劉 棟，李立寒，楊 昆（同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

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生活垃圾焚燒爐渣瀝青混合料的耐久性能

劉 棟，李立寒，楊 昆
（同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

采用馬歇爾試驗方法設(shè)計摻加不同質(zhì)量、不同粒徑范圍生活垃圾焚燒爐渣集料（BAA）的爐渣瀝青混合料，分析BAA對馬歇爾試驗參數(shù)及路用性能的影響，并采用凍融循環(huán)劈裂試驗、老化試驗和疲勞試驗研究混合料的耐久性能.研究表明：隨著BAA質(zhì)量分數(shù)增加，AC-20、SMA-13的設(shè)計瀝青摻量、穩(wěn)定度及流值提高，高溫穩(wěn)定性降低，但水穩(wěn)定性能與低溫抗裂性能的變化規(guī)律則不同；BAA替代天然集料的質(zhì)量分數(shù)分別為10%的AC-20和10%～15%的SMA-13經(jīng)3次凍融循環(huán)后，其劈裂強度、凍融劈裂強度比均提高，但老化后凍融劈裂強度比降低幅度較高；AC-20中BAA替代天然集料的質(zhì)量分數(shù)為20%、SMA 13中為5%～10%時可降低老化對低溫抗裂性能的不利影響，混合料疲勞壽命較高.綜合試驗結(jié)果，AC-20、SMA-13中BAA替代天然集料的質(zhì)量分數(shù)均宜在10%左右.

道路工程；生活垃圾焚燒爐渣；瀝青混合料；老化試驗；耐久性能

垃圾焚燒爐渣（簡稱爐渣）是生活垃圾焚燒后的產(chǎn)物，屬于一般固體廢棄物.爐渣經(jīng)處理后可作為替代集料或填料用作土木工程材料，簡稱為爐渣集料（BAA）.國外對BAA在道路工程中的應(yīng)用研究已有數(shù)十年，主要應(yīng)用于瀝青混合料、水泥混凝土、基層及路基工程.在瀝青混合料方面，Ogunro等［1］、Chen等［2］分別采用美國北卡羅來納州、中國臺灣地區(qū)粒徑范圍0～12.5 mm左右的BAA，依據(jù)Superpave方法和馬歇爾試驗方法設(shè)計了爐渣瀝青混合料，BAA摻量（質(zhì)量分數(shù)，下同）每增加10%，瀝青摻量分別增加0.60%和0.86%，且其摻量超過20%后，混合料的馬歇爾試驗參數(shù)不再滿足常規(guī)要求.對于爐渣瀝青混合料力學(xué)與路用性能，Chen等［2］認為BAA降低了其高溫穩(wěn)定性及抗水損害性能；Hassan［3］發(fā)現(xiàn)0～3mm BAA摻量小于15%可提高混合料抗水損害能力，超過20%則將產(chǎn)生不利影響；Hassan等［4］通過爐渣瀝青混合料單軸壓縮試驗研究認為，0～10mm及10～20mm BAA對其高溫穩(wěn)定性能有利，推薦BAA摻量最高可達60%；Goh等［5］進行的動態(tài)抗壓模量試驗結(jié)果則表明，0～12.5mm BAA降低了混合料的動態(tài)模量；文獻［6］采用上海市某垃圾焚燒廠生產(chǎn)的0～9.5mm BAA，按照馬歇爾試驗方法設(shè)計了AC-16瀝青混合料，試驗表明BAA摻量10%左右時混合料的高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能較普通混合料有所提高.綜上，不同地區(qū)、不同粒徑或摻量的BAA對瀝青混合料馬歇爾試驗參數(shù)及路用性能指標的影響可能不同，有必要針對不同地區(qū)、不同批次BAA開展研究.隨著國內(nèi)生活垃圾焚燒廠增多，近年來爐渣在道路工程中的資源化利用研究也逐漸增多，主要將其替代無機結(jié)合料穩(wěn)定材料中的天然集料［7］、填筑路基等［8］，但應(yīng)用于瀝青混合料的相關(guān)研究較少，國內(nèi)外對于爐渣瀝青混合料在水、溫度及荷載作用下長期路用性能的研究報道則更少.

