沥青搅拌站回收碱性废粉对沥青混合料水稳定性影响研究

张兰峰，邓再桔，黄海翔

（广东交通职业技术学院，广东广州510650）

沥青路面因噪音小，行车舒适度高，且后期养护费用较低、维修方便，所以沥青路面在我国得到了广泛的认可和应用[1]。沥青路面是现行道路结构面层的主要形式，而沥青搅拌站作为生产沥青混合料的基地，在生产过程中会产生大量的回收废粉，大部分颗粒的粒径小于0.075 mm，导致空气污染，处理废粉还会占用大量土地和经费，是困扰施工企业的一大难题。以广东龙川至怀集公路LM2合同段（总长42.974 km）JD5000型沥青搅拌站基地为研究平台，开展回收废粉尘处理及资源化利用的综合研究。该工程项目需要沥青混凝土面层共计13.89万m3，折算成混凝土33.76万t（按理论密度2.43 t/m3），实际生产率为350 t/h，按照每吨混凝土料产生3.34%除尘废粉计算，该搅拌站共产生的除尘废粉1.12万t。沥青搅拌站废粉回收利用是研究废粉处理方式的主要方向。由于废粉的粒径大部分小于0.75 mm，废粉在沥青混合料中的应用只能用在替代部分填料。国内外的大量研究表明，沥青混合料为了提高沥青和石料的黏附性，在沥青混合料中添加碱性填料[2]，故用于沥青混合料部分填料的废粉也必须是碱性的，沥青与集料的黏附性优劣直接影响到沥青路面的使用寿命[3]。广东属于夏季高温，多雨地区，且交通量较大，对沥青路面水稳定性有较高要求，水损坏是松散、开裂、坑槽等破坏的诱因，影响到车辆行驶的安全性。研究将沥青搅拌站回收废粉中的碱性废粉用于沥青混合料的部分填料，废粉主要来自于机制砂小于0.075 mm部分；少部分来自粗集料在加热碰撞和二次热筛过程中产生的粉料，也有可能存在因加热而变质的石粉，废粉中还含有少量杂质。由于废粉的碱性和清洁度常达不到《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004矿粉的要求，而影响沥青与石料的黏附性，为了增加沥青与石料的黏附性，在掺有回收碱性废粉的沥青混合料中，分别加入一定比例的水泥、消石灰、抗剥落剂等外加材料，通过在对掺加废粉的沥青混合料进行水稳定性试验、飞散试验、冻融劈裂试验，研究这些外加材料对沥青混合料水稳定的影响规律。

1 原材料

1.1 废粉化学性质分析

由于沥青属于偏酸性结合料，为保证沥青与集料的黏附性，矿粉以及资源化利用的废粉应为碱性。对回收废粉的化学性质检测，主要是为了检验回收废粉的酸碱性，而只有碱性废粉才可以作为矿粉的一部分添加入沥青混合料。如表1所示，废粉中SiO2含量小于52%，为碱性石粉。

表1 废粉化学性质数据表

1.2 石料的性质

集料采用英德长丰石场生产材料，包括10～25 mm、10～20 mm、5～10 mm；细集料采用英德长丰石场生产的0～3 mm机制砂。粗集料、细集料、矿粉的技术指标试验数据如表2～4所示。

表2 粗集料技术指标试验数据表

表3 细集料（机制砂）技术指标试验数据表

表4 矿粉技术指标试验数据表

制备矿料级配所用的粗集料、细集料、矿粉均满足《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004要求。

1.3沥青性质

沥青采用埃索70号A级道路石油沥青，所有材料经过抽检各项指标均符合规范要求，各种材料试验结果见表5。

2 矿料级配设计

由于沥青路面表面层、中面层对沥青混合料的力学性能要求严苛，加入废粉代替部分填料的沥青混合料只能用于路面下面层或者基层部分。研究采用的沥青混合料级配为AC-20，选用的矿料级配依据《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004，各集料筛分级配和不同粒径矿料配合比例如表6所示。其中矿粉掺入比例为3%。

表5 沥青技术指标试验数据表

表6 矿料级配数据表

3 最佳沥青用量与外加剂

广东地区属于亚热带季风气候，夏季高温且时间较长，降雨量较大，对沥青路面结构的水稳定性要求严苛。提高沥青混合料的水稳定性主要是要提高沥青与石料的黏附性。虽然试验研究所用废粉属于碱性，在各种原材料的生产加工过程中不可避免会掺杂一些泥土和变质、低强度的岩石粉末，而且集料加热也会导致粉料的成份发生变质。对于沥青搅拌站回收碱性废粉的利用，将其加入到沥青混合料中代替部分矿粉，这样会减小有效矿粉的而含量，对沥青与石料的黏附性会造成不利的影响，进而导致沥青路面易发生水损坏。为了既利用碱性废粉，且不降低沥青混合料的水稳定性，在掺入50%碱性废粉（占矿粉含量）的沥青混合料中，分别加入占矿粉质量1.5%水泥、占矿粉质量1.5%消石灰、和占沥青质量0.4%的PA-1型抗剥落剂。制备标准马歇尔试件，分别进行浸水稳定度试验、飞散试验、冻融劈裂试验，以验证水泥、消石灰、PA-1抗剥落剂对掺有废粉的沥青混合料水稳定性的作用和提高程度。

