掺加BFS的乳化沥青冷再生混合料路用性能研究

杨 涟，徐周聪，周浩南，王全磊，王火明，蒋文鹏

(1. 南宁市交通投资集团有限公司，广西 南宁 530021； 2. 招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067； 3. 云南大永高速公路建设指挥部，云南 大理 671000)

0 引 言

高炉矿渣(blast furnace slag, BFS)是冶炼生铁时排出的一种废渣。目前，BFS再次利用的方法不多且利用率不高，大量的BFS只能闲置堆积，占用大量土地并严重污染环境[1-2]。积极开拓BFS的应用范围无疑将会带来巨大的经济效益与社会效益[3-5]。就材料需求方面看，道路工程属于高能耗型行业。因此，在道路领域寻求BFS合理有效的利用途径具有重要研究意义。

国外对于BFS研究应用从19世纪便已开始。德国人最早发现BFS可与石灰混合产生胶凝效果，并在碱性条件下激发水硬活性；之后BFS更被广泛用于生产硅酸盐水泥、改善混凝土和易性、污水处理等方面[6-11]。国内对BFS的研究起步较晚，且最初只将其用于生产水泥，直到20世纪末才作为混凝土外加剂使用[12-13]。将BFS用于乳化沥青冷再生混合料，以改善其路用性能的相关研究还很鲜见。针对现在沥青早期强度低等特点，水泥在乳化沥青冷再生技术中的应用曾在世界范围内被广泛研究[14]。与发达国家相比，我国乳化沥青冷再生技术研究仍处于起步阶段。直到2007年，同济大学孙立军教授课题组才首次将乳化沥青冷再生技术大规模应用于高速公路上。乳化沥青冷再生混合料多集中于纤维、聚合物改性技术或施工技术方面的研究，对矿渣粉乳化沥青冷再生混合料的研究还较少[15-18]。

笔者基于乳化沥青冷再生技术，将BFS应用于乳化沥青冷再生混合料中。一方面可合理利用BFS，实现废物的资源化利用；另一方面，通过掺加BFS，可改善乳化沥青冷再生混合料路用性能。通过对乳化沥青冷再生混合料干湿劈裂强度与冻融劈裂强度对比，探究了BFS乳化沥青再生混合料可行的利用方式，并对掺入BFS后的乳化沥青冷再生混合料路用性能进行了评价。

1 材料与配比

1.1 试验材料

1.1.1 高炉矿渣

高炉矿渣(blast furnace slag, BFS)是以硅酸钙、铝酸钙为主要成分的熔融物，其他矿物有硅酸二钙、钙铝黄长石、镁黄长石及钙长石等。从化学成分看，BFS属于硅酸盐质材料，其中：SiO2、CaO、Al2O3含量约占矿渣总量的90%以上，此外还存在少量硫化物。BFS具有一定活性，其活性不仅仅取决于它的化学成分，而且还取决于冷却条件。根据冷却条件不同将矿渣分为两类，熔融矿渣流出后经空气缓慢冷却得到的是块状高炉矿渣；经水淬急冷得到的是粒化高炉矿渣。粒化高炉矿渣(granulated blast furnace slag, GBFS)是目前BFS中的主要类型，一般经过干燥后掺入少量其他组分(如石膏等)并研磨到一定细度，就可得到高炉矿渣粉，简称矿渣粉。

笔者主要采用上海宝山钢铁公司生产的S95级粒化高炉矿渣粉进行试验研究，矿渣粉及普通硅酸盐水泥的主要成分分别如表1、表2。

表1 宝钢BFS主要成分组成Table 1 Main components of Baosteel BFS

表2 普通硅酸盐水泥主要成分组成Table 2 Main components of ordinary portland cement

矿渣粉至关重要的3项物理性能指标是密度、含水量与细度(比表面积)。本研究所用BFS物理指标如表3。

表3 BFS物理指标Table 3 BFS physical index

1.1.2 乳化沥青

乳化沥青作为冷再生混合料中的黏结剂，其性能优劣将严重影响再生混合料性能。笔者采用由美国美德维实伟克公司生产的阳离子慢裂乳化沥青，如表4。

表4 乳化沥青的技术要求及检测结果Table 4 Technical requirements and test results of emulsified asphalt

1.1.3 再生沥青混合料(RAP)

本研究所用废旧沥青路面材料来自宝钢厂区道路。根据翻挖破碎情况，将其筛分为0～10 mm和10～30 mm两档集料，其中有少量粒径超过31.5 mm的颗粒，为防止试验数据离散，将这些颗粒过筛去除。采用干筛法得到的筛分结果见表5。

