汪耀武

(咸宁职业技术学院， 湖北 咸宁 437000)

水库淤泥资源化应用于多孔沥青混凝土的研究

汪耀武

(咸宁职业技术学院， 湖北 咸宁 437000)

研究借由改性水库淤泥的憎水特性，改善排水级配受水分侵害的影响，故将其作为填充料添加于排水性沥青混凝土中，并分别与石粉、水泥等填充料制作成的马歇尔试件进行性能试验与分析。从试验结果可以看出：添加改性水库淤泥、石粉与水泥等填充料的试件透水能力相同，并无随着填充料种类变化而造成差异。在力学性质试验方面，添加改性水库淤泥的试件强度稍弱于添加石粉、水泥的试件强度。而残余强度试验(TSR)中，3种填充料在第1天试验结果相同，但随着浸泡天数渐渐拉长，添加改性水库淤泥的试件TSR值大于其他两者，并在第10天维持60%以上的强度，显示改性水库淤泥在抵抗水侵害的表现较佳，能有效提升路面的抗水侵害能力。

改性水库淤泥； 多孔沥青混合料； 路用性能； 资源利用

1 概述

近年来，为提升沥青路面的性能，主要有沥青结合料改性及探讨路面骨材粒料性质等研究方向[1,2]。在气候环境不利于沥青路面的情况下，公路排水设计若不完善，水分残留在沥青混凝土孔隙中，浸泡时间拉长会造成剥脱现象产生，引起结构性的破坏。因此要改善水侵害，在道路设计时要考虑路面坡度及排水设计，或是采用排水级配沥青混凝土，也可添加抗剥落剂使沥青包裹粒料不易受水侵害而剥落。黏土矿物容易吸水，工程上也视其为麻烦，三峡水库年平均入库泥沙量达5亿 t左右，如处理不好，不仅会影响水库正常效益的发挥，缩短水库使用寿命，而且会影响长江“黄金水道”的通畅。具有膨胀性质的黏土，吸水后可膨胀数倍，破坏原先所凝聚的型态，进而影响工程性质，所以工程上不以黏土当细粒料使用。改性水库淤泥在应用上，膨胀性黏土可烧制成轻质骨材，然而每年产量有限，对水库淤泥的应用与减量效果不明显；若能将膨胀性黏土易于吸水的表面，经由改性剂改变为厌水表面，同时除去对混凝土有害的阳离子，黏土将成为内部不吸水且稳定的颗粒，成为减少水库淤泥淤积的应用方法之一。尽管国内外对水库淤泥用于轻质骨材进行了大量的研究[3-8]，但将水库淤泥应用于多孔沥青混合料中来改善其水稳定性的研究国内外鲜有报道。

2 研究目的

本研究的主要目的是希望借由改性水库淤泥的憎水特性，强化路面的抗水侵害能力并增加其使用寿命。而排水级配的孔隙率高，受水分影响显著，导致路面弱化程度严重，本研究采用排水级配，以期能改善此缺点。研究目的可分成以下几点:

① 评估添加改性水库淤泥于排水性沥青混凝土的工程性能

② 比较添加石粉、改性水库淤泥、水泥于排水性沥青混凝土的工程性质差异

③ 评估改性水库淤泥的抗水侵害能力与改善性能

④ 探讨改性水库淤泥应用于排水性沥青混凝土的可行性。

3 材料及研究方法

3.1 改性水库淤泥

本研究试验所采用的水库淤泥来自三峡水库。由三峡水库淤泥砂的特性分析得知，其平均含水量约在35%～100%之间，孔隙比则介于0.9%～2.5%间。其物理特性及土壤成分组成见表1。

表1 水库淤泥的物理特性Tab1 Thereservoirphysicalpropertiesofthemud土壤组成成分/% 物理性质砾石砂土粉土黏土比重液性限度/%塑性限度/%塑性指数/%土壤分类08．171．720．2 2．7140．140．111．9黏土

