爐渣粉料對多孔瀝青混合料性能影響的試驗研究

趙 曜，呼 禹，吳 凡，周佳節(jié)，冷慧梅

(1. 南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037； 2. 南京市水利建筑工程檢測中心有限公司，江蘇 南京 210036)

0 引 言

近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用爐渣(bottom ash aggregate, BAA)作為天然集料的替代材料用于瀝青混合料開展了多項研究[1-7]。研究人員采用不同粒徑爐渣集料，基于Superpave方法和馬歇爾試驗方法設(shè)計出不同類型的爐渣瀝青混合料，分析了爐渣集料的替代率和粒徑對混合料的瀝青用量、馬歇爾試驗參數(shù)、路用性能及環(huán)境安全性等的影響[2-7]。結(jié)果表明：盡管爐渣集料用于SMA、AC等瀝青混合料的環(huán)境風(fēng)險極低，但較之常規(guī)的瀝青混合料，存在著瀝青用量高、路用性能不穩(wěn)定等問題；且爐渣集料實際利用率僅為10%～20%，遠低于預(yù)期。為此，LUO Huanlin等[8]認為爐渣集料更適合作為輕交通道路的建筑材料。

隨著越來越多的國家和地區(qū)對最佳雨水管理措施(BMPs)和低影響開發(fā)(LID)理念的接受，多孔瀝青混合料(porous asphalt mixture，PAM)備受行業(yè)內(nèi)外關(guān)注[9-10]。LUO Huanlin等[8]首次使用爐渣集料替代天然細集料用于多孔瀝青混合料，結(jié)果表明：當(dāng)爐渣集料替代率低于60%時，瀝青用量增長幅度僅為0.1%；且多孔爐渣瀝青混合料的力學(xué)性能、抗變形性能和耐久性均顯著優(yōu)于常規(guī)多孔瀝青混合料，爐渣替代率最高可達80%。由此可見，從爐渣資源化利用和混合料性能角度出發(fā)，爐渣集料更適合用于多孔瀝青混合料。

目前國內(nèi)外對采用爐渣粉料(bottom ash powder, BAP)替代礦粉用于多孔瀝青混合料的研究報道更少。筆者以不同替代率爐渣粉料替代礦粉，進行多孔爐渣瀝青混合料配合比設(shè)計，研究了爐渣粉料對混合料路用性能和透水性能影響，為爐渣粉料在透水瀝青路面面層混合料中資源化應(yīng)用提供參考。

1 原材料及性能測試

1.1 高黏度改性瀝青

筆者選用上海群康瀝青科技股份有限公司生產(chǎn)的高黏度改性瀝青，其主要性能試驗結(jié)果與技術(shù)要求如表1。

表1 高黏度改性瀝青主要性能試驗結(jié)果與技術(shù)要求Table 1 Main performance test results and technical requirementsfor high viscosity modified asphalt

1.2 天然集料

筆者研究所用的天然集料全部來自于江蘇溧陽興源礦業(yè)有限公司，其中0.075～2.360 mm為機制砂，2.36～13.20 mm為玄武巖集料，其主要性能試驗結(jié)果與技術(shù)要求如表2。

表2 天然集料主要性能試驗結(jié)果與技術(shù)要求Table 2 Main performance test results and technical requirementsfor natural aggregates

1.3 填 料

1.3.1 石灰?guī)r礦粉

筆者研究所用石灰?guī)r礦粉來自于江蘇溧陽興源礦業(yè)有限公司，其主要性能試驗結(jié)果與技術(shù)要求如表3。

表3 石灰?guī)r礦粉主要性能試驗結(jié)果與技術(shù)要求Table 3 Main performance test results and technical requirementsfor limestone powder

1.3.2 爐渣粉料

筆者研究所用爐渣來自江蘇南京市某生活垃圾焚燒發(fā)電廠的同一批次。按文獻[11-12]規(guī)定方法進行取樣和制樣。

將滿足技術(shù)要求足量爐渣細集料(<2.36 mm)在105 ℃下烘至恒重，冷卻至室溫后用研缽磨細、過0.075 mm方孔篩，制成爐渣粉料(<0.075 mm)。采用X射線熒光光譜儀(XRF)和X射線衍射光譜儀(XRD)分別測定爐渣粉料的主要元素組成和礦物組成，如表4。

