随着城市化进程的不断加快，生活中产生的大量垃圾需得到妥善处理。焚烧是达到减量化、无害化、资源化处理生活垃圾的最为妥善的处理技术^[1-2]。焚烧中产生的飞灰是生活垃圾焚烧厂烟气净化系统的捕集物和烟道及烟囱底部沉降的底灰。截止2014年底，全国每天产生的焚烧飞灰约5 874 t。焚烧飞灰中含有二噁英类和重金属等有毒有害物质^[3-5]，我国将其列为《国家危险废物名录》中的HW18类危险废物，处置不当会直接威胁地下水体、周围生态环境及人类健康。因此，开发环境友好、符合我国经济发展的垃圾焚烧飞灰处置技术，从根本上改变飞灰处置现状，突破当前垃圾焚烧行业能源、环境、资源三者之间的矛盾，成为中国垃圾焚烧行业可持续发展的重大战略需求。

针对现行城市生活垃圾焚烧飞灰储量大、处置成本高、资源化利用低的现状，本研究拟采用沥青裹覆飞灰、稳定飞灰，以期实现飞灰在沥青路面中的脱“危”应用。严建华^[6]、陆鲁^[7]认为沥青固化飞灰能够取得较好的效果。彭雯^[8]提出了飞灰应用于沥青混凝土中的想法。根据前期研究^[9-10]，飞灰添加到沥青混合料中，对其路用性能产生影响，其中影响较为严重的是水稳定性能。石灰岩矿粉是沥青路面最常用的粉状矿物填料，因此将其作为对照组，对比分析飞灰与沥青之间的相互作用，从飞灰/沥青胶浆的层面上研究飞灰的沥青路用可行性。飞灰粒径分布类似于矿粉，另外，飞灰与石灰岩矿粉相比的特殊物化性能为：飞灰碱性更高、表面多微孔、比表面积大、物相复杂、具有一定活性等。

城市生活垃圾焚烧飞灰分别由重庆某垃圾焚烧发电厂、重庆某环保发电有限公司、昆明某重钢再生能源发电有限公司、成都某环保公司提供，依次简称为同兴飞灰、丰盛飞灰、昆明飞灰、成都飞灰；沥青采用SK 70^#普通沥青；矿粉为畅阔石灰岩矿粉。

首先将SK 70^#沥青于鼓风烘箱中加热到流动态(140 ℃左右)；然后称取一定量(300 g左右)的沥青放入沥青盒中，并在140 ℃左右的加热套中于强力搅拌器搅拌(转速2 000转/min左右)下缓慢加入飞灰；加入完毕后，控制沥青的温度，使其在胶浆充分流动的状态下，均匀搅拌50~60 min，即制得飞灰/沥青胶浆。

在粉胶比(飞灰或者矿粉等粉料与沥青的质量比)为1时，延度、针入度以及软化点测试结果如表 1所示。

从表 1可知：

(1) SK 70^#沥青的15 ℃或25 ℃时的延度均＞100 cm。沥青中加入等质量的飞灰或矿粉后，其胶浆的延度大大降低，飞灰/沥青胶浆延度(均≤ 7 cm)降低程度更大，并呈现脆性断裂；随测试温度的升高，延度降低程度略有改善，但矿粉/沥青胶浆的改善程度更大，即其25 ℃延度为44.3 cm，相当于飞灰/沥青胶浆的6.33~13.03倍。从飞灰(或矿粉)/沥青胶浆延度急剧变小的现象表明，加入飞灰或矿粉后的粉料/沥青胶浆在原沥青胶浆单一相中引入了飞灰或矿粉，从而产生沥青与粉料界面的相互作用，且这种相互作用与沥青、飞灰或矿粉等物质的物化性能相关，如碱性更大的飞灰与酸性的沥青分子间的黏聚力更大，更不易舒展。因此这种界面相互作用促使飞灰/沥青胶浆的延度急剧减小。另一方面沥青中掺入粉状物后，原本均相的沥青被细小颗粒的粉状物隔开，当拉伸时，在沥青与粉状物颗粒的界面处形成应力集中现象，所以胶浆易被拉断。对于矿粉和飞灰而言，矿粉密度较大(矿粉密度约为2.705 g·cm^-3，飞灰密度约为2.624 g·cm^-3)。相对而言，相同的粉胶比下，矿粉的颗粒数较少，应力集中现象相对小，所以矿粉/沥青胶浆较飞灰/沥青胶浆的低温延度较好。另外，与矿粉相比，飞灰表面孔隙多，不仅能够吸收沥青中具有黏结力的组分，降低沥青本身的黏结力，而且因其表面能大，飞灰/沥青胶浆体系结合更加牢固，体系的内聚(拉伸)强度更大，其塑性变形能力更差，因此延度更小。

