顏可珍，楊坤，陳冠名，黃順欣

（湖南大學土木工程學院，湖南長沙 410082）

瀝青路基路面在服務期內(nèi)損壞或者達到設計年限已經(jīng)無法滿足正常使用要求，就需要進行維修改建.舊的瀝青路面經(jīng)過破碎處理，可以作為黑色再生集料，配合相應的冷再生工藝，在路基路面中重新攤鋪利用［1-2］.盡可能多地使用再生集料，不僅節(jié)約資源，還解決了大量廢舊路面材料難以處理的問題.乳化瀝青冷再生混合料雖然在不同等級的公路中均有應用，但是在不同的國家，卻面臨著諸多類似的問題，譬如較低的早期強度、較長的養(yǎng)護時間、容易開裂等.在中國，常見的解決辦法為在混合料中添加各種輔助性膠結材料或者礦物填料，例如水泥、粉煤灰、硅灰、礦渣等，用于改善路面結構的早期強度、高溫性能、水穩(wěn)性能.

稻殼灰是一種生物質(zhì)灰，主要成分是未充分燃燒的碳元素和無定形SiO2，具有微觀多孔結構，其中含有大量納米尺度的孔隙，比表面積高達50～100 m2∕g，這是其低密度且具有高吸附能力的重要原因之一［3］.當無定形硅的質(zhì)量分數(shù)較高時，得益于良好的微集料填充效應和類似的火山灰效應，稻殼灰可以作為輔助性膠凝材料被用于水泥混凝土和瀝青混合料中［4-5］.總結Arabani 等［6］和Han 等［7］的成果發(fā)現(xiàn)，作為改性劑，稻殼灰可以顯著改善瀝青材料的高溫性能及流變特性.Al-hdabi 等［8］將以稻殼灰作為填料的瀝青混合料與添加普通硅酸鹽水泥的瀝青混合料試驗結果進行對比，發(fā)現(xiàn)稻殼灰能明顯提高瀝青混合料的力學性能、水穩(wěn)定性和耐久性.與粉煤灰、硅灰和礦渣等填料相比，稻殼灰具有生產(chǎn)量大、價格低廉的優(yōu)勢.近年來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術的進步，稻谷的產(chǎn)量逐年提升，同時剩余的稻殼也逐年增多.由于稻殼灰在自然條件下難以被微生物徹底分解，會對環(huán)境造成污染，因此稻殼灰在實際生產(chǎn)生活中的回收再利用逐漸成為許多科研工作者的研究方向.

本文主要采用間接拉伸試驗、低溫劈裂試驗、高溫車轍試驗和凍融劈裂試驗對稻殼灰加入乳化瀝青冷再生瀝青混合料中的各項性能進行測試和研究，并且采用電鏡掃描和EDX能譜實驗對稻殼灰的微觀結構和元素成分進行分析.

1 試驗材料

試驗使用的是600～800 ℃高溫燃燒后的稻殼灰，外觀如圖1所示，顏色呈灰白色.

圖1 稻殼灰表觀形態(tài)Fig.1 Apparent morphology of rice husk ash

電鏡掃描和EDX能譜分析得到了稻殼灰的微觀結構和主要成分，采用的設備是電鏡掃描儀S4800，分別如圖2、圖3 和表1 所示.通過2 000 倍和5 000倍電鏡掃描的成像分析發(fā)現(xiàn)，稻殼灰比表面積大，孔隙率較高.而EDX 元素峰譜則說明稻殼灰的主要成分是SiO2，原樣稻殼中的C 元素轉(zhuǎn)化成大量的CO2和CO，散播到空氣中.

圖2 稻殼灰微觀結構Fig.2 Microstructure of rice husk ash

圖3 稻殼灰元素峰譜Fig.3 Element peak spectrum of rice husk ash

表1 稻殼灰主要元素組成Tab.1 Main elements of rice husk ash

再生集料來自湖南長沙的繞城高速公路，路面銑刨料在工廠經(jīng)過初次破碎后運抵實驗室按照試驗要求進行篩分，從再生集料中抽提出來的舊瀝青的物理性質(zhì)如表2所示.

