炉渣沥青混合料配合比设计及其性能研究

杨 川，李前林，林实辉

（华邦建投集团股份有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

垃圾是人类日常生活和生产中产生的固体废弃物，由于排出量大，成分复杂多样，且具有污染性、资源性和社会性，需要对其进行无害化、资源化、减量化和社会化处理，如不能妥善处理，就会污染环境、影响环境卫生、浪费资源、破坏生产生活安全。垃圾处理就是要把垃圾迅速清除，并进行无害化处理，最后加以合理的利用。

目前我国垃圾日益增多，垃圾处理压力大，对垃圾处理技术和方法提出了更高的要求。当今广泛应用的垃圾处理方法是卫生填埋、高温堆肥和焚烧。垃圾焚烧后会出现一些残留，这些残留物就是炉渣。炉渣是一种轻质、多孔的材料，与沥青混合料用的天然集料有类似的特征，由于炉渣具有良好的粒径分布，这使得炉渣易被压实到致密状态从而获得具有更高剪切力、低渗透性的道路结构层[1]，具有十分良好的道路工程应用前景。

但目前炉渣在沥青混合料中的应用相对较少。一方面，由于炉渣组成成分复杂，含有烧结熔渣、玻璃、陶瓷、未燃烧物等，也包括一定数量的重金属物质[2]，若不加以妥善处理将对环境造成污染，所以应用垃圾焚烧炉渣之前需要严格检测处理；另一方面，炉渣在沥青混合料中的掺量仍需要进一步探讨。炉渣替代一部分天然集料之后，对于沥青混合料的路用性能的影响也尚不明确。

因此，本文针对不同生活垃圾焚烧炉渣的使用量，通过马歇尔试验进行沥青混合料配合比设计，探究不同炉渣替换比例对马歇尔设计指标的影响；同时开展炉渣对沥青混合料路用性能的影响研究，探究生活垃圾焚烧炉渣在沥青混合料中的适用性，为实际工程应用提供有效的参考依据。

1 试验原材料

本研究中采用的是雷州生活垃圾焚烧发电厂垃圾池的炉渣，其组成成分有烧结熔渣、陶瓷、玻璃、砖石、少量金属及未燃烧物；其中，烧结熔渣和砖石呈圆形，陶瓷和玻璃呈扁平状或针片状。本文选用的炉渣的技术指标如表1所示，其压碎值和磨耗值均超出正常要求范围，因此，当使用炉渣替代沥青混合料的部分骨料时，需要在沥青面层加铺一层磨耗层，以增加其耐磨性能[3]。

表1 焚烧炉渣技术指标性能Tab.1 Technical indexes and performance of incineration slag

本研究沥青混合料使用的集料均为玄武岩，矿粉填料为石灰岩矿粉，玄武岩集料技术性质如表2所示。

表2 玄武岩集料性能Tab.2 Properties of basalt aggregate

本研究中炉渣沥青混合料采用I-D级SBS改性沥青，其技术指标如表3所示。

表3 沥青技术指标性能Tab.3 Properties of asphalt

2 配合比设计

已有研究发现，炉渣只能作为集料的一部分才能满足沥青混合料的要求[4]。因此，本文使用0～9 mm粒径的焚烧炉渣来替代同样粒径范围的部分天然集料，替代的集料比例为0（对照混合料）、5%、10%、15%、20%、30%和40%。本文根据SMA-13改性沥青混合料的级配进行设计，如表4所示。

表4 炉渣沥青混合料的设计级配Tab.4 Design gradation of slag asphalt mixture

按照马歇尔设计方法进行炉渣沥青混合料的配合比设计。

首先将沥青加热至170 ℃，集料加热至185 ℃，所有的模具和工具也预热至压实温度（165 ℃）。使用马歇尔击实仪将试样压实在标准模具中，成型101.6 mm × 63.5 mm的马歇尔试件，上下两面各击实50次。待样品冷却，脱模后测定体积。将脱模试件在60 ℃水浴中浸泡30～40 min，然后放入稳定度仪加载直至破坏，测定沥青混合料的稳定度和流值。马歇尔试验结果如表5所示。

表5 炉渣沥青混合料马歇尔试验结果Tab.5 Marshall test results of slag asphalt mixture

由表5可知，随着炉渣替换比例从0增加到40%，最佳油石比从5.0%增加到11.5%。同时，炉渣沥青混合料的毛体积密度随着替换比例的增加呈下降规律，从2.533下降到1.976。稳定度总体上也呈下降趋势，从19.2 kN下降到8.9 kN，在替换比例不超过20%时，稳定度基本保持恒定，流值保持在28.5～36.5之间，均符合规范要求。当替换比例超过20%时，炉渣沥青混合料的空隙率达到13.2以上，明显超出正常要求，而替换比例为5%和10%的沥青混合料空隙率则分别下降到2.8%和4.5%。矿料间隙率与空隙率的变化趋势大致相同，在5%～40%替换比例范围内，空隙率由15.1%增加到38.9%，替换比例为5%的沥青混合料，其矿料间隙率最低，为15.1%。替换比例不超过15%的生活垃圾焚烧炉渣沥青混合料均符合用作沥青混凝土的一般要求。而替换比例为30%和40%的混合料，其稳定度较差，空隙率和矿料间隙率均高于正常范围。