经由国内外学者研究[5-8]，将原始水库淤泥进行改性后，成为具有防水透气功能的改性水库淤泥，并制成防水建材在市面贩售。改性与未改性水库淤泥，两者外观上有色差，改性水库淤泥偏土黄色，未改性水库淤泥则偏灰色；气味方面，改性水库淤泥有水泥粉的气味，未改性则无明显气味。

3.2 研究方法

本研究所采用的级配为日本排水性铺装技术指针(案)中最大公称粒径19 mm的级配，搭配高黏度改性沥青与0.4%的木质纤维含量，添加不同填充料(石粉、改性水库淤泥、水泥)于排水性沥青混凝土中，依据所建议的配比设计法求出排水性沥青混凝土最佳沥青含量，制作成马歇尔试件，进行透水试验、马歇尔稳定度与流值试验、间接抗拉强度试验、不同天数(0、1、3、5、10 d)的残余强度试验、Cantabro磨耗试验、回弹模量试验，评估添加改性水库淤泥于排水性沥青混凝土的性能影响，以及比较添加不同填充料对沥青混凝土所造成的工程性质差异性。

4 试验结果与讨论

依照研究方法与相关规范，先进行粒料与沥青黏结料的基本物理特性试验及排水性沥青混凝土配比设计，再将改性水库淤泥、石粉、水泥等3种不同填充料搭配高黏度改性沥青制作马歇尔试件，并于试件中添加0.4%的木质纤维，最后再将试件进行马歇尔稳定度、流值、透水试验、回弹模量试验、Cantabro磨耗试验、间接抗拉强度试验、不同天数的残余强度试验，评估不同填充料的排水性沥青混凝土性能。

4.1 排水性沥青混凝土配比设计结果

研究采用日本道路协会排水性铺装技术指针(案)所建议的配比设计方法，求出最佳沥青含量为5.1%，并依据最佳沥青含量制作成马歇尔试件进行配比设计结果检验，判定是否合乎规范要求，结果如表1所示。

表1 排水性沥青混凝土的结果检验Table1 Theresultsoftheinspectionofdrainageasphaltconcrete试验项目试验值规范值孔隙率/%22．715～25透水系数/(cm·s-1)0．12>10～2马歇尔稳定度/kN7．9>3．5

4.2 室内透水试验结果

水分滞留于道路的时间越长，不仅影响路面寿命，也会增加车辆行驶的危险。而透水路面能将水分排除，因此排水性沥青混凝土的透水能力优劣，为决定此级配好坏的因素之一，试验结果见图1。

由试验结果可以发现:不同填充料所制成的马歇尔试件透水试验值都远大于规范0.01 cm/s，而添加水泥的试件透水能力稍微高于添加改性水库淤泥与石粉的试件，但是差距不大，可以视为相同的透水能力。除此之外，由结果可以得知改变填充料种类并不会影响排水性沥青混凝土的透水能力。

4.3 马歇尔稳定度与流值试验结果

马歇尔稳定度试验结果如图2所示，以大小排列为水泥、石粉、改性水库淤泥。虽然水泥稳定值最大，但与最低的改性水库淤泥相差约0.05 kN，并没有太大的差值。石粉则介于水泥与改性水库淤泥之间，强度稍微大于改性水库淤泥。由此推测，在相同沥青与级配且都添加纤维的条件下，对稳定值能产生影响的只有填充料本身的强度。因为填充料在混合料中所占的比例只有5%，使不同填充料在稳定度强度方面所产生的影响有限，再加上排水性沥青混凝土的强度是依赖粗粒料的互锁，因此结果上只能呈现出填充料本身强度之间的差距。而改性水库淤泥的强度为最低的原因可能为淤泥大多为粉土或黏土所组成，再加上其形状较扁平，因此所产生的内摩擦力很小，强度也随之降低。本研究的试验结果都大于规范3.5 kN，符合稳定度规定。

马歇尔流值的试验结果见图3，流值最高的为水泥，其次为石粉，最低则是改性水库淤泥。显示出改性水库淤泥在抗车辙能力方面比其他两者稍佳，推测是因为在同重量百分比之下所取的填充料量一样，但改性水库淤泥的比重比水泥低，体积也较大，因此能填补较多的孔隙，形成比水泥跟石粉还稳定的状态。但排水性沥青混凝土的强度还是依靠粗粒料提供，因此结果上影响有限，可以视为相同效果。

