地聚物穩定廢舊瀝青混合料的強度與微觀結構研究

2023-03-17 07:40:46林俊濤解傳凱

硅酸鹽通報 2023年1期

林俊濤，夏宇，李偉，解傳凱

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，武漢 430074；2.山東省高速養護集團有限公司，濟南 250032)

0 引言

瀝青路面冷再生技術是實現公路工程建設與養護中“雙碳”目標的有效方式。瀝青路面冷再生技術是由大比例的廢舊瀝青混合料(recycled asphalt mixture，RAP)、再生劑和水在常溫下進行拌和，從而形成冷再生混合料鋪筑路面的一種低碳養護技術。冷再生混合料能充分利用廢舊瀝青混合料，且在常溫下拌和成型，具有顯著的低耗能及節約資源等優勢。然而，水泥穩定冷再生混合料也存在早期強度低、易開裂等缺陷，因而常被用于層次較低的結構層，限制了其應用發展[1-3]。另一方面，每生產1 t水泥會排放近1 t二氧化碳[4]，顯著增加了養護中的碳排放。因此，尋求性能更好且碳排放更低的材料來穩定廢舊瀝青混合料具有重要意義。

地聚物主要由工業廢料或含硅鋁酸鹽的天然礦物與激發劑反應制備而成，是一種具有三維網絡狀結構的無機聚合材料,其力學性能顯著優于水泥[5]。與水泥相比，粉煤灰-礦渣地聚物具有更低的碳排放。因此，本研究嘗試用粉煤灰-礦渣地聚物來穩定RAP，形成全新的地聚物穩定冷再生混合料(geopolymer stabilized cold recycled mixture，GCRM)。

目前，已有研究將地聚物應用于道路工程領域。包惠明等[6]將粉煤灰基地聚物應用于半柔性路面，發現地聚物砂漿具有更好的穩定性和粘結性，且干縮率較小，不易產生裂縫。王彤[7]采用地聚物穩定再生碎石并與水泥穩定碎石材料進行對比，發現基層材料的力學性能略有下降，但水穩定性和收縮性能得到明顯的提升。董元帥等[8]采用粉煤灰地聚物穩定再生瀝青混合料，并對混合料的無側限抗壓強度和模量進行了研究，發現粉煤灰地聚物作為膠結材料穩定RAP可以滿足基層強度的要求。張巖等[9]以地聚物和稀釋瀝青為添加劑，開發了基于地聚物反應的路面冷拌料，通過細觀分析發現瀝青被地聚物生成的膠凝產物裹覆，進而粘附在集料顆粒的表面形成強度。

目前，國內外對地聚物穩定廢舊瀝青混合料的研究還處于起步階段，對地聚物冷再生混合料的力學性能與強度發展尚不明確。本文采用地聚物穩定100%廢舊瀝青混合料，分析地聚物穩定廢舊瀝青混合料的強度發展及影響因素，并通過掃描電子顯微鏡和EDS能譜對其微觀結構特征進行了研究，探討地聚物穩定廢舊瀝青混合料用于路面結構的可行性。

1 實驗

1.1 原材料

1.1.1 地聚物原料

地聚物原料主要包括粉煤灰、礦渣、水玻璃以及氫氧化鈉。文中選用的是一級粉煤灰(fly ash，FA)和S95礦渣粉(slag)，其主要化學成分如表1所示。

表1 粉煤灰和礦渣的主要化學組成Table 1 Main chemical composition of FA and slag

所用水玻璃溶液為廣州穗欣所生產的工業級鈉水玻璃(Na2O·nSiO2·mH2O)，由氧化鈉(8.2%，質量分數)和二氧化硅(26.0%，質量分數)組成，密度為1.38 g/cm3，模數為3.25，其中n即為水玻璃模數。選用固含量為99%(質量分數)的片狀氫氧化鈉調整水玻璃的模數。

