固廢用作瀝青混合料替代填料的研究進展

摘要：固體廢料生產瀝青混合料不僅可以幫助消耗掉各種來源產生的固廢，而且也能緩解天然開采礦料不足的局面，實現固廢資源化利用與生態環境保護的協同發展。文章針對目前多種生產、生活活動中未得到充分利用的固體廢棄物，就其可用作瀝青混合料的替代填料進行了綜述研究，重點分析了廢棄物的物理和化學特性及其對混合料路用性能的影響，并對瀝青混合料替代填料的未來研究及應用重點進行了展望。

關鍵詞：固體廢料；瀝青混合料；替代填料；可回收

中圖分類號：U414.1 A 22 081 4

0 引言

近年來，隨著資源高耗費和生態環境壓力日趨嚴峻，逐漸成為限制經濟發展的主要矛盾。截至2020年末，全國公路總里程達到519.81萬km，其中90%以上是瀝青路面。而我國瀝青道路每年新增率在5%左右，每增加1 km的瀝青道路都將消耗約500 t礦粉填料，瀝青道路礦粉填料年需求量可達11 700萬t。伴隨著國家對天然砂石的限制開采，致使天然礦料資源日益匱乏。與此同時，國務院提出了“無廢城市”概念，就是以大宗工業固體廢棄物、農業廢棄物、建筑廢棄物、生活垃圾為重點，實現固廢的資源化利用和安全處置。

填料在混合料中起著雙重作用，其不僅要填充混合料中集料骨架空隙為集料間的接觸創造條件，而且還要與瀝青一起形成高黏度的瀝青-礦粉膠漿，在瀝青混合料中發揮著關鍵作用［1］。瀝青-礦粉膠漿的剛度不僅影響著混合料的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能及疲勞強度等諸多性能，一些填料還充當抗剝離劑，提高瀝青和集料間的粘附力，改善瀝青混合料的水穩定性。一般常見的填料有礦粉、熟石灰和水泥等材料，這些傳統填料是直接通過開采獲得的，會導致植被環境破壞、土地資源浪費等問題，并且遠距離運輸也會增加路面施工的成本。因此，迫切需要為瀝青混合料中的傳統填料尋找經濟實惠且環保的替代品，而利用固體廢料代替傳統填料符合可持續發展性，具有重大的經濟和社會效益。

目前我國也逐步開始重視固廢替代填料的開發使用，在很多工程中都投入使用，取得了較好的效果。根據固廢來源的不同，主要可分為以下幾類：（1）農業廢物，如生物質廢物；（2）工業廢物，如粉煤灰、礦渣廢物；（3）城市廢物，如生活垃圾焚燒灰、廢玻璃、建筑垃圾。

1 農業廢棄物

我國農村每年產生高達40多億t的固體廢物，其中50%以上未被合理利用，資源潛力巨大。除了農作物收獲期間產生的殘留物外，農產品的加工（碾磨、榨油等）也會產生大量生物質廢物。這些生物質廢物都具有較高的燃料價值，如稻殼、甘蔗渣、廢木材等，都可以作為發電燃料進行回收利用。相關研究表明，這些農業生物質燃燒后產生的灰燼可以替代用作填料［2］。

1.1 稻殼灰

我國每年水稻的年產量在兩億t以上，居世界第一。稻殼作為水稻生產過程中的廢棄物，占水稻總量的20%左右。稻殼灰是稻殼燃燒產生的具有多孔無定形硅骨架的副產品，其中無定形SiO2含量為80%～95%，具有較高的比表面積和多孔性［3］，能更有效地結合瀝青。近年來，大部分研究人員用稻殼灰嘗試部分替代瀝青傳統填料取得了較好的效果。Hdabi等［4］采用稻殼灰填料和常規石灰粉填料進行對比。試驗發現，與石灰粉瀝青混合料相比，稻殼灰瀝青混合料的力學性能和耐久性都有顯著的提升，水穩定性稍有不足。另一項研究同樣發現，稻殼灰的多孔性質也會增強瀝青-集料粘合性并提高其剛度和內聚力，用其制備的瀝青混合料具有優異的抗永久變形、抗車轍性和抗疲勞性能。不同替代量的稻殼灰填料對瀝青混合料的性能的影響也有所不同，Tahamia［5］的研究結果表明，隨著稻殼灰替換量的增加，稻殼灰瀝青混合料的高溫穩定性和抗車轍性能改善得更為顯著，且在稻殼灰摻量為75%時，瀝青混合料的疲勞壽命最長，綜合考慮稻殼灰用作瀝青混合料填料的最佳替換量應為75%。