本文采用不同粒徑范圍、不同摻量的BAA替代天然集料，進行AC-20和SMA-13爐渣瀝青混合料的配合比設(shè)計，采用室內(nèi)試驗分析BAA對混合料長期水穩(wěn)定性能、抗老化性能和疲勞性能等耐久性能的影響，為BAA在道路瀝青面層中的資源化應(yīng)用提供參考.

1 試驗原材料與性能測試

BAA：粒徑范圍為0～9.50mm，產(chǎn)自浙江省杭州市某生活垃圾焚燒發(fā)電廠，含有燒結(jié)熔渣、陶瓷、玻璃、磚石、少量金屬及未燃物.陶瓷、玻璃呈扁平狀、針片狀，主要集中在＞4.75mm部分，熔渣主要集中在＜2.36mm部分，掃描電子顯微鏡得到其表面形貌，見圖1，可見其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達.X射線熒光光譜分析得到的BAA化學(xué)成分見表1.BAA通過0.075、0.600、2.360、4.750及9.500mm篩孔的質(zhì)量分數(shù)分別為9.5%、38.7%、63.0%、83.7%及98.3%.篩分除去大于2.36mm部分得到0～2.36 mm BAA.不同粒徑BAA基本性能測試結(jié)果見表2.0～2.36、2.36～4.75、4.75～9.50及0～9.50 mm BAA浸出液的pH值分別為11.7、11.4、11.0 及11.4，可見BAA粒徑越小堿性越高，這與CaO含量較高有關(guān).

圖1 BAA表面微觀形貌Fig.1 Surface micro topography of BAA

表1 BAA的主要化學(xué)成分Tab.1Main chemical composition of BAA %

天然集料：AC 20、SMA 13分別采用石灰?guī)r集料、玄武巖集料，其粒級規(guī)格及基本性能測試結(jié)果見表2.由表2可見，與天然集料相比，BAA的強度與密度較低，而吸水率較高.

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

瀝青：AC-20、SMA-13分別采用中海70號瀝青、韓國SK的I－D型SBS改性瀝青.

纖維：SMA 13采用聚酯纖維.

2 爐渣瀝青混合料配合比設(shè)計及性能檢驗

2.1 配合比設(shè)計

將0～9.50mm BAA分別以0、10%、20%和 30%的摻量替代石灰?guī)r集料制備AC-20瀝青混合料，代號分別為C-0（對照組）、C-10、C-20、C-30；將0～2.36mm BAA分別以0、5%、10%和15%的摻量替代玄武巖集料制備SMA-13瀝青混合料，代號分別為M-0（對照組）、M-5、M-10、M-15.通過調(diào)整礦料配合比使混合料礦料級配分別在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》［9］（JTG F40—2004）（以下簡稱《規(guī)范》）中AC-20和SMA-13設(shè)計級配范圍的中值附近，級配曲線見圖2.SMA 13中纖維用量為0.3%（占礦質(zhì)混合料質(zhì)量）.按照4%空隙率（體積分數(shù)）確定試驗瀝青混合料的設(shè)計瀝青摻量，并檢驗設(shè)計瀝青摻量下的馬歇爾試驗參數(shù)，試驗結(jié)果見表3.由表3可見，BAA提高了混合料的設(shè)計瀝青摻量、馬歇爾穩(wěn)定度和流值，這與采用上海BAA制備的AC-16馬歇爾試驗結(jié)果［6］一致.除C-30的礦料間隙率、瀝青飽和度指標略大于規(guī)范要求外，其余混合料的各項指標均滿足規(guī)范要求.總體來看，在試驗摻量范圍內(nèi)0～2.36mm BAA對SMA-13馬歇爾試驗參數(shù)的影響程度略小于0～9.50mm BAA對AC-20的影響.

圖2 混合料級配曲線Fig.2 Grading curve of mixture

表3 馬歇爾試驗結(jié)果Tab.3 Marshall test results

2.2 性能檢驗

采用表3中設(shè)計瀝青摻量下的各試驗混合料，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》［10］（JTG E20—2011）（以下簡稱《規(guī)程》）中的試驗方法檢驗其路用性能，試驗結(jié)果見表4.

由表4可見，BAA的摻入降低了混合料的動穩(wěn)定度，SMA-13的降低幅度普遍小于AC-20.分析原因：BAA的摻入增加了混合料的瀝青摻量，導(dǎo)致其抗高溫變形能力降低，其中0～2.36mm的BAA在SMA-13中主要起到填充作用，對混合料骨架結(jié)構(gòu)影響較小，＞2.36mm的BAA在AC-20中提供了部分嵌擠力，荷載作用下BAA發(fā)生滑移、破碎的可能性高于天然集料，對混合料抗高溫變形能力的影響較大.

