生活垃圾焚烧炉渣集料变异性及其对沥青混合料性能影响

过震文，郑云鹏，胡明君

（1.上海市市政规划设计研究院有限公司，上海 200000；2.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

随着我国城市化进程不断加快和房地产行业持续发展，生活垃圾废弃物、建筑垃圾废弃物已经成为城市两大主要废弃物[1-3]。在生活垃圾废弃物方面，我国660 座城市每年产生约1.9 亿t生活垃圾。我国城市生活垃圾的清运量以每年8%～10%的速度增长；在建筑垃圾废弃物方面，2013年，我国建筑垃圾产生量约为10 亿t，其中拆除建筑产生的建筑垃圾约7.4 亿t，建筑施工产生的建筑垃圾约为2.6 亿t。目前，国外发达国家对生活垃圾废弃物、建筑废弃物的资源化利用率已达到95%以上，但我国的资源化利用率不足5%。因此，如何进行生活垃圾废弃物、建筑废弃物的资源化利用已成为当下需要急切解决的问题。

焚烧法[4-5]是一种利用高温焚烧炉（900 ～1 000 ℃）处理城市生活垃圾的手段，其燃烧产物具有占据空间小、无毒无害的特性，在燃烧的同时还可回收能量进行发电，符合当下可持续发展理念。对于土地资源紧张的城市来说，焚烧法是处理城市生活垃圾的最佳选择。生活垃圾通过焚烧法主要生成两种固体废弃物——焚烧炉渣和飞灰[6]。其中，焚烧炉渣是占比最大的副产物，约为80%。焚烧炉渣的安全处理和再利用已成为一个亟待解决的社会和环境问题。目前国内外对焚烧炉渣的研究大多集中在安全处置方面，而对其进行资源化利用的研究并不充分[7-9]。

生活垃圾焚烧炉渣具有一定的强度和硬度，经过筛分、破碎、磁选、分选等工艺处理后，可形成具有连续级配和一定力学强度的焚烧炉渣集料，可替代天然集料应用在道路工程中[10-13]。同时，焚烧炉渣集料在我国属于一般固体废弃物，对环境影响相对较小，这也为其在道路工程中的资源化利用提供了一定的技术保障。

然而，炉渣集料的工程特性受生活垃圾来源、粒径、熟化期、养生期等因素的影响较大，不同地区、不同送样批次炉渣集料的工程特性变异程度较大[14-15]，这明显制约着炉渣集料在道路工程中的精细化使用。为此，本文首先分析了不同产地炉渣集料的物质组成与基本性能，构建了炉渣集料变异性指标的表征体系。然后，基于马歇尔设计方法，设计了两种级配类型的炉渣沥青混合料（AC-13 和SMA-13）。基于车辙试验、小梁弯曲试验和冻融劈裂试验，分析了炉渣集料基本性能变异性对炉渣沥青混合料路用性能的影响。

1 试验材料

1.1 沥青

AC-13 炉渣沥青混合料采用70#基质沥青，SMA-13 炉渣沥青混合料采用I-D 型的SBS 改性沥青，二者的主要技术指标见表1。

表1 沥青主要技术指标测试结果

1.2 天然集料和矿粉

AC-13 炉渣沥青混合料采用3 档石灰岩集料，粒级分别为0 ～3 mm、3 ～5 mm、5 ～15 mm，SMA-13 炉渣沥青混合料采用0 ～3 mm 石灰岩集料和5 ～10 mm、10 ～15 mm 的玄武岩集料。矿粉采用石灰岩矿粉。石灰岩集料、玄武岩集料和矿粉的主要技术指标见表2，级配组成见表3。