表2 舊瀝青物理指標Tab.2 Physical index of old asphalt

乳化瀝青制作步驟如下：1）首先將慢裂陽離子乳化劑加入純凈水中，混入2 g 的鹽酸調(diào)節(jié)pH，保持皂液的溫度約為65 ℃；2）然后將加熱到140 ℃的70號基質(zhì)瀝青與皂液，一邊倒入膠體磨中一邊攪拌，約1.5 min 制得乳化瀝青.乳化瀝青中基質(zhì)瀝青、水和乳化劑的比例分別約為63%、34%和2.5%.各項性能指標如表3所示.

表3 乳化瀝青物理指標Tab.3 Physical index of emulsified asphalt

礦粉使用的是普通的石灰?guī)r粉.水泥的等級是P·C42.5.新的集料被加入混合料中，與再生集料的比例約為1∶4，用于解決再生集料中粗顆粒較少的問題，增加集料間的摩阻力.試驗材料均符合《公路瀝青路面再生技術規(guī)范》（JTGT 5521—2019）［9］的要求.稻殼灰和礦粉的篩分試驗結果如表4所示.

表4 稻殼灰（礦粉）篩分試驗結果Tab.4 Results of rice husk ash screening test（mineral powder）

2 混合料配合比設計及路用性能試驗

2.1 配合比設計

由于各國不同地區(qū)工程級配范圍有較大差異，本次試驗根據(jù)湖南省工程情況以及再生規(guī)范進行設計［9］，最終確定級配為中粒式.如圖4所示.

圖4 級配范圍Fig.4 Grading range

在配制乳化瀝青冷再生混合料的時候，需要考慮流體質(zhì)量分數(shù)的影響.而流體質(zhì)量分數(shù)同時包括含水量和乳化瀝青質(zhì)量分數(shù).含水量過少，集料之間沒有充分的潤滑作用，難以相互嵌擠在一起，粗細集料分散不均勻，無法形成密實骨架.含水量過多，超出材料的吸水能力，多余的水分溢出會流失部分細集料顆粒，增加試件的空隙率.而確定最佳乳化瀝青質(zhì)量分數(shù)的意義在于待乳化瀝青充分破乳，在骨料之間形成的膠結作用是試件強度的主要來源.乳化瀝青的質(zhì)量分數(shù)過少，不能將骨料充分膠結在一起，骨料之間會存在沒有瀝青包裹的間隙.這些間隙在試件承受外部荷載的時候強度較低，容易成為裂縫發(fā)展的起點.乳化瀝青的質(zhì)量分數(shù)過多，試件的一些部位瀝青膜厚度較大，骨料無法很好地嵌擠在一起，形成具有穩(wěn)定支撐作用的骨架，容易產(chǎn)生滑移，造成試件的變形.

利用土工擊實試驗的方法來確定混合料的最佳含水量［10］.分別按照新集料、再生料、礦粉（稻殼灰）和水泥總質(zhì)量的1.5%、2.5%、3.5%、4.5%和5.5%的含水量進行試驗，乳化瀝青保持4%不變，就能得到試件的最大干密度.計算干密度ρb的公式如下：

式中：ρb為試件的干密度，g∕cm3；V為試件的體積，cm3；W為壓實后的試件含水量，%；M為壓實后的試件質(zhì)量，g.

采用干濕劈裂強度比來確定最佳乳化瀝青質(zhì)量分數(shù).保持最佳含水量不變，乳化瀝青質(zhì)量分數(shù)從3%依次遞增到5%，測得劈裂強度和浸水劈裂強度，計算浸水劈裂強度比.浸水試驗方法為將試件在25 ℃水箱中浸泡23 h，再放到15 ℃水箱中浸泡1 h，然后進行劈裂強度測試.

