垃圾焚燒爐渣瀝青混合料的基本性能

孫 瑜, 李立寒, 黃崇偉

(1.上海理工大學(xué) 管理學(xué)院, 上海 200093; 2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201804)

生活垃圾焚燒爐渣(簡(jiǎn)稱爐渣)是生活垃圾經(jīng)過焚燒后得到的主要固態(tài)產(chǎn)物,經(jīng)過濕法或干法處理[1]后得到爐渣集料(BAA)和爐渣粉料(BAP),BAA和BAP可以投入資源化再利用[2].BAA的粒徑分布比較均勻,具有強(qiáng)度高、堅(jiān)固性好、吸水率高等特性[3],符合道路建材(骨料、級(jí)配碎石或級(jí)配礫石等[4-6])的級(jí)配要求;BAP外觀與天然礦粉相似,其粒徑分布與加熱安定性均能滿足瀝青混合料對(duì)填料的要求.國(guó)內(nèi)外對(duì)BAA在瀝青混合料中的應(yīng)用已有研究：Ogunro等[7]研究發(fā)現(xiàn)摻入20%的BAA后混合料的設(shè)計(jì)瀝青用量增加了0.5%;Hassan[8]研究認(rèn)為對(duì)于粒徑0～3mm的BAA,15%的摻量是用于瀝青面層的最佳摻量,20%的摻量對(duì)于瀝青基層也有一定適用性;劉棟等[9]研究認(rèn)為當(dāng)BAA摻量為10%～20%時(shí),瀝青混合料的高溫性能和抗壓回彈模量均有提高,水穩(wěn)定性和抗疲勞性能也因?yàn)r青用量的增加而提高.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)BAP的研究較少,根據(jù)筆者前期研究[10]發(fā)現(xiàn),BAP的摻入會(huì)增加設(shè)計(jì)瀝青用量,提高瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度,改善其高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性.

綜上,國(guó)內(nèi)外對(duì)于爐渣瀝青混合料的研究仍處于初級(jí)階段,尤其對(duì)BAP在瀝青混合料中應(yīng)用的研究更是寥寥可數(shù).本文針對(duì)瀝青混合料的長(zhǎng)期水穩(wěn)定性這一重點(diǎn)問題,采用BAP、BAA替代天然礦料進(jìn)行AC-13瀝青混合料配合比設(shè)計(jì),通過凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn)來評(píng)價(jià)爐渣瀝青混合料的長(zhǎng)期水穩(wěn)定性,并采用單軸貫入試驗(yàn)來探究爐渣瀝青混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,為爐渣在道路瀝青面層中的資源化利用提供參考.

1)文中涉及的固液比、摻量等均為質(zhì)量比或質(zhì)量分?jǐn)?shù).

1 試驗(yàn)原材料及其性能

1.1 瀝青

試驗(yàn)所用的瀝青為地中海70#基質(zhì)瀝青,其性能指標(biāo)根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)得,見表1.

表1 70#基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)

1.2 集料

天然集料的中粒徑范圍0～3mm為石灰?guī)r,其他粒徑范圍為玄武巖;爐渣集料(BAA)為上海市生活垃圾焚燒廠產(chǎn)品,粒徑范圍為0～9.5mm.集料的基本性能和篩分結(jié)果見表2、3.其中pH值測(cè)試方法為：根據(jù)JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中“T 0152—1993易溶鹽試驗(yàn)待測(cè)液的制備”,稱取一定量烘干后的BAA過1.18mm篩,按照固液比1)為1∶5加入蒸餾水,用玻璃棒不斷攪拌,形成懸濁液,用濾紙進(jìn)行過濾,得到澄清的浸出液,將具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能的筆式pH計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)后,插入浸出液中,待讀數(shù)穩(wěn)定后讀取pH值.

根據(jù)已有的研究成果[9]可知：BAA含有燒結(jié)熔渣、陶瓷、玻璃、磚石、少量金屬及未燃物；其中,陶瓷、玻璃呈扁平狀、針片狀,磚石和熔渣則呈方形或圓形；通過掃描電子顯微鏡觀察熔渣表面形貌可知其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá).

