摘 要

探讨了生活垃圾焚烧(MSWI)炉渣粉(BAP)100%(质量分数)替代矿粉配制沥青混合料的可行性及其对沥青混合料性能的影响。进行了炉渣粉沥青混合料的配合比设计，分析了炉渣粉料对各项马歇尔指标以及沥青用量的影响;评价了炉渣粉料对沥青混合料路用性能的影响。结果表明：炉渣粉料的加入会使设计沥青用量增加，沥青混合料的马歇尔稳定度有所提高；炉渣粉料的表面形貌粗糙多孔，提高了沥青混合料的高温稳定性；炉渣粉料替代矿粉后，设计沥青用量的增加和混合料内部嵌挤结构的增强可以改善沥青混合料的低温抗裂性能;炉渣粉料中的SiO2和金属氧化物会导致沥青混合料的水稳定性有略微的降低：沥青对炉渣粉料的浸润更加良好，黏附状况更加理想沥青网sinoasphalt.com。

关键词 道路工程 | 沥青混合料 | 炉渣粉料 | 矿粉 | 路用性能

目前，许多国家把焚烧作为城市生活垃圾处理的首选方案，焚烧过程中产生的炉渣属于一般固体废弃物[1]，经过一定的分选处理后可以进行资源化再利用。根据国内外现有的研究，炉渣集料可以作为粒料层砾石的替代材料应用于道路的基层和底基层[2]。当控制炉渣集料的掺量在合适范围内时，炉渣粉沥青混合料可以表现出良好的性能[3-5]。同时，国内外学者对炉渣集料沥青混合料的配合比设计和路用性能也进行了初步研究，表明炉渣集料的加入会增加设计沥青的用量[6]。若炉渣集料的掺量适当，炉渣沥青混合料的低温抗裂性能和抗水损坏性能都与普通沥青混合料相当，甚至表现出更优越的性能[7-8]。对于高温抗变形能力，不同学者利用不同粒径的炉渣集料得到了不同的性能结果，因此还没有一致的结论[9-12]。

相比之下，国内外对生活垃圾焚烧(MSWI)炉渣粉料(BAP)的研究则非常少见。炉渣粉料是焚烧炉渣经过破碎、筛分、水洗、沉淀等处理过程而得到的性质稳定、粒径分布均匀，以及可以满足资源化利用技术要求的产物[13]。根据现有研究，经过处理后的炉渣粉料呈深灰色并散落成粉状，与天然矿粉极为相似，可以考虑替代矿粉应用于沥青混合料中。本文以SMA-13和AC-20炉渣粉沥青混合料为研究对象，通过配合比设计及路用性能试验对炉渣粉沥青混合料进行评价，并与常规沥青混合料进行对比，为炉渣粉料在沥青混合料中的应用提供参考。

1、试验材料与方案

1.1 原材料

SMA-3混合料采用的是玄武岩集料韩国SK公司生产的ID型SBS改性沥青和海川聚王(沥威)聚醋纤维；AC-20混合料采用的是石灰岩集料和中海70号基质沥青：炉渣粉料为杭州绿能环保发电有限公司生活垃圾焚烧厂产品。集料与沥青的技术指标如表1和表2所示。石灰岩矿粉与炉渣粉料的基本技术指标如表3所示，粒度分布如图1所示由表3中填料的基本物理性能指标对比可知炉渣粉料与石灰岩矿粉的密度很接近，而比表面积更大、亲水系数更小、pH更高，这些特性都有利于增强炉渣粉料与沥青之间的黏结作用，适合作为沥青混合料的填料。结合表3中粒度分析指标与图3粒度分布图可知，炉渣粉料与石灰岩矿粉的d(0.1)和d(0.9)都十分接近，而炉渣粉料的中位径d(0.5)明显更小，体积平均粒径D[4，3]却更大，说明炉渣粉料整体上比石灰岩矿粉的粒径分布更分散，粒径相对较粗，而石灰岩矿粉的粒径分布非常集中，最频粒径的含量也更高。

将石灰岩矿粉与炉渣粉料进行充分研磨并烘干后，采用德国BRURER AXS公司生产的型号为SRS3400*的X射线荧光光谱仪(XRF)测试其化学成分，测试结果如表4所示。该试验可检测的元素范围为08~U92、含量范围为0.001‰~100%，试验实际上测定的是元素的含量，但是测试结果以元素相应氧化物的形式表示。由表4可知石灰岩矿粉中含有Ca、Si、Mg、Al、Fe等元素的氧化物和盐，其中含量最多的是Ca元素，这也验证了它的主要成分为CaCO炉渣粉料的组成复杂，元素种类繁多，主要含有Ca、Si、Al、Fe、Mg、S、P等元素的氧化物和盐,其中含量最多的是Ca、Si元素。

