生活垃圾焚燒飛灰造粒顆粒在瀝青混合料中的應(yīng)用研究

李菁若，丁金西，劉瑞全，青光焱，徐周聰，王全磊，伍 杰

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067； 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；3.招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 400067； 4.招商局公路信息技術(shù)(重慶)有限公司，重慶 400067)

生活垃圾焚燒飛灰是生活垃圾焚燒廠煙氣凈化系統(tǒng)的捕集物和煙道及煙囪底部沉降的底灰。以重慶地區(qū)為例，重慶市已建和在建的生活垃圾焚燒廠焚燒城市生活垃圾約1萬t/d，產(chǎn)生焚燒飛灰量約250 t/d(按2.5%計算)，以每個垃圾焚燒廠年運行330 d計，每年約產(chǎn)生焚燒飛灰8.25萬t。2016年國務(wù)院印發(fā)了《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃的通知》(國發(fā)〔2016〕65號)，指出“到2020年，垃圾焚燒處理率達到40%”。預(yù)計2020年，全國年產(chǎn)生焚燒飛灰量約1 000萬t，且同比仍在增長。雖然焚燒飛灰每年的排放量巨大，但其資源化利用尚處于起步階段，利用率極低。如此，不僅占用大量土地，浪費土地資源，還會造成二次污染，如污染水體、土壤和生物環(huán)境等，甚至危害人體健康。同時焚燒飛灰填埋處置費用逐年攀升，如2014年，在重慶地區(qū)、北京地區(qū)、上海地區(qū)焚燒飛灰處置費用分別為800 元/t～1 000元/t、1 500元/t、1 800元/t；2020年則分別為1 850元/t、2 500元/t、3 500元/t。即便如此高昂的處置費用，處置場所亦臨近飽和，甚至一度達到了本地無法消納的地步，焚燒飛灰的資源化利用迫在眉睫[1-6]。

與此同時，道路工程建養(yǎng)是高資源占用、高能源消耗、高碳排放行業(yè)，是國家節(jié)能減排的重點領(lǐng)域之一。當前，我國道路工程建養(yǎng)每年需消耗砂石等材料數(shù)十億t，其中2020年的瀝青路面混合料用量預(yù)計將達5億t，由此帶來的能耗和排放問題將會更加突出。因此，本文擬研究將焚燒飛灰作為材料回收用于道路瀝青路面中。根據(jù)前期研究可知[7-10]，焚燒飛灰中含有一定質(zhì)量的可溶鹽，它能通過多種方式侵蝕瀝青混合料的路用性能，特別是水穩(wěn)定性。通常采用膠凝材料水泥、瀝青等能夠有效封裝可溶鹽，抑制可溶鹽的溢出，保證瀝青混合料的水穩(wěn)定性。本文擬采用無機膠凝材料水泥作為主體封裝材料，以進一步保證瀝青混合料的水穩(wěn)定性，并從2方面開展研究：1) 采取二次封裝的方式，即對焚燒飛灰水泥顆粒表面噴涂硅烷防水劑、稀釋瀝青以及在水泥造粒的同時添加粒徑更小的硅灰、粉煤灰，從而加強對可溶鹽的封裝效果；2) 在制備焚燒飛灰水泥顆粒瀝青混合料的同時，添加一定量的聚酯纖維或高粘瀝青等，提高混合料強度，從而抵消可溶鹽對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。

1 試驗部分

1.1 原材料

生活垃圾焚燒飛灰：取自重慶某垃圾焚燒發(fā)電廠，其中的二噁英含量≤10 ng-TEQ/kg，不具有二噁英致毒風險；水泥：采用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，28 d抗壓強度與抗折強度分別為45.9 MPa、8.6 MPa；十六烷基三甲氧基硅烷：分子式為C19H42O3Si，20 ℃時的密度為0.89 g/mL；N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷(KH602)：20 ℃時的密度為0.97 g/cm3，化學(xué)結(jié)構(gòu)式為NH2CH2CH2NH2CH2CH2CH2SiCH3(OCH3)2；高品質(zhì)硅灰：SiO2含量>93%；粉煤灰：為Ⅱ級干排灰。

