再生瀝青路面骨料堿活性混凝土砌塊制備技術(shù)研究

趙曉荷

（會(huì)寧縣縣鄉(xiāng)公路養(yǎng)護(hù)站，甘肅 白銀 730799）

再生瀝青路面（RAP）是在現(xiàn)有劣化瀝青路面結(jié)構(gòu)銑刨過程中產(chǎn)生的，它由裹附著老化瀝青的碎骨料組成。粗略統(tǒng)計(jì)，全世界每年都有數(shù)百萬噸的RAP 產(chǎn)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(wěn)定基層材料或作為無粘結(jié)基層材料，但仍有大量未使用RAP 直接丟棄在垃圾填埋場(chǎng)，不僅占用資源，造成資源浪費(fèi)，而且還污染環(huán)境。因此，為了充分利用RAP，本文嘗試用RAP 替代原碎骨料，開發(fā)堿活性RAP 混凝土攤鋪機(jī)砌塊（AARCPB）。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 材料

用于生產(chǎn)AARCPB 的原材料包括粉煤灰（FLA）、磨細(xì)高爐礦渣（GGBS）、天然粗骨料（NCA）、天然細(xì)骨料（NFA）、再生瀝青粗骨料（CRAA）、再生瀝青細(xì)骨料（FRAA）。用于堿性活化的化學(xué)品是純度為99%的分析級(jí)NaOH 顆粒和Na2SiO3溶膠，Na2O=14.7%，SiO2=29.4%，H2O=55.9%。FLA 由燃煤發(fā)電站提供，GGBS 從某水泥有限公司獲得，原始骨料從當(dāng)?shù)夭墒瘓?chǎng)獲得，RAP 則從某國(guó)道上獲得，且用4.75mm 篩分進(jìn)一步分離粗粒和細(xì)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，F(xiàn)RAA

1.2 配合比

為了研究RAP 骨料在AARCPB 中應(yīng)用的可行性，對(duì)混凝土混合料進(jìn)行配比設(shè)計(jì)，大多數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變，RAP 的替換按重量計(jì)，見表1。AARCPB 配比主要參數(shù)包括NaOH 溶膠的摩爾濃度、堿液與結(jié)合料含量的比率、Na2SiO3溶膠的比率。在NaOH 溶膠中，F(xiàn)LA 和GGBS 占結(jié)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(chǎn)

AARCPB 試樣在內(nèi)部尺寸為200mm×100mm×60mm 的鋼模具中制備，每種試驗(yàn)做三個(gè)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(xù)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(shí)，然后在振動(dòng)臺(tái)上振搗45s，所有試件在室溫下風(fēng)干7d 和28d，制備的AARCPB 如圖2 所示。

圖2 AARCPB制備和測(cè)試

1.4 試驗(yàn)方案

使用不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)NCA、NFA、CRAA 和FRAA進(jìn)行了測(cè)試。這些試驗(yàn)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(xué)技術(shù)對(duì)FLA 和GGBS 進(jìn)行了表征。根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)制性試驗(yàn)，對(duì)研制的AARCPB 進(jìn)行了吸水率、抗壓強(qiáng)度和耐磨性試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 材料性能

表2 列出了原材料的化學(xué)成分。對(duì)于FLA，結(jié)合的SiO2、Al2O3和Fe2O3大于70%，70.5%的FLA顆粒小于45mm。對(duì)于GGBS，質(zhì)量比（CaO+MgO）/（SiO2）應(yīng)超過1.0，硫含量不應(yīng)超過2.5%，在45mm篩網(wǎng)上保留的細(xì)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(jié)合料，RAP 中結(jié)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(shù)（即93%～97%），RAP 的總體化學(xué)成分或多或少與天然骨料相似。將RAP 的XRF 結(jié)果與NCA 和NFA（見表2）進(jìn)行比較，可以觀察到所有骨料的化學(xué)成分大同小異。

表2 原材料化學(xué)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?yàn)樵偕橇现写嬖诶匣癁r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(duì)于骨料的質(zhì)量要求較低，由表3 可知，NCA 的耐磨性和抗沖擊性略優(yōu)于CRAA。

表3 天然和再生骨料特性

由于結(jié)合料的存在，結(jié)合料使細(xì)骨料顆粒團(tuán)聚，而研磨操作導(dǎo)致較大的骨料顆粒以較小的尺寸破碎，因此，NFA 比FRAA 細(xì)，NCA 比CRAA 粗。從材料的掃描電鏡顯微照片來看，F(xiàn)LA 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(xì)的FLA 粒子占據(jù)，F(xiàn)LA 顆粒具有典型的微珠性質(zhì)。GGBS 顯示了光滑表面的角粒子，細(xì)小的GGBS 顆粒粘附在較大尺寸的顆粒上。CRAA 質(zhì)地粗糙，主要是由于老化瀝青表面附著有非常細(xì)的粉塵顆粒。而FRAA 比較光滑，表面存在不規(guī)則顆粒。

