摻加BFS的乳化瀝青冷再生混合料路用性能研究

楊 漣，徐周聰，周浩南，王全磊，王火明，蔣文鵬

(1. 南寧市交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530021； 2. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067； 3. 云南大永高速公路建設(shè)指揮部，云南 大理 671000)

0 引 言

高爐礦渣(blast furnace slag, BFS)是冶煉生鐵時(shí)排出的一種廢渣。目前，BFS再次利用的方法不多且利用率不高，大量的BFS只能閑置堆積，占用大量土地并嚴(yán)重污染環(huán)境[1-2]。積極開拓BFS的應(yīng)用范圍無疑將會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益[3-5]。就材料需求方面看，道路工程屬于高能耗型行業(yè)。因此，在道路領(lǐng)域?qū)で驜FS合理有效的利用途徑具有重要研究意義。

國(guó)外對(duì)于BFS研究應(yīng)用從19世紀(jì)便已開始。德國(guó)人最早發(fā)現(xiàn)BFS可與石灰混合產(chǎn)生膠凝效果，并在堿性條件下激發(fā)水硬活性；之后BFS更被廣泛用于生產(chǎn)硅酸鹽水泥、改善混凝土和易性、污水處理等方面[6-11]。國(guó)內(nèi)對(duì)BFS的研究起步較晚，且最初只將其用于生產(chǎn)水泥，直到20世紀(jì)末才作為混凝土外加劑使用[12-13]。將BFS用于乳化瀝青冷再生混合料，以改善其路用性能的相關(guān)研究還很鮮見。針對(duì)現(xiàn)在瀝青早期強(qiáng)度低等特點(diǎn)，水泥在乳化瀝青冷再生技術(shù)中的應(yīng)用曾在世界范圍內(nèi)被廣泛研究[14]。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)乳化瀝青冷再生技術(shù)研究仍處于起步階段。直到2007年，同濟(jì)大學(xué)孫立軍教授課題組才首次將乳化瀝青冷再生技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于高速公路上。乳化瀝青冷再生混合料多集中于纖維、聚合物改性技術(shù)或施工技術(shù)方面的研究，對(duì)礦渣粉乳化瀝青冷再生混合料的研究還較少[15-18]。

筆者基于乳化瀝青冷再生技術(shù)，將BFS應(yīng)用于乳化瀝青冷再生混合料中。一方面可合理利用BFS，實(shí)現(xiàn)廢物的資源化利用；另一方面，通過摻加BFS，可改善乳化瀝青冷再生混合料路用性能。通過對(duì)乳化瀝青冷再生混合料干濕劈裂強(qiáng)度與凍融劈裂強(qiáng)度對(duì)比，探究了BFS乳化瀝青再生混合料可行的利用方式，并對(duì)摻入BFS后的乳化瀝青冷再生混合料路用性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 材料與配比

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 高爐礦渣

高爐礦渣(blast furnace slag, BFS)是以硅酸鈣、鋁酸鈣為主要成分的熔融物，其他礦物有硅酸二鈣、鈣鋁黃長(zhǎng)石、鎂黃長(zhǎng)石及鈣長(zhǎng)石等。從化學(xué)成分看，BFS屬于硅酸鹽質(zhì)材料，其中：SiO2、CaO、Al2O3含量約占礦渣總量的90%以上，此外還存在少量硫化物。BFS具有一定活性，其活性不僅僅取決于它的化學(xué)成分，而且還取決于冷卻條件。根據(jù)冷卻條件不同將礦渣分為兩類，熔融礦渣流出后經(jīng)空氣緩慢冷卻得到的是塊狀高爐礦渣；經(jīng)水淬急冷得到的是?；郀t礦渣。?；郀t礦渣(granulated blast furnace slag, GBFS)是目前BFS中的主要類型，一般經(jīng)過干燥后摻入少量其他組分(如石膏等)并研磨到一定細(xì)度，就可得到高爐礦渣粉，簡(jiǎn)稱礦渣粉。

