肖慶一，封仕杰，孫立東，陳向偉

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401；3.天津市交通工程綠色材料技術(shù)工程中心，天津 300401)

0 引 言

舊路結(jié)構(gòu)再生技術(shù)，是將需要翻修或廢棄的道路結(jié)構(gòu)材料，經(jīng)過翻挖、回收、破碎、篩分、摻加專用再生劑或無機(jī)、有機(jī)新結(jié)合料，重新拌和形成的達(dá)到規(guī)范路用性能標(biāo)準(zhǔn)的再生混合料，且用于鋪筑路面面層或基層的整套技術(shù)[1]。舊路結(jié)構(gòu)再生對環(huán)境保護(hù)、自然資源的循環(huán)利用、能源的可持續(xù)發(fā)展有重要的研究價值。與傳統(tǒng)的道路工程維修養(yǎng)護(hù)方案相比，舊路結(jié)構(gòu)再生技術(shù)可以回收瀝青、礦物材料等自然資源，在保護(hù)環(huán)境的同時可以降低工程成本40%左右、減少填料、保持道路原有幾何形狀、縮短工期、減少因鋪筑造成交通延誤等原因造成的損失。所以近年來，舊路結(jié)構(gòu)再生技術(shù)受到廣泛關(guān)注[2]。

國外已有的研究中，荷蘭對廢舊二灰穩(wěn)定碎石材料再生研究和應(yīng)用最早。2001年荷蘭政府對廢舊二灰穩(wěn)定碎石材料的回收量高達(dá)1 500萬噸，回收率高達(dá)90%[3]。日本由于國土面積較小，資源相對匱乏，對廢舊材料研究較早且較為完善。上世紀(jì)七十年代，日本就已經(jīng)頒布了《再生骨料和再生混凝土使用規(guī)范》，同時在日本各大城市建起了廢舊材料處理及再生利用的工廠[4]。近年來，美國、韓國和歐洲一些發(fā)達(dá)國家對廢舊道路基層材料的再生研究主要體現(xiàn)在對再生骨料和再生二灰穩(wěn)定碎石的基本性能方面[5]。我國對廢舊基層材料的研究起步較晚，2008年我國頒布實(shí)施的《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》對廢舊瀝青混合料和廢舊半剛性基層材料的再利用起到了良好的指導(dǎo)作用。天津制堿廠早在上世紀(jì)八十年代就與天津建筑設(shè)計研究院等單位合作，對堿渣替代黃土作為建筑的填墊材料進(jìn)行試驗，研究發(fā)現(xiàn)在堿渣中摻入粉煤灰及黃土可以達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度，作為填墊材料使用[6]；侯永利等[7]對堿渣摻入瀝青混合料后的性能進(jìn)行試驗，研究發(fā)現(xiàn)堿渣在瀝青混合料中的分散效果良好，可以改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和抗剝落性能；孫冰等[8]在淤泥土中摻入堿渣并輔以水泥和廢舊混凝土等進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)改性后的淤泥土強(qiáng)度高、性能好、可滿足路基填土的要求等。

筆者結(jié)合現(xiàn)有研究成果，以堿渣、石灰、粉煤灰、半剛性基層銑刨料為原材料，制備二灰-堿渣穩(wěn)定半剛性再生基層并研究其路用性能，旨在為廢舊半剛性基層材料在我國道路工程中的應(yīng)用，提供一定參考價值和理論依據(jù)。

1 試驗原材料及方法

1.1 原材料

1.1.1 石 灰

試驗使用天津某白灰廠生產(chǎn)的消石灰，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 消石灰檢測結(jié)果

鈣鎂石灰中MgO含量大于4%為鎂質(zhì)消石灰，MgO含量小于等于4%為鈣質(zhì)消石灰。經(jīng)過測試可以看出，試驗所用石灰屬于I級鎂質(zhì)消石灰。

1.1.2 粉煤灰

試驗使用的粉煤灰由天津某粉煤灰廠提供，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 粉煤灰測試結(jié)果

