粉煤灰及鋼渣在冷再生混合料中的應(yīng)用

王 凱， 趙福利， 趙 軒

(1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司， 合肥 230000； 2.東南大學(xué)， 南京 211189)

乳化瀝青冷再生技術(shù)是一種節(jié)能、環(huán)保的綠色低碳技術(shù)，近些年在交通運(yùn)輸行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。冷再生技術(shù)一般適用于一二級(jí)公路的中下面層[2-3]，它是將路面舊料銑刨后，添加水泥、水和乳化瀝青等再生劑進(jìn)行再生[4]。冷再生工程在攤鋪碾壓完之后需要一定的養(yǎng)生期，在養(yǎng)生期內(nèi)，冷再生混合料中的水泥與水進(jìn)行水化反應(yīng)，乳化瀝青在破乳、石料之間的粘結(jié)力和混合料的強(qiáng)度迅速提升。但是其早期強(qiáng)度依然較弱，過(guò)大的車輛荷載會(huì)對(duì)冷再生層造成結(jié)構(gòu)性破壞，甚至造成二次返工。因此，冷再生工程在養(yǎng)生期內(nèi)一般需要封閉交通，避免早期荷載破壞的產(chǎn)生[5]。

粉煤灰又稱飛灰，是煤炭燃燒后隨煙氣從鍋爐尾部排出，經(jīng)收塵設(shè)備收集的固體顆粒, 是我國(guó)主要工業(yè)固體廢棄物之一[6]?；痣娫谖覈?guó)能源電力需求上發(fā)揮著重要作用，是我國(guó)電力供應(yīng)的主力電源和基礎(chǔ)電源, 粉煤灰排放量隨發(fā)電量的增加而增加[7]。目前，我國(guó)粉煤灰的綜合利用率在70%左右, 但依然每年有上億噸粉煤灰無(wú)法綜合利用，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)粉煤灰的累計(jì)儲(chǔ)量會(huì)超過(guò)30億噸[8-9]。煤灰的化合物組分主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等，其外觀類似水泥，顏色介于乳白色-灰黑色。粉煤灰常用在建筑工程和水泥工業(yè)中，現(xiàn)也用于各種新型環(huán)保材料中[10]。 從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，粉煤灰的性價(jià)比最高。目前市場(chǎng)水泥價(jià)格是320元/t, 而粉煤灰的成本是30元/t, 將混凝土中的摻合料替換成粉煤灰, 不僅能夠節(jié)省成本，還能為產(chǎn)能、環(huán)保做出貢獻(xiàn)[11]。

鋼渣是煉鋼過(guò)程中一種黑色的廢棄物[12]，其化學(xué)組成隨煉鋼原料和工藝的不同波動(dòng)較大,其主要成分包括CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、FeO和P2O5[13]。鋼渣現(xiàn)在作為一種節(jié)能環(huán)保材料也開(kāi)始得到人們的重視，并逐漸應(yīng)用于道路交通行業(yè)[14-15]。若將混凝土中的摻合料替換成鋼渣，按照2014年的水泥產(chǎn)量來(lái)計(jì)算，僅在水泥方面就可以減少5億噸礦山的開(kāi)采，減排4億噸CaO，真正實(shí)現(xiàn)冶金渣固廢的全部利用，不僅能大大減少混凝土成本，同時(shí)還可以帶來(lái)近20億元的收入，具有廣闊的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[16-17]。

1 原材料

1.1 RAP料

采用冷再生工程專用的銑刨機(jī)進(jìn)行銑刨，控制銑刨速度在4 m/min～6 m/min對(duì)原瀝青路面進(jìn)行單車道的銑刨取樣，確保RAP料的真實(shí)性與客觀性[18]?，F(xiàn)場(chǎng)取回的RAP料先放入60 ℃烘箱烘干2 h后再進(jìn)行篩分。為了能夠精準(zhǔn)控制冷再生混合料的級(jí)配，本文將銑刨料再篩分成粗、中、細(xì)3檔來(lái)調(diào)整級(jí)配，見(jiàn)表1。

1.2 水泥

本文采用P·O 42.5的普通硅酸鹽水泥，檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 銑刨料篩分結(jié)果

表2 水泥性能指標(biāo)

