聚酯纖維對生活垃圾焚燒飛灰/瀝青混合料TSR的改善效果

李菁若，劉瑞全，唐伯明，蔣立新，趙戰(zhàn)偉

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2. 招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067；3. 招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 400060；4. 重慶三峰環(huán)境產業(yè)集團有限公司 國家環(huán)境保護垃圾焚燒處理與資源化工程技術中心，重慶 400084；5. 重慶渝黔高速公路有限公司，重慶 404100)

0 引言

目前，生活垃圾焚燒飛灰(簡稱焚燒飛灰)國內的處置方法主要有進入危險廢棄物填埋場、經穩(wěn)定固化后進入衛(wèi)生填埋場以及進入水泥窯協(xié)同處置[1-2]。其中危險廢棄物填埋場數(shù)量有限，選址困難，而且不符合“無害化、減量化、資源化”的發(fā)展策略；焚燒飛灰經固化后進入衛(wèi)生填埋場存在浸出毒性試驗難以滿足標準的情況，給環(huán)境和人體健康埋下安全隱患，而且越來越多的生活垃圾以焚燒方式進行處理，衛(wèi)生填埋場即將出現(xiàn)容量過飽和的窘況；水泥窯協(xié)同處置焚燒飛灰不僅受水泥產能的影響，而且處置焚燒飛灰的量比較少，更會造成水泥質量的不穩(wěn)定。國外發(fā)達國家處置焚燒飛灰的典型方法有德國的礦井深埋法、日本的高溫熔融法、美國的焚燒飛灰爐渣混合處置法等[3-4]。然而，目前國內外垃圾焚燒飛灰的處置方法均存在一定的局限性，尋找新的焚燒飛灰處置方法十分有必要，而焚燒飛灰的資源化利用將是垃圾焚燒行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢[5]。對焚燒飛灰的資源化利用需要考慮以下3個因素：焚燒飛灰的物理化學性質是否適合資源化處置；經資源化處置后的產品是否具有良好性能、實用性、市場可行性和經濟性；資源化處置手段能否對焚燒飛灰起到穩(wěn)定作用。鑒于焚燒飛灰本身的理化性質，目前研究和應用較多的資源化方法是用于建筑材料，如將焚燒飛灰作為替代原料生產水泥、陶瓷、磚等，另外焚燒飛灰還可作為骨料或填料用于路基、路面中，或者作為土壤改良劑和吸附材料等[6-14]。

本研究將焚燒飛灰作為道路材料運用到瀝青路面中，一方面擬利用瀝青良好的黏結力裹覆、穩(wěn)定焚燒飛灰；另一方面擬將焚燒飛灰建材化，實現(xiàn)其資源化利用價值。根據(jù)前期的試驗研究[15-16]得知焚燒飛灰對瀝青路面路用性能的影響最突出的是凍融劈裂強度，而影響凍融劈裂強度最關鍵的因素是焚燒飛灰中高含量的可溶鹽。因此，為真正實現(xiàn)焚燒飛灰的脫“?！迸c資源化利用，勢必解決焚燒飛灰對瀝青路面路用性能的影響，如提高瀝青混合料自身強度來抵抗焚燒飛灰的不良影響，或者對焚燒飛灰采取合適的預處理方法，降低不良組分可溶鹽的溶出。本研究采用添加纖維的方法來提高焚燒飛灰瀝青路面整體強度的思路，來間接改善焚燒飛灰/瀝青混合料的凍融劈裂強度。纖維具有加筋、橋連、增韌、阻裂、自愈等作用，能顯著地改善瀝青路面的力學性能，有效阻止或延緩反射裂縫的發(fā)展，延長路面使用壽命2 倍以上[17]。

