一种多孔炉渣沥青混合料及其配合比设计方法与流程

本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种能够充分利用炉渣集料，为多孔沥青混合料提供质优价廉的集料，缓解集料供需矛盾，减少环境破坏，可切实提高炉渣的资源化利用率和利用水平的多孔炉渣沥青混合料及其配合比设计方法。

背景技术：

炉渣集料是采用出炉后的生活垃圾焚烧炉渣(以下简称炉渣)，经预处理后加工制成的一种可用于道路工程领域的人工集料。尽管炉渣集料的主要化学成分以及主要矿物组成与天然矿质集料相似，但由于其微观上为典型的海绵状多孔结构，所以与天然矿质集料相比，存在吸水率较高、密度和强度较低的缺点。国内外的研究与实践证实，在传统密级配沥青混合料掺用炉渣集料，不仅导致设计沥青用量偏高、混合料性能不稳定等问题；而且，炉渣集料的实际利用率也非常低(一般推荐利用率仅为10％左右)，远远没有达到炉渣资源化利用的预期目标。

在国家大力推行海绵城市建设的浪潮中，透水路面以其良好的透气性、透水性、降噪性与抗滑性，成为了建设主力军，并已经在多座城市成功应用。同时，多孔沥青混合料作为一类专门用于透水路面面层和基层的新兴环保型材料，亦受到业内外的青睐。多孔沥青混合料是一种含有较多空隙(一般大于15％)的沥青混合料，主要作为功能材料使用，起到排水、降噪及抗滑等作用，因而其强度要求相比于密级配沥青混合料要低一些。按照我国海绵城市的建设要求，到2030年，城市建成区80％以上的面积要实现70％的降雨就地消纳和利用的目标。这就意味着，多孔沥青混合料作为一种环境友好型路面材料，必然在我国得到更广泛的应用。而且，在环保先行的大背景下，由此产生的天然矿质集料市场的供需矛盾亦会愈加突出。为了解决目前炉渣集料在传统沥青混合料中存在资源化利用率低，大力发展多孔沥青混合料存在优质集料需求量大的问题，并鉴于鲜有针对炉渣集料应用于多孔沥青混合料的研究，故急切需要研发多孔炉渣沥青混合料以及其配合比的设计方法。

技术实现要素：

为了解决目前炉渣集料在传统沥青混合料中存在资源化利用率低，大力发展多孔沥青混合料又存在优质集料需求量大，且现有研究成果尚不足以支撑多孔炉渣沥青混合料技术发展的问题，本发明提供一种能够充分利用炉渣集料，为多孔沥青混合料提供质优价廉的集料，缓解集料供需矛盾，减少环境破坏，可切实提高炉渣的资源化利用率和利用水平的多孔炉渣沥青混合料及其配合比设计方法。

本发明所采用的技术方案是：该多孔炉渣沥青混合料包括天然矿质集料、炉渣集料、沥青、纤维和矿粉，其特征在于：所述天然矿质集料与炉渣集料共计96.5质量份，矿粉3.5质量份，沥青4.9～7.6质量份，纤维0.3～0.5质量份。

所述炉渣集料按照粒径分为三组，第一组炉渣集料的粒径为4.75～9.5mm，第二组炉渣集料的粒径为2.36～4.75mm，第三组炉渣集料的粒径为0.075～2.36mm。

所述多孔炉渣沥青混合料的配合比设计方法包括如下步骤：

步骤一、按照马歇尔试验方法，进行未掺配炉渣集料的多孔沥青混合料配合比设计，得到满足设计要求的一组最优矿料级配及最佳沥青用量v，并以此组最优矿料级配作为进行多孔炉渣沥青混合料配合比设计的基础矿料级配；

步骤二、将经预处理的炉渣进行筛分，得到三组不同粒径：4.75～9.5mm、2.36～4.75mm、0.075～2.36mm的炉渣集料；三组炉渣集料分别为a、b和c；

步骤三、炉渣集料基本性能试验；粒径为4.75～9.5mm和2.36～4.75mm的两组炉渣主要进行压碎值、坚固性和吸水率等性能试验；粒径为0.075～2.36mm的一组炉渣集料主要进行坚固性等性能试验；

