鉻鐵合金渣應(yīng)用于瀝青混凝土的可行性試驗(yàn)

趙 琳

(內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與市政工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

鉻鐵渣是鉻鐵合金生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的含鉻冶煉廢渣,每生產(chǎn)1t鉻鐵合金就有1.1～1.2t廢渣產(chǎn)出。我國(guó)每年大約產(chǎn)生400萬(wàn)t的鉻鐵渣,其利用率僅為30%,約有280萬(wàn)t鉻鐵渣露天堆存,產(chǎn)生的固體廢棄物未能得到妥善處置和利用[1-2]。

目前道路工程中主要以天然砂材料作為集料,但此不可再生資源日漸匱乏,固體廢棄物環(huán)境污染等問(wèn)題的解決也迫在眉睫。高碳鉻鐵合金渣具有質(zhì)地較硬,比重較大的特點(diǎn),國(guó)外有學(xué)者將其破碎成不同大小的顆粒來(lái)分別代替混凝土的粗、細(xì)集料,用集料制得的混凝土抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通集料[3]。北方工業(yè)大學(xué)的程海麗[1]等人研究了高碳鉻鐵渣在透水混凝土中的應(yīng)用,結(jié)果表明鉻鐵作為集料使用時(shí)性能更優(yōu)于天然集料。中國(guó)水利水電工程局的曾慶文將鉻鐵用于水工混凝土中作為集料,研究表明鉻鐵代替人工集料有可能彌補(bǔ)普通混凝土抗拉強(qiáng)度不足的問(wèn)題,應(yīng)用前景廣闊[4-5]。J.Zeli驗(yàn)證了高碳鉻鐵合金渣可以用在裝配式混凝土路面中[6]?？肆_地亞、印度等地也將鉻鐵渣應(yīng)用于水泥混凝土路面[7-8],Altan Yilmaz將鉻鐵合金渣應(yīng)用于瀝青混凝土作為路面的ATB柔性層,研究表明鉻鐵渣的物理力學(xué)性能與天然集料相當(dāng),甚至優(yōu)于天然集料,可以與傳統(tǒng)碎石集料結(jié)合應(yīng)用于路面基層[9]。一些研究也說(shuō)明鉻鐵渣與硅酸鹽組成的集料混合,有良好的物理和力學(xué)性能,可以在磨耗層中應(yīng)用。M. Yilmaz認(rèn)為鉻鐵合金渣可以作為粗集料使用在瀝青混凝土路面中,并且能夠?qū)崿F(xiàn)良好的高低溫性能,水穩(wěn)定性[10]。

在前期研究的基礎(chǔ)上,本文將鉻鐵合金渣作為集料的各項(xiàng)指標(biāo)和其組成的瀝青混合料進(jìn)行物理力學(xué)性能檢測(cè)、車轍試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn),綜合評(píng)價(jià)瀝青混凝土的路用性能和鉻鐵渣應(yīng)用的可行性。

1 試驗(yàn)材料和方法

本文所用的鉻鐵合金渣來(lái)源于內(nèi)蒙古新太實(shí)業(yè)集團(tuán),石灰?guī)r碎石由三道營(yíng)碎石廠生產(chǎn),瀝青選用遼寧石化70號(hào)基質(zhì)瀝青,其基本指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青基本指標(biāo)

1.1 原材料檢測(cè)

為了科學(xué)有效地在瀝青路面工程中利用鉻鐵渣,必須全面了解鉻鐵渣的主要成分、物理力學(xué)性能等確定其適用性。

由X射線熒光譜儀(XRF)得到鉻鐵合金渣的化學(xué)組成。依據(jù)《中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ766-2015)[11]固體廢物、金屬元素的測(cè)定,固體廢棄物浸出液經(jīng)微波消解預(yù)處理后,采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)行浸出毒性檢驗(yàn),并根據(jù)元素的質(zhì)譜圖或特征離子進(jìn)行定性,內(nèi)標(biāo)法定量,檢驗(yàn)是否滿足要求。依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)規(guī)范[12],分別對(duì)0～2.36mm、2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～19mm、19～31.5mm鉻鐵合金渣原材料和碎石材料進(jìn)行表觀相對(duì)密度、毛體積相對(duì)密度、洛杉磯磨耗損失、吸水率、針片狀顆粒含量試驗(yàn)檢測(cè),按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[13],檢驗(yàn)集料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求。

1.2 瀝青混合料路用性能試驗(yàn)