1 試驗部分

1.1 原材料

焚燒飛灰由重慶同興垃圾焚燒發(fā)電廠提供，為灰色至灰白色的粉末狀顆粒，其中0.6 mm篩孔通過率為100%，0.15 mm篩孔通過率為90.1%，0.075 mm 篩孔通過率為79.3%；焚燒飛灰表觀密度為2.624 g/cm3，氯離子含量為26.8%，其余化學組成如表1所示。水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，性質滿足規(guī)范要求。聚酯纖維產自山東泰安纖維公司，技術指標如表2所示。礦粉采用石灰石礦粉；集料取自重慶某瀝青拌和站的石灰?guī)r熱礦料，集料規(guī)格為0～3，3～6，6～11，11～17，17～22 mm，各檔集料摻配比例如表3所示，其中聚酯纖維摻量為瀝青混合料總質量的0.3%，最佳油石比為4.8%。

表1 焚燒飛灰的主要化學組成Tab.1 Main chemical composition of MSWI fly ash

表2 聚酯纖維的技術指標Tab.2 Technical indicators of polyester fiber

表3 AC-20C型聚酯纖維/瀝青混合料的礦料摻配比例Tab.3 Mineral ratio of AC-20C polyester fiber/asphalt mixture

1.2 聚酯纖維型焚燒飛灰/瀝青混合料的制備過程

先將各檔礦料與聚酯纖維混合，干拌30 s；然后添加瀝青，濕拌90 s；最后添加礦粉，再拌和90 s。其中焚燒飛灰若以原樣飛灰粉體的形式添加到聚酯纖維瀝青混合料中，則以等量取代礦粉的形式添加，且其加熱溫度、加熱時間、添加次序同礦粉；若以焚燒飛灰/水泥顆粒的形式添加到聚酯纖維瀝青混合料中，則以0.6～2.36 mm的顆粒等量代替0～3 mm 的石灰?guī)r細集料的形式添加，且其加熱溫度、加熱時間、添加次序同礦料。另外，焚燒飛灰/水泥顆粒的制備工藝為：首先將焚燒飛灰與水泥按照一定的質量比混合均勻，添加適量水攪拌均勻，然后將焚燒飛灰/水泥漿體養(yǎng)生7 d，最后破碎成<4.75 mm 的焚燒飛灰/水泥顆粒。

2 結果與討論

2.1 聚酯纖維對原樣飛灰/瀝青混合料TSR的影響

將原樣飛灰以等量取代礦粉的形式摻加到AC-20C型聚酯纖維改性瀝青混合料中，凍融劈裂試驗結果如表4所示。

表4 原樣飛灰/聚酯纖維改性瀝青混合料的TSRTab.4 TSRs of original fly ash/polyester fiber modified asphalt mixture

從表3可知，原樣飛灰直接加入到改性瀝青混合料中，即便摻量僅占改性瀝青混合料總重量的0.5%，凍融劈裂強度比(TSR)也大大降低到61.5%，遠小于規(guī)范要求值(TSR≥80%)。這是因為焚燒飛灰中含有高達26.8%的可溶鹽，且大部分為可溶氯鹽，還有一小部分為可溶硫酸鹽，除此之外焚燒飛灰中還含有游離CaO與熟石灰Ca(OH)2等遇水(或空氣)反應能夠產生固相體積膨脹的物質，因此在凍融劈裂試驗的冷凍降溫過程中，硫酸鹽首先結晶析出，然后隨著混合料孔隙內溶液的結冰，水鹽濃度不斷增高，氯鹽也開始不斷在混合料內部聚集并結晶，產生體積膨脹，于混合料內部形成鹽脹應力，使得混合料內部出現(xiàn)微細裂縫，進而降低混合料的劈裂強度。另外，可溶鹽的結晶產物也會填充在混合料微裂縫中，從而降低了瀝青混合料的自愈合能力，進一步形成微裂隙通道，為水分及其他水溶液的侵入提供了可能。之后，在上述微裂隙通道下，水分侵入，被瀝青包裹的焚燒飛灰因其中的游離CaO或Ca(OH)2等遇水反應物具備了水化反應的條件而逐步水化，進一步產生體積膨脹，進一步脹裂微裂隙，裂縫得到發(fā)展，混合料強度受到影響而再次降低[18-21]。再者，包覆在瀝青膜中的焚燒飛灰與瀝青直接接觸，可溶鹽中的低價陽離子如Na+能夠與瀝青形成極不穩(wěn)定的化學吸附層，降低瀝青與集料的黏結力。

