水庫淤泥資源化應(yīng)用于多孔瀝青混凝土的研究

汪耀武

(咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖北 咸寧 437000)

水庫淤泥資源化應(yīng)用于多孔瀝青混凝土的研究

汪耀武

(咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖北 咸寧 437000)

研究借由改性水庫淤泥的憎水特性，改善排水級配受水分侵害的影響，故將其作為填充料添加于排水性瀝青混凝土中，并分別與石粉、水泥等填充料制作成的馬歇爾試件進(jìn)行性能試驗與分析。從試驗結(jié)果可以看出：添加改性水庫淤泥、石粉與水泥等填充料的試件透水能力相同，并無隨著填充料種類變化而造成差異。在力學(xué)性質(zhì)試驗方面，添加改性水庫淤泥的試件強(qiáng)度稍弱于添加石粉、水泥的試件強(qiáng)度。而殘余強(qiáng)度試驗(TSR)中，3種填充料在第1天試驗結(jié)果相同，但隨著浸泡天數(shù)漸漸拉長，添加改性水庫淤泥的試件TSR值大于其他兩者，并在第10天維持60%以上的強(qiáng)度，顯示改性水庫淤泥在抵抗水侵害的表現(xiàn)較佳，能有效提升路面的抗水侵害能力。

改性水庫淤泥； 多孔瀝青混合料； 路用性能； 資源利用

1 概述

近年來，為提升瀝青路面的性能，主要有瀝青結(jié)合料改性及探討路面骨材粒料性質(zhì)等研究方向[1,2]。在氣候環(huán)境不利于瀝青路面的情況下，公路排水設(shè)計若不完善，水分殘留在瀝青混凝土孔隙中，浸泡時間拉長會造成剝脫現(xiàn)象產(chǎn)生，引起結(jié)構(gòu)性的破壞。因此要改善水侵害，在道路設(shè)計時要考慮路面坡度及排水設(shè)計，或是采用排水級配瀝青混凝土，也可添加抗剝落劑使瀝青包裹粒料不易受水侵害而剝落。黏土礦物容易吸水，工程上也視其為麻煩，三峽水庫年平均入庫泥沙量達(dá)5億 t左右，如處理不好，不僅會影響水庫正常效益的發(fā)揮，縮短水庫使用壽命，而且會影響長江“黃金水道”的通暢。具有膨脹性質(zhì)的黏土，吸水后可膨脹數(shù)倍，破壞原先所凝聚的型態(tài)，進(jìn)而影響工程性質(zhì)，所以工程上不以黏土當(dāng)細(xì)粒料使用。改性水庫淤泥在應(yīng)用上，膨脹性黏土可燒制成輕質(zhì)骨材，然而每年產(chǎn)量有限，對水庫淤泥的應(yīng)用與減量效果不明顯；若能將膨脹性黏土易于吸水的表面，經(jīng)由改性劑改變?yōu)閰捤砻?，同時除去對混凝土有害的陽離子，黏土將成為內(nèi)部不吸水且穩(wěn)定的顆粒，成為減少水庫淤泥淤積的應(yīng)用方法之一。盡管國內(nèi)外對水庫淤泥用于輕質(zhì)骨材進(jìn)行了大量的研究[3-8]，但將水庫淤泥應(yīng)用于多孔瀝青混合料中來改善其水穩(wěn)定性的研究國內(nèi)外鮮有報道。

2 研究目的

本研究的主要目的是希望借由改性水庫淤泥的憎水特性，強(qiáng)化路面的抗水侵害能力并增加其使用壽命。而排水級配的孔隙率高，受水分影響顯著，導(dǎo)致路面弱化程度嚴(yán)重，本研究采用排水級配，以期能改善此缺點。研究目的可分成以下幾點:

① 評估添加改性水庫淤泥于排水性瀝青混凝土的工程性能

② 比較添加石粉、改性水庫淤泥、水泥于排水性瀝青混凝土的工程性質(zhì)差異

③ 評估改性水庫淤泥的抗水侵害能力與改善性能

④ 探討改性水庫淤泥應(yīng)用于排水性瀝青混凝土的可行性。

3 材料及研究方法

3.1 改性水庫淤泥

本研究試驗所采用的水庫淤泥來自三峽水庫。由三峽水庫淤泥砂的特性分析得知，其平均含水量約在35%～100%之間，孔隙比則介于0.9%～2.5%間。其物理特性及土壤成分組成見表1。