1.2 其他農業固廢

大部分固體生物質燃燒都會產生飛灰，除了產量較高的稻殼灰之外，Melotti等［6］研究了27種不同類型的生物質灰作為替代填料的適用性，包括木片、貝殼、稻草、樹皮等。初步研究表明，生物質灰經過篩分和研磨處理后，大多數都可被認為是瀝青混合料中天然填料的有效替代品。Mohammed［7］將棕櫚殼燃燒產生的棕櫚灰作為瀝青混合料的填料替代品，進行了彈性模量、車轍試驗、動態蠕變、間接拉伸強度等測試。結果表明棕櫚灰作為替代填料，不僅提高了瀝青混合料的彈性模量、抗車轍性和拉伸強度，并且棕櫚灰填料在40%～60%的替換量表現出更好的機械性能。國外研究人員評估了棗籽灰作為填料對瀝青混合料性能的影響，研究發現棗籽灰能夠改善集料和瀝青結合料間的粘結情況，進而提高棗籽灰瀝青混合料的水穩定性［8］。國內也有研究將廢棄貝殼粉作為填料對瀝青混合料性能的影響，相對于天然的石灰礦粉填料，廢棄貝殼粉對瀝青混合料的馬歇爾穩定度、車轍動穩定度和水穩定性等指標有著不同幅度的提高［9］，并且在周鄧公路已鋪筑試驗路，各項指標均符合規范要求且服役效果良好。

2 工業廢棄物

我國在工業快速發展的同時，各種制造業產生的廢棄物也急劇增長。工業廢棄物的運輸、處理、填埋均需大量成本，而將工業廢棄物通過加工處理作為再生料應用于道路工程，一方面在一定程度上能減少原材料的消耗，另一方面也可以降低工業固廢處理的成本，具有一定的社會經濟效益。目前已有大量工業廢棄物可被用作瀝青混合料的替代填料。

2.1 粉煤灰

粉煤灰是燃煤火力發電的副產物，我國每年火力發電約產生6.5億t粉煤灰。粉煤灰是一種灰黑色的粉狀物，主要成分是硅酸鹽礦物和其他氧化礦物，其密度低于傳統填料，粒徑在0.5～200 m，具有非塑性球形的中空顆粒結構，比表面積較大［10］。國內學者認為粉煤灰的這種結構能有效吸附可溶堿鹽，降低瀝青的蠟含量，顯著提高瀝青黏度，從而增加瀝青與集料的粘結性。焦華［11］研究粉煤灰替代礦粉在AC-16瀝青混合料的影響，結果表明，與摻礦粉相比，其高溫穩定性更好，水穩定性略有提升，但低溫抗裂性則較差。李江華等［12］嘗試將不同比例的粉煤灰部分替代礦粉加入瀝青混合料中，通過對瀝青混合料的馬歇爾穩定度和流值進行測試，結果表明，粉煤灰最佳摻量為35%左右，此時混合料的高溫性能較優。國外相關研究也表明隨著粉煤灰摻量的增大，瀝青混合料最佳油石比也會有所增加。除了粉煤灰的摻量會對瀝青混合料性能造成影響外，不同細度、化學組成的粉煤灰也會導致瀝青混合料性能有所不同。蔣承華［13］對比研究了高鈣粉煤灰和低鈣粉煤灰對瀝青混合料高溫性能的影響，結果表明這兩類粉煤灰均能提高混合料的高溫穩定性，并且與低鈣粉煤灰相比，高鈣粉煤灰的提高幅度要更大。張松榆等［14］采用Y級、Ⅰ級和Ⅱ級粉煤灰作為AH-50瀝青混合料的填料，研究發現當摻量相同時，對AH-50瀝青的延度、針入度和軟化點影響相差不大，而對瀝青和石料粘附性的影響不同，其中Y級瀝青混合料的粘附性最優。盡管粉煤灰替代礦粉填料具有良好的基本性能，但使用過程也存在一些問題，鄭蕉林［1］研究發現粉煤灰瀝青混合料在低溫性能和疲勞性能方面與常規礦粉瀝青混合料有一定的差距。吳平［15］提出粉煤灰的微集料效應、微膠結效應和多空隙效應是影響瀝青混合料性能的主要因素，粉煤灰的比表面積大，導致了混合料的高溫穩定性提高和低溫穩定性降低，而水穩定性與粉煤灰中的非晶體（玻璃體）的孔隙結構、比表面積有關。

