生活垃圾焚燒爐渣集料變異性及其對瀝青混合料性能影響

過震文，鄭云鵬，胡明君

（1.上海市市政規劃設計研究院有限公司，上海 200000；2.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

隨著我國城市化進程不斷加快和房地產行業持續發展，生活垃圾廢棄物、建筑垃圾廢棄物已經成為城市兩大主要廢棄物[1-3]。在生活垃圾廢棄物方面，我國660 座城市每年產生約1.9 億t生活垃圾。我國城市生活垃圾的清運量以每年8%～10%的速度增長；在建筑垃圾廢棄物方面，2013年，我國建筑垃圾產生量約為10 億t，其中拆除建筑產生的建筑垃圾約7.4 億t，建筑施工產生的建筑垃圾約為2.6 億t。目前，國外發達國家對生活垃圾廢棄物、建筑廢棄物的資源化利用率已達到95%以上，但我國的資源化利用率不足5%。因此，如何進行生活垃圾廢棄物、建筑廢棄物的資源化利用已成為當下需要急切解決的問題。

焚燒法[4-5]是一種利用高溫焚燒爐（900 ～1 000 ℃）處理城市生活垃圾的手段，其燃燒產物具有占據空間小、無毒無害的特性，在燃燒的同時還可回收能量進行發電，符合當下可持續發展理念。對于土地資源緊張的城市來說，焚燒法是處理城市生活垃圾的最佳選擇。生活垃圾通過焚燒法主要生成兩種固體廢棄物——焚燒爐渣和飛灰[6]。其中，焚燒爐渣是占比最大的副產物，約為80%。焚燒爐渣的安全處理和再利用已成為一個亟待解決的社會和環境問題。目前國內外對焚燒爐渣的研究大多集中在安全處置方面，而對其進行資源化利用的研究并不充分[7-9]。

生活垃圾焚燒爐渣具有一定的強度和硬度，經過篩分、破碎、磁選、分選等工藝處理后，可形成具有連續級配和一定力學強度的焚燒爐渣集料，可替代天然集料應用在道路工程中[10-13]。同時，焚燒爐渣集料在我國屬于一般固體廢棄物，對環境影響相對較小，這也為其在道路工程中的資源化利用提供了一定的技術保障。

然而，爐渣集料的工程特性受生活垃圾來源、粒徑、熟化期、養生期等因素的影響較大，不同地區、不同送樣批次爐渣集料的工程特性變異程度較大[14-15]，這明顯制約著爐渣集料在道路工程中的精細化使用。為此，本文首先分析了不同產地爐渣集料的物質組成與基本性能，構建了爐渣集料變異性指標的表征體系。然后，基于馬歇爾設計方法，設計了兩種級配類型的爐渣瀝青混合料（AC-13 和SMA-13）?；谲囖H試驗、小梁彎曲試驗和凍融劈裂試驗，分析了爐渣集料基本性能變異性對爐渣瀝青混合料路用性能的影響。

1 試驗材料

1.1 瀝青

AC-13 爐渣瀝青混合料采用70#基質瀝青，SMA-13 爐渣瀝青混合料采用I-D 型的SBS 改性瀝青，二者的主要技術指標見表1。

表1 瀝青主要技術指標測試結果

1.2 天然集料和礦粉

AC-13 爐渣瀝青混合料采用3 檔石灰巖集料，粒級分別為0 ～3 mm、3 ～5 mm、5 ～15 mm，SMA-13 爐渣瀝青混合料采用0 ～3 mm 石灰巖集料和5 ～10 mm、10 ～15 mm 的玄武巖集料。礦粉采用石灰巖礦粉。石灰巖集料、玄武巖集料和礦粉的主要技術指標見表2，級配組成見表3。

