生活垃圾焚烧炉渣沥青混合料的耐久性能

刘 栋，李立寒，杨 昆（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804）



生活垃圾焚烧炉渣沥青混合料的耐久性能

刘 栋，李立寒，杨 昆
（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804）

采用马歇尔试验方法设计掺加不同质量、不同粒径范围生活垃圾焚烧炉渣集料（BAA）的炉渣沥青混合料，分析BAA对马歇尔试验参数及路用性能的影响，并采用冻融循环劈裂试验、老化试验和疲劳试验研究混合料的耐久性能.研究表明：随着BAA质量分数增加，AC-20、SMA-13的设计沥青掺量、稳定度及流值提高，高温稳定性降低，但水稳定性能与低温抗裂性能的变化规律则不同；BAA替代天然集料的质量分数分别为10%的AC-20和10%～15%的SMA-13经3次冻融循环后，其劈裂强度、冻融劈裂强度比均提高，但老化后冻融劈裂强度比降低幅度较高；AC-20中BAA替代天然集料的质量分数为20%、SMA 13中为5%～10%时可降低老化对低温抗裂性能的不利影响，混合料疲劳寿命较高.综合试验结果，AC-20、SMA-13中BAA替代天然集料的质量分数均宜在10%左右.

道路工程；生活垃圾焚烧炉渣；沥青混合料；老化试验；耐久性能

垃圾焚烧炉渣（简称炉渣）是生活垃圾焚烧后的产物，属于一般固体废弃物.炉渣经处理后可作为替代集料或填料用作土木工程材料，简称为炉渣集料（BAA）.国外对BAA在道路工程中的应用研究已有数十年，主要应用于沥青混合料、水泥混凝土、基层及路基工程.在沥青混合料方面，Ogunro等［1］、Chen等［2］分别采用美国北卡罗来纳州、中国台湾地区粒径范围0～12.5 mm左右的BAA，依据Superpave方法和马歇尔试验方法设计了炉渣沥青混合料，BAA掺量（质量分数，下同）每增加10%，沥青掺量分别增加0.60%和0.86%，且其掺量超过20%后，混合料的马歇尔试验参数不再满足常规要求.对于炉渣沥青混合料力学与路用性能，Chen等［2］认为BAA降低了其高温稳定性及抗水损害性能；Hassan［3］发现0～3mm BAA掺量小于15%可提高混合料抗水损害能力，超过20%则将产生不利影响；Hassan等［4］通过炉渣沥青混合料单轴压缩试验研究认为，0～10mm及10～20mm BAA对其高温稳定性能有利，推荐BAA掺量最高可达60%；Goh等［5］进行的动态抗压模量试验结果则表明，0～12.5mm BAA降低了混合料的动态模量；文献［6］采用上海市某垃圾焚烧厂生产的0～9.5mm BAA，按照马歇尔试验方法设计了AC-16沥青混合料，试验表明BAA掺量10%左右时混合料的高温稳定性能、水稳定性能较普通混合料有所提高.综上，不同地区、不同粒径或掺量的BAA对沥青混合料马歇尔试验参数及路用性能指标的影响可能不同，有必要针对不同地区、不同批次BAA开展研究.随着国内生活垃圾焚烧厂增多，近年来炉渣在道路工程中的资源化利用研究也逐渐增多，主要将其替代无机结合料稳定材料中的天然集料［7］、填筑路基等［8］，但应用于沥青混合料的相关研究较少，国内外对于炉渣沥青混合料在水、温度及荷载作用下长期路用性能的研究报道则更少.

本文采用不同粒径范围、不同掺量的BAA替代天然集料，进行AC-20和SMA-13炉渣沥青混合料的配合比设计，采用室内试验分析BAA对混合料长期水稳定性能、抗老化性能和疲劳性能等耐久性能的影响，为BAA在道路沥青面层中的资源化应用提供参考.