步骤四、选定初试替代率；根据使用炉渣集料的实际需求，结合混合料设计要求及工程经验，为三组炉渣集料各选定一组初试替代率，并按照由小到大的顺序把各组初试替代率进行排序，依次为1号替代率、2号替代率、……、n号替代率；

步骤五、分别确定使用三组炉渣集料的多孔沥青混合料，在不同替代率下的最佳沥青用量；

步骤六、对所设计的多孔炉渣沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和透水性能等进行室内试验检验；

步骤七、将步骤六得到的三组试验结果，分别与多孔沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和透水性能等技术要求进行对比分析，将能够满足上述所有技术要求的替代率，作为该组炉渣集料在多孔沥青混合料中的最佳替代率；并且，采用相同的方法，获得其他两组炉渣集料在多孔沥青混合料中的最佳替代率，进而得到三种粒径炉渣集料在多孔沥青混合料中的最佳利用方案，即满足设计要求的多孔炉渣沥青混合料。

所述步骤四，三组不同粒径炉渣集料各选定的一组初试替代率的数量为3～5个，且对于三种粒径的炉渣集料，所选定的各组初试替代率可以是相同的、也可以是不同的。

所述步骤五和步骤六之间，还包括步骤八，在保持基础矿料级配不变的前提下，任取其中一组炉渣集料a，首先以最低的1号初试替代率替代相同粒径的天然矿质集料，与其组成“炉渣集料-矿质集料”级配ja1，并确定其最佳沥青用量a1；具体方法如下：按照马歇尔试验方法，以步骤一中得到的多孔沥青混合料的最佳沥青用量v为中间值，并以一定间隔上下浮动、形成一组五个试验沥青用量，制备标准马歇尔试件；并通过析漏试验和飞散试验结果综合确定多孔沥青混合料使用a组炉渣集料、在采用1号初试替代率下的最佳沥青用量a1。

所述步骤五和步骤六之间，还包括步骤九，取与步骤八中同组的炉渣集料a，以2号初试替代率替代相同粒径的天然矿质集料，与其组成“炉渣集料-矿质集料”级配ja2，并确定其最佳沥青用量a2；方法如下：首先分析步骤八中的多孔炉渣沥青混合料的最佳沥青用量a1，与普通多孔沥青混合料的最佳沥青用量v之间的差值，若|a1-v|≤0.2％，则直接以a1为中间值，以一定间隔上下浮动、形成一组五个试验沥青用量；若|a1-v|＞0.2％，则对a1进行适当调增后作为中间值，以一定间隔上下浮动、形成一组五个试验沥青用量；在本组试验沥青用量确定之后，采用与步骤八中相同的方法，确定多孔沥青混合料使用a组炉渣集料、在采用2号炉渣替代率下的最佳沥青用量a2。

所述步骤五和步骤六之间，还包括步骤十，取与步骤八中同组的炉渣集料a，以3号初试替代率替代相同粒径的天然矿质集料，与其组成“炉渣集料-矿质集料”级配ja3，确定本试验组的最佳沥青用量a3；方法如下：分析步骤九中多孔炉渣沥青混合料的最佳沥青用量a2，与普通多孔沥青混合料的最佳沥青用量v之间的差值，若|a2-v|≤0.2％，则直接以a2为中间值，以一定间隔上下浮动形成一组五个试验沥青用量；若|a2-v|＞0.2％，则对a2进行适当调增后作为中间值，以一定间隔上下浮动形成一组五个试验沥青用量；在本组试验沥青用量确定后，采用与步骤八中相同方法，确定多孔沥青混合料使用a组炉渣集料、在采用3号炉渣替代率下的最佳沥青用量a3。

所述步骤五和步骤六之间，还包括步骤十一，按照步骤十中相同的方法，以前一组确定的最佳沥青用量与普通多孔沥青混合料的最佳沥青用量v之间的差值为判定条件，确定好本组试验沥青用量的中间值后，以一定间隔上下浮动形成一组五个试验沥青用量；然后，通过析漏试验和飞散试验结果确定多孔沥青混合料使用a组炉渣集料、在依次采用4号、……、n号初试替代率下的最佳沥青用量a4、……、an。