采用美国FEI公司生产的型号为Quanta200的场发射扫描电子显微镜分别对石灰岩矿粉和炉渣粉料在真空环境下的表面形貌进行分析，结果如图2所示。从图2可以看出石灰岩矿粉和炉渣粉料的颗粒分布形态以及微观形貌，石灰岩矿粉和炉渣粉料的颗粒大小、形状、表面光滑程度以及颗粒的聚集状态都是不同的。石灰岩矿粉的颗粒分布相对均匀而平整，颗粒的轮廓清晰，多角形颗粒较多，且带有明显的坚硬棱角。这是由于石灰岩矿粉是由石灰岩石料粉碎磨细得到的，其颗粒大小不等，小颗粒略多且分布集中，这与表3得到的粒度分析结果一致。从高倍放大的图像可以看出，石灰岩矿粉的颗粒表面光洁、平整，而且很致密，几乎不存在孔隙。相比之下，炉渣粉料的颗粒分布大小不一，外形各异，有球状、针状、片状和絮状等各种形状，它们像棉花一样成簇聚集在一起，看上去厚实而蓬松，颗粒的表面要么是像鱼鳞一样形成多片的层次，要么是充满细小的孔隙和通道，这与表3中炉渣粉料比表面积更大的结论一致。

1.2 沥青混合料的配合比设计

SMA-13和AC-20混合料的设计级配曲线如图3所示，试验分别制备常规沥青混合料和炉渣粉沥青混合料，其中炉渣粉料按照质量分数100%替代矿粉。

采用马歇尔试验方法[14]分别对SMA-13和AC-20进行配合比设计，混合料的目标空隙率均为4%(体积分数)，试验结果如表5所示。由表5可知，SMA-13和AC-20炉渣粉沥青混合料均能满足规范对马歇尔试验各项指标的要求。对于设计沥青用量，炉渣粉料SMA-13比常规SMA-13明显增多，而炉渣粉料AC-20却与常规AC-20相差不大，原因是SMA-13的配合比设计中矿粉的用量较大，所以当炉渣粉料完全替代矿粉时，它能够吸附较多的沥青。2种类型的炉渣粉沥青混合料的矿料间隙率和沥青饱和度都高于常规沥青混合料。炉渣粉沥青混合料的马歇尔稳定度普遍高于常规沥青混合料，而流值或接近、或偏小，说明炉渣粉沥青混合料的强度较好，抵抗变形能力更强。

2、炉渣粉料对沥青混合料性能的影响

2.1 高温稳定性

采用车辙试验的动稳定度指标[15]评价炉渣粉沥青混合料的高温稳定性，试验结果如图4所示。由图4可见，2种类型的炉渣粉沥青混合料的动稳定度不仅能够满足相应规范的技术要求(SMA-13混合料不小于3000次·min^-1，AC-20混合料不小于1000次·min^-1)，甚至还比常规沥青混合料更高。其中，SMA-13炉渣粉沥青混合料的动稳定度提高了16.3%，AC-20炉渣粉沥青混合料的动稳定度提高了52.9%，说明当炉渣粉料替代矿粉后，即使沥青混合料中的沥青用量增加，混合料的高温稳定性也能得到很大程度的提高，并且AC-20混合料要比SMA-13混合料表现更加敏感。

2.2 水稳定性

采用冻融劈裂强度比[14]评价炉渣粉沥青混合料的水稳定性，试验结果如图5所示。由图5可知，2种类型的炉渣粉沥青混合料的冻融劈裂强度比均可以满足相应规范的要求(SMA-13混合料不小于80%，AC-20混合料不小于75%)，但较常规沥青混合料有所下降下降的幅度并不大。其中SMA-13炉渣粉混合料的冻融劈裂强度比下降了0.79%，AC-20炉渣粉混合料的冻融劈裂强度比下降了2.6%，说明当炉渣粉料替代矿粉后，并不会严重影响沥青混合料的水稳定性，但AC-20混合料仍然比SMA-13混合料表现敏感。

2.3 低温抗裂性

采用低温弯曲试验[14]评价炉渣粉沥青混合料的低温抗裂性能，试验温度为-10℃，试件为30mm×35mm×250mm的小梁，试验结果如表6所示。由表6可知，2种类型的炉渣粉沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变均大于常规沥青混合料，并且都满足规范对破坏应变的技术要求(冬寒区，SMA-13混合料不小于2800με，AC-20混合料不小于2300με)。其中，SMA-13混合料的破坏应变提高了25.2%，AC-20混合料的破坏应变提高了82.7%。试验结果说明，炉渣粉料替代矿粉后，大幅度增强了混合料在低温下的强度和抗变形能力。对于破坏时的弯曲劲度模量，炉渣粉料SMA-13与矿粉SMA-13相差不大，这是由于混合料内部孔隙发达，应力松弛能力略强，温度应力有所减小，而且混合料的设计沥青用量增加，可以与混合料级配上的缺陷互相抵消，使得低温性能得以改善。对于AC-20，炉渣粉料的加入增强了混合料的嵌挤结构，对低温性能的改善影响较显著。总体来讲，炉渣粉料完全替代矿粉后，可以改善沥青混合料的低温抗裂性能，并且AC-20混合料比SMA-13混合料表现敏感得多。

