再生沥青路面骨料碱活性混凝土砌块制备技术研究

赵晓荷

（会宁县县乡公路养护站，甘肃 白银 730799）

再生沥青路面（RAP）是在现有劣化沥青路面结构铣刨过程中产生的，它由裹附着老化沥青的碎骨料组成。粗略统计，全世界每年都有数百万吨的RAP 产生。沥青路面再生过程中，可以将RAP 用作HMA 混合料的骨料或加入水泥拌和作为稳定基层材料或作为无粘结基层材料，但仍有大量未使用RAP 直接丢弃在垃圾填埋场，不仅占用资源，造成资源浪费，而且还污染环境。因此，为了充分利用RAP，本文尝试用RAP 替代原碎骨料，开发碱活性RAP 混凝土摊铺机砌块（AARCPB）。

1 试验材料与方案

1.1 材料

用于生产AARCPB 的原材料包括粉煤灰（FLA）、磨细高炉矿渣（GGBS）、天然粗骨料（NCA）、天然细骨料（NFA）、再生沥青粗骨料（CRAA）、再生沥青细骨料（FRAA）。用于碱性活化的化学品是纯度为99%的分析级NaOH 颗粒和Na2SiO3溶胶，Na2O=14.7%，SiO2=29.4%，H2O=55.9%。FLA 由燃煤发电站提供，GGBS 从某水泥有限公司获得，原始骨料从当地采石场获得，RAP 则从某国道上获得，且用4.75mm 筛分进一步分离粗粒和细粒。混合料制备采用蒸馏水，高效减水剂为磺化萘甲醛。图1 显示了用于制备AARCPB 的天然和RAP 骨料。

图1 天然和RAP 骨料；依次是CRAA，NCA，NFA，FRAA

1.2 配合比

为了研究RAP 骨料在AARCPB 中应用的可行性，对混凝土混合料进行配比设计，大多数设计参数保持不变，RAP 的替换按重量计，见表1。AARCPB 配比主要参数包括NaOH 溶胶的摩尔浓度、碱液与结合料含量的比率、Na2SiO3溶胶的比率。在NaOH 溶胶中，FLA 和GGBS 占结合料总含量的比例，以及额外的水。

表1 AARCPB 配合比

1.3 AARCPB 的生产

AARCPB 试样在内部尺寸为200mm×100mm×60mm 的钢模具中制备，每种试验做三个样品，制备前1 h 保证NCA 和CRAA 干燥，先将NCA、NFA、CRAA、FRAA、FLA 和GGBS 在盘式混合器中彻底干混2 min，向盘式混合器中添加碱性溶胶、高效减水剂和额外的水。继续搅拌，直到获得均匀混合料。将新鲜混合料装入钢模中，用捣棒压实，然后在振动台上振捣45s，所有试件在室温下风干7d 和28d，制备的AARCPB 如图2 所示。

图2 AARCPB制备和测试

1.4 试验方案

使用不同的标准对NCA、NFA、CRAA 和FRAA进行了测试。这些试验包括比重和吸水率、粒径分布、堆积密度和压碎值、LA 磨损和冲击值。用X 射线荧光（XRF）、X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、粒度分析（PSA）和表面积分析（BET）等物理化学技术对FLA 和GGBS 进行了表征。根据相关规范标准规定的强制性试验，对研制的AARCPB 进行了吸水率、抗压强度和耐磨性试验。

2 试验结果分析

2.1 材料性能

表2 列出了原材料的化学成分。对于FLA，结合的SiO2、Al2O3和Fe2O3大于70%，70.5%的FLA颗粒小于45mm。对于GGBS，质量比（CaO+MgO）/（SiO2）应超过1.0，硫含量不应超过2.5%，在45mm筛网上保留的细度小于20%。RAP、NFA 和NCA 主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 和K2O 组成。RAP 还含有粘附在骨料上的老化沥青结合料，RAP 中结合料的含量在3%～7%之间，由于氧化作用，它比新沥青材料更硬。由于矿物骨料占大多数（即93%～97%），RAP 的总体化学成分或多或少与天然骨料相似。将RAP 的XRF 结果与NCA 和NFA（见表2）进行比较，可以观察到所有骨料的化学成分大同小异。

表2 原材料化学成分/%

表3 列出了天然骨料和再生骨料的特性。与CRAA 和FRAA 相比，NCA 和NFA分别显示出更高的容积密度和比重值。这是因为再生骨料中存在老化沥青，与散装骨料相比，再生骨料的比重较低。而FRAA 和CRAA 的吸水率略高于NFA 和NCA。耐磨性、压碎性和抗冲击性是粗骨料的重要特性，尤其是在路面施工中。在本研究中，对于骨料的质量要求较低，由表3 可知，NCA 的耐磨性和抗冲击性略优于CRAA。

表3 天然和再生骨料特性

由于结合料的存在，结合料使细骨料颗粒团聚，而研磨操作导致较大的骨料颗粒以较小的尺寸破碎，因此，NFA 比FRAA 细，NCA 比CRAA 粗。从材料的扫描电镜显微照片来看，FLA 的SEM 显微照片显示了不同尺寸的球形颗粒，且较大的FLA 粒子的空腔被非常细的FLA 粒子占据，FLA 颗粒具有典型的微珠性质。GGBS 显示了光滑表面的角粒子，细小的GGBS 颗粒粘附在较大尺寸的颗粒上。CRAA 质地粗糙，主要是由于老化沥青表面附着有非常细的粉尘颗粒。而FRAA 比较光滑，表面存在不规则颗粒。