1.2 焚燒飛灰水泥顆粒的造粒工藝

利用水泥的水硬性膠凝特性對焚燒飛灰進行封裝造粒。其步驟如下：1) 將焚燒飛灰與水泥按照 1∶0.5～1∶1的干燥質(zhì)量比進行干粉混合；2) 添加粉體質(zhì)量28%左右的自來水(水的用量在保證能夠?qū)⒎贌w灰水泥均勻攪拌成粘稠塊體前提下，盡量添加最小用量的水，以降低多余水分蒸發(fā)形成的微孔)，充分攪拌后，將混合物放于振動臺上使其內(nèi)部充分振動密實，并用鏟子不斷拍擊表面以增加其密實狀態(tài)；3) 放置在室溫下灑水養(yǎng)生，待7 d形成強度后，破碎成0～3 mm的焚燒飛灰水泥顆粒，如圖1所示，并將破碎后焚燒飛灰水泥顆粒放入110 ℃的鼓風干燥箱中烘6 h～8 h，使其強度短期內(nèi)再次增長。為控制0.15 mm以下顆粒的含量，可將其篩分出來循環(huán)造粒。

圖1 焚燒飛灰水泥造粒顆粒

焚燒飛灰水泥造粒顆粒的粒徑分布情況如表1所示，基本物理力學(xué)性能如表2所示。

表1 焚燒飛灰水泥造粒顆粒的篩分結(jié)果

表2 焚燒飛灰水泥造粒顆粒的物理力學(xué)性能

從表1、表2可知，通過模擬采石場生產(chǎn)石屑使用的抽吸系統(tǒng)對破碎后的焚燒飛灰水泥顆粒進行抽吸處理后，焚燒飛灰水泥顆粒的粒徑規(guī)格以及物理力學(xué)指標均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對于瀝青混合料用細集料的技術(shù)要求，且220 ℃烘箱中加熱5 h后，焚燒飛灰水泥顆粒無破裂現(xiàn)象，加熱穩(wěn)定性良好。

1.3 硅烷防水劑的配制與噴灑

1) 將無水乙醇和蒸餾水以質(zhì)量比為60∶1的比例進行混合，制備出乙醇-水溶液，并用稀鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值至2～3；2) 在強力攪拌下加入6.7%質(zhì)量分數(shù)的十六烷基三甲氧基硅烷(或KH602)，室溫條件下反應(yīng)30 min，生成含Si-OH的水解物；3) 將制備出來的十六烷基三甲氧基硅烷防水劑以及KH602硅烷防水劑分別均勻噴灑在干燥的焚燒飛灰水泥顆粒表面，室溫下反應(yīng)20 h，得到由2種硅烷防水劑二次包封的焚燒飛灰水泥顆粒。

1.4 稀釋瀝青的配制與噴灑

1) 將SK 70#瀝青放于145 ℃的烘箱中烘1 h～2 h，使其成為流動態(tài)；2) 按照1∶2～1∶3的質(zhì)量比分別稱取SK70#瀝青與93#汽油，待SK70#瀝青的溫度降至50 ℃～60 ℃時，在強力攪拌的情況下緩慢加入93#汽油，攪拌均勻后制得稀釋瀝青；3) 將焚燒飛灰水泥顆粒直接浸漬于稀釋瀝青中，約浸漬24 h后稀釋劑得以揮發(fā)，即可制備出由稀釋瀝青二次包封的焚燒飛灰水泥顆粒。

2 應(yīng)用與討論

2.1 硅烷防水劑二次包封焚燒飛灰水泥顆粒在瀝青混合料中的應(yīng)用

在由硅烷防水劑二次包封的焚燒飛灰水泥顆粒表面滴灑自來水，水珠狀態(tài)如圖2所示。由圖2(a)可見，噴涂了硅烷防水劑的焚燒飛灰水泥顆粒具有較好的防水效果，且十六烷基三甲氧基硅烷防水劑的防水效果明顯優(yōu)于KH602防水劑。這是因為十六烷基三甲氧基硅烷水解后，形成了具有3個官能度的十六烷基硅醇，即具有3個端羥基，3個端羥基與焚燒飛灰水泥顆粒表面的硅羥基發(fā)生分子間縮合反應(yīng)，形成Si-O化學(xué)鍵，使焚燒飛灰水泥顆粒表面和毛細孔內(nèi)壁形成一層有機硅憎水薄膜，該網(wǎng)狀薄膜的三維防水結(jié)構(gòu)有效阻止了毛細孔對水的毛細吸收作用，從而達到防水效果[11]，且Si-O鍵鍵能較高，耐候性優(yōu)良，防水效果持久。而KH602水解后，形成2個端羥基，且憎水鏈較短，所以其防水效果弱于十六烷基三甲氧基硅烷。