1.1.2 減水劑

為提高地聚物穩定廢舊瀝青混合料的早期強度，在混合料中摻加一定量的減水劑。減水劑使用聚羧酸類減水劑，減水率可達45%。

1.1.3 礦料和級配

RAP采用廢舊瀝青路面刨銑料，并將該刨銑料分為0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm、19～26.5 mm四檔。按照《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T 5521—2019)[10]中粗粒式乳化瀝青冷再生混合料的級配范圍進行了級配設計，設計級配曲線如圖1所示。其中礦粉摻量占集料總質量的2%。

圖1 冷再生混合料的級配曲線Fig.1 Gradation of cold recycled mixture

1.2 試驗設計

1.2.1 試件制備

堿激發劑制備：將一定量的片狀氫氧化鈉投入水玻璃溶液中充分攪拌冷卻，即得到堿性激發劑。原水玻璃模數為3.25，向100 g水玻璃溶液中加入的NaOH量y與模數n的關系如式(1)所示。

(1)

式中：y為所需NaOH的量，g；n為水玻璃模數，無量綱。

最佳用水量的確定：本試驗以混合料的拌和狀態為主要依據，結合劈裂試驗確定最佳用水量。試驗前首先對混合料的用水量進行預估，然后以預估用水量為基準分別選取最佳用水量(占集料質量分數)為3.3%、3.5%、3.7%、3.9%對混合料進行拌和，觀察拌和狀態，并進行擊實后的強度試驗。當用水量為3.7%時，混合料漿體拌和狀態良好，劈裂強度最高。因此，最佳用水量定為3.7%。

拌和方式的確定：地聚物穩定冷再生混合料的加料關鍵在于地聚物的摻入方式。本文考慮了地聚物以粉料形式直接加入及拌和成地聚物漿體后加入兩種摻入方式，發現采用地聚物漿體制備的試件強度較低。這是由于地聚物拌和成漿體后流動性較差，不易與混合料拌和均勻，因此，本試驗將地聚物以粉料形式直接加入后進行拌和。

地聚物與冷再生混合料拌和過程：將粗細骨料、粉煤灰、礦渣、礦粉以及減水劑投入混合料拌和機干拌約30 s，再加入配制好模數的水玻璃溶液以及外加水繼續攪拌1 min，采用馬歇爾標準擊實儀成型直徑為101.6 mm、高度為63.5 mm的馬歇爾試件。

養護制度：試件成型后，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)[11]中的養護方法，在(20±2) ℃、相對濕度95%條件下養護到規定齡期。地聚物穩定冷再生混合料的制備流程如圖2所示。

圖2 GCRM的制備流程Fig.2 Preparation process of GCRM

1.2.2 配合比設計

為探究地聚物對冷再生混合料力學性能的影響，以礦渣摻量(礦渣占礦渣和粉煤灰總質量的百分比)、水玻璃模數、激發劑用量(激發劑占礦渣和粉煤灰總質量的百分比)、地聚物摻量(粉煤灰、礦渣和激發劑總質量占RAP再生骨料的百分比)4個因子作為主要參考變量,并進行分組。其中礦渣摻量(B1～B4)分別為0%、30%、40%、50%，水玻璃模數(N1～N4)分別為1.0、1.2、1.4、1.6，激發劑用量(W1～W4)分別為30%、40%、50%、60%，地聚物總摻量(T1～T4)分別為4%、6%、8%、10%，RAP再生骨料固定為4 000 g，減水劑固定為10 g，最佳含水率為3.7%，試驗分組及配合比如表2所示。

表2 試樣配合比設計Table 2 Mix ratio of samples

1.2.3 試驗方法

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)[11]中劈裂強度的試驗方法，將達到養護齡期的馬歇爾試件置于溫度為(15±0.5) ℃的水浴中0.5 h，然后放入萬能試驗機中，在加載速率為50 mm/min條件下分別測試其3 d、7 d、14 d和28 d劈裂強度。試樣放入萬能試驗機后，沿直徑兩側對試件進行加壓，使直徑所在的截面受到拉應力，每組試驗的最終結果為三個平行試件的平均值，計算公式如式(2)所示。

(2)