參考再生規(guī)范，混合料中礦粉（稻殼灰）等外加填料的摻量不宜超過集料質(zhì)量的5%，水泥等活性添加劑的質(zhì)量分數(shù)不超過1.5%.本次將稻殼灰作為替代礦粉的填料加入冷再生混合料中，分別為新集料和再生料質(zhì)量和的1%、2%、3%、4%和5%這5 個摻量比，水泥控制為1%保持不變.混合料在常溫下進行拌合，不需要對攪拌機和材料進行加熱，拌合過程首先對粗骨料進行濕潤，然后加入細骨料和水，滿足最佳含水量的要求，再加入乳化瀝青攪拌約1 min，使乳化瀝青能夠均勻裹覆在集料表面，最后加入水泥和礦粉（稻殼灰），攪拌1.5 min.

2.2 混合料體積參數(shù)

冷再生瀝青混合料添加不同的礦物及非礦物填料，對壓實試件的密實度以及空隙率會有一定程度的影響.因此，測定不同稻殼灰（礦粉）摻量標準馬歇爾試件的空隙率非常重要.

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）［11］中T0705 和T0711 的方法，計算空隙率的公式如下：

式中：Vv為空隙率，%；ρb為干密度，g∕cm3；ρm為最大理論密度，g∕cm3.

2.3 路用性能試驗

間接拉伸強度（Indirect Tensile Strength，ITS）試驗使用的是路面強度試驗儀，主要用于測定瀝青混合料在規(guī)定溫度和加載速率下劈裂破壞或處于彈性階段時的受力狀態(tài)和強度［11］.將對照組和實驗組分別進行測試，試驗溫度為（15±0.5）℃，加載速度為50 mm∕min，記錄測量數(shù)據(jù).公式如下：

式中：RT為試件的劈裂強度值，MPa；PT為試驗測量值，N；h為試件高度，mm.

瀝青路面在反復承受車輪動態(tài)荷載的條件下，孔隙中的水產(chǎn)生動態(tài)壓力和真空抽吸作用，進入瀝青和集料接觸界面，降低瀝青黏結力，致使瀝青從集料表面剝離脫落，最終導致路面結構產(chǎn)生凹槽、變形等損害的現(xiàn)象，稱為水損害［12-13］.在規(guī)定條件下對瀝青混合料進行凍融循環(huán)，測定混合料試件在受到水損害前后劈裂破壞的強度比，以評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性［11］.凍融劈裂試驗強度比計算公式如下：

式中：TSRFreeze-thaw為凍融劈裂強度比；Pi為第i組試驗的荷載值，N；分別為1、2 組間接拉伸強度，MPa；為第i組經(jīng)凍融循環(huán)的間接拉伸強度，MPa；hi為第i組試件高度，mm.

瀝青本身屬于黏彈性材料，它的物理性能受到溫度和車輛荷載的雙重影響.溫度升高，瀝青的黏滯力降低，容易發(fā)生流動.為了模擬瀝青路面在實際工程應用中的環(huán)境條件，采用車轍試驗來評價它的高溫穩(wěn)定性［14-15］.在規(guī)定的溫度及荷載條件下，測定試驗輪往返行走所形成的車轍變形速率，每產(chǎn)生1 mm變形的行走次數(shù)即為動穩(wěn)定度（Dynamic Stability，DS）.計算公式如下：

式中：DS為動穩(wěn)定度，次∕mm；d1、d2分別為45 min、60 min 的變形值，mm；C1為試驗機類型系數(shù)；C2為試件系數(shù)；變形達到25 mm時的時間為t2，其前15 min為t1.