所述步骤五和步骤六之间，还包括步骤十二，按照步骤八～步骤十一所述的方法，确定所设计的多孔沥青混合料分别使用另外两组炉渣集料(炉渣集料b和炉渣集料c)、在不同初试替代率下的最佳沥青用量b1、b2、……、bn和c1、c2、……、cn。

本发明的有益效果：该多孔炉渣沥青混合料及其配合比设计方法，基于多孔沥青混合料对环境功能要求高、对强度要求较低的特点，将不同粒径的炉渣集料用于多孔沥青混合料，充分利用并发挥了炉渣集料的多孔构造特性以及强度一般的基本性质，不仅解决了炉渣在传统沥青混合料中利用率低、对混合料性能影响大的问题，而且还可为多孔沥青混合料提供质优价廉的集料，缓解了集料供需矛盾、减少了环境破坏，切实提高了炉渣的资源化利用率与利用水平。同时，本发明提出的多孔炉渣沥青混合料配合比设计方法，有利于多孔炉渣沥青混合料技术在我国的进一步发展与推广应用。本发明的多孔炉渣沥青混合料及其配合比设计方法突破了以往炉渣集料按照级配组成使用的方法，提出了区分粒径、分别利用的理念，以《公路沥青路面施工技术规范》(jtgf40-2004)和《透水沥青路面技术规程》(cjj/t190-2012)中对多孔沥青混合料的技术要求为目标，通过试验确定了4.75～9.5mm、2.36～4.75mm和0.075～2.36mm三种粒径炉渣集料，在多孔沥青混合料中的最佳替代率，进而使所设计的多孔炉渣沥青混合料满足要求，并为相关混合料的设计提供了新的思路。

附图说明

图1是本发明的多孔炉渣沥青混合料配合比设计方法的流程图。

具体实施方式

该多孔炉渣沥青混合料包括天然矿质集料、炉渣集料、沥青、纤维和矿粉，天然矿质集料与炉渣集料共计96.5质量份，矿粉3.5质量份，沥青4.9～7.6质量份，纤维0.3～0.5质量份。其中，多孔炉渣沥青混合料为pac型沥青混合料。天然矿质集料中、粒径≥2.36mm的粗集料选用玄武岩集料，粒径＜2.36mm的细集料选用石灰岩集料。沥青为高粘改性沥青，同时，沥青须满足60℃动力粘度≥30000pa·s的要求。纤维为聚丙烯纤维，质量符合《公路沥青路面施工技术规范》(jtgf40-2004)的技术要求。矿粉为石灰岩矿粉，质量符合《公路沥青路面施工技术规范》(jtgf40-2004)的技术要求。

炉渣集料按照粒径分为三组，第一组炉渣集料的粒径为4.75～9.5mm，第二组炉渣集料的粒径为2.36～4.75mm，第三组炉渣集料的粒径为0.075～2.36mm。并且，三组炉渣集料并不是同时使用，而是按照粒径分别以最佳替代率与天然矿质集料掺配使用。

多孔炉渣沥青混合料的配合比设计方法包括如下步骤：

步骤一、首先，通过性能试验对天然矿质集料、沥青、纤维和矿粉等原材料进行优选；并根据应用地区的降雨特征和使用要求，确定多孔沥青混合料的目标空隙率。然后，进行普通多孔沥青混合料配合比设计：按照马歇尔试验方法，进行未掺配炉渣集料的多孔沥青混合料的矿料配合比设计，得到满足设计要求的一组最优矿料级配及最佳沥青用量v，并以此组最优矿料级配作为进行多孔炉渣沥青混合料配合比设计的基础矿料级配。

步骤二、制备炉渣集料。将经预处理的炉渣进行筛分，得到三组不同粒径：4.75～9.5mm、2.36～4.75mm、0.075～2.36mm的炉渣集料；并设定三组炉渣集料分别为a、b和c。

