回收粉與爐渣粉資源化應(yīng)用于熱拌瀝青混合料的研究

周 釧

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 重慶 402160)

回收粉與爐渣粉資源化應(yīng)用于熱拌瀝青混合料的研究

周 釧

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 重慶 402160)

評(píng)估礦粉、爐渣粉、水泥以及回收粉塵填充于密級(jí)配瀝青混凝土的工程性質(zhì)，結(jié)果顯示添加爐渣粉取代3%～5%時(shí)在馬歇爾穩(wěn)定度、流值、間接抗拉強(qiáng)度及車(chē)轍試驗(yàn)等各項(xiàng)工程性質(zhì)表現(xiàn)中更優(yōu)于經(jīng)常利用的礦粉，雖然其性質(zhì)有略低于水泥，但對(duì)于密級(jí)配瀝青混凝土的鋪筑，強(qiáng)度及抗車(chē)轍的能力已足以適用；然而添加回收粉塵雖然強(qiáng)度表現(xiàn)較差，但是回收粉塵在取代1%時(shí)其效果與礦粉或水泥并無(wú)明顯的差異，其結(jié)果顯示爐渣粉及回收粉塵是可用來(lái)替代礦粉與水泥，可降低礦粉及水泥的使用率，對(duì)于環(huán)境資源避免過(guò)度開(kāi)采也能有所幫助。

密級(jí)配瀝青混凝土、爐渣粉、填充料

1 概述

瀝青混凝土填充料最主要是添加水泥或是礦粉，不論是礦粉或水泥來(lái)源都必須從自然礦物中開(kāi)采加工后獲得，對(duì)于目前資源逐漸匱乏的情況，使用替代的填充料于瀝青混凝土是目前積極推廣的目標(biāo)，回收粉塵及爐渣粉都為多余產(chǎn)物再回收利用的填充料，對(duì)于解決多余產(chǎn)物堆積問(wèn)題及減少自然礦物開(kāi)采都能有效的助益[1-3]。

近年來(lái)交通量增加，導(dǎo)致車(chē)轍的問(wèn)題在我國(guó)的道路上必須更加重視[4，5]，過(guò)往要得到一組抗車(chē)轍能力的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)混合料配比設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)等時(shí)間，整體的效率較差，若遇上時(shí)效性較趕的工程往往會(huì)無(wú)法完整將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，所以若能運(yùn)用膠漿得到的性質(zhì)特性推估出混合料在抗車(chē)轍的性能，進(jìn)一步可以推估實(shí)際路面的情形，未來(lái)就可以運(yùn)用膠漿得到的性質(zhì)，便可以直接了解大致上路面的狀況，以有效的降低實(shí)驗(yàn)過(guò)程的時(shí)間，提升其效率。

2 研究目的

本論文利用回收粉塵及爐渣粉為廢棄物回收再利用的材料，可以降低對(duì)于環(huán)境的影響，此外密級(jí)配瀝青混凝土為使用最普遍的瀝青混凝土，若能將回收粉塵或爐渣粉應(yīng)用于密級(jí)配瀝青混凝土中，便可以有效的降低對(duì)環(huán)境的影響，且不過(guò)分影響路面原本性能。本論文的目的在于利用回收粉塵及爐渣粉添加于密級(jí)配瀝青混凝土中，透過(guò)不同填充料種類(lèi)及比例，比較與常見(jiàn)的水泥或礦粉添充料的差異，尋找較為合適的填充料及取代比例，并透過(guò)DSR膠漿試驗(yàn)其膠漿性質(zhì)，評(píng)估是否能夠推估其瀝青混凝土路面車(chē)轍的性能，以有效增加評(píng)估車(chē)轍性能的效率。

3 研究方法

本研究首先評(píng)估礦粉、爐渣粉、水泥以及回收粉塵之間基本物理性質(zhì)的差異。采用密級(jí)配配比設(shè)計(jì)根據(jù)ASTM D3515的規(guī)范，選用最大公稱(chēng)粒徑為19 mm，按照馬歇爾配比設(shè)計(jì)方法確定最佳瀝青含量。添加4種不同填充料(水泥、礦粉、爐渣粉、回收粉塵)，分別采用取代不同比例(1%、3%、5%分別取代底盤(pán)石粉)，并先行將填充料與瀝青拌合成膠漿，并再制作成馬歇爾試件，進(jìn)行工程性質(zhì)的探討，包含馬歇爾穩(wěn)定度、流值、間接抗拉強(qiáng)度、回彈模量、Cantabro磨耗、車(chē)轍試驗(yàn)與瀝青膠漿試驗(yàn)及分析。

