粉煤灰作为可持续路面材料的稳定再生沥青路面研究

张君毅

(湖南建工交通建设有限公司，湖南 长沙 410004)

再生沥青(RAP)是从已达到设计寿命的道路中提取的废沥青中获得的，它含有3%～7%的沥青黏合剂和93%～97%的骨料，是理想的路面再生材料，被用作路面基层/底基层材料。但RAP的强度和刚度较低，相关试验结果显示，RAP的7 d单轴抗压强度低于路面基层材料的强度要求。而粉煤灰(FA)可提高砼的无侧限抗压强度和弹性模量。该文研究将粉煤灰和再生沥青路面混合物作为可持续路面材料的可行性。

1 材料和方法

1.1 材料

(1)RAP。风干RAP的级配见图1。通过X光荧光(XRF)、X光衍射(XRD)分析RAP的化学和矿物组成，X光荧光光谱分析结果表明RAP中主要矿物成分为方解石-镁和白云石，X光衍射光谱分析结果[见图2(a)]表明RAP中主要化学成分为41.93%的氧化钙和36.18%的氧化镁。RAP中的高氧化钙可与粉煤灰中的二氧化硅和氧化铝反应，增强火山灰反应。通过扫描电子显微镜(SEM)分析获得的无定形沥青黏合剂覆盖的不规则形状的RAP颗粒见图3(a)。

(2)粉煤灰。由激光颗粒分析仪获得的FA粒度分布见图1。FA的比重为2.50。使用XRD分析FA的化学组成，结果见图2(b)。粉煤灰主要由40.13%的二氧化硅、20.51%的三氧化二铝、5.83%的三氧化二铁和12.45%的氧化钙组成，在衍射角15°～40°内检测到主要非晶相的峰，包括硫酸钙、石英、方解石、多晶和赤铁矿。如图3(b)所示，不同尺寸的粉煤灰颗粒呈细小的球形。

图1 RAP和FA的粒度分布

Cm为方解石；D为白云石；A为硫酸钙；C为方解石；Q为石英；M为多晶体；H为赤铁矿

图3 RAP和FA的扫描电镜照片

1.2 样品制备

先将风干5 min的RAP和FA 混合，再与水混合5 min确保均匀，得到RAP-FA混合物。将该混合物放在圆柱形模具(直径101.6 mm，高度116.3 mm)中，包裹在乙烯基片内，然后在室温(20～25 ℃)下分别固化7和28 d。将固化后的样品在水中浸泡2 h，之后风干1 h。浸泡过程中，每1 h测量28 d固化样品的吸水率。对样品进行无侧限抗压强度试验，测定其无侧限抗压强度。

1.3 干湿循环试验

选择28 d的样品进行干湿循环试验，在室温下浸入饮用水5 h，然后在70 ℃烘箱中干燥42 h，并风干1 h，此为一个干湿循环(48 h)。在每个干湿循环周期称重，记录样品的质量损失。在目标干湿循环中，样品再次浸入水中2 h，风干至少1 h后在1、3、6、9、12、15、20个干湿循环时测量样品的无侧限抗压强度，并与没有进行干湿循环的样品进行比较，分析干湿循环对无侧限抗压强度的影响。

用XRD和SEM观测RAP-FA混合物样品的微观结构变化，分析干湿循环前后矿物学和显微结构变化。从样品的破碎部分取出小碎片并分成两部分，将一部分浸入液氮中5 min，然后在-195 ℃下冷冻，进行SEM分析；另一部分经空气干燥，加工成小于75 μm的粉末，用于XRD分析。使用电感耦合等离子体-光发射光谱法对100% RAP(不含FA)和RAP-FA混合物进行不同类型重金属的毒性浸提过程(TCLP)测试，确定固体废物是否有害。