(2) SK 70^#沥青的25 ℃针入度为6.9 mm；加入等质量的飞灰后，其胶浆的针入度大大降低，降低程度为59.7%~71.2%；加入等质量的矿粉后，其胶浆的针入度降低35.6%。这说明加入飞灰或者矿粉后，沥青的稠度或者黏度有所增加，抵抗高温变形能力增强。又因飞灰比表面积大(为矿粉的3倍左右)，与沥青的接触面积大，故飞灰/沥青胶浆的稠度更大，针入度更小。

(3) SK 70^#沥青的软化点为52.9 ℃；加入等质量飞灰后，其胶浆软化点提高了16.2%~35.7%；加入等质量矿粉后，其胶浆软化点提高了5.1%。进一步说明加入飞灰后，沥青的热稳定性提高程度更大。

(4) 不同地区、不同厂家、不同时期的飞灰对沥青胶浆延度、针入度以及软化点的影响效果一致，这与飞灰产生途径相关。这4种飞灰的厂家均是采用炉排焚烧炉技术，飞灰均为烟气净化系统的捕集物和烟道及烟囱底部沉降的底灰；不同的是不同城市、不同时期的生活垃圾成分不同，造成飞灰组分上的差异，但其表观物理性能基本相似，其对沥青性能的影响效应相同。与矿粉相比，飞灰对沥青低温抗裂性能的恶化程度更高, 对高温性能的改善程度更优。

采用水煮法对飞灰与不同岩性集料之间的黏附性进行试验分析，其中粉胶比为1。结果如表 2所示。

从表 2可知，浸煮3 min时，沥青中添加碱性的飞灰、石灰石矿粉后，均能够提高沥青与酸性石料的黏附性，且两者效果相同。而当延长浸煮时间时，飞灰对于酸性集料与沥青的黏附性改善效果优于矿粉。因此，从抗剥落性能初步判断，加入飞灰的沥青混合料的抗水损害能力能够得到改善。另外，在浸煮20 min后，飞灰/沥青胶浆明显变薄，其与集料的剥离方式除了因黏附力减弱而剥离外，还出现因气泡破灭引起的剥离(飞灰微孔中空气的热膨胀)。

据SHRP研究成果介绍，沥青对高温车辙的贡献率为29%，对疲劳的贡献率为52%，对温度裂缝的贡献率为87%^[11-12]。在粉胶比为1时，不同粉料/沥青胶浆的DSR试验结果如图 1所示。另外，在粉胶比为1:1.1时，不同质量比例下的飞灰/矿粉沥青胶浆的DSR试验结果如图 2所示。

图 1 不同粉料种类沥青胶浆的G*，δ，G*/sin δ分别与温度的关系 Fig. 1 elationships of G*, δ, G*/sin δ with temperature respectively of asphalt mastic with different kinds of powder

图 2 不同飞灰/矿粉比例沥青胶浆的G*，δ，G*/sin δ分别与温度的关系图 Fig. 2 Relationships of G*, δ, G*/sin δ with temperature respectively of asphalt mastic with different proportions of fly ash and mineral powder

从图 1、图 2可知：

(1) 随着温度的升高，沥青本身的G^*与G^*/sin δ降低，表明随温度升高沥青劲度降低，抗变形能力减弱，易产生车辙病害；而δ先增大后降低，表明沥青本身的黏弹性随温度升高黏性先增加弹性后增加，即随温度升高变形恢复能力先减弱后增强。沥青具有温度敏感性。

