稳定化炉渣对沥青混合料抗裂性能的影响研究

周 青，周建华，康永强，薛永超

(1.华邦建投集团股份有限公司 广州市 510000； 2.东南大学 南京市 210000)

0 引言

炉渣是垃圾高温焚烧后的产物，属于轻质多孔材料[1]。由于炉渣粒径分布良好，且具备较好的力学性能，研究者对其在道路工程中的资源化利用展开了广泛研究[2]。刘栋等人通过马歇尔试验对炉渣沥青混合料的路用性能展开研究，结果表明：炉渣性能波动范围较大，这导致了炉渣沥青混合料路用性能具有较大的离散性[3]。赵曜等人针对炉渣在多孔沥青混合料中的应用展开了研究，结果指出：炉渣在沥青混合料集料中的替代比例存在阈值，当炉渣替换比例为20%左右时，所得炉渣沥青混合料的抗裂性能较好[4]。炉渣在道路工程中的广泛应用存在两个问题亟待解决：

(1)炉渣性能波动范围大，这直接导致所制备的炉渣沥青混合料的性能存在较大波动[2-3]。

(2)由于炉渣的结构疏松多孔，所制炉渣沥青混合料的抗裂性能较差，因此炉渣的实际替换比例较低，限制了炉渣的资源化利用率[4-7]。

采用了一种加速的风化处理方法以对炉渣进行稳定化处理，减小其力学性能的波动范围，并通过低温弯曲试验与Overlay Test试验对所述炉渣稳定化处理的效果进行验证，为实际工程提供参考依据。

1 炉渣的稳定化处理

为提高稳定化处理效果，拓宽炉渣在道路工程中的应用前景，提出了一种炉渣-污泥联合稳定化处理方法，通过加入富含微生物的污泥，提高炉渣中钙盐的碳酸化进程，以达到增强炉渣风化处理效果的目的。所设计的联合稳定化处理池的三维尺寸为0.9m×0.9m×0.1m，柱体中央设有直径10cm的铁丝网导管，侧面设有横向并列的三根直径为20mm的辅助导气管，导气管上均匀排布直径4mm的圆形小孔，以促进空气的流通，反应池下部为滤网和集液池，用以接收下渗的液体，稳定化处理池如图1所示。

图1 联合稳定反应柱

检测联合稳定化处理后炉渣的集料性能，并以玄武岩集料作为对照，检测结果如表1所示。

如表1所示，稳定化处理增加了炉渣颗粒的密实性。炉渣稳定化处理后，其吸水率下降达60.6%，其压碎值也出现显著下降，这说明稳定化处理减少了炉渣内部的多孔结构，新生碳酸钙的填充效果较好。

2 原材料、配合比设计及试验方法

2.1 原材料

(1)改性沥青

采用高温性能较好的高粘改性沥青，其技术性能指标如表2所示。

(2)集料

采用玄武岩作为天然集料，矿粉填料为石灰岩矿粉，玄武岩集料技术性质如表3所示。

2.2 配合比设计

(1)级配组成设计

由于炉渣粒径分布集中于0～4.75mm，结合相关研究，采用稳定化处理后的炉渣替换SMA-13沥青混合料级配中0～4.75mm的集料，并拟定替换比例为0%、10%、20%、30%与40%，所采用的SMA-13级配如表4所示。

(2)最佳油石比确定

为确定最佳油石比，基于表4所示的级配，以油石比间隔0.3%，设置5.9%、6.2%、6.5%三个油石比分别制作马歇尔试件，试验结果如表5所示，得到最佳油石比为6%。

3 试验结果分析

采用三点小梁弯曲试验与Overlay Test试验综合评价稳定化处理对炉渣沥青混合料的影响。

3.1 低温弯曲试验

先采用三点小梁弯曲试验以初步评价炉渣对混合料低温路用性能的影响，设定试验温度为-10℃，试验结果如图2所示。

图2 低温弯曲试验结果

由图2可知，未经稳定化处理的炉渣加入沥青混合料后，其低温性能随炉渣替代比例的提高而明显下降，这是因为未经稳定化处理炉渣的多孔结构特点突出，在外力作用下极易破碎，进而降低混合料的抗裂性能。而稳定化处理可提高炉渣颗粒的密实性，其结构强度得到提高。稳定化处理后，炉渣沥青混合料低温性能随替代比例增加而下降的趋势明显放缓，由图中趋势线可知，当炉渣替代比例为30%左右时，两种沥青混合料低温性能的差距开始显著增大，说明所述的稳定化处理方法可在保证混合料低温性能的基础上，提高炉渣的替代比例，以增加炉渣的回收利用率。

3.2 OT试验

采用OT试验以评价不同炉渣替换比例对沥青混合料抗裂性能的影响，试验方法为：首先，通过旋转压实法成型高100mm、底面直径150mm的圆柱形混合料试件；再采用切割机将试件切割成标准OT试件，如图3所示；最后参照规程通过Overlay Test试验仪对试件性能进行检测，设定加载模式为三角波循环位移控制，单个加载周期为10s，水平拉伸位移峰值设定为0.625mm，试验温度定为15℃。

图3 OT试验试件

结合标准OT试验，对炉渣沥青混合料抗裂性能的影响展开研究，OT试验结果如图4所示。

图4 OT试验结果

由OT试验结果可知，炉渣替代比例越高，沥青混合料形成初始裂缝所需的能量越小，即抗裂性能越差。由图4(a)与图4(b)可发现，随着炉渣替换比例的提高，炉渣沥青混合料的第一周期最大荷载与断裂能出现明显下降。当炉渣替换比例从30%增加至40%时，该下降趋势最为显著，这说明30%炉渣替换比例为关键阈值，实际工程应当谨慎应用炉渣替换比例超过30%的沥青混合料。由于该两种指标表征了混合料初始裂纹萌生时所需要的能量，因此随着炉渣替换比例的增加，沥青混合料的初始裂纹越易萌生，其发生结构性损伤的时机将明显提前。由图4(c)与图4(d)可知，炉渣沥青混合料的加载周期次数与容许破坏次数随炉渣替换比例的增加而趋于下降，当炉渣替换率从30%变化至40%时，容许破坏次数的下降幅度最大，达到33.3%，说明替换比例大于30%时，炉渣沥青混合料不宜用以承受繁重的交通荷载，其对反复荷载作用的抵抗能力较差。结合图4(e)综合分析可得，炉渣的加入在一定程度上降低了沥青混合料初始裂纹萌生的阈值，使得炉渣沥青混合料更易发生开裂病害。

4 结论

基于三点小梁弯曲试验与OT试验，对炉渣的稳定化处理效果展开研究，得到以下主要结论：

(1)基于炉渣内钙盐的碳酸化反应，设计了一种炉渣稳定化处理方法，稳定化处理后炉渣的压碎值、密度、密水性等得到一定提升。

(2)炉渣沥青混合料的低温性能随炉渣替代比例的增加而下降，对于采用稳定化处理炉渣制备的沥青混合料，其低温抗裂性能的下降趋势较未稳定化炉渣相对平缓，即所述稳定化处理有益于提高炉渣沥青混合料的低温抗裂性能。

(3)结合OT试验结果，稳定化处理后的炉渣最大替代比例可达30%，若炉渣替代比例超过30%，炉渣沥青混合料的性能将出现显著下降。