3.1 瀝青

本研究采用中海油生產(chǎn)的70號(hào)道路石油瀝青，其基本物性試驗(yàn)的結(jié)果如表1所示。

表1 瀝青試驗(yàn)結(jié)果Table1 Asphalttestresults針入度/(0．1mm)延度/cm軟化點(diǎn)/℃閃點(diǎn)/℃溶解度/%64．9>1005523899．8

3.2 密級(jí)配瀝青混凝土馬歇爾配比設(shè)計(jì)結(jié)果

本研究根據(jù)馬歇爾配比設(shè)計(jì)方法，依據(jù)瀝青黏結(jié)料以及骨材的物理性質(zhì)結(jié)果，繪制成圖表后，決定出最佳瀝青含量以及骨材級(jí)配，本研究最佳瀝青含量采用5.12%，如表2所示。

表2 馬歇爾配比設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果Table2 Marshallproportioningdesigntestresults最佳瀝青含量/%穩(wěn)定度/kN流值/mmVMA/%VFA/%TSR/%5．1213．462．2914．826691

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

馬歇爾穩(wěn)定度的試驗(yàn)，從ANOVA分析中得知，p-Value值小于顯著水平0.05，說(shuō)明爐渣粉及回收粉塵與礦粉、水泥的穩(wěn)定度有顯著的差異。從圖1可看出: 無(wú)論是取代不同的填充料，其穩(wěn)定度滿足規(guī)范8 kN的要求，其中可發(fā)現(xiàn)使用爐渣粉取代相較于礦粉有良好的表現(xiàn)，但回收粉塵的穩(wěn)定度卻較差。

圖1 各填充料全取代的馬歇爾穩(wěn)定度Figure 1 Filling material to replace all the marshall stability

圖2中發(fā)現(xiàn)隨著取代的比例提高，除了回收粉塵的外穩(wěn)定度都有上升的趨勢(shì)，回收粉塵反而隨取代比例提升，穩(wěn)定度下降，推測(cè)爐渣粉顆粒較礦粉粒徑小，比較接近水泥的粒徑所以對(duì)于瀝青黏結(jié)的效果較好，回收粉塵雖然粒徑也小于礦粉，但穩(wěn)定度卻反而較低，甚至隨著添加比例增加而有下降的趨勢(shì)，推測(cè)因?yàn)榛厥辗蹓m是回收瀝青拌合廠在干燥爐中回收的粉塵，瀝青拌合廠干燥爐是利用重油產(chǎn)生動(dòng)能，所以回收的粉塵難免會(huì)沾上重油，而沾有重油的填充料會(huì)降低瀝青與粒料間的黏結(jié)力。

圖2 各填充料取代不同比例的馬歇爾穩(wěn)定度Figure 2 Filling material instead of different proportion

4.2 馬歇爾流值試驗(yàn)結(jié)果

馬歇爾流值代表瀝青混凝土抵抗塑性變形的能力。流值過(guò)高是表示容易發(fā)生塑性流動(dòng)，反之流度值過(guò)低代表其耐久性較差，瀝青混凝土容易造成龜裂的情形，通常馬歇爾流值試驗(yàn)會(huì)與馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果相互呼應(yīng)。

從ANOVA分析中得知，p-Value值小于顯著水平0.05，說(shuō)明爐渣粉以及回收粉塵與礦粉、水泥的流值有顯著的差異，再者圖3看出:無(wú)論是取代不同的填充料，其流值都有在規(guī)范2～4 mm之間，其中可以發(fā)現(xiàn)取代回收粉塵的流值有明顯較差的情形。

圖4中發(fā)現(xiàn)隨著取代的比例提高，除了回收粉塵之外，流值都有下降的趨勢(shì)，回收粉塵反而隨取代比例提升，流度值卻上升。

圖3 各填充料全取代的馬歇爾流值Figure 3 Filling material to replace all of the Marshall

圖4 各填充料取代不同比例的馬歇爾流值Figure 4 Proportion of different filler to replace marshall flowvalue

4.3 間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從ANOVA分析中得知，p-Value值小于顯著水平0.05，說(shuō)明爐渣粉以及回收粉塵與礦粉、水泥的間接抗拉強(qiáng)度值有顯著的差異。從圖5發(fā)現(xiàn)以爐渣粉取代的瀝青混凝土試件在間接抗拉強(qiáng)度值表現(xiàn)較為優(yōu)秀，反之以回收粉塵取代的間接抗拉強(qiáng)度值明顯較差。

圖6中發(fā)現(xiàn)隨著取代的比例提高，除了回收粉塵之外間接抗拉強(qiáng)度值都有上升的趨勢(shì)，回收粉塵反而隨取代比例提升，間接抗拉強(qiáng)度值卻下降，其中以爐渣粉取代的瀝青混凝土在間接抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)較水泥好，推測(cè)爐渣粉顆?？赡苌晕⒈人嗉?xì)，與瀝青黏結(jié)效果可能較水泥稍佳。

