掺稻壳灰乳化沥青冷再生混合料性能研究

颜可珍，杨坤，陈冠名，黄顺欣

（湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082）

沥青路基路面在服务期内损坏或者达到设计年限已经无法满足正常使用要求，就需要进行维修改建.旧的沥青路面经过破碎处理，可以作为黑色再生集料，配合相应的冷再生工艺，在路基路面中重新摊铺利用［1-2］.尽可能多地使用再生集料，不仅节约资源，还解决了大量废旧路面材料难以处理的问题.乳化沥青冷再生混合料虽然在不同等级的公路中均有应用，但是在不同的国家，却面临着诸多类似的问题，譬如较低的早期强度、较长的养护时间、容易开裂等.在中国，常见的解决办法为在混合料中添加各种辅助性胶结材料或者矿物填料，例如水泥、粉煤灰、硅灰、矿渣等，用于改善路面结构的早期强度、高温性能、水稳性能.

稻壳灰是一种生物质灰，主要成分是未充分燃烧的碳元素和无定形SiO2，具有微观多孔结构，其中含有大量纳米尺度的孔隙，比表面积高达50～100 m2∕g，这是其低密度且具有高吸附能力的重要原因之一［3］.当无定形硅的质量分数较高时，得益于良好的微集料填充效应和类似的火山灰效应，稻壳灰可以作为辅助性胶凝材料被用于水泥混凝土和沥青混合料中［4-5］.总结Arabani 等［6］和Han 等［7］的成果发现，作为改性剂，稻壳灰可以显著改善沥青材料的高温性能及流变特性.Al-hdabi 等［8］将以稻壳灰作为填料的沥青混合料与添加普通硅酸盐水泥的沥青混合料试验结果进行对比，发现稻壳灰能明显提高沥青混合料的力学性能、水稳定性和耐久性.与粉煤灰、硅灰和矿渣等填料相比，稻壳灰具有生产量大、价格低廉的优势.近年来，随着农业生产技术的进步，稻谷的产量逐年提升，同时剩余的稻壳也逐年增多.由于稻壳灰在自然条件下难以被微生物彻底分解，会对环境造成污染，因此稻壳灰在实际生产生活中的回收再利用逐渐成为许多科研工作者的研究方向.

本文主要采用间接拉伸试验、低温劈裂试验、高温车辙试验和冻融劈裂试验对稻壳灰加入乳化沥青冷再生沥青混合料中的各项性能进行测试和研究，并且采用电镜扫描和EDX能谱实验对稻壳灰的微观结构和元素成分进行分析.

1 试验材料

试验使用的是600～800 ℃高温燃烧后的稻壳灰，外观如图1所示，颜色呈灰白色.

图1 稻壳灰表观形态Fig.1 Apparent morphology of rice husk ash

电镜扫描和EDX能谱分析得到了稻壳灰的微观结构和主要成分，采用的设备是电镜扫描仪S4800，分别如图2、图3 和表1 所示.通过2 000 倍和5 000倍电镜扫描的成像分析发现，稻壳灰比表面积大，孔隙率较高.而EDX 元素峰谱则说明稻壳灰的主要成分是SiO2，原样稻壳中的C 元素转化成大量的CO2和CO，散播到空气中.

图2 稻壳灰微观结构Fig.2 Microstructure of rice husk ash

图3 稻壳灰元素峰谱Fig.3 Element peak spectrum of rice husk ash

表1 稻壳灰主要元素组成Tab.1 Main elements of rice husk ash

再生集料来自湖南长沙的绕城高速公路，路面铣刨料在工厂经过初次破碎后运抵实验室按照试验要求进行筛分，从再生集料中抽提出来的旧沥青的物理性质如表2所示.

表2 旧沥青物理指标Tab.2 Physical index of old asphalt

乳化沥青制作步骤如下：1）首先将慢裂阳离子乳化剂加入纯净水中，混入2 g 的盐酸调节pH，保持皂液的温度约为65 ℃；2）然后将加热到140 ℃的70号基质沥青与皂液，一边倒入胶体磨中一边搅拌，约1.5 min 制得乳化沥青.乳化沥青中基质沥青、水和乳化剂的比例分别约为63%、34%和2.5%.各项性能指标如表3所示.