表1 水庫淤泥的物理特性Tab1 Thereservoirphysicalpropertiesofthemud土壤組成成分/% 物理性質(zhì)礫石砂土粉土黏土比重液性限度/%塑性限度/%塑性指數(shù)/%土壤分類08．171．720．2 2．7140．140．111．9黏土

經(jīng)由國內(nèi)外學(xué)者研究[5-8]，將原始水庫淤泥進(jìn)行改性后，成為具有防水透氣功能的改性水庫淤泥，并制成防水建材在市面販?zhǔn)?。改性與未改性水庫淤泥，兩者外觀上有色差，改性水庫淤泥偏土黃色，未改性水庫淤泥則偏灰色；氣味方面，改性水庫淤泥有水泥粉的氣味，未改性則無明顯氣味。

3.2 研究方法

本研究所采用的級配為日本排水性鋪裝技術(shù)指針(案)中最大公稱粒徑19 mm的級配，搭配高黏度改性瀝青與0.4%的木質(zhì)纖維含量，添加不同填充料(石粉、改性水庫淤泥、水泥)于排水性瀝青混凝土中，依據(jù)所建議的配比設(shè)計法求出排水性瀝青混凝土最佳瀝青含量，制作成馬歇爾試件，進(jìn)行透水試驗、馬歇爾穩(wěn)定度與流值試驗、間接抗拉強(qiáng)度試驗、不同天數(shù)(0、1、3、5、10 d)的殘余強(qiáng)度試驗、Cantabro磨耗試驗、回彈模量試驗，評估添加改性水庫淤泥于排水性瀝青混凝土的性能影響，以及比較添加不同填充料對瀝青混凝土所造成的工程性質(zhì)差異性。

4 試驗結(jié)果與討論

依照研究方法與相關(guān)規(guī)范，先進(jìn)行粒料與瀝青黏結(jié)料的基本物理特性試驗及排水性瀝青混凝土配比設(shè)計，再將改性水庫淤泥、石粉、水泥等3種不同填充料搭配高黏度改性瀝青制作馬歇爾試件，并于試件中添加0.4%的木質(zhì)纖維，最后再將試件進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度、流值、透水試驗、回彈模量試驗、Cantabro磨耗試驗、間接抗拉強(qiáng)度試驗、不同天數(shù)的殘余強(qiáng)度試驗，評估不同填充料的排水性瀝青混凝土性能。

4.1 排水性瀝青混凝土配比設(shè)計結(jié)果

研究采用日本道路協(xié)會排水性鋪裝技術(shù)指針(案)所建議的配比設(shè)計方法，求出最佳瀝青含量為5.1%，并依據(jù)最佳瀝青含量制作成馬歇爾試件進(jìn)行配比設(shè)計結(jié)果檢驗，判定是否合乎規(guī)范要求，結(jié)果如表1所示。

表1 排水性瀝青混凝土的結(jié)果檢驗Table1 Theresultsoftheinspectionofdrainageasphaltconcrete試驗項目試驗值規(guī)范值孔隙率/%22．715～25透水系數(shù)/(cm·s-1)0．12>10～2馬歇爾穩(wěn)定度/kN7．9>3．5

4.2 室內(nèi)透水試驗結(jié)果

水分滯留于道路的時間越長，不僅影響路面壽命，也會增加車輛行駛的危險。而透水路面能將水分排除，因此排水性瀝青混凝土的透水能力優(yōu)劣，為決定此級配好壞的因素之一，試驗結(jié)果見圖1。

由試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):不同填充料所制成的馬歇爾試件透水試驗值都遠(yuǎn)大于規(guī)范0.01 cm/s，而添加水泥的試件透水能力稍微高于添加改性水庫淤泥與石粉的試件，但是差距不大，可以視為相同的透水能力。除此之外，由結(jié)果可以得知改變填充料種類并不會影響排水性瀝青混凝土的透水能力。