1.3 乳化瀝青

乳化瀝青在常溫下為棕褐色的液體，由基質(zhì)瀝青、水、穩(wěn)定劑、乳化劑等原材料組成[19]，乳化劑的質(zhì)量對(duì)于乳化瀝青來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，質(zhì)量較好的乳化劑能夠使基質(zhì)瀝青均勻地分散于皂液中，且有良好的穩(wěn)定性和耐久性，基本不會(huì)發(fā)生離析。

本文采用的乳化瀝青為上海維實(shí)偉克專用的乳化瀝青，相關(guān)檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表3，檢測(cè)結(jié)果滿足技術(shù)要求。

1.4 粉煤灰及鋼渣

本文所使用粉煤灰及鋼渣的化學(xué)成分見(jiàn)表4。

2 級(jí)配設(shè)計(jì)

冷再生混合料的級(jí)配對(duì)冷再生工程十分關(guān)鍵，它決定了混合料是否形成骨架結(jié)構(gòu)，同時(shí)也對(duì)乳化瀝青的含量有巨大影響。本文選用中粒式級(jí)配CIR-20，3檔RAP料的比例為粗∶中∶細(xì)=30∶32∶36，得到的合成級(jí)配見(jiàn)表5，級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

表3 乳化瀝青性能指標(biāo)

表4 粉煤灰及鋼渣組成成分檢測(cè)結(jié)果

表5 合成級(jí)配結(jié)果

圖1合成級(jí)配

Fig.1 Diagram of the synthetic gradation

3 成型方式

目前冷再生混合料常用的成型方式為馬歇爾擊實(shí)成型和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型，馬歇爾擊實(shí)相對(duì)容易，但與實(shí)際路面碾壓方式差異較大，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方式更貼近實(shí)際路面壓實(shí)狀態(tài)[20-21]。本文采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型，壓實(shí)次數(shù)為30次。

4 養(yǎng)生條件

《江蘇省乳化瀝青就地冷再生技術(shù)應(yīng)用指南》中規(guī)定的養(yǎng)生方式為常溫12 h，60 ℃烘箱48 h，再常溫養(yǎng)生12 h，現(xiàn)在提出一種代表早期強(qiáng)度的養(yǎng)生方式N2，具體見(jiàn)表6。本文成型的冷再生混合料油石比為3.3%,水泥用量為2.2%，最佳含水率為4.01%，同時(shí)控制拌和與成型溫度為30 ℃。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

在冷再生混合料養(yǎng)生結(jié)束后，測(cè)定空隙率并進(jìn)行性能試驗(yàn)，具體的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7和圖2、圖3。

表6 養(yǎng)生方式簡(jiǎn)介

表7 鋼渣及粉煤灰冷再生混合料性能試驗(yàn)結(jié)果

注：Vc為空隙率；MS1為馬歇爾穩(wěn)定度；MS2為浸水馬歇爾穩(wěn)定度；RS為殘留穩(wěn)定度；IDT1為劈裂強(qiáng)度；IDT2為浸水劈裂強(qiáng)度；DWTSR為干濕劈裂強(qiáng)度比。

(a) 空隙率

(b) 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

(c) 劈裂試驗(yàn)

(d) 浸水穩(wěn)定度試驗(yàn)

(e) 干濕劈裂試驗(yàn)

(a) 空隙率

(b) 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

(c) 劈裂試驗(yàn)

(d) 浸水穩(wěn)定度試驗(yàn)

(e) 干濕劈裂試驗(yàn)

1) 由圖2、圖3可知，當(dāng)不添加粉煤灰和鋼渣時(shí)，冷再生混合料的各項(xiàng)性能均優(yōu)于添加粉煤灰和鋼渣的時(shí)候。因此，添加粉煤灰和鋼渣來(lái)替代水泥對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的性能并無(wú)提升。

2) 由圖2(a)、圖3(a)可知，隨著鋼渣和粉煤灰替代量的增加，混合料的空隙率穩(wěn)定在9.3%～10%之間，并無(wú)明顯變化，說(shuō)明鋼渣和粉煤灰均像水泥一樣，可以作為填料來(lái)使用。同時(shí)在粉煤灰替代量為25%時(shí)，空隙率有明顯下降，這可能是粉煤灰中SiO2和Al2O3與水泥水化的產(chǎn)物發(fā)生了二次反應(yīng)，填補(bǔ)了混合料中的空隙所致。

