蘇 凱 ，張緒國(guó)

（1.上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200031；2.上海城投研究總院，上海市200031）

0 引 言

目前，城市生活垃圾清運(yùn)量逐年上升，中國(guó)城市環(huán)境衛(wèi)生協(xié)會(huì)2016 年統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生近10 億t垃圾，其中生活垃圾產(chǎn)生量約4 億t，建設(shè)垃圾5 億t左右，此外，還有餐廚垃圾1 000 萬(wàn)t 左右。處理城市生活垃圾的主要方法主要有三種[1-3]，分別為填埋法、堆肥法以及焚燒法。雖然填埋法和堆肥法處理成本低廉，技術(shù)要求低下，但它們都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)——占地面積巨大。在城市生活垃圾日益增多，土地資源也日益緊張的形勢(shì)下，現(xiàn)行的填埋、堆肥等處理方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足處理需求。焚燒法在垃圾燃燒同時(shí)還能用于火力發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能量回收，并且垃圾燃燒的主要副產(chǎn)物——爐渣[4-7]，具有一定的強(qiáng)度、級(jí)配以及水化特性，經(jīng)過(guò)處理之后可以代替部分天然集料應(yīng)用于道路工程中。

為了探明爐渣集料代替天然集料應(yīng)用于道路工程中的可能性，范曉平、邢介明、童琳等人[8]采用SEM 電鏡掃描了爐渣，發(fā)現(xiàn)焚燒爐渣中Ca、Fe、Si、Al 等元素含量較高，與天然集料的元素組成十分相似。章驊、何品晶、邵立明等人[9]研究了爐渣的浸出特性，發(fā)現(xiàn)爐渣的重金屬浸出毒性遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，屬于一般固體廢棄物，回收再利用時(shí)，對(duì)環(huán)境危害小，爐渣中的重金屬元素在自然條件下較為穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大危害。王琎晨[10]發(fā)現(xiàn)，摻爐渣的瀝青混合料有著良好的應(yīng)用前景，但目前投入實(shí)際應(yīng)用較少，主要原因在于推廣時(shí)會(huì)遇到以下三種問(wèn)題：（1）混合料的設(shè)計(jì)瀝青用量偏高（0～9.5 mm 爐渣摻量每增加10.0%，設(shè)計(jì)瀝青用量增加約0.7%）、（2）爐渣利用率偏低（15%以下）；（3）爐渣瀝青混合料的性能不甚穩(wěn)定。劉棟，李立寒，崔華杰[11]等人發(fā)現(xiàn)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、抗凍性均低于水泥穩(wěn)定碎石。

綜上，爐渣集料無(wú)毒無(wú)害，并且在物理特性以及化學(xué)特性上類(lèi)似于天然集料。爐渣產(chǎn)量極大，如果能代替天然集料摻入瀝青混合料或者水泥穩(wěn)定碎石混合料中，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的再利用，符合綠色經(jīng)濟(jì)環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展理念。然而爐渣集料的基本性能不如天然集料，并且變異性較大。在瀝青混凝土道路結(jié)構(gòu)中，基層一般為水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層，性能要求相對(duì)于面層更低，更加適合摻加爐渣集料[12]，而爐渣集料基本性能對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度性能的影響尚不明晰，阻礙了爐渣集料在道路工程中的應(yīng)用推廣。為了更好地實(shí)現(xiàn)爐渣的再利用，本文研究分析了爐渣水泥穩(wěn)定碎石的擊實(shí)特性與強(qiáng)度特征，并采用相關(guān)性分析的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，研究了爐渣基本性能對(duì)爐渣水泥穩(wěn)定碎石性能的影響。

1 試驗(yàn)材料

1.1 爐渣集料

水泥穩(wěn)定爐渣碎石采用源自不同產(chǎn)地的2 種干法爐渣集料（G1、G2）和 5 種濕法爐渣集料（S1、S2、S3、S4、S5），各爐渣集料的級(jí)配組成見(jiàn)表1。

表1 爐渣集料篩分試驗(yàn)結(jié)果

1.2 石灰?guī)r集料

水泥穩(wěn)定爐渣碎石采用4 檔石灰?guī)r集料。由于水泥穩(wěn)定爐渣碎石制樣時(shí)間存在差異，因此，水泥穩(wěn)定干法爐渣碎石和水泥穩(wěn)定濕法爐渣碎石采用的石灰?guī)r集料的級(jí)配略有差異。水泥穩(wěn)定干法爐渣碎石采用的石灰?guī)r集料的粒級(jí)為：0~4.75 mm、4.75~9.5 mm、9.5~19 mm 和19~31.5 mm；水泥穩(wěn)定濕法爐渣碎石采用的石灰?guī)r集料的粒級(jí)為：0~3 mm、3~5 mm、5~15 mm 和15~25 mm。各檔石灰?guī)r集料的級(jí)配組成見(jiàn)表2。

1.3 水泥

水泥穩(wěn)定爐渣碎石采用江蘇太倉(cāng)生產(chǎn)的海螺牌32.5 級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥。水泥用量為4.5%。

