張君毅

(湖南建工交通建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410004)

再生瀝青(RAP)是從已達(dá)到設(shè)計(jì)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(qiáng)度和剛度較低，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果顯示，RAP的7 d單軸抗壓強(qiáng)度低于路面基層材料的強(qiáng)度要求。而粉煤灰(FA)可提高砼的無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(xù)路面材料的可行性。

1 材料和方法

1.1 材料

(1)RAP。風(fēng)干RAP的級(jí)配見圖1。通過X光熒光(XRF)、X光衍射(XRD)分析RAP的化學(xué)和礦物組成，X光熒光光譜分析結(jié)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(jié)果[見圖2(a)]表明RAP中主要化學(xué)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(yīng)，增強(qiáng)火山灰反應(yīng)。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(guī)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(xué)組成，結(jié)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(nèi)檢測(cè)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(xì)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(fēng)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(nèi)，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(fēng)干1 h。浸泡過程中，每1 h測(cè)量28 d固化樣品的吸水率。對(duì)樣品進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

1.3 干濕循環(huán)試驗(yàn)

選擇28 d的樣品進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，在室溫下浸入飲用水5 h，然后在70 ℃烘箱中干燥42 h，并風(fēng)干1 h，此為一個(gè)干濕循環(huán)(48 h)。在每個(gè)干濕循環(huán)周期稱重，記錄樣品的質(zhì)量損失。在目標(biāo)干濕循環(huán)中，樣品再次浸入水中2 h，風(fēng)干至少1 h后在1、3、6、9、12、15、20個(gè)干濕循環(huán)時(shí)測(cè)量樣品的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并與沒有進(jìn)行干濕循環(huán)的樣品進(jìn)行比較，分析干濕循環(huán)對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。

用XRD和SEM觀測(cè)RAP-FA混合物樣品的微觀結(jié)構(gòu)變化，分析干濕循環(huán)前后礦物學(xué)和顯微結(jié)構(gòu)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(jìn)行SEM分析；另一部分經(jīng)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(fā)射光譜法對(duì)100% RAP(不含F(xiàn)A)和RAP-FA混合物進(jìn)行不同類型重金屬的毒性浸提過程(TCLP)測(cè)試，確定固體廢物是否有害。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖4為壓實(shí)的RAP-FA混合物的干密度和含水量之間的關(guān)系。由圖4可知：100% RAP的干密度對(duì)含水量不敏感，RAP-FA混合物的干密度對(duì)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(shí)曲線相似，說明高達(dá)30%的粉煤灰添加量對(duì)RAP-FA混合物的壓實(shí)度影響不大。

圖4 純RAP和RAP-FA混合物的壓實(shí)結(jié)果

圖5為RAP-FA混合物(20%FA和30%FA)在7、28 d時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。由圖5可知：隨著固化時(shí)間的延長，RAP-FA 混合物的抗壓強(qiáng)度增大；RAP+20%FA和RAP+30%FA混合料的7 d抗壓強(qiáng)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(qiáng)度

RAP+20% FA混合物的強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見圖6，室溫下固化28 d時(shí)質(zhì)量損失與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見圖7，干濕循環(huán)對(duì)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(zhì)量損失在第一個(gè)干濕循環(huán)內(nèi)顯著增大，之后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大；干濕循環(huán)20次時(shí)，RAP+20%FA混合物出現(xiàn)宏觀裂紋和表面劣化，導(dǎo)致強(qiáng)度損失。在干濕循環(huán)6次后強(qiáng)度降低，但其20 d循環(huán)抗壓強(qiáng)度仍滿足最低強(qiáng)度要求，RAP+20%FA混合物在經(jīng)受干濕循環(huán)時(shí)表現(xiàn)出相當(dāng)好的耐久性。

圖6 RAP+20%FA混合物的強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖7 RAP+20%FA混合物的質(zhì)量損失與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖8 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的RAP+20%FA混合物

2.2 礦物學(xué)和顯微結(jié)構(gòu)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(huán)時(shí)，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(zhì)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(shí)形成的，F(xiàn)A的高含量二氧化硅、氧化鋁與RAP的高含量鈣之間的化學(xué)反應(yīng)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(duì)強(qiáng)度發(fā)展有利。干濕循環(huán)6次時(shí)，對(duì)應(yīng)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(jìn)行水-固試驗(yàn)可增強(qiáng)水泥產(chǎn)品(C—As—H)，即溫度升高導(dǎo)致水泥材料的水分?jǐn)U散更快，從而使水泥硬化。而干濕循環(huán)次數(shù)大于6次時(shí)的情況并非如此。溫度影響水的物理性質(zhì)(密度和表面張力)，并導(dǎo)致與鈣礬石溶解和C—S氫蝕變有關(guān)的孔隙結(jié)構(gòu)變大。樣品經(jīng)受12次干濕循環(huán)時(shí)，鈣礬石的存在及鈣長石和透輝石礦物的強(qiáng)度降低。鈣礬石是一種含水礦物，在潤濕時(shí)表現(xiàn)出膨脹行為，使RAP-FA混合物存在潛在的體積不穩(wěn)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(jié)論

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

(2)干濕循環(huán)次數(shù)小于6次時(shí)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，RAP+20%FA混合物的無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(xué)反應(yīng)導(dǎo)致C—S—H和C—A—H的生長；干濕循環(huán)次數(shù)大于6次時(shí)，強(qiáng)度減少，這是由于干燥階段水分含量損失產(chǎn)生大裂紋而使強(qiáng)度降低。但即使在干濕循環(huán)6次后強(qiáng)度降低，其20 d循環(huán)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍高于最低強(qiáng)度要求。

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