生活垃圾焚烧炉渣在道路工程中的资源化利用

何文政

(中路交科(江苏)检测科技有公司，南京 211899)

我国城市生活垃圾产量剧增，垃圾焚烧已经成为处理生活垃圾的主要方式，这直接导致炉渣数量急遽增加，给炉渣的处置带来了巨大压力。垃圾焚烧炉渣是含有烧结熔渣、玻璃、陶瓷、金属及未燃烧物的混合物[1]，其物理、化学及工程性能与其他工业废渣(如煤渣、钢渣等)存在巨大差异。根据《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485—2014)[2]规定，我国生活垃圾焚烧厂应对炉渣、飞灰采用强制分离收集、贮存、运输的技术处理措施，这为炉渣的收集和资源化利用提供了技术保障。

从生活垃圾焚烧炉渣资源化利用途径看，目前生活垃圾焚烧炉渣主要应用于生产水泥和制砖，此外还在工业生产中用作吸附剂，在农业生产中用作肥料等[3]。相关研究[4-6]表明，炉渣作为一种轻质、多孔的材料，与道路工程用的天然集料有着类似的特征，其用于道路建设中，不仅能够缓解日益严峻的道路建设材料短缺问题，而且还能充分利用废弃资源，减少炉渣废弃产生的土地占用，减少处置费用，缓解炉渣处置压力。本文通过分析炉渣的理化性质、环保性质，研究炉渣在道路路基、基层、面层中资源化利用的室内性能情况和工程应用情况，为炉渣在道路工程的推广应用提供参考。

1 炉渣基本性质

1.1 理化性质

炉渣的矿相组成主要为CaCO3和SiO2，其具有与天然集料类似的矿相组成，化学性质较稳定，耐久性较好。

选取南京某生活垃圾焚烧炉渣处理厂所生产的粒径为0～4.75 mm的炉渣对其进行密度、吸水率、坚固性和亚甲蓝试验，以测试炉渣的基本性质和生产稳定性。相较于天然石灰岩和玄武岩细集料，炉渣的密度相对较小、吸水率较大、坚固性好，同时满足沥青混合料用细集料的亚甲蓝值(不大于25 g/kg)的要求。炉渣基本物理性能如表1所示。

表1 炉渣基本物理性能

1.2 微观形态

为了解炉渣的微观结构，对炉渣进行制样前取样，采用扫描电镜进行分析，炉渣电镜扫描图如图1所示。炉渣类似于海绵状，表面粗糙，呈不规则角状，有大量孔隙，孔隙直径较大，印证了炉渣吸水率大的特点。由图1(b)可知，炉渣部分位置晶体生长良好，主要为针状、棒状和粒状晶体。

(a) 放大500倍形态

1.3 环保性质

根据《固体废物22种金属元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》(HJ 781—2016)[7]对炉渣浸出液进行重金属含量测定，炉渣重金属浸出含量分析如表2所示。测定的6种重金属浸出值均小于国家标准控制要求，说明炉渣对环境造成影响较小，满足国家环保的要求，可以用作道路材料。

表2 炉渣重金属浸出含量分析 (mg/L)

2 炉渣在道路工程中的资源化利用

炉渣的成分、工程特性与天然集料具有较大相似性，结合环保指标的检测结果表明，炉渣的资源化利用是可行的。在道路工程中，集料用料巨大，炉渣作为一种轻质、抗压强度好、性能稳定的材料，若能够用于道路工程，不仅可以消耗大量的炉渣集料，缓解炉渣日渐增加的压力，还可以缓解资源紧缺的状态。

2.1 炉渣在路基中的资源化利用

道路路基工程中，由于路基挖填方量较大、层位较多，所需路基填料量巨大，通过对不同炉渣掺量稳定土进行击实试验和路用性能检测试验，可以研究炉渣稳定土路基的路用性能。

炉渣稳定土击实特性如图2所示。室内击实试验表明，当炉渣掺量不大于30%时，随着炉渣掺量的增加，炉渣稳定土的最大干密度逐渐增加，最佳含水率也逐渐增加，但当炉渣稳定土超过最佳含水率后，最大干密度急剧下降，由此可见炉渣稳定土若含水率过大，对其性能存在较大影响，施工应严格控制炉渣稳定土的含水率。

根据击实试验结果制备炉渣稳定土试件，参照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)[8]进行路用性能试验，炉渣稳定土路用性能试验结果如图3所示。

炉渣稳定土相关指标如表3所示，炉渣综合稳定土路基承载比指标如表4所示。

表4 炉渣综合稳定土路基承载比指标

(a) 含水率与干密度关系

(a) 承载比

表3 炉渣稳定土相关指标

由图3可知，随着炉渣掺量的增加，炉渣稳定土无侧限抗压强度整体呈增大趋势；当炉渣掺量为25%时，炉渣稳定土无侧限抗压强度较大，承载比、回弹模量均满足公路施工技术规范要求，因此，当炉渣掺量为25%时，炉渣稳定土在路基具备较高的抗压强度和承载能力。

2.2 炉渣在基层中的资源化利用

采用炉渣掺量为0%、15%、20%、25%、30%、35%、40%的7种混合料级配，制备炉渣水泥稳定碎石。炉渣水泥稳定碎石级配设计如图4所示。

图4 炉渣水泥稳定碎石级配设计注：图中比例为各档料的质量比，即水泥稳定碎石1号料∶2号料∶炉渣∶4号料。

不同炉渣掺量的炉渣水泥稳定碎石，掺加炉渣的炉渣水泥稳定碎石水稳定性均劣于未掺加炉渣的炉渣水泥稳定碎石，但炉渣掺量为20%左右可保持良好的水稳定效果；随着炉渣掺量的增加，养生7 d、90 d的炉渣水泥稳定碎石劈裂强度降低，仍满足规范要求；随着炉渣掺量的增加，炉渣水泥稳定碎石的温缩系数、干缩系数整体呈上升趋势，在炉渣掺量为25%时达到最优的抗温缩效果。