1.3 填料

所用的填料為天然礦粉和爐渣粉料(BAP),其中天然礦粉為石灰?guī)r礦粉,BAP為上海市生活垃圾焚燒廠產(chǎn)品.填料的基本性能和篩分結(jié)果分別見表4、5.值得注意的是,表4中BAP的塑性指數(shù)并不符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對(duì)礦粉塑性指數(shù)(Ip)小于4%的要求.根據(jù)JTG E40—2007規(guī)程,Ip=4%是黏土-粉土過渡區(qū)的界限,按照塑性圖對(duì)土的分類,BAP應(yīng)屬于高液限粉土MH,高液限粉土本身具有強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差、抗沖刷能力差、透水性差、易膨脹、不易壓實(shí)等缺點(diǎn),因此規(guī)范中對(duì)礦粉塑性指數(shù)做出相應(yīng)要求,避免礦粉與瀝青在水的作用下發(fā)生剝離.然而,規(guī)范中的要求是針對(duì)天然石灰?guī)r礦粉提出的,而且根據(jù)BAP瀝青混合料的性能試驗(yàn)結(jié)果,用BAP替代礦粉制備的瀝青混合料的強(qiáng)度以及水穩(wěn)定性并不差,甚至較對(duì)照組瀝青混合料有所提高.因此,考慮到天然石灰?guī)r礦粉化學(xué)成分的單一性,規(guī)范中對(duì)填料塑性指數(shù)的規(guī)定比較狹隘,并不適用于成分如此復(fù)雜的BAP.

表2 集料的基本性能

表3 集料的篩分結(jié)果

表4 填料的基本性能

表5 填料的篩分結(jié)果

根據(jù)筆者前期研究[10]可知,BAP的顆粒分布大小不一、外形各異,有球狀、針狀、片狀和絮狀等各種形狀,這些顆粒像棉花一樣成簇聚集在一起,看上去厚實(shí)而蓬松,顆粒的表面或像魚鱗一樣形成多片的層次,或充滿細(xì)小的孔隙和通道.

2 爐渣瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)與路用性能

2.1 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)3組瀝青混合料,分別為普通瀝青混合料(control)、BAP瀝青混合料和BAA瀝青混合料,3組瀝青混合料均為AC-13瀝青混合料.參考前期對(duì)爐渣的粒徑范圍和摻量的研究結(jié)果[10-11],在本文中BAP瀝青混合料采用摻量為100%的BAP替代天然礦粉,BAA瀝青混合料采用摻量為20%、粒徑0～9.5mm的BAA替代天然集料.BAP和BAA瀝青混合料均按照最接近對(duì)照組合成級(jí)配的原則進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),并分別確定最佳油石比,3組瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見表6;合成級(jí)配見表7;馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表8,表中VV、VMA、VFA、MS、FL分別為空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、穩(wěn)定度、流值;有效瀝青膜厚度(d)的計(jì)算結(jié)果見表9,表中Ps、γf、Pba、Pbe、SA分別表示各種礦料含量(以瀝青混合料總質(zhì)量計(jì))之和、瀝青混合料的毛體積相對(duì)密度、被礦料吸收的瀝青含量(以礦料總質(zhì)量計(jì))、有效瀝青含量(以瀝青混合料的總質(zhì)量計(jì))、集料的比表面積.由表8可知,3組瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果均滿足JTG F40—2004規(guī)范的技術(shù)要求,BAP與BAA瀝青混合料的瀝青用量在不同程度上高于對(duì)照組,這與現(xiàn)有的研究結(jié)論[11]一致.

2.2 路用性能

分別對(duì)3組瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn),得到其動(dòng)穩(wěn)定度和最大彎拉應(yīng)變以檢驗(yàn)爐渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性,結(jié)果見表10.由表10可知,BAA、BAP瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性均滿足JTG F40—2004規(guī)范要求,且總體性能優(yōu)于普通瀝青混合料.

表6 瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

表7 瀝青混合料的合成級(jí)配

表8 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表9 瀝青混合料有效瀝青膜厚度

表10 瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度和最大彎拉應(yīng)變

3 爐渣瀝青混合料的長(zhǎng)期水穩(wěn)定性

試驗(yàn)采用凍融循環(huán)來模擬水對(duì)瀝青混合料的長(zhǎng)期損害作用,對(duì)3組瀝青混合料分別進(jìn)行0(未凍融)、1、5次凍融循環(huán)后的劈裂試驗(yàn),通過劈裂強(qiáng)度比(TSR)來評(píng)價(jià)爐渣瀝青混合料的長(zhǎng)期水穩(wěn)定性,結(jié)果見圖1.

由圖1(a)可知：經(jīng)1次凍融循環(huán)后，3組瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度均有所降低,并在5次凍融循環(huán)后進(jìn)一步降低;3組瀝青混合料按照劈裂強(qiáng)度的強(qiáng)弱排序?yàn)锽AA瀝青混合料>BAP瀝青混合料>普通瀝青混合料,說明摻入爐渣后,瀝青混合料的力學(xué)性能有所提高.