2.2 坍落度試驗(yàn)

從坍落度試驗(yàn)結(jié)果來看，R0 混合料的容積密度和坍落度達(dá)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，F(xiàn)RAA 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(xì)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(jī)砌塊的吸水率是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它反映了硬化漿體中的孔隙結(jié)構(gòu)，較高的吸水率會(huì)影響攤鋪機(jī)砌塊的耐久性，因?yàn)樗鼈兏菀资艿讲涣纪獠课镔|(zhì)的侵蝕。因此，將單個(gè)試樣的吸水率最大值限制為7%，三個(gè)試樣的平均值最大為6%。攤鋪機(jī)砌塊老化7d 和28d 后結(jié)果表明，隨著混合料中RAP 的增加，吸水值降低。在7d 時(shí)，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(shí)，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(shí)吸水率降低，表明硬化漿體隨著時(shí)間的推移而改善。這種改進(jìn)是由于FLA 和GGBS 的堿性活化反應(yīng)產(chǎn)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(duì)于包含RAP 的攤鋪機(jī)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(jī)砌塊在110℃烘箱中加熱時(shí)，瀝青熔化，占據(jù)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(qiáng)度

攤鋪機(jī)砌塊的抗壓強(qiáng)度是影響其質(zhì)量和使用壽命的重要性能之一。從抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，RAP 的加入降低了AARCPB 的抗壓強(qiáng)度。AARCPB抗壓強(qiáng)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(qiáng)度的降低是由于界面過渡區(qū)（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(zhì)之間良好黏結(jié)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(huì)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(qiáng)度。

2.5 耐磨性

材料的耐磨性會(huì)影響攤鋪機(jī)塊的使用壽命，因?yàn)樗苯颖┞对诖髿庵校懿煌矬w的打滑、滑動(dòng)和摩擦。從耐磨試驗(yàn)結(jié)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(shí)，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(shí)，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(zhì)量損失。對(duì)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(yàn)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(jié)受到負(fù)面影響。AARCPB 試樣在用作磨料時(shí)，其體積損失更大，抗壓強(qiáng)度也是影響耐磨性的一個(gè)因素。所以使用高密度和高硬度的骨料會(huì)影響混凝土的強(qiáng)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(qiáng)度和耐磨性。

2.6 環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益

AARCPB 的使用將減少對(duì)硅酸鹽水泥和采石場(chǎng)碎骨料的依賴，從而帶來環(huán)境效益。采石作業(yè)對(duì)環(huán)境有負(fù)面影響，它擾亂了野生動(dòng)物的棲息地和自然生態(tài)系統(tǒng)，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(qū)正面臨采石場(chǎng)枯竭的問題，需要將開采的骨料運(yùn)輸?shù)礁h(yuǎn)的距離，這既不可持續(xù)，也不環(huán)保。因此，使用不同的廢料是一種可持續(xù)的做法。因此，通過有效利用過量的RAP 集料來克服攤鋪行業(yè)面臨的問題意義深遠(yuǎn)。

對(duì)AARCPB 進(jìn)行了成本分析，以評(píng)估RAP 骨料替代天然骨料的經(jīng)濟(jì)效益。AARCPB 的生產(chǎn)成本主要取決于使用的骨料和水泥。而RAP 骨料沒有市場(chǎng)價(jià)值，因?yàn)樗灰暈閺U料。因此，用RAP 骨料替代天然骨料將具有可觀的經(jīng)濟(jì)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(jié)論

在AARCPB 中增加RAP 骨料會(huì)降低新拌混合料的和易性、容積密度、吸水率降、抗壓強(qiáng)度、耐磨性，而AARCPB 的體積損失增加，但是這些指標(biāo)都滿足堿活性混凝土攤鋪機(jī)砌塊的施工要求，并且降低AARCPB 的生產(chǎn)成本，與R0 混合料相比，R25、R50 和R75 混合料的生產(chǎn)成本分別降低了8.6%、17.2%和25.8%。AARCPB 還將為城市地區(qū)提供環(huán)境效益，城市地區(qū)面臨著多種問題，如天然骨料采石場(chǎng)枯竭、垃圾填埋區(qū)減少、垃圾產(chǎn)生過多以及對(duì)建筑材料的需求增加。根據(jù)本研究結(jié)果，高達(dá)50%的RAP 骨料（即R50 混合料）可用于行人和非機(jī)動(dòng)設(shè)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(chǎng)所使用。