3.1 确定掺入废粉的沥青混合料最佳沥青用量

取废粉在矿粉中掺入比例为50%（废粉与矿粉的质量比），配置矿料，矿料级配如表6所示，取油石比分别为2.9%、3.2%、3.5%、3.8%、4.1%，拌制5种油石比下的沥青混合料，制备马歇尔试件，确定不同油石比下马歇尔试件的表观密度、矿料间隙率、空隙率、沥青饱和度、稳定度、流值，根据《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004确定最佳沥青用量时各指标要求和确定规则，得到50%废粉掺入量下的沥青混合料最佳沥青用量为3.8%。

3.2 水泥

已有研究表明，分别以不同比例的水泥代替矿粉进行试验，结果表明采用水泥替代矿粉后可以改善沥青混合料的冻融劈裂能力、高温稳定性和水稳定性[4]。故在沥青搅拌站回收废粉掺入沥青混合料水稳定性试验研究中，在沥青混合料中掺入一定量水泥代替矿粉。在沥青混合料制备过程中，水泥的掺入采用干掺法，将水泥直接和集料进行拌和，让水泥覆盖在集料表面，然后再加入沥青进行拌和。试验采用32.5复合硅酸盐水泥，水泥掺量按照1.5%的量代替矿粉填料，废粉掺入比例为50%，沥青用量为3.8%。

3.3 消石灰

在沥青混合料中添加不同剂量的消石灰进行试验，发现消石灰会大大改善沥青混合料的水稳定性和高温稳定性[5-6]。试验采用的消石灰为优等消石灰，消石灰的掺入亦采用干掺法，将消石灰直接和集料进行拌和，让消石灰覆盖在集料表面，然后再加入沥青进行拌和，消石灰的掺量按照1.5%的量代替填料，废粉掺入比例为50%，沥青用量为3.8%。

3.4 抗剥落剂

在沥青混合料中加入抗剥落剂是提高混合料水稳定的常用措施之一。研究提高掺入废粉的沥青混合料水稳定性的外加抗剥落剂是PA-1型沥青抗剥落剂。PA-1型沥青抗剥落剂是西安公路研究所完成的交通部科研项目《改善沥青与酸性石料黏附性研究》的成果。根据已有研究表明：高分子PA-1型沥青抗剥落剂可将酸性集料与沥青之间的黏附性由1～2级提高到4～5级，并能全面增强沥青混合料的水稳定性和温度稳定性性能，投入少、效果好，是一种酸（中）性粗、细集料修筑沥青路面时的添加剂。

表7 PA-1型沥青抗剥落剂技术性质数据表

如表7所示，PA-1型沥青抗剥落剂掺量比例是沥青质量的0.4%。使用是按比例往热熔状沥青中加入该沥青抗剥落剂，搅拌均匀即可。废粉掺入比例为50%，沥青用量为3.8%。

4 水稳定性试验

4.1 浸水稳定度试验

浸水稳定度试验用于沥青混合料设计和沥青路面施工质量检验，用于测试沥青混合料受水损害时抵抗剥落的能力，检测沥青混合料的水稳定性。将成型的标准马歇尔试件在温度为60℃的水中，浸水保温48 h后，采用马歇尔自动仪进行试验，测得浸水稳定度。将浸水后稳定度与标准马歇尔稳定度做比值得到的残留稳定度作为评价沥青混合料水稳定性的指标之一。

表8 不同废粉含量沥青混合料的浸水残留稳定度数据表

浸水残留稳定度是检测沥青混合料水稳定性的常规试验，按照《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004要求潮湿区浸水马歇尔残留稳定度要大于80%。根据表8所示，沥青混合料的标准马歇尔稳定度、浸水稳定度都随着水泥、消石灰、抗剥落剂的加入而增大，外加剂的加入可以增加沥青混合料的破坏荷载，同时也提高了沥青混合料的残留稳定度。水泥和消石灰的掺入量都占矿粉的1.5%，相同掺量下的消石灰要比水泥改善效果好，添加PA-1型抗剥落剂和消石灰均能较大改善沥青混合料的残留稳定度比。

