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

摘 要：為了研究稻殼灰是否能夠作為填料在乳化瀝青冷再生混合料中使用，將不同摻量的稻殼灰和礦粉加入混合料中分別作為試驗組和對照組.采用間接拉伸試驗、低溫劈裂試驗、高溫車轍試驗和凍融劈裂試驗分別測試了混合料的力學性能、低溫性能、高溫性能和水穩(wěn)定性，采用電鏡掃描和EDX能譜分析得到了稻殼灰的微觀結構和主要元素成分.研究結果表明，稻殼灰擁有較大的比表面積、較高的孔隙率和無定形二氧化硅質量分數(shù)，與礦粉相比，稻殼灰 加入冷再生混合料中可以提高其高溫性能和力學性能.為了滿足低溫性能和水穩(wěn)定性的要 求，稻殼灰作為填料的質量分數(shù)不宜超過集料和其他填料質量和的3%.綜合所得結論：在干 旱非嚴寒地區(qū)，稻殼灰加入乳化瀝青冷再生混合料中做道路基層是可行的.

關鍵詞：稻殼灰;乳化瀝青;冷再生混合料;性能試驗;電鏡掃描

中圖分類號：U414? 文獻標志碼：A

Study on Performance of Emulsified Asphalt Cold Recycledmixturemixed with Rice Husk Ash

YAN Kezhen?，YANG Kun，CHEN Guanming，HUANG Shunxin

（College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha410082，China）

Abstract：In order to study whether the rice husk ash can be used as filler in cold recycled emulsified asphaltmixture， different amounts of rice husk ash andmineral powder were added into themixture as experimental group and control group.Themechanical properties， low-temperature properties， high-temperature properties， and water stability of themixture were tested by indirect tensile test， low-temperature splitting test， high-temperature rutting test， and freeze-thaw splitting test， respectively.Themicrostructure andmain elements of rice husk ash were ob-tained by scanning electronmicroscope and EDX energy spectrumanalysis.The results show that rice husk ash has a larger specific surface area， higher porosity， and amorphous silica content.Compared withmineral powder， rice husk ash can improve its high-temperature andmechanical properties when added into the cold regeneratedmixture.In or-der tomeet the requirements of low-temperature performance and water stability， the percentage of rice husk ash as a filler should not exceed3% of aggregate and other fillermass sum.The conclusion is that it is feasible to add rice husk ash into cold recycled emulsified asphaltmixture as the road base in arid and non-cold regions.

Key words：rice husk ash;emulsified asphalt;cold regeneratedmixture;performance test;scanning electronmi-croscope

瀝青路基路面在服務期內損壞或者達到設計年 限已經(jīng)無法滿足正常使用要求，就需要進行維修改 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的公路中均有應用，但是在不同的國家，卻面臨著諸多類似的問題，譬如較低的早期強度、較長的養(yǎng)護時間、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，用于改善路面結構的早期強度、高溫性能、水穩(wěn)性能.

稻殼灰是一種生物質灰，主要成分是未充分燃 燒的碳元素和無定形 SiO2，具有微觀多孔結構，其中含有大量納米尺度的孔隙，比表面積高達50～100m2/g，這 是 其低密 度且 具有高吸 附能力的重 要 原 因 之一[3].當無定形硅的質量分數(shù)較高時，得益于良好的微集料填充效應和類似的火山灰效應，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 料試驗結果進行對比，發(fā)現(xiàn)稻殼灰能明顯提高瀝青 混合料的力學性能、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、價格低廉的優(yōu)勢.近年來，隨著農業(yè)生產(chǎn)技術的進步，稻 谷的產(chǎn)量逐年提升，同時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，會對環(huán)境造成污染，因此稻殼灰在實際生產(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、低溫劈裂試驗、高溫車轍試驗和凍融劈裂試驗對稻殼灰加入乳化瀝青 冷再生瀝青混合料中的各項性能進行測試和研究，并且采用電鏡掃描和EDX能譜實驗對稻殼灰的微觀 結構和元素成分進行分析.

1試驗材料

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

電鏡掃描和EDX能譜分析得到了稻殼灰的微觀 結構和主要成分，采用的設備是電鏡掃描儀 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元素轉化成大量的CO2和CO，散播到空氣中.

