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垃圾焚燒爐渣粉替代礦粉對瀝青混合料性能的影響
2023年07月20日    閱讀量:45632    新聞來源:孫瑜 等《同濟大學學報( 自然科學版)》  |  投稿

摘 要

探討了生活垃圾焚燒(MSWI)爐渣粉(BAP)100%(質量分數)替代礦粉配制瀝青混合料的可行性及其對瀝青混合料性能的影響。進行了爐渣粉瀝青混合料的配合比設計,分析了爐渣粉料對各項馬歇爾指標以及瀝青用量的影響;評價了爐渣粉料對瀝青混合料路用性能的影響。結果表明:爐渣粉料的加入會使設計瀝青用量增加,瀝青混合料的馬歇爾穩定度有所提高;爐渣粉料的表面形貌粗糙多孔,提高了瀝青混合料的高溫穩定性;爐渣粉料替代礦粉后,設計瀝青用量的增加和混合料內部嵌擠結構的增強可以改善瀝青混合料的低溫抗裂性能;爐渣粉料中的SiO2和金屬氧化物會導致瀝青混合料的水穩定性有略微的降低:瀝青對爐渣粉料的浸潤更加良好,黏附狀況更加理想瀝青網sinoasphalt.com。


關鍵詞 道路工程 | 瀝青混合料 | 爐渣粉料 | 礦粉 | 路用性能


目前,許多國家把焚燒作為城市生活垃圾處理的首選方案,焚燒過程中產生的爐渣屬于一般固體廢棄物[1],經過一定的分選處理后可以進行資源化再利用。根據國內外現有的研究,爐渣集料可以作為粒料層礫石的替代材料應用于道路的基層和底基層[2]。當控制爐渣集料的摻量在合適范圍內時,爐渣粉瀝青混合料可以表現出良好的性能[3-5]。同時,國內外學者對爐渣集料瀝青混合料的配合比設計和路用性能也進行了初步研究,表明爐渣集料的加入會增加設計瀝青的用量[6]。若爐渣集料的摻量適當,爐渣瀝青混合料的低溫抗裂性能和抗水損壞性能都與普通瀝青混合料相當,甚至表現出更優越的性能[7-8]。對于高溫抗變形能力,不同學者利用不同粒徑的爐渣集料得到了不同的性能結果,因此還沒有一致的結論[9-12]。


相比之下,國內外對生活垃圾焚燒(MSWI)爐渣粉料(BAP)的研究則非常少見。爐渣粉料是焚燒爐渣經過破碎、篩分、水洗、沉淀等處理過程而得到的性質穩定、粒徑分布均勻,以及可以滿足資源化利用技術要求的產物[13]。根據現有研究,經過處理后的爐渣粉料呈深灰色并散落成粉狀,與天然礦粉極為相似,可以考慮替代礦粉應用于瀝青混合料中。本文以SMA-13和AC-20爐渣粉瀝青混合料為研究對象,通過配合比設計及路用性能試驗對爐渣粉瀝青混合料進行評價,并與常規瀝青混合料進行對比,為爐渣粉料在瀝青混合料中的應用提供參考。


1、試驗材料與方案


1.1 原材料


SMA-3混合料采用的是玄武巖集料韓國SK公司生產的ID型SBS改性瀝青和海川聚王(瀝威)聚醋纖維;AC-20混合料采用的是石灰巖集料和中海70號基質瀝青:爐渣粉料為杭州綠能環保發電有限公司生活垃圾焚燒廠產品。集料與瀝青的技術指標如表1和表2所示。石灰巖礦粉與爐渣粉料的基本技術指標如表3所示,粒度分布如圖1所示由表3中填料的基本物理性能指標對比可知爐渣粉料與石灰巖礦粉的密度很接近,而比表面積更大、親水系數更小、pH更高,這些特性都有利于增強爐渣粉料與瀝青之間的黏結作用,適合作為瀝青混合料的填料。結合表3中粒度分析指標與圖3粒度分布圖可知,爐渣粉料與石灰巖礦粉的d(0.1)和d(0.9)都十分接近,而爐渣粉料的中位徑d(0.5)明顯更小,體積平均粒徑D[4,3]卻更大,說明爐渣粉料整體上比石灰巖礦粉的粒徑分布更分散,粒徑相對較粗,而石灰巖礦粉的粒徑分布非常集中,最頻粒徑的含量也更高。

