粉煤灰作為可持續路面材料的穩定再生瀝青路面研究

張君毅

(湖南建工交通建設有限公司，湖南 長沙 410004)

再生瀝青(RAP)是從已達到設計壽命的道路中提取的廢瀝青中獲得的，它含有3%～7%的瀝青黏合劑和93%～97%的骨料，是理想的路面再生材料，被用作路面基層/底基層材料。但RAP的強度和剛度較低，相關試驗結果顯示，RAP的7 d單軸抗壓強度低于路面基層材料的強度要求。而粉煤灰(FA)可提高砼的無側限抗壓強度和彈性模量。該文研究將粉煤灰和再生瀝青路面混合物作為可持續路面材料的可行性。

1 材料和方法

1.1 材料

(1)RAP。風干RAP的級配見圖1。通過X光熒光(XRF)、X光衍射(XRD)分析RAP的化學和礦物組成，X光熒光光譜分析結果表明RAP中主要礦物成分為方解石-鎂和白云石，X光衍射光譜分析結果[見圖2(a)]表明RAP中主要化學成分為41.93%的氧化鈣和36.18%的氧化鎂。RAP中的高氧化鈣可與粉煤灰中的二氧化硅和氧化鋁反應，增強火山灰反應。通過掃描電子顯微鏡(SEM)分析獲得的無定形瀝青黏合劑覆蓋的不規則形狀的RAP顆粒見圖3(a)。

(2)粉煤灰。由激光顆粒分析儀獲得的FA粒度分布見圖1。FA的比重為2.50。使用XRD分析FA的化學組成，結果見圖2(b)。粉煤灰主要由40.13%的二氧化硅、20.51%的三氧化二鋁、5.83%的三氧化二鐵和12.45%的氧化鈣組成，在衍射角15°～40°內檢測到主要非晶相的峰，包括硫酸鈣、石英、方解石、多晶和赤鐵礦。如圖3(b)所示，不同尺寸的粉煤灰顆粒呈細小的球形。

圖1 RAP和FA的粒度分布

Cm為方解石；D為白云石；A為硫酸鈣；C為方解石；Q為石英；M為多晶體；H為赤鐵礦

圖3 RAP和FA的掃描電鏡照片

1.2 樣品制備

先將風干5 min的RAP和FA 混合，再與水混合5 min確保均勻，得到RAP-FA混合物。將該混合物放在圓柱形模具(直徑101.6 mm，高度116.3 mm)中，包裹在乙烯基片內，然后在室溫(20～25 ℃)下分別固化7和28 d。將固化后的樣品在水中浸泡2 h，之后風干1 h。浸泡過程中，每1 h測量28 d固化樣品的吸水率。對樣品進行無側限抗壓強度試驗，測定其無側限抗壓強度。

1.3 干濕循環試驗

選擇28 d的樣品進行干濕循環試驗，在室溫下浸入飲用水5 h，然后在70 ℃烘箱中干燥42 h，并風干1 h，此為一個干濕循環(48 h)。在每個干濕循環周期稱重，記錄樣品的質量損失。在目標干濕循環中，樣品再次浸入水中2 h，風干至少1 h后在1、3、6、9、12、15、20個干濕循環時測量樣品的無側限抗壓強度，并與沒有進行干濕循環的樣品進行比較，分析干濕循環對無側限抗壓強度的影響。

用XRD和SEM觀測RAP-FA混合物樣品的微觀結構變化，分析干濕循環前后礦物學和顯微結構變化。從樣品的破碎部分取出小碎片并分成兩部分，將一部分浸入液氮中5 min，然后在-195 ℃下冷凍，進行SEM分析；另一部分經空氣干燥，加工成小于75 μm的粉末，用于XRD分析。使用電感耦合等離子體-光發射光譜法對100% RAP(不含FA)和RAP-FA混合物進行不同類型重金屬的毒性浸提過程(TCLP)測試，確定固體廢物是否有害。