表5 宝钢RAP材料筛分结果Table 5 Baosteel RAP material screening results

1.2 试样配比

乳化沥青冷再生混合料的配合比：0～10 mm RAP为60%；10～30 mm RAP为40%；乳化沥青为3.5%；水泥为1.5%。BFS的再生利用研究以此配合比为试验基础，矿渣粉和水泥在配制集料时加入。基于再生利用方法应尽可能方便有效原则，笔者设计了两种方案依次进行试验。方案1为直接替代水泥使用；方案2是以消石灰为激发剂替代水泥使用。其中，乳化沥青和水泥为外掺方式加入。

2 试验结果与分析

2.1 BFS再生利用方式

2.1.1 直接掺入

笔者本次研究设计了3种配合比进行干、湿劈裂强度(ITS)试验，比较了水泥与BFS在混合料中的作用，如表7。其中：湿劈裂强度是指在已达规定稳定温度恒温水槽中保温48 h试件的劈裂强度，乳化沥青规定温度为(25±1)℃。

从表6可知：在3种配比下，混合料干湿劈裂强度差别较小，最大差值不足0.02 MPa。这是由于混合料在干燥状态下，强度主要来源于沥青的胶结作用与骨架的支撑作用，当混合料级配与沥青用量相同时，其他因素对干湿劈裂强度影响较小，辨析度低。当各组试件干湿劈裂强度比均超90%时，该值远超设计要求，这也说明这3种乳化沥青冷再生混合料均具有优良的水稳定性能。从干湿劈裂强度结果来看，BFS替换水泥存在一定可行性。

表6 干湿劈裂强度Table 6 Dry and wet splitting strength

笔者又进行了浸水条件更为苛刻的冻融劈裂试验，如表7。

表7 冻融劈裂强度Table 7 Freeze thaw splitting strength

从表7来看：未冻融试件的劈裂强度数值相近，差值不足0.200；而冻融后劈裂强度则存在较大的性能差异。对照组和掺加BFS的混合料强度较低，且TSR值不满足技术要求；掺加水泥的实验组则表现出较好的性能。这说明添加水泥可提高混合料强度，且大幅提高了混合料水稳定性；而BFS则会降低混合料水稳定性。

为进一步验证结论，笔者分析了BFS掺量对冻融劈裂强度影响，如图1。结果表明：BFS对乳化沥青冷再生混合料的水稳定性不利。随着掺量的增大，水稳定性继续缓慢下降，故直接掺入BFS的方案并未有效地激发其活性。

图1 不同BFS掺量下的冻融劈裂强度Fig. 1 Freeze-thaw splitting strength of different BFS content

2.1.2 以消石灰做激发剂

消石灰是氢氧化钙粉末状固体，可形成碱性液相，可能能成为激发剂，且其价格低廉，有大规模应用的潜力。消石灰作为激发剂主要是为了增强矿渣粉活性指数，根据文献[19]，活性指数被定义为同龄期的胶砂抗压强度与对比胶砂抗压强度的比值，表征矿渣粉强度形成的速度与程度。在没有消石灰情况下，BFS无法形成强度，这里主要采用在加入消石灰后矿渣粉强度来体现其活性。

为验证消石灰作为碱性激发剂的可行性。笔者测定了BFS掺加消石灰后的抗压强度与抗折强度，如图2。

图2 不同消石灰掺量下BFS的抗折强度和抗压强度Fig. 2 Flexural strength and compressive strength of BFS with different contents of slaked lime

由于未掺加消石灰的BFS试件完全无法硬化成型，故将其强度记为0。试验结果表明：在没有消石灰情况下，BFS根本无法形成强度，消石灰的加入确实激发了它的潜在活性，并且消石灰掺量为20%时是比较合适的。掺加消石灰后BFS试件强度开始形成，随着消石灰掺量增加，强度总体保持上升趋势；当消石灰掺量超过20%时增幅趋缓，其中30%和40%掺量的试件强度已非常接近，这表明消石灰掺量需合适，并非越多越好。

在乳化沥青冷再生混合料中，笔者采用20%掺量的消石灰为激发剂进行后续试验研究，如图3。

由图3可看出：这4个试验组的劈裂强度、干湿劈裂强度差别均较小，只有冻融劈裂强度的差异较为明显。其中，以消石灰做BFS激发剂和掺加水泥的实验组，冻融劈裂强度相差仅0.11 MPa，且均高于其余两个实验组0.05～0.06 MPa。由此可见，以消石灰为激发剂能有效发挥BFS活性，该再生利用方案可行。

图3 不同配合比下的干湿与冻融劈裂强度Fig. 3 Dry and wet splitting strength and freeze-thaw splitting strength under different mix proportions

笔者进一步分析了在该方式下BFS掺量变化对乳化沥青冷再生混合料的性能影响。当消石灰掺量为BFS的20%时，如表8。

表8 不同BFS掺量下的冻融劈裂强度Table 8 Freeze-thaw splitting strength with different BFS content

