粉煤灰及钢渣在冷再生混合料中的应用

王 凯， 赵福利， 赵 轩

(1.安徽省交通控股集团有限公司， 合肥 230000； 2.东南大学， 南京 211189)

乳化沥青冷再生技术是一种节能、环保的绿色低碳技术，近些年在交通运输行业得到了广泛应用[1]。冷再生技术一般适用于一二级公路的中下面层[2-3]，它是将路面旧料铣刨后，添加水泥、水和乳化沥青等再生剂进行再生[4]。冷再生工程在摊铺碾压完之后需要一定的养生期，在养生期内，冷再生混合料中的水泥与水进行水化反应，乳化沥青在破乳、石料之间的粘结力和混合料的强度迅速提升。但是其早期强度依然较弱，过大的车辆荷载会对冷再生层造成结构性破坏，甚至造成二次返工。因此，冷再生工程在养生期内一般需要封闭交通，避免早期荷载破坏的产生[5]。

粉煤灰又称飞灰，是煤炭燃烧后随烟气从锅炉尾部排出，经收尘设备收集的固体颗粒, 是我国主要工业固体废弃物之一[6]。火电在我国能源电力需求上发挥着重要作用，是我国电力供应的主力电源和基础电源, 粉煤灰排放量随发电量的增加而增加[7]。目前，我国粉煤灰的综合利用率在70%左右, 但依然每年有上亿吨粉煤灰无法综合利用，预计到2020年我国粉煤灰的累计储量会超过30亿吨[8-9]。煤灰的化合物组分主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等，其外观类似水泥，颜色介于乳白色-灰黑色。粉煤灰常用在建筑工程和水泥工业中，现也用于各种新型环保材料中[10]。 从经济效益来看，粉煤灰的性价比最高。目前市场水泥价格是320元/t, 而粉煤灰的成本是30元/t, 将混凝土中的掺合料替换成粉煤灰, 不仅能够节省成本，还能为产能、环保做出贡献[11]。

钢渣是炼钢过程中一种黑色的废弃物[12]，其化学组成随炼钢原料和工艺的不同波动较大,其主要成分包括CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、FeO和P2O5[13]。钢渣现在作为一种节能环保材料也开始得到人们的重视，并逐渐应用于道路交通行业[14-15]。若将混凝土中的掺合料替换成钢渣，按照2014年的水泥产量来计算，仅在水泥方面就可以减少5亿吨矿山的开采，减排4亿吨CaO，真正实现冶金渣固废的全部利用，不仅能大大减少混凝土成本，同时还可以带来近20亿元的收入，具有广阔的经济和社会效益[16-17]。

1 原材料

1.1 RAP料

采用冷再生工程专用的铣刨机进行铣刨，控制铣刨速度在4 m/min～6 m/min对原沥青路面进行单车道的铣刨取样，确保RAP料的真实性与客观性[18]。现场取回的RAP料先放入60 ℃烘箱烘干2 h后再进行筛分。为了能够精准控制冷再生混合料的级配，本文将铣刨料再筛分成粗、中、细3档来调整级配，见表1。

1.2 水泥

本文采用P·O 42.5的普通硅酸盐水泥，检测指标见表2。

表1 铣刨料筛分结果

表2 水泥性能指标

1.3 乳化沥青

乳化沥青在常温下为棕褐色的液体，由基质沥青、水、稳定剂、乳化剂等原材料组成[19]，乳化剂的质量对于乳化沥青来说至关重要，质量较好的乳化剂能够使基质沥青均匀地分散于皂液中，且有良好的稳定性和耐久性，基本不会发生离析。

本文采用的乳化沥青为上海维实伟克专用的乳化沥青，相关检测指标见表3，检测结果满足技术要求。

1.4 粉煤灰及钢渣

本文所使用粉煤灰及钢渣的化学成分见表4。

2 级配设计

冷再生混合料的级配对冷再生工程十分关键，它决定了混合料是否形成骨架结构，同时也对乳化沥青的含量有巨大影响。本文选用中粒式级配CIR-20，3档RAP料的比例为粗∶中∶细=30∶32∶36，得到的合成级配见表5，级配曲线见图1。

表3 乳化沥青性能指标

表4 粉煤灰及钢渣组成成分检测结果

表5 合成级配结果

图1合成级配

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为马歇尔击实成型和旋转压实成型，马歇尔击实相对容易，但与实际路面碾压方式差异较大，旋转压实成型方式更贴近实际路面压实状态[20-21]。本文采用旋转压实仪成型，压实次数为30次。

4 养生条件

《江苏省乳化沥青就地冷再生技术应用指南》中规定的养生方式为常温12 h，60 ℃烘箱48 h，再常温养生12 h，现在提出一种代表早期强度的养生方式N2，具体见表6。本文成型的冷再生混合料油石比为3.3%,水泥用量为2.2%，最佳含水率为4.01%，同时控制拌和与成型温度为30 ℃。

