焚燒飛灰顆粒對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

李菁若，唐伯明，劉瑞全，李 聰，陳 飛

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

生活垃圾焚燒飛灰（IFA）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，因含有二噁英、可溶出性重金屬及高含量可溶鹽［1］，被列為HW18類危險廢物.國外有將焚燒飛灰用于瀝青材料中的研究［2?3］，而鮮見焚燒飛灰用于瀝青路面的報道.近幾年國內(nèi)很多企業(yè)及研究機構(gòu)加快了焚燒飛灰的資源化利用：重慶三峰環(huán)境聯(lián)合重慶交科院、中國環(huán)科院等企業(yè)于2011年起著力研究焚燒飛灰在瀝青路面中的應(yīng)用（路用性能［4?7］與環(huán)境風險評估［8?9］），在重慶渝黔、成渝和渝合高速成功鋪筑試驗路；上海大學(xué)潘赟對焚燒飛灰用于瀝青路面施工過程揚塵散逸風險、使用過程風險進行評估，提出基于保護地下水的瀝青混凝土中Zn、Pb和Cd最大允許量推薦值［10］；湖南大學(xué)向鵬、顏可珍等研究了焚燒飛灰對瀝青膠漿、瀝青混合料性能的影響，提出焚燒飛灰作為新型填料具有可行性［11?12］；北京工業(yè)大學(xué)喬建剛等提出控制焚燒飛灰摻量能滿足交通道路的使用要求［13］.

焚燒飛灰對瀝青路面路用性能影響最為敏感的是水穩(wěn)定性，而可溶氯鹽是影響水穩(wěn)定性的主要因素.因此，本文擬利用焚燒飛灰、水泥、硅灰、粉煤灰的膠凝性質(zhì)及不同粒徑，將焚燒飛灰分別與水泥造粒以及與水泥、硅灰和粉煤灰造粒，緩解焚燒飛灰中可溶氯鹽對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響程度，提高焚燒飛灰清潔應(yīng)用的效果.

1 試驗

1.1 原材料

焚燒飛灰（IFA）由重慶同興垃圾焚燒發(fā)電廠提供，經(jīng)過低溫熱降解處理后二噁英含量不超過10 ng?TEQ/kg，不具有二噁英致毒風險；水泥（C）為42.5級普通硅酸鹽水泥；硅灰（SF）為高品質(zhì)硅灰，其中SiO2含量1）文中涉及的含量、摻量及油石比等均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比.w（SiO2）＞93%；粉煤灰（CA）為Ⅱ級干排灰.

1.2 焚燒飛灰的造粒過程

焚燒飛灰/水泥（IFA+C）造粒步驟：將焚燒飛灰與水泥分別按照一定質(zhì)量比（mIFA：mC=1.00∶0.30、1.00∶0.50、1.00∶1.00）混 合 均 勻；添 加 粉 體 質(zhì) 量25%~35%的水，制備成焚燒飛灰/水泥膠漿；養(yǎng)生7 d后破碎成小于4.75 mm的焚燒飛灰/水泥的顆粒.焚燒飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰（IFA+C+SF+CA）顆粒造粒步驟：按照一定質(zhì)量比（mIFA：mC：mSF：mCA=1.00∶0.62∶0.20∶0.18）分別稱量水泥、硅灰、粉煤灰、焚燒飛灰，每加入1種粉體后均需進行干粉混合；所有粉體混合均勻后加入粉體總質(zhì)量25%~35%的水，其余步驟同焚燒飛灰/水泥造粒.

1.3 氯離子滴定試驗

1.3.1 造粒顆粒中氯離子滴定過程

稱取23.6 g造粒顆粒，加入1 000.0 g水中，在500 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌1 h；靜置24 h至上層清液不再渾濁，取100 mL上層清液進行滴定；根據(jù)GB 15453—1995《工業(yè)循環(huán)冷卻水中氯離子的測定 硝酸銀滴定法》進行滴定試驗，當出現(xiàn)磚紅色沉淀時，記錄硝酸銀溶液滴加前后的讀數(shù)，以此來計算氯離子的浸出量.

