過(guò)震文，鄭云鵬，胡明君

（1.上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200000；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快和房地產(chǎn)行業(yè)持續(xù)發(fā)展，生活垃圾廢棄物、建筑垃圾廢棄物已經(jīng)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(guó)660 座城市每年產(chǎn)生約1.9 億t生活垃圾。我國(guó)城市生活垃圾的清運(yùn)量以每年8%～10%的速度增長(zhǎng)；在建筑垃圾廢棄物方面，2013年，我國(guó)建筑垃圾產(chǎn)生量約為10 億t，其中拆除建筑產(chǎn)生的建筑垃圾約7.4 億t，建筑施工產(chǎn)生的建筑垃圾約為2.6 億t。目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)生活垃圾廢棄物、建筑廢棄物的資源化利用率已達(dá)到95%以上，但我國(guó)的資源化利用率不足5%。因此，如何進(jìn)行生活垃圾廢棄物、建筑廢棄物的資源化利用已成為當(dāng)下需要急切解決的問(wèn)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(chǎn)物具有占據(jù)空間小、無(wú)毒無(wú)害的特性，在燃燒的同時(shí)還可回收能量進(jìn)行發(fā)電，符合當(dāng)下可持續(xù)發(fā)展理念。對(duì)于土地資源緊張的城市來(lái)說(shuō)，焚燒法是處理城市生活垃圾的最佳選擇。生活垃圾通過(guò)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(chǎn)物，約為80%。焚燒爐渣的安全處理和再利用已成為一個(gè)亟待解決的社會(huì)和環(huán)境問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)焚燒爐渣的研究大多集中在安全處置方面，而對(duì)其進(jìn)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(qiáng)度和硬度，經(jīng)過(guò)篩分、破碎、磁選、分選等工藝處理后，可形成具有連續(xù)級(jí)配和一定力學(xué)強(qiáng)度的焚燒爐渣集料，可替代天然集料應(yīng)用在道路工程中[10-13]。同時(shí)，焚燒爐渣集料在我國(guó)屬于一般固體廢棄物，對(duì)環(huán)境影響相對(duì)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(shù)保障。

然而，爐渣集料的工程特性受生活垃圾來(lái)源、粒徑、熟化期、養(yǎng)生期等因素的影響較大，不同地區(qū)、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(xì)化使用。為此，本文首先分析了不同產(chǎn)地爐渣集料的物質(zhì)組成與基本性能，構(gòu)建了爐渣集料變異性指標(biāo)的表征體系。然后，基于馬歇爾設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了兩種級(jí)配類(lèi)型的爐渣瀝青混合料（AC-13 和SMA-13）。基于車(chē)轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，分析了爐渣集料基本性能變異性對(duì)爐渣瀝青混合料路用性能的影響。

1 試驗(yàn)材料

1.1 瀝青

AC-13 爐渣瀝青混合料采用70#基質(zhì)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(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)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?guī)r集料，粒級(jí)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?guī)r集料和5 ～10 mm、10 ～15 mm 的玄武巖集料。礦粉采用石灰?guī)r礦粉。石灰?guī)r集料、玄武巖集料和礦粉的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2，級(jí)配組成見(jiàn)表3。

表2 天然集料和礦粉的主要性能指標(biāo)

表3 天然集料和礦粉的級(jí)配組成

1.3 爐渣集料

爐渣瀝青混合料中采用無(wú)錫粗渣、無(wú)錫細(xì)渣、南京混合渣和常熟二廠細(xì)渣4 種濕法爐渣集料，各爐渣集料的級(jí)配組成見(jiàn)表4。

表4 爐渣集料的級(jí)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(zhì)量的0.3%。

2 試驗(yàn)方案

根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[16]，測(cè)試無(wú)錫粗渣、無(wú)錫細(xì)渣、南京混合渣和常熟二廠細(xì)渣4 種濕法爐渣集料的表觀相對(duì)密度、含泥量、針片狀含量、壓碎值、pH 值、吸水率、燒失量、細(xì)度模數(shù)等基本性能，計(jì)算各項(xiàng)基本性能的無(wú)量綱參數(shù)變異系數(shù)作為變異性表征指標(biāo)，并確定各項(xiàng)基本性能的合理波動(dòng)區(qū)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(shè)計(jì)方法進(jìn)行爐渣瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)；根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[17]，采用車(chē)轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)爐渣瀝青混合料的高溫性能；采用低溫彎曲試驗(yàn)研究爐渣瀝青混合料的低溫性能；采用凍融劈裂強(qiáng)度研究爐渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性能；最后，采用相關(guān)系數(shù)法評(píng)價(jià)爐渣集料的基本性能對(duì)爐渣瀝青混合料的路用性能的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 爐渣集料基本性能變異性及合理波動(dòng)區(qū)間