步骤三、炉渣集料的基本性能试验。按照《透水沥青路面技术规程》(cjj/t190-2012)对粗集料的要求，对粒径为4.75～9.5mm和2.36～4.75mm的两组炉渣集料主要进行压碎值、坚固性和吸水率等的性能试验。按照《透水沥青路面技术规程》(cjj/t190-2012)的要求，对粒径为0.075～2.36mm的一组炉渣集料主要进行坚固性等的性能试验。同时，以上炉渣集料的各项性能指标，须符合《透水沥青路面技术规程》中的相关技术要求。

步骤四、选定初试替代率。根据使用炉渣集料的实际需求，且结合混合料设计要求及工程经验，为三组炉渣集料各选定一组初试替代率，并按照由小到大的顺序把各组初试替代率进行排序，依次为1号替代率、2号替代率、……、n号替代率。每种粒径炉渣集料的一组初试替代率一般为3～5个，因此n＝3或5；能够理解的是，根据具体的使用需要，对于三种粒径的炉渣集料，所选定的各组初试替代率可以是相同的、也可以是不同的。

步骤五、分别确定使用三组炉渣集料的多孔沥青混合料，在不同替代率下的最佳沥青用量。在保持基础矿料级配不变的前提下，采用其中任一组炉渣集料、并以初试替代率分别替代多孔沥青混合料中相同粒径的天然矿质集料，以形成每个初试替代率下的“炉渣集料-矿质集料”级配。每组3～5个初试替代率相应形成3～5个“炉渣集料-矿质集料”级配。采用马歇尔试验方法，制备每个“炉渣集料-矿质集料”级配的成型试件，同时，通过析漏试验和飞散试验结果综合确定每个炉渣替代率下混合料的最佳沥青用量。

步骤六、多孔炉渣沥青混合料的路用性能与透水性能的室内试验检验。采用《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)中的规定方法，对所设计的多孔炉渣沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和透水性能等进行室内试验检验。

步骤七、确定各组炉渣集料的最佳替代率。将步骤六得到的三组试验结果，分别与多孔沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和透水性能等技术要求进行对比分析，将能够满足上述所有技术要求的替代率，作为该组炉渣集料在多孔沥青混合料中的最佳替代率。并且，采用相同的方法，获得其他两组炉渣集料在多孔沥青混合料中的最佳替代率，进而得到三种粒径炉渣集料在多孔沥青混合料中的最佳利用方案，即满足设计要求的多孔炉渣沥青混合料。

步骤五和步骤六之间，还包括步骤八～步骤十二。

步骤八、在保持基础矿料级配不变的前提下，任取其中一组炉渣集料a，首先以最低的1号初试替代率替代相同粒径的天然矿质集料，与其组成“炉渣集料-矿质集料”级配ja1，并确定其最佳沥青用量a1；具体方法如下：按照马歇尔试验方法，以步骤一中得到的多孔沥青混合料的最佳沥青用量v为中间值，并以一定间隔上下浮动(例如：可以是±0.5％～±1.0％)、形成一组五个试验沥青用量，制备标准马歇尔试件。并且，通过析漏试验和飞散试验结果综合确定多孔沥青混合料使用a组炉渣集料、在采用1号初试替代率下的最佳沥青用量a1。

步骤九、取与步骤八中同组的炉渣集料a，以2号初试替代率替代相同粒径的天然矿质集料，与其组成“炉渣集料-矿质集料”级配ja2，并确定其最佳沥青用量a2。具体方法如下：首先，分析步骤八中的多孔炉渣沥青混合料的最佳沥青用量a1，与普通多孔沥青混合料的最佳沥青用量v之间的差值(沥青用量是以百分比表示的)，若|a1-v|≤0.2％，则直接以a1为中间值，以一定间隔上下浮动(例如：可以是±0.5％～±1.0％)、形成一组五个试验沥青用量；若|a1-v|＞0.2％，则对a1进行适当调增后作为中间值，以一定间隔上下浮动(例如：可以是±0.5％～±1.0％)、形成一组五个试验沥青用量。在本组试验沥青用量确定之后，采用与步骤八中相同的方法，确定多孔沥青混合料使用a组炉渣集料、在采用2号炉渣替代率下的最佳沥青用量a2。