表3 乳化沥青物理指标Tab.3 Physical index of emulsified asphalt

矿粉使用的是普通的石灰岩粉.水泥的等级是P·C42.5.新的集料被加入混合料中，与再生集料的比例约为1∶4，用于解决再生集料中粗颗粒较少的问题，增加集料间的摩阻力.试验材料均符合《公路沥青路面再生技术规范》（JTGT 5521—2019）［9］的要求.稻壳灰和矿粉的筛分试验结果如表4所示.

表4 稻壳灰（矿粉）筛分试验结果Tab.4 Results of rice husk ash screening test（mineral powder）

2 混合料配合比设计及路用性能试验

2.1 配合比设计

由于各国不同地区工程级配范围有较大差异，本次试验根据湖南省工程情况以及再生规范进行设计［9］，最终确定级配为中粒式.如图4所示.

图4 级配范围Fig.4 Grading range

在配制乳化沥青冷再生混合料的时候，需要考虑流体质量分数的影响.而流体质量分数同时包括含水量和乳化沥青质量分数.含水量过少，集料之间没有充分的润滑作用，难以相互嵌挤在一起，粗细集料分散不均匀，无法形成密实骨架.含水量过多，超出材料的吸水能力，多余的水分溢出会流失部分细集料颗粒，增加试件的空隙率.而确定最佳乳化沥青质量分数的意义在于待乳化沥青充分破乳，在骨料之间形成的胶结作用是试件强度的主要来源.乳化沥青的质量分数过少，不能将骨料充分胶结在一起，骨料之间会存在没有沥青包裹的间隙.这些间隙在试件承受外部荷载的时候强度较低，容易成为裂缝发展的起点.乳化沥青的质量分数过多，试件的一些部位沥青膜厚度较大，骨料无法很好地嵌挤在一起，形成具有稳定支撑作用的骨架，容易产生滑移，造成试件的变形.

利用土工击实试验的方法来确定混合料的最佳含水量［10］.分别按照新集料、再生料、矿粉（稻壳灰）和水泥总质量的1.5%、2.5%、3.5%、4.5%和5.5%的含水量进行试验，乳化沥青保持4%不变，就能得到试件的最大干密度.计算干密度ρb的公式如下：

式中：ρb为试件的干密度，g∕cm3；V为试件的体积，cm3；W为压实后的试件含水量，%；M为压实后的试件质量，g.

采用干湿劈裂强度比来确定最佳乳化沥青质量分数.保持最佳含水量不变，乳化沥青质量分数从3%依次递增到5%，测得劈裂强度和浸水劈裂强度，计算浸水劈裂强度比.浸水试验方法为将试件在25 ℃水箱中浸泡23 h，再放到15 ℃水箱中浸泡1 h，然后进行劈裂强度测试.

参考再生规范，混合料中矿粉（稻壳灰）等外加填料的掺量不宜超过集料质量的5%，水泥等活性添加剂的质量分数不超过1.5%.本次将稻壳灰作为替代矿粉的填料加入冷再生混合料中，分别为新集料和再生料质量和的1%、2%、3%、4%和5%这5 个掺量比，水泥控制为1%保持不变.混合料在常温下进行拌合，不需要对搅拌机和材料进行加热，拌合过程首先对粗骨料进行湿润，然后加入细骨料和水，满足最佳含水量的要求，再加入乳化沥青搅拌约1 min，使乳化沥青能够均匀裹覆在集料表面，最后加入水泥和矿粉（稻壳灰），搅拌1.5 min.

2.2 混合料体积参数

冷再生沥青混合料添加不同的矿物及非矿物填料，对压实试件的密实度以及空隙率会有一定程度的影响.因此，测定不同稻壳灰（矿粉）掺量标准马歇尔试件的空隙率非常重要.

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）［11］中T0705 和T0711 的方法，计算空隙率的公式如下：

式中：Vv为空隙率，%；ρb为干密度，g∕cm3；ρm为最大理论密度，g∕cm3.

2.3 路用性能试验

间接拉伸强度（Indirect Tensile Strength，ITS）试验使用的是路面强度试验仪，主要用于测定沥青混合料在规定温度和加载速率下劈裂破坏或处于弹性阶段时的受力状态和强度［11］.将对照组和实验组分别进行测试，试验温度为（15±0.5）℃，加载速度为50 mm∕min，记录测量数据.公式如下：

式中：RT为试件的劈裂强度值，MPa；PT为试验测量值，N；h为试件高度，mm.

