脫硫灰材性分析及對(duì)瀝青路面性能影響研究

高璋生,陳錦輝,蘇清發(fā),張李斌

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007；2.福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建 廈門 361006； 3.福建路橋建設(shè)有限公司，福建 福州 350001)

1 概述

瀝青混合料是由瀝青、粗集料、細(xì)集料及填料拌和而成。其中，填料目前主要是礦粉，礦粉作為不可再生資源，開采會(huì)產(chǎn)生水土流失和環(huán)境污染，所以尋求更為環(huán)保的材料替代就顯得尤為重要。而干法煙氣脫硫技術(shù)所具有的節(jié)能、節(jié)水、占地小及高效、多污染協(xié)同控制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。其所產(chǎn)生的脫硫灰是一類粒徑細(xì)、呈干態(tài)的一般工業(yè)固體廢棄物，與天然礦粉在填充性能方面具有一定相似性。由于脫硫灰中含有大量的能夠提高瀝青混合料中集料和瀝青黏附性、水穩(wěn)定性的氫氧化鈣(Ca(OH)2)，如果能將脫硫灰應(yīng)用于瀝青混合料中，替代天然礦粉，不僅可以提高集料和瀝青的黏附性、水穩(wěn)定性，還可以有效的利用脫硫灰，解決因脫硫灰大量堆積而帶來的二次污染問題，實(shí)現(xiàn)資源的可循環(huán)利用，同時(shí)還能夠節(jié)約天然礦料等不可再生資源。所以，研究有關(guān)脫硫灰的綜合利用技術(shù)并有效合理的落地應(yīng)用具有重大的社會(huì)和環(huán)境效益，符合建設(shè)“兩型社會(huì)”的要求。

2 材料性能分析

2.1 干法脫硫灰性能分析

1)干法脫硫灰是一種新型的一般工業(yè)固體廢棄物，是利用消石灰在高濕度吸收塔中與煙氣中的二氧化硫反應(yīng)脫硫形成，具有水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低(一般在2%以內(nèi))、粒徑細(xì)(中粒徑約為 10 μm～30 μm)，化學(xué)成分較復(fù)雜，硫和鈣的含量高等特點(diǎn)。主要成分為鈣基化合物，包括：亞硫酸鈣、碳酸鈣、消石灰等，且具有較高空隙率。其中，碳酸鈣和石灰石礦粉一樣，可在瀝青混合料中起到填充的作用；亞硫酸鈣屬于惰性材料，與碳酸鈣類似，可用作瀝青混合料填料；消石灰顆粒細(xì)，堿性強(qiáng)，根據(jù)膠漿理論和化學(xué)反應(yīng)理論可知，消石灰對(duì)于瀝青與集料的結(jié)合，尤其是與酸性細(xì)集料的結(jié)合具有較好的改善作用。為了分析干法脫硫灰與各種不同產(chǎn)地礦粉的區(qū)別，取福州、漳州等地礦粉進(jìn)行比對(duì)(下文中取福州繞城某公路工程礦粉簡(jiǎn)稱福州礦粉，漳州某項(xiàng)目部礦粉簡(jiǎn)稱漳州礦粉)，本次作比對(duì)的幾種瀝青混合料填充料的化學(xué)成分如表1所示。其中，福州礦粉以碳酸鈣為主，而漳州礦粉以二氧化硅為主。在礦粉中添加一定比例的消石灰可以提高瀝青混合料的抗剝落能力。礦物組成檢測(cè)顯示，福州礦粉、漳州礦粉和三明某脫硫灰(三明某企業(yè)脫硫灰簡(jiǎn)稱三明脫硫灰)含氫氧化鈣的量分別為6.62%，9.73%和3.89%；含碳酸鈣的量分別為91.75%,6.06%和20.31%。此外，脫硫灰中還含有55.60%的亞硫酸鈣。

表1 幾種填料的化學(xué)成分 %

2)干法脫硫灰與幾種不同產(chǎn)地礦粉技術(shù)性質(zhì)比較。

取福州、漳州等地礦粉與三明脫硫灰進(jìn)行比對(duì)，通過幾種原料的表觀密度、塑性指數(shù)和比表面積等參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)如圖1所示。脫硫灰表觀密度較小，比表面積最大，塑性指數(shù)居中，漳州礦粉比脫硫灰還大，無法滿足礦粉的指標(biāo)要求。這與漳州礦粉中加入消石灰有關(guān)。由此可見，三明脫硫灰實(shí)際使用時(shí)其物理技術(shù)性角度考慮可以替代礦粉。

幾種瀝青混合料填充料的粒徑分布如圖2所示，脫硫灰和礦粉的粒徑分布相當(dāng)。三明脫硫灰粒徑分布介于福州礦粉和漳州礦粉之間，三安脫硫灰(一種含高鈣量高的脫硫灰下文簡(jiǎn)稱含鈣高脫硫灰)細(xì)粒含量、含鈣量較高。