表2 天然集料和礦粉的主要性能指標

表3 天然集料和礦粉的級配組成

1.3 爐渣集料

爐渣瀝青混合料中采用無錫粗渣、無錫細渣、南京混合渣和常熟二廠細渣4 種濕法爐渣集料，各爐渣集料的級配組成見表4。

表4 爐渣集料的級配組成

1.4 纖維

SMA-13 瀝青混合料采用聚酯纖維，摻量為瀝青混合料總質量的0.3%。

2 試驗方案

根據JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》[16]，測試無錫粗渣、無錫細渣、南京混合渣和常熟二廠細渣4 種濕法爐渣集料的表觀相對密度、含泥量、針片狀含量、壓碎值、pH 值、吸水率、燒失量、細度模數等基本性能，計算各項基本性能的無量綱參數變異系數作為變異性表征指標，并確定各項基本性能的合理波動區間；制作20%爐渣摻量的AC-13 瀝青混合料試件與15%爐渣摻量的SMA-13 瀝青混合料試件，采用馬歇爾設計方法進行爐渣瀝青混合料的配合比設計；根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[17]，采用車轍試驗評價爐渣瀝青混合料的高溫性能；采用低溫彎曲試驗研究爐渣瀝青混合料的低溫性能；采用凍融劈裂強度研究爐渣瀝青混合料的水穩定性能；最后，采用相關系數法評價爐渣集料的基本性能對爐渣瀝青混合料的路用性能的影響。

3 試驗結果與討論

3.1 爐渣集料基本性能變異性及合理波動區間

爐渣集料基本性能的均值及變異系數統計結果如表5所示。由表5 可見，爐渣集料的表觀相對密度一般小于天然集料，吸水率和壓碎值一般高于天然集料。爐渣集料的含泥量均值為7.4%，針片狀含量均值為10.62%。爐渣集料呈堿性，pH 值均值為9.7。爐渣集料變異性最大的三個基本性能指標為含泥量、針片狀含量和吸水率，而壓碎值、pH 值、細度模數、表觀相對密度的變異性相對較小。究其原因，爐渣集料含泥量的變異性主要源自不同生活垃圾焚燒廠的處理工藝的差異和不同產地爐渣集料級配組成的差異；爐渣集料針片狀含量的變異性主要源自不同生活垃圾焚燒廠對爐渣集料的破碎方式的差異和不同產地爐渣集料級配組成的差異；爐渣集料吸水率的變異性主要源自不同產地爐渣物質組成的差異和級配組成的差異，這也與當地的生活垃圾類型具有一定的關系。

表5 爐渣集料的基本性能均值和變異系數

假定爐渣集料的各個基本性能指標近似服從正態分布，總體均值與方差未知，則均值的1-α雙側置信區間上下限如式（1）所示。本文置信水平均取為95%，所得到的置信區間作為爐渣集料基本性能的合理波動范圍，如表6所示。

表6 爐渣集料基本性能合理波動范圍 %

由表6 可見，爐渣集料不同基本性能指標的合理波動范圍存在較大差異。爐渣集料的含泥量、針片狀含量、吸水率、燒失量和壓碎值的合理波動范圍較大，分別為2.2%～12.6%、5.3%～15.9%、2.3% ～6.6%、1.1% ～6.4%、3.1% ～11.0%和27.1%～41.5%。爐渣集料的pH 值、細度模數和表觀相對密度的合理波動范圍較小，分別為8.6 ～10.8、2.6 ～3.0 和2.4 ～2.5。以上分析表明，爐渣集料基本性能存在較明顯的波動，這種基本性能的波動正是爐渣集料變異性的體現，這也是爐渣集料不同于天然集料的部分。爐渣集料基本性能的變異性會對爐渣瀝青混合料的配合比設計和路用性能產生一定的負面影響。明確爐渣集料變異性對瀝青混合料的負面影響，確定影響瀝青混合料路用性能的爐渣集料關鍵基本性能指標，并減小其變異性，有助于保證爐渣瀝青混合料的服役性能和耐久性能。

3.2 爐渣瀝青混合料路用性能與爐渣集料基本性能關聯性分析

采用相關系數法（式2）評價爐渣集料基本性能對爐渣瀝青混合料路用性能的影響。若爐渣集料基本性能與爐渣瀝青混合料路用性能的相關系數絕對值越接近1，則表示二者的相關性越大；若相關系數絕對值越接近0，則表示二者的相關性越小。若爐渣集料基本性能與爐渣瀝青混合料路用性能的相關系數為負數，則表示二者為負相關；若爐渣集料基本性能與爐渣瀝青混合料路用性能的相關系數為正數，則表示二者為正相關。