1.3.2 焚燒飛灰中氯離子滴定過程

稱取焚燒飛灰0.5~1.0 g，加入到50 mL蒸餾水中，并在通風廚中邊攪拌邊加入50 mL的稀硝酸（1份硝酸+300份水，混合均勻），加熱煮沸5 min；用蒸餾水將上述液體稀釋至200 mL，冷卻至室溫；采用NaOH溶液與稀硝酸溶液來調(diào)節(jié)pH值，使pH值為5~9；根據(jù)GB 15453—1995進行滴定試驗.

2 結(jié)果與討論

2.1 造粒顆粒的基本性能

2.1.1 造粒顆粒的氯離子浸出性能

焚燒飛灰的氯離子浸出量為16.56%，焚燒飛灰/水泥、焚燒飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰顆粒的氯離子浸出量分別為7.16%、6.77%，浸出量分別降低了56.76%、59.12%，這是因為在水泥水化產(chǎn)生的堿性環(huán)境下，氯離子與Ca（OH）2生成CaCl2，CaCl2與未水化的鋁酸三鈣（C3A）反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的Friedel鹽（3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O）.另外，焚燒飛灰中的CaSO4在水化早期也會與C3A反應(yīng)生成鈣礬石（AFt），當后期CaSO4的含量逐漸減少時，AFt與剩余的C3A繼續(xù)反應(yīng)生成單硫型硫鋁酸鈣（AFm），氯離子置換AFm中的生成Friedel鹽；水泥水化產(chǎn)物水化硅酸鈣（C?S?H）凝膠由于具有較大的比表面積，通過膠粒表面所帶“負”動電荷產(chǎn)生的擴散雙電層對焚燒飛灰氯鹽中的正負離子產(chǎn)生強吸附固化作用等［14?15］.因此，在水泥水化產(chǎn)物的物理化學(xué)固化作用下，氯離子被禁錮在水化產(chǎn)物的晶格中或微孔壁上，使造粒顆粒的氯離子浸出率降低.

焚燒飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰顆粒比焚燒飛灰/水泥顆粒的氯離子浸出量降低了0.39%，這是因為水泥、粉煤灰、硅灰、焚燒飛灰4種粉體的粒徑和比表面積是有差異的，在適當配比下的造粒顆粒能夠達到密級配堆積效果，對氯離子起到了更好的抗溶出作用.

2.1.2 造粒顆粒的物理性能

造粒顆粒用于替代瀝青混合料中同規(guī)格的石灰?guī)r細集料，其與石灰?guī)r細集料的物理性能見表1.由表1可見：焚燒飛灰/水泥顆粒的表觀相對密度為2.363，低于焚燒飛灰（2.628）和水泥（3.052），這說明焚燒飛灰/水泥顆粒表面或內(nèi)部含有微孔或連通孔，在水的作用下可使部分氯離子得以溶出；焚燒飛灰/水泥顆粒的含泥量、砂當量分別約為石灰?guī)r細集料的7.19倍和0.61倍，這是因為在焚燒飛灰/水泥顆粒破碎過程中，粒徑較小的粉末黏附在顆粒表面，從而導(dǎo)致造粒顆粒的含泥量超標、砂當量降低；焚燒飛灰/水泥顆粒的棱角性大于石灰?guī)r細集料，這是因為人工破碎的焚燒飛灰/水泥顆粒表面構(gòu)造不均勻，多凸起，粗糙度大；焚燒飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰顆粒的造粒過程與材料組成與焚燒飛灰/水泥顆粒類似，所以兩者的物理性能也相差不大.表2為造粒顆粒的篩分結(jié)果.由表2可見，破碎造粒顆粒的粒徑規(guī)格符合瀝青混合料用機制砂或石屑規(guī)格的技術(shù)要求.