通过室内无侧限抗压强度试验、劈裂试验、干缩试验和温缩试验等相关试验对炉渣水泥稳定碎石基层进行了相关室内试验研究，炉渣水泥稳定碎石路用性能如图5所示。

综合不同炉渣掺量炉渣水泥稳定碎石无侧限抗压强度、劈裂强度和抗收缩性能试验结果，炉渣掺量为20%～30%时炉渣水泥稳定碎石各项指标均能满足技术要求，能够达到良好的效果。

2.3 炉渣在沥青面层中的资源化利用

以炉渣细集料AC-20沥青混合料为例，将炉渣细集料按0%、10%、15%、20%的质量比例替代石灰岩细集料制备炉渣沥青混合料，对不同炉渣掺量沥青混合料的体积指标、抗水损害性能、抗高温变形性能、抗低温开裂性能进行了试验研究，炉渣沥青混合料级配曲线如图6所示。炉渣沥青混合料体积指标如表5所示。

(a) 无侧限抗压强度

图6 炉渣沥青混合料级配曲线

表5 炉渣沥青混合料体积指标 (%)

由表5可知，炉渣沥青混合料与不掺加炉渣的AC-20沥青混合料相比，炉渣沥青混合料的油石比略增大，增幅约0.2%；随着炉渣掺量的增加，炉渣沥青混合料试件的空隙率逐渐增大，说明随着炉渣掺量的增加，炉渣沥青混合料越来越难压实，为了获得相同的目标空隙率，炉渣掺量越大的炉渣沥青混合料所需要的最佳油石比越大或所需要的压实功越大。

根据配合比设计结果，制备炉渣沥青混合料试件进行路用性能试验，包括冻融劈裂试验、动稳定度试验、低温性能试验。炉渣沥青混合料路用性能如图7所示。炉渣掺量不同，炉渣沥青混合料的抗水损害性能、抗高温变形性能和抗低温开裂性能均不同。炉渣掺量为20%时，炉渣沥青混合料的冻融劈裂强度和最大弯拉应变达到最大值；当炉渣掺量为10%时，炉渣沥青混合料的动稳定度达到最大值，综上，推荐炉渣沥青混合料中炉渣的最佳掺量为20%。

(a) 冻融劈裂强度

结合炉渣在道路工程各结构层的室内试验研究结果，生活垃圾焚烧炉渣应用于道路工程，可以提高路基承载力，减少石灰用量；其应用于水稳基层，炉渣水泥稳定碎石强度和抗裂性能良好；其在沥青面层中替代细集料使用，炉渣沥青混合料水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性能良好。

3 工程应用评价

3.1 应用性能评价

为进一步了解炉渣在道路工程中的应用性能及效果，对炉渣在路基、基层、路面的应用分别进行试验段铺筑。炉渣土试验段依托南京市浦口区雨发生态园园区道路。考虑道路等级和使用层位，在K0+000～K0+150掺加20%炉渣和2%石灰(石灰炉渣土)，在K0+150～K0+300掺加20%炉渣和2%水泥(水泥炉渣土)。施工后对路基弯沉和压实度进行检测。炉渣土的单点弯沉值如图8所示。炉渣土应用后，路基土的压实度约94%，表明炉渣与土结合良好，具有较好的压实性；炉渣土路基单点弯沉值均在100(0.01 mm)以内，表明承载能力良好。

图8 炉渣土的单点弯沉值

炉渣水泥稳定碎石试验段依托南京市浦口区农村公路提档升级工程，以炉渣掺量25%应用于孟家圩防洪通道、晓汊线和江农线3条农村公路试验段，水稳试验段现场所取芯样完整性均较好，芯样表面较为光滑，成型情况良好。

炉渣沥青混合料试验段依托工程南京市浦口区雨发生态园园区道路，以炉渣掺量20%应用于试验段沥青路面下面层，炉渣沥青混合料面层压实度与渗水系数如图9所示。

(a) 压实度

炉渣沥青混合料铺筑效果良好，检测指标均满足规范要求。

3.2 经济效益评价

现阶段，生活垃圾焚烧炉渣在道路工程中主要应用在道路路基中替代黏土、基层中替代石屑、面层中替代细集料。炉渣在道路路基中应用可以减少路基中石灰的掺量，且原设计石灰掺量越高，节约比例越高；炉渣在道路基层中可以全部替代石屑，同时可以减少水泥用量；炉渣在沥青面层中，掺加10%炉渣的沥青混合料与常规沥青混合料的经济性相比，经济效果与之相当，但随着山体开采逐渐严格，石料价格越来越高，炉渣在沥青面层中应用经济效益优势越来越明显。同时，生活垃圾焚烧炉渣的应用也可以减少炉渣的堆置费用等，具有间接经济效益。综上所述，炉渣在道路路基、基层、面层中应用经济效益具有显著优势。

4 结论

炉渣的材料性质与天然集料相当，炉渣重金属含量均小于国标控制要求，对环境造成污染较小。生活垃圾焚烧炉渣可应用于道路工程中，炉渣应用于路基中可以提高路基承载力，减少石灰用量；炉渣应用于水稳基层中，基层强度和抗裂性能良好；炉渣在沥青面层中替代细集料使用，沥青面层水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性能良好。炉渣在道路工程中使用可以减少对自然资源的开采，保护自然环境，同时，充分利用废弃资源，实现了废弃资源的循环利用，具有显著的环境效益和社会效益，实现了公路建设的可持续发展。