式中：RT為劈裂抗拉強度，MPa；PT為試驗荷載最大值，N；h為試件高度，mm。

采用日立公司生產的S-4800型掃描電子顯微鏡，選用背散射模式分析地聚物穩定冷再生混合料的界面微觀形貌，并通過EDS能譜儀分析元素組成。

2 結果與討論

2.1 礦渣摻量的影響

圖3是不同礦渣摻量下GCRM的劈裂強度隨養護時間的變化圖。可以看出，當其他摻量固定時，相較于無礦渣體系(B1組)，礦渣的摻入顯著提升了GCRM的早期以及28 d強度。此外，隨著礦渣摻量的提升，GCRM 3 d、7 d早期強度變化較大，28 d強度提升幅度較小。相較于B2組(礦渣摻量30%)，B3組(礦渣摻量40%)和B4組(礦渣摻量50%)試件的3 d強度分別提升了13.3%和23.9%，28 d強度分別提升了2.7%和7.4%。

圖3 不同養護齡期下礦渣摻量對GCRM劈裂強度的影響Fig.3 Effect of slag content on splitting strength of GCRM under different curing time

從地聚物原料的化學成分來看，這是由于粉煤灰地聚物鈣含量較低，而礦渣中含有較多的鈣組分。根據Purdon提出的含鈣體系“堿激活”理論[12]，即低鈣體系下硅鋁酸鹽礦物結構中的硅氧鍵和鋁氧鍵先解聚斷裂，再脫水“凝聚”形成—Si—O—Al—的網狀結構，其產物主要為三維網狀水化硅鋁酸鈉(N-A-S-H)。在高鈣體系下，堿激發劑溶解硅鋁化合物形成的硅酸鈉和偏鋁酸鈉會進一步與Ca(OH)2反應，并形成了更為致密的層狀凝膠結構(C-A-S-H)。因此，摻入礦渣后地聚物反應會由低鈣體系轉變為高鈣體系，這將有效提升聚合反應速度，進而促進反應產物由三維網狀結構轉變為層狀凝膠結構，從而使混合料早期強度有較大幅度的提升。

由于礦渣活性較高，過量礦渣摻入會縮短GCRM的凝結時間，可能會導致GCRM難以壓實，進而導致其力學性能降低，不利于長距離運輸與施工。圖4為B2組試件在室內放置不同時間后成型的3 d劈裂強度變化圖。可以看出，試件的早期強度隨放置時長的增加而顯著降低，放置時間為1.5 h時強度仍然可以達到0.8 MPa。此外，由圖3可知，高礦渣摻量對試件28 d強度的提升并不明顯，B4組試件28 d劈裂強度僅比B2組提升7.4%，因此，礦渣摻量30%為適宜摻量。

圖4 放置時間對GCRM劈裂強度的影響Fig.4 Effect of placing time on splitting strength of GCRM

2.2 水玻璃模數的影響

水玻璃模數是水玻璃的重要參數，水玻璃模數直接反映了地聚物反應所需堿性環境的強弱。現有研究表明，水玻璃模數較低時會導致地聚物反應速度過快而發生閃凝現象，而水玻璃模數過高也不利于生成地聚反應產物，通常水玻璃模數的適宜范圍為1.0～2.0[13-14]。圖5顯示了不同養護時間下水玻璃模數對GCRM劈裂強度的影響。

圖5 不同養護齡期下水玻璃模數對GCRM劈裂強度的影響Fig.5 Effect of water glass modulus on splitting strength of GCRM under different curing time

由圖5可以看出，在不同水玻璃模數下，GCRM的劈裂強度隨養護時間的增加顯著提升，且模數越低，強度越大。水玻璃模數不同的試件(N1～N4)的3 d強度較為接近，但低水玻璃模數的試件28 d強度增長更快(N4組28 d強度約為N1組的兩倍)，說明水玻璃模數的降低對試件28 d強度提升幅度更大。這可能是由于高模數水玻璃激發地聚物所需的堿性環境不夠，游離的氫氧根離子較少，導致硅鋁酸鹽的溶解速率下降，激發劑與粉料并不能充分反應，GCRM的強度發展緩慢。低模數的水玻璃溶液含有更多的鈉離子，鈉離子對后期的電荷平衡起著重要作用，可以促進(N-A-S-H)凝膠產物的形成，從而增加了混合料的長期強度。試驗結果表明，水玻璃模數為1.0時，GCRM具有更高的強度。