綜合浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比指標來看，SMA-13的水穩(wěn)定性能提高，AC-20則降低.分析原因：0～9.50mm的BAA中陶瓷、玻璃較多，其表面較熔渣、天然集料光滑，與瀝青的黏附性較低；0～2.36mm的BAA以熔渣為主，其表面粗糙、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，與瀝青的接觸面積大于天然集料，與瀝青的黏附性較高，受水損害影響較小.

BAA對AC-20和SMA-13最大彎拉應(yīng)變的影響規(guī)律不同，其摻量10%時AC 20的最大彎拉應(yīng)變最大，SMA-13則最小.分析原因：BAA摻量增加，混合料的瀝青摻量增加、低溫勁度減小，其低溫抗變形能力呈增加趨勢，但AC-20中逐漸增加的陶瓷、玻璃等針片狀顆粒使混合料中的應(yīng)力集中點增多，這增加了混合料發(fā)生斷裂的可能；0～2.36mm的BAA增大了SMA-13的剛度，導(dǎo)致其應(yīng)力松弛能力低于對照組，而隨著SMA-13瀝青摻量增加，應(yīng)力松弛能力則呈增加趨勢，低溫變形能力提高.

C 20的凍融劈裂強度比，C 30的浸水殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比及最大彎拉應(yīng)變均不能滿足規(guī)范要求，SMA 13的配合比設(shè)計檢驗指標均能滿足規(guī)范要求.另外，析漏試驗和飛散試驗結(jié)果表明，爐渣瀝青混合料與普通瀝青混合料沒有顯著區(qū)別，且能滿足規(guī)范要求.上海BAA設(shè)計的AC 16配合比檢驗結(jié)果表明［6］，0～9.50mm的BAA摻量在10%時可增加動穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比，此結(jié)論與本文試驗結(jié)果存在差異.

表4 配合比設(shè)計檢驗結(jié)果Tab.4 Mix design test results

3 耐久性能試驗

3.1 凍融循環(huán)劈裂試驗

按照《規(guī)程》中凍融劈裂試驗方法，將爐渣瀝青混合料試件進行3次凍融循環(huán)后測試劈裂強度，試驗結(jié)果見圖3a.圖3b中同時列出了1次凍融和3次凍融循環(huán)劈裂試驗結(jié)果以及3次凍融循環(huán)劈裂強度比較1次的降低幅度（圖中負值表示提高，后同）.由圖3可見，經(jīng)1次凍融循環(huán)后試件的劈裂強度均降低，經(jīng)3次凍融循環(huán)后大部分試件的劈裂強度進一步降低，但試件C-10、M-10及M-15的劈裂強度則有所增加，這也造成其3次凍融循環(huán)劈裂強度比大于1次凍融循環(huán)劈裂強度比.AC-20中只有C-10試件的1次、3次凍融循環(huán)劈裂強度比均能滿足規(guī)范中大于75%的技術(shù)要求；而SMA-13在試驗BAA摻量范圍內(nèi)，即使經(jīng)過3次凍融循環(huán)，凍融循環(huán)劈裂強度比仍能滿足大于80%的技術(shù)要求.與對照組相比，BAA摻量≥10%時混合料凍融劈裂強度比的降低幅度較小.分析原因：在長時間水環(huán)境下BAA中活性化學(xué)成分自身、及其與瀝青之間可能發(fā)生一系列的物化反應(yīng)，新生物質(zhì)促進了混合料的黏結(jié)力，而這種反應(yīng)需要一定的時間，1個凍融循環(huán)內(nèi)反應(yīng)并不明顯，而3個凍融循環(huán)內(nèi)生成物質(zhì)較多，對混合料黏結(jié)力的提高作用明顯.0～2.36mm BAA中活性物質(zhì)含量較高，BAA摻量較高的SMA-13中生成物質(zhì)較多，而0～9.50mm的BAA活性物質(zhì)較少，在AC-20中的生成物質(zhì)較少，AC-20中BAA摻量較高時其劈裂強度受BAA低強度特性影響較大.

