瀝青攪拌站回收堿性廢粉對瀝青混合料水穩(wěn)定性影響研究

張?zhí)m峰，鄧再桔，黃海翔

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510650）

瀝青路面因噪音小，行車舒適度高，且后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較低、維修方便，所以瀝青路面在我國得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用[1]。瀝青路面是現(xiàn)行道路結(jié)構(gòu)面層的主要形式，而瀝青攪拌站作為生產(chǎn)瀝青混合料的基地，在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的回收廢粉，大部分顆粒的粒徑小于0.075 mm，導(dǎo)致空氣污染，處理廢粉還會占用大量土地和經(jīng)費(fèi)，是困擾施工企業(yè)的一大難題。以廣東龍川至懷集公路LM2合同段（總長42.974 km）JD5000型瀝青攪拌站基地為研究平臺，開展回收廢粉塵處理及資源化利用的綜合研究。該工程項(xiàng)目需要瀝青混凝土面層共計(jì)13.89萬m3，折算成混凝土33.76萬t（按理論密度2.43 t/m3），實(shí)際生產(chǎn)率為350 t/h，按照每噸混凝土料產(chǎn)生3.34%除塵廢粉計(jì)算，該攪拌站共產(chǎn)生的除塵廢粉1.12萬t。瀝青攪拌站廢粉回收利用是研究廢粉處理方式的主要方向。由于廢粉的粒徑大部分小于0.75 mm，廢粉在瀝青混合料中的應(yīng)用只能用在替代部分填料。國內(nèi)外的大量研究表明，瀝青混合料為了提高瀝青和石料的黏附性，在瀝青混合料中添加堿性填料[2]，故用于瀝青混合料部分填料的廢粉也必須是堿性的，瀝青與集料的黏附性優(yōu)劣直接影響到瀝青路面的使用壽命[3]。廣東屬于夏季高溫，多雨地區(qū)，且交通量較大，對瀝青路面水穩(wěn)定性有較高要求，水損壞是松散、開裂、坑槽等破壞的誘因，影響到車輛行駛的安全性。研究將瀝青攪拌站回收廢粉中的堿性廢粉用于瀝青混合料的部分填料，廢粉主要來自于機(jī)制砂小于0.075 mm部分；少部分來自粗集料在加熱碰撞和二次熱篩過程中產(chǎn)生的粉料，也有可能存在因加熱而變質(zhì)的石粉，廢粉中還含有少量雜質(zhì)。由于廢粉的堿性和清潔度常達(dá)不到《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004礦粉的要求，而影響瀝青與石料的黏附性，為了增加瀝青與石料的黏附性，在摻有回收堿性廢粉的瀝青混合料中，分別加入一定比例的水泥、消石灰、抗剝落劑等外加材料，通過在對摻加廢粉的瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)、飛散試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)，研究這些外加材料對瀝青混合料水穩(wěn)定的影響規(guī)律。

1 原材料

1.1 廢粉化學(xué)性質(zhì)分析

由于瀝青屬于偏酸性結(jié)合料，為保證瀝青與集料的黏附性，礦粉以及資源化利用的廢粉應(yīng)為堿性。對回收廢粉的化學(xué)性質(zhì)檢測，主要是為了檢驗(yàn)回收廢粉的酸堿性，而只有堿性廢粉才可以作為礦粉的一部分添加入瀝青混合料。如表1所示，廢粉中SiO2含量小于52%，為堿性石粉。

表1 廢粉化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)表

1.2 石料的性質(zhì)

集料采用英德長豐石場生產(chǎn)材料，包括10～25 mm、10～20 mm、5～10 mm；細(xì)集料采用英德長豐石場生產(chǎn)的0～3 mm機(jī)制砂。粗集料、細(xì)集料、礦粉的技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2～4所示。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表3 細(xì)集料（機(jī)制砂）技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表4 礦粉技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

制備礦料級配所用的粗集料、細(xì)集料、礦粉均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004要求。