4.4 Cantabro磨耗試驗(yàn)結(jié)果

圖5 各填充料全取代的間接抗拉強(qiáng)度值Figure 5 Indirect tensile strength value of the filling material

從圖7可以發(fā)現(xiàn)不論取代不同的填充料Cantabro磨耗值都無(wú)明顯的差異，并且根據(jù)ANOVA分析中得知，p-Value值大于顯著水平0.05，表示各種不同的填充料取代下并沒(méi)有明顯的差異存在，推論取代不同的填充料對(duì)于Cantabro磨耗值并沒(méi)有直接的影響關(guān)系。

圖7 各填充料全取代的Cantabro磨耗值Figure 7 Filling material to replace all cantabro abrasion value

4.5 回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

從ANOVA分析中得知，p-Value值小于顯著水平0.05，說(shuō)明爐渣粉及回收粉塵與礦粉、水泥的回彈模量值有顯著差異，其中可發(fā)現(xiàn)以爐渣粉取代的瀝青混凝土試件在回彈模量值表現(xiàn)較好(見(jiàn)圖8)，反之以回收粉塵取代的回彈模量值有明顯較差。

圖9中可以發(fā)現(xiàn):隨著取代的比例提高，除了回收粉塵之外回彈模量值都有上升的趨勢(shì)，回收粉塵反而隨取代比例提升，回彈模量值卻下降，顯示出爐渣粉在25°C時(shí)回彈模量表現(xiàn)較佳，回收粉塵則表現(xiàn)較為不良。

圖8 各填充料全取代的回彈模量值Figure 8 Rebound modulus value of each filler

圖9 各填充料取代不同比例的回彈模量值Figure 9 Filling material instead of different proportion ofresilient modulus value

4.6 DSR試驗(yàn)結(jié)果

SHRP規(guī)范建議采用G*/sinδ模擬瀝青黏結(jié)料抗車(chē)轍指標(biāo)，其中高G*值，低δ值表示瀝青黏結(jié)料的勁度高且較具有彈性，即抵抗瀝青黏結(jié)料發(fā)生永久變形能力佳。因G*/sinδ越大表示其抗車(chē)轍能力越佳，故可以透過(guò)判斷公式G*/sinδ，進(jìn)而跟車(chē)轍試驗(yàn)的結(jié)果相互映證。從圖10、圖11可以看出:水泥G*/sinδ較其他各填充料較高，推測(cè)水泥在膠漿下與瀝青拌合膠結(jié)后產(chǎn)生的影響較大。

圖10 各填充料全取代的G*/sinδ值Figure 10 G*/sinδ of each filler

圖11 各填充料取代不同比例的G*/sinδ值Figure 11 proportion of different filler to replace G*/sinδ

4.7 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

從ANOVA分析中得知，p-Value值都小于顯著水平0.05，說(shuō)明爐渣粉以及回收粉塵與礦粉、水泥在動(dòng)穩(wěn)定度上都有顯著的差異，其中可以發(fā)現(xiàn)以爐渣粉取代的瀝青混凝土試件在動(dòng)穩(wěn)定度上表現(xiàn)較為優(yōu)秀，反之以回收粉塵取代的動(dòng)穩(wěn)定度明顯較差。

圖12，圖13中發(fā)現(xiàn)隨著取代的比例提高，除了回收粉塵的外動(dòng)穩(wěn)定度都有上升的趨勢(shì)，回收粉塵反而隨取代比例提升而動(dòng)穩(wěn)定度下降。

圖12 各填充料全取代的動(dòng)穩(wěn)定度Figure 12 Different filling material to replace all the dynamicstability

圖13 各填充料取代不同比例的動(dòng)穩(wěn)定度Figure 13 filling material instead of different proportion ofdynamic stability

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

① 馬歇爾穩(wěn)定度及流值顯示添加爐渣粉，強(qiáng)度確實(shí)會(huì)比添加礦粉表現(xiàn)較好，回收粉塵部分則是隨著比例增加強(qiáng)度下降，但是回收粉塵在取代5%時(shí)，強(qiáng)度仍有12.49 kN，依舊符合規(guī)范的要求，表示其試件強(qiáng)度仍然足夠。

② 間接抗拉強(qiáng)度及回彈模量結(jié)果顯示添加爐渣粉強(qiáng)度增加十分顯著，回收粉塵的強(qiáng)度仍然表現(xiàn)較差，其結(jié)果與上述的馬歇爾穩(wěn)定度與流值試驗(yàn)結(jié)果可以相互呼應(yīng)。

③ Cantabro磨耗試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)添加不同填充料時(shí)，其差異并不明顯，由此推斷添加不同種填充料時(shí)對(duì)于瀝青混凝土磨耗并無(wú)顯著的影響。

