王 凱， 趙福利， 趙 軒

(1.安徽省交通控股集團有限公司， 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)力和混合料的強度迅速提升。但是其早期強度依然較弱，過大的車輛荷載會對冷再生層造成結(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, 是我國主要工業(yè)固體廢棄物之一[6]?；痣娫谖覈茉措娏π枨笊习l(fā)揮著重要作用，是我國電力供應(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法綜合利用，預(yù)計到2020年我國粉煤灰的累計儲量會超過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)濟效益來看，粉煤灰的性價比最高。目前市場水泥價格是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[11]。

鋼渣是煉鋼過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)量來計算，僅在水泥方面就可以減少5億噸礦山的開采，減排4億噸CaO，真正實現(xiàn)冶金渣固廢的全部利用，不僅能大大減少混凝土成本，同時還可以帶來近20億元的收入，具有廣闊的經(jīng)濟和社會效益[16-17]。

1 原材料

1.1 RAP料

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

1.2 水泥

本文采用P·O 42.5的普通硅酸鹽水泥，檢測指標(biāo)見表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)量對于乳化瀝青來說至關(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，基本不會發(fā)生離析。

本文采用的乳化瀝青為上海維實偉克專用的乳化瀝青，相關(guān)檢測指標(biāo)見表3，檢測結(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)成分見表4。

2 級配設(shè)計

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

表5 合成級配結(jié)果

圖1合成級配

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成型和旋轉(zhuǎn)壓實成型，馬歇爾擊實相對容易，但與實際路面碾壓方式差異較大，旋轉(zhuǎn)壓實成型方式更貼近實際路面壓實狀態(tài)[20-21]。本文采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型，壓實次數(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度的養(yǎng)生方式N2，具體見表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%，同時控制拌和與成型溫度為30 ℃。

5 試驗結(jié)果分析

在冷再生混合料養(yǎng)生結(jié)束后，測定空隙率并進行性能試驗，具體的試驗結(jié)果見表7和圖2、圖3。

表6 養(yǎng)生方式簡介

表7 鋼渣及粉煤灰冷再生混合料性能試驗結(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為劈裂強度；IDT2為浸水劈裂強度；DWTSR為干濕劈裂強度比。

(a) 空隙率

(b) 馬歇爾穩(wěn)定度試驗

(c) 劈裂試驗

(d) 浸水穩(wěn)定度試驗

(e) 干濕劈裂試驗

(a) 空隙率

(b) 馬歇爾穩(wěn)定度試驗

(c) 劈裂試驗

(d) 浸水穩(wěn)定度試驗

(e) 干濕劈裂試驗

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

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，并無明顯變化，說明鋼渣和粉煤灰均像水泥一樣，可以作為填料來使用。同時在粉煤灰替代量為25%時，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)定度和劈裂強度隨著粉煤灰和鋼渣替代量的增加而下降，說明粉煤灰和鋼渣并未能提高其早期和中后期的強度，添加量需嚴(yán)格控制；粉煤灰的干濕劈裂強度比和殘留穩(wěn)定度隨著其替代量的增加較鋼渣來說下降較為緩慢，說明粉煤灰作為水泥的一部分替代量其抗水損害性能較好；鋼渣的干濕劈裂強度比和殘留穩(wěn)定度隨著其替代量的增加下降趨勢明顯。當(dāng)替代量為40%時，鋼渣的劈裂強度達到0.5 MPa，剛剛滿足公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范中對冷再生混合料的強度要求，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)過長期的養(yǎng)生其各項性能數(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其馬歇爾穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、劈裂強度和干濕劈裂比的方差分析結(jié)果見表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)計量；P為F值對應(yīng)的概率，顯著性水平為0.05。當(dāng)P<0.05時，表明該因素對試驗結(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，粉煤灰的替代量對粉煤灰冷再生混合料的各項性能均影響顯著，且影響大小按穩(wěn)定度>殘留穩(wěn)定度>劈裂強度>干濕劈裂強度比順序降低，因此要嚴(yán)格控制粉煤灰的替代量。養(yǎng)生方式對穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和劈裂強度影響顯著，而對干濕劈裂強度比的影響不顯著。

由表9可知，鋼渣的替代量對粉煤灰冷再生混合料的各項性能均影響顯著，且影響大小按干濕劈裂強度比>穩(wěn)定度>劈裂強度>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)生方式對穩(wěn)定度和劈裂強度影響顯著，對殘留穩(wěn)定度和干濕劈裂強度比的影響不顯著。

7 結(jié)論

1) 對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、劈裂強度、干濕劈裂強度比在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)生對于冷再生混合料十分重要。

2) 通過方差分析可知，粉煤灰和鋼渣的替代量對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>劈裂強度>干濕劈裂強度比；鋼渣的替代量對其冷再生混合料的影響程度為：干濕劈裂強度比>穩(wěn)定度>劈裂強度>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，當(dāng)粉煤灰替代量為25%時，其馬歇爾強度有所提升，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)。