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)過初次破碎后運抵實驗室按照試驗 要求進行篩分，從再生集料中抽提出來的舊瀝青的物理性質如表2所示.

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的鹽酸調節(jié)pH，保持 皂液的溫度約為65℃;2）然后將加熱到140℃的70號基質瀝青與皂液，一邊倒入膠體磨中一邊攪拌，約1.5min 制得乳化瀝青.乳化瀝青中基質瀝青、水和乳化劑的比例分別約為63%、34%和2.5%.各項性能指標如表3所示.

礦粉使用的是普通的石灰?guī)r粉.水泥的等級是 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.試驗材料均符合《公路 瀝青路面再生技術規(guī)范》（JTGT 5521—2019）[9]的要 求.稻殼灰和礦粉的篩分試驗結果如表4所示.

2 混合料配合比設計及路用性能試驗

2.1配合比設計

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

在配制乳化瀝青冷再生混合料的時候，需要考慮流體質量分數(shù)的影響.而流體質量分數(shù)同時包括 含水量和乳化瀝青質量分數(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 集料分散不均勻，無法形成密實骨架.含水量過多，超出材料的吸水能力，多余的水分溢出會流失部分細集料顆粒，增加試件的空隙率.而確定最佳乳化瀝青質量分數(shù)的意義在于待乳化瀝青充分破乳，在骨 料之間形成的膠結作用是試件強度的主要來源.乳 化瀝青的質量分數(shù)過少，不能將骨料充分膠結在一 起，骨料之間會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候強度較低，容易成為裂 縫發(fā)展的起點.乳化瀝青的質量分數(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.

利用土工擊實試驗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）和水泥總質量的1.5%、2.5%、3.5%、4.5%和5.5%的含水 量進行試驗，乳化瀝青保持4%不變，就能得到試件的最大干密度.計算干密度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為壓實后的試件含水量，%;m為壓實后的試件質量，g.

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

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量的5%，水泥等活性添 加劑的質量分數(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量和的1%、2%、3%、4%和5% 這 5個摻 量比，水泥控制為1%保持不變.混合料在常溫下進行拌合，不需要對攪拌機和材料進行加熱，拌合過程首先對粗骨料進行濕潤，然后加入細骨料和水，滿 足 最 佳 含 水 量的要 求，再 加入乳 化 瀝青 攪 拌 約1min，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1.5min.

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，對壓實試件的密實度以及空隙率會有一定程度的影響.因此，測定不同稻殼灰（礦粉）摻量標準馬歇 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規(guī)程》（JTG E20—2011）[11]中T0705和T0711的方法，計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

間接拉伸強度（Indirect Tensile Strength，ITS）試 驗使用的是路面強度試驗儀，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的受力狀態(tài)和強度[11].將對照組和實驗組分別進行測試，試驗溫度為（15±0.5）℃，加載速度為50mm/min，記錄測量數(shù)據(jù).公式如下：

式中：RT為試件的劈裂強度值，MPa;PT為試驗測量 值，N;h為試件高度，mm.

瀝青路面在反復承受車輪動態(tài)荷載的條件下，孔隙中的水產(chǎn)生動態(tài)壓力和真空抽吸作用，進入瀝青和集料接觸界面，降低瀝青黏結力，致使瀝青從集 料表面剝離脫落，最終導致路面結構產(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度比，以評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性[11].凍融劈裂試驗強度比計算公式如下：

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.為了模擬瀝青路面在實際工 程應用中的環(huán)境條件，采用車轍試驗來評價它的高溫穩(wěn)定性[14-15].在規(guī)定的溫度及荷載條件下，測定試 驗輪往返行走所形成的車轍變形速率，每產(chǎn)生1mm變形的行走次數(shù)即為動穩(wěn)定度（Dynamic Stability，DS）.計算公式如下：

式中：DS為動穩(wěn)定度，次/mm;d1、d2分別為45min、60min的變形值，mm;C1為試驗機類型系數(shù);C2為試件系數(shù);變形達到25mm時的時間為t2，其前15min為t1.