4.3 馬歇爾穩(wěn)定度與流值試驗結(jié)果

馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果如圖2所示，以大小排列為水泥、石粉、改性水庫淤泥。雖然水泥穩(wěn)定值最大，但與最低的改性水庫淤泥相差約0.05 kN，并沒有太大的差值。石粉則介于水泥與改性水庫淤泥之間，強(qiáng)度稍微大于改性水庫淤泥。由此推測，在相同瀝青與級配且都添加纖維的條件下，對穩(wěn)定值能產(chǎn)生影響的只有填充料本身的強(qiáng)度。因為填充料在混合料中所占的比例只有5%，使不同填充料在穩(wěn)定度強(qiáng)度方面所產(chǎn)生的影響有限，再加上排水性瀝青混凝土的強(qiáng)度是依賴粗粒料的互鎖，因此結(jié)果上只能呈現(xiàn)出填充料本身強(qiáng)度之間的差距。而改性水庫淤泥的強(qiáng)度為最低的原因可能為淤泥大多為粉土或黏土所組成，再加上其形狀較扁平，因此所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力很小，強(qiáng)度也隨之降低。本研究的試驗結(jié)果都大于規(guī)范3.5 kN，符合穩(wěn)定度規(guī)定。

馬歇爾流值的試驗結(jié)果見圖3，流值最高的為水泥，其次為石粉，最低則是改性水庫淤泥。顯示出改性水庫淤泥在抗車轍能力方面比其他兩者稍佳，推測是因為在同重量百分比之下所取的填充料量一樣，但改性水庫淤泥的比重比水泥低，體積也較大，因此能填補(bǔ)較多的孔隙，形成比水泥跟石粉還穩(wěn)定的狀態(tài)。但排水性瀝青混凝土的強(qiáng)度還是依靠粗粒料提供，因此結(jié)果上影響有限，可以視為相同效果。

4.4 Cantabro磨耗試驗結(jié)果(見圖4)

磨耗試驗是模擬路面受車輛反復(fù)載重所造成的磨損狀況，為評估路面性能的方法之一。結(jié)果如圖4所示，磨損最多的為添加改性水庫淤泥，而抵抗磨損最好的是添加石粉，代表石粉在抵抗路面磨損的能力上較優(yōu)。

由圖上的試驗結(jié)果可看出，比起石粉與水泥的試件，在添加改性水庫淤泥之后，表現(xiàn)稍差。原因推估為改性水庫淤泥雖然具有親油的性質(zhì)，能散布于瀝青膠漿中，但其形狀較扁平，產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力較小，在受到強(qiáng)大外力的作用下，無法與其他粒料形成足夠的嵌合，因此磨損量比其他兩者要大。雖然由結(jié)果判別出改性水庫淤泥的磨損量最多，但與其他兩者相比之下，整體損失量并沒有太大差異。而本試驗整體磨損量偏高，推測為級配所造成的影響較大。因為本研究所采用的級配偏向較粗的規(guī)范，因此缺乏足夠的細(xì)粒料與粗粒料形成有效的互鎖。當(dāng)接受外力撞擊時，容易因內(nèi)聚力不足而剝落，所以損失量也較大。

4.5 間接抗拉強(qiáng)度試驗結(jié)果

本研究添加3種不同填充料制作成馬歇爾試件，經(jīng)由此試驗評估其不同的抗拉能力，結(jié)果如圖5所示。

圖5 間接抗拉強(qiáng)度試驗結(jié)果Figure 5 Indirect tensile strength test results

由試驗結(jié)果得知:不同于穩(wěn)定度的趨勢，石粉在此試驗的間接抗拉強(qiáng)度值最大，推估為石粉的粒徑大小比水泥粗所致。因為執(zhí)行試驗時的破裂面只有部分區(qū)域，當(dāng)受到外力施壓時也只有區(qū)域內(nèi)的填充料能產(chǎn)生反應(yīng)，與馬歇爾穩(wěn)定度試驗夾具所產(chǎn)生的整體破壞范圍不同，因此較粗的石粉與粗粒料形成的架構(gòu)產(chǎn)生較佳的抗拉強(qiáng)度。而改性水庫淤泥的粒徑由篩分析可得知與水泥相近，尺寸上與水泥類似，但形狀較扁平，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)上稍差。