圖1 爐渣集料基本性能與爐渣瀝青混合料高溫穩定性的相關系數絕對值

式中，r為相關系數，xi為第一個指標的值，為第一個指標的平均值，yi為第二個指標的值，為第二個指標的平均值，n為樣本數。

3.2.1 高溫穩定性

圖1 和表7 為爐渣集料基本性能與爐渣瀝青混合料高溫穩定性的關聯性分析結果。由圖1 和表7 可見，影響AC-13 爐渣瀝青混合料高溫穩定性的爐渣集料基本性能指標為壓碎值、針片狀含量和pH 值。其中，AC-13 爐渣瀝青混合料高溫穩定性與爐渣集料壓碎值呈負相關、與爐渣集料針片狀含量呈負相關、與爐渣集料pH 值呈正相關。AC-13 爐渣瀝青混合料高溫穩定性與爐渣集料表觀相對密度、含泥量和吸水率的相關性較小。影響SMA-13 瀝青混合料高溫穩定性的爐渣集料基本性能指標為壓碎值、表觀相對密度、pH 值、吸水率、含泥量和針片狀含量，且均為負相關關系。

爐渣集料是由玻璃、陶瓷、熔渣、磚石、金屬等成分組成的混合材料。爐渣集料的壓碎值、針片狀含量、吸水率等基本性能與爐渣集料的物質組成密切相關。隨著爐渣集料中玻璃、陶瓷等強度較低的成分含量的增加，爐渣集料的壓碎值、針片狀含量也隨之增大，且明顯高于天然集料的壓碎值和針片狀含量。這會導致爐渣集料間的嵌擠作用明顯差于石灰巖集料和玄武巖集料，從而降低了爐渣瀝青混合料的高溫穩定性能。爐渣集料中的熔渣組分呈明顯的堿性，且主要分布在細渣集料中。熔渣組分的碳酸鹽含量高，并且具有較高的pH 值，可以導致細渣集料與瀝青膠結料間產生較為強烈的交互作用，提高了二者間的界面黏結力，削弱了瀝青用量較高的負面影響，也會對爐渣瀝青混合料的高溫穩定性產生促進作用。綜上所述，從保證爐渣瀝青混合料高溫穩定性的角度考慮，應采用壓碎值較小、針片狀含量低、pH 值較高的細渣集料，且應控制這些爐渣集料性能指標的變異性。

表7 爐渣集料基本性能與爐渣瀝青混合料高溫穩定性關聯性分析

3.2.2 低溫性能

圖2 和表8 為爐渣集料基本性能與爐渣瀝青混合料低溫性能的關聯性分析結果。由圖2 和表8所示，影響AC-13 爐渣瀝青混合料低溫性能的爐渣集料基本性能指標為含泥量、針片狀含量、pH 值、吸水率和表觀相對密度。其中，AC-13爐渣瀝青混合料低溫性能與吸水率、pH 值、含泥量和表觀相對密度呈正相關、與針片狀含量成負相關。AC-13 爐渣瀝青混合料高溫穩定性與爐渣集料壓碎值的相關性較小。影響SMA-13 爐渣瀝青混合料低溫性能的爐渣集料基本性能指標為吸水率、含泥量、表觀相對密度、壓碎值和針片狀含量。其中，SMA-13 爐渣瀝青混合料的低溫性能與吸水率、含泥量、表觀相對密度、壓碎值呈正相關、與針片狀含量呈負相關。

圖2 爐渣集料基本性能與爐渣瀝青混合料低溫性能的相關系數絕對值

表8 爐渣基本性能與爐渣瀝青混合料低溫性能關聯性分析

爐渣集料的吸水率與爐渣瀝青混合料的設計瀝青用量密切相關。當爐渣集料的粒徑和摻量相同時，爐渣集料的吸水率越高，爐渣瀝青混合料的設計瀝青用量越高，爐渣瀝青混合料的低溫變形能力越強，開裂現象明顯減少。爐渣集料的含泥量為粒徑小于0.075 mm 的粉料含量。由于爐渣集料浸出液呈明顯的堿性，同時爐渣集料的含泥量與pH 值具有較強的正相關性，可以得知，爐渣集料中的泥分為堿性小顆粒。這部分堿性小顆粒可與瀝青中的酸性物質產生化學反應，有助于提高爐渣集料與瀝青間的交互作用。因此，爐渣集料的含泥量越高，pH 值越高，爐渣集料與瀝青間的結合能力越強，爐渣瀝青混合料的低溫性能越好。此外，當爐渣集料針片狀含量較高時，爐渣集料在低溫受拉狀態下更容易發生斷裂，不利于爐渣瀝青混合料的低溫性能。綜上所述，從保證爐渣瀝青混合料低溫性能的角度考慮，應采用吸水率較高、pH 值較高、針片狀含量較小的爐渣集料，且應控制這些爐渣集料性能指標的變異性。