在消石灰的激发作用下，随着BFS掺量增加，乳化沥青混合料强度与水稳定性不断提高，但当掺量超过2.0%后增幅明显减小，从材料成本及性价比方面考虑，BFS掺量不高于2.0%较为合适。另外，与水泥类似，过高的BFS掺量可能会导致乳化沥青冷再生结构层的刚度偏高，不利于其耐久性。因此，笔者将掺入1.5%水泥的冷再生技术方案(方案1)和掺下入1.5%BFS+0.3%清石灰方案(方案2)进行对比试验。

2.2 性能评价

2.2.1 40 ℃马歇尔稳定度、流值

马歇尔稳定度、流值是沥青路面混合料设计中最基础和最常用的性能指标，反映了沥青混合料在一定温度下的综合强度。通常马歇尔稳定度、流值的试验温度为60 ℃，但考虑到冷再生混合料一般用在基层，使用温度没有面层热拌沥青混合料那么高，故试验温度为40 ℃，经过6次试验的结果如表9。

表9 马歇尔稳定度与流值Table 9 Marshall stability and flow value

试验显示，掺加BFS或水泥的乳化沥青冷再生混合料40 ℃稳定度、流值基本一致，且40 ℃稳定度均远远满足文献[20]中不小于5.0 kN的要求，性能优良。

2.2.2 60 ℃动稳定度

动稳定度体现了沥青混合料在高温条件下抵抗永久变形的能力。动稳定度采用车辙试验测定，其板块试件长300 mm、宽300 mm、厚50 mm。试验温度为60 ℃，轮压0.7。车辙板采用60 ℃、养生48 h后二次碾压成型，经过6次试验的结果如表10。

表10 车辙试验数据Table 10 Rutting test results

由表10可知：在该最佳配合比下，乳化沥青冷再生混合料掺入水泥或BFS后，动稳定度差异不大，且均满足文献[21]中对夏天炎热地区普通沥青混合料动稳定度不小于800次/mm的要求。其中，掺加BFS后混合料的动稳定度略高于掺加水泥后，在一定程度上说明BFS在受消石灰激发后更能大幅提高混合料抗车辙能力。

2.2.3 60 ℃抗剪强度

抗剪强度反映的是沥青混合料抵抗剪切破坏的能力，通常采用单轴贯入试验进行检测。本次试验条件为：采用Φ(100×100)mm试件，压头直径为28.5 mm，剪应力系数f=0.339；考虑到道路中车辆荷载越接近静载沥青混合料力学响应越不利，选取加载速率为1 mm/min；试验温度为60 ℃，经过6次试验后的结果如表11。

表11 抗剪强度试验数据Table 11 Shear strength test results

沥青混合料抗剪强度大小还没有相应的控制标准，乳化沥青冷再生混合料抗剪强度更缺乏相关研究参考。本试验在于对比掺加水泥和BFS后的乳化沥青冷再生混合料的抗剪性能。由表12可见：其抗剪性能基本一致，说明BFS所起的增强作用与水泥相当。

2.2.4 单轴压缩试验

单轴压缩试验主要用于测定沥青混合料抗压回弹模量，同时也可测定混合料无侧限抗压强度。试验用于计算路表回弹弯沉的抗压回弹模量的标准试验温度为20 ℃，用于验算层底弯拉应力抗压回弹模量的标准试验温度为15 ℃。圆柱体试件直径(100±2.0)mm、高(100±2.0)mm，使用旋转成型方法制作，自然养生7 d以上。本次试验采用MTS分别在20、15 ℃下完成，加载速率为2 mm/min，温度与加载速率控制精确，试验结果如表12。

表12 乳化沥青混合料单轴压缩试验Table 12 Uniaxial compression test of emulsified asphalt mixture

根据文献[20]，粗粒式乳化沥青冷再生混合料抗压回弹模量设计参数参考值为：15 ℃为1 000～1 400 MPa，20 ℃为800～1 200 MPa。本试验结果均处于参考值内，且掺加BFS或水泥后的乳化沥青冷再生混合料强度性能接近，其中BFS乳化沥青混合料模量值略低于水泥乳化沥青混合料。

3 结 论

笔者通过对比直接掺加BFS和以消石灰做激发剂掺加BFS的两个乳化沥青冷再生技术方案对比试验，得出如下结论：

1)掺加1.5%BFS+0.3%消石灰和掺加1.5%水泥乳化沥青冷再生混合料的路用性能十分接近，这表明在乳化沥青冷再生混合料中添加BFS是可行性的。

2)对乳化沥青冷再生混合料而言，干湿劈裂强度试验无法有效地反映其水稳定性差异，建议采用冻融劈裂强度试验来评价其水稳定性。

3)在乳化沥青冷再生混合料中用BFS直接替代水泥，会降低混合料水稳定性；但采用1.5%BFS+0.3%消石灰激发剂后，可使混合料具备与1.5%水泥基本相当的高温性能、水稳定性及强度性能。