2.2 鋼鐵工業固廢

鋼鐵制造行業在冶煉鐵和鋼的過程中會產生數億噸的副產品，這些副產品主要是兩類：礦渣和鋼渣。礦渣是冶煉生鐵產生的廢渣，礦渣的粒徑小，比表面積較大，顆粒表面較粗糙，堿性氧化鈣含量在50%左右，與水泥化學成分相似，具有一定的水硬凝膠特性。礦渣粉目前主要用于水泥工業中。礦渣粉從性質角度看，可以替代常用的石灰石粉作為瀝青混合料的填料。國外相關研究用高爐礦渣粉替代瀝青混合料中的填料，相比于石灰粉瀝青混合料具有更高的穩定性和抗車轍性，但彈性模量和疲勞壽命略低。姚愛玲等［16］也證實了礦渣粉在瀝青混合料中部分或完全替代石灰石粉的可行性，從路用性能結果看不僅提高了瀝青混合料動穩定度，水穩定性持平，而且礦渣瀝青膠漿有著更好的低溫延性。

鋼渣是煉鋼行業產生的固體廢渣，其主要成分是由鈣、鐵、硅氧化物和錳、磷、硫等雜質氧化物及鹽類等組成。我國每年的鋼渣產量超過1億t，但其利用率不足30％，而日本、歐美等國家，鋼渣的利用率已近100%。鋼渣具有堿性與良好的力學性能，可替代瀝青混合料中的粗、細集料，我國也相繼出臺了《道路用鋼渣砂》《鋼渣復合料》等鋼渣道路工程應用的標準，但將鋼渣粉作為礦粉替代填料的研究較少。主要原因是鋼渣的耐磨性，需要較高強度的機械加工磨細成粉。Li等［17］從鋼渣填料的基本性能角度探究對瀝青膠漿的影響，結果表明，鋼渣填料是多孔材料，具有粗糙、凹凸不平的表面特性，同時其作為堿性組分與瀝青酸性物質之間反應，會共同增強與瀝青的粘結性，從而提高瀝青膠漿的強度和耐水性。Tao等［18］通過動態剪切流變儀（DSR）和彎梁流變儀（BBR）測試研究了鋼渣填料對瀝青膠漿流變性能的影響，試驗結果表明，在瀝青結合料中添加鋼渣作為礦物填料，提高了結合料的抗變形能力，但略微降低了其抗低溫開裂性，鋼渣填料最佳替換量應≤75%。符浩等［19］采用五種不同粉膠比的鋼渣填料瀝青膠漿進行稠度、延展性能、高低溫性能及黏度分析，結果表明，與石灰石填料瀝青膠漿相比，鋼渣瀝青膠漿延度、黏度和高溫性能有所提升，低溫變形性能與感溫性能有所下降，合適的粉膠比為1.0，此時鋼渣瀝青膠漿綜合性能最優。

