的上限、平均值和下限的級配曲線。

圖2 再生瀝青材料粒度分布曲線

依據(jù) 《公路瀝青路面再生技術規(guī)范（JTG/T 5521-2019）》，確定了再生瀝青材料的粒度分布。 對于用于我國柔性路面基層的材料，其相應級配必須滿足道路運輸和《公路路面基層施工技術細則（JTGT F20-2015）》的要求。 觀察圖2 可知再生瀝青材料的級配不在規(guī)定的范圍內，需要根據(jù)規(guī)范要求對材料進行重新配比，使其符合《公路路面基層施工技術細則（JTGT F20-2015）》的平均級配。

2.2 研究方法

設置2 組RAP 和VA 進行混和， 比例分別為80∶20 和60∶40，再使用20%和30%的粉煤灰分別摻入其中。 同時設置活化組與不活化組，其中進行活化處理的混合物使用2%和4%濃度的NaOH 分別活化。為方便記錄，令F 代表粉煤灰物質。表4 為混合比例及名稱。

表4 混合物成分

3 結果與討論

3.1 壓實試驗

為確定最佳含水量 （OMC） 和最大干密度（MDD）， 以改良普氏法對不同混合料進行壓實試驗。表5 給出了壓實試驗的結果。通過結果可知，隨著粉煤灰用量的增加，混合物的OMC 會增加，其原因在于更細的材料（粉煤灰）增大了混合物的比表面積，因此將吸收更多的水分。 此外，混合物MDD值隨著粉煤灰摻量的增加而減小，這是由于粉煤灰比重相較RAP 含量較小導致。 同時發(fā)現(xiàn)，由于無定形瀝青涂層中RAP 骨料吸收的水較少， 從而造成OMC 會隨著VA 含量的增加而增加。

表5 混合物OMC 和MDD 實測情況

3.2 無側限抗壓強度

為對混合物抗壓強度進行檢測，需制備相關樣品。 設置樣品的OMC 和MDD 值保持一定，以直徑為100 mm、高度為200 mm 對所有混合物一式兩份進行制備。 隨后，澆鑄樣品并將其放置在受控濕度（70%濕度）和溫度（25℃）不變的條件下儲存28 d。為方便記錄， 以I 代表80R∶20V+20F； 以II 代表80R∶20V+30F；以III 代表60R∶40V+20F；以IV 代表60R∶40V+30F。

通過圖3 可知， 當活化劑用量從0%增加到4%時，4 組粉煤灰的無側限抗壓強度（UCS）值均增加，這是由于粉煤灰中存在的SiO2的溶解導致。另外，在激發(fā)劑用量不變條件下，含有30%粉煤灰的混合物強度表現(xiàn)也較為優(yōu)越。 由于VA 與粉煤灰的相互作用， 使得VA 含量從20%增加到40%時，混合物UCS 值出現(xiàn)明顯上升。 當所有混合物養(yǎng)護28 d 后其UCS 值滿足 《公路路面基層施工技術細則（JTGT F20-2015）》的最低強度標準。 結果表明，堿（NaOH）活化對粉煤灰處理的RAP-VA 混合料有明顯的影響。

圖3 不同比例混合物無側限抗壓強度變化情況

3.3 耐久性研究

考慮到處理后的RAP 材料面臨環(huán)境濕度變化影響，實驗模擬并加速該環(huán)境狀況，并分析其耐久性。模擬過程中，將樣品在正常條件下養(yǎng)護28 d，隨后取出樣品并在飲用水中浸泡5 h。 對浸泡后的樣品在70℃烘干42 h，烘干完成后，用鋼絲刷進行擦拭同時敲擊2 次并稱重，以此模擬干濕循環(huán)交替的過程。 實驗共設置12 次干濕循環(huán)交替， 每次循環(huán)后，記錄每個樣品的重量，以此計算出每個循環(huán)后樣品的重量損失。 為檢測干濕循環(huán)后混合物的強度，以無側限抗壓強度測試對進行檢測。

圖4 為連續(xù)干濕循環(huán)下混合物的重量損失。 觀察圖4 可知， 所有混合物的重量損失都小于14%。因為混合料中存在高老化瀝青，導致粉煤灰活性受到了阻礙。 因此，在較高含量（80%）的RAP 和較低含量（2%NaOH）的活化劑作用下，混合物的重量損失相對較高。

圖4 混合物質量損失與干濕循環(huán)次數(shù)

通過UCS 測試結果可知，在干濕循環(huán)后，每個混合物的強度損失非常小。 混合物中：60R∶40V+30F+2N、60R∶40V+20F+2N 和60R∶40V+30F+4N 滿足4.5 MPa 的最低要求強度，這表明這些混合料具有較高的穩(wěn)定性，且符合《公路路面基層施工技術細則（JTGT F20-2015）》的要求。 根據(jù)耐久性研究表明，混合料在養(yǎng)護28 d 后，其抗壓強度滿足4.5 MPa的要求，且在12 次干濕循環(huán)后重量損失小于14%，滿足規(guī)范要求。 因此，可證明該混合料可以用作柔性路面的膠結基層。

4 結論

研究選用不同混合料對其進行了UCS 測試、質量損失測試。 通過實驗結果可知，用堿活化粉煤灰可提高混合物強度，并滿足規(guī)范要求，適用于柔性路面的基層。 在RAP 含量較高時，RAP 中粉煤灰活性低于VA，導致RAP 混合物強度降低。 實驗中所有混合物強度會隨著養(yǎng)護時間的增加而增強。 60R∶40V+30F+2N、60R∶40V+20F+2N 和60R∶40V+30F+4N 混合料具有較高的穩(wěn)定性。