經(jīng)過測試可以看出，試驗所用的粉煤灰滿足規(guī)范的各項技術(shù)要求，可以使用。

1.1.3 堿 渣

試驗使用的堿渣由河北省唐山市某制堿廠提供，其化學(xué)組分見表3。

表3 堿渣的化學(xué)組分

由表3可以看出，堿渣的主要化學(xué)組分為CaCO3、CaO、Ca(OH)2、CaSO4、CaCl2等，含水率為50%～70%的情況下平均pH=12.6。試驗用堿渣烘干磨細(xì)后，顆粒直徑控制在小于等于0.075 mm方孔篩備用，其平均粒徑為19.65 μm，比表面積為423 m2/kg。

1.1.4 舊 料

試驗使用的舊料為團(tuán)唐公路路面大修工程中產(chǎn)生的基層銑刨料，其技術(shù)指標(biāo)見表4。

表4 舊料測試結(jié)果

1.2 試驗方法

首先，依照表5給出的配合比做成φ150 mm×h150 mm的圓柱型試件，放到溫度為20±2 ℃、相對濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)[9]，如圖1。按JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》進(jìn)行齡期為7、28、90、180 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和室內(nèi)抗壓回彈模量試驗，研究不同配合比下二灰-堿渣穩(wěn)定再生基層的力學(xué)性能。

表5 石灰、粉煤灰、堿渣和舊料的不同配比

圖1 試驗所需的標(biāo)準(zhǔn)試件

2 測試結(jié)果分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果與分析

二灰-堿渣再生半剛性基層材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如表6。

表6 二灰-堿渣再生半剛性基層材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果

根據(jù)表6中的試驗結(jié)果可以看出，二灰-堿渣再生半剛性基層材料前期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比二灰再生半剛性基層材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大，但是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，最終二灰-堿渣再生半剛性基層材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度小于二灰再生半剛性基層材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。筆者從堿渣摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響和養(yǎng)護(hù)齡期對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響兩個方面對二灰-堿渣再生半剛性基層材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié)分析。

2.1.1 堿渣摻量對二灰-堿渣再生半剛性基層材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

堿渣摻量對二灰-堿渣再生半剛性基層材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖2。

圖2 堿渣摻量與二灰-堿渣再生半剛性基層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

根據(jù)表6和圖2可以看出，養(yǎng)護(hù)齡期在28 d之前，隨著堿渣摻量從0增加至5%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增大，且在堿渣摻量3% 時增長量最大。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到90 d之后，隨著堿渣摻量從0增加至5%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)增長的趨勢。這是由于，堿渣中含有大量的CaCO3，隨著堿渣摻量在一定范圍內(nèi)的增加，整體CaCO3的含量增加，CaCO3生成的纖維狀及晶簇狀的文石和方解石可以融合在膠結(jié)物之中增加試件的強(qiáng)度。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，參與化學(xué)反應(yīng)的CaO含量減少，導(dǎo)致與粉煤灰生成的膠結(jié)物含量下降，且堿渣含量越多，石灰含量越少，因此，養(yǎng)護(hù)后期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著堿渣的增加呈負(fù)增長趨勢。

2.1.2 養(yǎng)護(hù)齡期對二灰-堿渣再生半剛性基層材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

養(yǎng)護(hù)齡期對二灰-堿渣再生半剛性基層材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖3。

根據(jù)表6和圖3可以看出，在相同的堿渣摻量下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期7～180 d的變化，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增大。此外，在各個堿渣摻量下，養(yǎng)護(hù)前28 d，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長較快，養(yǎng)護(hù)28～180 d的過程中，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長速度逐漸變緩。并且，堿渣摻量越高，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度前期增長越快，最終強(qiáng)度均小于不摻堿渣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。這是由于，堿渣中含有大量的CaCO3，CaCO3是文石和方解石的主要組成部分，化學(xué)膠結(jié)物間纖維狀及晶簇狀的文石和方解石可以增加試件的前期強(qiáng)度。由于堿渣的增加，石灰含量減少，石灰中CaO含量下降，隨著時間的推移，CaO與粉煤灰反應(yīng)生成膠結(jié)物含量降低，其后期強(qiáng)度也趨于穩(wěn)定，且小于不摻堿渣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖3 養(yǎng)護(hù)齡期與二灰-堿渣再生半剛性基層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