2.3 其他工業固廢

其他工業固廢包括陶瓷行業的廢瓷片、煤炭行業的煤矸石、化肥工業的磷石膏等。陶瓷行業每年約有20%的產量在生產過程中轉化為廢陶瓷，而廢陶瓷可以很容易地粉碎成陶瓷粉塵，其主要成分是二氧化硅和硅酸鹽。相關研究表明，在瀝青混合料中引入15%的陶瓷粉時，瀝青混合料的馬歇爾穩定性和抗車轍能力得到改善，用粒徑在0.075～0.020 mm的廢陶瓷填料比相同尺寸的石灰石粉填料制備的瀝青混合料具有更好的內聚強度，增強了對疲勞開裂的抵抗力。長沙理工大學探究了煤矸石粉和煤矸石灰作為填料對瀝青混合料性能的影響［20］，結果表明與傳統石灰石粉填料相比，煤矸石粉和煤矸石灰瀝青混合料具有更高的馬歇爾穩定度、間接拉伸強度和回彈模量，并且煤矸石粉和石灰石粉等比例摻配對混合料水穩定性也有改善。磷石膏是磷化工產生的固體廢渣，國內磷石膏年產量約8 000萬t，外觀呈灰白色或灰黑色細粉狀，主要成分為二水硫酸鈣及少量有機磷、硫、氟類化合物。Katamine［21］研究表明，以磷石膏作為填料的瀝青混合料比石灰石粉混合料具有更高的馬歇爾穩定性，但水存在下其微晶結構軟化會導致水穩定性較差，需要配合一定的固化劑使用。

3 城市廢棄物

3.1 生活垃圾焚燒灰

生活垃圾在焚燒過程中會產生大量焚燒飛灰，煙氣凈化系統回收的飛灰占焚燒垃圾重量的3%～5%，國內焚燒飛灰年產生量高達1 000萬t。飛灰的主要成分是CaO、SiO2和Al2O3，共占60%左右，且含有Pb、Cr、Hg等重金屬物質，屬于危險廢物，嚴重危害生態環境。而飛灰與礦粉具有比較相似的物化性質以及瀝青的穩定固化作用，飛灰替代礦粉用于瀝青路面具有一定的可行性。鄭凱高［22］將焚燒飛灰作為填料摻入基質瀝青中制成瀝青膠漿，研究發現飛灰具有比表面積大、孔隙結構發達等特點，且含有高活性過渡金屬，和堿性氧化物與瀝青組分相互作用更強，從而提高了瀝青膠漿的黏度。相比礦粉瀝青膠漿，飛灰瀝青膠漿的高溫穩定性有所提升，而低溫性能基本相當。譚巍等［23］將焚燒飛灰替代不同比例礦粉制備瀝青混合料，研究發現干法飛灰摻入后，水穩定性大幅降低。而經水解法處理后，2%替代量的飛灰瀝青混合料的水穩定性、高溫穩定性、低溫抗裂性能滿足路用性能要求，并且瀝青對飛灰的重金屬浸出具有較好的穩固抑制作用。李菁若等［24］綜合混合料水穩定性、洗脫率、經濟性等方面，提出最佳固液水洗比為1∶3，經兩次水洗，水解后飛灰不僅能提前釋放膨脹壓力，同時洗去可溶鹽，減弱乳化和腐蝕作用。

3.2 廢玻璃粉

在日常生活中會產生大量的廢棄玻璃，例如用具、照明、窗架、地板、電器等。2020年我國廢玻璃回收量約為1 040萬t，回收利用率僅在13%。廢玻璃屬于無機非金屬，不易火燒或分解，主要靠掩埋處理。目前國內外將廢玻璃用于道路工程已有較多經驗，大部分是將廢玻璃作為集料摻入瀝青混凝土中，可以提高路面的反光性能，但會引起水穩定性不足等問題，需添加抗剝落劑或環氧瀝青等解決粘附性問題。而將廢玻璃以玻璃粉的形式替代礦粉填料摻入瀝青混合料中的研究則較少。唐斌凱［25］探究了玻璃粉替代礦粉后對瀝青混合料的影響，研究發現在使用基質瀝青以及不添加抗剝落劑的條件下，當玻璃粉替代礦粉量＜50%時，玻璃粉瀝青混合料的水穩定性與傳統瀝青混合料相近且滿足規范要求。當使用Ca（OH）2作為玻璃粉瀝青混合料的固體抗剝落劑時，混合料的水穩定性得到較大提升。