由圖1(b)可知：3組瀝青混合料經(jīng)過1次和5次凍融循環(huán)后的TSR仍能滿足JTG F40—2004規(guī)范中TSR≥75%的技術(shù)要求；根據(jù)TSR可得3組瀝青混合料按長(zhǎng)期水穩(wěn)定性強(qiáng)弱排序?yàn)锽AA瀝青混合料>BAP瀝青混合料>普通瀝青混合料；BAP和BAA的摻入均可有效減小凍融循環(huán)對(duì)TSR的降低幅度.分析原因：一方面,與天然礦料相比,爐渣的表面更加粗糙多孔、親水系數(shù)更小、堿性更強(qiáng),這些特性能夠增大瀝青與礦料之間的接觸面積,增強(qiáng)瀝青與礦料之間的黏附作用;另一方面,由于爐渣具有疏松多孔的特性,能夠吸收更多的瀝青,這些孔隙中的瀝青在爐渣的表面能夠起到一定的“錨固”作用,從而使得爐渣瀝青混合料具有更好的水穩(wěn)定性;而瀝青混合料中BAA的用量遠(yuǎn)大于BAP,因此爐渣對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的有利影響在BAA瀝青混合料中更為顯著.

圖1 凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Freeze-thaw cycles splitting test results

4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

瀝青混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來源于礦料顆粒之間的嵌鎖力(內(nèi)摩阻角)、瀝青與礦料之間的黏結(jié)力(黏聚力)以及瀝青自身的內(nèi)聚力,且均滿足摩爾-庫(kù)倫理論,因此本文通過單軸貫入試驗(yàn)來計(jì)算爐渣瀝青混合料的內(nèi)摩阻角和黏聚力,借此分析爐渣瀝青混合料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的形成.

單軸貫入試驗(yàn)試件的成型方法為旋轉(zhuǎn)壓實(shí),試件的尺寸為φ100×100mm,試驗(yàn)中壓頭的尺寸為φ28.5×50mm,試驗(yàn)加載速率為1mm/min,試驗(yàn)溫度為60℃.通過單軸貫入試驗(yàn)可得到試件的抗剪強(qiáng)度,再結(jié)合無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與庫(kù)倫公式便可求得瀝青混合料的黏聚力和內(nèi)摩阻角[12].分別對(duì)經(jīng)過0、1、5次凍融循環(huán)后的3組瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn),得到黏聚力和內(nèi)摩阻角,結(jié)果見圖2.

圖2 單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Uniaxial penetration test results

由圖2(a)可知：經(jīng)1次凍融循環(huán)后，3組瀝青混合料的黏聚力均有所降低,并在5次凍融循環(huán)后進(jìn)一步降低;3組瀝青混合料按照黏聚力大小排序?yàn)锽AP瀝青混合料>普通瀝青混合料>BAA瀝青混合料.這與2.1節(jié)中瀝青混合料的有效瀝青膜厚度(見表9)的排序一致,說明有效瀝青膜厚度在很大程度上影響著瀝青混合料的黏聚力.

由圖2(b)可知,3組瀝青混合料按內(nèi)摩阻角大小排序?yàn)锽AA瀝青混合料>BAP瀝青混合料>普通瀝青混合料.分析原因：爐渣中含有較多的磚石和熔渣,其表面比天然礦料更加粗糙、疏松多孔,可顯著增加爐渣瀝青混合料的內(nèi)摩阻角,同時(shí)由于BAA的用量更多、粒徑更大,使得BAA瀝青混合料擁有最大的內(nèi)摩阻角.由圖2(b)還可知,對(duì)同組瀝青混合料而言,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,BAP瀝青混合料和BAA瀝青混合料的內(nèi)摩阻角逐漸增大,而普通瀝青混合料的內(nèi)摩阻角先增大后減小,分析原因：1次凍融循環(huán)后,瀝青從礦料表面剝落,原有的瀝青潤(rùn)滑作用降低,礦料間相互接觸,因此內(nèi)摩阻角增大;5次凍融循環(huán)后,普通瀝青混合料較松散,水分進(jìn)入各孔隙,礦料顆粒之間形成水膜,產(chǎn)生的潤(rùn)滑作用導(dǎo)致內(nèi)摩阻角降低,而爐渣表面更加疏松多孔,且與瀝青之間的黏附作用更強(qiáng),使得水分不易進(jìn)入各孔隙,因此爐渣瀝青混合料的內(nèi)摩阻角進(jìn)一步增大.

5 結(jié)論

(1)與天然礦料相比,爐渣的表面粗糙、孔隙發(fā)達(dá).爐渣的摻入會(huì)增加瀝青混合料的瀝青用量,但并不影響爐渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性,馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范要求.

(2)基于凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn),瀝青混合料按長(zhǎng)期水穩(wěn)定性排序?yàn)椋築AA瀝青混合料>BAP瀝青混合料>普通瀝青混合料,爐渣的摻入可以減小凍融循環(huán)對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度比的降低幅度.

(3)爐渣瀝青混合料的長(zhǎng)期水穩(wěn)定性更強(qiáng),一方面是由于爐渣的特性有利于增大瀝青與爐渣之間的接觸面積、增強(qiáng)二者之間的黏附作用,另一方面是凍融循環(huán)過程中,爐渣的摻入增大了瀝青混合料的內(nèi)摩阻角、提高了瀝青混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.