废旧混凝土再生粉料对沥青混凝土抗水损害性能的影响

万 里，陈 军

(湖北交投智能检测股份有限公司,武汉 430100)

混凝土是基建领域应用最为广泛的材料之一，因而在旧城改造、基础设施翻修及重建等过程中产生了大量的废旧混凝土。将废旧混凝土块破碎、筛分制备成再生骨料循环用于混凝土领域，被认为是高效、高附加值处理废旧混凝土的前景途径之一[1]。但再生骨料表面包裹有水泥砂浆，其内部存在很多孔隙和裂纹，孔隙及裂缝一方面影响砂浆层与旧骨料表面的粘结，另一方面也造成再生骨料存在吸水率高、强度低等性能问题[2]。再生骨料的这些性能缺陷也直接影响到再生混凝土的工程性能，因而再生骨料在混凝土中的应用受到限制。对再生骨料进行强化处理是改善其性能缺陷的主要技术措施[3]。但相应的技术工艺仍然不成熟，大批量处理再生骨料的成本也比较高。所以急需开发废旧混凝土的低成本、高效利用技术。

构成沥青混凝土的原材料主要有四类：粗集料、细集料、填料和沥青胶结料，集料占沥青混凝土总质量的90%以上，填料和沥青的占比虽然较小，但两者的作用却非常重要。胶浆理论认为在沥青混凝土中真正起粘结作用的是沥青胶浆，其主要成分就是填料、沥青以及细集料中的粉体部分。在实际工程中，最常用的填料为采用石灰石磨制的矿粉，但常常会根据工程实际情况采用碱性水泥部分或全部替代石灰石矿粉来改善沥青混凝土的路用性能，例如当面对集料性能不佳、工程抗水损害性能要求高等问题或需求时，会考虑使用这一技术措施。废旧混凝土中存在大量硬化的水泥砂浆，因而采用废旧混凝土加工成的再生粉料理论上应具有高碱性的特征。这为再生粉料作为沥青混凝土填料使用创造了条件。

综上，为丰富废旧混凝土的利用形式，促进其低成本、高效使用，对于采用废旧石灰石骨料混凝土制备的再生粉料，研究探讨了其对沥青混凝土抗水损害性能的影响。开展了两方面的工作：采用SEM和XRD分析了再生粉料的微观特征和矿物成分，从再生粉料的材料特征方面揭示其作为填料使用的适用性；将再生粉料应用于沥青混凝土中，开展沥青混凝土的水稳定性试验，研究其对沥青混凝土抗水损害性能的影响。

1 原材料

研究中使用到两种填料，一种是作为对照组使用的矿粉，另一种则是再生粉料。制备再生粉料的原材料来源于市政道路重建过程中产生的废旧混凝土，原骨料为石灰石碎石；采用球磨机将废旧混凝土块研磨成再生粉料。此外还使用到玄武岩粗、细集料和AH-90石油沥青。玄武岩集料、再生粉料和矿粉按照《公路工程集料试验规程》进行基本性质的测试[4]；AH-90基质沥青按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行基本性质的测试[5]。测试结果分别如表1～表4所示，可见原材料性能指标满足《公路沥青路面施工技术规范》的技术需求[6]。

表1 粗集料基本物理性能指标

表2 细集料基本物理性能指标

表3 填料基本物理性能指标

表4 沥青基本物理性能指标

2 试验方法

采用德国蔡司SEM和荷兰Empyrean型XRD分别表征再生粉料的微观形貌特征和矿物相组成，采用的测试样品均为通过0.075 mm筛孔的粉体。

遵照Superpave设计程序分别设计以石灰石矿粉和再生粉料为填料的两种沥青混凝土，后续分别简称为矿粉沥青混凝土和再生粉料沥青混凝土。沥青混凝土的公称最大粒径为12.5 mm，原材料的掺配比例为玄武岩粗集料(2.36～19 mm)∶玄武岩细集料(0～2.36 mm)∶填料=66%∶30%∶4%，两种沥青混凝土的合成级配曲线如图1所示，两者非常一致。采用残留稳定度和劈裂抗拉强度比作为沥青混凝土抗水损害性能的量化评价指标，其分别采用浸水马歇尔试验和冻融循环试验进行测定。