5 试验结果分析

在冷再生混合料养生结束后，测定空隙率并进行性能试验，具体的试验结果见表7和图2、图3。

表6 养生方式简介

表7 钢渣及粉煤灰冷再生混合料性能试验结果

注：Vc为空隙率；MS1为马歇尔稳定度；MS2为浸水马歇尔稳定度；RS为残留稳定度；IDT1为劈裂强度；IDT2为浸水劈裂强度；DWTSR为干湿劈裂强度比。

(a) 空隙率

(b) 马歇尔稳定度试验

(c) 劈裂试验

(d) 浸水稳定度试验

(e) 干湿劈裂试验

(a) 空隙率

(b) 马歇尔稳定度试验

(c) 劈裂试验

(d) 浸水稳定度试验

(e) 干湿劈裂试验

1) 由图2、图3可知，当不添加粉煤灰和钢渣时，冷再生混合料的各项性能均优于添加粉煤灰和钢渣的时候。因此，添加粉煤灰和钢渣来替代水泥对乳化沥青冷再生混合料的性能并无提升。

2) 由图2(a)、图3(a)可知，随着钢渣和粉煤灰替代量的增加，混合料的空隙率稳定在9.3%～10%之间，并无明显变化，说明钢渣和粉煤灰均像水泥一样，可以作为填料来使用。同时在粉煤灰替代量为25%时，空隙率有明显下降，这可能是粉煤灰中SiO2和Al2O3与水泥水化的产物发生了二次反应，填补了混合料中的空隙所致。

3) 随着粉煤灰和钢渣替代量的增加，相关性能指标均有一定程度的下降。其中马歇尔稳定度和劈裂强度随着粉煤灰和钢渣替代量的增加而下降，说明粉煤灰和钢渣并未能提高其早期和中后期的强度，添加量需严格控制；粉煤灰的干湿劈裂强度比和残留稳定度随着其替代量的增加较钢渣来说下降较为缓慢，说明粉煤灰作为水泥的一部分替代量其抗水损害性能较好；钢渣的干湿劈裂强度比和残留稳定度随着其替代量的增加下降趋势明显。当替代量为40%时，钢渣的劈裂强度达到0.5 MPa，刚刚满足公路沥青路面再生技术规范中对冷再生混合料的强度要求，因此要严格控制钢渣的替代量在40%以内。

4) 由表7可以看出，养生方式N1下的混合料各项性能均优于养生方式N2，由此可知，乳化沥青冷再生混合料经过长期的养生其各项性能数据均有所提升。

6 方差分析

养生方式和粉煤灰与钢渣的替代量对其马歇尔稳定度、残留稳定度、劈裂强度和干湿劈裂比的方差分析结果见表8、表9。其中，SS为离差平方和；DOF为自由度；MS为均方差；F为F分布的统计量；P为F值对应的概率，显著性水平为0.05。当P<0.05时，表明该因素对试验结果有显著影响。

表8 粉煤灰乳化沥青冷再生混合料性能方差分析结果

表9 钢渣乳化沥青冷再生混合料性能方差分析结果

由表8可知，粉煤灰的替代量对粉煤灰冷再生混合料的各项性能均影响显著，且影响大小按稳定度>残留稳定度>劈裂强度>干湿劈裂强度比顺序降低，因此要严格控制粉煤灰的替代量。养生方式对稳定度、残留稳定度和劈裂强度影响显著，而对干湿劈裂强度比的影响不显著。

由表9可知，钢渣的替代量对粉煤灰冷再生混合料的各项性能均影响显著，且影响大小按干湿劈裂强度比>稳定度>劈裂强度>残留稳定度顺序降低，因此要严格控制钢渣的替代量。养生方式对稳定度和劈裂强度影响显著，对残留稳定度和干湿劈裂强度比的影响不显著。

7 结论

1) 对于钢渣和粉煤灰的再生混合料5种性能指标，即空隙率、马歇尔稳定度、残留稳定度、劈裂强度、干湿劈裂强度比在N1养生条件下的性能均优于N2养生条件下的，说明冷再生混合料的中后期性能优于早期性能，因此早期的养生对于冷再生混合料十分重要。

2) 通过方差分析可知，粉煤灰和钢渣的替代量对其冷再生混合料的路用性能影响均显著，应严格控制其替代量。粉煤灰的替代量对其冷再生混合料的影响程度为：稳定度>残留稳定度>劈裂强度>干湿劈裂强度比；钢渣的替代量对其冷再生混合料的影响程度为：干湿劈裂强度比>稳定度>劈裂强度>残留稳定度。

3) 参考《江苏省乳化沥青就地冷再生技术应用指南》中的性能指标，在使用粉煤灰和钢渣替代部分水泥时，当粉煤灰替代量为25%时，其马歇尔强度有所提升，其余路用性能均有所下降，因此建议粉煤灰控制量在25%以内；添加钢渣后，混合料的所有性能均有所下降，建议严格控制钢渣的替代量在40%以内。