由表4可知：所用的爐渣粉料主要含Ca、Si、Al、Ci、Fe和S等元素，占爐渣粉料總質(zhì)量87%以上；主要組成礦物為方解石(CaCO3)和石英(SiO2)，含少量鈣長石(CaAl2Si2O8)、3Al2O3·3SiO2和石膏(CaSO4)，化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定。

表4 爐渣粉料主要元素組成Table 4 Main element composition of BAP %

采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察爐渣粉料的微觀形貌，如圖1。圖1中：爐渣粉料顆粒表面粗糙不平、存在大量微孔隙，整體為典型海綿狀多孔隙結(jié)構(gòu)，比表面積大；孔隙間可見絮狀、針棒狀和板狀等不同發(fā)育程度的水化產(chǎn)物。

圖1 爐渣粉料試樣在不同放大倍數(shù)下的掃描電鏡圖像Fig. 1 SEM images of BAP sample under different magnifications

筆者采用文獻[13]的規(guī)定方法進行爐渣粉料主要性能試驗，結(jié)果與技術(shù)要求如表5。

表5 爐渣粉料主要性能試驗結(jié)果與技術(shù)要求Table 5 Main performance test results and technical requirementsfor BAP

1.4 纖維穩(wěn)定劑

研究所用聚丙烯纖維的主要性能試驗結(jié)果與技術(shù)要求如表6。

表6 聚丙烯纖維主要性能試驗結(jié)果與技術(shù)要求Table 6 Main performance test results and technical requirementsfor polypropylene fiber

2 多孔爐渣瀝青混合料配合比設(shè)計

2.1 配合比設(shè)計

筆者根據(jù)南京市2005—2014年降雨數(shù)據(jù)，經(jīng)計算確定多孔瀝青混合料目標空隙率范圍為19%～25%(體積分數(shù))。采用馬歇爾試驗方法，進行不摻爐渣粉料PAC-13多孔瀝青混合料配合比設(shè)計，得到滿足規(guī)范及設(shè)計要求的礦料級配一組(表7)，并以析漏試驗和飛散試驗結(jié)果確定其最佳瀝青用量為4.8%，實測空隙率為20.7%、纖維用量為0.3%(占礦質(zhì)混合料質(zhì)量)。以此礦料級配為基準礦料級配，在保持礦料級配和目標空隙率不變前提下，將爐渣粉料分別以25%、50%和100%這3種替代率(質(zhì)量分數(shù))替代石灰?guī)r礦粉，與其摻配形成“混合礦粉”制備PAC-13多孔爐渣瀝青混合料。采用同樣方法確定各孔爐渣瀝青混合料的最佳瀝青用量，結(jié)果見表8。

表7 不摻配爐渣粉料PAC-13混合料礦料級配Table 7 Aggregate gradation of PAC-13 mixture without BAP

表8 PAC-13混合料的馬歇爾試驗結(jié)果Table 8 Marshall test results of PAC-13 mixture

2.2 爐渣粉料對最佳瀝青用量影響

由表8可知：使用爐渣粉料在一定程度上提高了多孔瀝青混合料的最佳瀝青用量。爐渣粉料替代率與最佳瀝青用量呈顯著線性正相關(guān)(R2=0.936 6)：替代率低于50%時，混合料最佳瀝青用量增長幅度不明顯；替代率每增加10%，最佳瀝青用量相應(yīng)增加約0.05%；爐渣粉料替代率增至100%時，混合料最佳瀝青用量較之未使用爐渣粉料時高出近23%。這與文獻[8]使用爐渣集料進行開級配瀝青混合料配合比設(shè)計所得到的結(jié)論一致。多孔爐渣瀝青混合料最佳瀝青用量高于常規(guī)多孔瀝青混合料的原因可能在于爐渣粉料微觀形貌。爐渣粉料顆粒在微觀上為典型的多孔海綿狀構(gòu)造，比表面積大，較之石灰?guī)r礦粉能吸附更多的瀝青。在相同目標空隙率下，多孔爐渣瀝青混合料最佳瀝青用量隨著爐渣粉料替代率增加而增加，且爐渣粉料替代率越高、最佳瀝青用量增長幅度越明顯。此外，從工程造價角度而言，多孔瀝青混合料使用一定比例的爐渣粉料替代石灰?guī)r礦粉，對多孔瀝青路面造價影響非常小。

