爐渣瀝青混合料配合比設(shè)計及其性能研究

楊 川，李前林，林實輝

（華邦建投集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

垃圾是人類日常生活和生產(chǎn)中產(chǎn)生的固體廢棄物，由于排出量大，成分復(fù)雜多樣，且具有污染性、資源性和社會性，需要對其進(jìn)行無害化、資源化、減量化和社會化處理，如不能妥善處理，就會污染環(huán)境、影響環(huán)境衛(wèi)生、浪費資源、破壞生產(chǎn)生活安全。垃圾處理就是要把垃圾迅速清除，并進(jìn)行無害化處理，最后加以合理的利用。

目前我國垃圾日益增多，垃圾處理壓力大，對垃圾處理技術(shù)和方法提出了更高的要求。當(dāng)今廣泛應(yīng)用的垃圾處理方法是衛(wèi)生填埋、高溫堆肥和焚燒。垃圾焚燒后會出現(xiàn)一些殘留，這些殘留物就是爐渣。爐渣是一種輕質(zhì)、多孔的材料，與瀝青混合料用的天然集料有類似的特征，由于爐渣具有良好的粒徑分布，這使得爐渣易被壓實到致密狀態(tài)從而獲得具有更高剪切力、低滲透性的道路結(jié)構(gòu)層[1]，具有十分良好的道路工程應(yīng)用前景。

但目前爐渣在瀝青混合料中的應(yīng)用相對較少。一方面，由于爐渣組成成分復(fù)雜，含有燒結(jié)熔渣、玻璃、陶瓷、未燃燒物等，也包括一定數(shù)量的重金屬物質(zhì)[2]，若不加以妥善處理將對環(huán)境造成污染，所以應(yīng)用垃圾焚燒爐渣之前需要嚴(yán)格檢測處理；另一方面，爐渣在瀝青混合料中的摻量仍需要進(jìn)一步探討。爐渣替代一部分天然集料之后，對于瀝青混合料的路用性能的影響也尚不明確。

因此，本文針對不同生活垃圾焚燒爐渣的使用量，通過馬歇爾試驗進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計，探究不同爐渣替換比例對馬歇爾設(shè)計指標(biāo)的影響；同時開展?fàn)t渣對瀝青混合料路用性能的影響研究，探究生活垃圾焚燒爐渣在瀝青混合料中的適用性，為實際工程應(yīng)用提供有效的參考依據(jù)。

1 試驗原材料

本研究中采用的是雷州生活垃圾焚燒發(fā)電廠垃圾池的爐渣，其組成成分有燒結(jié)熔渣、陶瓷、玻璃、磚石、少量金屬及未燃燒物；其中，燒結(jié)熔渣和磚石呈圓形，陶瓷和玻璃呈扁平狀或針片狀。本文選用的爐渣的技術(shù)指標(biāo)如表1所示，其壓碎值和磨耗值均超出正常要求范圍，因此，當(dāng)使用爐渣替代瀝青混合料的部分骨料時，需要在瀝青面層加鋪一層磨耗層，以增加其耐磨性能[3]。

表1 焚燒爐渣技術(shù)指標(biāo)性能Tab.1 Technical indexes and performance of incineration slag

本研究瀝青混合料使用的集料均為玄武巖，礦粉填料為石灰?guī)r礦粉，玄武巖集料技術(shù)性質(zhì)如表2所示。

表2 玄武巖集料性能Tab.2 Properties of basalt aggregate

本研究中爐渣瀝青混合料采用I-D級SBS改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 瀝青技術(shù)指標(biāo)性能Tab.3 Properties of asphalt

2 配合比設(shè)計

已有研究發(fā)現(xiàn)，爐渣只能作為集料的一部分才能滿足瀝青混合料的要求[4]。因此，本文使用0～9 mm粒徑的焚燒爐渣來替代同樣粒徑范圍的部分天然集料，替代的集料比例為0（對照混合料）、5%、10%、15%、20%、30%和40%。本文根據(jù)SMA-13改性瀝青混合料的級配進(jìn)行設(shè)計，如表4所示。