1 试验原材料与性能测试

BAA：粒径范围为0～9.50mm，产自浙江省杭州市某生活垃圾焚烧发电厂，含有烧结熔渣、陶瓷、玻璃、砖石、少量金属及未燃物.陶瓷、玻璃呈扁平状、针片状，主要集中在＞4.75mm部分，熔渣主要集中在＜2.36mm部分，扫描电子显微镜得到其表面形貌，见图1，可见其内部孔隙结构发达.X射线荧光光谱分析得到的BAA化学成分见表1.BAA通过0.075、0.600、2.360、4.750及9.500mm筛孔的质量分数分别为9.5%、38.7%、63.0%、83.7%及98.3%.筛分除去大于2.36mm部分得到0～2.36 mm BAA.不同粒径BAA基本性能测试结果见表2.0～2.36、2.36～4.75、4.75～9.50及0～9.50 mm BAA浸出液的pH值分别为11.7、11.4、11.0 及11.4，可见BAA粒径越小碱性越高，这与CaO含量较高有关.

图1 BAA表面微观形貌Fig.1 Surface micro topography of BAA

表1 BAA的主要化学成分Tab.1Main chemical composition of BAA %

天然集料：AC 20、SMA 13分别采用石灰岩集料、玄武岩集料，其粒级规格及基本性能测试结果见表2.由表2可见，与天然集料相比，BAA的强度与密度较低，而吸水率较高.

表2 BAA及天然集料的基本性能Tab.2_Basic properties of BAA and natural aggregate

沥青：AC-20、SMA-13分别采用中海70号沥青、韩国SK的I－D型SBS改性沥青.

纤维：SMA 13采用聚酯纤维.

2 炉渣沥青混合料配合比设计及性能检验

2.1 配合比设计

将0～9.50mm BAA分别以0、10%、20%和 30%的掺量替代石灰岩集料制备AC-20沥青混合料，代号分别为C-0（对照组）、C-10、C-20、C-30；将0～2.36mm BAA分别以0、5%、10%和15%的掺量替代玄武岩集料制备SMA-13沥青混合料，代号分别为M-0（对照组）、M-5、M-10、M-15.通过调整矿料配合比使混合料矿料级配分别在《公路沥青路面施工技术规范》［9］（JTG F40—2004）（以下简称《规范》）中AC-20和SMA-13设计级配范围的中值附近，级配曲线见图2.SMA 13中纤维用量为0.3%（占矿质混合料质量）.按照4%空隙率（体积分数）确定试验沥青混合料的设计沥青掺量，并检验设计沥青掺量下的马歇尔试验参数，试验结果见表3.由表3可见，BAA提高了混合料的设计沥青掺量、马歇尔稳定度和流值，这与采用上海BAA制备的AC-16马歇尔试验结果［6］一致.除C-30的矿料间隙率、沥青饱和度指标略大于规范要求外，其余混合料的各项指标均满足规范要求.总体来看，在试验掺量范围内0～2.36mm BAA对SMA-13马歇尔试验参数的影响程度略小于0～9.50mm BAA对AC-20的影响.

图2 混合料级配曲线Fig.2 Grading curve of mixture

表3 马歇尔试验结果Tab.3 Marshall test results

2.2 性能检验

采用表3中设计沥青掺量下的各试验混合料，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》［10］（JTG E20—2011）（以下简称《规程》）中的试验方法检验其路用性能，试验结果见表4.

由表4可见，BAA的掺入降低了混合料的动稳定度，SMA-13的降低幅度普遍小于AC-20.分析原因：BAA的掺入增加了混合料的沥青掺量，导致其抗高温变形能力降低，其中0～2.36mm的BAA在SMA-13中主要起到填充作用，对混合料骨架结构影响较小，＞2.36mm的BAA在AC-20中提供了部分嵌挤力，荷载作用下BAA发生滑移、破碎的可能性高于天然集料，对混合料抗高温变形能力的影响较大.

综合浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比指标来看，SMA-13的水稳定性能提高，AC-20则降低.分析原因：0～9.50mm的BAA中陶瓷、玻璃较多，其表面较熔渣、天然集料光滑，与沥青的黏附性较低；0～2.36mm的BAA以熔渣为主，其表面粗糙、孔隙结构发达，与沥青的接触面积大于天然集料，与沥青的黏附性较高，受水损害影响较小.