為了研究鉻鐵合金渣完全或部分代替天然集料用于筑路材料的可行性,本文選擇一組最優(yōu)的人工集料目標(biāo)級(jí)配作為空白對(duì)照組,然后選用同一級(jí)配的鉻鐵渣集料分別代替各粒徑(0～2.36mm;2.36～4.75mm;4.75～9.5mm;9.5～13.2mm;13.2～19mm;19～31.5mm)范圍人工集料的20%,50%,80%和100%作為對(duì)照組進(jìn)行研究,礦料的級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[14],通過(guò)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)(T0709-2011)確定最佳瀝青用量,由瀝青混合料車轍試驗(yàn)(T0719-2015)、小梁彎曲試驗(yàn)(T0715-2015)評(píng)價(jià)其高低溫穩(wěn)定性,浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)(T0709-2011)和凍融劈裂試驗(yàn)(T0729-2011)評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性,并根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[13]檢驗(yàn)路用性能是否滿足規(guī)范要求。

圖1 密集配瀝青混合料AC-20配合比設(shè)計(jì)礦料級(jí)配

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 鉻鐵合金渣集料的性能指標(biāo)

2.1.1 鉻鐵合金渣化學(xué)組成

1700℃的高溫下,生產(chǎn)高碳鉻鐵金屬時(shí),熔渣會(huì)形成液體,在空氣中逐漸冷卻,造成外觀多孔,如圖2、圖3所示。這種多孔結(jié)構(gòu)能夠吸附較多的瀝青,增加瀝青與鉻鐵渣的粘附性,形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),適當(dāng)摻加高碳鉻鐵可改善瀝青混凝土的性能。

圖3 普通碎石(左)與鉻鐵渣(右)

檢測(cè)鉻鐵渣化學(xué)組成結(jié)果列于表2。

表2 鉻鐵合金渣化學(xué)組成表 %

結(jié)果表明:鉻鐵合金渣中主要化合物為二氧化硅,三氧化二鋁,氧化鎂以及少量以鉻鐵礦形式存在的鉻和鐵的氧化物。熔渣結(jié)晶形成穩(wěn)定的CaO-MgO-Al2O3-硅酸鹽產(chǎn)品,其機(jī)械性能與玄武巖相似,且呈堿性,能夠很好地與瀝青結(jié)合。從表2中可以看出,鉻鐵合金渣中有大量的Mg2+、Al+3、Ca+2、Fe+3等陽(yáng)離子,可與瀝青中的酸性物質(zhì)(瀝青酸)發(fā)生反應(yīng),在鉻鐵渣表面形成吸附層,增加瀝青與鉻鐵渣的粘結(jié)力,具有較好的水穩(wěn)定性[15]。

依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)[12],對(duì)鉻鐵合金渣進(jìn)行堿活性反應(yīng)試驗(yàn)檢測(cè),結(jié)果試件斷裂,不能滿足規(guī)范要求。因此,不建議在水穩(wěn)(底)基層工程中應(yīng)用,或者通過(guò)陳化(熱悶)使鉻鐵渣與水充分反應(yīng),消解活性成分后再加以利用。

2.1.2 鉻鐵合金渣浸出毒性檢測(cè)

鉻鐵被認(rèn)為是一種有毒性的物質(zhì),鉻鐵的表面物質(zhì)在自然環(huán)境暴露下,會(huì)浸入地下水資源,滲出重金屬離子,污染環(huán)境。因此需考慮其對(duì)水資源和環(huán)境的污染性及對(duì)人體的危害性,本文所用鉻鐵合金渣浸出毒性檢測(cè)項(xiàng)目及結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 浸出毒性檢測(cè)結(jié)果

由表3可見(jiàn),鉻鐵合金渣的浸出重金屬含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,六價(jià)鉻含量低于規(guī)定的5mg/L,因而對(duì)環(huán)境和人體不會(huì)造成實(shí)質(zhì)性污染危害,可以考慮用作筑路材料。

2.1.3 集料的物理力學(xué)性能

鉻鐵合金渣和石灰?guī)r集料的物理力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 兩種集料物理力學(xué)性能對(duì)比表

從表4中可以看出,鉻鐵的表觀相對(duì)密度和毛體積相對(duì)密度稍大于普通碎石,這是因?yàn)殂t鐵合金渣中含有大量Fe等金屬元素。鉻鐵合金渣壓碎值要大于普通碎石,可能是由于鉻鐵合金渣的SiO2含量低于普通碎石[16],但均能滿足規(guī)范要求的28%。

