生活垃圾焚燒爐渣在道路工程中的資源化利用

何文政

(中路交科(江蘇)檢測科技有公司，南京 211899)

我國城市生活垃圾產量劇增，垃圾焚燒已經成為處理生活垃圾的主要方式，這直接導致爐渣數量急遽增加，給爐渣的處置帶來了巨大壓力。垃圾焚燒爐渣是含有燒結熔渣、玻璃、陶瓷、金屬及未燃燒物的混合物[1]，其物理、化學及工程性能與其他工業廢渣(如煤渣、鋼渣等)存在巨大差異。根據《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB 18485—2014)[2]規定，我國生活垃圾焚燒廠應對爐渣、飛灰采用強制分離收集、貯存、運輸的技術處理措施，這為爐渣的收集和資源化利用提供了技術保障。

從生活垃圾焚燒爐渣資源化利用途徑看，目前生活垃圾焚燒爐渣主要應用于生產水泥和制磚，此外還在工業生產中用作吸附劑，在農業生產中用作肥料等[3]。相關研究[4-6]表明，爐渣作為一種輕質、多孔的材料，與道路工程用的天然集料有著類似的特征，其用于道路建設中，不僅能夠緩解日益嚴峻的道路建設材料短缺問題，而且還能充分利用廢棄資源，減少爐渣廢棄產生的土地占用，減少處置費用，緩解爐渣處置壓力。本文通過分析爐渣的理化性質、環保性質，研究爐渣在道路路基、基層、面層中資源化利用的室內性能情況和工程應用情況，為爐渣在道路工程的推廣應用提供參考。

1 爐渣基本性質

1.1 理化性質

爐渣的礦相組成主要為CaCO3和SiO2，其具有與天然集料類似的礦相組成，化學性質較穩定，耐久性較好。

選取南京某生活垃圾焚燒爐渣處理廠所生產的粒徑為0～4.75 mm的爐渣對其進行密度、吸水率、堅固性和亞甲藍試驗，以測試爐渣的基本性質和生產穩定性。相較于天然石灰巖和玄武巖細集料，爐渣的密度相對較小、吸水率較大、堅固性好，同時滿足瀝青混合料用細集料的亞甲藍值(不大于25 g/kg)的要求。爐渣基本物理性能如表1所示。

表1 爐渣基本物理性能

1.2 微觀形態

為了解爐渣的微觀結構，對爐渣進行制樣前取樣，采用掃描電鏡進行分析，爐渣電鏡掃描圖如圖1所示。爐渣類似于海綿狀，表面粗糙，呈不規則角狀，有大量孔隙，孔隙直徑較大，印證了爐渣吸水率大的特點。由圖1(b)可知，爐渣部分位置晶體生長良好，主要為針狀、棒狀和粒狀晶體。

(a) 放大500倍形態

1.3 環保性質

根據《固體廢物22種金屬元素的測定電感耦合等離子體發射光譜法》(HJ 781—2016)[7]對爐渣浸出液進行重金屬含量測定，爐渣重金屬浸出含量分析如表2所示。測定的6種重金屬浸出值均小于國家標準控制要求，說明爐渣對環境造成影響較小，滿足國家環保的要求，可以用作道路材料。

表2 爐渣重金屬浸出含量分析 (mg/L)

2 爐渣在道路工程中的資源化利用

爐渣的成分、工程特性與天然集料具有較大相似性，結合環保指標的檢測結果表明，爐渣的資源化利用是可行的。在道路工程中，集料用料巨大，爐渣作為一種輕質、抗壓強度好、性能穩定的材料，若能夠用于道路工程，不僅可以消耗大量的爐渣集料，緩解爐渣日漸增加的壓力，還可以緩解資源緊缺的狀態。