圖3 凍融循環(huán)劈裂試驗結(jié)果Fig.3 Freeze－thaw cycle splitting test results

3.2 長期老化試驗

按照《規(guī)程》中瀝青混合料加速老化試驗方法，對爐渣瀝青混合料試件進行長期老化處理（短期老化＋85℃下5d長期老化），然后進行凍融劈裂試驗，試驗結(jié)果見圖4，圖中同時列出了未老化試件凍融劈裂試驗結(jié)果.由圖4a可見，老化增大了試件的劈裂強度.BAA摻量對AC-20、SMA-13凍融劈裂強度的影響規(guī)律不同.隨著BAA摻量增加，AC 20老化試件的凍融劈裂強度先增大后減小，SMA 13老化試件的凍融劈裂強度則先減小后增大.由圖4b可見，AC-20中除C-0外其余試件老化后凍融循環(huán)劈裂強度比均不能滿足規(guī)范中大于75%的技術(shù)要求；SMA-13中除M-10外其余試件均能滿足規(guī)范中大于80%的技術(shù)要求.AC-20、SMA-13老化后凍融循環(huán)劈裂強度比的降低幅度隨BAA摻量增加均呈上凸拋物線狀，且均在10%時降低幅度最高.分析原因：老化使瀝青硬化、黏度增加，混合料的力學(xué)強度提高；不同粒徑、不同摻量BAA因其化學(xué)活性物質(zhì)含量、力學(xué)強度等方面的不同導(dǎo)致其對AC-20、SMA-13老化作用機理的影響存在差異.

圖4 老化凍融劈裂試驗結(jié)果Fig.4 Freeze－thaw splitting test results of aging mix

將長期老化后的瀝青混合料小梁試件進行低溫彎曲試驗，計算破壞時的抗彎拉強度RB與最大彎拉應(yīng)變εB，同時按照文獻［11］計算彎曲應(yīng)變能密度臨界值J，試驗結(jié)果見圖5.由圖5可見，AC-20、SMA-13的RB、εB及J經(jīng)老化后均降低，這表明老化對于爐渣瀝青混合料的低溫抗裂性能不利.

圖5 老化低溫彎曲試驗結(jié)果Fig.5 Bending test results of aging mix

由圖5a可見，老化前后AC-20中BAA摻量10%左右時RB均最大，超過10%后則減小.未老化SMA-13的RB隨BAA摻量的增加而增大，老化SMA-13中BAA摻量超過5%后RB則減小.2種混合料RB老化后降低幅度隨BAA摻量增加均呈下凹拋物線狀，這表明適量BAA可減緩老化對RB的不利影響.由圖5b可見，AC-20、SMA-13中BAA摻量分別在10%、15%左右時εB最大.除老化C-20、C-30外其余試件的εB均能滿足規(guī)范中大于2 300με的技術(shù)要求.AC-20、SMA-13的εB降低幅度的變化規(guī)律不同，AC 20老化后εB的降低幅度隨BAA摻量增加而增大，SMA-13則呈下凹拋物線狀.由圖5c可見，老化前后AC-20、SMA-13中BAA摻量分別在10%、15%左右時J均最大，此時其低溫抗裂性能最佳.老化后J的降低幅度均呈先降低后增加的趨勢，AC-20、SMA-13中BAA摻量分別在20%、5%～10%左右時可減小老化對其低溫抗裂性能的影響.分析原因：老化瀝青中的瀝青質(zhì)含量增多，黏度提高，但輕質(zhì)油分減少，不利于瀝青和集料的黏附，導(dǎo)致其黏附強度降低，彎拉應(yīng)力作用下混合料開裂的可能性增加；堿性高的BAA與瀝青中高極性物質(zhì)的連接較天然集料緊密，集料表面的結(jié)構(gòu)瀝青性能更好，黏附強度提高，從而可起到減緩瀝青老化的作用.

3.3 疲勞試驗

疲勞試驗采用應(yīng)力控制的間接拉伸試驗方法.旋轉(zhuǎn)壓實成型試件尺寸Φ100mm×63.5mm，采用MTS 810試驗機施加連續(xù)式正弦波形，加載頻率10 Hz，采用0.4，0.5，0.6和0.7這4個應(yīng)力比作為試驗荷載，試驗溫度15℃.疲勞壽命與應(yīng)力比的關(guān)系可采用疲勞方程lg Nf＝a－b（σ／S）進行回歸分析.其中，Nf為瀝青混合料疲勞壽命，次；σ／S為應(yīng)力比；a為回歸系數(shù)，a越大表明試件疲勞曲線線位越高，混合料的疲勞性能越好；b為回歸系數(shù)，b越大表明試件疲勞壽命對應(yīng)力比變化越敏感.

