垃圾焚烧炉渣沥青混合料的基本性能

2020-08-28李立寒黄崇伟

建筑材料学报 2020年4期

孙瑜, 李立寒, 黄崇伟

(1.上海理工大学管理学院, 上海 200093; 2.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(简称炉渣)是生活垃圾经过焚烧后得到的主要固态产物,经过湿法或干法处理[1]后得到炉渣集料(BAA)和炉渣粉料(BAP),BAA和BAP可以投入资源化再利用[2].BAA的粒径分布比较均匀,具有强度高、坚固性好、吸水率高等特性[3],符合道路建材(骨料、级配碎石或级配砾石等[4-6])的级配要求;BAP外观与天然矿粉相似,其粒径分布与加热安定性均能满足沥青混合料对填料的要求.国内外对BAA在沥青混合料中的应用已有研究：Ogunro等[7]研究发现掺入20%的BAA后混合料的设计沥青用量增加了0.5%;Hassan[8]研究认为对于粒径0～3mm的BAA,15%的掺量是用于沥青面层的最佳掺量,20%的掺量对于沥青基层也有一定适用性;刘栋等[9]研究认为当BAA掺量为10%～20%时,沥青混合料的高温性能和抗压回弹模量均有提高,水稳定性和抗疲劳性能也因沥青用量的增加而提高.目前国内外对BAP的研究较少,根据笔者前期研究[10]发现,BAP的掺入会增加设计沥青用量,提高沥青混合料的马歇尔稳定度,改善其高温稳定性和低温抗裂性.

综上,国内外对于炉渣沥青混合料的研究仍处于初级阶段,尤其对BAP在沥青混合料中应用的研究更是寥寥可数.本文针对沥青混合料的长期水稳定性这一重点问题,采用BAP、BAA替代天然矿料进行AC-13沥青混合料配合比设计,通过冻融循环劈裂试验来评价炉渣沥青混合料的长期水稳定性,并采用单轴贯入试验来探究炉渣沥青混合料的结构强度,为炉渣在道路沥青面层中的资源化利用提供参考.

1)文中涉及的固液比、掺量等均为质量比或质量分数.

1 试验原材料及其性能

1.1 沥青

试验所用的沥青为地中海70#基质沥青,其性能指标根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》测得,见表1.

表1 70#基质沥青的性能指标

1.2 集料

天然集料的中粒径范围0～3mm为石灰岩,其他粒径范围为玄武岩;炉渣集料(BAA)为上海市生活垃圾焚烧厂产品,粒径范围为0～9.5mm.集料的基本性能和筛分结果见表2、3.其中pH值测试方法为：根据JTG E40—2007《公路土工试验规程》中“T 0152—1993易溶盐试验待测液的制备”,称取一定量烘干后的BAA过1.18mm筛,按照固液比1)为1∶5加入蒸馏水,用玻璃棒不断搅拌,形成悬浊液,用滤纸进行过滤,得到澄清的浸出液,将具有温度自动补偿功能的笔式pH计进行校准后,插入浸出液中,待读数稳定后读取pH值.

根据已有的研究成果[9]可知：BAA含有烧结熔渣、陶瓷、玻璃、砖石、少量金属及未燃物；其中,陶瓷、玻璃呈扁平状、针片状,砖石和熔渣则呈方形或圆形；通过扫描电子显微镜观察熔渣表面形貌可知其内部孔隙结构发达.

1.3 填料

所用的填料为天然矿粉和炉渣粉料(BAP),其中天然矿粉为石灰岩矿粉,BAP为上海市生活垃圾焚烧厂产品.填料的基本性能和筛分结果分别见表4、5.值得注意的是,表4中BAP的塑性指数并不符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》对矿粉塑性指数(Ip)小于4%的要求.根据JTG E40—2007规程,Ip=4%是黏土-粉土过渡区的界限,按照塑性图对土的分类,BAP应属于高液限粉土MH,高液限粉土本身具有强度低、稳定性差、抗冲刷能力差、透水性差、易膨胀、不易压实等缺点,因此规范中对矿粉塑性指数做出相应要求,避免矿粉与沥青在水的作用下发生剥离.然而,规范中的要求是针对天然石灰岩矿粉提出的,而且根据BAP沥青混合料的性能试验结果,用BAP替代矿粉制备的沥青混合料的强度以及水稳定性并不差,甚至较对照组沥青混合料有所提高.因此,考虑到天然石灰岩矿粉化学成分的单一性,规范中对填料塑性指数的规定比较狭隘,并不适用于成分如此复杂的BAP.

表2 集料的基本性能

表3 集料的筛分结果

表4 填料的基本性能

表5 填料的筛分结果

根据笔者前期研究[10]可知,BAP的颗粒分布大小不一、外形各异,有球状、针状、片状和絮状等各种形状,这些颗粒像棉花一样成簇聚集在一起,看上去厚实而蓬松,颗粒的表面或像鱼鳞一样形成多片的层次,或充满细小的孔隙和通道.