當摻入0.3%的聚酯纖維后，焚燒飛灰/瀝青混合料的TSR有所提高(TSR為78.8%)，提高率為28.1%。這是因為摻入聚酯纖維后，一方面瀝青混合料的最佳油石比增加了(增加量為0.4%)，使得混合料顆粒間的瀝青膜厚度增大，同時由于聚酯纖維對瀝青輕質組分的吸附作用，使得礦料顆粒表面結構瀝青厚度增加，從而有效改善了瀝青與礦料間的界面結合條件，界面黏結力得到增強，因此在水分剝離作用、焚燒飛灰中的可溶鹽對瀝青的乳化作用、可溶鹽結晶膨脹作用等外力作用下則需要更大的界面能來破壞瀝青與礦料間的黏結；另一方面，聚酯纖維均勻分散在瀝青混合料中，形成空間網(wǎng)狀結構，不僅能夠增加礦料間的內摩阻角，還可以承擔、傳遞與分散外力荷載，減緩應力集中現(xiàn)象，發(fā)揮橋連加筋、增韌阻裂的作用，從而提高了瀝青混合料的自身強度[17-19]。

然而，即便添加了聚酯纖維之后，焚燒飛灰/瀝青混合料的TSR雖然得到改善，但相比于不添加焚燒飛灰的聚酯纖維瀝青混合料，其TSR仍然下降了11.4%，且降低后的TSR值不滿足規(guī)范要求。可見，添加聚酯纖維后，聚酯纖維雖然能夠補償原樣飛灰的化學組分對瀝青混合料凍融劈裂強度的損傷作用，但是從試驗結果上也顯露了聚酯纖維的增黏、橋連加筋、增韌阻裂等效果并沒有完全地平衡原樣飛灰中可溶鹽、遇水膨脹物質等對瀝青混合料劈裂強度的降低作用。因此，原樣飛灰在AC-20C型聚酯纖維改性瀝青混合料的應用尚需進行進一步的預處理。

2.2 聚酯纖維與造粒預處理共同作用對焚燒飛灰/瀝青混合料TSR的影響

采用無機膠凝材料如水泥對焚燒飛灰進行造粒預處理，以降低焚燒飛灰中可溶鹽的溶出以及焚燒飛灰與瀝青直接接觸的面積或概率。將焚燒飛灰/水泥顆粒以等量取代石灰?guī)r細集料的形式摻加到AC-20C型聚酯纖維改性瀝青混合料中，進行凍融劈裂試驗，結果如圖1所示。

圖1 焚燒飛灰/水泥顆粒聚酯纖維改性瀝青混合料的TSRFig.1 TSRs of MSWI fly ash/cement particle polyester fiber modified asphalt mixture

從圖1可知，焚燒飛灰經過水泥造粒后，將不同質量比的焚燒飛灰/水泥顆粒添加到聚酯纖維瀝青混合料中，混合料的TSR均得到改善。若以滿足規(guī)范要求為依據(jù)，隨著水泥質量比的增加，焚燒飛灰/水泥顆粒在聚酯纖維改性瀝青混合料中的最大容許摻量依次增加，折合成焚燒飛灰的摻量分別為0.71%，1.82%，2.24%，3.36%。這說明在聚酯纖維瀝青混合料中，疊加水泥膠凝材料對焚燒飛灰的固結造粒作用之后，能夠有效減弱焚燒飛灰中可溶鹽對瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響，降低焚燒飛灰與瀝青混合料直接接觸的概率，且水泥用量越多，對焚燒飛灰的封裝效果越好。然而水泥造粒的疊加效應也是有限度的，對于每一個質量比的焚燒飛灰/水泥顆粒，隨著焚燒飛灰/水泥顆粒摻量的增加，聚酯纖維瀝青混合料的TSR均呈現(xiàn)遞減的趨勢。這是因為隨著焚燒飛灰摻量的增多，焚燒飛灰/水泥顆粒中可溶鹽的含量也隨之增多，增大了可溶鹽從焚燒飛灰/水泥顆粒中浸出的可能性，從而在凍融劈裂的過程中增加了可溶鹽的溶解-結晶膨脹損傷以及乳化作用、腐蝕作用等對瀝青與集料黏附性的侵蝕作用[15-16]。