1.3瀝青性質(zhì)

瀝青采用埃索70號A級道路石油瀝青，所有材料經(jīng)過抽檢各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求，各種材料試驗(yàn)結(jié)果見表5。

2 礦料級配設(shè)計(jì)

由于瀝青路面表面層、中面層對瀝青混合料的力學(xué)性能要求嚴(yán)苛，加入廢粉代替部分填料的瀝青混合料只能用于路面下面層或者基層部分。研究采用的瀝青混合料級配為AC-20，選用的礦料級配依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004，各集料篩分級配和不同粒徑礦料配合比例如表6所示。其中礦粉摻入比例為3%。

表5 瀝青技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表6 礦料級配數(shù)據(jù)表

3 最佳瀝青用量與外加劑

廣東地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫且時間較長，降雨量較大，對瀝青路面結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)定性要求嚴(yán)苛。提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性主要是要提高瀝青與石料的黏附性。雖然試驗(yàn)研究所用廢粉屬于堿性，在各種原材料的生產(chǎn)加工過程中不可避免會摻雜一些泥土和變質(zhì)、低強(qiáng)度的巖石粉末，而且集料加熱也會導(dǎo)致粉料的成份發(fā)生變質(zhì)。對于瀝青攪拌站回收堿性廢粉的利用，將其加入到瀝青混合料中代替部分礦粉，這樣會減小有效礦粉的而含量，對瀝青與石料的黏附性會造成不利的影響，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青路面易發(fā)生水損壞。為了既利用堿性廢粉，且不降低瀝青混合料的水穩(wěn)定性，在摻入50%堿性廢粉（占礦粉含量）的瀝青混合料中，分別加入占礦粉質(zhì)量1.5%水泥、占礦粉質(zhì)量1.5%消石灰、和占瀝青質(zhì)量0.4%的PA-1型抗剝落劑。制備標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，分別進(jìn)行浸水穩(wěn)定度試驗(yàn)、飛散試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)，以驗(yàn)證水泥、消石灰、PA-1抗剝落劑對摻有廢粉的瀝青混合料水穩(wěn)定性的作用和提高程度。

3.1 確定摻入廢粉的瀝青混合料最佳瀝青用量

取廢粉在礦粉中摻入比例為50%（廢粉與礦粉的質(zhì)量比），配置礦料，礦料級配如表6所示，取油石比分別為2.9%、3.2%、3.5%、3.8%、4.1%，拌制5種油石比下的瀝青混合料，制備馬歇爾試件，確定不同油石比下馬歇爾試件的表觀密度、礦料間隙率、空隙率、瀝青飽和度、穩(wěn)定度、流值，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004確定最佳瀝青用量時各指標(biāo)要求和確定規(guī)則，得到50%廢粉摻入量下的瀝青混合料最佳瀝青用量為3.8%。

3.2 水泥

已有研究表明，分別以不同比例的水泥代替礦粉進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明采用水泥替代礦粉后可以改善瀝青混合料的凍融劈裂能力、高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性[4]。故在瀝青攪拌站回收廢粉摻入瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)研究中，在瀝青混合料中摻入一定量水泥代替礦粉。在瀝青混合料制備過程中，水泥的摻入采用干摻法，將水泥直接和集料進(jìn)行拌和，讓水泥覆蓋在集料表面，然后再加入瀝青進(jìn)行拌和。試驗(yàn)采用32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，水泥摻量按照1.5%的量代替礦粉填料，廢粉摻入比例為50%，瀝青用量為3.8%。

3.3 消石灰

在瀝青混合料中添加不同劑量的消石灰進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)消石灰會大大改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性[5-6]。試驗(yàn)采用的消石灰為優(yōu)等消石灰，消石灰的摻入亦采用干摻法，將消石灰直接和集料進(jìn)行拌和，讓消石灰覆蓋在集料表面，然后再加入瀝青進(jìn)行拌和，消石灰的摻量按照1.5%的量代替填料，廢粉摻入比例為50%，瀝青用量為3.8%。