沥青路面在反复承受车轮动态荷载的条件下，孔隙中的水产生动态压力和真空抽吸作用，进入沥青和集料接触界面，降低沥青黏结力，致使沥青从集料表面剥离脱落，最终导致路面结构产生凹槽、变形等损害的现象，称为水损害［12-13］.在规定条件下对沥青混合料进行冻融循环，测定混合料试件在受到水损害前后劈裂破坏的强度比，以评价沥青混合料的水稳定性［11］.冻融劈裂试验强度比计算公式如下：

式中：TSRFreeze-thaw为冻融劈裂强度比；Pi为第i组试验的荷载值，N；分别为1、2 组间接拉伸强度，MPa；为第i组经冻融循环的间接拉伸强度，MPa；hi为第i组试件高度，mm.

沥青本身属于黏弹性材料，它的物理性能受到温度和车辆荷载的双重影响.温度升高，沥青的黏滞力降低，容易发生流动.为了模拟沥青路面在实际工程应用中的环境条件，采用车辙试验来评价它的高温稳定性［14-15］.在规定的温度及荷载条件下，测定试验轮往返行走所形成的车辙变形速率，每产生1 mm变形的行走次数即为动稳定度（Dynamic Stability，DS）.计算公式如下：

式中：DS为动稳定度，次∕mm；d1、d2分别为45 min、60 min 的变形值，mm；C1为试验机类型系数；C2为试件系数；变形达到25 mm时的时间为t2，其前15 min为t1.

沥青自身的高低温性质差异很大，在温度较低的环境中，沥青的流动性变差，混合料试件的低温抗开裂能力会逐渐降低.对试件进行低温状态下抗开裂的试验分析是沥青混合料综合性能评价中不可缺少的一部分［16］.评价低温性能更适合采用低温劈裂试验，在加载过程中，混合料试件一旦开裂，便会失去承载能力，荷载压力值也会迅速下降.与常温试验不同的是，低温劈裂控制试验温度为-10 ℃，加载速度为1 mm∕min.计算公式如下：

式中：RT-lowtemperature为低温劈裂强度值，MPa；PT-lowtemperature为试验最大张力值，N；h为试件高度，mm.

3 试验结果与分析

3.1 最佳含水量和最佳乳化沥青质量分数的确定

冷再生混合料最佳含水量的数据结果如图5 所示.混合料的干密度首先随着含水量的增加而增加，呈现缓慢递增的曲线，材料表现出一定的吸水能力.当含水量增加到一定值时，混合料的干密度达到峰值，含水量继续增加，干密度反而降低.原因可能是水分继续增加，超出材料本身的吸水能力，溢出的水反而带走混合料中的细集料颗粒.当干密度达到最大值时，对应的含水量就是最佳含水量［17］.经过二项式拟合计算，各个稻壳灰掺量对应的最佳含水量分别约为3.72%、3.83%、3.96%、4.09%、4.17%.由于矿粉的密度较稻壳灰大，体积变化不明显，添加矿粉作为填料的对照组含水量控制为3.72%，保持不变.

图5 不同稻壳灰掺量的混合料干密度Fig.5 Optimum water content with different RHA content

图6 和图7 表明，乳化沥青质量分数逐渐增加，破乳后在集料表面的裹覆面积会逐渐增大，集料之间的胶结作用会逐渐增强，因此劈裂强度也呈逐渐上升的趋势.试件的劈裂强度达到峰值之后，继续增加乳化沥青的质量分数，会导致马歇尔试件局部沥青膜的厚度增加，反而会降低试件的劈裂强度.将干湿劈裂强度比进行二项式拟合计算，得到最佳乳化沥青质量分数约为4.4%.

图6 不同乳化沥青质量分数的间接拉伸强度Fig.6 Indirect tensile strength of different emulsified asphalt content

图7 不同乳化沥青质量分数的干湿劈裂强度比Fig.7 Dry-wet strength ratio of different emulsified asphalt content

3.2 混合料试件空隙率

对不同掺量下标准马歇尔试件的空隙率进行测定的数据结果如图8 所示，随着稻壳灰（矿粉）掺量的增加，混合料的空隙率呈逐渐降低的趋势，由于矿粉的密度大于稻壳灰，同等质量分数下的稻壳灰体积大于矿粉，因此可以得出结论：稻壳灰作为填料的混合料试件密实度更好.