2 炉渣沥青混合料的配合比设计与路用性能

2.1 配合比设计

试验设计3组沥青混合料,分别为普通沥青混合料(control)、BAP沥青混合料和BAA沥青混合料,3组沥青混合料均为AC-13沥青混合料.参考前期对炉渣的粒径范围和掺量的研究结果[10-11],在本文中BAP沥青混合料采用掺量为100%的BAP替代天然矿粉,BAA沥青混合料采用掺量为20%、粒径0～9.5mm的BAA替代天然集料.BAP和BAA沥青混合料均按照最接近对照组合成级配的原则进行配合比设计,并分别确定最佳油石比,3组沥青混合料的配合比设计结果见表6;合成级配见表7;马歇尔试验结果见表8,表中VV、VMA、VFA、MS、FL分别为空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度、流值;有效沥青膜厚度(d)的计算结果见表9,表中Ps、γf、Pba、Pbe、SA分别表示各种矿料含量(以沥青混合料总质量计)之和、沥青混合料的毛体积相对密度、被矿料吸收的沥青含量(以矿料总质量计)、有效沥青含量(以沥青混合料的总质量计)、集料的比表面积.由表8可知,3组沥青混合料的马歇尔试验结果均满足JTG F40—2004规范的技术要求,BAP与BAA沥青混合料的沥青用量在不同程度上高于对照组,这与现有的研究结论[11]一致.

2.2 路用性能

分别对3组沥青混合料进行车辙试验和低温弯曲试验,得到其动稳定度和最大弯拉应变以检验炉渣沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性,结果见表10.由表10可知,BAA、BAP沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性均满足JTG F40—2004规范要求,且总体性能优于普通沥青混合料.

表6 沥青混合料的配合比设计结果

表7 沥青混合料的合成级配

表8 马歇尔试验结果

表9 沥青混合料有效沥青膜厚度

表10 沥青混合料的动稳定度和最大弯拉应变

3 炉渣沥青混合料的长期水稳定性

试验采用冻融循环来模拟水对沥青混合料的长期损害作用,对3组沥青混合料分别进行0(未冻融)、1、5次冻融循环后的劈裂试验,通过劈裂强度比(TSR)来评价炉渣沥青混合料的长期水稳定性,结果见图1.

由图1(a)可知：经1次冻融循环后，3组沥青混合料的劈裂强度均有所降低,并在5次冻融循环后进一步降低;3组沥青混合料按照劈裂强度的强弱排序为BAA沥青混合料>BAP沥青混合料>普通沥青混合料,说明掺入炉渣后,沥青混合料的力学性能有所提高.

由图1(b)可知：3组沥青混合料经过1次和5次冻融循环后的TSR仍能满足JTG F40—2004规范中TSR≥75%的技术要求；根据TSR可得3组沥青混合料按长期水稳定性强弱排序为BAA沥青混合料>BAP沥青混合料>普通沥青混合料；BAP和BAA的掺入均可有效减小冻融循环对TSR的降低幅度.分析原因：一方面,与天然矿料相比,炉渣的表面更加粗糙多孔、亲水系数更小、碱性更强,这些特性能够增大沥青与矿料之间的接触面积,增强沥青与矿料之间的黏附作用;另一方面,由于炉渣具有疏松多孔的特性,能够吸收更多的沥青,这些孔隙中的沥青在炉渣的表面能够起到一定的“锚固”作用,从而使得炉渣沥青混合料具有更好的水稳定性;而沥青混合料中BAA的用量远大于BAP,因此炉渣对沥青混合料水稳定性的有利影响在BAA沥青混合料中更为显著.

图1 冻融循环劈裂试验结果Fig.1 Freeze-thaw cycles splitting test results

4 结构强度

沥青混合料的结构强度来源于矿料颗粒之间的嵌锁力(内摩阻角)、沥青与矿料之间的黏结力(黏聚力)以及沥青自身的内聚力,且均满足摩尔-库伦理论,因此本文通过单轴贯入试验来计算炉渣沥青混合料的内摩阻角和黏聚力,借此分析炉渣沥青混合料结构强度的形成.

单轴贯入试验试件的成型方法为旋转压实,试件的尺寸为φ100×100mm,试验中压头的尺寸为φ28.5×50mm,试验加载速率为1mm/min,试验温度为60℃.通过单轴贯入试验可得到试件的抗剪强度,再结合无侧限抗压强度试验与库伦公式便可求得沥青混合料的黏聚力和内摩阻角[12].分别对经过0、1、5次冻融循环后的3组沥青混合料进行试验,得到黏聚力和内摩阻角,结果见图2.

图2 单轴贯入试验结果Fig.2 Uniaxial penetration test results

由图2(a)可知：经1次冻融循环后，3组沥青混合料的黏聚力均有所降低,并在5次冻融循环后进一步降低;3组沥青混合料按照黏聚力大小排序为BAP沥青混合料>普通沥青混合料>BAA沥青混合料.这与2.1节中沥青混合料的有效沥青膜厚度(见表9)的排序一致,说明有效沥青膜厚度在很大程度上影响着沥青混合料的黏聚力.

由图2(b)可知,3组沥青混合料按内摩阻角大小排序为BAA沥青混合料>BAP沥青混合料>普通沥青混合料.分析原因：炉渣中含有较多的砖石和熔渣,其表面比天然矿料更加粗糙、疏松多孔,可显著增加炉渣沥青混合料的内摩阻角,同时由于BAA的用量更多、粒径更大,使得BAA沥青混合料拥有最大的内摩阻角.由图2(b)还可知,对同组沥青混合料而言,随着冻融循环次数的增加,BAP沥青混合料和BAA沥青混合料的内摩阻角逐渐增大,而普通沥青混合料的内摩阻角先增大后减小,分析原因：1次冻融循环后,沥青从矿料表面剥落,原有的沥青润滑作用降低,矿料间相互接触,因此内摩阻角增大;5次冻融循环后,普通沥青混合料较松散,水分进入各孔隙,矿料颗粒之间形成水膜,产生的润滑作用导致内摩阻角降低,而炉渣表面更加疏松多孔,且与沥青之间的黏附作用更强,使得水分不易进入各孔隙,因此炉渣沥青混合料的内摩阻角进一步增大.