4.6 不同天數(shù)殘余強(qiáng)度試驗結(jié)果

本研究借由改性水庫淤泥的憎水特性，作為填充料添加于瀝青混凝土中，并與其他常見的石粉、水泥比較，探討各填充料于排水性瀝青混凝土中經(jīng)水侵害后所造成的影響。此試驗的各試件都使用高黏度改性瀝青，并浸泡于60 ℃的恒溫水槽，而浸泡時間分別為0、1、3、5、10 d，最后將到達(dá)各浸泡天數(shù)的試件取出進(jìn)行間接抗拉強(qiáng)度試驗。

4.6.1 不同浸泡天數(shù)的間接抗拉強(qiáng)度影響

如圖6試驗結(jié)果所示，石粉比起其他兩種填充料在第0天未受水侵害的間接抗拉強(qiáng)度值最大。經(jīng)過一天浸泡后，3種填充料的數(shù)值反而趨近于0.6 MPa左右，此時改性水庫淤泥與水泥的間接抗拉強(qiáng)度相似，而石粉降低的強(qiáng)度值最多，約減少0.16 MPa，但改性水庫淤泥的衰減程度已慢慢降低，而石粉則與水泥以相似的衰弱程度持續(xù)減少強(qiáng)度，直至第3天后兩者才漸漸趨于平緩。然而隨著浸泡時間至5～10 d之后，石粉又降低約0.12 MPa，其強(qiáng)度值經(jīng)由長時間的水侵害后呈現(xiàn)最低，為抵抗力較差的填充料。而改性水庫淤泥與水泥在3～10 d的水侵害狀況，呈現(xiàn)平緩的趨勢，代表水侵害的影響已逐漸降低。比較結(jié)果之后，得知石粉雖然在未浸泡受水影響之前的間接抗拉強(qiáng)度最佳，但經(jīng)過長期的水侵害影響后，性能則無法持續(xù)維持，而以改性水庫淤泥及水泥呈現(xiàn)較優(yōu)的抗水侵害能力。

圖6 不同浸泡天數(shù)的間接抗拉強(qiáng)度試驗結(jié)果Figure 6 Indirect tensile strength test results of differentsoaking days

4.6.2 不同浸泡天數(shù)的殘余強(qiáng)度影響

本節(jié)所探討的殘余強(qiáng)度值(TSR)是借由試件經(jīng)過不同天數(shù)浸泡后與未浸泡前的間接抗拉強(qiáng)度作為比值，得知瀝青混凝土因水侵害所造成的強(qiáng)度變化影響。由圖7可發(fā)現(xiàn):3種填充料在第1天的趨勢與上一節(jié)相同，除了符合規(guī)范值之外，數(shù)據(jù)上幾乎沒有差異，可視為相同的抗水侵害能力。但在第3 d時，改性水庫淤泥下降到75.68%，明顯優(yōu)于其他兩者，在結(jié)果上仍保有一定的強(qiáng)度。至3～5 d時，石粉則幾乎沒有任何減弱，維持在66%左右，而改性水庫淤泥與水泥雖然持續(xù)降低，但趨勢已經(jīng)漸漸平緩。直至第10天，水分的影響力對改性水庫淤泥與水泥已經(jīng)減弱，但石粉的強(qiáng)度卻減低至52.40%，不同于上一節(jié)的結(jié)果，可以明顯看出弱化程度最大。

結(jié)果顯示，3種填充料在浸泡1 d后都呈現(xiàn)較大的變化，水泥則至第3天才呈現(xiàn)平緩趨勢。就TSR值而言，隨著浸泡天數(shù)越長，改性水庫淤泥與其他兩者的差異越顯著，在第10天仍保有60%以上的強(qiáng)度值，抗水侵害的能力最佳。