(2) 沥青中加入飞灰或矿粉后，G^*与G^*/sin δ仍然随着温度的升高而降低，但降低速率增大，不仅表明粉料/沥青胶浆的抗变形能力随温度升高也降低，而且其温度敏感性增强；δ随着温度的升高而增加，表示粉料/沥青胶浆黏性/弹性成分比值增大，即弹性成分减小，产生变形后恢复的能力减弱，变形过程中不可恢复的部分增加，易产生永久性变形，高温性能随之下降。另外同一温度下粉料/沥青胶浆的G^*，G^*/sin δ与δ均增大，这说明粉料/沥青胶浆的劲度更大，抗车辙性能更强。

(3) 在相同温度下，各种飞灰/沥青胶浆的G^*与G^*/sin δ均大于矿粉/沥青胶浆，另外随着飞灰:矿粉(质量比)比例的增加，G^*与G^*/sin δ亦增大。这说明与矿粉相比，飞灰更能增强沥青胶浆的抗流动变形能力，也表示采用飞灰替代矿粉，能够增强沥青混合料的高温稳定性，提高抗车辙变形能力。因为与矿粉相比，飞灰表面多微孔，比表面积大，一方面飞灰微孔吸附沥青中的小分子，降低了颗粒间沥青膜的厚度，因此颗粒间滑动变形减少^[9]；另一方面飞灰与沥青产生较强的界面吸附作用，且飞灰中的Ca²⁺等强碱性物质与沥青中阴离子表面活性物质发生化学吸附生成不溶于水的、稳定的皂类吸附层^[13]，故沥青中加入飞灰后呈现出的物理与化学协同吸附作用提高了沥青胶浆的G^*与G^*/sin δ，从而提高沥青胶浆抵抗温度变形的能力。

在试验的温度范围内(58~82 ℃)，飞灰/沥青胶浆的δ与矿粉/沥青胶浆的δ区别不大，说明在试验温度范围内飞灰改性沥青的黏性成分和弹性成分比例的变化与矿粉改性沥青的黏性成分和弹性成分比例的变化差别不大。不同地区、不同时期的飞灰/沥青胶浆的G^*，G^*/sin δ，δ各不相同，与飞灰本身的物化性能的差异性有关。

(4) 随着粉胶比的减小，飞灰或矿粉/沥青胶浆的G^*与G^*/sin δ降低，δ增加，说明沥青含量越高，胶浆的抗变形能力与变形恢复能力越弱，变形过程中不可恢复的部分越多，越易产生车辙，与沥青本身的温度敏感性相关。因此在沥青混合料配合比设计阶段，为提高高温地区沥青路面的抗车辙能力，可适量降低混合料的油石比。

(5) 飞灰、矿粉等粉料对沥青胶浆的G^*/sin δ的改善程度如表 3所示。

从表 3可知，当粉胶比为1:1.1时，沥青中加入矿粉，对其高温稳定性的改善效果为-2.83%~18.23%，加入飞灰改善效果高达36.73%~61.21%；同一温度下，飞灰掺量越高，改善效果越佳；同一比例下，改善效果先降低后增加。测试温度为58 ℃时，沥青中加入矿粉，能够提高高温稳定性18.23%，当加入相同比例的飞灰时，则提高49.49%，约为矿粉的2.71倍；测试温度为64 ℃时，飞灰对沥青高温稳定性的提高程度约为矿粉的12.05倍；测试温度为76 ℃时，约为矿粉的48.88倍；测试温度为58~82 ℃时，平均值约为矿粉的16.96倍。可见，飞灰对沥青高温稳定性的改善效果显著，且温度越高效果越显著^[14-16]。

(6) 根据美国战略公路研究计划规范要求，试样在高温条件下剪切，原样沥青的G^*/sin δ不得小于1.0 kPa。高温临界温度是指车辙因子等于SHRP规范中临界值时的温度，即沥青结合料的G^*/sin δ=1 kPa时的温度。高温临界温度越高，沥青抗变形能力越强，高温稳定性越好。不同飞灰等粉料种类下的沥青胶浆以及同一飞灰种类而不同飞灰/矿粉比例下的沥青胶浆的DSR试验临界温度分别如表 4与表 5所示。