3、炉渣粉料影响沥青混合料性能的机理分析

3.1 炉渣粉料的化学成分和几何特性

沥青混合料的水稳定性通常与沥青和集料的黏附性有关，而黏附性又在很大程度上取决于集料的化学组成。通过对表4中石灰岩矿粉和炉渣粉料的化学成分分析可知，与主要成分为CaCO3的碱性石灰岩矿粉相比，炉渣粉料中的SiO2和金属氧化物的含量较多，会在一定程度上影响它与沥青之间的黏附性，所以在进行冻融劈裂试验时，沥青就比较容易剥落，造成了第2.2节中炉渣粉沥青混合料水稳定性略差的试验结果。然而，由于填料在沥青混合料中的含量很小，影响程度是有限的，并且由于炉渣粉料的加入使得沥青用量增加，从而增加了沥青膜的厚度，这对沥青混合料的水稳定性是有利的，因此总体上并不会严重降低炉渣粉沥青混合料的水稳定性。

在沥青混合料的组成材料中，矿料性质对沥青混合料高温性能和低温性能的影响是至关重要的。

通过对图2中石灰岩矿粉和炉渣粉料的颗粒几何特性的分析可知，炉渣粉料比矿粉的表面更加粗糙，能够增大沥青混合料的内摩阻角，可以增强混合料内部的嵌挤结构。同时，多片和絮状的结构增大了炉渣粉料的比表面积，便于沥青的黏附，孔隙结构在提高比表面积的同时，也便于沥青的吸附与湿润，并起到微毛细管的作用，增强炉渣粉料颗粒与沥青之间的界面作用力，以上的综合作用有利于增强炉渣粉沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性，得到第2.1节和第2.3节的试验结果。

3.2 炉渣粉料沥青胶浆的微观界面

为了更加直观地观察填料与沥青之间的黏附特性，分别制备了石灰岩矿粉沥青胶浆和炉渣粉料沥青胶浆，并用场发射扫描电子显微镜进行观察(见图6)。从图6可以看出，2种填料沥青之间的浸润状态即黏附形态大不相同，其中图6a中石灰岩矿粉与沥青浸润时的交界界面有些起伏不平的褶皱，沥青在矿粉的周围没有铺展开来，并在黏附时留有空隙，这说明两者浸润并不平滑;相比之下，图6b中沥青在炉渣粉料颗粒周围铺展开来，少有褶皱，沥青也较好地填充了炉渣粉料表面的孔隙，两者界面浸润良好，很难分辨出清晰的界限。实际上，石灰岩矿粉和炉渣粉料各自的物理化学性质决定了它们与沥青交互作用的界面形貌的差异，炉渣粉料的表面更加粗糙、比表面积更大，使得它与沥青之间的接触面积增大，能够提高两者的黏结作用，同时炉渣粉料表面的孔隙发达、碱性强，吸附作用和毛细作用能使沥青渗入到孔隙和裂缝中，提高了结构沥青的含量，增强了黏附作用。因此，当炉渣粉料作为沥青混合料的填料时，能够发挥自身的优势，在整体上使得沥青混合料的路用性能得到了一定程度的改善。

4、结语

炉渣粉料100%(质量分数)替代矿粉后，SMA-13混合料和AC-20混合料的沥青用量均增加，且SMA-13混合料沥青用量的增加大于AC-20混合料，说明炉渣粉料对沥青的吸附能力更强。马歇尔试验结果表明，2种类型的炉渣粉沥青混合料的马歇尔稳定度普遍高于常规沥青混合料，而流值或接近、或偏小，说明炉渣粉沥青混合料的稳定性更好，抵抗变形的能力更强。由于炉渣粉料的表面形貌更加粗糙、多孔，使得炉渣粉料能够在不同程度上提高沥青混合料的高温稳定性。炉渣粉料替代矿粉后，设计沥青用量的增加和混合料内部嵌挤结构的增强可以改善沥青混合料的低温抗裂性能。炉渣粉料中含有较多的SiO2和金属氧化物，导致混合料的水稳定性有所下降，但沥青用量的增加又会平衡此不利因素，因此炉渣粉沥青混合料的水稳定性不会严重降低。通过对炉渣粉料沥青胶浆微观界面的观察发现，沥青对炉渣粉料的浸润更加良好，黏附状况更加理想。

综合分析，炉渣粉沥青混合料的各项马歇尔指标和路用性能指标都满足相应规范的要求，并且在路用性能方面，AC-20混合料表现均比SMA-13混合料更敏感，说明炉渣粉料替代矿粉配制沥青混合料在技术上是可行的，有利于固废再利用。