4.4 Cantabro磨耗试验结果(见图4)

磨耗试验是模拟路面受车辆反复载重所造成的磨损状况，为评估路面性能的方法之一。结果如图4所示，磨损最多的为添加改性水库淤泥，而抵抗磨损最好的是添加石粉，代表石粉在抵抗路面磨损的能力上较优。

由图上的试验结果可看出，比起石粉与水泥的试件，在添加改性水库淤泥之后，表现稍差。原因推估为改性水库淤泥虽然具有亲油的性质，能散布于沥青胶浆中，但其形状较扁平，产生的内摩擦力较小，在受到强大外力的作用下，无法与其他粒料形成足够的嵌合，因此磨损量比其他两者要大。虽然由结果判别出改性水库淤泥的磨损量最多，但与其他两者相比之下，整体损失量并没有太大差异。而本试验整体磨损量偏高，推测为级配所造成的影响较大。因为本研究所采用的级配偏向较粗的规范，因此缺乏足够的细粒料与粗粒料形成有效的互锁。当接受外力撞击时，容易因内聚力不足而剥落，所以损失量也较大。

4.5 间接抗拉强度试验结果

本研究添加3种不同填充料制作成马歇尔试件，经由此试验评估其不同的抗拉能力，结果如图5所示。

图5 间接抗拉强度试验结果Figure 5 Indirect tensile strength test results

由试验结果得知:不同于稳定度的趋势，石粉在此试验的间接抗拉强度值最大，推估为石粉的粒径大小比水泥粗所致。因为执行试验时的破裂面只有部分区域，当受到外力施压时也只有区域内的填充料能产生反应，与马歇尔稳定度试验夹具所产生的整体破坏范围不同，因此较粗的石粉与粗粒料形成的架构产生较佳的抗拉强度。而改性水库淤泥的粒径由筛分析可得知与水泥相近，尺寸上与水泥类似，但形状较扁平，导致抗拉强度表现上稍差。

4.6 不同天数残余强度试验结果

本研究借由改性水库淤泥的憎水特性，作为填充料添加于沥青混凝土中，并与其他常见的石粉、水泥比较，探讨各填充料于排水性沥青混凝土中经水侵害后所造成的影响。此试验的各试件都使用高黏度改性沥青，并浸泡于60 ℃的恒温水槽，而浸泡时间分别为0、1、3、5、10 d，最后将到达各浸泡天数的试件取出进行间接抗拉强度试验。

4.6.1 不同浸泡天数的间接抗拉强度影响

如图6试验结果所示，石粉比起其他两种填充料在第0天未受水侵害的间接抗拉强度值最大。经过一天浸泡后，3种填充料的数值反而趋近于0.6 MPa左右，此时改性水库淤泥与水泥的间接抗拉强度相似，而石粉降低的强度值最多，约减少0.16 MPa，但改性水库淤泥的衰减程度已慢慢降低，而石粉则与水泥以相似的衰弱程度持续减少强度，直至第3天后两者才渐渐趋于平缓。然而随着浸泡时间至5～10 d之后，石粉又降低约0.12 MPa，其强度值经由长时间的水侵害后呈现最低，为抵抗力较差的填充料。而改性水库淤泥与水泥在3～10 d的水侵害状况，呈现平缓的趋势，代表水侵害的影响已逐渐降低。比较结果之后，得知石粉虽然在未浸泡受水影响之前的间接抗拉强度最佳，但经过长期的水侵害影响后，性能则无法持续维持，而以改性水库淤泥及水泥呈现较优的抗水侵害能力。

图6 不同浸泡天数的间接抗拉强度试验结果Figure 6 Indirect tensile strength test results of differentsoaking days