2 試驗(yàn)方案

2.1 爐渣集料基本性能試驗(yàn)

爐渣集料的密度、吸水率、壓碎值和燒失量等基本性能參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2005）[13]中的相應(yīng)試驗(yàn)方法執(zhí)行。

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

水泥穩(wěn)定爐渣碎石中爐渣集料的摻量分別為0%、10%和30%。依據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）[14]中的擊實(shí)法試驗(yàn)T0804—1994 確定水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率和最大干密度。

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）[14]中相應(yīng)試驗(yàn)方法 T0805—1994 執(zhí)行。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，以98%壓實(shí)度成型試件。試樣尺寸為Φ10 cm×10 cm，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下養(yǎng)生28 d 后，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按式（1）計(jì)算水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

式中：Rc為試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；P 為試件破壞時(shí)的最大壓力，N；A 為試件的截面積，mm2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 爐渣集料基本性能試驗(yàn)結(jié)果

表3 為爐渣集料的表觀相對(duì)密度、吸水率、壓碎值和燒失量試驗(yàn)結(jié)果。由表3 可見(jiàn)，四種爐渣集料的表觀相對(duì)密度分布在2.270~2.428 之間，明顯小于天然集料的表觀相對(duì)密度。爐渣集料的吸水率為4.00%~7.94%，變異系數(shù)為0.293。爐渣集料的吸水率明顯高于天然集料，這主要是由于爐渣集料中含有多孔熔渣和高吸水性的磚石所致。同時(shí)，不同產(chǎn)地的爐渣集料的物質(zhì)組成（玻璃、陶瓷、磚石、熔渣等比例）存在差異，這也造成了不同產(chǎn)地爐渣集料吸水率的變異性。四種爐渣集料的壓碎值分布在29.7%~41.7%，明顯高于天然集料，這也是由于爐渣集料中含有易碎的玻璃、陶瓷等物質(zhì)所致。爐渣集料的600℃燒失量分布在2.10%~9.07%、950℃燒失量分布在6.16%~18.04%，表明爐渣集料中含有較多的有機(jī)質(zhì)、礦物成分和碳酸鹽等。

表2 石灰?guī)r集料篩分試驗(yàn)結(jié)果

表3 爐渣集料的基本性能試驗(yàn)結(jié)果

3.2 水泥穩(wěn)定爐渣碎石配合比設(shè)計(jì)與擊實(shí)特性

水泥穩(wěn)定爐渣碎石的級(jí)配組成曲線如圖1 所示。水泥穩(wěn)定爐渣碎石的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4 可見(jiàn)，與水泥穩(wěn)定碎石相比，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率增加、最大干密度減小，且隨著爐渣集料摻量的增加，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率進(jìn)一步增大、最大干密度進(jìn)一步減小。這主要是由于爐渣集料的密度小于天然集料、吸水率高于天然集料所致。當(dāng)以不同產(chǎn)地爐渣集料制備水泥穩(wěn)定爐渣碎石時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的擊實(shí)特性存在一定的差異。當(dāng)摻加10%爐渣集料時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石最佳含水率的變異系數(shù)為0.092、最大干密度的變異系數(shù)為0.007；當(dāng)摻加30%爐渣集料時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石最佳含水率的變異系數(shù)為0.195、最大干密度的變異系數(shù)為0.027。這主要是由于不同產(chǎn)地爐渣集料的密度、吸水率存在差異所致。

3.3 水泥穩(wěn)定爐渣碎石強(qiáng)度特征

圖1 水泥穩(wěn)定爐渣碎石級(jí)配組成曲線

表4 水泥穩(wěn)定爐渣碎石擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可見(jiàn)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度一般均小于對(duì)照組水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，隨著爐渣集料摻量的增加，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步減小，這主要是由于爐渣集料的壓碎值較高、爐渣集料與水泥間的粘附性能較差所致。當(dāng)摻加干法爐渣集料時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于摻加濕法爐渣集料的水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。這主要是由于干法爐渣集料和濕法爐渣集料的處理工藝不同，二者的強(qiáng)度性能和膠凝性能的差異所致。

對(duì)于干法爐渣集料而言，摻加G1 爐渣時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度略高于摻加G2 爐渣的強(qiáng)度。當(dāng)G1 爐渣摻量為10%和30%時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度依此為對(duì)照組水泥穩(wěn)定爐渣碎石的89%和77%。對(duì)于濕法爐渣集料而言，摻加S2 爐渣時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度略高于摻加S1 爐渣的強(qiáng)度。當(dāng)S2 爐渣摻量為10%和30%時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度依此為對(duì)照組水泥穩(wěn)定爐渣碎石的80%和62%。

3.4 水泥穩(wěn)定爐渣碎石性能與爐渣集料基本性能的關(guān)聯(lián)性分析

3.4.1 擊實(shí)特性

圖3 為水泥穩(wěn)定爐渣碎石最佳含水率與爐渣集料基本性能的相關(guān)性分析。如圖3 所示，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率與爐渣集料的表觀相對(duì)密度、吸水率呈正相關(guān)關(guān)系，與爐渣壓碎值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果（DZ：對(duì)照組水泥穩(wěn)定碎石）