2.2 抗壓回彈模量試驗結(jié)果與分析

抗壓回彈模量是路基或路面在荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力與其相應(yīng)的回彈應(yīng)變的比值，是我國半剛性基層材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一[10]。路面基層的抗壓回彈模量應(yīng)與其剛度相匹配，不宜太大或太小[11]。影響半剛性材料抗壓回彈模量的因素很多，比如，級配、壓實(shí)度、舊料用量和結(jié)合料含量等等[12]。

再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量試驗結(jié)果如表7。

表7 再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量試驗結(jié)果

根據(jù)表7可以看出，不同堿渣摻量下二灰-堿渣再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量均隨著齡期的增長而增大。28 d前二灰-堿渣再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量隨著堿渣的增加而增大；28 d后隨著堿渣的增加二灰-堿渣再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量先增加再減小，最終小于不摻加堿渣的半剛性再生基層材料的抗壓回彈模量。

2.2.1 堿渣摻量對二灰-堿渣再生半剛性基層材料抗壓回彈模量的影響

堿渣摻量對二灰-堿渣再生半剛性基層材料抗壓回彈模量的影響見圖4。

根據(jù)表7和圖4可以看出，與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有類似的變化趨勢。養(yǎng)護(hù)齡期在28 d之前，隨著堿渣摻量從0增加至5%，抗壓回彈模量不斷增大，且在堿渣摻量3% 時增長量最大。7 d的養(yǎng)護(hù)齡期下抗壓回彈模量增加量為71 MPa；28 d的養(yǎng)護(hù)齡期下抗壓回彈模量的增加量為47 MPa。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到90 d之后，隨著堿渣摻量從0增加至5%，抗壓回彈模量呈現(xiàn)負(fù)增長的趨勢。

圖4 堿渣摻量與二灰-堿渣再生半剛性基層抗壓回彈模量的關(guān)系

2.2.2 養(yǎng)護(hù)齡期對二灰-堿渣再生半剛性基層材料抗壓回彈模量的影響

養(yǎng)護(hù)齡期對二灰-堿渣再生半剛性基層材料抗壓回彈模量的影響如圖5。

根據(jù)表7和圖5可以看出，不同堿渣摻量下的二灰-堿渣再生半剛性基層隨著養(yǎng)護(hù)齡期7～180 d的變化，抗壓回彈模量不斷增大。從增長量看，不同堿渣摻量的再生材料均在28 d前抗壓回彈模量增長量最大；整個養(yǎng)護(hù)期間不摻加堿渣的再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量增長量大于摻加堿渣的再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量增長量。從增長率看，不同堿渣摻量的再生半剛性基層材料前28 d的增長率均超過28 MPa/d，遠(yuǎn)大于28 d后的6 MPa/d 及90 d后的2 MPa/d；3% 堿渣摻量以內(nèi)的再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量增長率均大于1 MPa/d；整個養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，摻加堿渣的再生半剛性基層材料增長率均小于不摻加堿渣的再生半剛性基層材料增長率，且5% 堿渣摻量的再生半剛性基層材料的增長率最小。

圖5 不同再生材料抗壓回彈模量隨齡期變化曲線

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量的關(guān)系

通過2.1、2.2節(jié)的分析可以看出，二灰-堿渣再生半剛性基層材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與對應(yīng)的抗壓回彈模量有著相似的變化規(guī)律。為了深入研究無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量之間的關(guān)系(表8)，對原始試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合方程及其參數(shù)如式(1)：

y=a+bx

(1)

根據(jù)表8可以看出，不同堿渣摻量再生半剛性基層材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量均相關(guān)性良好，且相關(guān)性系數(shù)R2均大于0.9。表明二灰-堿渣再生半剛性基層材料的抗壓回彈模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有著相同的變化趨勢，在已知無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的情況下可以通過擬合得到的方程來預(yù)測對應(yīng)的抗壓回彈模量值。

表8 不同再生材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量關(guān)系的相關(guān)數(shù)值