2.3 爐渣粉料對混合料密度影響

由表8可知：使用爐渣粉料的PAC-13混合料的毛體積密度均小于常規(guī)多孔瀝青混合料。對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，爐渣粉料替代率與混合料毛體積密度呈顯著線性負相關(guān)(R2=0.9711 )，爐渣粉料替代率越高、混合料毛體積密度越??；爐渣粉料替代率每增加10%，混合料毛體積密度相應(yīng)減小約0.001 2 g/cm3。這主要是由于爐渣粉料表觀相對密度略小于石灰?guī)r礦粉(見表3、表5)所致。當(dāng)爐渣粉料以一定比例替代石灰?guī)r礦粉用于PAC-13混合料，自然會導(dǎo)致其毛體積密度有所減小，由于混合料中礦粉總用量僅為礦料總質(zhì)量的3.5%，因此這種影響程度非常有限。

2.4 爐渣粉料對流值影響

由表8可知：多孔爐渣瀝青混合料試件流值均高于常規(guī)多孔瀝青混合料；且所有混合料試件流值均能滿足相應(yīng)規(guī)范要求。流值與爐渣粉料替代率之間也呈存在著顯著的線性正相關(guān)(R2=0.906 4)；但總體而言，流值增加幅度很小(0.17～0.33 mm)。這與文獻[14]的研究結(jié)果一致。說明在多孔瀝青混合料中摻入一定比例爐渣粉料，增加了混合料最佳瀝青用量，但也在一定程度上降低了混合料抵抗變形能力，但由于爐渣粉料實際用量很少，這種影響程度非常有限。

3 爐渣粉料對多孔瀝青混合料性能

3.1 高溫性能

采用馬歇爾穩(wěn)定度試驗和車轍試驗[15-16]評價多孔爐渣瀝青混合料的高溫性能，如圖2。無論是否使用爐渣粉料，所有PAC-13混合料試件的馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度均能滿足相應(yīng)規(guī)范的技術(shù)要求(穩(wěn)定度≥5 kN；動穩(wěn)定度≥3 500次·mm-1)。

圖2 多孔爐渣混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度Fig. 2 Marshall stability and dynamic stability of PA mixture containing BAP

由圖2可知：所設(shè)計的PAC-13多孔瀝青混合料使用不同摻量爐渣粉料后，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度均受到影響：兩個指標均隨著爐渣粉料替代率增加呈先降后升的趨勢；不同之處在于馬歇爾穩(wěn)定度最小值出現(xiàn)在爐渣粉料替代率為25%時，而動穩(wěn)定度最小值出現(xiàn)在爐渣粉料替代率為50%時。具體而言，當(dāng)爐渣粉料替代率低于50%時，多孔爐渣瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度較之常規(guī)多孔瀝青混合料均有不同程度降低。當(dāng)爐渣粉料替代率為100%時，多孔爐渣瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度又明顯高于常規(guī)多孔瀝青混合料。這與文獻[14]采用爐渣粉料100%替代礦粉，研究SMA-13和AC-20爐渣瀝青混合料路用性能時得到的試驗結(jié)果一致。

根據(jù)以上試驗結(jié)果可知：在PAC-13混合料中的石灰?guī)r礦粉被逐步替換為爐渣粉料過程中，爐渣粉料在一定程度上影響了混合料高溫性能；但由于礦粉用量總體較小，使得這種影響程度并不明顯。