表2 天然集料和矿粉的主要性能指标

表3 天然集料和矿粉的级配组成

1.3 炉渣集料

炉渣沥青混合料中采用无锡粗渣、无锡细渣、南京混合渣和常熟二厂细渣4 种湿法炉渣集料，各炉渣集料的级配组成见表4。

表4 炉渣集料的级配组成

1.4 纤维

SMA-13 沥青混合料采用聚酯纤维，掺量为沥青混合料总质量的0.3%。

2 试验方案

根据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》[16]，测试无锡粗渣、无锡细渣、南京混合渣和常熟二厂细渣4 种湿法炉渣集料的表观相对密度、含泥量、针片状含量、压碎值、pH 值、吸水率、烧失量、细度模数等基本性能，计算各项基本性能的无量纲参数变异系数作为变异性表征指标，并确定各项基本性能的合理波动区间；制作20%炉渣掺量的AC-13 沥青混合料试件与15%炉渣掺量的SMA-13 沥青混合料试件，采用马歇尔设计方法进行炉渣沥青混合料的配合比设计；根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[17]，采用车辙试验评价炉渣沥青混合料的高温性能；采用低温弯曲试验研究炉渣沥青混合料的低温性能；采用冻融劈裂强度研究炉渣沥青混合料的水稳定性能；最后，采用相关系数法评价炉渣集料的基本性能对炉渣沥青混合料的路用性能的影响。

3 试验结果与讨论

3.1 炉渣集料基本性能变异性及合理波动区间

炉渣集料基本性能的均值及变异系数统计结果如表5所示。由表5 可见，炉渣集料的表观相对密度一般小于天然集料，吸水率和压碎值一般高于天然集料。炉渣集料的含泥量均值为7.4%，针片状含量均值为10.62%。炉渣集料呈碱性，pH 值均值为9.7。炉渣集料变异性最大的三个基本性能指标为含泥量、针片状含量和吸水率，而压碎值、pH 值、细度模数、表观相对密度的变异性相对较小。究其原因，炉渣集料含泥量的变异性主要源自不同生活垃圾焚烧厂的处理工艺的差异和不同产地炉渣集料级配组成的差异；炉渣集料针片状含量的变异性主要源自不同生活垃圾焚烧厂对炉渣集料的破碎方式的差异和不同产地炉渣集料级配组成的差异；炉渣集料吸水率的变异性主要源自不同产地炉渣物质组成的差异和级配组成的差异，这也与当地的生活垃圾类型具有一定的关系。

表5 炉渣集料的基本性能均值和变异系数

假定炉渣集料的各个基本性能指标近似服从正态分布，总体均值与方差未知，则均值的1-α双侧置信区间上下限如式（1）所示。本文置信水平均取为95%，所得到的置信区间作为炉渣集料基本性能的合理波动范围，如表6所示。

表6 炉渣集料基本性能合理波动范围 %

由表6 可见，炉渣集料不同基本性能指标的合理波动范围存在较大差异。炉渣集料的含泥量、针片状含量、吸水率、烧失量和压碎值的合理波动范围较大，分别为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%。炉渣集料的pH 值、细度模数和表观相对密度的合理波动范围较小，分别为8.6 ～10.8、2.6 ～3.0 和2.4 ～2.5。以上分析表明，炉渣集料基本性能存在较明显的波动，这种基本性能的波动正是炉渣集料变异性的体现，这也是炉渣集料不同于天然集料的部分。炉渣集料基本性能的变异性会对炉渣沥青混合料的配合比设计和路用性能产生一定的负面影响。明确炉渣集料变异性对沥青混合料的负面影响，确定影响沥青混合料路用性能的炉渣集料关键基本性能指标，并减小其变异性，有助于保证炉渣沥青混合料的服役性能和耐久性能。

3.2 炉渣沥青混合料路用性能与炉渣集料基本性能关联性分析

采用相关系数法（式2）评价炉渣集料基本性能对炉渣沥青混合料路用性能的影响。若炉渣集料基本性能与炉渣沥青混合料路用性能的相关系数绝对值越接近1，则表示二者的相关性越大；若相关系数绝对值越接近0，则表示二者的相关性越小。若炉渣集料基本性能与炉渣沥青混合料路用性能的相关系数为负数，则表示二者为负相关；若炉渣集料基本性能与炉渣沥青混合料路用性能的相关系数为正数，则表示二者为正相关。

