穩(wěn)定化爐渣對瀝青混合料抗裂性能的影響研究

周 青，周建華，康永強(qiáng)，薛永超

(1.華邦建投集團(tuán)股份有限公司 廣州市 510000； 2.東南大學(xué) 南京市 210000)

0 引言

爐渣是垃圾高溫焚燒后的產(chǎn)物，屬于輕質(zhì)多孔材料[1]。由于爐渣粒徑分布良好，且具備較好的力學(xué)性能，研究者對其在道路工程中的資源化利用展開了廣泛研究[2]。劉棟等人通過馬歇爾試驗(yàn)對爐渣瀝青混合料的路用性能展開研究，結(jié)果表明：爐渣性能波動(dòng)范圍較大，這導(dǎo)致了爐渣瀝青混合料路用性能具有較大的離散性[3]。趙曜等人針對爐渣在多孔瀝青混合料中的應(yīng)用展開了研究，結(jié)果指出：爐渣在瀝青混合料集料中的替代比例存在閾值，當(dāng)爐渣替換比例為20%左右時(shí)，所得爐渣瀝青混合料的抗裂性能較好[4]。爐渣在道路工程中的廣泛應(yīng)用存在兩個(gè)問題亟待解決：

(1)爐渣性能波動(dòng)范圍大，這直接導(dǎo)致所制備的爐渣瀝青混合料的性能存在較大波動(dòng)[2-3]。

(2)由于爐渣的結(jié)構(gòu)疏松多孔，所制爐渣瀝青混合料的抗裂性能較差，因此爐渣的實(shí)際替換比例較低，限制了爐渣的資源化利用率[4-7]。

采用了一種加速的風(fēng)化處理方法以對爐渣進(jìn)行穩(wěn)定化處理，減小其力學(xué)性能的波動(dòng)范圍，并通過低溫彎曲試驗(yàn)與Overlay Test試驗(yàn)對所述爐渣穩(wěn)定化處理的效果進(jìn)行驗(yàn)證，為實(shí)際工程提供參考依據(jù)。

1 爐渣的穩(wěn)定化處理

為提高穩(wěn)定化處理效果，拓寬爐渣在道路工程中的應(yīng)用前景，提出了一種爐渣-污泥聯(lián)合穩(wěn)定化處理方法，通過加入富含微生物的污泥，提高爐渣中鈣鹽的碳酸化進(jìn)程，以達(dá)到增強(qiáng)爐渣風(fēng)化處理效果的目的。所設(shè)計(jì)的聯(lián)合穩(wěn)定化處理池的三維尺寸為0.9m×0.9m×0.1m，柱體中央設(shè)有直徑10cm的鐵絲網(wǎng)導(dǎo)管，側(cè)面設(shè)有橫向并列的三根直徑為20mm的輔助導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管上均勻排布直徑4mm的圓形小孔，以促進(jìn)空氣的流通，反應(yīng)池下部為濾網(wǎng)和集液池，用以接收下滲的液體，穩(wěn)定化處理池如圖1所示。

圖1 聯(lián)合穩(wěn)定反應(yīng)柱

檢測聯(lián)合穩(wěn)定化處理后爐渣的集料性能，并以玄武巖集料作為對照，檢測結(jié)果如表1所示。

如表1所示，穩(wěn)定化處理增加了爐渣顆粒的密實(shí)性。爐渣穩(wěn)定化處理后，其吸水率下降達(dá)60.6%，其壓碎值也出現(xiàn)顯著下降，這說明穩(wěn)定化處理減少了爐渣內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)，新生碳酸鈣的填充效果較好。

2 原材料、配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

2.1 原材料

(1)改性瀝青

采用高溫性能較好的高粘改性瀝青，其技術(shù)性能指標(biāo)如表2所示。

(2)集料

采用玄武巖作為天然集料，礦粉填料為石灰?guī)r礦粉，玄武巖集料技術(shù)性質(zhì)如表3所示。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

(1)級配組成設(shè)計(jì)

由于爐渣粒徑分布集中于0～4.75mm，結(jié)合相關(guān)研究，采用穩(wěn)定化處理后的爐渣替換SMA-13瀝青混合料級配中0～4.75mm的集料，并擬定替換比例為0%、10%、20%、30%與40%，所采用的SMA-13級配如表4所示。

(2)最佳油石比確定

為確定最佳油石比，基于表4所示的級配，以油石比間隔0.3%，設(shè)置5.9%、6.2%、6.5%三個(gè)油石比分別制作馬歇爾試件，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，得到最佳油石比為6%。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用三點(diǎn)小梁彎曲試驗(yàn)與Overlay Test試驗(yàn)綜合評價(jià)穩(wěn)定化處理對爐渣瀝青混合料的影響。