2.2 坍落度试验

从坍落度试验结果来看，R0 混合料的容积密度和坍落度达到2489kg/m3和175 mm，R25、R50 和R75 混合料的容积密度和坍落度分别减少1.2%和8.5%、6.4%和31.4%、10.8%和43%。因此，RAP 的加入降低了混凝土的容积密度和坍落度。与NFA 和NCA 相比，FRAA 和CRAA 的容积密度都比较较低。坍落度的降低可归因于RAP 骨料中存在细粉尘颗粒，RAP 骨料中的粉尘颗粒吸收碱性溶胶，从而影响混凝土混合料的和易性。

2.3 吸水率

摊铺机砌块的吸水率是一个重要的性能指标，它反映了硬化浆体中的孔隙结构，较高的吸水率会影响摊铺机砌块的耐久性，因为它们更容易受到不良外部物质的侵蚀。因此，将单个试样的吸水率最大值限制为7%，三个试样的平均值最大为6%。摊铺机砌块老化7d 和28d 后结果表明，随着混合料中RAP 的增加，吸水值降低。在7d 时，与R0 混合料相比，R25、R50 和R75 混合料的吸水率分别降低了3.82%、4.12%和7.94%。同样，在28d 时，与R0 混合料相比，R25、R50 和R75 混合料的吸水率分别降低了5.57%、7.43%和12.63%。与7d 相比，28d 时吸水率降低，表明硬化浆体随着时间的推移而改善。这种改进是由于FLA 和GGBS 的碱性活化反应产物形成的，即水合硅酸铝钙（C-A-S-H 凝胶）。R0 混合料在第7 天的最大吸水率为3.4%，R75 混合料在第28 天的最小吸水率为2.35%，对于包含RAP 的摊铺机砌块，吸水率的降低可归因于混合料中存在老化沥青。摊铺机砌块在110℃烘箱中加热时，沥青熔化，占据了硬化浆体中的孔隙，降低了孔隙率，影响了吸水率。

2.4 抗压强度

摊铺机砌块的抗压强度是影响其质量和使用寿命的重要性能之一。从抗压强度试验结果可知，RAP 的加入降低了AARCPB 的抗压强度。AARCPB抗压强度的降低可归因于RAP 骨料中存在老化沥青。含RAP 水泥混凝土抗压强度的降低是由于界面过渡区（ITZ）较弱、ITZ 孔隙率增加和体积模量降低等原因造成的。此外，骨料周围沥青的存在阻碍了骨料表面和水泥基质之间良好黏结的形成。另外，RAP 集料中的老化沥青比集料本身更软、更弱，这会降低集料的硬度和抗冲击性（如表3 所示），从而影响AARCPB 的抗压强度。

2.5 耐磨性

材料的耐磨性会影响摊铺机块的使用寿命，因为它直接暴露在大气中，受不同物体的打滑、滑动和摩擦。从耐磨试验结果来看，在第7 天，与R0 混合料相比，R25、R50 和R75 混合料的体积损失分别增加了15.42%、26.70%和48.19%。同样，在28 天时，与R0 混合料相比，R25、R50 和R75 混合料的损失增加分别为22.74%、37.48%和66.64%。在28 天老化时，R0 混合料的最小平均体积损失为12.62cm3/50cm2。而R75 混合料在7d 的最大平均体积损失为22.20cm3/50cm2。因此，AARCPB 中RAP骨料（即CRAA 和FRAA）的增加大大增加了质量损失。对于RAP 骨料，由于存在较软的沥青，骨料的硬度降低（如表3 中LA 磨损和冲击试验所示）。此外，由于RAP 集料中存在老化沥青，RAP 集料与硬化土聚体糊料之间的黏结受到负面影响。AARCPB 试样在用作磨料时，其体积损失更大，抗压强度也是影响耐磨性的一个因素。所以使用高密度和高硬度的骨料会影响混凝土的强度和耐磨性，与天然骨料（NCA 和NFA）相比，AARCPB 中含有密度和硬度较低的RAP骨料，这直接影响了混凝土的强度和耐磨性。

2.6 环境和经济效益

AARCPB 的使用将减少对硅酸盐水泥和采石场碎骨料的依赖，从而带来环境效益。采石作业对环境有负面影响，它扰乱了野生动物的栖息地和自然生态系统，爆破还破坏了水文资源，造成空气和噪声污染操作。还有，大部分地区正面临采石场枯竭的问题，需要将开采的骨料运输到更远的距离，这既不可持续，也不环保。因此，使用不同的废料是一种可持续的做法。因此，通过有效利用过量的RAP 集料来克服摊铺行业面临的问题意义深远。

对AARCPB 进行了成本分析，以评估RAP 骨料替代天然骨料的经济效益。AARCPB 的生产成本主要取决于使用的骨料和水泥。而RAP 骨料没有市场价值，因为它被视为废料。因此，用RAP 骨料替代天然骨料将具有可观的经济效益福利。基于在选定的配合比和成本分析中，与R0 混合料相比，R75 混合料的成本最大降低了25.8%。

3 结论

在AARCPB 中增加RAP 骨料会降低新拌混合料的和易性、容积密度、吸水率降、抗压强度、耐磨性，而AARCPB 的体积损失增加，但是这些指标都满足碱活性混凝土摊铺机砌块的施工要求，并且降低AARCPB 的生产成本，与R0 混合料相比，R25、R50 和R75 混合料的生产成本分别降低了8.6%、17.2%和25.8%。AARCPB 还将为城市地区提供环境效益，城市地区面临着多种问题，如天然骨料采石场枯竭、垃圾填埋区减少、垃圾产生过多以及对建筑材料的需求增加。根据本研究结果，高达50%的RAP 骨料（即R50 混合料）可用于行人和非机动设施，也可以使用50%以上的替代品在交通量较少、耐磨性较低的公共场所使用。