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將石灰巖礦粉與爐渣粉料進行充分研磨并烘干后,采用德國BRURER AXS公司生產的型號為SRS3400*的X射線熒光光譜儀(XRF)測試其化學成分,測試結果如表4所示。該試驗可檢測的元素范圍為08~U92、含量范圍為0.001‰~100%,試驗實際上測定的是元素的含量,但是測試結果以元素相應氧化物的形式表示。由表4可知石灰巖礦粉中含有Ca、Si、Mg、Al、Fe等元素的氧化物和鹽,其中含量最多的是Ca元素,這也驗證了它的主要成分為CaCO爐渣粉料的組成復雜,元素種類繁多,主要含有Ca、Si、Al、Fe、Mg、S、P等元素的氧化物和鹽,其中含量最多的是Ca、Si元素。

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采用美國FEI公司生產的型號為Quanta200的場發射掃描電子顯微鏡分別對石灰巖礦粉和爐渣粉料在真空環境下的表面形貌進行分析,結果如圖2所示。從圖2可以看出石灰巖礦粉和爐渣粉料的顆粒分布形態以及微觀形貌,石灰巖礦粉和爐渣粉料的顆粒大小、形狀、表面光滑程度以及顆粒的聚集狀態都是不同的。石灰巖礦粉的顆粒分布相對均勻而平整,顆粒的輪廓清晰,多角形顆粒較多,且帶有明顯的堅硬棱角。這是由于石灰巖礦粉是由石灰巖石料粉碎磨細得到的,其顆粒大小不等,小顆粒略多且分布集中,這與表3得到的粒度分析結果一致。從高倍放大的圖像可以看出,石灰巖礦粉的顆粒表面光潔、平整,而且很致密,幾乎不存在孔隙。相比之下,爐渣粉料的顆粒分布大小不一,外形各異,有球狀、針狀、片狀和絮狀等各種形狀,它們像棉花一樣成簇聚集在一起,看上去厚實而蓬松,顆粒的表面要么是像魚鱗一樣形成多片的層次,要么是充滿細小的孔隙和通道,這與表3中爐渣粉料比表面積更大的結論一致。

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1.2 瀝青混合料的配合比設計


SMA-13和AC-20混合料的設計級配曲線如圖3所示,試驗分別制備常規瀝青混合料和爐渣粉瀝青混合料,其中爐渣粉料按照質量分數100%替代礦粉。

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采用馬歇爾試驗方法[14]分別對SMA-13和AC-20進行配合比設計,混合料的目標空隙率均為4%(體積分數),試驗結果如表5所示。由表5可知,SMA-13和AC-20爐渣粉瀝青混合料均能滿足規范對馬歇爾試驗各項指標的要求。對于設計瀝青用量,爐渣粉料SMA-13比常規SMA-13明顯增多,而爐渣粉料AC-20卻與常規AC-20相差不大,原因是SMA-13的配合比設計中礦粉的用量較大,所以當爐渣粉料完全替代礦粉時,它能夠吸附較多的瀝青。2種類型的爐渣粉瀝青混合料的礦料間隙率和瀝青飽和度都高于常規瀝青混合料。爐渣粉瀝青混合料的馬歇爾穩定度普遍高于常規瀝青混合料,而流值或接近、或偏小,說明爐渣粉瀝青混合料的強度較好,抵抗變形能力更強。