筆者主要采用上海寶山鋼鐵公司生產(chǎn)的S95級(jí)?；郀t礦渣粉進(jìn)行試驗(yàn)研究，礦渣粉及普通硅酸鹽水泥的主要成分分別如表1、表2。

表1 寶鋼BFS主要成分組成Table 1 Main components of Baosteel BFS

表2 普通硅酸鹽水泥主要成分組成Table 2 Main components of ordinary portland cement

礦渣粉至關(guān)重要的3項(xiàng)物理性能指標(biāo)是密度、含水量與細(xì)度(比表面積)。本研究所用BFS物理指標(biāo)如表3。

表3 BFS物理指標(biāo)Table 3 BFS physical index

1.1.2 乳化瀝青

乳化瀝青作為冷再生混合料中的黏結(jié)劑，其性能優(yōu)劣將嚴(yán)重影響再生混合料性能。筆者采用由美國(guó)美德維實(shí)偉克公司生產(chǎn)的陽離子慢裂乳化瀝青，如表4。

表4 乳化瀝青的技術(shù)要求及檢測(cè)結(jié)果Table 4 Technical requirements and test results of emulsified asphalt

1.1.3 再生瀝青混合料(RAP)

本研究所用廢舊瀝青路面材料來自寶鋼廠區(qū)道路。根據(jù)翻挖破碎情況，將其篩分為0～10 mm和10～30 mm兩檔集料，其中有少量粒徑超過31.5 mm的顆粒，為防止試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散，將這些顆粒過篩去除。采用干篩法得到的篩分結(jié)果見表5。

表5 寶鋼RAP材料篩分結(jié)果Table 5 Baosteel RAP material screening results

1.2 試樣配比

乳化瀝青冷再生混合料的配合比：0～10 mm RAP為60%；10～30 mm RAP為40%；乳化瀝青為3.5%；水泥為1.5%。BFS的再生利用研究以此配合比為試驗(yàn)基礎(chǔ)，礦渣粉和水泥在配制集料時(shí)加入?；谠偕梅椒☉?yīng)盡可能方便有效原則，筆者設(shè)計(jì)了兩種方案依次進(jìn)行試驗(yàn)。方案1為直接替代水泥使用；方案2是以消石灰為激發(fā)劑替代水泥使用。其中，乳化瀝青和水泥為外摻方式加入。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 BFS再生利用方式

2.1.1 直接摻入

筆者本次研究設(shè)計(jì)了3種配合比進(jìn)行干、濕劈裂強(qiáng)度(ITS)試驗(yàn)，比較了水泥與BFS在混合料中的作用，如表7。其中：濕劈裂強(qiáng)度是指在已達(dá)規(guī)定穩(wěn)定溫度恒溫水槽中保溫48 h試件的劈裂強(qiáng)度，乳化瀝青規(guī)定溫度為(25±1)℃。

從表6可知：在3種配比下，混合料干濕劈裂強(qiáng)度差別較小，最大差值不足0.02 MPa。這是由于混合料在干燥狀態(tài)下，強(qiáng)度主要來源于瀝青的膠結(jié)作用與骨架的支撐作用，當(dāng)混合料級(jí)配與瀝青用量相同時(shí)，其他因素對(duì)干濕劈裂強(qiáng)度影響較小，辨析度低。當(dāng)各組試件干濕劈裂強(qiáng)度比均超90%時(shí)，該值遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)要求，這也說明這3種乳化瀝青冷再生混合料均具有優(yōu)良的水穩(wěn)定性能。從干濕劈裂強(qiáng)度結(jié)果來看，BFS替換水泥存在一定可行性。

表6 干濕劈裂強(qiáng)度Table 6 Dry and wet splitting strength

筆者又進(jìn)行了浸水條件更為苛刻的凍融劈裂試驗(yàn)，如表7。

表7 凍融劈裂強(qiáng)度Table 7 Freeze thaw splitting strength

從表7來看：未凍融試件的劈裂強(qiáng)度數(shù)值相近，差值不足0.200；而凍融后劈裂強(qiáng)度則存在較大的性能差異。對(duì)照組和摻加BFS的混合料強(qiáng)度較低，且TSR值不滿足技術(shù)要求；摻加水泥的實(shí)驗(yàn)組則表現(xiàn)出較好的性能。這說明添加水泥可提高混合料強(qiáng)度，且大幅提高了混合料水穩(wěn)定性；而BFS則會(huì)降低混合料水穩(wěn)定性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)論，筆者分析了BFS摻量對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度影響，如圖1。結(jié)果表明：BFS對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性不利。隨著摻量的增大，水穩(wěn)定性繼續(xù)緩慢下降，故直接摻入BFS的方案并未有效地激發(fā)其活性。

圖1 不同BFS摻量下的凍融劈裂強(qiáng)度Fig. 1 Freeze-thaw splitting strength of different BFS content

