廢舊混凝土再生粉料對瀝青混凝土抗水損害性能的影響

萬 里，陳 軍

(湖北交投智能檢測股份有限公司,武漢 430100)

混凝土是基建領(lǐng)域應用最為廣泛的材料之一，因而在舊城改造、基礎設施翻修及重建等過程中產(chǎn)生了大量的廢舊混凝土。將廢舊混凝土塊破碎、篩分制備成再生骨料循環(huán)用于混凝土領(lǐng)域，被認為是高效、高附加值處理廢舊混凝土的前景途徑之一[1]。但再生骨料表面包裹有水泥砂漿，其內(nèi)部存在很多孔隙和裂紋，孔隙及裂縫一方面影響砂漿層與舊骨料表面的粘結(jié)，另一方面也造成再生骨料存在吸水率高、強度低等性能問題[2]。再生骨料的這些性能缺陷也直接影響到再生混凝土的工程性能，因而再生骨料在混凝土中的應用受到限制。對再生骨料進行強化處理是改善其性能缺陷的主要技術(shù)措施[3]。但相應的技術(shù)工藝仍然不成熟，大批量處理再生骨料的成本也比較高。所以急需開發(fā)廢舊混凝土的低成本、高效利用技術(shù)。

構(gòu)成瀝青混凝土的原材料主要有四類：粗集料、細集料、填料和瀝青膠結(jié)料，集料占瀝青混凝土總質(zhì)量的90%以上，填料和瀝青的占比雖然較小，但兩者的作用卻非常重要。膠漿理論認為在瀝青混凝土中真正起粘結(jié)作用的是瀝青膠漿，其主要成分就是填料、瀝青以及細集料中的粉體部分。在實際工程中，最常用的填料為采用石灰石磨制的礦粉，但常常會根據(jù)工程實際情況采用堿性水泥部分或全部替代石灰石礦粉來改善瀝青混凝土的路用性能，例如當面對集料性能不佳、工程抗水損害性能要求高等問題或需求時，會考慮使用這一技術(shù)措施。廢舊混凝土中存在大量硬化的水泥砂漿，因而采用廢舊混凝土加工成的再生粉料理論上應具有高堿性的特征。這為再生粉料作為瀝青混凝土填料使用創(chuàng)造了條件。

綜上，為豐富廢舊混凝土的利用形式，促進其低成本、高效使用，對于采用廢舊石灰石骨料混凝土制備的再生粉料，研究探討了其對瀝青混凝土抗水損害性能的影響。開展了兩方面的工作：采用SEM和XRD分析了再生粉料的微觀特征和礦物成分，從再生粉料的材料特征方面揭示其作為填料使用的適用性；將再生粉料應用于瀝青混凝土中，開展瀝青混凝土的水穩(wěn)定性試驗，研究其對瀝青混凝土抗水損害性能的影響。

1 原材料

研究中使用到兩種填料，一種是作為對照組使用的礦粉，另一種則是再生粉料。制備再生粉料的原材料來源于市政道路重建過程中產(chǎn)生的廢舊混凝土，原骨料為石灰石碎石；采用球磨機將廢舊混凝土塊研磨成再生粉料。此外還使用到玄武巖粗、細集料和AH-90石油瀝青。玄武巖集料、再生粉料和礦粉按照《公路工程集料試驗規(guī)程》進行基本性質(zhì)的測試[4]；AH-90基質(zhì)瀝青按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行基本性質(zhì)的測試[5]。測試結(jié)果分別如表1～表4所示，可見原材料性能指標滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)需求[6]。

表1 粗集料基本物理性能指標

表2 細集料基本物理性能指標

表3 填料基本物理性能指標

表4 瀝青基本物理性能指標

2 試驗方法

采用德國蔡司SEM和荷蘭Empyrean型XRD分別表征再生粉料的微觀形貌特征和礦物相組成，采用的測試樣品均為通過0.075 mm篩孔的粉體。

遵照Superpave設計程序分別設計以石灰石礦粉和再生粉料為填料的兩種瀝青混凝土，后續(xù)分別簡稱為礦粉瀝青混凝土和再生粉料瀝青混凝土。瀝青混凝土的公稱最大粒徑為12.5 mm，原材料的摻配比例為玄武巖粗集料(2.36～19 mm)∶玄武巖細集料(0～2.36 mm)∶填料=66%∶30%∶4%，兩種瀝青混凝土的合成級配曲線如圖1所示，兩者非常一致。采用殘留穩(wěn)定度和劈裂抗拉強度比作為瀝青混凝土抗水損害性能的量化評價指標，其分別采用浸水馬歇爾試驗和凍融循環(huán)試驗進行測定。