3 结果与讨论

SEM分析结果如图2所示，可见再生粉料的微观形貌和常用的石灰石矿粉非常相似。两者颗粒都呈现出丰富的棱角特征，表面纹理粗糙。且从再生粉料的微观形貌图中还可观察到絮状物质的存在，一部分附着于颗粒的表面，一部分以自由独立的状态存在。该研究所用的再生粉料来源于粉磨废旧的石灰石混凝土，因而相较于石灰石矿粉，再生粉料除了含有石灰石的成分还含有水泥砂浆的成分。再生粉料中的这些絮状物质和水泥水化产物(C-S-H凝胶)的微观形貌非常相似，因此推断其来源于废旧混凝土的砂浆部分。众所周知，石灰石的主要矿物相为方解石，成分为CaCO3，因而矿粉的主要成分为CaCO3。再生粉料的XRD分析结果如图3所示，从图中可以看出，相比于矿粉，再生粉料除了含有CaCO3外，还含有较丰富的C-S-H。C-S-H只可能来源于水泥砂浆，因为在水泥混凝土的水化、凝结、硬化过程中，水泥中硅酸盐矿物的水化产生了组成非常复杂的C-S-H体系。

颗粒粗糙的微观形貌以及絮状结构物质的存在使再生粉料的比表面积比石灰石矿粉大，同时再生粉料因含有较丰富的C-S-H而具有较高的碱性，这些特征有利于再生粉料与沥青之间的物理及化学作用，改善了沥青胶浆的稳定性以及其与集料的粘结性能。因而，从材料特征方面考虑，将再生粉料作为沥青混凝土填料使用具有优势。

沥青混凝土的浸水马歇尔试验和冻融循环试验结果分别见图4和图5。结果显示，随着热水浸水时间的延长和冻融循环次数的增加，两类沥青混凝土的残留稳定度(RMS)和劈裂抗拉强度比(TSR)总体上均呈现出下降的趋势，说明采用热水浸泡和冻融循环两类条件模拟水对沥青混凝土的损害是非常有效的。

具体来看，当浸水时间从24 h逐渐延长至96 h时，普通矿粉沥青混凝土的RMS从90.2%下降至80.5%，按百分比计RMS下降了约10.8%；再生粉料沥青混凝土的RMS则从92.3%下降至86.5%，按百分比计RMS下降了约6.3%。说明再生粉料改善了沥青混凝土耐热水破坏的能力，且在长时间的热水破坏下，其产生的改善效果更明显。沥青混凝土TSR的变化趋势类似，当冻融循环次数从1次逐渐增加至4次时，普通矿粉沥青混凝土的TSR从87.3%下降至72.6%，按百分比计TSR下降了约16.9%；再生粉料沥青混凝土的TSR则从88.3%下降至77.6%，按百分比计下降了约12.1%。说明再生粉料也改善了沥青混凝土抵抗冻融循环破坏的能力，且在冻融循环的持续破坏下，其产生的改善效果也更明显。冻融循环破坏造成的TSR衰减要比热水浸泡破坏下的RMS衰减更剧烈，这也说明冻融循环这一破坏条件更严苛。

4 结 论

该研究将废旧石灰石骨料混凝土加工成再生粉料，从材料特征和沥青混凝土水稳定性方面分析了将再生粉料作为沥青混凝土填料使用的可行性。

a.再生粉料中，颗粒微观形貌粗糙且含有絮状结构的物质，因而再生粉料的比表面积比石灰石矿粉大；再生粉料因含有丰富的C-S-H而具有较高的碱性。这些特征有利于再生粉料与沥青之间的作用，可改善沥青胶浆的稳定性以及其与集料的粘结性能。

b.再生粉料不同程度地提高了沥青混凝土的残留稳定度和劈裂抗拉强度比，说明将再生粉料作为沥青混凝土填料使用可改善沥青混凝土的抗水损害性能。