2.1.2 以消石灰做激發(fā)劑

消石灰是氫氧化鈣粉末狀固體，可形成堿性液相，可能能成為激發(fā)劑，且其價(jià)格低廉，有大規(guī)模應(yīng)用的潛力。消石灰作為激發(fā)劑主要是為了增強(qiáng)礦渣粉活性指數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[19]，活性指數(shù)被定義為同齡期的膠砂抗壓強(qiáng)度與對(duì)比膠砂抗壓強(qiáng)度的比值，表征礦渣粉強(qiáng)度形成的速度與程度。在沒有消石灰情況下，BFS無法形成強(qiáng)度，這里主要采用在加入消石灰后礦渣粉強(qiáng)度來體現(xiàn)其活性。

為驗(yàn)證消石灰作為堿性激發(fā)劑的可行性。筆者測(cè)定了BFS摻加消石灰后的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，如圖2。

圖2 不同消石灰摻量下BFS的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度Fig. 2 Flexural strength and compressive strength of BFS with different contents of slaked lime

由于未摻加消石灰的BFS試件完全無法硬化成型，故將其強(qiáng)度記為0。試驗(yàn)結(jié)果表明：在沒有消石灰情況下，BFS根本無法形成強(qiáng)度，消石灰的加入確實(shí)激發(fā)了它的潛在活性，并且消石灰摻量為20%時(shí)是比較合適的。摻加消石灰后BFS試件強(qiáng)度開始形成，隨著消石灰摻量增加，強(qiáng)度總體保持上升趨勢(shì)；當(dāng)消石灰摻量超過20%時(shí)增幅趨緩，其中30%和40%摻量的試件強(qiáng)度已非常接近，這表明消石灰摻量需合適，并非越多越好。

在乳化瀝青冷再生混合料中，筆者采用20%摻量的消石灰為激發(fā)劑進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)研究，如圖3。

由圖3可看出：這4個(gè)試驗(yàn)組的劈裂強(qiáng)度、干濕劈裂強(qiáng)度差別均較小，只有凍融劈裂強(qiáng)度的差異較為明顯。其中，以消石灰做BFS激發(fā)劑和摻加水泥的實(shí)驗(yàn)組，凍融劈裂強(qiáng)度相差僅0.11 MPa，且均高于其余兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組0.05～0.06 MPa。由此可見，以消石灰為激發(fā)劑能有效發(fā)揮BFS活性，該再生利用方案可行。

圖3 不同配合比下的干濕與凍融劈裂強(qiáng)度Fig. 3 Dry and wet splitting strength and freeze-thaw splitting strength under different mix proportions

筆者進(jìn)一步分析了在該方式下BFS摻量變化對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的性能影響。當(dāng)消石灰摻量為BFS的20%時(shí)，如表8。

表8 不同BFS摻量下的凍融劈裂強(qiáng)度Table 8 Freeze-thaw splitting strength with different BFS content

在消石灰的激發(fā)作用下，隨著BFS摻量增加，乳化瀝青混合料強(qiáng)度與水穩(wěn)定性不斷提高，但當(dāng)摻量超過2.0%后增幅明顯減小，從材料成本及性價(jià)比方面考慮，BFS摻量不高于2.0%較為合適。另外，與水泥類似，過高的BFS摻量可能會(huì)導(dǎo)致乳化瀝青冷再生結(jié)構(gòu)層的剛度偏高，不利于其耐久性。因此，筆者將摻入1.5%水泥的冷再生技術(shù)方案(方案1)和摻下入1.5%BFS+0.3%清石灰方案(方案2)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

2.2 性能評(píng)價(jià)

2.2.1 40 ℃馬歇爾穩(wěn)定度、流值

馬歇爾穩(wěn)定度、流值是瀝青路面混合料設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)和最常用的性能指標(biāo)，反映了瀝青混合料在一定溫度下的綜合強(qiáng)度。通常馬歇爾穩(wěn)定度、流值的試驗(yàn)溫度為60 ℃，但考慮到冷再生混合料一般用在基層，使用溫度沒有面層熱拌瀝青混合料那么高，故試驗(yàn)溫度為40 ℃，經(jīng)過6次試驗(yàn)的結(jié)果如表9。

表9 馬歇爾穩(wěn)定度與流值Table 9 Marshall stability and flow value

試驗(yàn)顯示，摻加BFS或水泥的乳化瀝青冷再生混合料40 ℃穩(wěn)定度、流值基本一致，且40 ℃穩(wěn)定度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足文獻(xiàn)[20]中不小于5.0 kN的要求，性能優(yōu)良。