3.4 抗剝落劑

在瀝青混合料中加入抗剝落劑是提高混合料水穩(wěn)定的常用措施之一。研究提高摻入廢粉的瀝青混合料水穩(wěn)定性的外加抗剝落劑是PA-1型瀝青抗剝落劑。PA-1型瀝青抗剝落劑是西安公路研究所完成的交通部科研項(xiàng)目《改善瀝青與酸性石料黏附性研究》的成果。根據(jù)已有研究表明：高分子PA-1型瀝青抗剝落劑可將酸性集料與瀝青之間的黏附性由1～2級提高到4～5級，并能全面增強(qiáng)瀝青混合料的水穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性性能，投入少、效果好，是一種酸（中）性粗、細(xì)集料修筑瀝青路面時的添加劑。

表7 PA-1型瀝青抗剝落劑技術(shù)性質(zhì)數(shù)據(jù)表

如表7所示，PA-1型瀝青抗剝落劑摻量比例是瀝青質(zhì)量的0.4%。使用是按比例往熱熔狀瀝青中加入該瀝青抗剝落劑，攪拌均勻即可。廢粉摻入比例為50%，瀝青用量為3.8%。

4 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

4.1 浸水穩(wěn)定度試驗(yàn)

浸水穩(wěn)定度試驗(yàn)用于瀝青混合料設(shè)計(jì)和瀝青路面施工質(zhì)量檢驗(yàn)，用于測試瀝青混合料受水損害時抵抗剝落的能力，檢測瀝青混合料的水穩(wěn)定性。將成型的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件在溫度為60℃的水中，浸水保溫48 h后，采用馬歇爾自動儀進(jìn)行試驗(yàn)，測得浸水穩(wěn)定度。將浸水后穩(wěn)定度與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度做比值得到的殘留穩(wěn)定度作為評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的指標(biāo)之一。

表8 不同廢粉含量瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度數(shù)據(jù)表

浸水殘留穩(wěn)定度是檢測瀝青混合料水穩(wěn)定性的常規(guī)試驗(yàn)，按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004要求潮濕區(qū)浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度要大于80%。根據(jù)表8所示，瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度、浸水穩(wěn)定度都隨著水泥、消石灰、抗剝落劑的加入而增大，外加劑的加入可以增加瀝青混合料的破壞荷載，同時也提高了瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度。水泥和消石灰的摻入量都占礦粉的1.5%，相同摻量下的消石灰要比水泥改善效果好，添加PA-1型抗剝落劑和消石灰均能較大改善瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度比。

4.2 飛散試驗(yàn)

瀝青路面在行車荷載和水的共同作用下會發(fā)生松散破壞，瀝青混合料發(fā)生松散破壞與瀝青、礦料間黏附力有很強(qiáng)關(guān)聯(lián)性[7]。分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)飛散試驗(yàn)和浸水飛散試驗(yàn)以檢驗(yàn)瀝青、石料間的黏附性和瀝青混合料水穩(wěn)定性。試件采用馬歇爾試驗(yàn)方法成型，研究過程采用兩種不同條件的飛散試驗(yàn)來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，兩種飛散試驗(yàn)的試件養(yǎng)生條件如下：標(biāo)準(zhǔn)飛散試驗(yàn)試件在20℃恒溫水槽中養(yǎng)生20 h，浸水飛散試驗(yàn)試件在60℃的恒溫水槽中養(yǎng)生48 h，取出后在室溫下靜置24 h。通過飛散試驗(yàn)得到試驗(yàn)前后試件損失質(zhì)量，于試驗(yàn)前試件質(zhì)量相比，得到飛散損失比，來表征瀝青混合料水穩(wěn)定性，結(jié)果見表9。

