摻稻殼灰乳化瀝青冷再生混合料性能研究

顏可珍，楊坤，陳冠名，黃順欣

（湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410082）

瀝青路基路面在服務(wù)期內(nèi)損壞或者達(dá)到設(shè)計(jì)年限已經(jīng)無法滿足正常使用要求，就需要進(jìn)行維修改建.舊的瀝青路面經(jīng)過破碎處理，可以作為黑色再生集料，配合相應(yīng)的冷再生工藝，在路基路面中重新攤鋪利用［1-2］.盡可能多地使用再生集料，不僅節(jié)約資源，還解決了大量廢舊路面材料難以處理的問題.乳化瀝青冷再生混合料雖然在不同等級(jí)的公路中均有應(yīng)用，但是在不同的國家，卻面臨著諸多類似的問題，譬如較低的早期強(qiáng)度、較長的養(yǎng)護(hù)時(shí)間、容易開裂等.在中國，常見的解決辦法為在混合料中添加各種輔助性膠結(jié)材料或者礦物填料，例如水泥、粉煤灰、硅灰、礦渣等，用于改善路面結(jié)構(gòu)的早期強(qiáng)度、高溫性能、水穩(wěn)性能.

稻殼灰是一種生物質(zhì)灰，主要成分是未充分燃燒的碳元素和無定形SiO2，具有微觀多孔結(jié)構(gòu)，其中含有大量納米尺度的孔隙，比表面積高達(dá)50～100 m2∕g，這是其低密度且具有高吸附能力的重要原因之一［3］.當(dāng)無定形硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，得益于良好的微集料填充效應(yīng)和類似的火山灰效應(yīng)，稻殼灰可以作為輔助性膠凝材料被用于水泥混凝土和瀝青混合料中［4-5］.總結(jié)Arabani 等［6］和Han 等［7］的成果發(fā)現(xiàn)，作為改性劑，稻殼灰可以顯著改善瀝青材料的高溫性能及流變特性.Al-hdabi 等［8］將以稻殼灰作為填料的瀝青混合料與添加普通硅酸鹽水泥的瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)稻殼灰能明顯提高瀝青混合料的力學(xué)性能、水穩(wěn)定性和耐久性.與粉煤灰、硅灰和礦渣等填料相比，稻殼灰具有生產(chǎn)量大、價(jià)格低廉的優(yōu)勢.近年來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，稻谷的產(chǎn)量逐年提升，同時(shí)剩余的稻殼也逐年增多.由于稻殼灰在自然條件下難以被微生物徹底分解，會(huì)對環(huán)境造成污染，因此稻殼灰在實(shí)際生產(chǎn)生活中的回收再利用逐漸成為許多科研工作者的研究方向.

本文主要采用間接拉伸試驗(yàn)、低溫劈裂試驗(yàn)、高溫車轍試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)對稻殼灰加入乳化瀝青冷再生瀝青混合料中的各項(xiàng)性能進(jìn)行測試和研究，并且采用電鏡掃描和EDX能譜實(shí)驗(yàn)對稻殼灰的微觀結(jié)構(gòu)和元素成分進(jìn)行分析.

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用的是600～800 ℃高溫燃燒后的稻殼灰，外觀如圖1所示，顏色呈灰白色.

圖1 稻殼灰表觀形態(tài)Fig.1 Apparent morphology of rice husk ash

電鏡掃描和EDX能譜分析得到了稻殼灰的微觀結(jié)構(gòu)和主要成分，采用的設(shè)備是電鏡掃描儀S4800，分別如圖2、圖3 和表1 所示.通過2 000 倍和5 000倍電鏡掃描的成像分析發(fā)現(xiàn)，稻殼灰比表面積大，孔隙率較高.而EDX 元素峰譜則說明稻殼灰的主要成分是SiO2，原樣稻殼中的C 元素轉(zhuǎn)化成大量的CO2和CO，散播到空氣中.

圖2 稻殼灰微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of rice husk ash

圖3 稻殼灰元素峰譜Fig.3 Element peak spectrum of rice husk ash

表1 稻殼灰主要元素組成Tab.1 Main elements of rice husk ash

再生集料來自湖南長沙的繞城高速公路，路面銑刨料在工廠經(jīng)過初次破碎后運(yùn)抵實(shí)驗(yàn)室按照試驗(yàn)要求進(jìn)行篩分，從再生集料中抽提出來的舊瀝青的物理性質(zhì)如表2所示.