2.4 堿渣摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量的影響

為了得到堿渣摻量每增加 1% 對不同齡期下再生混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量的影響關(guān)系，對堿渣摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量進(jìn)行擬合，得到的結(jié)果如圖6～圖9。

圖6 7 d下堿渣摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量的擬合

圖7 28 d下堿渣摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量的擬合

圖8 90 d下堿渣摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量的擬合

圖9 180 d下堿渣摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量的擬合

由圖6～圖9可以看出，不同堿渣摻量對再生半剛性基層材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量均有著良好的相關(guān)性，且相關(guān)性系數(shù)R2均大于0.9。表明可以對不同齡期下二灰-堿渣再生半剛性基層材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與抗壓回彈模量隨著堿渣代替石灰摻量的增加進(jìn)行預(yù)測，有利于工程實(shí)踐中對堿渣摻量進(jìn)行控制。

3 強(qiáng)度形成原理分析

3.1 機(jī)理分析

結(jié)合試驗以及相關(guān)文獻(xiàn)的研究，可以從骨料的相互嵌擠作用和石灰、堿渣、粉煤灰的化學(xué)反應(yīng)等角度對二灰-堿渣穩(wěn)定半剛性再生基層的再生機(jī)理進(jìn)行分析。

3.1.1 骨料的相互嵌擠作用

骨料含量較少時分散在石灰堿渣粉煤灰結(jié)合料中，起到一定的增強(qiáng)作用但是效果并不明顯。隨著骨料含量的增加，骨料逐漸相互嵌擠摩擦，形成骨架，石灰堿渣粉煤灰結(jié)合料填充在骨料中間將石灰粉煤灰與骨料粘結(jié)成為一個整體，強(qiáng)度大幅度提高。隨著骨料含量不斷增加，石灰堿渣粉煤灰結(jié)合料含量下降，不能很好地填充到骨料形成的骨架中間，使石灰堿渣粉煤灰與骨料粘結(jié)能力下降，強(qiáng)度再次減小。

3.1.2 石灰粉煤灰的化學(xué)反應(yīng)

消石灰主要由Ca(OH)2組成，加水后可溶解并產(chǎn)生電解：

Ca(OH)2=Ca2++2OH-

(2)

電解反應(yīng)生成OH-離子，使混合料液相呈現(xiàn)堿性環(huán)境，為其他反應(yīng)提供必備的環(huán)境。

在堿性環(huán)境下，Ca(OH)2與空氣以及粉煤灰中的CO2發(fā)生碳化反應(yīng)：

Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O

(3)

該反應(yīng)生成堅硬的CaCO3晶體，與粉煤灰相互膠結(jié)，提高粉煤灰固化性能的同時提高了整體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

由于混合料中水分不足，Ca(OH)2不能完全溶解，部分飽和Ca(OH)2在石灰粉煤灰環(huán)境下膠結(jié)并逐漸結(jié)晶：

Ca(OH)2+nH2O→Ca(OH)2·nH2

(4)

同時，Ca(OH)2膠體與粉煤灰玻璃體表面的SiO2、Al2O3逐漸反應(yīng)生成硅酸鈣和鋁酸鈣的復(fù)合物，它們相互咬合并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使石灰粉煤灰結(jié)合料的粘結(jié)能力增強(qiáng)。

mCa(OH)2+SiO2+nH2O→mCaO·SiO2·(m+n)H2O

(5)

yCa(OH)2+Al2O3+nH2O→yCaO·Al2O3·(y+n)H2O

(6)

3.1.3 摻入堿渣后的化學(xué)反應(yīng)