爐渣集料基本性能的均值及變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。由表5 可見(jiàn)，爐渣集料的表觀相對(duì)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(gè)基本性能指標(biāo)為含泥量、針片狀含量和吸水率，而壓碎值、pH 值、細(xì)度模數(shù)、表觀相對(duì)密度的變異性相對(duì)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(chǎn)地爐渣集料級(jí)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(duì)爐渣集料的破碎方式的差異和不同產(chǎn)地爐渣集料級(jí)配組成的差異；爐渣集料吸水率的變異性主要源自不同產(chǎn)地爐渣物質(zhì)組成的差異和級(jí)配組成的差異，這也與當(dāng)?shù)氐纳罾?lèi)型具有一定的關(guān)系。

表5 爐渣集料的基本性能均值和變異系數(shù)

假定爐渣集料的各個(gè)基本性能指標(biāo)近似服從正態(tài)分布，總體均值與方差未知，則均值的1-α雙側(cè)置信區(qū)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(qū)間作為爐渣集料基本性能的合理波動(dòng)范圍，如表6所示。

表6 爐渣集料基本性能合理波動(dòng)范圍 %

由表6 可見(jiàn)，爐渣集料不同基本性能指標(biāo)的合理波動(dòng)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(dòng)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(xì)度模數(shù)和表觀相對(duì)密度的合理波動(dòng)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(dòng)，這種基本性能的波動(dòng)正是爐渣集料變異性的體現(xiàn)，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(huì)對(duì)爐渣瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)和路用性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。明確爐渣集料變異性對(duì)瀝青混合料的負(fù)面影響，確定影響瀝青混合料路用性能的爐渣集料關(guān)鍵基本性能指標(biāo)，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(guān)聯(lián)性分析

采用相關(guān)系數(shù)法（式2）評(píng)價(jià)爐渣集料基本性能對(duì)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(guān)系數(shù)絕對(duì)值越接近1，則表示二者的相關(guān)性越大；若相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值越接近0，則表示二者的相關(guān)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(guān)系數(shù)為負(fù)數(shù)，則表示二者為負(fù)相關(guān)；若爐渣集料基本性能與爐渣瀝青混合料路用性能的相關(guān)系數(shù)為正數(shù)，則表示二者為正相關(guān)。

圖1 爐渣集料基本性能與爐渣瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值

式中，r為相關(guān)系數(shù)，xi為第一個(gè)指標(biāo)的值，為第一個(gè)指標(biāo)的平均值，yi為第二個(gè)指標(biāo)的值，為第二個(gè)指標(biāo)的平均值，n為樣本數(shù)。

3.2.1 高溫穩(wěn)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(wěn)定性的關(guān)聯(lián)性分析結(jié)果。由圖1 和表7 可見(jiàn)，影響AC-13 爐渣瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的爐渣集料基本性能指標(biāo)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(wěn)定性與爐渣集料壓碎值呈負(fù)相關(guān)、與爐渣集料針片狀含量呈負(fù)相關(guān)、與爐渣集料pH 值呈正相關(guān)。AC-13 爐渣瀝青混合料高溫穩(wěn)定性與爐渣集料表觀相對(duì)密度、含泥量和吸水率的相關(guān)性較小。影響SMA-13 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的爐渣集料基本性能指標(biāo)為壓碎值、表觀相對(duì)密度、pH 值、吸水率、含泥量和針片狀含量，且均為負(fù)相關(guān)關(guān)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(zhì)組成密切相關(guān)。隨著爐渣集料中玻璃、陶瓷等強(qiáng)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(huì)導(dǎo)致?tīng)t渣集料間的嵌擠作用明顯差于石灰?guī)r集料和玄武巖集料，從而降低了爐渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)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(xì)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(dǎo)致細(xì)渣集料與瀝青膠結(jié)料間產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的交互作用，提高了二者間的界面黏結(jié)力，削弱了瀝青用量較高的負(fù)面影響，也會(huì)對(duì)爐渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生促進(jìn)作用。綜上所述，從保證爐渣瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的角度考慮，應(yīng)采用壓碎值較小、針片狀含量低、pH 值較高的細(xì)渣集料，且應(yīng)控制這些爐渣集料性能指標(biāo)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(wěn)定性關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)性分析結(jié)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(biāo)為含泥量、針片狀含量、pH 值、吸水率和表觀相對(duì)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(duì)密度呈正相關(guān)、與針片狀含量成負(fù)相關(guān)。AC-13 爐渣瀝青混合料高溫穩(wěn)定性與爐渣集料壓碎值的相關(guān)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(biāo)為吸水率、含泥量、表觀相對(duì)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(duì)密度、壓碎值呈正相關(guān)、與針片狀含量呈負(fù)相關(guān)。