采用水泥單獨對焚燒飛灰進行造粒后，在不添加聚酯纖維的情況下，瀝青混合料的TSR結果如表5所示。從表5可知，當將質量比為1∶0.25的焚燒飛灰/水泥顆粒等量取代石灰?guī)r細集料摻加到改性瀝青混合料中，即便焚燒飛灰的摻量低至0.5%，瀝青混合料TSR也不滿足規(guī)范要求(為67.1%)；當在焚燒飛灰/水泥顆粒中依次增加水泥的用量，如依次添加50%，100%，150%的水泥分別對焚燒飛灰進行造粒，即便焚燒飛灰/水泥顆粒中水泥質量分數(shù)高達150%，將其取代石灰?guī)r細集料摻加到改性瀝青混合料中，2%焚燒飛灰摻量的瀝青混合料TSR亦不滿足規(guī)范要求(為78.6%)，而將3%的該水泥顆粒添加到聚酯纖維改性瀝青混合料中時，其TSR滿足了規(guī)范要求(為80.9%)。這說明單獨采用水泥對焚燒飛灰進行造粒處理時，水泥對焚燒飛灰的封裝效果有限，封裝效果體現(xiàn)在水泥水化過程中焚燒飛灰的可溶鹽組分如硫酸鹽、氯鹽分別與水泥硅酸鈣、鋁酸鈣發(fā)生反應生成鈣礬石、Friedel鹽等，從而化學固化可溶鹽離子，另外可溶鹽離子也會以物理固化的形式吸附在水泥水化產物C-S-H凝膠結構上，然而焚燒飛灰中可溶鹽組分含量高，難以全部被固化，因此處于游離狀態(tài)的可溶鹽在凍融過程中仍能損害瀝青混合料的TSR。

表5 水泥造粒與聚酯纖維對焚燒飛灰/瀝青混合料TSR的影響Tab.5 Influence of cement granulation and polyester fiber on TSR of MSWI fly ash/asphalt mixture

在水泥膠凝材料對焚燒飛灰的包裹、密封作用的基礎上，進一步疊加纖維的增黏、橋連加筋、增韌阻裂作用，在兩者的雙重作用下能夠有效改善焚燒飛灰中可溶鹽及遇水反應膨脹物等不利因素對瀝青混合料TSR的影響。

2.3 纖維種類對造粒飛灰改性瀝青混合料TSR的影響

采用木質素纖維、聚酯纖維兩種纖維對比研究纖維種類對焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善效果。凍融劈裂試驗結果如表6所示。

表6 摻加不同種類纖維的焚燒飛灰/水泥顆粒改性瀝青混合料的TSRTab.6 TSRs of MSWI fly ash/cement particles modified asphalt mixture mixed with different kinds of fiber

從表6可知，在其他條件相同而所用纖維種類不同時，焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料的TSR顯著不同，添加木質素纖維的焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料TSR比添加聚酯纖維的焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料TSR降低了約17.2%，且不滿足規(guī)范要求(TSR≥80%)，說明了絮狀木質素纖維未能有效彌補由于焚燒飛灰可溶鹽的溶解-結晶膨脹、低價陽離子的乳化作用、電化學腐蝕以及遇水反應物的水化膨脹等對瀝青與集料黏附性的侵蝕作用而導致的瀝青混合料劈裂強度的損失；而聚酯纖維對瀝青混合料的加筋與增韌作用強于木質素纖維，其瀝青混合料凍融前與凍融后劈裂強度均高于木質素纖維，且TSR高達84.5%，滿足規(guī)范要求。這是因為絮狀木質素纖維長徑比比較小，在礦料間易團聚，分散不均勻，基本起不到橋連加筋的作用，而聚酯纖維比絮狀木質素纖維的長徑比大，搭接和橋連作用比較明顯，能夠起到較好的搭接加筋的增強效果。因此，應選用聚酯纖維來增強焚燒飛灰/水泥顆粒改性瀝青混合料的強度。