表1 造粒顆粒與石灰?guī)r細集料的物理性能Table 1 Physical properties of granulated particles and fine aggregate of limestone

表2 造粒顆粒的篩分結(jié)果Table 2 Sieving results of granulated particles

2.2 焚燒飛灰/水泥顆粒對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

2.2.1 凍融條件下的水穩(wěn)定性

以SK 70#為瀝青原料，在AC?20C型瀝青混合料中摻入0~3 mm粒徑的焚燒飛灰/水泥顆粒（替代部分同規(guī)格細集料），其油石比為0.044.焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料的凍融劈裂結(jié)果見表3.由表3可見：與未摻加焚燒飛灰/水泥顆粒的瀝青混合料（焚燒飛灰摻量wIFA=0%）相比，焚燒飛灰摻量為0.5%的瀝青混合料的凍融劈裂強度比（TSR）降低了35.7%，不滿足規(guī)范要求（≥75%）.這是因為焚燒飛灰中含有大量的可溶性氯鹽，在凍融循環(huán)作用下，氯鹽溶液在降溫結(jié)晶過程中對瀝青混合料試件產(chǎn)生了凍脹破壞與鹽脹破壞［16?17］，在升溫浸泡過程中焚燒飛灰產(chǎn)生的氯鹽溶液對瀝青的乳化作用、老化作用以及加速堿集料反應(yīng)等侵蝕破壞作用［18］，另外，焚燒飛灰自身化學(xué)組分如CaO、SO3等，遇水發(fā)生水化反應(yīng)，固相體積增加，也能在瀝青混合料試件內(nèi)部形成膨脹損傷破壞［4?6］，在以上各種破壞作用的疊加下，少量的焚燒飛灰就能對瀝青混合料的水穩(wěn)定性產(chǎn)生極其不利的影響.

表3 焚燒飛灰/水泥顆粒的瀝青混合料凍融劈裂結(jié)果Table 3 Freeze thaw splitting results of asphalt mixture with IFA+C particles

由表3還可見，焚燒飛灰與水泥造粒后，瀝青混合料的TSR有所提高.這是因為水泥用量越多，對焚燒飛灰的裹覆、穩(wěn)固效果越強，越能抑制其可溶氯鹽的溶出，且能更好地降低焚燒飛灰與瀝青的直接接觸的面積；在造粒過程中，焚燒飛灰的水化反應(yīng)也能提前釋放因CaO、SO3等組分而引起的膨脹應(yīng)力；水泥作為瀝青混合料常用的抗剝落劑，也可以改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性.但是，焚燒飛灰/水泥顆粒摻入瀝青混合料中，其TSR均不滿足規(guī)范要求，這是因為經(jīng)水泥裹覆、穩(wěn)固后，焚燒飛灰中氯離子浸出量雖然降低了56.76%，但尚有一定的浸出性，且在造粒過程中粒徑極小的粉塵黏附在焚燒飛灰/水泥顆粒的表面，不僅使其含泥量超標、砂當量降低，還進一步成為黏性瀝青的隔離劑，進一步降低了瀝青與集料之間的黏附性.由此可見，將焚燒飛灰與水泥造粒對焚燒飛灰氯離子的封裝效果及其瀝青混合料水穩(wěn)定性的綜合改善效果有限，還需要進一步采取抑制氯離子的溶出或改善焚燒飛灰/水泥顆粒界面狀態(tài)等措施.

2.2.2 浸水條件下的水穩(wěn)定性

焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗結(jié)果見表4.表4中：N為雙面擊實次數(shù)；試件3在真空度為97.3~98.7 kPa下飽水15 min；浸水殘留穩(wěn)定度（MS0）的測試條件為60℃、48 h.由表4可知，摻加焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料的MS0高于未摻焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料，與TSR結(jié)論相反.這是因為浸水馬歇爾試驗條件比凍融劈裂試驗溫和得多，其沒有真空飽水過程與凍融過程，弱化了焚燒飛灰中可溶氯鹽對瀝青混合料產(chǎn)生的凍脹破壞與鹽脹破壞；另外，焚燒飛灰/水泥顆粒與集料混合后，其表面的微細粉塵能夠在集料表面形成一層覆蓋層，在試驗條件較溫和的條件下有助于提高集料與酸性瀝青之間的黏附力.當焚燒飛灰摻量相同時，試件3的MS0為89.0%，比試件2降低了15.9%，但仍然滿足規(guī)范要求（≥80%）.這是因為降低雙面擊實次數(shù)，使瀝青混合料內(nèi)部空隙增多，其本身的強度會有所降低，另外額外施加真空飽水條件也會使水分進一步進入混合料內(nèi)部空隙中，更加影響瀝青與集料之間的黏附性導(dǎo)致其MS0降低，但這種外部條件的改變對瀝青混合料強度的降低作用有限，其仍滿足規(guī)范要求.