4.2 飞散试验

沥青路面在行车荷载和水的共同作用下会发生松散破坏，沥青混合料发生松散破坏与沥青、矿料间黏附力有很强关联性[7]。分别进行标准飞散试验和浸水飞散试验以检验沥青、石料间的黏附性和沥青混合料水稳定性。试件采用马歇尔试验方法成型，研究过程采用两种不同条件的飞散试验来评价沥青混合料的水稳定性，两种飞散试验的试件养生条件如下：标准飞散试验试件在20℃恒温水槽中养生20 h，浸水飞散试验试件在60℃的恒温水槽中养生48 h，取出后在室温下静置24 h。通过飞散试验得到试验前后试件损失质量，于试验前试件质量相比，得到飞散损失比，来表征沥青混合料水稳定性，结果见表9。

表9 不同废粉含量沥青混合料的飞散试验数据表

掺有50%碱性回收废粉的沥青混合料的标准飞散损失和浸水飞散损失都随着水泥、消石灰、抗剥落剂的加入而减小，水泥、消石灰、抗剥落剂的而加入可以改善沥青与石料间的黏附性。相比于水泥，相同掺量下的消石灰对于飞散损失减小的程度更高，且抗剥落剂对于飞散损失减小的程度最大。

4.3 冻融劈裂试验

冻融劈裂是检验沥青混合料抵抗高温融化、低温冻结后的力学变化试验，可以体现沥青混合料的抗冻性和水稳定性。对掺入不同含量废粉的沥青混合料进行冻融循环，对比混合料试件受到水损坏前后劈裂强度，以评价沥青混合料的水稳定性。试验采用标准马歇尔试件，将试件在恒温冰箱中冷冻16 h，冷冻温度为-18℃；之后将试件取出，立即放入60℃恒温水槽中，保温24 h。将未冷冻与冷冻后试件浸入温度为25℃的恒温水槽中不小于2 h。劈裂试验加载速度为50 mm/min，分别测定未冷冻试件和冷冻后试件劈裂强度。

表10 不同废粉含量沥青混合料的冻融劈裂试验数据表

由表10可得，水泥、消石灰、抗剥落剂均可提高冷冻前、后掺有50%碱性回收废粉的沥青混合料的劈裂强度，1.5%含量水泥对于冻融劈裂强度比的提高有限，略超过《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004要求潮湿区冻融劈裂比的要求，消石灰、PA-1型抗剥落剂对冻融劈裂强度比的提高更有效，其中PA-1型抗剥落效果最好。

水泥、消石灰加入沥青混合料作为部分填料，改善其水稳定性的原因是沥青呈现弱酸性[8]。在高分子类抗剥落剂出现以前，主要使用石灰、水泥等无机材料改善沥青混合料的抗剥落性能，提高混合料水稳性。消石灰和水泥都是碱性材料，消石灰属于强碱性的主要成分是Ca(OH)2。当沥青中的羧酸与氢氧化钙、水泥中的碱性成分接触发生反应时，生成具有较强吸附性的产物，提高了沥青混合料的水稳定性。水泥、消石灰加入沥青混合料提高其水稳定的方法，对于掺有回收废粉的沥青混合料的水稳定性提高依然有效。在浸水稳定度试验、飞散试验、冻融劈裂试验结果中，相比于水泥、消石灰，加有PA-1型抗剥落剂的沥青混合料的浸水残留稳定度、冻融劈裂强度比最大，且飞散损失最小，表明PA-1型抗剥落剂对于掺有回收废粉的沥青混合料的水稳定性改善效果最好。PA-1型沥青抗剥落剂，是使用酸（中）性粗、细集料的沥青路面掺加的材料[9]，抗剥落剂的加入使加强石料表面和沥青的物理吸附，并且产生化学反应，使沥青在石料表面形成更强的粘结，从而达到改善沥青路面水稳定性能的效果。

5 总结

水泥、消石灰、抗剥落剂加入掺有沥青搅拌站回收碱性废粉的沥青混合料，可以提高沥青混合料的残留稳定度、冻融前后劈裂强度比和降低飞散损失，有利于提高沥青混合料的水稳定性。相同掺量的消石灰对掺有沥青搅拌站回收碱性废粉的沥青混合料的残留稳定度、冻融前后劈裂强度比的提高程度、飞散损失降低的程度均比水泥的更好。即消石灰对掺有碱性废粉的沥青混合料的水稳定性更有利。

相比于水泥、消石灰，加有PA-1型抗剥落剂的沥青混合料的浸水残留稳定度、冻融劈裂强度比是最大的，且飞散损失最小，表明PA-1型抗剥落剂对于掺有回收废粉的沥青混合料的水稳定性改善效果最好。