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2、爐渣粉料對瀝青混合料性能的影響


2.1 高溫穩定性


采用車轍試驗的動穩定度指標[15]評價爐渣粉瀝青混合料的高溫穩定性,試驗結果如圖4所示。由圖4可見,2種類型的爐渣粉瀝青混合料的動穩定度不僅能夠滿足相應規范的技術要求(SMA-13混合料不小于3000次·min^-1,AC-20混合料不小于1000次·min^-1),甚至還比常規瀝青混合料更高。其中,SMA-13爐渣粉瀝青混合料的動穩定度提高了16.3%,AC-20爐渣粉瀝青混合料的動穩定度提高了52.9%,說明當爐渣粉料替代礦粉后,即使瀝青混合料中的瀝青用量增加,混合料的高溫穩定性也能得到很大程度的提高,并且AC-20混合料要比SMA-13混合料表現更加敏感。

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2.2 水穩定性


采用凍融劈裂強度比[14]評價爐渣粉瀝青混合料的水穩定性,試驗結果如圖5所示。由圖5可知,2種類型的爐渣粉瀝青混合料的凍融劈裂強度比均可以滿足相應規范的要求(SMA-13混合料不小于80%,AC-20混合料不小于75%),但較常規瀝青混合料有所下降下降的幅度并不大。其中SMA-13爐渣粉混合料的凍融劈裂強度比下降了0.79%,AC-20爐渣粉混合料的凍融劈裂強度比下降了2.6%,說明當爐渣粉料替代礦粉后,并不會嚴重影響瀝青混合料的水穩定性,但AC-20混合料仍然比SMA-13混合料表現敏感。

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2.3 低溫抗裂性


采用低溫彎曲試驗[14]評價爐渣粉瀝青混合料的低溫抗裂性能,試驗溫度為-10℃,試件為30mm×35mm×250mm的小梁,試驗結果如表6所示。由表6可知,2種類型的爐渣粉瀝青混合料的抗彎拉強度和最大彎拉應變均大于常規瀝青混合料,并且都滿足規范對破壞應變的技術要求(冬寒區,SMA-13混合料不小于2800με,AC-20混合料不小于2300με)。其中,SMA-13混合料的破壞應變提高了25.2%,AC-20混合料的破壞應變提高了82.7%。試驗結果說明,爐渣粉料替代礦粉后,大幅度增強了混合料在低溫下的強度和抗變形能力。對于破壞時的彎曲勁度模量,爐渣粉料SMA-13與礦粉SMA-13相差不大,這是由于混合料內部孔隙發達,應力松弛能力略強,溫度應力有所減小,而且混合料的設計瀝青用量增加,可以與混合料級配上的缺陷互相抵消,使得低溫性能得以改善。對于AC-20,爐渣粉料的加入增強了混合料的嵌擠結構,對低溫性能的改善影響較顯著??傮w來講,爐渣粉料完全替代礦粉后,可以改善瀝青混合料的低溫抗裂性能,并且AC-20混合料比SMA-13混合料表現敏感得多。

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3、爐渣粉料影響瀝青混合料性能的機理分析


3.1 爐渣粉料的化學成分和幾何特性


瀝青混合料的水穩定性通常與瀝青和集料的黏附性有關,而黏附性又在很大程度上取決于集料的化學組成。通過對表4中石灰巖礦粉和爐渣粉料的化學成分分析可知,與主要成分為CaCO3的堿性石灰巖礦粉相比,爐渣粉料中的SiO2和金屬氧化物的含量較多,會在一定程度上影響它與瀝青之間的黏附性,所以在進行凍融劈裂試驗時,瀝青就比較容易剝落,造成了第2.2節中爐渣粉瀝青混合料水穩定性略差的試驗結果。然而,由于填料在瀝青混合料中的含量很小,影響程度是有限的,并且由于爐渣粉料的加入使得瀝青用量增加,從而增加了瀝青膜的厚度,這對瀝青混合料的水穩定性是有利的,因此總體上并不會嚴重降低爐渣粉瀝青混合料的水穩定性。