表2 舊瀝青物理指標(biāo)Tab.2 Physical index of old asphalt

乳化瀝青制作步驟如下：1）首先將慢裂陽離子乳化劑加入純凈水中，混入2 g 的鹽酸調(diào)節(jié)pH，保持皂液的溫度約為65 ℃；2）然后將加熱到140 ℃的70號(hào)基質(zhì)瀝青與皂液，一邊倒入膠體磨中一邊攪拌，約1.5 min 制得乳化瀝青.乳化瀝青中基質(zhì)瀝青、水和乳化劑的比例分別約為63%、34%和2.5%.各項(xiàng)性能指標(biāo)如表3所示.

表3 乳化瀝青物理指標(biāo)Tab.3 Physical index of emulsified asphalt

礦粉使用的是普通的石灰?guī)r粉.水泥的等級(jí)是P·C42.5.新的集料被加入混合料中，與再生集料的比例約為1∶4，用于解決再生集料中粗顆粒較少的問題，增加集料間的摩阻力.試驗(yàn)材料均符合《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTGT 5521—2019）［9］的要求.稻殼灰和礦粉的篩分試驗(yàn)結(jié)果如表4所示.

表4 稻殼灰（礦粉）篩分試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of rice husk ash screening test（mineral powder）

2 混合料配合比設(shè)計(jì)及路用性能試驗(yàn)

2.1 配合比設(shè)計(jì)

由于各國不同地區(qū)工程級(jí)配范圍有較大差異，本次試驗(yàn)根據(jù)湖南省工程情況以及再生規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)［9］，最終確定級(jí)配為中粒式.如圖4所示.

圖4 級(jí)配范圍Fig.4 Grading range

在配制乳化瀝青冷再生混合料的時(shí)候，需要考慮流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響.而流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)同時(shí)包括含水量和乳化瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù).含水量過少，集料之間沒有充分的潤滑作用，難以相互嵌擠在一起，粗細(xì)集料分散不均勻，無法形成密實(shí)骨架.含水量過多，超出材料的吸水能力，多余的水分溢出會(huì)流失部分細(xì)集料顆粒，增加試件的空隙率.而確定最佳乳化瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的意義在于待乳化瀝青充分破乳，在骨料之間形成的膠結(jié)作用是試件強(qiáng)度的主要來源.乳化瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過少，不能將骨料充分膠結(jié)在一起，骨料之間會(huì)存在沒有瀝青包裹的間隙.這些間隙在試件承受外部荷載的時(shí)候強(qiáng)度較低，容易成為裂縫發(fā)展的起點(diǎn).乳化瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過多，試件的一些部位瀝青膜厚度較大，骨料無法很好地嵌擠在一起，形成具有穩(wěn)定支撐作用的骨架，容易產(chǎn)生滑移，造成試件的變形.

利用土工擊實(shí)試驗(yàn)的方法來確定混合料的最佳含水量［10］.分別按照新集料、再生料、礦粉（稻殼灰）和水泥總質(zhì)量的1.5%、2.5%、3.5%、4.5%和5.5%的含水量進(jìn)行試驗(yàn)，乳化瀝青保持4%不變，就能得到試件的最大干密度.計(jì)算干密度ρb的公式如下：

式中：ρb為試件的干密度，g∕cm3；V為試件的體積，cm3；W為壓實(shí)后的試件含水量，%；M為壓實(shí)后的試件質(zhì)量，g.

采用干濕劈裂強(qiáng)度比來確定最佳乳化瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù).保持最佳含水量不變，乳化瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)從3%依次遞增到5%，測得劈裂強(qiáng)度和浸水劈裂強(qiáng)度，計(jì)算浸水劈裂強(qiáng)度比.浸水試驗(yàn)方法為將試件在25 ℃水箱中浸泡23 h，再放到15 ℃水箱中浸泡1 h，然后進(jìn)行劈裂強(qiáng)度測試.