从表 4、表 5可知，对于高温临界温度，飞灰/沥青胶浆＞矿粉/沥青胶浆＞沥青；且随着粉胶比的减小，粉料/沥青胶浆的高温临界温度相应减小；随着飞灰掺量的增加，粉料/沥青胶浆的高温临界温度增大。以上结论与2.3节(1)~(5)反映的规律一致。

在粉胶比为1:1时，不同地区、不同时期的飞灰/沥青胶浆的BBR试验(试验温度为-12 ℃)结果如表 6所示。另外，在粉胶比为1:1.1时，不同飞灰/矿粉比例下的试验结果如表 7所示。

从表 6、表 7可知：

(1) 随飞灰/矿粉(质量比)比例的增大，s依次增加，且s_{飞灰/沥青胶浆}＞s_{矿粉/沥青胶浆}＞s_沥青；m依次降低，且m_{飞灰/沥青胶浆}＜m_{矿粉/沥青胶浆}＜m_沥青。较之于沥青，飞灰/沥青胶浆的s增幅高达40.2%~93.4%，m减幅高达18.7%~28.0%；矿粉/沥青胶浆的s增幅约9.2%，m减幅度约8.4%；飞灰/沥青胶浆的s，m平均值约为矿粉/沥青胶浆的1.60倍、0.85倍。主要因为沥青胶浆中添加飞灰、矿粉等粉料后，沥青硬化，柔性变小；另外，飞灰表面多微孔、比重轻等特殊物化性能，飞灰加到沥青中后吸附大量的沥青轻质组分，使其对沥青的硬化程度高于矿粉，因此飞灰/沥青胶浆的应力松弛能力降低，抗低温开裂性能更差，与延度结果相符。在飞灰:矿粉小于3:1的范围内，粉料/沥青胶浆的s与m值均满足Superpave评价体系中的技术标准(m≥0.3，s≤300 MPa)，而当飞灰:矿粉比例为4:0时，粉料/沥青胶浆的s超过300 MPa，则此时其低温开裂的可能性较大。因此，飞灰替代矿粉在沥青混合料中应用应有一个低温情况下的最大掺量限制。

(2) 表 6中，5种飞灰/沥青胶浆的s均大于300 MPa，甚至有些超过了400 MPa，而矿粉/沥青胶浆的s值仅为250 MPa，这说明与矿粉相比，飞灰对沥青胶浆低温性能的影响程度更大，与飞灰本身的物化性能有关。又根据Superpave评价体系，沥青的s小于300 MPa时脆性较小，从而开裂的可能性也较小。由此说明飞灰/沥青胶浆的脆性较大，低温条件下更易引发开裂破坏，低温性能较差。

(3) 对于m值，Superpave评价体系中规定，其数值应不小于0.3。由表 6可知，无论是飞灰/沥青胶浆还是矿粉/沥青胶浆，其m值均符合要求。其中飞灰/沥青胶浆的m值数值相对小一些，这也说明当外界温度降低时，飞灰/沥青胶浆的m值变化更明显。

(4) 对比表 6与表 7可知，随着粉胶比的减小，粉料/沥青胶浆的蠕变劲度s降低，蠕变斜率m增大，说明沥青含量越高，胶浆的弹性成分越小、黏性成分越多，低温柔性和变形能力越好，松弛能力越强、低温性能越好，从而低温开裂的可能性也越小^[17-18]。不同地区、不同时期的飞灰/沥青胶浆的s，m各不相同，与飞灰本身的物化性能的差异性有关。

飞灰中的二噁英可采用低温热降解去除^[9]，而重金属则采用沥青稳固。以SK70^#普通沥青为沥青基体制备飞灰/沥青胶浆，进行重金属浸出浓度试验，该试验模拟翻转振荡状态下的短期快速浸出。将飞灰/沥青胶浆打碎过1 cm的筛进行测试，历时18 h，浸出液pH为3.2，液固比为10:1(沥青胶浆100 g，酸液1 000 mL)。同兴飞灰重金属含量如表 8所示，同兴飞灰及各种飞灰/沥青胶浆的重金属浸出浓度测试结果如表 9所示。