图1 炉渣集料基本性能与炉渣沥青混合料高温稳定性的相关系数绝对值

式中，r为相关系数，xi为第一个指标的值，为第一个指标的平均值，yi为第二个指标的值，为第二个指标的平均值，n为样本数。

3.2.1 高温稳定性

图1 和表7 为炉渣集料基本性能与炉渣沥青混合料高温稳定性的关联性分析结果。由图1 和表7 可见，影响AC-13 炉渣沥青混合料高温稳定性的炉渣集料基本性能指标为压碎值、针片状含量和pH 值。其中，AC-13 炉渣沥青混合料高温稳定性与炉渣集料压碎值呈负相关、与炉渣集料针片状含量呈负相关、与炉渣集料pH 值呈正相关。AC-13 炉渣沥青混合料高温稳定性与炉渣集料表观相对密度、含泥量和吸水率的相关性较小。影响SMA-13 沥青混合料高温稳定性的炉渣集料基本性能指标为压碎值、表观相对密度、pH 值、吸水率、含泥量和针片状含量，且均为负相关关系。

炉渣集料是由玻璃、陶瓷、熔渣、砖石、金属等成分组成的混合材料。炉渣集料的压碎值、针片状含量、吸水率等基本性能与炉渣集料的物质组成密切相关。随着炉渣集料中玻璃、陶瓷等强度较低的成分含量的增加，炉渣集料的压碎值、针片状含量也随之增大，且明显高于天然集料的压碎值和针片状含量。这会导致炉渣集料间的嵌挤作用明显差于石灰岩集料和玄武岩集料，从而降低了炉渣沥青混合料的高温稳定性能。炉渣集料中的熔渣组分呈明显的碱性，且主要分布在细渣集料中。熔渣组分的碳酸盐含量高，并且具有较高的pH 值，可以导致细渣集料与沥青胶结料间产生较为强烈的交互作用，提高了二者间的界面黏结力，削弱了沥青用量较高的负面影响，也会对炉渣沥青混合料的高温稳定性产生促进作用。综上所述，从保证炉渣沥青混合料高温稳定性的角度考虑，应采用压碎值较小、针片状含量低、pH 值较高的细渣集料，且应控制这些炉渣集料性能指标的变异性。

表7 炉渣集料基本性能与炉渣沥青混合料高温稳定性关联性分析

3.2.2 低温性能

图2 和表8 为炉渣集料基本性能与炉渣沥青混合料低温性能的关联性分析结果。由图2 和表8所示，影响AC-13 炉渣沥青混合料低温性能的炉渣集料基本性能指标为含泥量、针片状含量、pH 值、吸水率和表观相对密度。其中，AC-13炉渣沥青混合料低温性能与吸水率、pH 值、含泥量和表观相对密度呈正相关、与针片状含量成负相关。AC-13 炉渣沥青混合料高温稳定性与炉渣集料压碎值的相关性较小。影响SMA-13 炉渣沥青混合料低温性能的炉渣集料基本性能指标为吸水率、含泥量、表观相对密度、压碎值和针片状含量。其中，SMA-13 炉渣沥青混合料的低温性能与吸水率、含泥量、表观相对密度、压碎值呈正相关、与针片状含量呈负相关。

图2 炉渣集料基本性能与炉渣沥青混合料低温性能的相关系数绝对值

表8 炉渣基本性能与炉渣沥青混合料低温性能关联性分析

炉渣集料的吸水率与炉渣沥青混合料的设计沥青用量密切相关。当炉渣集料的粒径和掺量相同时，炉渣集料的吸水率越高，炉渣沥青混合料的设计沥青用量越高，炉渣沥青混合料的低温变形能力越强，开裂现象明显减少。炉渣集料的含泥量为粒径小于0.075 mm 的粉料含量。由于炉渣集料浸出液呈明显的碱性，同时炉渣集料的含泥量与pH 值具有较强的正相关性，可以得知，炉渣集料中的泥分为碱性小颗粒。这部分碱性小颗粒可与沥青中的酸性物质产生化学反应，有助于提高炉渣集料与沥青间的交互作用。因此，炉渣集料的含泥量越高，pH 值越高，炉渣集料与沥青间的结合能力越强，炉渣沥青混合料的低温性能越好。此外，当炉渣集料针片状含量较高时，炉渣集料在低温受拉状态下更容易发生断裂，不利于炉渣沥青混合料的低温性能。综上所述，从保证炉渣沥青混合料低温性能的角度考虑，应采用吸水率较高、pH 值较高、针片状含量较小的炉渣集料，且应控制这些炉渣集料性能指标的变异性。