4.6.2 不同浸泡天数的残余强度影响

本节所探讨的残余强度值(TSR)是借由试件经过不同天数浸泡后与未浸泡前的间接抗拉强度作为比值，得知沥青混凝土因水侵害所造成的强度变化影响。由图7可发现:3种填充料在第1天的趋势与上一节相同，除了符合规范值之外，数据上几乎没有差异，可视为相同的抗水侵害能力。但在第3 d时，改性水库淤泥下降到75.68%，明显优于其他两者，在结果上仍保有一定的强度。至3～5 d时，石粉则几乎没有任何减弱，维持在66%左右，而改性水库淤泥与水泥虽然持续降低，但趋势已经渐渐平缓。直至第10天，水分的影响力对改性水库淤泥与水泥已经减弱，但石粉的强度却减低至52.40%，不同于上一节的结果，可以明显看出弱化程度最大。

结果显示，3种填充料在浸泡1 d后都呈现较大的变化，水泥则至第3天才呈现平缓趋势。就TSR值而言，随着浸泡天数越长，改性水库淤泥与其他两者的差异越显著，在第10天仍保有60%以上的强度值，抗水侵害的能力最佳。

图7 不同浸泡天数的残余强度试验结果Figure 7 The residual strength test results of different soakingdays

4.6.3 不同浸泡天数的间接抗拉强度损失率(见图8)

此节探讨3种填充料经过不同天数水侵害的抗拉强度损失率，如图8的结果所示。在第1天的损失率，3种填充料都损失19%左右，因水侵害所造成的影响相同。由3～10 d的结果显示，石粉虽然在3～5 d几乎没有损失，但在最后却是损失接近一半；水泥则是在初期损失最多，而在之后的各天数损失率差距不大，呈现稳定状态；改性水库淤泥与其他两者比较，则持续维持最低的损失量，在趋势上也是缓缓上升，并无太大的起伏变化，为受水分影响最低的填充料。

图8 不同浸泡天数的间接抗拉损失率Figure 8 Different soaking days of indirect tensile loss rate

综合以上3节结果，添加改性水库淤泥于排水性沥青混凝土，在抗水侵害的性能表现显著。而在间接抗拉强度变化、TSR值与损失率性能显示，浸泡1 d后的试件与浸泡前差距颇大，究其原因可能为本研究所设计的孔隙率偏高，使水分在试件内部的孔隙水压也随之提高，对混合料之间的结合力进行破坏且易产生松散现象，使强度在1 d后骤降，导致试件可能提早破坏。

4.7 回弹模量试验结果

借由回弹模量试验，可以探讨不同材料、温度、加压次数与加压频率等因素下的沥青混凝土性质影响。本研究于温度25 ℃、固定加压150次与维持0.5 Hz的频率下，对添加3种不同填充料的沥青混凝土试件进行回弹模量试验，结果如图9所示。

图9 回弹模量试验结果Figure 9 Modulus of resilience test results

就回弹模量而言，数值越大代表劲度越强，变形量较小。而水泥与石粉的试验值大于改性水库淤泥，显示此两种材料在抗变形与强度上比改性水库淤泥佳。但改性水库淤泥的回弹模量为3 345.7 MPa，与其他两者都达3 000 MPa以上，在强度上仍可接受；其他两者的回弹模量接近，水泥仅略大于石粉，得知添加水泥或石粉于排水性沥青混凝土中，在结果上可视为具有同样性能的加劲材料。至于改性水库淤泥在此试验结果上较差的原因，推测为改性淤泥强度较弱，在内聚力上已低于其他两种填充料，即便其亲油性能与沥青契合度提高，但在强度上比起水泥与石粉则表现稍差。

5 结论

本研究主要目的是探讨改性水库淤泥添加于排水性沥青混凝土中所造成的影响，试验采用高黏度改性沥青及0.4%的木质纤维含量，搭配最大公称粒径19 mm的日本排水级配进行各项性能试验，并与常见的填充料石粉、水泥于同条件下比较之间的性能差异性。综合试验的结果与分析，整理得以下结论:

① 排水效能:在透水系数方面，填充料种类的不同对透水能力没有造成显著影响，石粉、改性水库淤泥与水泥于相同试验条件下，并无随着填充料种类的改变而产生透水能力上的差异，由结果可知，影响透水性能好坏主要因素还是由设计的级配所决定。