3) 隨著粉煤灰和鋼渣替代量的增加，相關(guān)性能指標(biāo)均有一定程度的下降。其中馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度隨著粉煤灰和鋼渣替代量的增加而下降，說(shuō)明粉煤灰和鋼渣并未能提高其早期和中后期的強(qiáng)度，添加量需嚴(yán)格控制；粉煤灰的干濕劈裂強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度隨著其替代量的增加較鋼渣來(lái)說(shuō)下降較為緩慢，說(shuō)明粉煤灰作為水泥的一部分替代量其抗水損害性能較好；鋼渣的干濕劈裂強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度隨著其替代量的增加下降趨勢(shì)明顯。當(dāng)替代量為40%時(shí)，鋼渣的劈裂強(qiáng)度達(dá)到0.5 MPa，剛剛滿足公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范中對(duì)冷再生混合料的強(qiáng)度要求，因此要嚴(yán)格控制鋼渣的替代量在40%以內(nèi)。

4) 由表7可以看出，養(yǎng)生方式N1下的混合料各項(xiàng)性能均優(yōu)于養(yǎng)生方式N2，由此可知，乳化瀝青冷再生混合料經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的養(yǎng)生其各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)均有所提升。

6 方差分析

養(yǎng)生方式和粉煤灰與鋼渣的替代量對(duì)其馬歇爾穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度和干濕劈裂比的方差分析結(jié)果見(jiàn)表8、表9。其中，SS為離差平方和；DOF為自由度；MS為均方差；F為F分布的統(tǒng)計(jì)量；P為F值對(duì)應(yīng)的概率，顯著性水平為0.05。當(dāng)P<0.05時(shí)，表明該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響。

表8 粉煤灰乳化瀝青冷再生混合料性能方差分析結(jié)果

表9 鋼渣乳化瀝青冷再生混合料性能方差分析結(jié)果

由表8可知，粉煤灰的替代量對(duì)粉煤灰冷再生混合料的各項(xiàng)性能均影響顯著，且影響大小按穩(wěn)定度>殘留穩(wěn)定度>劈裂強(qiáng)度>干濕劈裂強(qiáng)度比順序降低，因此要嚴(yán)格控制粉煤灰的替代量。養(yǎng)生方式對(duì)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度影響顯著，而對(duì)干濕劈裂強(qiáng)度比的影響不顯著。

由表9可知，鋼渣的替代量對(duì)粉煤灰冷再生混合料的各項(xiàng)性能均影響顯著，且影響大小按干濕劈裂強(qiáng)度比>穩(wěn)定度>劈裂強(qiáng)度>殘留穩(wěn)定度順序降低，因此要嚴(yán)格控制鋼渣的替代量。養(yǎng)生方式對(duì)穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度影響顯著，對(duì)殘留穩(wěn)定度和干濕劈裂強(qiáng)度比的影響不顯著。

7 結(jié)論

1) 對(duì)于鋼渣和粉煤灰的再生混合料5種性能指標(biāo)，即空隙率、馬歇爾穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度、干濕劈裂強(qiáng)度比在N1養(yǎng)生條件下的性能均優(yōu)于N2養(yǎng)生條件下的，說(shuō)明冷再生混合料的中后期性能優(yōu)于早期性能，因此早期的養(yǎng)生對(duì)于冷再生混合料十分重要。

2) 通過(guò)方差分析可知，粉煤灰和鋼渣的替代量對(duì)其冷再生混合料的路用性能影響均顯著，應(yīng)嚴(yán)格控制其替代量。粉煤灰的替代量對(duì)其冷再生混合料的影響程度為：穩(wěn)定度>殘留穩(wěn)定度>劈裂強(qiáng)度>干濕劈裂強(qiáng)度比；鋼渣的替代量對(duì)其冷再生混合料的影響程度為：干濕劈裂強(qiáng)度比>穩(wěn)定度>劈裂強(qiáng)度>殘留穩(wěn)定度。

3) 參考《江蘇省乳化瀝青就地冷再生技術(shù)應(yīng)用指南》中的性能指標(biāo)，在使用粉煤灰和鋼渣替代部分水泥時(shí)，當(dāng)粉煤灰替代量為25%時(shí)，其馬歇爾強(qiáng)度有所提升，其余路用性能均有所下降，因此建議粉煤灰控制量在25%以內(nèi)；添加鋼渣后，混合料的所有性能均有所下降，建議嚴(yán)格控制鋼渣的替代量在40%以內(nèi)。