表4 焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗結(jié)果Table 4 Immersion Marshall test results of asphalt mixture with IFA+C particles

綜上，對于焚燒飛灰在瀝青路面中的應(yīng)用，考察其水穩(wěn)定性的關(guān)鍵試驗為凍融劈裂試驗.

2.2.3 凍融條件對水穩(wěn)定性的影響機制分析

凍融劈裂試驗條件包括是否冷凍、真空度高低、擊實次數(shù)等，其對焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料性能的影響見表5，其中：焚燒飛灰/水泥顆粒的mIFA∶mC=1.00∶1.00；真空度根據(jù)JTGE20—2011《公路工程瀝青試驗規(guī)程》，通過抽真空的時間來控制.由表5可見：（1）擊實次數(shù)相同時，非冷凍或非真空的條件下混合料的TSR均有所改善，且非真空條件對TSR的改善程度更大，這說明抽真空過程比冷凍過程對焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料TSR的損傷更大；非真空條件下混合料的吸水率比真空條件減小了約34.2%；非真空條件下混合料的TSR比真空條件下的高約8.7%，這是非真空及小吸水率共同作用的結(jié)果.（2）增加擊實次數(shù)，可以增加試件的密實度，降低其吸水率，凍融前試件的劈裂強度較高，而經(jīng)過真空、冷凍過程后，其劈裂強度降低的幅度顯著，混合料的TSR為所有試驗條件下最小，這說明抽真空過程比吸水率對焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料TSR的損傷大.（3）降低擊實次數(shù)和真空度，試件空隙較多，其吸水率達到最大，凍融前試件的劈裂強度最低，經(jīng)過低真空度與冷凍的過程后，其劈裂強度進一步降低且最小，而其TSR不是最小的，這說明真空度的大小對焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料TSR有一定影響.綜上，焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料的TSR主要取決于試件是否經(jīng)歷抽真空過程或冷凍過程，凍融劈裂試驗條件對其水穩(wěn)定性影響順序為抽真空過程＞冷凍過程＞擊實次數(shù).

表5 凍融劈裂試驗條件對焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料性能的影響Table 5 Influence of freeze thaw splitting test conditions on performance of asphalt mixture with IFA+C particles