導(dǎo)致多孔爐渣瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度出現(xiàn)先降后升現(xiàn)象的原因主要在于：① 爐渣粉料pH值高于石灰?guī)r礦粉，堿性較強，相比之下其與瀝青之間的黏附作用更強；② 爐渣粉料顆粒為多孔結(jié)構(gòu)，表面粗糙且微孔隙發(fā)育良好(圖1)，石灰?guī)r礦粉被爐渣粉料部分替代后，孔隙吸附瀝青有效起到了微毛細管作用，增強了爐渣粉料顆粒與瀝青之間界面作用力，而爐渣粉料顆粒粗糙表面又能增大瀝青混合料的內(nèi)磨阻角，改善混合料內(nèi)部嵌擠結(jié)構(gòu)[10,14,16]。

當(dāng)爐渣粉料替代率較低(≤50%)時，混合料最佳瀝青用量較之常規(guī)多孔瀝青混合料增幅較小，影響了上述改善作用發(fā)揮；當(dāng)爐渣替代率增至100%時，混合料最佳瀝青用量大幅增加，此時上述改善作用得以顯著發(fā)揮，從而使得多孔瀝青混合料高溫力學(xué)性能在一定程度上得到提高。

3.2 低溫性能

采用低溫小梁彎曲試驗[15-18]評價多孔爐渣瀝青混合料低溫力學(xué)性能，如表9。多孔瀝青混合料使用不同替代率爐渣粉料后，其破壞彎拉應(yīng)變顯著高于常規(guī)多孔瀝青混合料，說明多孔爐渣瀝青混合料在低溫下承受動態(tài)荷載能力得到一定程度提升；且最大彎拉應(yīng)變隨爐渣粉料替代率增大而增加。當(dāng)PAC-13混合料中石灰?guī)r礦粉被全部替換為爐渣粉料后，其最大彎拉應(yīng)變較之常規(guī)多孔瀝青混合料高出1.4倍。

表9 多孔爐渣瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變Table 9 Maximum bending strain of PA mixture containing BAP

試驗結(jié)果說明：基于爐渣粉料的多孔特性使得其在替代石灰?guī)r礦粉后形成多級吸附體系，有效增強了與瀝青間的黏結(jié)作用。特別是當(dāng)混合料中石灰?guī)r礦粉被全部替換為爐渣粉料后，混合料最佳瀝青用量顯著增加，在內(nèi)部連通空隙非常發(fā)達條件下，混合料在低溫下有更好的應(yīng)力松弛能力，使得其低溫性能得以較大程度改善[14]。而從試驗結(jié)果而言，PAC-13混合料低溫抗裂性能對爐渣粉料表現(xiàn)出較為敏感。

3.3 水穩(wěn)定性

分別采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗[15-16]評價多孔瀝青混合料在高溫浸水條件下及混合料內(nèi)部水在遭遇低溫天氣、結(jié)冰產(chǎn)生凍脹壓力下的水穩(wěn)定性，以明確混合料水穩(wěn)定性能在短期惡劣條件下受爐渣粉料影響。其試驗結(jié)果如圖3。

由圖3(a)可知：當(dāng)PAC-13混合料使用爐渣粉料后，其浸水殘留穩(wěn)定度隨著爐渣粉料替代率增加呈先降后升趨勢，這與馬歇爾穩(wěn)定度變化趨勢一致；所有試件浸水殘留穩(wěn)定度均能滿足相應(yīng)規(guī)范技術(shù)要求(≥85%)。由圖3(b)可知：當(dāng)PAC-13混合料在使用爐渣粉料替代石灰?guī)r礦粉后，其凍融劈裂強度比或與常規(guī)多孔瀝青混合料相當(dāng)、或略低于常規(guī)多孔瀝青混合料，且均能滿足相應(yīng)規(guī)范要求(≥85%)。具體而言，爐渣粉料替代率低于50%時，多孔爐渣瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度出現(xiàn)小幅下降；爐渣替代率高于50%后，混合料浸水殘留穩(wěn)定度又在一定程度上回升，接近常規(guī)多孔瀝青混合料水平。

圖3 多孔爐渣混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比Fig. 3 Residual stability and freeze-thaw splitting strength ratio of PA mixture containing BAP

多孔瀝青混合料的凍融劈裂強度比一直保持穩(wěn)定；盡管當(dāng)爐渣替代率為100%時，混合料凍融劈裂強度比較常規(guī)多孔瀝青混合料略有下降，但下降幅度小，僅為1%。結(jié)合混合料流值測定結(jié)果可知：總體上爐渣粉料使用對多孔瀝青混合料抗水損害性能影響有限。