从表 9可知，在重金属浸出试验中，飞灰/沥青胶浆中仅能检出Cr，Ni，Cu，As，Hg，Zn，Pb，比未加沥青的同兴飞灰少检出了Mn，Co，Cd，Ba，但多检出了As；同兴飞灰掺量越多，重金属浸出浓度越大，但均小于原样同兴飞灰的重金属浸出浓度，说明沥青对飞灰中重金属具有稳定、固化作用，与沥青总表面能高(50×10^-3 N/m)^[19]、具有较强的黏结性有关。不同地区、不同厂家的飞灰在沥青胶浆中的稳定化效果大致相同。

当飞灰掺入沥青时，首先发生物理吸附，形成至少几个分子层厚的吸附层；然后发生选择性吸附：飞灰孔径为18 nm左右，沥青组分中的沥青质、胶质颗粒粒径分别为5~30 nm、1~5 nm，油分颗粒粒径更小，因此沥青中粒径较大、活性较大的沥青质吸附在飞灰表面，胶质吸附在飞灰表层微孔中，而油分则沿着毛细管被吸附到飞灰内部；与此同时，沥青中阴离子表面活性物质与飞灰中的某些重金属及碱土金属阳离子发生化学吸附，比如含Ca²⁺的盐类易与沥青中酸性部分生成不溶于水的、稳定的皂类吸附层。因此飞灰中重金属被屏蔽在沥青的选择性吸附层、物理吸附层以及化学吸附层3个保护层下，实现沥青包覆飞灰、稳定固化重金属的目的。

(1) 沥青中加入等质量的飞灰后，15 ℃延度降低97.5%以上，25 ℃延度降低96.6%以上，针入度降低59.7%~71.2%，软化点提高16.2%~35.7%；另外，与矿粉/沥青胶浆相比，飞灰/沥青胶浆的15 ℃延度低2.77~3.32倍，25 ℃延度低6.33~13.0倍，针入度小37.4%~55.2%，软化点高9.6%~22.6%。这说明直接将粉状飞灰替代矿粉使用在沥青或沥青路面中，能够降低沥青或沥青路面的低温抗裂性能，提高热稳定性能。

(2) 飞灰能够有效改善沥青与酸性石料的黏附性，提高裹覆沥青的酸性集料的抗水损害能力。

(3) 沥青中加入飞灰或矿粉，对沥青黏性成分与弹性成分比例的影响程度差异性不大；但G^*，G^*/sin δ明显增加，抗车辙能力得到改善；飞灰对沥青抗车辙能力的改善效果更优，且温度越高差异越显著；飞灰对沥青抗车辙能力的改善效果不受飞灰替代矿粉比例的限制。

(4) 随飞灰/矿粉(质量比)比例的增大，s依次增加，且s_{飞灰/沥青胶浆}＞s_{矿粉/沥青胶浆}＞s_沥青；m依次降低，且m_{飞灰/沥青胶浆}＜m_{矿粉/沥青胶浆}＜m_沥青。沥青中加入飞灰后低温性能降低，降低程度大于矿粉对沥青低温性能的影响；沥青混合料中飞灰替代矿粉的比例受低温性能的限制，但在一定掺量范围下，飞灰/沥青胶浆的低温性能满足Superpave评价体系中的技术标准。

(5) 不同地区、不同时期的飞灰/沥青胶浆的G^*，δ，G^*/sin δ，s，m各不相同，与飞灰本身的物化性能的差异性有关。

(6) 飞灰/沥青胶浆中仅能检出Cr，Ni，Cu，As，Hg，Zn，Pb，比原样飞灰少检出了Mn，Co，Cd，Ba，但多检出了As；飞灰掺量越多，浸出浓度越大，但均小于原样飞灰的浸出。飞灰重金属被屏蔽在选择性吸附层、物理吸附层以及化学吸附层3个保护层下，实现沥青包覆飞灰、稳固重金属的目的。