2.1 爐渣在路基中的資源化利用

道路路基工程中，由于路基挖填方量較大、層位較多，所需路基填料量巨大，通過對不同爐渣摻量穩定土進行擊實試驗和路用性能檢測試驗，可以研究爐渣穩定土路基的路用性能。

爐渣穩定土擊實特性如圖2所示。室內擊實試驗表明，當爐渣摻量不大于30%時，隨著爐渣摻量的增加，爐渣穩定土的最大干密度逐漸增加，最佳含水率也逐漸增加，但當爐渣穩定土超過最佳含水率后，最大干密度急劇下降，由此可見爐渣穩定土若含水率過大，對其性能存在較大影響，施工應嚴格控制爐渣穩定土的含水率。

根據擊實試驗結果制備爐渣穩定土試件，參照《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)[8]進行路用性能試驗，爐渣穩定土路用性能試驗結果如圖3所示。

爐渣穩定土相關指標如表3所示，爐渣綜合穩定土路基承載比指標如表4所示。

表4 爐渣綜合穩定土路基承載比指標

(a) 含水率與干密度關系

(a) 承載比

表3 爐渣穩定土相關指標

由圖3可知，隨著爐渣摻量的增加，爐渣穩定土無側限抗壓強度整體呈增大趨勢；當爐渣摻量為25%時，爐渣穩定土無側限抗壓強度較大，承載比、回彈模量均滿足公路施工技術規范要求，因此，當爐渣摻量為25%時，爐渣穩定土在路基具備較高的抗壓強度和承載能力。

2.2 爐渣在基層中的資源化利用

采用爐渣摻量為0%、15%、20%、25%、30%、35%、40%的7種混合料級配，制備爐渣水泥穩定碎石。爐渣水泥穩定碎石級配設計如圖4所示。

圖4 爐渣水泥穩定碎石級配設計注：圖中比例為各檔料的質量比，即水泥穩定碎石1號料∶2號料∶爐渣∶4號料。

不同爐渣摻量的爐渣水泥穩定碎石，摻加爐渣的爐渣水泥穩定碎石水穩定性均劣于未摻加爐渣的爐渣水泥穩定碎石，但爐渣摻量為20%左右可保持良好的水穩定效果；隨著爐渣摻量的增加，養生7 d、90 d的爐渣水泥穩定碎石劈裂強度降低，仍滿足規范要求；隨著爐渣摻量的增加，爐渣水泥穩定碎石的溫縮系數、干縮系數整體呈上升趨勢，在爐渣摻量為25%時達到最優的抗溫縮效果。

通過室內無側限抗壓強度試驗、劈裂試驗、干縮試驗和溫縮試驗等相關試驗對爐渣水泥穩定碎石基層進行了相關室內試驗研究，爐渣水泥穩定碎石路用性能如圖5所示。

綜合不同爐渣摻量爐渣水泥穩定碎石無側限抗壓強度、劈裂強度和抗收縮性能試驗結果，爐渣摻量為20%～30%時爐渣水泥穩定碎石各項指標均能滿足技術要求，能夠達到良好的效果。

2.3 爐渣在瀝青面層中的資源化利用

以爐渣細集料AC-20瀝青混合料為例，將爐渣細集料按0%、10%、15%、20%的質量比例替代石灰巖細集料制備爐渣瀝青混合料，對不同爐渣摻量瀝青混合料的體積指標、抗水損害性能、抗高溫變形性能、抗低溫開裂性能進行了試驗研究，爐渣瀝青混合料級配曲線如圖6所示。爐渣瀝青混合料體積指標如表5所示。

(a) 無側限抗壓強度

圖6 爐渣瀝青混合料級配曲線

表5 爐渣瀝青混合料體積指標 (%)

由表5可知，爐渣瀝青混合料與不摻加爐渣的AC-20瀝青混合料相比，爐渣瀝青混合料的油石比略增大，增幅約0.2%；隨著爐渣摻量的增加，爐渣瀝青混合料試件的空隙率逐漸增大，說明隨著爐渣摻量的增加，爐渣瀝青混合料越來越難壓實，為了獲得相同的目標空隙率，爐渣摻量越大的爐渣瀝青混合料所需要的最佳油石比越大或所需要的壓實功越大。