參考再生規(guī)范，混合料中礦粉（稻殼灰）等外加填料的摻量不宜超過集料質(zhì)量的5%，水泥等活性添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過1.5%.本次將稻殼灰作為替代礦粉的填料加入冷再生混合料中，分別為新集料和再生料質(zhì)量和的1%、2%、3%、4%和5%這5 個(gè)摻量比，水泥控制為1%保持不變.混合料在常溫下進(jìn)行拌合，不需要對攪拌機(jī)和材料進(jìn)行加熱，拌合過程首先對粗骨料進(jìn)行濕潤，然后加入細(xì)骨料和水，滿足最佳含水量的要求，再加入乳化瀝青攪拌約1 min，使乳化瀝青能夠均勻裹覆在集料表面，最后加入水泥和礦粉（稻殼灰），攪拌1.5 min.

2.2 混合料體積參數(shù)

冷再生瀝青混合料添加不同的礦物及非礦物填料，對壓實(shí)試件的密實(shí)度以及空隙率會(huì)有一定程度的影響.因此，測定不同稻殼灰（礦粉）摻量標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件的空隙率非常重要.

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）［11］中T0705 和T0711 的方法，計(jì)算空隙率的公式如下：

式中：Vv為空隙率，%；ρb為干密度，g∕cm3；ρm為最大理論密度，g∕cm3.

2.3 路用性能試驗(yàn)

間接拉伸強(qiáng)度（Indirect Tensile Strength，ITS）試驗(yàn)使用的是路面強(qiáng)度試驗(yàn)儀，主要用于測定瀝青混合料在規(guī)定溫度和加載速率下劈裂破壞或處于彈性階段時(shí)的受力狀態(tài)和強(qiáng)度［11］.將對照組和實(shí)驗(yàn)組分別進(jìn)行測試，試驗(yàn)溫度為（15±0.5）℃，加載速度為50 mm∕min，記錄測量數(shù)據(jù).公式如下：

式中：RT為試件的劈裂強(qiáng)度值，MPa；PT為試驗(yàn)測量值，N；h為試件高度，mm.

瀝青路面在反復(fù)承受車輪動(dòng)態(tài)荷載的條件下，孔隙中的水產(chǎn)生動(dòng)態(tài)壓力和真空抽吸作用，進(jìn)入瀝青和集料接觸界面，降低瀝青黏結(jié)力，致使瀝青從集料表面剝離脫落，最終導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凹槽、變形等損害的現(xiàn)象，稱為水損害［12-13］.在規(guī)定條件下對瀝青混合料進(jìn)行凍融循環(huán)，測定混合料試件在受到水損害前后劈裂破壞的強(qiáng)度比，以評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性［11］.凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比計(jì)算公式如下：

式中：TSRFreeze-thaw為凍融劈裂強(qiáng)度比；Pi為第i組試驗(yàn)的荷載值，N；分別為1、2 組間接拉伸強(qiáng)度，MPa；為第i組經(jīng)凍融循環(huán)的間接拉伸強(qiáng)度，MPa；hi為第i組試件高度，mm.

瀝青本身屬于黏彈性材料，它的物理性能受到溫度和車輛荷載的雙重影響.溫度升高，瀝青的黏滯力降低，容易發(fā)生流動(dòng).為了模擬瀝青路面在實(shí)際工程應(yīng)用中的環(huán)境條件，采用車轍試驗(yàn)來評價(jià)它的高溫穩(wěn)定性［14-15］.在規(guī)定的溫度及荷載條件下，測定試驗(yàn)輪往返行走所形成的車轍變形速率，每產(chǎn)生1 mm變形的行走次數(shù)即為動(dòng)穩(wěn)定度（Dynamic Stability，DS）.計(jì)算公式如下：

式中：DS為動(dòng)穩(wěn)定度，次∕mm；d1、d2分別為45 min、60 min 的變形值，mm；C1為試驗(yàn)機(jī)類型系數(shù)；C2為試件系數(shù)；變形達(dá)到25 mm時(shí)的時(shí)間為t2，其前15 min為t1.