2 試驗結果與分析

2.1 無側限抗壓強度

圖4為壓實的RAP-FA混合物的干密度和含水量之間的關系。由圖4可知：100% RAP的干密度對含水量不敏感，RAP-FA混合物的干密度對含水量敏感；最大干密度隨著FA添加量的增加而增大，但RAP+20%粉煤灰和RAP+30%粉煤灰混合料的壓實曲線相似，說明高達30%的粉煤灰添加量對RAP-FA混合物的壓實度影響不大。

圖4 純RAP和RAP-FA混合物的壓實結果

圖5為RAP-FA混合物(20%FA和30%FA)在7、28 d時的無側限抗壓強度。由圖5可知：隨著固化時間的延長，RAP-FA 混合物的抗壓強度增大；RAP+20%FA和RAP+30%FA混合料的7 d抗壓強度均高于純RAP。

圖5 RAP+20%FA和RAP+30%FA混合物的7、28 d抗壓強度

RAP+20% FA混合物的強度與干濕循環次數的關系見圖6，室溫下固化28 d時質量損失與干濕循環次數的關系見圖7，干濕循環對RAP+20%FA混合物外表面的影響見圖8。從圖6～8可以看出：RAP+20%FA混合物的質量損失在第一個干濕循環內顯著增大，之后隨著干濕循環次數的增加逐漸增大；干濕循環20次時，RAP+20%FA混合物出現宏觀裂紋和表面劣化，導致強度損失。在干濕循環6次后強度降低，但其20 d循環抗壓強度仍滿足最低強度要求，RAP+20%FA混合物在經受干濕循環時表現出相當好的耐久性。

圖6 RAP+20%FA混合物的強度與干濕循環次數的關系

圖7 RAP+20%FA混合物的質量損失與干濕循環次數的關系

圖8 不同干濕循環次數下的RAP+20%FA混合物

2.2 礦物學和顯微結構的變化

RAP+20%FA混合物在不同溫度下的XRD圖譜見圖9。

由圖9可知：無干濕循環時，RAP+20%FA混合物包含作為RAP中主要礦物的鈣鎂非晶相及新的水泥質礦物(二氧化硅和氧化鋁)，如鈣長石、透輝石、菱鎂礦和鈣礬石。這些新礦物是在RAP與FA混合時形成的，FA的高含量二氧化硅、氧化鋁與RAP的高含量鈣之間的化學反應形成硅酸鈣水合物(C—S—H)和鋁酸鈣水合物(C—A—H)，類似于水泥的水合作用，對強度發展有利。干濕循環6次時，對應于鈣長石、透輝石和菱鎂礦的峰增大，表明Cs—H和C—Ar—H增加。在70 ℃下干燥進行水-固試驗可增強水泥產品(C—As—H)，即溫度升高導致水泥材料的水分擴散更快，從而使水泥硬化。而干濕循環次數大于6次時的情況并非如此。溫度影響水的物理性質(密度和表面張力)，并導致與鈣礬石溶解和C—S氫蝕變有關的孔隙結構變大。樣品經受12次干濕循環時，鈣礬石的存在及鈣長石和透輝石礦物的強度降低。鈣礬石是一種含水礦物，在潤濕時表現出膨脹行為，使RAP-FA混合物存在潛在的體積不穩定性。

Cm為方解石；E為鈣礬石；An為鈣長石；L為菱鎂礦；Di為輝透石；D為白云石

3 結論

(1)壓實的RAP-FA混合物的7 d 無側限抗壓強度滿足基層強度要求。FA替代率超過20%時，RAP-FA混合物的無側限抗壓強度改變不明顯，20%為FA最佳摻量。

(2)干濕循環次數小于6次時，隨著干濕循環次數的增加，RAP+20%FA混合物的無側限抗壓強度增大，這是由于RAP中高含量的氧化鈣與FA中高含量的二氧化硅、氧化鋁之間的化學反應導致C—S—H和C—A—H的生長；干濕循環次數大于6次時，強度減少，這是由于干燥階段水分含量損失產生大裂紋而使強度降低。但即使在干濕循環6次后強度降低，其20 d循環無側限抗壓強度仍高于最低強度要求。

(3)從環境的角度來看，RAP-FA混合物不會造成重大的環境風險，可安全地用于路面基層。且回收材料的使用能節能，減少溫室氣體排放。