2 试验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度

图4为压实的RAP-FA混合物的干密度和含水量之间的关系。由图4可知：100% RAP的干密度对含水量不敏感，RAP-FA混合物的干密度对含水量敏感；最大干密度随着FA添加量的增加而增大，但RAP+20%粉煤灰和RAP+30%粉煤灰混合料的压实曲线相似，说明高达30%的粉煤灰添加量对RAP-FA混合物的压实度影响不大。

图4 纯RAP和RAP-FA混合物的压实结果

图5为RAP-FA混合物(20%FA和30%FA)在7、28 d时的无侧限抗压强度。由图5可知：随着固化时间的延长，RAP-FA 混合物的抗压强度增大；RAP+20%FA和RAP+30%FA混合料的7 d抗压强度均高于纯RAP。

图5 RAP+20%FA和RAP+30%FA混合物的7、28 d抗压强度

RAP+20% FA混合物的强度与干湿循环次数的关系见图6，室温下固化28 d时质量损失与干湿循环次数的关系见图7，干湿循环对RAP+20%FA混合物外表面的影响见图8。从图6～8可以看出：RAP+20%FA混合物的质量损失在第一个干湿循环内显著增大，之后随着干湿循环次数的增加逐渐增大；干湿循环20次时，RAP+20%FA混合物出现宏观裂纹和表面劣化，导致强度损失。在干湿循环6次后强度降低，但其20 d循环抗压强度仍满足最低强度要求，RAP+20%FA混合物在经受干湿循环时表现出相当好的耐久性。

图6 RAP+20%FA混合物的强度与干湿循环次数的关系

图7 RAP+20%FA混合物的质量损失与干湿循环次数的关系

图8 不同干湿循环次数下的RAP+20%FA混合物

2.2 矿物学和显微结构的变化

RAP+20%FA混合物在不同温度下的XRD图谱见图9。

由图9可知：无干湿循环时，RAP+20%FA混合物包含作为RAP中主要矿物的钙镁非晶相及新的水泥质矿物(二氧化硅和氧化铝)，如钙长石、透辉石、菱镁矿和钙矾石。这些新矿物是在RAP与FA混合时形成的，FA的高含量二氧化硅、氧化铝与RAP的高含量钙之间的化学反应形成硅酸钙水合物(C—S—H)和铝酸钙水合物(C—A—H)，类似于水泥的水合作用，对强度发展有利。干湿循环6次时，对应于钙长石、透辉石和菱镁矿的峰增大，表明Cs—H和C—Ar—H增加。在70 ℃下干燥进行水-固试验可增强水泥产品(C—As—H)，即温度升高导致水泥材料的水分扩散更快，从而使水泥硬化。而干湿循环次数大于6次时的情况并非如此。温度影响水的物理性质(密度和表面张力)，并导致与钙矾石溶解和C—S氢蚀变有关的孔隙结构变大。样品经受12次干湿循环时，钙矾石的存在及钙长石和透辉石矿物的强度降低。钙矾石是一种含水矿物，在润湿时表现出膨胀行为，使RAP-FA混合物存在潜在的体积不稳定性。

Cm为方解石；E为钙矾石；An为钙长石；L为菱镁矿；Di为辉透石；D为白云石

3 结论

(1)压实的RAP-FA混合物的7 d 无侧限抗压强度满足基层强度要求。FA替代率超过20%时，RAP-FA混合物的无侧限抗压强度改变不明显，20%为FA最佳掺量。

(2)干湿循环次数小于6次时，随着干湿循环次数的增加，RAP+20%FA混合物的无侧限抗压强度增大，这是由于RAP中高含量的氧化钙与FA中高含量的二氧化硅、氧化铝之间的化学反应导致C—S—H和C—A—H的生长；干湿循环次数大于6次时，强度减少，这是由于干燥阶段水分含量损失产生大裂纹而使强度降低。但即使在干湿循环6次后强度降低，其20 d循环无侧限抗压强度仍高于最低强度要求。

(3)从环境的角度来看，RAP-FA混合物不会造成重大的环境风险，可安全地用于路面基层。且回收材料的使用能节能，减少温室气体排放。