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

式中：RT-low temperature為低溫劈裂強度值，MPa;PT-low temperature為試驗最大張力值，N;h為試件高度，mm.

3 試驗結果與分析

3.1最佳含水量和最佳乳化瀝青質量分數(shù)的確定

冷再生混合料最佳含水量的數(shù)據(jù)結果如圖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.當含水量增加到一定值時，混合料的干密度達到峰 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集料顆粒.當干密度達到最 大值時，對應的含水量就是最佳含水量[17].經(jīng)過二項 式擬合計算，各個稻殼灰摻量對應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6和圖7 表明，乳化瀝青質量分數(shù)逐漸增加，破乳后在集料表面的裹覆面積會逐漸增大，集料之 間的膠結作用會逐漸增強，因此劈裂強度也呈逐漸 上升的趨勢.試件的劈裂強度達到峰值之后，繼續(xù)增 加乳化瀝青的質量分數(shù)，會導致馬歇爾試件局部瀝青膜的厚度增加，反而會降低試件的劈裂強度.將干濕劈裂強度比進行二項式擬合計算，得到最佳乳化 瀝青質量分數(shù)約為4.4%.

3.2 混合料試件空隙率

對不同摻量下標準馬歇爾試件的空隙率進行測定的數(shù)據(jù)結果如圖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，同等質量分數(shù)下的稻殼灰體 積大于礦粉，因此可以得出結論：稻殼灰作為填料的混合料試件密實度更好.

3.3 路用性能試驗結果與分析

間接拉伸強度試驗的結果如圖9所示：

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度有所提升.摻量大于3%，間接拉伸強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度有明顯提升，但在摻量超過4% 之后，試件的間接 拉伸強度有所回落，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)狀結構，能夠迅速吸收乳化瀝青中的水分，促進破乳進而提高試件的強度.但是稻殼灰的摻量不宜過大，否則會破壞試件的骨架結構.

低溫的試驗結果如圖10所示.隨著稻殼灰和礦 粉摻量的增加，低溫劈裂強度逐漸降低，不過添加礦 粉的馬歇爾試件強度會略高于添加稻殼灰的.本試 驗中，添加礦粉的試件即便摻量達到 5%，低溫劈裂 強度依然可以維持在2.0mPa以上;添加稻殼灰的試件在摻量超過3%以后，低溫劈裂強度逐漸降低到 2.0mPa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，瀝青與集料形成網(wǎng)狀結構之后瀝青中間的灰質成分增加，會降低混合料試件低溫劈裂強度.

凍融劈裂的試驗結果如圖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?shù)V粉加入混合料中作為填料時，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，降低了結構的空隙率，水分難以侵入瀝青和集料的黏結界面，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.

高溫車轍試驗的數(shù)據(jù)結果如圖13所示，試件的動穩(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構的黏滯性，同時減小路面結構的變形，增加其承受荷載的能力.

4 結論

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的各項性能表現(xiàn).得出如下結論：

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

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

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.

參考文獻

[1]李泉，吳超凡.環(huán)氧乳化瀝青冷再生瀝青混合料性能研究[J].硅酸鹽通報，2017，36（1）：57-63.

LI Q，WU C F.Performance of epoxy emulsified asphalt cold re-cycled asphaltmixture[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Soci-ety，2017，36（1）：57-63.（In Chinese）

[2]XIAO F P，YAO S L，WANG J G，et al.A literature review on cold

recycling technology of asphalt pavement[J].Construction and Buildingmaterials，2018，180：579-604.

[3]汪知文，李碧雄.稻殼灰應用于水泥混凝土的研究進展[J].材料導報，2020，34（9）：9003-9011.

WANG Z W，LI B X.Research progress on application of rice husk ash in cement and concrete[J].Materials Reports，2020，34（9）：9003-9011.（In Chinese）

[4]康澤華.稻殼灰對瀝青及瀝青混合料的性能影響研究[D].大連：大連理工大學，2019：16-43.

KANG Z H.Study on the effect of rice husk ash on the perfor-mance of asphalt and asphaltmixture[D].Dalian：Dalian Univer-sity of Technology，2019：16-43.（In Chinese）

[5]姬楓.稻殼灰改性瀝青及瀝青混合料性能研究[J].合成材料老化與應用，2020，49（5）：80-83.