表4 爐渣瀝青混合料的設(shè)計級配Tab.4 Design gradation of slag asphalt mixture

按照馬歇爾設(shè)計方法進(jìn)行爐渣瀝青混合料的配合比設(shè)計。

首先將瀝青加熱至170 ℃，集料加熱至185 ℃，所有的模具和工具也預(yù)熱至壓實溫度（165 ℃）。使用馬歇爾擊實儀將試樣壓實在標(biāo)準(zhǔn)模具中，成型101.6 mm × 63.5 mm的馬歇爾試件，上下兩面各擊實50次。待樣品冷卻，脫模后測定體積。將脫模試件在60 ℃水浴中浸泡30～40 min，然后放入穩(wěn)定度儀加載直至破壞，測定瀝青混合料的穩(wěn)定度和流值。馬歇爾試驗結(jié)果如表5所示。

表5 爐渣瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果Tab.5 Marshall test results of slag asphalt mixture

由表5可知，隨著爐渣替換比例從0增加到40%，最佳油石比從5.0%增加到11.5%。同時，爐渣瀝青混合料的毛體積密度隨著替換比例的增加呈下降規(guī)律，從2.533下降到1.976。穩(wěn)定度總體上也呈下降趨勢，從19.2 kN下降到8.9 kN，在替換比例不超過20%時，穩(wěn)定度基本保持恒定，流值保持在28.5～36.5之間，均符合規(guī)范要求。當(dāng)替換比例超過20%時，爐渣瀝青混合料的空隙率達(dá)到13.2以上，明顯超出正常要求，而替換比例為5%和10%的瀝青混合料空隙率則分別下降到2.8%和4.5%。礦料間隙率與空隙率的變化趨勢大致相同，在5%～40%替換比例范圍內(nèi)，空隙率由15.1%增加到38.9%，替換比例為5%的瀝青混合料，其礦料間隙率最低，為15.1%。替換比例不超過15%的生活垃圾焚燒爐渣瀝青混合料均符合用作瀝青混凝土的一般要求。而替換比例為30%和40%的混合料，其穩(wěn)定度較差，空隙率和礦料間隙率均高于正常范圍。

3 爐渣瀝青混合料路用性能分析

3.1 不同爐渣替換量對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

水損害是目前瀝青混凝土路面早期病害中最常見也是破壞力最大的一種病害[5]。水分通過路面空隙或裂縫進(jìn)入瀝青與集料之間的接觸界面，由于集料表面對水的吸附作用更加顯著，瀝青膜易從集料表面剝離，從而產(chǎn)生松散、網(wǎng)裂、坑槽等病害，因此必須重視爐渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性。本文根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTGE20—2011），進(jìn)行了凍融劈裂試驗，依據(jù)確定的最佳油石比成型爐渣瀝青混合料試件，測定了爐渣瀝青混合料的間接抗拉強(qiáng)度和凍融劈裂比TSR，具體試驗結(jié)果如圖1和圖2所示。圖1顯示了未進(jìn)行凍融循環(huán)和進(jìn)行了凍融循環(huán)的瀝青混合料間接抗拉強(qiáng)度。隨著爐渣替換比例的增加，未進(jìn)行凍融循環(huán)和進(jìn)行了凍融循環(huán)的混合料間接抗拉強(qiáng)度變化趨勢基本一致。在10%～15%的替換比例范圍內(nèi)，使用爐渣有利于提高混合料的間接抗拉強(qiáng)度，而當(dāng)替換比例超過20%后，混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸減小。凍融劈裂試驗殘留強(qiáng)度比（TSR）值如圖2所示，在0～10%的范圍內(nèi)，凍融劈裂殘留強(qiáng)度比隨著替換比例的增加而增加，當(dāng)爐渣替換比例不超過15%時，爐渣有利于提升瀝青混合料的殘留強(qiáng)度；而當(dāng)替換比例超過15%，殘留強(qiáng)度比不符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F240—2004）中對于改性瀝青殘留強(qiáng)度比不小于80%的規(guī)定。