疲勞試驗結(jié)果見圖6，圖中同時列出了試驗混合料的疲勞方程.由圖6可見，隨BAA摻量增加，AC-20、SMA 13疲勞方程的回歸系數(shù)a、b均呈先增加后降低的趨勢，BAA摻量分別在20%、10%時回歸參數(shù)a、b均最大，即此摻量下混合料抗疲勞性能較好，但同時此摻量下混合料對應(yīng)力比的變化更為敏感.M-15的疲勞壽命在試驗應(yīng)力比下比其他SMA-13試件大，且對應(yīng)力比變化更加不敏感，但并不能認為M-15的抗疲勞性能最佳，這是因為本文試驗結(jié)果均為在較大應(yīng)力比下得到的，實際路面材料經(jīng)受的應(yīng)力比可能更小，依據(jù)本文得到的疲勞方程，M-15的疲勞壽命在小應(yīng)力比下可能出現(xiàn)較其他試件減小的趨勢.其他BAA摻量下混合料疲勞方程的回歸系數(shù)a、b與對照組沒有明顯區(qū)別，表明BAA的摻入并不會顯著影響混合料的疲勞性能.前期試驗結(jié)果［6］表明，AC-16混合料中0～9.50mm BAA摻量20%時抗疲勞性能最佳，其余摻量下混合料的疲勞壽命差別并不明顯，這與本文AC-20的試驗結(jié)果相似.

圖6 Nf與σ／S的關(guān)系Fig.6 Relationship between Nfandσ／S

4 結(jié)論

（1）爐渣瀝青混合料的設(shè)計瀝青摻量、馬歇爾穩(wěn)定度和流值大于對照組，高溫穩(wěn)定性降低，SMA 13的水穩(wěn)定性能提高，但AC-20的水穩(wěn)定性能降低，AC-20、SMA-13中BAA摻量分別在10%、30%時其低溫變形能力較高，其中BAA摻量分別≤20%、≤15%時，馬歇爾試驗參數(shù)與路用性能指標均能滿足規(guī)范要求.

（2）AC-20、SMA-13中BAA摻量分別在10%、10%～15%時，3次凍融較1次凍融的劈裂強度、凍融劈裂強度比增大，且均高于對照組瀝青混合料.

（3）AC-20、SMA-13中BAA摻量分別在≤30%、≤10%時，長期老化后凍融劈裂強度比低于對照組，摻量均在10%時老化后凍融劈裂強度比的降低幅度最大.BAA摻量分別在10%、15%左右時長期老化后低溫抗裂性能最佳，摻量分別在20%、5%～10%時則可最大程度減緩老化對其低溫抗裂性能的降低幅度.

（4）AC-20、SMA-13中BAA摻量分別在20%、10%時疲勞壽命較高，但對應(yīng)力比的變化也更加敏感，其他摻量下混合料的抗疲勞性能沒有明顯差異.

（5）爐渣瀝青混合料的耐久性能與BAA的摻量關(guān)系顯著，且其摻量對長期水穩(wěn)定性、老化性能及疲勞性能的影響規(guī)律不同，對不同類型瀝青混合料的影響也存在差異.總體來看，爐渣瀝青混合料的耐久性能較普通瀝青混合料沒有明顯降低，為保證其路用性能，建議AC-20、SMA-13中BAA摻量均宜在10%左右.

（6）BAA對瀝青混合料性能的影響與其物理組成復(fù)雜、孔隙率高、強度低、堿性高等一系列特性有關(guān).對比本文與筆者前期試驗結(jié)果及其他研究成果發(fā)現(xiàn)，不同BAA批次、粒徑及摻量對混合料性能的影響不同，這可能是因為BAA的物質(zhì)構(gòu)成、化學(xué)組成存在一定變異性，這造成爐渣瀝青混合料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)、與瀝青的作用機理存在差異，但這尚需微觀試驗進行驗證.

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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

劉 棟（1987—），男，博士生，主要研究方向為道路工程結(jié)構(gòu)與材料.E－mail：zbyikun＠163.com

李立寒（1957—），女，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為道路工程結(jié)構(gòu)與材料.E－mail：lhli＠#edu.cn