2.2.2 60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度

動(dòng)穩(wěn)定度體現(xiàn)了瀝青混合料在高溫條件下抵抗永久變形的能力。動(dòng)穩(wěn)定度采用車轍試驗(yàn)測(cè)定，其板塊試件長(zhǎng)300 mm、寬300 mm、厚50 mm。試驗(yàn)溫度為60 ℃，輪壓0.7。車轍板采用60 ℃、養(yǎng)生48 h后二次碾壓成型，經(jīng)過6次試驗(yàn)的結(jié)果如表10。

表10 車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 10 Rutting test results

由表10可知：在該最佳配合比下，乳化瀝青冷再生混合料摻入水泥或BFS后，動(dòng)穩(wěn)定度差異不大，且均滿足文獻(xiàn)[21]中對(duì)夏天炎熱地區(qū)普通瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度不小于800次/mm的要求。其中，摻加BFS后混合料的動(dòng)穩(wěn)定度略高于摻加水泥后，在一定程度上說明BFS在受消石灰激發(fā)后更能大幅提高混合料抗車轍能力。

2.2.3 60 ℃抗剪強(qiáng)度

抗剪強(qiáng)度反映的是瀝青混合料抵抗剪切破壞的能力，通常采用單軸貫入試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)。本次試驗(yàn)條件為：采用Φ(100×100)mm試件，壓頭直徑為28.5 mm，剪應(yīng)力系數(shù)f=0.339；考慮到道路中車輛荷載越接近靜載瀝青混合料力學(xué)響應(yīng)越不利，選取加載速率為1 mm/min；試驗(yàn)溫度為60 ℃，經(jīng)過6次試驗(yàn)后的結(jié)果如表11。

表11 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 11 Shear strength test results

瀝青混合料抗剪強(qiáng)度大小還沒有相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，乳化瀝青冷再生混合料抗剪強(qiáng)度更缺乏相關(guān)研究參考。本試驗(yàn)在于對(duì)比摻加水泥和BFS后的乳化瀝青冷再生混合料的抗剪性能。由表12可見：其抗剪性能基本一致，說明BFS所起的增強(qiáng)作用與水泥相當(dāng)。

2.2.4 單軸壓縮試驗(yàn)

單軸壓縮試驗(yàn)主要用于測(cè)定瀝青混合料抗壓回彈模量，同時(shí)也可測(cè)定混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)用于計(jì)算路表回彈彎沉的抗壓回彈模量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度為20 ℃，用于驗(yàn)算層底彎拉應(yīng)力抗壓回彈模量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度為15 ℃。圓柱體試件直徑(100±2.0)mm、高(100±2.0)mm，使用旋轉(zhuǎn)成型方法制作，自然養(yǎng)生7 d以上。本次試驗(yàn)采用MTS分別在20、15 ℃下完成，加載速率為2 mm/min，溫度與加載速率控制精確，試驗(yàn)結(jié)果如表12。

表12 乳化瀝青混合料單軸壓縮試驗(yàn)Table 12 Uniaxial compression test of emulsified asphalt mixture

根據(jù)文獻(xiàn)[20]，粗粒式乳化瀝青冷再生混合料抗壓回彈模量設(shè)計(jì)參數(shù)參考值為：15 ℃為1 000～1 400 MPa，20 ℃為800～1 200 MPa。本試驗(yàn)結(jié)果均處于參考值內(nèi)，且摻加BFS或水泥后的乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度性能接近，其中BFS乳化瀝青混合料模量值略低于水泥乳化瀝青混合料。

3 結(jié) 論

筆者通過對(duì)比直接摻加BFS和以消石灰做激發(fā)劑摻加BFS的兩個(gè)乳化瀝青冷再生技術(shù)方案對(duì)比試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1)摻加1.5%BFS+0.3%消石灰和摻加1.5%水泥乳化瀝青冷再生混合料的路用性能十分接近，這表明在乳化瀝青冷再生混合料中添加BFS是可行性的。

2)對(duì)乳化瀝青冷再生混合料而言，干濕劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)無法有效地反映其水穩(wěn)定性差異，建議采用凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)來評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性。

3)在乳化瀝青冷再生混合料中用BFS直接替代水泥，會(huì)降低混合料水穩(wěn)定性；但采用1.5%BFS+0.3%消石灰激發(fā)劑后，可使混合料具備與1.5%水泥基本相當(dāng)?shù)母邷匦阅?、水穩(wěn)定性及強(qiáng)度性能。