BAA对AC-20和SMA-13最大弯拉应变的影响规律不同，其掺量10%时AC 20的最大弯拉应变最大，SMA-13则最小.分析原因：BAA掺量增加，混合料的沥青掺量增加、低温劲度减小，其低温抗变形能力呈增加趋势，但AC-20中逐渐增加的陶瓷、玻璃等针片状颗粒使混合料中的应力集中点增多，这增加了混合料发生断裂的可能；0～2.36mm的BAA增大了SMA-13的刚度，导致其应力松弛能力低于对照组，而随着SMA-13沥青掺量增加，应力松弛能力则呈增加趋势，低温变形能力提高.

C 20的冻融劈裂强度比，C 30的浸水残留稳定度、冻融劈裂强度比及最大弯拉应变均不能满足规范要求，SMA 13的配合比设计检验指标均能满足规范要求.另外，析漏试验和飞散试验结果表明，炉渣沥青混合料与普通沥青混合料没有显著区别，且能满足规范要求.上海BAA设计的AC 16配合比检验结果表明［6］，0～9.50mm的BAA掺量在10%时可增加动稳定度和冻融劈裂强度比，此结论与本文试验结果存在差异.

表4 配合比设计检验结果Tab.4 Mix design test results

3 耐久性能试验

3.1 冻融循环劈裂试验

按照《规程》中冻融劈裂试验方法，将炉渣沥青混合料试件进行3次冻融循环后测试劈裂强度，试验结果见图3a.图3b中同时列出了1次冻融和3次冻融循环劈裂试验结果以及3次冻融循环劈裂强度比较1次的降低幅度（图中负值表示提高，后同）.由图3可见，经1次冻融循环后试件的劈裂强度均降低，经3次冻融循环后大部分试件的劈裂强度进一步降低，但试件C-10、M-10及M-15的劈裂强度则有所增加，这也造成其3次冻融循环劈裂强度比大于1次冻融循环劈裂强度比.AC-20中只有C-10试件的1次、3次冻融循环劈裂强度比均能满足规范中大于75%的技术要求；而SMA-13在试验BAA掺量范围内，即使经过3次冻融循环，冻融循环劈裂强度比仍能满足大于80%的技术要求.与对照组相比，BAA掺量≥10%时混合料冻融劈裂强度比的降低幅度较小.分析原因：在长时间水环境下BAA中活性化学成分自身、及其与沥青之间可能发生一系列的物化反应，新生物质促进了混合料的黏结力，而这种反应需要一定的时间，1个冻融循环内反应并不明显，而3个冻融循环内生成物质较多，对混合料黏结力的提高作用明显.0～2.36mm BAA中活性物质含量较高，BAA掺量较高的SMA-13中生成物质较多，而0～9.50mm的BAA活性物质较少，在AC-20中的生成物质较少，AC-20中BAA掺量较高时其劈裂强度受BAA低强度特性影响较大.

图3 冻融循环劈裂试验结果Fig.3 Freeze－thaw cycle splitting test results

3.2 长期老化试验

按照《规程》中沥青混合料加速老化试验方法，对炉渣沥青混合料试件进行长期老化处理（短期老化＋85℃下5d长期老化），然后进行冻融劈裂试验，试验结果见图4，图中同时列出了未老化试件冻融劈裂试验结果.由图4a可见，老化增大了试件的劈裂强度.BAA掺量对AC-20、SMA-13冻融劈裂强度的影响规律不同.随着BAA掺量增加，AC 20老化试件的冻融劈裂强度先增大后减小，SMA 13老化试件的冻融劈裂强度则先减小后增大.由图4b可见，AC-20中除C-0外其余试件老化后冻融循环劈裂强度比均不能满足规范中大于75%的技术要求；SMA-13中除M-10外其余试件均能满足规范中大于80%的技术要求.AC-20、SMA-13老化后冻融循环劈裂强度比的降低幅度随BAA掺量增加均呈上凸抛物线状，且均在10%时降低幅度最高.分析原因：老化使沥青硬化、黏度增加，混合料的力学强度提高；不同粒径、不同掺量BAA因其化学活性物质含量、力学强度等方面的不同导致其对AC-20、SMA-13老化作用机理的影响存在差异.