步骤十、取与步骤八中同组的炉渣集料a，以3号初试替代率替代相同粒径的天然矿质集料，与其组成“炉渣集料-矿质集料”级配ja3，并采用步骤九中的类似方法，确定本试验组的最佳沥青用量a3。具体方法如下：分析步骤九中多孔炉渣沥青混合料的最佳沥青用量a2，与普通多孔沥青混合料的最佳沥青用量v之间的差值，若|a2-v|≤0.2％，则直接以a2为中间值，以一定间隔上下浮动(例如：可以是±0.5％～±1.0％)形成一组五个试验沥青用量；若|a2-v|＞0.2％，则对a2进行适当调增后作为中间值，以一定间隔上下浮动(例如：可以是±0.5％～±1.0％)形成一组五个试验沥青用量。在本组试验沥青用量确定后，采用与步骤八中相同的方法，确定多孔沥青混合料使用a组炉渣集料、在采用3号炉渣替代率下的最佳沥青用量a3。

步骤十一、按照步骤十中相同的方法，以前一组确定的最佳沥青用量与普通多孔沥青混合料的最佳沥青用量v之间的差值为判定条件，确定好本组试验沥青用量的中间值后，以一定间隔上下浮动(例如：可以是±0.5％～±1.0％)形成一组五个试验沥青用量；然后，通过析漏试验和飞散试验结果确定多孔沥青混合料使用a组炉渣集料、在依次采用4号、……、n号初试替代率下的最佳沥青用量a4、……、an。

步骤十二、按照步骤八～步骤十一的方法，确定所设计的多孔沥青混合料分别使用另外两组炉渣集料(炉渣集料b和炉渣集料c)、在不同初试替代率下的最佳沥青用量b1、b2、……、bn和c1、c2、……、cn。

实施例

首先，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)中规定的标准方法，进行玄武岩粗集料、石灰岩细集料、石灰岩矿粉、聚丙烯纤维和高粘度改性沥青的性能试验。各原材料试验结果与技术要求如表1～表5所示。

表1实施例中玄武岩粗集料性能指标测定结果与技术要求

表2实施例中石灰岩细集料性能指标测定结果与技术要求

表3实施例中石灰岩矿粉性能指标测定结果与技术要求

表4实施例中聚丙烯纤维性能指标测定结果与技术要求

表5实施例中高粘改性沥青技术指标测定结果与技术要求

由表1～表5中数据可知，实施例中选用的玄武岩粗集料、石灰岩细集料、石灰岩矿粉、聚丙烯纤维和高粘度改性沥青的质量均符合《透水沥青路面试验规程》(cjj/t190-2012)和《公路沥青路面施工技术规范》(jtgf40-2004)。

然后，以江苏省南京市作为使用地，依据南京市近十年的年均降雨量，通过计算确定多孔沥青混合料的目标空隙率范围为19～25％。

采用马歇尔试验方法进行未掺加炉渣集料的细粒式多孔沥青混合料(pac-13)的配合比设计，从而得到pac-13型多孔沥青混合料的最优矿料级配及最佳沥青用量。各组分的质量份如下：玄武岩粗集料和石灰岩细集料共计96.5份、石灰岩矿粉3.5份、高粘改性沥青4.8份、聚丙烯纤维0.35份。

之后，再采用机械筛分法将经预处理后的炉渣制备成粒径分别为4.75～9.5mm、2.36～4.75mm和0.075～2.36mm的三组炉渣集料。对得到的三组炉渣集料分别进行基本性质试验，结果如表6～表8所示。

表6实施例中三组炉渣集料的元素组成

注：本表中列出的17种元素是生活垃圾焚烧炉渣中的主要元素，占总质量的99.7％以上

表7实施例中三组炉渣集料的主要矿物组成

表8实施例中三组炉渣集料的基本工程性质

由表6～表8中数据可知，实施例中制备的三组炉渣集料的主要组成元素为钙(ca)、硅(si)、铝(al)，主要矿物组成为方解石(caco3)和石英(sio2)，与公路工程中常用的玄武岩粗集料和石灰岩细集料相近。同时，三组炉渣集料的基本工程性质也均与玄武岩粗集料和石灰岩细集料相近。但因炉渣集料的多孔特性，导致其表观密度、压碎值和坚固性三项指标较之玄武岩粗集料和石灰岩细集料略小，而吸水率略高。