② 力学性质:改性水库淤泥在稳定度、间接抗拉强度、磨耗与回弹等工程性能试验上，成果都比石粉与水泥稍差。代表改性水库淤泥虽然具有与石粉、水泥相同的亲油特性，能均匀散布于沥青中，但组成的强度稍弱。分析后显示，填充料种类不同对上述的试验结果都没有显著影响，代表改性水库淤泥可作为填充料使用，并不会严重影响强度。原因可推测为排水性沥青混凝土主要依靠粗粒料的互锁提供强度，再加上填充料约占有5%，数量不多，所以在强度方面影响有限。

③ 抗水侵害能力:改性水库淤泥于残余强度试验中，除了第1天与石粉、水泥抗水能力相同之外，随着浸泡天数渐渐拉长，与其他两者的差异也越来越大，不但性能较佳且受水侵害的影响已趋于缓和，于试验第10天仍维持强度60%以上，显示其在抗水侵害能力上优于其他两者。

整体而言，将改性水库淤泥添加于排水性沥青混凝土中，确实发挥其防水特性。虽然在强度方面表现稍差，但经由统计分析出的结果则显示不显著，代表以改性水库淤泥作为排水性沥青混凝土的填充料使用是可行的，因此在适当的条件下，采用改性水库淤泥将可提升路面的抗水侵害能力。

[1] Lu,C.T.,WKuo,Ming-Feng Kuo and Shen,D.H.,(2013),”Composition and Reaction Mechanism of Cement-Asphalt Mastic”,Construction and Building Materials,23(7),pp.2580-2585. [2] Mix design techniques-part I.NAPA TAS-14,National Asphalt Pavement Association,Instructors manual,(2012). [3] Asphalt Institute(MS-2),Mix design methods for asphalt concrete and other hot mix types,(2013). [4] Anderson,D.A.,and Goetz, W.H.“Mechanical Behavior and Reinforcement of Mineral Filler-Asphalt Mixtures”,Journalof the Association of Asphalt Paving Technologists,Vol.42,pp.37-66 (2008). [5] 彭予柱.淤泥再生高强度轻质骨材开发[J].沈阳建筑大学学报:自然科学版,2010,06(2):5-10. [6] 谭克锋.轻集料及高性能轻集料混凝土的性能研究[J].同济大学学报:自然科学版,2006(04):12-18. [7] 徐美君.水库淤泥可生产建材产品[J].建材工业信息,2013,12(6):18-22. [8] Yu Jianying, Zeng Xuan, Wu Shaopeng, Wang Lin, Liu Gang.Preparation and properties of montmorillonite modified asphalts[J].Materials Science and Engineering A 447,2013,12(4):233-238.

Research of Reservoir Silt on the Properties of Porous Asphalt Mixture

WANG Yaowu

(Xianning Vocational Technical College, Xianning, Hubei 437000, China)

This study modified by hydrophobic properties of the reservoir silt, improve drainage gradation is influenced by water enroach on, so as a filling material added in drainage asphalt concrete, and respectively with stone powder, such as filling material, cement production of Marshall specimen for performance testing and analysis. Can be seen from the results, adding modified reservoir filling material such as mud, stone and cement specimens of permeable ability are the same, no change as filling material type and cause difference. In terms of mechanical properties test, add modified reservoir silt specimen strength was slightly weaker than adding powder, the strength of the cement specimen. (TSR) and the residual strength test, the test result is the same three kinds of fillers in 1 day, but as the days gradually elongated, immersing add modified reservoir silt specimen (TSR) value is greater than the other two, and maintain more than 60% of the strength in the 10th day, show modified reservoir silt do better in the resistance to water enroach on, can effectively improve ability to resist water enroach on the road.

modified reservoir silt; porous asphalt mixture; road performance; resource utilization

2015 — 05 — 07

重庆市交通科技进步计划项目(201502014)

汪耀武(1982 — )，男，湖北咸宁人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：建筑与土木工程。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0283 — 06