④ 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果顯示與上述各工程試驗(yàn)結(jié)果相互呼應(yīng)，回收粉塵雖然表現(xiàn)較差不過(guò)其動(dòng)穩(wěn)定度2 058.80 次/mm，仍有超過(guò)規(guī)范值1 500 次/mm的要求，依然有一定程度的抗車(chē)轍能力。

⑤ DSR膠漿試驗(yàn)中可以看出水泥G*/sinδ數(shù)據(jù)優(yōu)于其他各填充料的膠漿，由此可見(jiàn)水泥對(duì)于瀝青黏結(jié)的效果影響較其他填充料提高其瀝青混凝土工程性質(zhì)影響最顯著。

⑥ DSR膠漿試驗(yàn)G*/sinδ結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)與車(chē)轍試驗(yàn)的趨勢(shì)相近，推測(cè)在相同的級(jí)配條件下，可以透過(guò)膠漿的動(dòng)態(tài)分析結(jié)果以評(píng)估該瀝青混凝土試件車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果。

5.2 建議

① 爐渣粉在各工程性質(zhì)表現(xiàn)中都合于規(guī)范，甚至工程性質(zhì)更優(yōu)于常見(jiàn)的礦粉，雖然其性質(zhì)有略低于水泥，但對(duì)于密級(jí)配瀝青混凝土的鋪筑，強(qiáng)度及抗車(chē)轍能力已足以適用目前國(guó)內(nèi)各地鋪筑使用，建議可以取代3%～5%，除了提升路面本身強(qiáng)度之外，對(duì)于自然礦物的開(kāi)采與廢棄物回收再利用也都有正面效益。

② 回收粉塵雖然強(qiáng)度表現(xiàn)較差，但是取代1%時(shí)其效果并無(wú)明顯的差異，建議若能利用回收粉塵取代1%，對(duì)于環(huán)境仍然有所助益。

③ 本論文研究為取代各種不同填充料，建議可以再將配比更多元化，混合不同種填充料，以其找出更佳的填充料組合。

④ 本論文DSR膠漿試驗(yàn)利用G*及δ數(shù)據(jù)的影響來(lái)推估車(chē)轍，建議可以建立數(shù)據(jù)庫(kù)，找出回歸方程式，讓推估車(chē)轍試驗(yàn)的準(zhǔn)確性提升。

[1] Aanderson,D.A.and Goetz,W.H.“Mechanical Behavior and Reinforcement of Mineral Filler-Asphalt Mixtures”, Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists Vol.42,pp.37-66(2011)

[2] Roberts, F.L., E.Ray Brown, Prithvi S.Kandhal, Dah-Yinn Lee, Thomas W.Kennedy“Hot Mix Asphalt Materials,Mixture Design,and Construction”,NAPA Education Foundation, Laham, Maryland(2013).

[3] Airey, G.D.“Rheological Characteristics of Polymer Modified and Aged Bitumens”, Ph.D. Thesis, Department of Civil Engineering, University of Nottingham, United Kingdom(2013).

[4] Liao, M.C.“Small and Large Strain Rheological and Fatigue Characterisation of Bitumen-Filler Mastics”, Ph.D. Thesis, School of Civil Engineering, University of Nottingham, United Kingdom (2007).

[5] Akhtarhusein A,Tayebali,Glen A,Maipass,and N.paul Khusla,“Effective of Mineral Filler Type and Amount on the Design and Performance of Asphalt Concrete Mixtures”,Transportation Research Board 77thAnnual Meeting January 11-15，Washington,D.C(2013)。

Recycling Powder and Slag Powder Utilization is Applied to the Study of the Hot Mix Asphalt Mixture

ZHOU Chuan

(Chongqing Water Power Vocational Technology College, Chongqing, 402160, China)

This study the evaluation of mineral powder, slag powder and cement and recycling dust filling the engineering properties of dense gradation asphalt concrete, the results showed that adding slag powder instead of 3% to 5% in the Marshall stability, flow value, indirect tensile strength and rutting test in various engineering properties such as performance more superior to frequently use kuangfen, though the nature has slightly lower than that of cement, but for the dense gradation asphalt concrete paving, the strength and ability to resist rutting was enough to apply;While adding recycling dust strength performance is poorer, but recycling dust with mineral powder or cement in replacing 1% when the effect and no obvious difference, the result shows that slag powder and dust recycling is used instead of mineral powder with cement, can reduce the utilization rate of mineral powder and cement, to avoid environmental resources can also help.

asphalt concrete, slag powder, filling material

2015 — 06 — 11

新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助(NCET-14-0276)；江蘇交通科技計(jì)劃進(jìn)步項(xiàng)目(JS2015EEM011)

周 釧(1982 — )，男，重慶永川人，碩士，研究方向：土木工程，項(xiàng)目管理。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0303 — 05