圖7 不同浸泡天數(shù)的殘余強(qiáng)度試驗結(jié)果Figure 7 The residual strength test results of different soakingdays

4.6.3 不同浸泡天數(shù)的間接抗拉強(qiáng)度損失率(見圖8)

此節(jié)探討3種填充料經(jīng)過不同天數(shù)水侵害的抗拉強(qiáng)度損失率，如圖8的結(jié)果所示。在第1天的損失率，3種填充料都損失19%左右，因水侵害所造成的影響相同。由3～10 d的結(jié)果顯示，石粉雖然在3～5 d幾乎沒有損失，但在最后卻是損失接近一半；水泥則是在初期損失最多，而在之后的各天數(shù)損失率差距不大，呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)；改性水庫淤泥與其他兩者比較，則持續(xù)維持最低的損失量，在趨勢上也是緩緩上升，并無太大的起伏變化，為受水分影響最低的填充料。

圖8 不同浸泡天數(shù)的間接抗拉損失率Figure 8 Different soaking days of indirect tensile loss rate

綜合以上3節(jié)結(jié)果，添加改性水庫淤泥于排水性瀝青混凝土，在抗水侵害的性能表現(xiàn)顯著。而在間接抗拉強(qiáng)度變化、TSR值與損失率性能顯示，浸泡1 d后的試件與浸泡前差距頗大，究其原因可能為本研究所設(shè)計的孔隙率偏高，使水分在試件內(nèi)部的孔隙水壓也隨之提高，對混合料之間的結(jié)合力進(jìn)行破壞且易產(chǎn)生松散現(xiàn)象，使強(qiáng)度在1 d后驟降，導(dǎo)致試件可能提早破壞。

4.7 回彈模量試驗結(jié)果

借由回彈模量試驗，可以探討不同材料、溫度、加壓次數(shù)與加壓頻率等因素下的瀝青混凝土性質(zhì)影響。本研究于溫度25 ℃、固定加壓150次與維持0.5 Hz的頻率下，對添加3種不同填充料的瀝青混凝土試件進(jìn)行回彈模量試驗，結(jié)果如圖9所示。

圖9 回彈模量試驗結(jié)果Figure 9 Modulus of resilience test results

就回彈模量而言，數(shù)值越大代表勁度越強(qiáng)，變形量較小。而水泥與石粉的試驗值大于改性水庫淤泥，顯示此兩種材料在抗變形與強(qiáng)度上比改性水庫淤泥佳。但改性水庫淤泥的回彈模量為3 345.7 MPa，與其他兩者都達(dá)3 000 MPa以上，在強(qiáng)度上仍可接受；其他兩者的回彈模量接近，水泥僅略大于石粉，得知添加水泥或石粉于排水性瀝青混凝土中，在結(jié)果上可視為具有同樣性能的加勁材料。至于改性水庫淤泥在此試驗結(jié)果上較差的原因，推測為改性淤泥強(qiáng)度較弱，在內(nèi)聚力上已低于其他兩種填充料，即便其親油性能與瀝青契合度提高，但在強(qiáng)度上比起水泥與石粉則表現(xiàn)稍差。

5 結(jié)論

本研究主要目的是探討改性水庫淤泥添加于排水性瀝青混凝土中所造成的影響，試驗采用高黏度改性瀝青及0.4%的木質(zhì)纖維含量，搭配最大公稱粒徑19 mm的日本排水級配進(jìn)行各項性能試驗，并與常見的填充料石粉、水泥于同條件下比較之間的性能差異性。綜合試驗的結(jié)果與分析，整理得以下結(jié)論:

① 排水效能:在透水系數(shù)方面，填充料種類的不同對透水能力沒有造成顯著影響，石粉、改性水庫淤泥與水泥于相同試驗條件下，并無隨著填充料種類的改變而產(chǎn)生透水能力上的差異，由結(jié)果可知，影響透水性能好壞主要因素還是由設(shè)計的級配所決定。