瀝青自身的高低溫性質(zhì)差異很大，在溫度較低的環(huán)境中，瀝青的流動性變差，混合料試件的低溫抗開裂能力會逐漸降低.對試件進行低溫狀態(tài)下抗開裂的試驗分析是瀝青混合料綜合性能評價中不可缺少的一部分［16］.評價低溫性能更適合采用低溫劈裂試驗，在加載過程中，混合料試件一旦開裂，便會失去承載能力，荷載壓力值也會迅速下降.與常溫試驗不同的是，低溫劈裂控制試驗溫度為-10 ℃，加載速度為1 mm∕min.計算公式如下：

式中：RT-lowtemperature為低溫劈裂強度值，MPa；PT-lowtemperature為試驗最大張力值，N；h為試件高度，mm.

3 試驗結果與分析

3.1 最佳含水量和最佳乳化瀝青質(zhì)量分數(shù)的確定

冷再生混合料最佳含水量的數(shù)據(jù)結果如圖5 所示.混合料的干密度首先隨著含水量的增加而增加，呈現(xiàn)緩慢遞增的曲線，材料表現(xiàn)出一定的吸水能力.當含水量增加到一定值時，混合料的干密度達到峰值，含水量繼續(xù)增加，干密度反而降低.原因可能是水分繼續(xù)增加，超出材料本身的吸水能力，溢出的水反而帶走混合料中的細集料顆粒.當干密度達到最大值時，對應的含水量就是最佳含水量［17］.經(jīng)過二項式擬合計算，各個稻殼灰摻量對應的最佳含水量分別約為3.72%、3.83%、3.96%、4.09%、4.17%.由于礦粉的密度較稻殼灰大，體積變化不明顯，添加礦粉作為填料的對照組含水量控制為3.72%，保持不變.

圖5 不同稻殼灰摻量的混合料干密度Fig.5 Optimum water content with different RHA content

圖6 和圖7 表明，乳化瀝青質(zhì)量分數(shù)逐漸增加，破乳后在集料表面的裹覆面積會逐漸增大，集料之間的膠結作用會逐漸增強，因此劈裂強度也呈逐漸上升的趨勢.試件的劈裂強度達到峰值之后，繼續(xù)增加乳化瀝青的質(zhì)量分數(shù)，會導致馬歇爾試件局部瀝青膜的厚度增加，反而會降低試件的劈裂強度.將干濕劈裂強度比進行二項式擬合計算，得到最佳乳化瀝青質(zhì)量分數(shù)約為4.4%.

圖6 不同乳化瀝青質(zhì)量分數(shù)的間接拉伸強度Fig.6 Indirect tensile strength of different emulsified asphalt content

圖7 不同乳化瀝青質(zhì)量分數(shù)的干濕劈裂強度比Fig.7 Dry-wet strength ratio of different emulsified asphalt content

3.2 混合料試件空隙率

對不同摻量下標準馬歇爾試件的空隙率進行測定的數(shù)據(jù)結果如圖8 所示，隨著稻殼灰（礦粉）摻量的增加，混合料的空隙率呈逐漸降低的趨勢，由于礦粉的密度大于稻殼灰，同等質(zhì)量分數(shù)下的稻殼灰體積大于礦粉，因此可以得出結論：稻殼灰作為填料的混合料試件密實度更好.

圖8 標準馬歇爾試件的空隙率Fig.8 Porosity of standard Marshall specimen

3.3 路用性能試驗結果與分析

間接拉伸強度試驗的結果如圖9所示：

圖9 不同稻殼灰（礦粉）摻量混合料的間接拉伸強度Fig.9 ITS of mixture with different content of rice husk ash（mineral powder）

1）在摻量不超過3%的情況下，稻殼灰摻量的增加對馬歇爾試件的間接拉伸強度有所提升.摻量大于3%，間接拉伸強度可能呈逐漸降低的趨勢.

2）礦粉摻量的提高對馬歇爾試件的間接拉伸強度有明顯提升，但在摻量超過4%之后，試件的間接拉伸強度有所回落，這與規(guī)范中礦粉等填料不能超過5%的要求保持一致.