在瀝青混合料的組成材料中,礦料性質對瀝青混合料高溫性能和低溫性能的影響是至關重要的。


通過對圖2中石灰巖礦粉和爐渣粉料的顆粒幾何特性的分析可知,爐渣粉料比礦粉的表面更加粗糙,能夠增大瀝青混合料的內摩阻角,可以增強混合料內部的嵌擠結構。同時,多片和絮狀的結構增大了爐渣粉料的比表面積,便于瀝青的黏附,孔隙結構在提高比表面積的同時,也便于瀝青的吸附與濕潤,并起到微毛細管的作用,增強爐渣粉料顆粒與瀝青之間的界面作用力,以上的綜合作用有利于增強爐渣粉瀝青混合料的高溫穩定性和低溫抗裂性,得到第2.1節和第2.3節的試驗結果。


3.2 爐渣粉料瀝青膠漿的微觀界面


為了更加直觀地觀察填料與瀝青之間的黏附特性,分別制備了石灰巖礦粉瀝青膠漿和爐渣粉料瀝青膠漿,并用場發射掃描電子顯微鏡進行觀察(見圖6)。從圖6可以看出,2種填料瀝青之間的浸潤狀態即黏附形態大不相同,其中圖6a中石灰巖礦粉與瀝青浸潤時的交界界面有些起伏不平的褶皺,瀝青在礦粉的周圍沒有鋪展開來,并在黏附時留有空隙,這說明兩者浸潤并不平滑;相比之下,圖6b中瀝青在爐渣粉料顆粒周圍鋪展開來,少有褶皺,瀝青也較好地填充了爐渣粉料表面的孔隙,兩者界面浸潤良好,很難分辨出清晰的界限。實際上,石灰巖礦粉和爐渣粉料各自的物理化學性質決定了它們與瀝青交互作用的界面形貌的差異,爐渣粉料的表面更加粗糙、比表面積更大,使得它與瀝青之間的接觸面積增大,能夠提高兩者的黏結作用,同時爐渣粉料表面的孔隙發達、堿性強,吸附作用和毛細作用能使瀝青滲入到孔隙和裂縫中,提高了結構瀝青的含量,增強了黏附作用。因此,當爐渣粉料作為瀝青混合料的填料時,能夠發揮自身的優勢,在整體上使得瀝青混合料的路用性能得到了一定程度的改善。

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4、結語


爐渣粉料100%(質量分數)替代礦粉后,SMA-13混合料和AC-20混合料的瀝青用量均增加,且SMA-13混合料瀝青用量的增加大于AC-20混合料,說明爐渣粉料對瀝青的吸附能力更強。馬歇爾試驗結果表明,2種類型的爐渣粉瀝青混合料的馬歇爾穩定度普遍高于常規瀝青混合料,而流值或接近、或偏小,說明爐渣粉瀝青混合料的穩定性更好,抵抗變形的能力更強。由于爐渣粉料的表面形貌更加粗糙、多孔,使得爐渣粉料能夠在不同程度上提高瀝青混合料的高溫穩定性。爐渣粉料替代礦粉后,設計瀝青用量的增加和混合料內部嵌擠結構的增強可以改善瀝青混合料的低溫抗裂性能。爐渣粉料中含有較多的SiO2和金屬氧化物,導致混合料的水穩定性有所下降,但瀝青用量的增加又會平衡此不利因素,因此爐渣粉瀝青混合料的水穩定性不會嚴重降低。通過對爐渣粉料瀝青膠漿微觀界面的觀察發現,瀝青對爐渣粉料的浸潤更加良好,黏附狀況更加理想。


綜合分析,爐渣粉瀝青混合料的各項馬歇爾指標和路用性能指標都滿足相應規范的要求,并且在路用性能方面,AC-20混合料表現均比SMA-13混合料更敏感,說明爐渣粉料替代礦粉配制瀝青混合料在技術上是可行的,有利于固廢再利用。


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