沥青搅拌站碱性回收废粉在沥青混合料中的应用研究

蓝亚明，张兰峰，胡 胜

(1.广东冠粤路桥有限公司, 广州 511450；2.广东交通职业技术学院，广州 510650)

0 引言

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，在我国得到了广泛的应用[1]。沥青路面是道路结构面层的主要形式之一，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0.075mm，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。

本文以广东龙川至怀集公路LM2合同段(总长42.974km)JD5000型沥青搅拌站基地为研究对象，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2.43t/m3)，实际生产率为350 t/h，按每t混凝土料产生3.34%除尘废粉计算，该搅拌站共产生除尘废粉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0.75mm，废粉在沥青混合料中的应用只能用在替代部分填料。

国内外大量研究表明，为了提高沥青和石料的粘附性，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，冬季气候温暖地区，且交通量较大，对沥青路面的高温抗车辙能力和水稳定性有较高要求。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，主要从满足车辙和水稳定性两方面要求入手，通过对掺加不同比例废粉的沥青混合料进行车辙试验、水稳定性试验、冻融劈裂试验，以确定所研究碱性回收废粉在沥青混合料中的添加可行性和最大添加比例。

1 原材料性质

1.1 废粉化学性质

由于沥青属于酸性结合料，为了保证沥青与集料的粘附性，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含量为24.83%，小于52%，且CaO含量高达35.7%，为碱性石粉。

表1 废粉化学性质

1.2 石料性质

集料采用英德长丰石场生产的材料，包括10～25mm、10～20mm、5～10mm；细集料采用英德长丰石场生产的0～3mm机制砂。试验结果见表2～表4。

表2 粗集料技术指标试验结果

表3 细集料(机制砂)技术指标试验结果

表4 矿粉技术指标试验结果

根据表2、表3和表4，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)的要求。

1.3 沥青性质

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

表5 沥青技术指标试验结果

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基层。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见表6，其中矿粉掺入比例为3%。

表6 矿料级配

3 废粉在沥青混合料中的应用试验

3.1 确定沥青混合料最佳沥青用量

马歇尔击实法是沥青混合料设计的主要方法，可用于确定沥青混合料中沥青的最佳用量。为了确定废粉在矿粉中最大掺入比例，分别取废粉的掺入比例为0%、30%、50%、70%(废粉与矿粉的质量比)，不同掺量废粉组成的矿料级配统一为表6所示合成级配。不同掺量废粉组成的矿料取油石比分别为2.9%、3.2%、3.5%、3.8%、4.1%，拌制5种油石比的沥青混合料，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJE20-2011)成型相应的标准马歇尔试件，试件尺寸为φ101.6 mm ×63.5 mm(浸水稳定度试验、冻融劈裂试验所用的马歇尔试件与此相同)，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，得到0%、30%、50%、70%废粉掺入量下的沥青混合料最佳沥青用量几乎相近，确定最佳沥青用量为3.8%。

3.2 确定废粉掺入的最大比例

在最佳沥青用量的基础上，分别制备0%、30%、50%、70%废粉掺入量的沥青混合料，制备试件，进行沥青混合料车辙试验、浸水稳定度试验、冻融劈裂试验，以满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求为标准，综合确定废粉掺入的最大比例。