3.2.3 水穩定性

圖3 和表9 為為爐渣集料基本性能與爐渣瀝青混合料水穩定性關聯性分析結果。

圖3 爐渣集料基本性能與爐渣瀝青混合料水穩定性的相關系數絕對值

表9 爐渣基本性能與爐渣瀝青混合料水穩定性關聯性分析

由圖3 和表9 可見，影響AC-13 爐渣瀝青混合料水穩定性的爐渣集料基本性能指標為含泥量、針片狀含量、pH 值和吸水率。其中，AC-13爐渣瀝青混合料水穩定性與爐渣集料含泥量、pH 值和吸水率呈正相關、與爐渣集料針片狀含量呈負相關。AC-13 爐渣瀝青混合料水穩定性與表觀相對密度、壓碎值的相關性相對較小。影響SMA-13 爐渣瀝青混合料水穩定性的爐渣集料基本性能指標為含泥量、針片狀含量、pH 值和吸水率。其中，SMA-13 爐渣瀝青混合料水穩定性與爐渣集料含泥量、pH 值和吸水率呈正相關、與爐渣集料針片狀含量呈負相關。SMA-13 爐渣瀝青混合料水穩定性與表觀相對密度、壓碎值的相關性相對較小。

爐渣集料中含有較高比例的熔渣，熔渣是一種孔隙結構較為發達的多孔結構材料，瀝青進入熔渣孔隙中后，不易被水剝落。同時，這種具有多孔結構的熔渣的存在會導致爐渣瀝青混合料的瀝青用量增加，也會在一定程度上增加瀝青-集料界面的水穩定性。前述分析表明，爐渣集料中粒徑小于0.075 mm 的部分與天然集料存在明顯的差異，爐渣集料的這部分主要為堿性微小顆粒，主要為碳酸鹽和高堿性物質。因此，爐渣集料的含泥量越高，pH 值也會越高，爐渣集料與瀝青間吸附作用就越強，爐渣瀝青混合料的抗水損能力相應也會增強。此外，當爐渣集料的針片狀含量增加時，爐渣集料與瀝青的界面黏結效果變差，更容易產生水剝離現象，不利于爐渣瀝青混合料的水穩定性。綜上所述，從保證爐渣瀝青混合料水穩定性的角度考慮，應采用pH 值較高、堿性含泥量較高、針片狀含量較低的爐渣集料進行爐渣混合料的配合比設計，且應控制這些爐渣集料性能指標的變異性。

4 結論

a）與天然集料相比，爐渣集料的基本性能存在較為明顯的變異性，這種變異性會限制爐渣集料在瀝青混合料中的應用。爐渣集料的含泥量、針片狀含量和吸水率的變異性相對較大，而壓碎值、pH 值、細度模數和表觀相對密度的變異性相對較小。爐渣集料的基本性能可視作服從正態分布，爐渣集料含泥量的合理波動范圍為2.2%～12.6%，爐渣集料針片狀含量的合理波動范圍為5.3%～15.9%，爐渣集料吸水率的合理波動范圍為2.3%～6.6%；

b）爐渣集料中粒徑小于0.075 mm 的泥主要為堿性微小顆粒，可與瀝青中酸性物質產生反應，提高瀝青與爐渣集料間的黏附性能，進而有助于提高爐渣瀝青混合料的水穩定性和低溫性能；

c）爐渣集料的壓碎值、針片狀含量和pH 值是保證爐渣瀝青混合料的高溫性能的關鍵性能指標，爐渣集料的吸水率、含泥量、針片狀含量是保證爐渣瀝青混合料的低溫性能的關鍵性能指標，爐渣集料的含泥量、針片狀含量、pH 值和吸水率是保證爐渣瀝青混合料水穩定性的關鍵性能指標。為了確保爐渣瀝青混合料的路用性能，應重點關注爐渣集料的這些關鍵性能指標，并控制其變異性。

d）當將爐渣集料應用在瀝青路面中時，應選擇壓碎值小、針片狀含量低、含泥量高、pH值高和吸水率高的爐渣集料，并保證爐渣集料基本性能指標變異性較小。