燒結(jié)脫硫灰瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究

李 帥 徐 兵 楊 群

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804；2.寶武集團(tuán)環(huán)境資源科技有限公司 上海 201900)

燒結(jié)脫硫灰是鋼鐵產(chǎn)業(yè)脫硫過(guò)程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物。2019年，我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)總量高達(dá)9億t，在燒結(jié)過(guò)程中伴隨著大量的SO2排放至大氣，污染生態(tài)環(huán)境。為堅(jiān)持人與自然和諧發(fā)展理念、實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)行業(yè)節(jié)能減排，近年來(lái)脫硫工藝得到穩(wěn)步快速發(fā)展，已研發(fā)出循環(huán)硫化床半干法技術(shù)、石灰石-石膏濕法吸附、活性炭法等一系列高效脫硫技術(shù)[1-3]。不同脫硫工藝往往產(chǎn)生不同成分的燒結(jié)脫硫灰，這一特點(diǎn)嚴(yán)重影響了燒結(jié)脫硫灰的綜合資源化利用，使得脫硫灰變成一種閑置的固體廢棄物，占據(jù)大量土地資源的同時(shí)，妨礙生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)。

目前高校和科研院所對(duì)于脫硫灰的改性利用多處于研究階段，主要集中于蒸壓磚、粉煤灰加氣砌塊、三渣路基填料、脫硫灰渣基水泥混凝土等應(yīng)用研究[4-6]。但由于脫硫灰中CaSO3含量較多，用于水泥混凝土等多種建材材料時(shí)，理化性質(zhì)非常不穩(wěn)定，嚴(yán)重制約其在建材領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)。文獻(xiàn)[4]利用脫硫灰與粉煤灰化學(xué)成分接近的特點(diǎn)，將其利用于路基填料制備中，但某些鋼廠燒結(jié)工序產(chǎn)生的脫硫灰中SiO2和Al2O3含量低，故不能參照此利用途徑。部分研究者開(kāi)始將燒結(jié)脫硫灰作為一種新型填料應(yīng)用于瀝青混合料制備中[7-8]。

我國(guó)高速公路網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)已基本規(guī)劃建設(shè)完成，后期路面翻修養(yǎng)護(hù)仍需大量瀝青混合料，若其在瀝青路面中得到成功應(yīng)用推廣，則可有效解決脫硫灰土地占用、污染防治問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)協(xié)同推動(dòng)固體廢棄物處置與生態(tài)環(huán)境保護(hù)。本文擬通過(guò)研究不同脫硫灰摻量下瀝青填料基礎(chǔ)特性與瀝青混合料路用性能變化規(guī)律，分析評(píng)估燒結(jié)脫硫灰在瀝青混合料的應(yīng)用可行性，為脫硫灰在瀝青路面推廣應(yīng)用研究提供一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 原材料

1.1 燒結(jié)脫硫灰

試驗(yàn)用脫硫灰收集自國(guó)內(nèi)某鋼廠半干法燒結(jié)脫硫裝置，其顏色、外觀與水泥粉末基本相似，呈淺灰色。采用熒光光譜儀、X射線衍射儀等測(cè)試方法對(duì)燒結(jié)脫硫灰元素組成、物相組成等微觀基礎(chǔ)特性進(jìn)行表征[9]。燒結(jié)脫硫灰主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 燒結(jié)脫硫灰化學(xué)成分表

由表1可見(jiàn)，燒結(jié)脫硫灰中CaO和SO3的含量較高，這是由脫硫工藝所決定的，燒結(jié)煙氣經(jīng)文丘里管加速進(jìn)入循環(huán)硫化床體，其中SO2等酸性污染物與吸收劑消石灰反應(yīng)，以CaSO3和CaSO4的形式被固定下來(lái)，所以脫硫灰中CaO和SO3含量較高。

燒結(jié)脫硫灰中SiO2和Al2O3含量均低于10%，說(shuō)明脫硫灰中含有少量的粉煤灰。無(wú)定形的SiO2和Al2O3是活性物質(zhì)，對(duì)用于水泥建材時(shí)的強(qiáng)度影響很大，對(duì)用于瀝青混凝土中影響較小。