(a) 十六烷基三甲氧基硅烷防水劑

將由十六烷基三甲氧基硅烷防水劑二次預(yù)處理的焚燒飛灰水泥顆粒以取代細集料的形式添加到AC-20C型瀝青混合料中，進行凍融劈裂試驗，凍融劈裂強度比(TSR)結(jié)果如表3所示。

表3 焚燒飛灰水泥防水顆粒瀝青混合料的TSR

從表3可知，由具有防水效果的焚燒飛灰水泥顆粒制備的瀝青混合料，其TSR滿足規(guī)范要求(TSR≥80%)。焚燒飛灰水泥顆粒中的水泥是由多種極性物質(zhì)構(gòu)成，與極性的水分子具有強親和性，且焚燒飛灰水泥顆粒表面又有許多微小孔洞，在毛細吸附作用下水分子易進入孔洞，甚至滲透到焚燒飛灰水泥顆粒內(nèi)部，在凍融機制下焚燒飛灰水泥顆粒內(nèi)部水分膨脹而破碎，可溶鹽析出。采用十六烷基三甲氧基硅烷防水劑對焚燒飛灰水泥顆粒表面進行涂覆處理，在顆粒表面形成致密防水層，封鎖水分侵入焚燒飛灰水泥顆粒內(nèi)部的通道，從而有效解決焚燒飛灰可溶鹽對瀝青混合料水穩(wěn)定性造成的影響。

2.2 稀釋瀝青二次包封焚燒飛灰水泥顆粒在瀝青混合料中的應(yīng)用

將由稀釋瀝青二次包封的焚燒飛灰水泥顆粒以取代細集料的形式添加到AC-20C型瀝青混合料中，進行凍融劈裂試驗，結(jié)果如表4所示。

表4 稀釋瀝青二次包封焚燒飛灰水泥顆粒瀝青混合料的TSR

從表4可知，當稀釋瀝青中的有效瀝青與焚燒飛灰水泥顆粒質(zhì)量比為1∶2.67時，混合料的TSR滿足規(guī)范要求(TSR≥80%)。說明稀釋瀝青有效封堵了焚燒飛灰水泥顆粒的表面微孔，并有效隔離了外界水分對焚燒飛灰水泥顆粒表面微孔的浸入，緩解了焚燒飛灰可溶鹽對瀝青混合料水穩(wěn)定性造成的不良影響。而當瀝青與焚燒飛灰水泥顆粒質(zhì)量比≤1∶4.15時，焚燒飛灰水泥顆粒表面能夠觀察到微量可溶鹽析出現(xiàn)象，在鹽的作用下瀝青混合料的TSR受到影響，不滿足規(guī)范要求。

2.3 焚燒飛灰水泥硅灰粉煤灰顆粒在瀝青混合料中的應(yīng)用

利用焚燒飛灰、水泥、硅灰以及粉煤灰的膠凝活性以及大小不一的粒徑，將焚燒飛灰與水泥、硅灰和粉煤灰按一定質(zhì)量比例、添加次序進行有級配的混合固化，得到具有密實結(jié)構(gòu)的焚燒飛灰造粒顆粒。將其添加到AC-20C型瀝青混合料中，凍融劈裂試驗結(jié)果如表5所示。

表5 焚燒飛灰水泥硅灰粉煤灰顆粒瀝青混合料的TSR

從表5可知，采用硅灰、水泥、粉煤灰與焚燒飛灰共造粒，將造粒顆粒添加到瀝青混合料中，混合料的TSR滿足規(guī)范要求(TSR≥80%)。說明硅灰、水泥、粉煤灰與焚燒飛灰共造粒的方法可提高造粒顆粒的密度。該致密顆粒不僅降低了焚燒飛灰與周圍介質(zhì)的接觸面積，還有效抑制了可溶鹽的溶出，從而緩解了焚燒飛灰對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。