分析原因，稻殼灰作為填料加入混合料中，得益于其非常大的比表面積和空隙率，與瀝青一起形成網(wǎng)狀結構，能夠迅速吸收乳化瀝青中的水分，促進破乳進而提高試件的強度.但是稻殼灰的摻量不宜過大，否則會破壞試件的骨架結構.

低溫的試驗結果如圖10 所示.隨著稻殼灰和礦粉摻量的增加，低溫劈裂強度逐漸降低，不過添加礦粉的馬歇爾試件強度會略高于添加稻殼灰的.本試驗中，添加礦粉的試件即便摻量達到5%，低溫劈裂強度依然可以維持在2.0 MPa以上；添加稻殼灰的試件在摻量超過3%以后，低溫劈裂強度逐漸降低到2.0 MPa 以下.因此考慮3%作為添加稻殼灰作為填料的摻量上限.瀝青在低溫條件下不容易有高強度的抗拉表現(xiàn)，稻殼灰或者礦粉在混合料中的比例逐漸增加時，瀝青與集料形成網(wǎng)狀結構之后瀝青中間的灰質(zhì)成分增加，會降低混合料試件低溫劈裂強度.

圖10 不同稻殼灰（礦粉）摻量下混合料的低溫劈裂強度Fig.10 Low temperature ITS of mixture with different content of rice husk ash（mineral powder）

凍融劈裂的試驗結果如圖11和圖12所示.隨著稻殼灰摻量的增加，混合料試件凍融TSR 逐漸降低，呈現(xiàn)一條單調(diào)下降的曲線，這說明添加稻殼灰作為填料不利于冷再生混合料的水穩(wěn)定性.而當?shù)V粉加入混合料中作為填料時，隨著摻量的增加，混合料的水穩(wěn)定性先小幅提高再趨于穩(wěn)定.原因可能是礦粉加入冷再生混合料中，降低了結構的空隙率，水分難以侵入瀝青和集料的黏結界面，使得瀝青不易從集料表面剝離，從而提高了試件抵抗水損害的能力.

圖11 不同稻殼灰摻量的凍融劈裂強度、凍融劈裂強度比Fig.11 Freeze-thaw splitting strength and its ratio with different rice husk ash content

圖12 不同礦粉摻量的凍融劈裂強度、凍融劈裂強度比Fig.12 Freeze-thaw splitting strength and its ratio with different mineral powder content

高溫車轍試驗的數(shù)據(jù)結果如圖13 所示，試件的動穩(wěn)定度隨著稻殼灰和礦粉摻量的增加而逐漸提高，呈現(xiàn)單調(diào)上升的趨勢.表明稻殼灰和礦粉作為填料均可以顯著提高混合料試件在高溫下的性能表現(xiàn)，甚至稻殼灰作為填料可能優(yōu)于礦粉.稻殼灰在混合料試件中能夠增加瀝青結構的黏滯性，同時減小路面結構的變形，增加其承受荷載的能力.

圖13 不同稻殼灰（礦粉）摻量下的動穩(wěn)定度Fig.13 Dynamic stability with different content of rice husk ash（mineral powder）

4 結論

本文主要研究了稻殼灰替代礦粉作為填料加入乳化瀝青冷再生混合料中做道路基層時的各項性能表現(xiàn).得出如下結論：

1）稻殼灰的主要成分是SiO2，具有多孔無定形結構和較大的比表面積，作為填料加入再生路面中有很好的微集料填充效應和類似的火山灰效應.

2）考慮到低溫性能和水穩(wěn)性能，稻殼灰作為填料不應超過集料以及其他填料質(zhì)量和的3%.與礦粉相比，稻殼灰加入冷再生混合料中可以改善結構的高溫性能和力學性能.

3）稻殼灰加入冷再生混合料中對試件的抗水損害性能有不利影響.

綜上所述，在干旱非嚴寒地區(qū)，稻殼灰作為填料加入乳化瀝青冷再生混合料中是可行的.