堿渣中的CaCO3以方解石和文石等礦物結(jié)構(gòu)存在，具有較強(qiáng)的吸水能力，混合料整體的水分減小，溶液的pH值相對變大，堿性增強(qiáng)，可以加快激活粉煤灰中SiO2、Al2O3的活性，生成N—A—S—H結(jié)構(gòu)。同時CaCO3質(zhì)地堅硬，可以作為細(xì)骨料顆粒填充孔隙，增加強(qiáng)度，改善穩(wěn)定性。堿渣中的CaSO4具有一定的微膨脹性能，可以很好的改善混合料的抗收縮性能。溶液中大量Ca2+的存在可以與粉煤灰反應(yīng)生成C—S—H凝膠產(chǎn)物，為N—A—S—H的形成提供形核位置，且CaCl2和Ca(OH)2的存在可以減小混合料內(nèi)部孔隙的連通性，增加結(jié)合物的質(zhì)量，使其很好地覆蓋在骨料顆粒表面，從而改善混合料的整體性，提高整體強(qiáng)度。

n(SiO2·Al2O3)+nSiO2+4nH2O→(—Si—O—Al—O—Si—O)

(7)

3.2 XRD試驗分析

為了更好地確定摻加堿渣后混合料內(nèi)部成分的變化，分析了成分變化對強(qiáng)度形成的影響程度。對未摻加堿渣和堿渣代替石灰摻量為3%的二灰-堿渣穩(wěn)定半剛性再生基層混合料養(yǎng)護(hù)7 d和90 d的試樣進(jìn)行XRD試驗，試驗結(jié)果如圖10～1圖13。

圖10 7 d下未摻加堿渣的XRD衍射譜

圖11 7 d下堿渣摻量3% 的XRD衍射譜

圖12 90 d下未摻加堿渣的XRD衍射譜

圖13 90 d下堿渣摻量3% 的XRD衍射譜

從圖10～1圖13的衍射譜可以看出，未摻加堿渣與摻加堿渣的再生基層混合料在7 d和90 d齡期下的主要物質(zhì)均為CaCO3、Ca(OH)2、CaMg(CO3)2、SiO2。但是，養(yǎng)護(hù)7 d的情況下，摻加堿渣后的生成物多了Al2Si3O5(OH)4·2H2O，該物質(zhì)是高嶺石和莫來石的成分。此外摻加堿渣后的CaCO3含量增多，因此養(yǎng)護(hù)前期摻加堿渣后再生基層的力學(xué)性能有所提高。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期到90 d時，CaCO3、Ca(OH)2、CaMg(CO3)2、SiO2等主要物質(zhì)的生成量增加，且有如Al6Si2O13等新物質(zhì)的生成，因此隨著齡期的增長，再生基層的力學(xué)強(qiáng)度不斷增大。未摻加堿渣的再生基層生成物含量比摻加堿渣后生成物含量多，故養(yǎng)護(hù)后期未摻加堿渣的再生基層力學(xué)性能更好。

4 結(jié) 論

1)在養(yǎng)護(hù)齡期的前28 d，隨著堿渣摻量的增加，二灰-堿渣穩(wěn)定半剛性再生基層的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量均不斷增大，且在堿渣摻量小于3%時，增加量較大，超過3%增加量趨于平緩；在養(yǎng)護(hù)齡期超過28 d后，隨著堿渣摻量的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量逐漸減小，且在堿渣摻量超過3%時，減小量增大，最終小于不摻堿渣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量。因此堿渣代替石灰的最佳摻量范圍為1%～3%。

2)二灰-堿渣穩(wěn)定半剛性再生基層的抗壓回彈模量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著堿渣摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的變化呈現(xiàn)出相似的變化趨勢。在得到無側(cè)限抗壓強(qiáng)度或抗壓回彈模量后，可以通過擬合得出的方程對另一值進(jìn)行預(yù)測。堿渣摻量的增加對再生基層的力學(xué)強(qiáng)度的影響呈二次曲線關(guān)系，工程中可根據(jù)堿渣摻量對力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測，以達(dá)到最佳效果。

3)骨料間的相互嵌擠對二灰穩(wěn)定半剛性再生基層骨架結(jié)構(gòu)影響較大，直接影響其力學(xué)性能和抗收縮性能的強(qiáng)弱。石灰、堿渣與粉煤灰反應(yīng)所形成的Ca(OH)2·H2O、CaO·Al2O3·H2O和CaO·SiO2·H2O等復(fù)合物互相咬合形成有一定粘結(jié)強(qiáng)度的膠凝化合物，可以使骨料與結(jié)合料整體粘結(jié)，力學(xué)性能和抗收縮性能均有較大的提高。