表9 不同廢粉含量瀝青混合料的飛散試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

摻有50%堿性回收廢粉的瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)飛散損失和浸水飛散損失都隨著水泥、消石灰、抗剝落劑的加入而減小，水泥、消石灰、抗剝落劑的而加入可以改善瀝青與石料間的黏附性。相比于水泥，相同摻量下的消石灰對于飛散損失減小的程度更高，且抗剝落劑對于飛散損失減小的程度最大。

4.3 凍融劈裂試驗(yàn)

凍融劈裂是檢驗(yàn)瀝青混合料抵抗高溫融化、低溫凍結(jié)后的力學(xué)變化試驗(yàn)，可以體現(xiàn)瀝青混合料的抗凍性和水穩(wěn)定性。對摻入不同含量廢粉的瀝青混合料進(jìn)行凍融循環(huán)，對比混合料試件受到水損壞前后劈裂強(qiáng)度，以評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，將試件在恒溫冰箱中冷凍16 h，冷凍溫度為-18℃；之后將試件取出，立即放入60℃恒溫水槽中，保溫24 h。將未冷凍與冷凍后試件浸入溫度為25℃的恒溫水槽中不小于2 h。劈裂試驗(yàn)加載速度為50 mm/min，分別測定未冷凍試件和冷凍后試件劈裂強(qiáng)度。

表10 不同廢粉含量瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表10可得，水泥、消石灰、抗剝落劑均可提高冷凍前、后摻有50%堿性回收廢粉的瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度，1.5%含量水泥對于凍融劈裂強(qiáng)度比的提高有限，略超過《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004要求潮濕區(qū)凍融劈裂比的要求，消石灰、PA-1型抗剝落劑對凍融劈裂強(qiáng)度比的提高更有效，其中PA-1型抗剝落效果最好。

水泥、消石灰加入瀝青混合料作為部分填料，改善其水穩(wěn)定性的原因是瀝青呈現(xiàn)弱酸性[8]。在高分子類抗剝落劑出現(xiàn)以前，主要使用石灰、水泥等無機(jī)材料改善瀝青混合料的抗剝落性能，提高混合料水穩(wěn)性。消石灰和水泥都是堿性材料，消石灰屬于強(qiáng)堿性的主要成分是Ca(OH)2。當(dāng)瀝青中的羧酸與氫氧化鈣、水泥中的堿性成分接觸發(fā)生反應(yīng)時，生成具有較強(qiáng)吸附性的產(chǎn)物，提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。水泥、消石灰加入瀝青混合料提高其水穩(wěn)定的方法，對于摻有回收廢粉的瀝青混合料的水穩(wěn)定性提高依然有效。在浸水穩(wěn)定度試驗(yàn)、飛散試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果中，相比于水泥、消石灰，加有PA-1型抗剝落劑的瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比最大，且飛散損失最小，表明PA-1型抗剝落劑對于摻有回收廢粉的瀝青混合料的水穩(wěn)定性改善效果最好。PA-1型瀝青抗剝落劑，是使用酸（中）性粗、細(xì)集料的瀝青路面摻加的材料[9]，抗剝落劑的加入使加強(qiáng)石料表面和瀝青的物理吸附，并且產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使瀝青在石料表面形成更強(qiáng)的粘結(jié)，從而達(dá)到改善瀝青路面水穩(wěn)定性能的效果。

5 總結(jié)

水泥、消石灰、抗剝落劑加入摻有瀝青攪拌站回收堿性廢粉的瀝青混合料，可以提高瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度、凍融前后劈裂強(qiáng)度比和降低飛散損失，有利于提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。相同摻量的消石灰對摻有瀝青攪拌站回收堿性廢粉的瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度、凍融前后劈裂強(qiáng)度比的提高程度、飛散損失降低的程度均比水泥的更好。即消石灰對摻有堿性廢粉的瀝青混合料的水穩(wěn)定性更有利。

相比于水泥、消石灰，加有PA-1型抗剝落劑的瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比是最大的，且飛散損失最小，表明PA-1型抗剝落劑對于摻有回收廢粉的瀝青混合料的水穩(wěn)定性改善效果最好。