以下分析采用漳州礦粉和三明脫硫灰進(jìn)行試驗(yàn)分析(除特殊標(biāo)注外)。

2.2 其他材料

1)瀝青。為SBS改性瀝青。其中，針入度為55(0.1 mm)，延度27 mm，軟化點(diǎn)75.6 ℃。

2)集料。集料采用玄武巖，其特點(diǎn)為堿性集料且與瀝青黏附性強(qiáng)，各集料技術(shù)性質(zhì)試驗(yàn)值見表2，配合比見表3，脫硫灰填料比例見表4，材料其他指標(biāo)均符合要求。

表2 集料技術(shù)性能試驗(yàn)值

表3 配合比比例

表4 脫硫灰填料比例

3)填料。填料(脫硫灰)含水率0.84%，表觀密度2.512 g/cm3，脫硫灰亞甲藍(lán)MBV=0.8 ，親水系數(shù)0.62，外觀無團(tuán)粒結(jié)塊，粒度范圍符合規(guī)范要求。

4)瀝青膠漿黏附性。分別采用原樣瀝青品種、改性瀝青、傳統(tǒng)填料和脫硫灰，結(jié)果表明對(duì)瀝青的黏附性能都是5級(jí)。

5)試驗(yàn)溫度等控制。瀝青加熱溫度165 ℃，集料加熱溫度185 ℃，拌和溫度控制在175 ℃左右。試驗(yàn)過程證實(shí)瀝青混合料溫度控制可改善瀝青混合料施工時(shí)壓實(shí)度偏低問題。

3 瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果

本次瀝青混合料通過30%，50%，70%，100%不同脫硫灰替代量和不同含鈣量脫硫灰替代試驗(yàn)，分析不同脫硫灰替代量和不同含鈣量脫硫灰對(duì)瀝青混合料路用性能影響。

3.1 馬歇爾試件物理指標(biāo)比較分析

1)馬歇爾試件的空隙率[1]。六組馬歇爾試件的空隙率變動(dòng)差值如圖3所示，通過表干法試驗(yàn)計(jì)算得全礦粉試件的空隙率為5.68%，從圖3變動(dòng)情況可以看出含脫硫灰試件的空隙率:脫硫灰替代量少于50%馬歇爾試件的空隙率減少，超過50%馬歇爾試件的空隙率增加[2]。脫硫灰摻量瀝青混合料空隙率會(huì)比全礦粉瀝青混合料空隙率低，只有含鈣高脫硫灰壓實(shí)會(huì)比全礦粉瀝青混合料高一些。這可能是施工壓實(shí)度偏低原因之一[3]。

2)馬歇爾試件的瀝青飽和度。六組馬歇爾試件的瀝青飽和度的變動(dòng)差值如圖4所示，通過表干法試驗(yàn)計(jì)算得全礦粉試件的瀝青飽和度為66.1%；脫硫灰替代量少于50%馬歇爾試件的瀝青飽和度減少，50%馬歇爾試件的瀝青飽和度最低，脫硫灰替代量超過50%馬歇爾試件的瀝青飽和度又增加[4]。瀝青飽和度大，易壓實(shí)，但會(huì)引起推移、泛油等病害；瀝青飽和度小，不易壓實(shí)，混合料容易松散。

3.2 馬歇爾試件的穩(wěn)定度

六組馬歇爾試件的穩(wěn)定度的變動(dòng)差值如圖5所示，五組不同脫硫灰替代量穩(wěn)定度值均降低，但瀝青穩(wěn)定度均大于規(guī)范[5-7]要求最小值8 kN。

3.3 水穩(wěn)定性

分別用30%,50%,70%和100%的脫硫灰替代漳州礦粉對(duì)瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度、流值和殘留穩(wěn)定度有一定程度的下降影響，但均大于規(guī)范要求。

3.4 凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

分別用30%,50%,70%和100%的脫硫灰替代漳州礦粉對(duì)瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著三明脫硫灰添加比例上升，其凍融劈裂強(qiáng)度比有一定程度下降。當(dāng)選用氫氧化鈣含量較高的含高鈣脫硫灰時(shí)，其凍融劈裂強(qiáng)度比有一定提高。且均大于規(guī)范要求。

3.5 高溫穩(wěn)定性

用0%,30%,50%,70%和100%的脫硫灰替代漳州礦粉，雖然脫硫灰添加比例增加一定程度上降低了車轍動(dòng)穩(wěn)定度，但都能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)不小于3 000次/mm的指標(biāo)要求[8]。

3.6 瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)論

1)通過實(shí)驗(yàn)室馬歇爾試件物理指標(biāo)比較分析，施工時(shí)脫硫灰摻量在30%～70%的瀝青混合料壓實(shí)度可能會(huì)比全礦粉瀝青混合料增加一定難度。施工中建議通過調(diào)整集料配合比、控制施工溫度、瀝青油量等措施來改進(jìn)。

2)脫硫灰替代礦粉技術(shù)指標(biāo)基本可以達(dá)到規(guī)范要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)施工要求[9]