3.2.3 水稳定性

图3 和表9 为为炉渣集料基本性能与炉渣沥青混合料水稳定性关联性分析结果。

图3 炉渣集料基本性能与炉渣沥青混合料水稳定性的相关系数绝对值

表9 炉渣基本性能与炉渣沥青混合料水稳定性关联性分析

由图3 和表9 可见，影响AC-13 炉渣沥青混合料水稳定性的炉渣集料基本性能指标为含泥量、针片状含量、pH 值和吸水率。其中，AC-13炉渣沥青混合料水稳定性与炉渣集料含泥量、pH 值和吸水率呈正相关、与炉渣集料针片状含量呈负相关。AC-13 炉渣沥青混合料水稳定性与表观相对密度、压碎值的相关性相对较小。影响SMA-13 炉渣沥青混合料水稳定性的炉渣集料基本性能指标为含泥量、针片状含量、pH 值和吸水率。其中，SMA-13 炉渣沥青混合料水稳定性与炉渣集料含泥量、pH 值和吸水率呈正相关、与炉渣集料针片状含量呈负相关。SMA-13 炉渣沥青混合料水稳定性与表观相对密度、压碎值的相关性相对较小。

炉渣集料中含有较高比例的熔渣，熔渣是一种孔隙结构较为发达的多孔结构材料，沥青进入熔渣孔隙中后，不易被水剥落。同时，这种具有多孔结构的熔渣的存在会导致炉渣沥青混合料的沥青用量增加，也会在一定程度上增加沥青-集料界面的水稳定性。前述分析表明，炉渣集料中粒径小于0.075 mm 的部分与天然集料存在明显的差异，炉渣集料的这部分主要为碱性微小颗粒，主要为碳酸盐和高碱性物质。因此，炉渣集料的含泥量越高，pH 值也会越高，炉渣集料与沥青间吸附作用就越强，炉渣沥青混合料的抗水损能力相应也会增强。此外，当炉渣集料的针片状含量增加时，炉渣集料与沥青的界面黏结效果变差，更容易产生水剥离现象，不利于炉渣沥青混合料的水稳定性。综上所述，从保证炉渣沥青混合料水稳定性的角度考虑，应采用pH 值较高、碱性含泥量较高、针片状含量较低的炉渣集料进行炉渣混合料的配合比设计，且应控制这些炉渣集料性能指标的变异性。

4 结论

a）与天然集料相比，炉渣集料的基本性能存在较为明显的变异性，这种变异性会限制炉渣集料在沥青混合料中的应用。炉渣集料的含泥量、针片状含量和吸水率的变异性相对较大，而压碎值、pH 值、细度模数和表观相对密度的变异性相对较小。炉渣集料的基本性能可视作服从正态分布，炉渣集料含泥量的合理波动范围为2.2%～12.6%，炉渣集料针片状含量的合理波动范围为5.3%～15.9%，炉渣集料吸水率的合理波动范围为2.3%～6.6%；

b）炉渣集料中粒径小于0.075 mm 的泥主要为碱性微小颗粒，可与沥青中酸性物质产生反应，提高沥青与炉渣集料间的黏附性能，进而有助于提高炉渣沥青混合料的水稳定性和低温性能；

c）炉渣集料的压碎值、针片状含量和pH 值是保证炉渣沥青混合料的高温性能的关键性能指标，炉渣集料的吸水率、含泥量、针片状含量是保证炉渣沥青混合料的低温性能的关键性能指标，炉渣集料的含泥量、针片状含量、pH 值和吸水率是保证炉渣沥青混合料水稳定性的关键性能指标。为了确保炉渣沥青混合料的路用性能，应重点关注炉渣集料的这些关键性能指标，并控制其变异性。

d）当将炉渣集料应用在沥青路面中时，应选择压碎值小、针片状含量低、含泥量高、pH值高和吸水率高的炉渣集料，并保证炉渣集料基本性能指标变异性较小。