2.4 聚酯纖維在焚燒飛灰水泥顆粒瀝青混合料中的應(yīng)用

在將焚燒飛灰水泥顆粒加入AC-20C型瀝青混合料中的同時，添加一定量的聚酯纖維，凍融劈裂試驗結(jié)果如表6所示。

從表6可知，當焚燒飛灰與水泥質(zhì)量比為1∶0.5時，1.5%焚燒飛灰摻量下的瀝青混合料的TSR為87.8%，滿足規(guī)范要求(TSR≥80%)；當焚燒飛灰與水泥質(zhì)量比為1∶1時，2%焚燒飛灰摻量下的瀝青混合料的TSR為84.5%，亦滿足規(guī)范要求。說明聚酯纖維的摻入有以下效果：1) 使混合料最佳瀝青用量增加了0.4%，瀝青膜厚度增大，瀝青對集料的握裹力增強，即若將瀝青從集料上剝離，則需要更大的界面能，因此它能夠有效緩解鹽溶液的侵蝕及其結(jié)晶膨脹對瀝青與集料界面粘結(jié)的剝離作用；2) 聚酯纖維在瀝青混合料中具有傳荷能力和均衡作用，能將外部荷載及時地分散到礦質(zhì)骨架和瀝青膠漿中，提高了瀝青混合料的韌性，而且三維多向分布的聚酯纖維相互搭接，呈現(xiàn)出良好的“橋接”和“加筋”作用，當瀝青混合料中鹽溶液在凍融循環(huán)過程中產(chǎn)生膨脹裂縫和損傷時，聚酯纖維能夠有效防止裂縫和損傷的形成與擴展，進而提高瀝青混合料的強度和耐久性[12-15]；3) 聚酯纖維的摻入還可填充一部分瀝青混合料的空隙，減小了瀝青混合料的內(nèi)部空隙率，降低了凍融循環(huán)條件下試件內(nèi)部溶液產(chǎn)生的滲透壓力和膨脹壓力，也減少了內(nèi)部損傷，其劈裂強度損失相對于無纖維瀝青混合料較低。因此，摻入聚酯纖維有利于改善焚燒飛灰水泥顆粒瀝青混合料的抗凍融腐蝕性能。

表6 添加有聚酯纖維的焚燒飛灰水泥顆粒瀝青混合料的TSR

2.5 高粘瀝青在焚燒飛灰水泥顆粒瀝青混合料中的應(yīng)用

在拌制AC-20C型焚燒飛灰水泥顆粒瀝青混合料時，使用高粘瀝青或高強瀝青作為瀝青結(jié)合料，對成型后的馬歇爾試件進行凍融劈裂試驗，結(jié)果如表7所示。

表7 使用高粘高強瀝青的焚燒飛灰水泥顆粒瀝青混合料的TSR

從表7可知，在焚燒飛灰水泥顆粒瀝青混合料中使用高粘瀝青時，混合料的TSR滿足規(guī)范要求(TSR≥80%)；而使用高強瀝青時，混合料的TSR低于規(guī)范要求。改性劑種類的不同使2種瀝青特點各異，如高粘瀝青具有較高的粘度，其中聚合物形成的微結(jié)晶區(qū)具有相當?shù)膭哦?，在拌和過程中拉絲成纖維狀，纖維體之間相互搭接、纏繞在一起，形成一個立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將礦料顆粒牢固地限制在網(wǎng)格內(nèi)，發(fā)揮加筋增粘的作用，瀝青混合料整體強度得到很大提高，添加焚燒飛灰后的瀝青混合料的水穩(wěn)定性亦得到改善；而高強瀝青是專門為提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性開發(fā)的，具有非常優(yōu)越的抗車轍性能，但其他性能指標與SBS改性瀝青差不多，無法有效抵抗鹽對瀝青性能的腐蝕作用，因此對添加焚燒飛灰后的瀝青混合料的水穩(wěn)定性改善效果不佳。

3 結(jié)論

1) 采用十六烷基三甲氧基硅烷防水劑、稀釋瀝青等疏水材料分別對焚燒飛灰水泥顆粒進行二次包封，當硅烷防水劑、稀釋瀝青分別為焚燒飛灰水泥顆粒質(zhì)量的1.45%、37.5%時，瀝青混合料的TSR均滿足規(guī)范要求，說明它們能夠有效封堵焚燒飛灰水泥顆粒的表界面微孔，降低可溶鹽的溶出，緩解焚燒飛灰可溶鹽對瀝青混合料水穩(wěn)定性造成的影響。

2) 采用硅灰、粉煤灰與水泥協(xié)同造粒的方法對焚燒飛灰實施造粒，當焚燒飛灰∶水泥∶硅灰∶粉煤灰的質(zhì)量比為1∶0.62∶0.2∶0.18時，瀝青混合料的TSR滿足規(guī)范要求，說明利用超細微粉的協(xié)同填充效應(yīng)能夠有效提高造粒顆粒的密度，降低可溶鹽的溶出。

3) 采用聚酯纖維、高粘瀝青分別對添加了焚燒飛灰水泥顆粒的瀝青混合料進行自身強度的提升，能夠有效彌補焚燒飛灰中的可溶鹽對瀝青混合料水穩(wěn)定性的損害作用，使TSR滿足規(guī)范要求。