4.1 混合料拌和及拌和出場(chǎng)溫度控制

脫硫灰和礦粉復(fù)合填料添加時(shí)，拌合站應(yīng)增加粉罐，使兩個(gè)分料分開裝料，保證添加材料按比例混合摻配，保證混合料的級(jí)配保持穩(wěn)定。嚴(yán)控級(jí)配發(fā)生明顯的波動(dòng)。通過實(shí)驗(yàn)室馬歇爾試件物理指標(biāo)比較分析，施工時(shí)脫硫灰摻量30%～70%瀝青混合料壓實(shí)可能會(huì)比全礦粉瀝青混合料增加難度。建議加強(qiáng)拌和出場(chǎng)溫度控制。

混合料的拌和時(shí)間根據(jù)具體情況經(jīng)試拌確定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在施工控制時(shí)，每鍋總拌和時(shí)間為56 s，其中干拌時(shí)間為13 s，必須經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拌和的混合料目測(cè)，混合料整體級(jí)配良好，油膜充分，無花白料及離析現(xiàn)象。

4.2 混合料攤鋪

采用兩臺(tái)攤鋪機(jī)成梯隊(duì)聯(lián)合或單機(jī)攤鋪施工，即內(nèi)側(cè)1臺(tái)攤鋪機(jī)，外側(cè)采用1臺(tái)伸縮型攤鋪機(jī)，有效確保外側(cè)加寬段的施工質(zhì)量，兩機(jī)搭接處有30 mm～60 mm左右寬度的瀝青混合料搭接，相鄰兩臺(tái)攤鋪機(jī)前后相距5 m～10 m，攤鋪時(shí)應(yīng)做到螺旋布料要滿，螺旋末端安裝反向螺旋，料槽前段加裝彈性橡膠板，非必要情況下減少攤鋪機(jī)收斗進(jìn)而有效避免攤鋪及溫度離析現(xiàn)象。若攤鋪后存在的局部離析部位，人工進(jìn)行換填或撒布較細(xì)混合料。

4.3 混合料碾壓

在碾壓過程主要按照以下原則進(jìn)行：

1)在混合料攤鋪后較高溫度下緊跟進(jìn)行碾壓，碾壓段長(zhǎng)度控制在30 m～50 m，碾壓采用緊跟、慢壓、高頻、低幅、小水原則。

2)壓路機(jī)前進(jìn)靜壓后退振動(dòng)碾壓1遍。碾壓時(shí)，壓路機(jī)從外側(cè)向中心碾壓，相鄰碾壓面重疊100 mm～200 mm，最后碾壓路中心部分。然后采用鋼輪和膠輪組合式碾壓復(fù)壓各3遍，最后采用鋼輪壓路機(jī)碾壓收光。

4.4 性能檢驗(yàn)

在瀝青混合料攤鋪時(shí)，試驗(yàn)人員要到現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)取有代表性的混合料，進(jìn)行瀝青含量、礦料級(jí)配、馬歇爾試驗(yàn)檢測(cè)。等路面完全冷卻或第二天進(jìn)行路面實(shí)體檢測(cè)包括：現(xiàn)場(chǎng)施工平整度、壓實(shí)度等指標(biāo)檢測(cè)。使施工過程中混合料產(chǎn)品質(zhì)量得到有效保證并及時(shí)反饋相關(guān)數(shù)據(jù)為后續(xù)施工提供技術(shù)支撐。

5 結(jié)論

影響脫硫灰瀝青混合料性能的主要因素有瀝青用量、脫硫灰的性質(zhì)等，本次瀝青混合料試驗(yàn)采用AC-16C,4.9%SBS改性瀝青，集料采用玄武巖，脫硫灰替代礦粉比例分別為0%，30%，50%，70%，100%脫硫灰，100%含鈣高脫硫灰六組，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較得出如下結(jié)論：

1)通過脫硫灰與礦粉技術(shù)性質(zhì)和粒徑篩分比較分析得出：脫硫灰表觀密度較小，比表面積最大，塑性指數(shù)居中，粒徑與礦粉相當(dāng)，脫硫灰可以替代礦粉；同時(shí)試驗(yàn)表明粒徑對(duì)瀝青混合料性能有一定影響，細(xì)粒含量高的脫硫灰替代礦粉對(duì)瀝青路面的性能不利影響比細(xì)粒含量低的脫硫灰大。

2)含鈣量高脫硫灰對(duì)瀝青混合料黏附性能有有利影響。

3)從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看不同比例干法脫硫灰替代礦粉用于瀝青路面對(duì)其穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度等都有一定程度下降，但各項(xiàng)指標(biāo)均符合JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范，因此，利用脫硫灰部分或全部替代礦粉作為瀝青混合料的細(xì)填料具有較高的可行性。

4)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)同等條件下加脫硫灰(尤其脫硫灰摻量30%～70%瀝青混合料)比全礦粉施工壓實(shí)度偏低，建議加強(qiáng)拌和出場(chǎng)溫度控制。

5)脫硫灰化學(xué)成分較復(fù)雜，硫和鈣的含量高等特點(diǎn)，還需進(jìn)一步通過試驗(yàn)論證脫硫灰中某些成分(如硫)對(duì)環(huán)境是否有影響。