瀝青自身的高低溫性質(zhì)差異很大，在溫度較低的環(huán)境中，瀝青的流動(dòng)性變差，混合料試件的低溫抗開裂能力會(huì)逐漸降低.對試件進(jìn)行低溫狀態(tài)下抗開裂的試驗(yàn)分析是瀝青混合料綜合性能評價(jià)中不可缺少的一部分［16］.評價(jià)低溫性能更適合采用低溫劈裂試驗(yàn)，在加載過程中，混合料試件一旦開裂，便會(huì)失去承載能力，荷載壓力值也會(huì)迅速下降.與常溫試驗(yàn)不同的是，低溫劈裂控制試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速度為1 mm∕min.計(jì)算公式如下：

式中：RT-lowtemperature為低溫劈裂強(qiáng)度值，MPa；PT-lowtemperature為試驗(yàn)最大張力值，N；h為試件高度，mm.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 最佳含水量和最佳乳化瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定

冷再生混合料最佳含水量的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5 所示.混合料的干密度首先隨著含水量的增加而增加，呈現(xiàn)緩慢遞增的曲線，材料表現(xiàn)出一定的吸水能力.當(dāng)含水量增加到一定值時(shí)，混合料的干密度達(dá)到峰值，含水量繼續(xù)增加，干密度反而降低.原因可能是水分繼續(xù)增加，超出材料本身的吸水能力，溢出的水反而帶走混合料中的細(xì)集料顆粒.當(dāng)干密度達(dá)到最大值時(shí)，對應(yīng)的含水量就是最佳含水量［17］.經(jīng)過二項(xiàng)式擬合計(jì)算，各個(gè)稻殼灰摻量對應(yīng)的最佳含水量分別約為3.72%、3.83%、3.96%、4.09%、4.17%.由于礦粉的密度較稻殼灰大，體積變化不明顯，添加礦粉作為填料的對照組含水量控制為3.72%，保持不變.

圖5 不同稻殼灰摻量的混合料干密度Fig.5 Optimum water content with different RHA content

圖6 和圖7 表明，乳化瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，破乳后在集料表面的裹覆面積會(huì)逐漸增大，集料之間的膠結(jié)作用會(huì)逐漸增強(qiáng)，因此劈裂強(qiáng)度也呈逐漸上升的趨勢.試件的劈裂強(qiáng)度達(dá)到峰值之后，繼續(xù)增加乳化瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，會(huì)導(dǎo)致馬歇爾試件局部瀝青膜的厚度增加，反而會(huì)降低試件的劈裂強(qiáng)度.將干濕劈裂強(qiáng)度比進(jìn)行二項(xiàng)式擬合計(jì)算，得到最佳乳化瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為4.4%.

圖6 不同乳化瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的間接拉伸強(qiáng)度Fig.6 Indirect tensile strength of different emulsified asphalt content

圖7 不同乳化瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的干濕劈裂強(qiáng)度比Fig.7 Dry-wet strength ratio of different emulsified asphalt content

3.2 混合料試件空隙率

對不同摻量下標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件的空隙率進(jìn)行測定的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8 所示，隨著稻殼灰（礦粉）摻量的增加，混合料的空隙率呈逐漸降低的趨勢，由于礦粉的密度大于稻殼灰，同等質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的稻殼灰體積大于礦粉，因此可以得出結(jié)論：稻殼灰作為填料的混合料試件密實(shí)度更好.

圖8 標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件的空隙率Fig.8 Porosity of standard Marshall specimen

3.3 路用性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果如圖9所示：

圖9 不同稻殼灰（礦粉）摻量混合料的間接拉伸強(qiáng)度Fig.9 ITS of mixture with different content of rice husk ash（mineral powder）

1）在摻量不超過3%的情況下，稻殼灰摻量的增加對馬歇爾試件的間接拉伸強(qiáng)度有所提升.摻量大于3%，間接拉伸強(qiáng)度可能呈逐漸降低的趨勢.

2）礦粉摻量的提高對馬歇爾試件的間接拉伸強(qiáng)度有明顯提升，但在摻量超過4%之后，試件的間接拉伸強(qiáng)度有所回落，這與規(guī)范中礦粉等填料不能超過5%的要求保持一致.