圖1 間接抗拉強(qiáng)度試驗結(jié)果Fig.1 Results of indirect tensile strength test

圖2 凍融劈裂比試驗結(jié)果Fig.2 Results of freeze-thaw split ratio test

3.2 不同爐渣替換量對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

為了保證路面在高溫季節(jié)行車荷載反復(fù)作用下，不輕易產(chǎn)生車轍、推移、擁包等病害，爐渣瀝青混合料應(yīng)具有一定的高溫穩(wěn)定性。本文通過車轍試驗測定爐渣瀝青混合料的動穩(wěn)定度以評價其高溫穩(wěn)定性能，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 車轍試驗結(jié)果Fig.3 Results of rutting test

實驗結(jié)果顯示，與普通瀝青混合料相比，爐渣瀝青混合料的動穩(wěn)定度有所降低，但爐渣瀝青混合料的動穩(wěn)定度均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F240—2004）中SMA-13改性瀝青混合料動穩(wěn)定度大于或等于3 000次·mm-1的規(guī)定。隨著爐渣替換比例的提升，混合料的動穩(wěn)定度減小，當(dāng)替換比例低于15%時，混合料的動穩(wěn)定度降幅較小；當(dāng)替換比例從20%增加到40%，混合料的動穩(wěn)定度下降幅度變大，這是由于焚燒爐渣的壓碎值比天然集料大，在受力過程中易破碎，對混合料的骨架結(jié)構(gòu)有一定的削弱，導(dǎo)致其高溫穩(wěn)定性有所下降。因此，為了保證爐渣瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性，爐渣的替換比例應(yīng)不超過15%。

3.3 不同爐渣替換量對瀝青混合料低溫抗裂性的影響

瀝青路面在使用過程中會產(chǎn)生各種各樣的病害，其中由于溫度降低引起的溫縮裂縫是冬季寒冷地區(qū)路面的主要破壞方式之一。因此，瀝青混合料還需要具有良好的低溫抗裂性能。本文通過三點小梁彎曲試驗研究爐渣瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗溫度為-10℃、加載速度為50 mm/min。試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 低溫彎曲試驗結(jié)果Fig.4 Results of low temperature bending test

由圖4可知，爐渣瀝青混合料試件的低溫彎曲應(yīng)變均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F240—2004）SMA-13改性瀝青混合料低溫彎曲試驗破壞應(yīng)變大于等于2 500 με的規(guī)定。雖然爐渣瀝青混合料相較于普通瀝青混合料的低溫抗裂性能有所降低，但兩者差距較小，這表明爐渣對于瀝青混合料的低溫抗裂性能影響不大。爐渣替換比例在合理范圍內(nèi)，瀝青混合料均能表現(xiàn)出良好的低溫抗裂性能。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)爐渣替換比例增加，瀝青混合料的最佳油石比逐漸提高，瀝青混合料的毛體積密度和穩(wěn)定度呈下降趨勢，礦料間隙率和空隙率呈先減小后增加的趨勢；而爐渣對瀝青混合料流值的影響不大，均在合理范圍內(nèi)。

（2）由凍融劈裂試驗可知，在0～40%的替換比例范圍內(nèi)，混合料的間接抗拉強(qiáng)度先減小后增大再減小，爐渣替換比例為10%時，間接抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大；當(dāng)爐渣替換比例在5%～15%范圍內(nèi)，瀝青混合料的殘留強(qiáng)度比均有所提升，這表明添加適當(dāng)?shù)臓t渣能夠有效提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。而當(dāng)替換比例超過15%，瀝青混合料的殘留強(qiáng)度比不滿足規(guī)范設(shè)計要求。

（3）爐渣瀝青混合料的動穩(wěn)定度低于普通瀝青混合料，其動穩(wěn)定度隨著爐渣替換比例的增加而減小，當(dāng)替換比例不超過15%時，混合料的動穩(wěn)定度降幅較小。而爐渣對于瀝青混合料的低溫抗裂性能影響不大。

綜合本文的試驗結(jié)果，爐渣可替代部分天然集料應(yīng)用于瀝青混合料中。但為保證爐渣瀝青混合料具有良好的路用性能，爐渣的替換比例應(yīng)不超過15%。