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(guān)系數(shù)絕對(duì)值

表8 爐渣基本性能與爐渣瀝青混合料低溫性能關(guān)聯(lián)性分析

爐渣集料的吸水率與爐渣瀝青混合料的設(shè)計(jì)瀝青用量密切相關(guān)。當(dāng)爐渣集料的粒徑和摻量相同時(shí)，爐渣集料的吸水率越高，爐渣瀝青混合料的設(shè)計(jì)瀝青用量越高，爐渣瀝青混合料的低溫變形能力越強(qiáng)，開(kāi)裂現(xiàn)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(shí)爐渣集料的含泥量與pH 值具有較強(qiáng)的正相關(guān)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?？膳c瀝青中的酸性物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，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(jié)合能力越強(qiáng)，爐渣瀝青混合料的低溫性能越好。此外，當(dāng)爐渣集料針片狀含量較高時(shí)，爐渣集料在低溫受拉狀態(tài)下更容易發(fā)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(yīng)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(yīng)控制這些爐渣集料性能指標(biāo)的變異性。

3.2.3 水穩(wěn)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(wěn)定性關(guān)聯(lián)性分析結(jié)果。

圖3 爐渣集料基本性能與爐渣瀝青混合料水穩(wěn)定性的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值

表9 爐渣基本性能與爐渣瀝青混合料水穩(wěn)定性關(guān)聯(lián)性分析

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

爐渣集料中含有較高比例的熔渣，熔渣是一種孔隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)達(dá)的多孔結(jié)構(gòu)材料，瀝青進(jìn)入熔渣孔隙中后，不易被水剝落。同時(shí)，這種具有多孔結(jié)構(gòu)的熔渣的存在會(huì)導(dǎo)致?tīng)t渣瀝青混合料的瀝青用量增加，也會(huì)在一定程度上增加瀝青-集料界面的水穩(wěn)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(zhì)。因此，爐渣集料的含泥量越高，pH 值也會(huì)越高，爐渣集料與瀝青間吸附作用就越強(qiáng)，爐渣瀝青混合料的抗水損能力相應(yīng)也會(huì)增強(qiáng)。此外，當(dāng)爐渣集料的針片狀含量增加時(shí)，爐渣集料與瀝青的界面黏結(jié)效果變差，更容易產(chǎn)生水剝離現(xiàn)象，不利于爐渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性。綜上所述，從保證爐渣瀝青混合料水穩(wěn)定性的角度考慮，應(yīng)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(jìn)行爐渣混合料的配合比設(shè)計(jì)，且應(yīng)控制這些爐渣集料性能指標(biāo)的變異性。

4 結(jié)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(huì)限制爐渣集料在瀝青混合料中的應(yīng)用。爐渣集料的含泥量、針片狀含量和吸水率的變異性相對(duì)較大，而壓碎值、pH 值、細(xì)度模數(shù)和表觀相對(duì)密度的變異性相對(duì)較小。爐渣集料的基本性能可視作服從正態(tài)分布，爐渣集料含泥量的合理波動(dòng)范圍為2.2%～12.6%，爐渣集料針片狀含量的合理波動(dòng)范圍為5.3%～15.9%，爐渣集料吸水率的合理波動(dòng)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(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，提高瀝青與爐渣集料間的黏附性能，進(jìn)而有助于提高爐渣瀝青混合料的水穩(wěn)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(guān)鍵性能指標(biāo)，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(guān)鍵性能指標(biāo)，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(wěn)定性的關(guān)鍵性能指標(biāo)。為了確保爐渣瀝青混合料的路用性能，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注爐渣集料的這些關(guān)鍵性能指標(biāo)，并控制其變異性。

d）當(dāng)將爐渣集料應(yīng)用在瀝青路面中時(shí)，應(yīng)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(biāo)變異性較小。