根據配合比設計結果，制備爐渣瀝青混合料試件進行路用性能試驗，包括凍融劈裂試驗、動穩定度試驗、低溫性能試驗。爐渣瀝青混合料路用性能如圖7所示。爐渣摻量不同，爐渣瀝青混合料的抗水損害性能、抗高溫變形性能和抗低溫開裂性能均不同。爐渣摻量為20%時，爐渣瀝青混合料的凍融劈裂強度和最大彎拉應變達到最大值；當爐渣摻量為10%時，爐渣瀝青混合料的動穩定度達到最大值，綜上，推薦爐渣瀝青混合料中爐渣的最佳摻量為20%。

(a) 凍融劈裂強度

結合爐渣在道路工程各結構層的室內試驗研究結果，生活垃圾焚燒爐渣應用于道路工程，可以提高路基承載力，減少石灰用量；其應用于水穩基層，爐渣水泥穩定碎石強度和抗裂性能良好；其在瀝青面層中替代細集料使用，爐渣瀝青混合料水穩定性、高溫穩定性和低溫抗裂性能良好。

3 工程應用評價

3.1 應用性能評價

為進一步了解爐渣在道路工程中的應用性能及效果，對爐渣在路基、基層、路面的應用分別進行試驗段鋪筑。爐渣土試驗段依托南京市浦口區雨發生態園園區道路。考慮道路等級和使用層位，在K0+000～K0+150摻加20%爐渣和2%石灰(石灰爐渣土)，在K0+150～K0+300摻加20%爐渣和2%水泥(水泥爐渣土)。施工后對路基彎沉和壓實度進行檢測。爐渣土的單點彎沉值如圖8所示。爐渣土應用后，路基土的壓實度約94%，表明爐渣與土結合良好，具有較好的壓實性；爐渣土路基單點彎沉值均在100(0.01 mm)以內，表明承載能力良好。

圖8 爐渣土的單點彎沉值

爐渣水泥穩定碎石試驗段依托南京市浦口區農村公路提檔升級工程，以爐渣摻量25%應用于孟家圩防洪通道、曉汊線和江農線3條農村公路試驗段，水穩試驗段現場所取芯樣完整性均較好，芯樣表面較為光滑，成型情況良好。

爐渣瀝青混合料試驗段依托工程南京市浦口區雨發生態園園區道路，以爐渣摻量20%應用于試驗段瀝青路面下面層，爐渣瀝青混合料面層壓實度與滲水系數如圖9所示。

(a) 壓實度

爐渣瀝青混合料鋪筑效果良好，檢測指標均滿足規范要求。

3.2 經濟效益評價

現階段，生活垃圾焚燒爐渣在道路工程中主要應用在道路路基中替代黏土、基層中替代石屑、面層中替代細集料。爐渣在道路路基中應用可以減少路基中石灰的摻量，且原設計石灰摻量越高，節約比例越高；爐渣在道路基層中可以全部替代石屑，同時可以減少水泥用量；爐渣在瀝青面層中，摻加10%爐渣的瀝青混合料與常規瀝青混合料的經濟性相比，經濟效果與之相當，但隨著山體開采逐漸嚴格，石料價格越來越高，爐渣在瀝青面層中應用經濟效益優勢越來越明顯。同時，生活垃圾焚燒爐渣的應用也可以減少爐渣的堆置費用等，具有間接經濟效益。綜上所述，爐渣在道路路基、基層、面層中應用經濟效益具有顯著優勢。

4 結論

爐渣的材料性質與天然集料相當，爐渣重金屬含量均小于國標控制要求，對環境造成污染較小。生活垃圾焚燒爐渣可應用于道路工程中，爐渣應用于路基中可以提高路基承載力，減少石灰用量；爐渣應用于水穩基層中，基層強度和抗裂性能良好；爐渣在瀝青面層中替代細集料使用，瀝青面層水穩定性、高溫穩定性和低溫抗裂性能良好。爐渣在道路工程中使用可以減少對自然資源的開采，保護自然環境，同時，充分利用廢棄資源，實現了廢棄資源的循環利用，具有顯著的環境效益和社會效益，實現了公路建設的可持續發展。