分析原因，稻殼灰作為填料加入混合料中，得益于其非常大的比表面積和空隙率，與瀝青一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠迅速吸收乳化瀝青中的水分，促進(jìn)破乳進(jìn)而提高試件的強(qiáng)度.但是稻殼灰的摻量不宜過大，否則會(huì)破壞試件的骨架結(jié)構(gòu).

低溫的試驗(yàn)結(jié)果如圖10 所示.隨著稻殼灰和礦粉摻量的增加，低溫劈裂強(qiáng)度逐漸降低，不過添加礦粉的馬歇爾試件強(qiáng)度會(huì)略高于添加稻殼灰的.本試驗(yàn)中，添加礦粉的試件即便摻量達(dá)到5%，低溫劈裂強(qiáng)度依然可以維持在2.0 MPa以上；添加稻殼灰的試件在摻量超過3%以后，低溫劈裂強(qiáng)度逐漸降低到2.0 MPa 以下.因此考慮3%作為添加稻殼灰作為填料的摻量上限.瀝青在低溫條件下不容易有高強(qiáng)度的抗拉表現(xiàn)，稻殼灰或者礦粉在混合料中的比例逐漸增加時(shí)，瀝青與集料形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之后瀝青中間的灰質(zhì)成分增加，會(huì)降低混合料試件低溫劈裂強(qiáng)度.

圖10 不同稻殼灰（礦粉）摻量下混合料的低溫劈裂強(qiáng)度Fig.10 Low temperature ITS of mixture with different content of rice husk ash（mineral powder）

凍融劈裂的試驗(yàn)結(jié)果如圖11和圖12所示.隨著稻殼灰摻量的增加，混合料試件凍融TSR 逐漸降低，呈現(xiàn)一條單調(diào)下降的曲線，這說明添加稻殼灰作為填料不利于冷再生混合料的水穩(wěn)定性.而當(dāng)?shù)V粉加入混合料中作為填料時(shí)，隨著摻量的增加，混合料的水穩(wěn)定性先小幅提高再趨于穩(wěn)定.原因可能是礦粉加入冷再生混合料中，降低了結(jié)構(gòu)的空隙率，水分難以侵入瀝青和集料的黏結(jié)界面，使得瀝青不易從集料表面剝離，從而提高了試件抵抗水損害的能力.

圖11 不同稻殼灰摻量的凍融劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度比Fig.11 Freeze-thaw splitting strength and its ratio with different rice husk ash content

圖12 不同礦粉摻量的凍融劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度比Fig.12 Freeze-thaw splitting strength and its ratio with different mineral powder content

高溫車轍試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖13 所示，試件的動(dòng)穩(wěn)定度隨著稻殼灰和礦粉摻量的增加而逐漸提高，呈現(xiàn)單調(diào)上升的趨勢.表明稻殼灰和礦粉作為填料均可以顯著提高混合料試件在高溫下的性能表現(xiàn)，甚至稻殼灰作為填料可能優(yōu)于礦粉.稻殼灰在混合料試件中能夠增加瀝青結(jié)構(gòu)的黏滯性，同時(shí)減小路面結(jié)構(gòu)的變形，增加其承受荷載的能力.

圖13 不同稻殼灰（礦粉）摻量下的動(dòng)穩(wěn)定度Fig.13 Dynamic stability with different content of rice husk ash（mineral powder）

4 結(jié)論

本文主要研究了稻殼灰替代礦粉作為填料加入乳化瀝青冷再生混合料中做道路基層時(shí)的各項(xiàng)性能表現(xiàn).得出如下結(jié)論：

1）稻殼灰的主要成分是SiO2，具有多孔無定形結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，作為填料加入再生路面中有很好的微集料填充效應(yīng)和類似的火山灰效應(yīng).

2）考慮到低溫性能和水穩(wěn)性能，稻殼灰作為填料不應(yīng)超過集料以及其他填料質(zhì)量和的3%.與礦粉相比，稻殼灰加入冷再生混合料中可以改善結(jié)構(gòu)的高溫性能和力學(xué)性能.

3）稻殼灰加入冷再生混合料中對試件的抗水損害性能有不利影響.

綜上所述，在干旱非嚴(yán)寒地區(qū)，稻殼灰作為填料加入乳化瀝青冷再生混合料中是可行的.