3 炉渣沥青混合料路用性能分析

3.1 不同炉渣替换量对沥青混合料水稳定性的影响

水损害是目前沥青混凝土路面早期病害中最常见也是破坏力最大的一种病害[5]。水分通过路面空隙或裂缝进入沥青与集料之间的接触界面，由于集料表面对水的吸附作用更加显著，沥青膜易从集料表面剥离，从而产生松散、网裂、坑槽等病害，因此必须重视炉渣沥青混合料的水稳定性。本文根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20—2011），进行了冻融劈裂试验，依据确定的最佳油石比成型炉渣沥青混合料试件，测定了炉渣沥青混合料的间接抗拉强度和冻融劈裂比TSR，具体试验结果如图1和图2所示。图1显示了未进行冻融循环和进行了冻融循环的沥青混合料间接抗拉强度。随着炉渣替换比例的增加，未进行冻融循环和进行了冻融循环的混合料间接抗拉强度变化趋势基本一致。在10%～15%的替换比例范围内，使用炉渣有利于提高混合料的间接抗拉强度，而当替换比例超过20%后，混合料的劈裂抗拉强度逐渐减小。冻融劈裂试验残留强度比（TSR）值如图2所示，在0～10%的范围内，冻融劈裂残留强度比随着替换比例的增加而增加，当炉渣替换比例不超过15%时，炉渣有利于提升沥青混合料的残留强度；而当替换比例超过15%，残留强度比不符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F240—2004）中对于改性沥青残留强度比不小于80%的规定。

图1 间接抗拉强度试验结果Fig.1 Results of indirect tensile strength test

图2 冻融劈裂比试验结果Fig.2 Results of freeze-thaw split ratio test

3.2 不同炉渣替换量对沥青混合料高温稳定性的影响

为了保证路面在高温季节行车荷载反复作用下，不轻易产生车辙、推移、拥包等病害，炉渣沥青混合料应具有一定的高温稳定性。本文通过车辙试验测定炉渣沥青混合料的动稳定度以评价其高温稳定性能，试验结果如图3所示。

图3 车辙试验结果Fig.3 Results of rutting test

实验结果显示，与普通沥青混合料相比，炉渣沥青混合料的动稳定度有所降低，但炉渣沥青混合料的动稳定度均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F240—2004）中SMA-13改性沥青混合料动稳定度大于或等于3 000次·mm-1的规定。随着炉渣替换比例的提升，混合料的动稳定度减小，当替换比例低于15%时，混合料的动稳定度降幅较小；当替换比例从20%增加到40%，混合料的动稳定度下降幅度变大，这是由于焚烧炉渣的压碎值比天然集料大，在受力过程中易破碎，对混合料的骨架结构有一定的削弱，导致其高温稳定性有所下降。因此，为了保证炉渣沥青混合料具有良好的高温稳定性，炉渣的替换比例应不超过15%。

3.3 不同炉渣替换量对沥青混合料低温抗裂性的影响

沥青路面在使用过程中会产生各种各样的病害，其中由于温度降低引起的温缩裂缝是冬季寒冷地区路面的主要破坏方式之一。因此，沥青混合料还需要具有良好的低温抗裂性能。本文通过三点小梁弯曲试验研究炉渣沥青混合料的低温抗裂性能，试验温度为-10℃、加载速度为50 mm/min。试验结果如图4所示。

图4 低温弯曲试验结果Fig.4 Results of low temperature bending test

由图4可知，炉渣沥青混合料试件的低温弯曲应变均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F240—2004）SMA-13改性沥青混合料低温弯曲试验破坏应变大于等于2 500 με的规定。虽然炉渣沥青混合料相较于普通沥青混合料的低温抗裂性能有所降低，但两者差距较小，这表明炉渣对于沥青混合料的低温抗裂性能影响不大。炉渣替换比例在合理范围内，沥青混合料均能表现出良好的低温抗裂性能。

4 结论

（1）当炉渣替换比例增加，沥青混合料的最佳油石比逐渐提高，沥青混合料的毛体积密度和稳定度呈下降趋势，矿料间隙率和空隙率呈先减小后增加的趋势；而炉渣对沥青混合料流值的影响不大，均在合理范围内。

（2）由冻融劈裂试验可知，在0～40%的替换比例范围内，混合料的间接抗拉强度先减小后增大再减小，炉渣替换比例为10%时，间接抗拉强度达到最大；当炉渣替换比例在5%～15%范围内，沥青混合料的残留强度比均有所提升，这表明添加适当的炉渣能够有效提高沥青混合料的水稳定性。而当替换比例超过15%，沥青混合料的残留强度比不满足规范设计要求。

（3）炉渣沥青混合料的动稳定度低于普通沥青混合料，其动稳定度随着炉渣替换比例的增加而减小，当替换比例不超过15%时，混合料的动稳定度降幅较小。而炉渣对于沥青混合料的低温抗裂性能影响不大。

综合本文的试验结果，炉渣可替代部分天然集料应用于沥青混合料中。但为保证炉渣沥青混合料具有良好的路用性能，炉渣的替换比例应不超过15%。