為了切實保證鉆孔的施工質量，技術人員在施工之前應做好場地的處理工作，確保平整后在開始挖泥漿池、機械鉆孔以及修筑便道等工作。且前期準備工作最為關鍵的便是定位樁位，技術人員應保證準確測量樁位，一般采用全站儀等設備完成測量，并進行準確標記。

2.3 激發劑用量的影響

由2.1節可知，在加入礦渣后，試件的14 d劈裂強度已達到28 d的87%，因此，本試驗以養護14 d試件的劈裂強度來探究激發劑用量對其強度發展的影響規律，試驗結果如圖6所示。可以看出，激發劑用量為30%與40%的試件劈裂強度較為接近，約為1.1 MPa，隨著激發劑用量的持續增加，試件的劈裂強度也隨之提升，當用量達50%以后，強度幾乎不再變化。

圖6 激發劑用量對GCRM劈裂強度的影響Fig.6 Effect of activator content on splitting strength of GCRM

與水玻璃模數提供堿性環境的強弱不同，激發劑用量主要影響的含硅組分。由于Si—O鍵能較高，硅鋁酸鹽在堿性激發劑的作用下水解產生的硅離子較少，適當提高激發劑用量則可為反應補充足夠的硅組分，加快反應進程，形成更多的N-A-S-H或C-A-S-H凝膠產物。激發劑用量過高會使過量的硅離子不能參與聚合反應，C-S-H凝膠產物增多，試件的力學性能逐漸降低。同時，過量的激發劑也會使聚合反應體系的堿性環境增加，Na+和OH-也會過量，影響最終反應產物。因此，在一定程度上提升激發劑用量有助于GCRM強度的形成，激發劑用量達50%時已達到最佳激發效果。

2.4 地聚物摻量的影響

圖7顯示了不同養護齡期下地聚物摻量對GCRM劈裂強度的影響。從圖7可以看出，地聚物摻量在6%及以下時，試件的劈裂強度較低。當地聚物摻量為8%時，試件的3 d及28 d強度得到明顯提升。相較于地聚物摻量為10%，雖然地聚物摻量為8%的試件3 d劈裂強度較低，但其強度發展較快，7 d劈裂強度甚至略高于地聚物摻量為10%的試件，兩者28 d劈裂強度也比較接近。

圖7 不同養護齡期下地聚物摻量對GCRM劈裂強度的影響Fig.7 Effect of geopolymer content on splitting strength of GCRM under different curing time

地聚物摻量主要影響了地聚合物反應產物的生成量，隨著地聚物摻量的增加，地聚物反應產物逐漸增多，可以充分裹覆與粘結RAP，從而使GCRM更加密實，因此GCRM的強度得到了提升。整體而言，地聚物摻量為8%時，GCRM具有最佳的強度性能。

2.5 與水泥乳化瀝青穩定冷再生混合料的對比

選取礦渣摻量為30%，水玻璃模數為1.0，激發劑用量為50%，地聚物摻量為8%作為最優的地聚物混合料方案，與普通水泥乳化瀝青穩定冷再生混合料的劈裂強度進行對比。選取冷再生混合料常用的4%乳化瀝青+2%水泥的組合進行試驗分析，如圖8所示。可以看出，地聚物穩定冷再生混合料總體劈裂強度在1.7(7 d)～2.1(28 d) MPa，60 ℃烘箱條件養護2 d的強度稍低于28 d，而水泥穩定瀝青冷再生混合料總體劈裂強度僅有0.3～0.8 MPa。結果表明，GCRM與普通水泥乳化瀝青冷再生混合料相比，具有更好的早期強度與長期強度，地聚物具有穩定廢舊瀝青混合料的應用潛力。

圖8 GCRM與水泥乳化瀝青穩定冷再生混合料的強度對比Fig.8 Strength comparison between GCRM and cement emulsified asphalt stabilized cold recycled mixture