JI F.Study on performance of rice husk ashmodified asphalt and asphaltmixture[J].Syntheticmaterials Aging and Application，2020，49（5）：80-83.（In Chinese）

[6]ARABANIm，TAHAMI S A.Assessment ofmechanical proper-ties of rice husk ashmodified asphaltmixture[J].Construction and Buildingmaterials，2017，149：350-358.

[7]HAN Z Q，SHA Am，TONG Z，et al.Study on the optimumricehusk ash content added in asphalt binder and itsmodification with bio-oil[J].Construction and Buildingmaterials，2017，147： 776-789.

[8]AL-HDABI A.Laboratory investigation on the properties of as-phalt concretemixture with rice husk ash as filler[J].Construc-tion and Buildingmaterials，2016，126：544-551.

[9]公路瀝青路面再生技術規(guī)范：JTGT 5521—2019[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2019：7-9.

Technical specincafions for highway asphalt pavement recycling： JTGT 5521—2019[S].Beijing：China Communications press Co.Ltd.，2019：7-9.（In Chinese）

[10] 公路土工試驗規(guī)程：JTG E40—2007[S].北京：人民交通出版社，2007：132-138.

Testmethods of soils for highway engineering：JTG E40—2007[S].Beijing：China Communications Press，2007：132-138.（In Chinese）

[11] 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程：JTG E20—2011[S].北京：人民交通出版社，2011：204-214.

Standard testmethods of bitumen and bituminousmixtures forhighway engineering（explanation）：JTG E20—2011[S].Beijing： China Communications Press，2011：204-214.（In Chinese）

[12] 苗英豪，王秉綱，李超，等.中國公路瀝青路面水損害氣候影響分區(qū) 方 案[J].長安 大學 學 報（自然 科 學 版），2008，28（1）：26-31.

MIAO Y H，WANG B G，LI C，et al.Climate zoning formoisture damage of asphalt pavements in China[J].Journal of Chang'an University（Natural Science Edition），2008，28（1）：26-31.（In Chinese）

[13]曾夢瀾，朱艷貴，田偉，等.歐洲巖瀝青改性瀝青混合料使用性能試驗研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2017，44（7）：156-161.

ZENGmL，ZHU Y G，TIAN W，et al.Experimental study on per-formance of European rock asphaltmodified asphaltmixture[J].Journal of Hunan University（Natural Sciences），2017，44（7）：156-161.（In Chinese）

[14] 吳玲玲，任其亮，羅莉.公路瀝青混凝土路面材料高溫穩(wěn)定性研究[J].材料導報，2020，34（22）：22083-22086.

WU L L，REN Q L，LUO L.High temperature stability test for as-phalt concrete of pavementmaterials in highway[J].materials Reports，2020，34（22）：22083-22086.（In Chinese）

[15]曾夢瀾，陳偉，朱艷貴，等.布敦巖瀝青濕法工藝摻量對改性瀝青混合料性能的影響[J].湖南大學學報（自然科學版），2018，45（11）：94-101.

ZENGmL，CHEN W，ZHU Y G，et al.Effects of proportion of Buton rock asphalt on performance ofmodified asphaltmixture with wetmethod[J].Journal of Hunan University（Natural Sci-ences），2018，45（11）：94-101.（In Chinese）

[16] 馬宏巖，王東升，馮德成，等.寒冷地區(qū)瀝青路面老化材料的低溫性能評價[J].功能材料，2015，46（24）：24074-24077.

MA H Y，WANG D S，F(xiàn)ENG D C，et al.Verification of low tem-perature performance of asphalt pavement agingmaterial in cold regions[J].Journal of Functionalmaterials，2015，46（24）：24074-24077.（In Chinese）

[17] 彭波，尹志全，李龍剛，等.基于早期抗壓強度的乳化瀝青冷再生混合料配合比設計方法[J].公路交通科技，2020，37（1）：1-9.

PENG B，YIN Z Q，LI L G，et al.Study onmix design of emulsi-fied asphalt cold recycledmixture based on early compression strength[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development，2020，37（1）：1-9.（In Chinese）