燒結(jié)脫硫灰主要物相衍射特征峰見(jiàn)圖1。

圖1 燒結(jié)脫硫灰主要物相衍射特征峰

由圖1可見(jiàn)，該燒結(jié)脫硫灰為亞硫酸鈣型，主要含有大量的CaCO3、少量的CaSO3·0.5H2O，及微量的方鎂礬、硅酸鈣和球霰石碳酸鈣等。

燒結(jié)脫硫灰微觀形貌見(jiàn)圖2。

圖2 燒結(jié)脫硫灰微觀形貌

由圖2可見(jiàn)，燒結(jié)脫硫灰顆粒表觀形狀不規(guī)則，大顆粒表面凹凸不平，結(jié)構(gòu)致密；小顆粒為類球形，表面光滑。相比于礦粉，其顆粒間存在明顯的間隙。小顆粒間具有一定的團(tuán)聚現(xiàn)象。

該燒結(jié)脫硫灰由于主要元素組成與石灰石礦粉比較接近，且重金屬浸出與放射性衍射經(jīng)檢測(cè)均符合相關(guān)規(guī)程要求，故無(wú)需進(jìn)行預(yù)處理可直接用于瀝青混合料中。

1.2 試驗(yàn)級(jí)配及瀝青用量

本次試驗(yàn)采用AC-13型級(jí)配，由玄武巖10～15 mm、玄武巖5～10 mm和石灰?guī)r0～3 mm 3檔集料配制而成，試驗(yàn)用礦料基本參數(shù)見(jiàn)表2。級(jí)配曲線見(jiàn)圖3。試驗(yàn)用瀝青為SBS改性瀝青，瀝青用量為4.4%。

表2 試驗(yàn)用礦料基本參數(shù)

圖3 AC-13型級(jí)配曲線

2 試驗(yàn)方法

2.1 復(fù)合填料基本特性

1) 親水系數(shù)。評(píng)價(jià)填料和瀝青結(jié)合料間的黏附性能，可用填料在水中膨脹的體積和在煤油中膨脹的體積之比進(jìn)行表征。本試驗(yàn)采用0%，50%，100% 3種脫硫灰替代量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))進(jìn)行復(fù)合填料的制備，將3種填料烘干至恒重，每種稱取5 g，依據(jù)JTG E42-2005 《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》中T0353-2000方法進(jìn)行3種復(fù)合填料的親水系數(shù)測(cè)定。

2) 填料級(jí)配。試驗(yàn)采用水洗法進(jìn)行3種復(fù)合填料的篩分試驗(yàn)。每組稱取100 g。試驗(yàn)步驟參考JTG E42-2005 《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》中T0351-2000方法。

2.2 馬歇爾試驗(yàn)基本指標(biāo)

1) 體積指標(biāo)。試驗(yàn)從0%，50%，100% 3種脫硫灰替代量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))出發(fā)，進(jìn)行3組瀝青混合料制備。依據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T 0702試驗(yàn)方法，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾制件，按照J(rèn)TG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T 0705試驗(yàn)方法，進(jìn)行瀝青混合料試件的空隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)等各項(xiàng)體積指標(biāo)的測(cè)定。

2) 馬歇爾穩(wěn)定度。依據(jù)JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T 0709試驗(yàn)方法，進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，測(cè)定3組馬歇爾試件的穩(wěn)定度(MS)、流值(FL)。

2.3 瀝青混合料路用性能

1) 高溫性能。通過(guò)車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)3種脫硫灰替代量下瀝青混合料的高溫抗車轍能力。試驗(yàn)步驟參考JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T 0719試驗(yàn)方法。

2) 水穩(wěn)性能。通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)檢驗(yàn)瀝青混合料受水損害時(shí)抵抗剝落的能力，以浸水殘留穩(wěn)定度進(jìn)行表征。試驗(yàn)步驟參考JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T 0709試驗(yàn)方法。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 復(fù)合填料基本指標(biāo)

現(xiàn)將3種復(fù)合填料(脫硫灰替代量分別為0%,50%,100%)的親水系數(shù)和篩分結(jié)果整理如下，復(fù)合填料親水系數(shù)見(jiàn)表3，復(fù)合填料篩分試驗(yàn)表見(jiàn)表4。