图4 老化冻融劈裂试验结果Fig.4 Freeze－thaw splitting test results of aging mix

将长期老化后的沥青混合料小梁试件进行低温弯曲试验，计算破坏时的抗弯拉强度RB与最大弯拉应变εB，同时按照文献［11］计算弯曲应变能密度临界值J，试验结果见图5.由图5可见，AC-20、SMA-13的RB、εB及J经老化后均降低，这表明老化对于炉渣沥青混合料的低温抗裂性能不利.

图5 老化低温弯曲试验结果Fig.5 Bending test results of aging mix

由图5a可见，老化前后AC-20中BAA掺量10%左右时RB均最大，超过10%后则减小.未老化SMA-13的RB随BAA掺量的增加而增大，老化SMA-13中BAA掺量超过5%后RB则减小.2种混合料RB老化后降低幅度随BAA掺量增加均呈下凹抛物线状，这表明适量BAA可减缓老化对RB的不利影响.由图5b可见，AC-20、SMA-13中BAA掺量分别在10%、15%左右时εB最大.除老化C-20、C-30外其余试件的εB均能满足规范中大于2 300με的技术要求.AC-20、SMA-13的εB降低幅度的变化规律不同，AC 20老化后εB的降低幅度随BAA掺量增加而增大，SMA-13则呈下凹抛物线状.由图5c可见，老化前后AC-20、SMA-13中BAA掺量分别在10%、15%左右时J均最大，此时其低温抗裂性能最佳.老化后J的降低幅度均呈先降低后增加的趋势，AC-20、SMA-13中BAA掺量分别在20%、5%～10%左右时可减小老化对其低温抗裂性能的影响.分析原因：老化沥青中的沥青质含量增多，黏度提高，但轻质油分减少，不利于沥青和集料的黏附，导致其黏附强度降低，弯拉应力作用下混合料开裂的可能性增加；碱性高的BAA与沥青中高极性物质的连接较天然集料紧密，集料表面的结构沥青性能更好，黏附强度提高，从而可起到减缓沥青老化的作用.

3.3 疲劳试验

疲劳试验采用应力控制的间接拉伸试验方法.旋转压实成型试件尺寸Φ100mm×63.5mm，采用MTS 810试验机施加连续式正弦波形，加载频率10 Hz，采用0.4，0.5，0.6和0.7这4个应力比作为试验荷载，试验温度15℃.疲劳寿命与应力比的关系可采用疲劳方程lg Nf＝a－b（σ／S）进行回归分析.其中，Nf为沥青混合料疲劳寿命，次；σ／S为应力比；a为回归系数，a越大表明试件疲劳曲线线位越高，混合料的疲劳性能越好；b为回归系数，b越大表明试件疲劳寿命对应力比变化越敏感.

疲劳试验结果见图6，图中同时列出了试验混合料的疲劳方程.由图6可见，随BAA掺量增加，AC-20、SMA 13疲劳方程的回归系数a、b均呈先增加后降低的趋势，BAA掺量分别在20%、10%时回归参数a、b均最大，即此掺量下混合料抗疲劳性能较好，但同时此掺量下混合料对应力比的变化更为敏感.M-15的疲劳寿命在试验应力比下比其他SMA-13试件大，且对应力比变化更加不敏感，但并不能认为M-15的抗疲劳性能最佳，这是因为本文试验结果均为在较大应力比下得到的，实际路面材料经受的应力比可能更小，依据本文得到的疲劳方程，M-15的疲劳寿命在小应力比下可能出现较其他试件减小的趋势.其他BAA掺量下混合料疲劳方程的回归系数a、b与对照组没有明显区别，表明BAA的掺入并不会显著影响混合料的疲劳性能.前期试验结果［6］表明，AC-16混合料中0～9.50mm BAA掺量20%时抗疲劳性能最佳，其余掺量下混合料的疲劳寿命差别并不明显，这与本文AC-20的试验结果相似.