分析其原因，主要是與爐渣粉料的理化性質(zhì)和微觀形貌有關(guān)。① 爐渣粉料較之石灰?guī)r礦粉，具有表面粗糙、比表面積大、微孔隙發(fā)達且堿性強等特性，可有效增加其與瀝青的接觸面積，使得更多瀝青被吸附于微孔隙內(nèi)，爐渣粉料替代率石灰?guī)r礦粉后在一定程度上提高了混合料的最佳瀝青用量，有效發(fā)揮了微毛細管作用，進而有效弱化了水分對油石界面作用，有利于增強混合料水穩(wěn)定性[3,16]；② 爐渣粉料中除含有大量的CaCO3和SiO2外，還有少量金屬氧化物，會在一定程度影響與瀝青之間的黏附性，因而當(dāng)爐渣粉料替代率較低、混合料最佳瀝青用量不高時，多孔爐渣瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比略低于常規(guī)多孔瀝青混合料試驗結(jié)果。同時，爐渣粉料中堿活性成分易發(fā)生水化作用生成性質(zhì)穩(wěn)定的膠結(jié)物，對混合料水穩(wěn)定性有利[19]，但水化作用需要一定的反應(yīng)時間。此外，由于爐渣粉料實際用量很少，因此以上綜合作用對多孔爐渣瀝青混合料水穩(wěn)定性影響很小。

3.4 透水性能

透水性能直接反映多孔瀝青混合料就地吸納雨水的能力。測定多孔爐渣瀝青混合料的滲透系數(shù)[16-17]見表10。由表10可知：隨爐渣粉料替代率增加，PAC-13混合料滲透系數(shù)顯著降低。當(dāng)爐渣粉料替代率為25%時，PAC-13混合料滲透系數(shù)較之常規(guī)多孔瀝青混合料降低約59%；但隨著爐渣粉料替代率繼續(xù)增加，PAC-13混合料的滲透數(shù)降低幅度減小?？傮w而言，所有PAC-13混合料滲透系數(shù)均能滿足相應(yīng)規(guī)范要求(≥800 mL·15 s)。試驗結(jié)果說明：爐渣粉料使用會顯著降低PAC-13混合料滲透系數(shù)，使其透水性能受顯著影響。這可能是由于爐渣粉料比表面積大，降低了混合料滲透系數(shù)。

表10 PAC-13混合料的滲透系數(shù)Table 10 Permeability coefficient of PAC-13 mixture

4 結(jié) 論

1)PAC-13混合料中使用一定比例爐渣粉料替代石灰?guī)r礦粉，會使得混合料最佳瀝青用量隨爐渣粉料替代率增加而增大，且替代率越高、增幅越大。

2)爐渣粉料替代率對PAC-13混合料高溫性能影響較明顯。當(dāng)替代率低于50%時，馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度或接近、或略低于常規(guī)多孔瀝青混合料；當(dāng)替代率高于50%時，馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度又逐步回升，并最終高于常規(guī)多孔瀝青混合料。這說明采用爐渣粉料以較高替代率替代石灰?guī)r礦粉，可有效改善多孔瀝青混合料高溫性能。

3)采用爐渣粉料以一定比例替代石灰?guī)r礦粉，有利于改善PAC-13混合料低溫抗裂性能，但對水穩(wěn)定性影響較小。

4)PAC-13混合料透水性能受爐渣粉料影響顯著。當(dāng)爐渣粉料替代率低于50%時，混合料滲透系數(shù)隨爐渣粉料替代率增加而顯著降低；隨著爐渣粉料替代率繼續(xù)增加，滲透系數(shù)降低幅度減小。

綜合分析，多孔爐渣瀝青混合料馬歇爾試驗參數(shù)和各項性能指標均能滿足相應(yīng)規(guī)范要求，說明采用爐渣粉料替代石灰?guī)r礦粉用于多孔瀝青混合料在技術(shù)上是可行的，且采用爐渣粉料以適中替代率用于多孔瀝青混合料可有利于改善其路用性能。