2.4 瀝青種類對聚酯纖維/造粒飛灰瀝青混合料TSR的影響

采用SK70#瀝青、SBS改性瀝青兩種瀝青，在同一級配類型、同一礦料級配、同一油石比下對比研究聚酯纖維/造粒飛灰瀝青混合料中瀝青種類的適用性。凍融劈裂試驗結果如表7所示。

表7 不同瀝青種類下的焚燒飛灰/水泥顆粒聚酯纖維改性瀝青混合料的TSRTab.7 TSRs of MSWI fly ash/cement particle polyester fiber modified asphalt mixture with different types of asphalt

從表7可知，在其他條件相同而所用瀝青種類不同時，焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料的TSR亦顯著不同，如使用SK70#瀝青作膠結料的焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料TSR比使用SBS改性瀝青作膠結料的焚燒飛灰/水泥顆粒瀝青混合料TSR降低了約20.9%，且不滿足規(guī)范要求(TSR≥80%)。這是因為SBS改性瀝青是在原有的基質瀝青的基礎上加入了熱塑性彈性體SBS改性劑。SBS改性劑是以丁二烯和1，3-苯乙烯單體通過陰離子聚合制得的共聚物，其中聚丁二烯具有較好的彈性和抗疲勞性能，SBS改性劑熔入瀝青后，端基轉化并流動，中基吸收瀝青的軟瀝青組分，形成海綿狀材料，體積增大許多倍，冷卻以后，端基再度硬化，且物理交聯(lián)，使中基嵌段進入具有彈性的三維網(wǎng)狀中。因此SBS改性劑在加熱時能夠呈塑性流動狀態(tài)，將SBS改性劑加入瀝青中，能夠有效改善基質瀝青的物理力學性能。因此，在油石比一定時，SBS改性瀝青混合料試件凍融前與凍融后劈裂強度均高于普通瀝青混合料試件的強度，且TSR高達84.5%，滿足規(guī)范要求。

3 結論

(1)分析了原樣飛灰對瀝青混合料TSR影響的原因，主要是因為原樣飛灰的可溶鹽如氯鹽、硫酸鹽，在低溫下結晶膨脹，不僅產生微裂縫，結晶體還可以填充在微裂縫中，降低瀝青混合料的劈裂強度與自愈合能力；低價陽離子如Na+，K+等，能夠對瀝青膜產生乳化、侵蝕等作用，降低瀝青與集料間的界面黏結力；另外，游離CaO或Ca(OH)2等遇水反應物，遇水水化固相體積膨脹，促使微裂縫進一步發(fā)展導致瀝青混合料強度進一步損失。

(2)對比分析了聚酯纖維與水泥造粒分別單獨作用與共作用對焚燒飛灰/瀝青混合料TSR的改善效果。聚酯纖維或者水泥造粒單獨作用下對焚燒飛灰/瀝青混合料的TSR改善效果有限，兩者共同作用下TSR改善效果顯著，其中聚酯纖維發(fā)揮了橋連加筋、增韌阻裂的效果，水泥造粒預處理實現(xiàn)了對焚燒飛灰的包裹、密封作用，降低了焚燒飛灰中可溶鹽的溶出率以及焚燒飛灰與瀝青直接接觸的面積。

(3)絮狀木質素纖維因長徑比小，橋連加筋效果不明顯；普通瀝青因物理力學性能有限，強度增進效果不明顯。所以在對焚燒飛灰/瀝青混合料的TSR改善效果上，聚酯纖維增強效果優(yōu)于木質素纖維，改性瀝青增強效果優(yōu)于普通瀝青。

(4)對于焚燒飛灰與水泥質量比分別為1∶0.25，1∶0.5，1∶1，1∶1.5的焚燒飛灰/水泥顆粒，應用在聚酯纖維改性瀝青混合料中，折合成焚燒飛灰的摻量時，焚燒飛灰最大容許摻量依次為0.71%，1.82%，2.24%，3.36%。