图6 Nf与σ／S的关系Fig.6 Relationship between Nfandσ／S

4 结论

（1）炉渣沥青混合料的设计沥青掺量、马歇尔稳定度和流值大于对照组，高温稳定性降低，SMA 13的水稳定性能提高，但AC-20的水稳定性能降低，AC-20、SMA-13中BAA掺量分别在10%、30%时其低温变形能力较高，其中BAA掺量分别≤20%、≤15%时，马歇尔试验参数与路用性能指标均能满足规范要求.

（2）AC-20、SMA-13中BAA掺量分别在10%、10%～15%时，3次冻融较1次冻融的劈裂强度、冻融劈裂强度比增大，且均高于对照组沥青混合料.

（3）AC-20、SMA-13中BAA掺量分别在≤30%、≤10%时，长期老化后冻融劈裂强度比低于对照组，掺量均在10%时老化后冻融劈裂强度比的降低幅度最大.BAA掺量分别在10%、15%左右时长期老化后低温抗裂性能最佳，掺量分别在20%、5%～10%时则可最大程度减缓老化对其低温抗裂性能的降低幅度.

（4）AC-20、SMA-13中BAA掺量分别在20%、10%时疲劳寿命较高，但对应力比的变化也更加敏感，其他掺量下混合料的抗疲劳性能没有明显差异.

（5）炉渣沥青混合料的耐久性能与BAA的掺量关系显著，且其掺量对长期水稳定性、老化性能及疲劳性能的影响规律不同，对不同类型沥青混合料的影响也存在差异.总体来看，炉渣沥青混合料的耐久性能较普通沥青混合料没有明显降低，为保证其路用性能，建议AC-20、SMA-13中BAA掺量均宜在10%左右.

（6）BAA对沥青混合料性能的影响与其物理组成复杂、孔隙率高、强度低、碱性高等一系列特性有关.对比本文与笔者前期试验结果及其他研究成果发现，不同BAA批次、粒径及掺量对混合料性能的影响不同，这可能是因为BAA的物质构成、化学组成存在一定变异性，这造成炉渣沥青混合料内部微观结构、与沥青的作用机理存在差异，但这尚需微观试验进行验证.

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Durability of Asphalt Mixture Containing Municipal Solid Waste Incineration Bottom Ash Aggregate

LIU Dong，LI Lihan，YANG Kun
（Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Asphalt mixtures containing different dosages，different particle sizes of municipal solid waste incineration bottom ash aggregate（BAA）were designed by Marshall test method.The effect of BAA on Marshall test parameters and pavement performance was analyzed.Durability performance of asphalt mixture containing BAA was also investigated by freeze－thaw cycles splitting test，aging test and fatigue test.The results show that as the dosage of BAA in AC-20 and SMA-13 increases，the designed asphalt content，Marshall stability and flow value increases，high－temperature stability decreases，meanwhile water stability and anti－crack performance at low temperature changes differently.Using BAA instead of 10%（by mass）natural aggregate for AC-20，10%～15%for SMA 13 can both improve splitting strength after 3 freeze－thaw cycles，tensile strength ration and its reduction after aging test.When the dosages of BAA in AC 20 and SMA-13 are respectively 20%and 5%～10%，the mixtures have better anti－crack performance at low temperature after aging and longer fatigue life.Based on the test results，the recommended dosages of BAA in AC-20 and SMA-13 are both 10%.

road engineering；municipal solid waste incineration bottom ash；asphalt mixture；aging test；durability performance

U416.25

A

0253－374X（2016）01－0100－07

10.11908／j.issn.0253－374x.2016.01.015

2015-01-14

刘 栋（1987—），男，博士生，主要研究方向为道路工程结构与材料.E－mail：zbyikun＠163.com

李立寒（1957—），女，教授，博士生导师，主要研究方向为道路工程结构与材料.E－mail：lhli＠tongji.edu.cn