圖3 爐渣水泥穩(wěn)定碎石最佳含水率與爐渣集料基本性能的相關(guān)性分析

不同爐渣集料摻量下，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率與爐渣集料的表觀相對(duì)密度和壓碎值的相關(guān)性較低，這表明，爐渣集料的表觀相對(duì)密度和壓碎值不是影響水泥穩(wěn)定爐渣碎石最佳含水率的關(guān)鍵因素。相反，不同爐渣集料摻量下，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率與爐渣集料的吸水率具有很好的相關(guān)性（R2＞0.6）。當(dāng)摻加10%爐渣集料時(shí)，爐渣吸水率與水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率的相關(guān)系數(shù)為0.640 9；當(dāng)摻加30%爐渣集料時(shí)，爐渣吸水率與水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率的相關(guān)系數(shù)增加到0.803 9。這表明，隨著爐渣集料摻量的增加，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率與爐渣集料吸水率的關(guān)聯(lián)性越來(lái)越高。此外，隨著爐渣集料摻量的增加，爐渣集料吸水率對(duì)水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率的影響逐漸增大，在圖中表現(xiàn)為相關(guān)性曲線斜率的增加。

3.4.2 強(qiáng)度特性

水泥穩(wěn)定爐渣碎石強(qiáng)度性能的差異與爐渣集料自身的密度、壓碎值、吸水率等基本性能指標(biāo)具有一定關(guān)系。這種相關(guān)性分析有利于更好的明晰爐渣集料基本性能對(duì)水泥穩(wěn)定爐渣碎石強(qiáng)度的影響。由于G1、G2 和S1、S2 兩組所采用的石灰?guī)r不同，造成對(duì)照組水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差較大。為了消除石灰?guī)r集料對(duì)混合料強(qiáng)度性能的影響，將水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別除以相應(yīng)對(duì)照組水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到相對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并用該指標(biāo)進(jìn)行后續(xù)與爐渣集料基本性能的相關(guān)性分析。

圖4 為水泥穩(wěn)定爐渣碎石的相對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料基本性能的相關(guān)性分析結(jié)果。如圖4所示，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的相對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料的燒失量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。爐渣的600℃燒失量和950℃燒失量可以表征爐渣集料的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽的含量。這表明，爐渣集料中的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽的存在有利于提高水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

水泥穩(wěn)定爐渣碎石的相對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料的表觀相對(duì)密度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7 以上。這表明隨著爐渣集料密度的增加，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的相對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大。爐渣集料密度的增加更有利于水泥穩(wěn)定爐渣碎石形成密實(shí)的結(jié)構(gòu)，有利于其強(qiáng)度的形成。

水泥穩(wěn)定爐渣碎石的相對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料的吸水率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.6以上。這表明隨著爐渣集料吸水率的增加，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的相對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大。爐渣集料中的熔渣成分具有一定的化學(xué)活性，在水的參與下可以產(chǎn)生水化反應(yīng)，具有明顯的膠凝現(xiàn)象。隨著爐渣集料吸水率的增加，爐渣集料在水的參與下的水化反應(yīng)更劇烈，更有利于水泥穩(wěn)定爐渣碎石強(qiáng)度的形成。

圖4 水泥穩(wěn)定爐渣碎石強(qiáng)度特性與爐渣集料基本性能的相關(guān)性分析

水泥穩(wěn)定爐渣碎石的相對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料的壓碎值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8以上。這表明隨著爐渣集料壓碎值的增加，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的相對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小。爐渣集料的壓碎值顯著高于天然集料，因此爐渣集料的壓碎值大小是影響水泥穩(wěn)定爐渣碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。爐渣集料是由玻璃、陶瓷、磚石、熔渣等成分組成的復(fù)合材料。當(dāng)爐渣集料中玻璃、陶瓷等易碎物質(zhì)的含量增加時(shí)，爐渣集料的壓碎值明顯增加。這會(huì)導(dǎo)致水泥穩(wěn)定爐渣碎石的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯減小，也會(huì)降低其與水泥間的黏結(jié)性能。

4 結(jié) 論

（1）爐渣集料摻量越高，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率越大、最大干密度越??；

（2）爐渣集料的摻量和處理工藝會(huì)顯著影響水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。隨著爐渣集料摻量的增加，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小。當(dāng)摻加干法爐渣時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于摻加濕法爐渣的水泥穩(wěn)定爐渣碎石的強(qiáng)度；

（3）爐渣集料的吸水率會(huì)顯著影響水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率，而爐渣集料的表觀相對(duì)密度和壓碎值對(duì)水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率無(wú)明顯影響；

（4）基于相關(guān)性分析，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料的表觀相對(duì)密度、吸水率和燒失量呈正相關(guān)關(guān)系，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料的壓碎值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。