② 力學(xué)性質(zhì):改性水庫淤泥在穩(wěn)定度、間接抗拉強(qiáng)度、磨耗與回彈等工程性能試驗上，成果都比石粉與水泥稍差。代表改性水庫淤泥雖然具有與石粉、水泥相同的親油特性，能均勻散布于瀝青中，但組成的強(qiáng)度稍弱。分析后顯示，填充料種類不同對上述的試驗結(jié)果都沒有顯著影響，代表改性水庫淤泥可作為填充料使用，并不會嚴(yán)重影響強(qiáng)度。原因可推測為排水性瀝青混凝土主要依靠粗粒料的互鎖提供強(qiáng)度，再加上填充料約占有5%，數(shù)量不多，所以在強(qiáng)度方面影響有限。

③ 抗水侵害能力:改性水庫淤泥于殘余強(qiáng)度試驗中，除了第1天與石粉、水泥抗水能力相同之外，隨著浸泡天數(shù)漸漸拉長，與其他兩者的差異也越來越大，不但性能較佳且受水侵害的影響已趨于緩和，于試驗第10天仍維持強(qiáng)度60%以上，顯示其在抗水侵害能力上優(yōu)于其他兩者。

整體而言，將改性水庫淤泥添加于排水性瀝青混凝土中，確實發(fā)揮其防水特性。雖然在強(qiáng)度方面表現(xiàn)稍差，但經(jīng)由統(tǒng)計分析出的結(jié)果則顯示不顯著，代表以改性水庫淤泥作為排水性瀝青混凝土的填充料使用是可行的，因此在適當(dāng)?shù)臈l件下，采用改性水庫淤泥將可提升路面的抗水侵害能力。

[1] Lu,C.T.,WKuo,Ming-Feng Kuo and Shen,D.H.,(2013),”Composition and Reaction Mechanism of Cement-Asphalt Mastic”,Construction and Building Materials,23(7),pp.2580-2585. [2] Mix design techniques-part I.NAPA TAS-14,National Asphalt Pavement Association,Instructors manual,(2012). [3] Asphalt Institute(MS-2),Mix design methods for asphalt concrete and other hot mix types,(2013). [4] Anderson,D.A.,and Goetz, W.H.“Mechanical Behavior and Reinforcement of Mineral Filler-Asphalt Mixtures”,Journalof the Association of Asphalt Paving Technologists,Vol.42,pp.37-66 (2008). [5] 彭予柱.淤泥再生高強(qiáng)度輕質(zhì)骨材開發(fā)[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,06(2):5-10. [6] 譚克鋒.輕集料及高性能輕集料混凝土的性能研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006(04):12-18. [7] 徐美君.水庫淤泥可生產(chǎn)建材產(chǎn)品[J].建材工業(yè)信息,2013,12(6):18-22. [8] Yu Jianying, Zeng Xuan, Wu Shaopeng, Wang Lin, Liu Gang.Preparation and properties of montmorillonite modified asphalts[J].Materials Science and Engineering A 447,2013,12(4):233-238.

Research of Reservoir Silt on the Properties of Porous Asphalt Mixture

WANG Yaowu

(Xianning Vocational Technical College, Xianning, Hubei 437000, China)

This study modified by hydrophobic properties of the reservoir silt, improve drainage gradation is influenced by water enroach on, so as a filling material added in drainage asphalt concrete, and respectively with stone powder, such as filling material, cement production of Marshall specimen for performance testing and analysis. Can be seen from the results, adding modified reservoir filling material such as mud, stone and cement specimens of permeable ability are the same, no change as filling material type and cause difference. In terms of mechanical properties test, add modified reservoir silt specimen strength was slightly weaker than adding powder, the strength of the cement specimen. (TSR) and the residual strength test, the test result is the same three kinds of fillers in 1 day, but as the days gradually elongated, immersing add modified reservoir silt specimen (TSR) value is greater than the other two, and maintain more than 60% of the strength in the 10th day, show modified reservoir silt do better in the resistance to water enroach on, can effectively improve ability to resist water enroach on the road.

modified reservoir silt; porous asphalt mixture; road performance; resource utilization

2015 — 05 — 07

重慶市交通科技進(jìn)步計劃項目(201502014)

汪耀武(1982 — )，男，湖北咸寧人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：建筑與土木工程。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0283 — 06