3.1 低溫彎曲試驗(yàn)

先采用三點(diǎn)小梁彎曲試驗(yàn)以初步評價(jià)爐渣對混合料低溫路用性能的影響，設(shè)定試驗(yàn)溫度為-10℃，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，未經(jīng)穩(wěn)定化處理的爐渣加入瀝青混合料后，其低溫性能隨爐渣替代比例的提高而明顯下降，這是因?yàn)槲唇?jīng)穩(wěn)定化處理爐渣的多孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)突出，在外力作用下極易破碎，進(jìn)而降低混合料的抗裂性能。而穩(wěn)定化處理可提高爐渣顆粒的密實(shí)性，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到提高。穩(wěn)定化處理后，爐渣瀝青混合料低溫性能隨替代比例增加而下降的趨勢明顯放緩，由圖中趨勢線可知，當(dāng)爐渣替代比例為30%左右時(shí)，兩種瀝青混合料低溫性能的差距開始顯著增大，說明所述的穩(wěn)定化處理方法可在保證混合料低溫性能的基礎(chǔ)上，提高爐渣的替代比例，以增加爐渣的回收利用率。

3.2 OT試驗(yàn)

采用OT試驗(yàn)以評價(jià)不同爐渣替換比例對瀝青混合料抗裂性能的影響，試驗(yàn)方法為：首先，通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型高100mm、底面直徑150mm的圓柱形混合料試件；再采用切割機(jī)將試件切割成標(biāo)準(zhǔn)OT試件，如圖3所示；最后參照規(guī)程通過Overlay Test試驗(yàn)儀對試件性能進(jìn)行檢測，設(shè)定加載模式為三角波循環(huán)位移控制，單個(gè)加載周期為10s，水平拉伸位移峰值設(shè)定為0.625mm，試驗(yàn)溫度定為15℃。

圖3 OT試驗(yàn)試件

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)OT試驗(yàn)，對爐渣瀝青混合料抗裂性能的影響展開研究，OT試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 OT試驗(yàn)結(jié)果

由OT試驗(yàn)結(jié)果可知，爐渣替代比例越高，瀝青混合料形成初始裂縫所需的能量越小，即抗裂性能越差。由圖4(a)與圖4(b)可發(fā)現(xiàn)，隨著爐渣替換比例的提高，爐渣瀝青混合料的第一周期最大荷載與斷裂能出現(xiàn)明顯下降。當(dāng)爐渣替換比例從30%增加至40%時(shí)，該下降趨勢最為顯著，這說明30%爐渣替換比例為關(guān)鍵閾值，實(shí)際工程應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎應(yīng)用爐渣替換比例超過30%的瀝青混合料。由于該兩種指標(biāo)表征了混合料初始裂紋萌生時(shí)所需要的能量，因此隨著爐渣替換比例的增加，瀝青混合料的初始裂紋越易萌生，其發(fā)生結(jié)構(gòu)性損傷的時(shí)機(jī)將明顯提前。由圖4(c)與圖4(d)可知，爐渣瀝青混合料的加載周期次數(shù)與容許破壞次數(shù)隨爐渣替換比例的增加而趨于下降，當(dāng)爐渣替換率從30%變化至40%時(shí)，容許破壞次數(shù)的下降幅度最大，達(dá)到33.3%，說明替換比例大于30%時(shí)，爐渣瀝青混合料不宜用以承受繁重的交通荷載，其對反復(fù)荷載作用的抵抗能力較差。結(jié)合圖4(e)綜合分析可得，爐渣的加入在一定程度上降低了瀝青混合料初始裂紋萌生的閾值，使得爐渣瀝青混合料更易發(fā)生開裂病害。

4 結(jié)論

基于三點(diǎn)小梁彎曲試驗(yàn)與OT試驗(yàn)，對爐渣的穩(wěn)定化處理效果展開研究，得到以下主要結(jié)論：

(1)基于爐渣內(nèi)鈣鹽的碳酸化反應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種爐渣穩(wěn)定化處理方法，穩(wěn)定化處理后爐渣的壓碎值、密度、密水性等得到一定提升。

(2)爐渣瀝青混合料的低溫性能隨爐渣替代比例的增加而下降，對于采用穩(wěn)定化處理爐渣制備的瀝青混合料，其低溫抗裂性能的下降趨勢較未穩(wěn)定化爐渣相對平緩，即所述穩(wěn)定化處理有益于提高爐渣瀝青混合料的低溫抗裂性能。

(3)結(jié)合OT試驗(yàn)結(jié)果，穩(wěn)定化處理后的爐渣最大替代比例可達(dá)30%，若爐渣替代比例超過30%，爐渣瀝青混合料的性能將出現(xiàn)顯著下降。