表3 復(fù)合填料親水系數(shù)表

表4 復(fù)合填料篩分試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以得知，隨著脫硫灰在填料中的占比增加，填料的親水系數(shù)不斷增大，說(shuō)明脫硫灰的親水系數(shù)明顯大于所用礦粉的親水系數(shù)，但仍能滿足JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)于填料親水系數(shù)須小于1的要求。因此，脫硫灰替代量不可過(guò)高，以防止瀝青結(jié)合料和集料之間的黏附性變差，影響瀝青混合料的路用性能。

由表4可以得知，3種脫硫灰替代量下，復(fù)合填料的級(jí)配均滿足JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》要求。隨著脫硫灰摻比增加，同一篩孔下，填料的通過(guò)率變大，說(shuō)明該脫硫灰比礦粉的細(xì)度大一些。

3.2 瀝青混合料性能參數(shù)

3組脫硫灰替代量下，每組瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾擊實(shí)制件，每組試件數(shù)4個(gè)，試件高度均符合規(guī)程要求，瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)表

由表5可見(jiàn)，脫硫灰摻量的增加導(dǎo)致空隙率VV變小，礦料間隙率VMA和瀝青飽和度VFA有所變大。3組脫硫灰摻量的瀝青混合料穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求。不同脫硫灰摻量瀝青混合料的穩(wěn)定度與普通瀝青混合料的相當(dāng)，且50%，100%燒結(jié)脫硫灰摻量下試件所測(cè)流值均略低于普通瀝青混合料試件，說(shuō)明脫硫灰的摻入并未降低瀝青混合料的穩(wěn)定度。

對(duì)3組瀝青混合料分別進(jìn)行車轍試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)不同脫硫灰摻量下瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性能，瀝青混合料路用性能指標(biāo)見(jiàn)表6。

表6 瀝青混合料路用性能指標(biāo)

由表6可見(jiàn)，相比于普通礦粉瀝青混合料，脫硫灰的摻入，一定程度上提高了瀝青混合料的高溫抗車轍能力，且在摻量為50%時(shí)達(dá)到峰值。說(shuō)明燒結(jié)脫硫灰的加入有利于提高瀝青混合料的高溫抗車轍能力，這是由于燒結(jié)脫硫灰的比表面積大于石灰石礦粉，可以有效地將游離瀝青轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)瀝青，從而提高瀝青混合料的高溫性能。

但脫硫灰含量的增加，會(huì)導(dǎo)致試件的浸水殘留穩(wěn)定度有所降低，這是因?yàn)槊摿蚧业挠H水系數(shù)明顯大于礦粉的親水系數(shù)，當(dāng)脫硫灰含量增加時(shí)，填料與瀝青之間的黏結(jié)能力變小，使瀝青混合料的水穩(wěn)定性能減弱。此外燒結(jié)脫硫灰比表面積大于石灰石礦粉，會(huì)使得瀝青中的自由瀝青進(jìn)一步降低，導(dǎo)致瀝青混合料的水穩(wěn)性能受到不利影響。

為進(jìn)一步優(yōu)化燒結(jié)脫硫灰摻量，可在0%～50%摻配比間增設(shè)30%摻配比例，通過(guò)路用性能試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化燒結(jié)脫硫灰摻量范圍。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)燒結(jié)脫硫灰、復(fù)合填料基本特性和脫硫灰瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于礦粉和燒結(jié)脫硫灰不同比例復(fù)配的瀝青填料，均能滿足JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中對(duì)于填料基本指標(biāo)的要求，但脫硫灰的增加，會(huì)降低瀝青與填料間的黏附性能，因此脫硫灰摻量不可過(guò)高。當(dāng)脫硫灰摻量為50%時(shí)，瀝青混合料高溫抗車轍能力達(dá)到最大，但脫硫灰摻量的增加會(huì)一定程度上降低瀝青混合料的水穩(wěn)定性能力，但仍能滿足路用性能的要求。經(jīng)過(guò)填料基本指標(biāo)測(cè)試和瀝青混合料路用性能檢驗(yàn)，本文認(rèn)為可以將脫硫灰作為一種新型瀝青填料應(yīng)用于瀝青混合料的制備中，但應(yīng)綜合其高溫性能和水穩(wěn)性能，進(jìn)一步在0%～50%范圍內(nèi)優(yōu)化脫硫灰摻配比，并進(jìn)一步對(duì)脫硫灰進(jìn)行改性，提高其瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。