2.6 微觀結構分析

2.6.1 微觀形貌分析

為進一步揭示GCRM的強度形成機理，選取上述養護28 d最佳材料組成的GCRM試件的膠漿-集料界面區進行微觀結構分析，微觀形貌照片如圖9所示。圖9(a)是典型的膠漿-集料界面區，圖9(b)為局部放大圖，可以看出，集料表面被一層較薄的凝膠產物裹覆。圖9(c)顯示了部分凝膠產物的分布狀況，可以看出，地聚物反應所生成的凝膠產物主要分布在未完全反應的粉煤灰球體顆粒周圍。由圖9(d)、(e)可以看出，GCRM試件的裂縫處有較多較大的粉煤灰球體顆粒裸露在表面，周圍的凝膠產物分布不均勻，這說明該處反應程度較低，粉煤灰被反應消耗的程度較小。在凝膠狀產物分布較為均勻的區域，少量未反應完的較小的粉煤灰球體顆粒被凝膠產物所包裹，致密程度較高，如圖9(f)所示，說明該處反應程度相對較大。相關研究[15]表明，地聚物反應速率及反應程度會隨時間的增加而急劇降低，反應程度無法達到理論上的最大值，這是由于地聚物反應所產生的凝膠產物逐漸包裹了粉煤灰和礦渣等反應原料，減小了有效反應面積，導致后期反應速率急劇降低，因此可以通過SEM觀察到部分未反應完的粉煤灰顆粒。可以推斷，試件在受到拉應力時，內部裂縫往往首先出現在反應程度相對較低的部位，然后向周圍擴展。因此，進一步提高地聚物聚合反應程度是提升地聚物穩定材料強度的重要途徑。

圖9 養護28 d試件的膠漿-集料界面區的SEM照片Fig.9 SEM images of mortar-aggregate interface area curing for 28 d

2.6.2 EDS能譜分析

EDS可用于分析試件膠漿-集料界面區的元素組成，其點位及能譜圖如圖10所示，EDS元素分析如表3所示。可以看出，膠漿-集料界面區的主要元素組成為Ca、Si、Al、O、C。由微觀形貌圖片可知，點1(Spot 1)區域較為平整，為集料表面。EDS元素分析結果顯示幾乎不含硅鋁元素，該區域主要以鈣元素和氧元素為主，含有少量碳元素，可推測點1所含的主要物質為CaCO3，符合集料表面的特征。由于制備地聚物混合料的原材料主要富含硅鋁元素，鈣元素主要來自礦渣，因此地聚物混合料中的鈣元素整體含量較低。鈣和硅元素含量相對較多而鈉和鋁元素含量相對較少的區域一般以C-S-H凝膠為主，如圖10中的點2(Spot 2)。元素質量比較接近的少量鈉和鋁元素，可以促進聚合反應中N-A-S-H凝膠的產生。因此，點2的組成以C-S-H凝膠為主，另外含有部分N-A-S-H凝膠的復合物。雖然點2的鈣含量略高于點3，但由于不能提供足夠的鋁元素，不利于C-A-S-H產物的形成，可認為該點是地聚物反應不充分的點。圖10中點3(Spot 3)為硅鋁元素聚集的地方，且鈉元素含量較低，鈣元素含量略低于鋁元素。含鋁化合物遇堿性激發劑會逐漸溶解，形成偏鋁酸鈉，并與溶液中的鈣離子進一步反應，因此鋁元素含量較多有利于C-S-H與Al元素的結合，進而形成C-A-S-H產物，可認為該點是以C-A-S-H層狀凝膠產物為主。因此，鈣元素和鋁元素的比例對C-A-S-H層狀凝膠產物的形成具有較大的影響，摻入適量礦渣有利于C-A-S-H層狀凝膠的形成，從而提升混合料的性能。由于硅鋁元素比也會對地聚物的性能有較大的影響，而水玻璃溶液中含有較多的硅組分，因此，適當降低水玻璃模數以及合適的激發劑用量可以使溶液中硅的含量增加，有利于混合料力學性能的提升。