3 結(jié)果與討論

SEM分析結(jié)果如圖2所示，可見再生粉料的微觀形貌和常用的石灰石礦粉非常相似。兩者顆粒都呈現(xiàn)出豐富的棱角特征，表面紋理粗糙。且從再生粉料的微觀形貌圖中還可觀察到絮狀物質(zhì)的存在，一部分附著于顆粒的表面，一部分以自由獨立的狀態(tài)存在。該研究所用的再生粉料來源于粉磨廢舊的石灰石混凝土，因而相較于石灰石礦粉，再生粉料除了含有石灰石的成分還含有水泥砂漿的成分。再生粉料中的這些絮狀物質(zhì)和水泥水化產(chǎn)物(C-S-H凝膠)的微觀形貌非常相似，因此推斷其來源于廢舊混凝土的砂漿部分。眾所周知，石灰石的主要礦物相為方解石，成分為CaCO3，因而礦粉的主要成分為CaCO3。再生粉料的XRD分析結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出，相比于礦粉，再生粉料除了含有CaCO3外，還含有較豐富的C-S-H。C-S-H只可能來源于水泥砂漿，因為在水泥混凝土的水化、凝結(jié)、硬化過程中，水泥中硅酸鹽礦物的水化產(chǎn)生了組成非常復雜的C-S-H體系。

顆粒粗糙的微觀形貌以及絮狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)的存在使再生粉料的比表面積比石灰石礦粉大，同時再生粉料因含有較豐富的C-S-H而具有較高的堿性，這些特征有利于再生粉料與瀝青之間的物理及化學作用，改善了瀝青膠漿的穩(wěn)定性以及其與集料的粘結(jié)性能。因而，從材料特征方面考慮，將再生粉料作為瀝青混凝土填料使用具有優(yōu)勢。

瀝青混凝土的浸水馬歇爾試驗和凍融循環(huán)試驗結(jié)果分別見圖4和圖5。結(jié)果顯示，隨著熱水浸水時間的延長和凍融循環(huán)次數(shù)的增加，兩類瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度(RMS)和劈裂抗拉強度比(TSR)總體上均呈現(xiàn)出下降的趨勢，說明采用熱水浸泡和凍融循環(huán)兩類條件模擬水對瀝青混凝土的損害是非常有效的。

具體來看，當浸水時間從24 h逐漸延長至96 h時，普通礦粉瀝青混凝土的RMS從90.2%下降至80.5%，按百分比計RMS下降了約10.8%；再生粉料瀝青混凝土的RMS則從92.3%下降至86.5%，按百分比計RMS下降了約6.3%。說明再生粉料改善了瀝青混凝土耐熱水破壞的能力，且在長時間的熱水破壞下，其產(chǎn)生的改善效果更明顯。瀝青混凝土TSR的變化趨勢類似，當凍融循環(huán)次數(shù)從1次逐漸增加至4次時，普通礦粉瀝青混凝土的TSR從87.3%下降至72.6%，按百分比計TSR下降了約16.9%；再生粉料瀝青混凝土的TSR則從88.3%下降至77.6%，按百分比計下降了約12.1%。說明再生粉料也改善了瀝青混凝土抵抗凍融循環(huán)破壞的能力，且在凍融循環(huán)的持續(xù)破壞下，其產(chǎn)生的改善效果也更明顯。凍融循環(huán)破壞造成的TSR衰減要比熱水浸泡破壞下的RMS衰減更劇烈，這也說明凍融循環(huán)這一破壞條件更嚴苛。

4 結(jié) 論

該研究將廢舊石灰石骨料混凝土加工成再生粉料，從材料特征和瀝青混凝土水穩(wěn)定性方面分析了將再生粉料作為瀝青混凝土填料使用的可行性。

a.再生粉料中，顆粒微觀形貌粗糙且含有絮狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，因而再生粉料的比表面積比石灰石礦粉大；再生粉料因含有豐富的C-S-H而具有較高的堿性。這些特征有利于再生粉料與瀝青之間的作用，可改善瀝青膠漿的穩(wěn)定性以及其與集料的粘結(jié)性能。

b.再生粉料不同程度地提高了瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度和劈裂抗拉強度比，說明將再生粉料作為瀝青混凝土填料使用可改善瀝青混凝土的抗水損害性能。