結(jié)合焚燒飛灰/水泥的造粒過程可知，在造粒過程中為了增加施工和易性，往往加入多余水分，但水泥水化所需水分較少，因此當多余水分蒸發(fā)后，在焚燒飛灰/水泥顆粒表面留下很多毛細微孔.在凍融劈裂試驗條件下，如抽真空時會使焚燒飛灰/水泥顆粒毛細微孔內(nèi)的空氣膨脹，進而使得裹覆在顆粒表面的瀝青膜被抽破，一方面在抽破處失去黏結(jié)作用，在劈裂受拉時形成應(yīng)力集中點；另一方面外部水分通過焚燒飛灰/水泥顆粒表面的微孔或者內(nèi)部連通孔進入焚燒飛灰/水泥顆粒中，溶解其含有的可溶性氯鹽，在抽真空的壓力下氯鹽溶液在混合料內(nèi)部由局部濃度較高的地方向其他濃度較低的地方滲透擴散，致使氯鹽溶液進一步充斥在瀝青混合料的空隙結(jié)構(gòu)中，以至于在后續(xù)的冷凍與熱融過程中產(chǎn)生溫度應(yīng)力及結(jié)晶膨脹力作用.如在溫度降低的過程中，氯鹽溶液會逐漸結(jié)冰，產(chǎn)生結(jié)冰膨脹壓，并且隨著結(jié)冰的繼續(xù)以及氯鹽濃度的不斷增大，氯鹽也開始不斷在混合料內(nèi)部聚集并結(jié)晶［19］.氯鹽溶液的結(jié)冰以及氯鹽分子的結(jié)晶均會使混合料內(nèi)部產(chǎn)生較大的鹽凍壓力與鹽脹應(yīng)力，導(dǎo)致混合料出現(xiàn)微裂縫.同時，填充在微裂縫中的氯鹽晶體降低了瀝青混合料對微裂縫的自愈合能力［20］，造成瀝青混合料水穩(wěn)定性的大幅度降低.另外，瀝青混合料長時間浸泡在可溶氯鹽的電解質(zhì)溶液中，產(chǎn)生了一系列的物理化學(xué)腐蝕作用.如根據(jù)表面張力理論，氯鹽溶液的表面張力比瀝青大很多，氯鹽溶液更易侵入瀝青與集料的結(jié)合處并與瀝青發(fā)生置換，一方面使得瀝青膜逐漸從集料表面剝落，顯著降低瀝青與集料的黏附性［21］，另一方面會加速堿骨料反應(yīng)，加劇瀝青混合料的膨脹開裂［18，22］；氯離子的滲透作用則會加速瀝青膜的老化，使瀝青變硬、變脆［22?23］，間接導(dǎo)致瀝青膜的剝落，削弱瀝青結(jié)合料與集料的黏結(jié)能力；Na+等低價陽離子與瀝青產(chǎn)生化學(xué)吸附時形成的吸附層極不穩(wěn)定，且遇水后易被乳化，顯著降低集料與瀝青之間的黏結(jié)性能［18，22］.焚燒飛灰溶解形成的鹽溶液在凍融循環(huán)過程中產(chǎn)生的凍脹、鹽脹與腐蝕的綜合作用，是導(dǎo)致瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損的關(guān)鍵因素，亦是導(dǎo)致瀝青混合料水穩(wěn)定性降低的直接原因.

2.3 焚燒飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰顆粒對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

以苯乙烯?丁二烯?苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性瀝青為原料，油石比為0.044，制備了SBS改性瀝青混合料（對照組）以及焚燒飛灰/水泥、焚燒飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰顆粒SBS改性瀝青混合料，其凍融劈裂試驗結(jié)果見表6.由表6可見：焚燒飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰顆粒瀝青混合料的TSR為84.5%，接近對照組，且滿足規(guī)范要求，這說明了硅灰、水泥、粉煤灰與焚燒飛灰共造粒方法提高了造粒顆粒的密實度，有效緩解了焚燒飛灰中可溶氯鹽組分的溶出.

表6 焚燒飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰顆粒SBS改性瀝青混合料的凍融劈裂試驗結(jié)果Table 6 Freeze thaw splitting test results of SBS modified asphalt mixture with IFA+C+SF+CA particles

3 結(jié)論

（1）焚燒飛灰造粒后，氯離子浸出率分別降低了56.76%、59.12%；造粒顆粒棱角性好、粒徑規(guī)格好、表觀相對密度偏小，但含泥量大，砂當量大.

（2）表征摻焚燒飛灰瀝青混合料水穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于凍融劈裂試驗，試驗條件對焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響順序為抽真空過程＞冷凍過程＞擊實次數(shù).抽真空過程破壞了焚燒飛灰/水泥顆粒表面的瀝青膜，導(dǎo)致可溶氯鹽溶出；鹽溶液在凍融循環(huán)過程中產(chǎn)生的凍脹、鹽脹與腐蝕的綜合作用是導(dǎo)致瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損的關(guān)鍵因素.

（3）采用水泥、硅灰、粉煤灰對焚燒飛灰進行造粒，可有效彌補焚燒飛灰對瀝青混合料路用性能的損害作用.

（4）焚燒飛灰在瀝青混合料中的應(yīng)用關(guān)鍵在于如何簡便、經(jīng)濟以及有效地抑制可溶氯鹽的浸出.