3.3 建筑垃圾

樓房、道路和橋梁等建筑物在建造、拆遷或改造過程中會產生各種類型的廢物，包括磚、水泥混凝土、金屬和木材等。近幾年，我國每年排放建筑垃圾總量近20億t，占城市垃圾的比例約為40%，其中占比較大的主要是廢磚粉和廢混凝土粉。為此國家在2021年也出臺了《公路工程利用建筑垃圾技術規范》來促進規范建筑垃圾的使用。何曉琴等［26］探究了利用廢磚粉替代礦粉填料用于瀝青混合料中的可行性，首先分析廢磚粉填料的礦物成分，主要由SiO2、Al2O3和少量CaO組成，其中廢磚粉的SiO2含量最高可達68%，并且從SEM結果看出，廢磚粉比石灰粉的比表面積更大且其顆粒分布也更加均勻，具有更高吸附性；之后通過拉伸試驗、蠕變試驗、水穩定性試驗和疲勞試驗，對比研究了廢磚粉和石灰粉兩種填料瀝青混合料的路用性能，結果表明，與石灰石填料相比，添加回收磚粉可以提高瀝青混合料的水穩定性和疲勞壽命，并且高溫下具有更好的抗車轍性能，由此可見回收磚粉可用作為瀝青混合料中的一種較好的替代填料。廢混凝土也是主要的建筑廢料之一，其主要由水泥砂漿和砂石骨料組成，而混凝土微粉是破碎過程后所產生的粒徑＜0.16 mm的細小微粒。與磚粉類似，混凝土微粉也具有粗糙的顆粒表面，不同的是，再生微粉的主要化學成分以CaO和SiO2為主，總含量在60%以上。Arabani［27］在瀝青混合料中使用了混凝土微粉用作細骨料和填料，研究發現與傳統的石灰石混合料相比，其在低溫抗裂性方面表現相對較差，但瀝青混合料的水穩定性、疲勞壽命和抗車轍性能有所提高。

4 結語

隨著國家對環境保護工作的日益重視，各種優惠政策的落地實施，為促進工業固體廢物資源綜合利用產業可持續發展提供了政策保障，大宗固廢在瀝青混凝土中的應用研究必將迎來一個快速發展機遇。基于此，本文綜述了固體廢料作為瀝青混合料的替代填料的主要研究進展，主要結論如下：

（1）農業廢棄物以稻殼灰為主，作為生物質飛灰的多孔性質會增強瀝青與集料的粘附性，使得瀝青混合料的力學性能和耐久性都有所提升，水穩定性有所不足，并且隨著稻殼灰摻量的增加，性能改善更顯著。其最佳填料替代量為75%。

（2）工業固廢包括粉煤灰、礦渣鋼渣、煤矸石等，粉煤灰替代填料會提高混合料的高溫性能，且高鈣粉煤灰的提升效果更好，但低溫性能和抗疲勞性較常規填料存在差距；礦渣和鋼渣的多孔性能和堿性組分使其具備了替代傳統填料的可行性，礦渣填料能同時兼顧瀝青混合料的高低溫性能，而鋼渣填料混合料的低溫性能略有不足。

（3）城市固廢中的生活垃圾焚燒飛灰經過水洗法后制備的瀝青混合料的水穩定性、高溫穩定性、低溫抗裂性均能滿足路用性能要求；廢磚粉和廢混凝土粉微粒與石灰填料相比表面積更大且其顆粒粗糙，可以提高瀝青混合料水穩定性、疲勞壽命和抗車轍性能。

（4）可以預見，如果能夠建立和完善針對固體廢棄物替代填料的行業標準體系，那么使用頻率較低的固廢替代填料就能顯示出更強的市場競爭力，可在解決固廢引發的諸多環境問題的同時，創造出可持續發展的循環經濟，實現社會效益和經濟效益的共贏。

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收稿日期：2022-11-10