图8 标准马歇尔试件的空隙率Fig.8 Porosity of standard Marshall specimen

3.3 路用性能试验结果与分析

间接拉伸强度试验的结果如图9所示：

图9 不同稻壳灰（矿粉）掺量混合料的间接拉伸强度Fig.9 ITS of mixture with different content of rice husk ash（mineral powder）

1）在掺量不超过3%的情况下，稻壳灰掺量的增加对马歇尔试件的间接拉伸强度有所提升.掺量大于3%，间接拉伸强度可能呈逐渐降低的趋势.

2）矿粉掺量的提高对马歇尔试件的间接拉伸强度有明显提升，但在掺量超过4%之后，试件的间接拉伸强度有所回落，这与规范中矿粉等填料不能超过5%的要求保持一致.

分析原因，稻壳灰作为填料加入混合料中，得益于其非常大的比表面积和空隙率，与沥青一起形成网状结构，能够迅速吸收乳化沥青中的水分，促进破乳进而提高试件的强度.但是稻壳灰的掺量不宜过大，否则会破坏试件的骨架结构.

低温的试验结果如图10 所示.随着稻壳灰和矿粉掺量的增加，低温劈裂强度逐渐降低，不过添加矿粉的马歇尔试件强度会略高于添加稻壳灰的.本试验中，添加矿粉的试件即便掺量达到5%，低温劈裂强度依然可以维持在2.0 MPa以上；添加稻壳灰的试件在掺量超过3%以后，低温劈裂强度逐渐降低到2.0 MPa 以下.因此考虑3%作为添加稻壳灰作为填料的掺量上限.沥青在低温条件下不容易有高强度的抗拉表现，稻壳灰或者矿粉在混合料中的比例逐渐增加时，沥青与集料形成网状结构之后沥青中间的灰质成分增加，会降低混合料试件低温劈裂强度.

图10 不同稻壳灰（矿粉）掺量下混合料的低温劈裂强度Fig.10 Low temperature ITS of mixture with different content of rice husk ash（mineral powder）

冻融劈裂的试验结果如图11和图12所示.随着稻壳灰掺量的增加，混合料试件冻融TSR 逐渐降低，呈现一条单调下降的曲线，这说明添加稻壳灰作为填料不利于冷再生混合料的水稳定性.而当矿粉加入混合料中作为填料时，随着掺量的增加，混合料的水稳定性先小幅提高再趋于稳定.原因可能是矿粉加入冷再生混合料中，降低了结构的空隙率，水分难以侵入沥青和集料的黏结界面，使得沥青不易从集料表面剥离，从而提高了试件抵抗水损害的能力.

图11 不同稻壳灰掺量的冻融劈裂强度、冻融劈裂强度比Fig.11 Freeze-thaw splitting strength and its ratio with different rice husk ash content

图12 不同矿粉掺量的冻融劈裂强度、冻融劈裂强度比Fig.12 Freeze-thaw splitting strength and its ratio with different mineral powder content

高温车辙试验的数据结果如图13 所示，试件的动稳定度随着稻壳灰和矿粉掺量的增加而逐渐提高，呈现单调上升的趋势.表明稻壳灰和矿粉作为填料均可以显著提高混合料试件在高温下的性能表现，甚至稻壳灰作为填料可能优于矿粉.稻壳灰在混合料试件中能够增加沥青结构的黏滞性，同时减小路面结构的变形，增加其承受荷载的能力.

图13 不同稻壳灰（矿粉）掺量下的动稳定度Fig.13 Dynamic stability with different content of rice husk ash（mineral powder）

4 结论

本文主要研究了稻壳灰替代矿粉作为填料加入乳化沥青冷再生混合料中做道路基层时的各项性能表现.得出如下结论：

1）稻壳灰的主要成分是SiO2，具有多孔无定形结构和较大的比表面积，作为填料加入再生路面中有很好的微集料填充效应和类似的火山灰效应.

2）考虑到低温性能和水稳性能，稻壳灰作为填料不应超过集料以及其他填料质量和的3%.与矿粉相比，稻壳灰加入冷再生混合料中可以改善结构的高温性能和力学性能.

3）稻壳灰加入冷再生混合料中对试件的抗水损害性能有不利影响.

综上所述，在干旱非严寒地区，稻壳灰作为填料加入乳化沥青冷再生混合料中是可行的.