3.3 车辙试验

采用轮碾仪成型尺寸为300mm×300mm×50mm车辙试件，试验温度60℃,轮压0.7MPa，进行标准车辙试验，不同废粉含量沥青混合料的车辙试验数据见表7。

表7 不同废粉含量沥青混合料的车辙动稳定度

图1 废粉含量与沥青混合料动稳定度关系

广东地区气候条件属于1-4(夏季炎热，冬季温区)，普通沥青混合料的车辙动稳定度要求大于1 000次/mm。根据表7，车辙动稳定度随着废粉含量的增加而降低，当废粉掺入量为50%时，动稳定度略大于《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求，当废粉掺入量增加到70%,沥青混合料的动稳定度小于1 000次/mm，不满足规范要求。废粉主要来自于机制砂小于0.075mm部分；少部分来自集料在加热拌和碰撞、二次热筛分过程中产生的粉料。废粉中还含有少量杂质，虽然试验所用的废粉属于碱性，但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加热变质、低强度的岩石粉末。研究表明，沥青混合料出现车辙破坏，主要是由于沥青混合料抗剪强度不足引起的[4]，而抗剪强度主要取决于沥青与石料的粘附性，提高粘附性的重要方法是沥青混合料填料要采用清洁的碱性石灰岩矿粉。填料与沥青形成的沥青胶浆是沥青混合料强度形成的重要因素，填料的清洁度和碱性程度影响沥青与石料的粘附性。沥青与石料的粘附性是影响沥青混合料高温稳定性的重要因素,沥青与石料的粘附性越好，沥青混合料的高温稳定性越好。废粉的掺入导致沥青与矿料的粘附性降低，同时废粉的加入，使得有效矿粉的含量减少，导致起到粘结作用的结构沥青的含量降低，从而使得沥青混合料的动稳定度降低。

3.4 水稳定性试验

从浸水稳定度、飞散质量损失、冻融劈裂三个方面评价加入废粉对沥青混合料水稳定性的影响。

3.4.1 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，检测沥青混合料受到水损坏时的水稳定性。将成型的标准马歇尔试件在温度为60℃的水中，浸水保温48h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

图2 废粉含量与沥青混合料残留稳定度关系

图3 废粉含量与沥青混合料稳定度关系

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应大于80%。根据表9，浸水残留稳定度随着废粉掺入量的增加而减小，当废粉掺入量为50%时，浸水残留稳定度为75.4%,小于80%,沥青混合料的水稳定性不合格。

3.4.2 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、矿料间粘附力有着很强的关联性[5]。分别进行标准飞散试验和浸水飞散试验，以检验沥青、石料间的粘附性和沥青混合料的水稳定性。

表9 不同废粉含量沥青混合料的飞散试验结果

从表9可见，不同废粉含量的沥青混合料的标准飞散损失和浸水飞散损失随着废粉掺入量的增加而增加。在浸水飞散试验中，沥青在热水中会出现膨胀和部分老化，也会降低沥青与石料的粘附性，相对标准飞散损失，浸水飞散损失进一步扩大。

图4 废粉含量与沥青混合料飞散损失关系

3.4.3 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的劈裂强度，以评价沥青混合料的水稳定性。试验采用标准马歇尔试件，试验温度为25℃，加载速度为50mm/min。

表10 不同废粉含量沥青混合料的冻融劈裂试验结果

图5 废粉含量与冻融劈裂残留稳定度关系

图6 废粉含量与劈裂强度关系

从表10可见，沥青混合料冷冻前、后的劈裂强度和冻融劈裂强度比均随着废粉掺入量增加而减小。根据《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004，潮湿区普通沥青混合料的冻融劈裂残留稳定度要求大于75%，本试验当废粉的掺量超过50%，沥青混合料的冻融劈裂残留稳定度为71.8%，小于规范要求，沥青混合料在冻融状态下的水稳定性不合格。

4 结论

(1)沥青搅拌站废粉的加入会减小沥青混合料的车辙动稳定度，浸水稳定度、冻融劈裂强度比减小，飞散损失增加。表明废粉加入削弱了沥青混合料的抗车辙能力和水稳定性。

(2)废粉掺量为50%时，沥青混合料的动稳定度略超过《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求，浸水残留稳定度、冻融劈裂残留稳定度均不满足规范要求。废粉掺量为30%时，沥青混合料的动稳定度、浸水残留稳定度、冻融残留稳定度、飞散损失均满足规范要求。

(3)由于试验所用废粉的碱性较强，SiO2含量为24.83%,CaO含量达到35.7%，属于沥青回收废粉中，可掺入沥青混合料中作为填料部分品质较好的类型。不同集料类型、不同级配、不同集料来源地会导致沥青搅拌站回收废粉的成分千差万别，会使得废粉的酸碱性、清洁度差别很大，而作为替代部分矿粉作为沥青混合料填料的废粉，在碱性和清洁度上要有较高的要求，否则将会较大削弱沥青与石料的粘附性，严重降低沥青混合料的车辙动稳定度和水稳定性。由于本次试验所选用的废粉的碱性较高、杂质含量满足要求，根据车辙试验、水稳定性试验、飞散试验综合确定得到碱性回收废粉在沥青混合料中的最大掺入量为30%。