根据炉渣集料的上述基本性质，以及本次设计多孔炉渣沥青混合料的目标，初步选定每组炉渣集料分别以20％、30％、50％和70％四个初试替代率，来替代相同粒径玄武岩粗集料或石灰岩细集料用于多孔沥青混合料。

随后，保持基础矿料级配不变，将粒径为4.75～9.5mm的一组炉渣集料，首先采用20％初试替代率替代相同粒径的玄武岩集料用于已设计好的多孔沥青混合料，以形成“炉渣集料-矿质集料”级配ja1。

接着，采用马歇尔试验方法，成型含20％质量份(4.75～9.5mm)炉渣集料的多孔炉渣沥青混合料的标准马歇尔试件。然后，通过析漏试验和飞散试验结果，综合确定其最佳沥青用量a1＝5.5％。

保持基础矿料级配不变，将粒径为4.75～9.5mm的一组炉渣集料，采用30％初试替代率替代相同粒径的玄武岩集料用于已设计好的多孔沥青混合料，以形成“炉渣集料-矿质集料”级配ja2。同时，分析上一组多孔炉渣沥青混合料的最佳沥青用量a1＝5.5％，与普通沥青混合料的最佳沥青用量v＝4.8％之间的差值为0.7％＞0.2％，因此对a1进行0.4％的调增后作为中间值，取4.9％、5.4％、5.9％、6.4％、6.9％为一组实验沥青用量。成型试件分别进行析漏试验和飞散试验，确定最佳沥青用量a2＝5.8％。

继续采用上一步所示的方法，通过试验依次确定多孔沥青混合料采用4.75～9.5mm炉渣集料、初试替代率分别在50％和70％时，对应混合料的最佳沥青用量a3＝6.5％，a4＝7.6％。

并且，采用上述所示相同方法，通过试验依次确定多孔沥青混合料分别采用2.37～4.75mm和0.075～2.36mm炉渣集料、初试替代率为20％、30％、50％和70％时，所设计的多孔炉渣沥青混合料的最佳沥青用量；结果如表9所示。

表9实施例中多孔炉渣沥青混合料的最佳沥青用量

然后，采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)规定的试验方法，对所设计的多孔炉渣沥青混合料进行室内路用性能与透水性能进行试验，试验结果如表10～表12所示。

表10实施例中多孔沥青混合料掺配4.75～9.5mm炉渣集料的性能测试结果

表11实施例中多孔沥青混合料掺配2.36～4.75mm炉渣集料的性能测试结果

表12实施例中多孔沥青混合料掺配0.075～2.36mm炉渣集料的性能测试结果

将表10～表12中试验结果与《公路沥青路面施工技术规范》(jtgf40-2004)和《透水沥青路面技术规程》(cjj/t190-2012)中的相应技术要求进行一一对照，综合判定多孔炉渣沥青混合料中使用4.75～9.5mm炉渣集料的最佳替代率为30％、使用2.36～4.75mm炉渣集料的最佳替代率为50％、使用0.075～2.36mm炉渣集料的最佳替代率为30％。

以上多孔炉渣沥青混合料的室内性能试验结果表明：本实施例中所设计的pac-13型多孔沥青混合料分别使用替代率为30％的4.75～9.5mm炉渣集料、替代率为50％的2.36～4.75mm炉渣集料以及替代率为30％的0.075～2.36mm炉渣集料，其综合性能满足《公路沥青路面施工技术规范》(jtgf40-2004)和《透水沥青路面技术规程》(cjj/t190-2012)中的技术要求。说明三种粒径的炉渣集料在满足现行技术要求的前提下均得到了最大限度的利用。因此，将炉渣集料按照其粒径大小进行差异化利用，可以在确保多孔炉渣沥青混合料各项性能在满足相关技术要求的前提下，充分利用炉渣集料，不仅利于提高炉渣的资源化利用率，保证了所设计的多孔炉渣沥青混合料满足使用要求，而且降低了多孔沥青混合料对天然矿质集料的依赖程度，为缓解集料供需矛盾提供了有效的解决方案。