洛杉磯磨耗損失與壓碎值有良好的線性關(guān)系[17],在粗集料性質(zhì)的檢測(cè)當(dāng)中,是一個(gè)十分重要的控制指標(biāo),它能綜合反映出材料的抗沖擊、抗剪性能,該值越小越好[16-17],而鉻鐵的洛杉磯磨耗損失大于普通碎石,這對(duì)于用作路面材料來(lái)說(shuō)是一個(gè)不利因素,說(shuō)明其耐磨性較差。依據(jù)《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG-F40-2004)[13],洛杉磯磨耗損失在不大于35%的情況下,可以將其應(yīng)用于二級(jí)及以下等級(jí)公路。

對(duì)于吸水率和針片狀含量這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)說(shuō),與普通碎石比較差別不是很大,都完全滿足《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG-F40-2004)[13]規(guī)范要求。由以上試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),鉻鐵合金渣可以作為集料使用。

鉻鐵細(xì)料比表面積大,這會(huì)增大瀝青用量,同時(shí),會(huì)攜帶大量粉塵,對(duì)混合料生產(chǎn)設(shè)備有不利影響,還將帶來(lái)膨脹性的隱患,因此,鉻鐵渣傾向于代替部分粗集料應(yīng)用于瀝青混合料中[18-19]。

2.2 鉻鐵合金渣用于瀝青混合料的路用性能

2.2.1 鉻鐵摻量對(duì)馬歇爾性能的影響

不同鉻鐵摻量的AC-20瀝青混凝土馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

(a)不同鉻鐵摻量下最佳油石比的變化

(b)不同鉻鐵摻量下飽和度的變化

(c)不同鉻鐵摻量下礦料間隙率的變化

(d)不同鉻鐵摻量下空隙率的變化

(e)不同鉻鐵摻量下穩(wěn)定度的變化

(f)不同鉻鐵摻量下流值的變化

由圖4(a)、(b)可見(jiàn),隨著鉻鐵摻量的增加,最佳油石比逐漸增大,瀝青飽和度(VFA)也呈增加趨勢(shì),這是由于鉻鐵合金渣具有多孔的特性,摻量多的鉻鐵渣需要有更多的瀝青包裹在表面,逐漸填滿開口孔隙。由圖4(c)、(d)可以看出摻加鉻鐵合金渣瀝青混合料的礦料間隙率(VMA)均大于普通瀝青混合料,這也是瀝青用量增加的緣故;對(duì)于空隙率來(lái)說(shuō),瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響其的一個(gè)重要因素[20],鉻鐵摻量增加,瀝青用量隨之增加,則空隙率降低。馬歇爾穩(wěn)定度S1和流值FL是用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的荷載穩(wěn)定性,穩(wěn)定度越大,流值越小,瀝青混合料的荷載穩(wěn)定性能越好,圖4(e)、(f)表明鉻鐵合金渣摻量為80%,荷載穩(wěn)定度最大,此時(shí)鉻鐵渣用量多,增大了混合料的荷載穩(wěn)定性。

上述馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)均能達(dá)到《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[13]的技術(shù)要求,再次說(shuō)明鉻鐵合金渣作為集料應(yīng)用在瀝青混凝土中的可行性。

2.2.2 鉻鐵摻量對(duì)高溫穩(wěn)定性的影響

鉻鐵摻量對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的影響如圖5所示。

圖5 鉻鐵摻量對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的影響

我國(guó)采用車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)作為衡量混合料高溫性能的一個(gè)間接指標(biāo),結(jié)果直觀,且與實(shí)際路面車轍相關(guān)性良好[21-22]。動(dòng)穩(wěn)定度越大表明瀝青混合料高溫抗車轍性能越好。由圖5可見(jiàn),不同摻量的鉻鐵合金渣瀝青混合料均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[13]大于800次/mm的動(dòng)穩(wěn)定度要求,且隨鉻鐵摻量的增加動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增大,80%摻量時(shí)達(dá)到3700次/mm以上,表現(xiàn)為較好的高溫性能,這是由于鉻鐵渣顆粒形狀更接近立方體,形成良好的嵌擠結(jié)構(gòu),抗剪切作用增強(qiáng);表面粗糙保證了與瀝青的粘結(jié)性,瀝青膠結(jié)料表現(xiàn)出大粘聚力,從而提高抵抗永久變形的能力[23-24]。而當(dāng)集料全部為鉻鐵渣時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度明顯下降,是由于此時(shí)瀝青用量太大,自由瀝青多,從而減少了能夠提高高溫性能的結(jié)構(gòu)瀝青用量,導(dǎo)致高溫穩(wěn)定性降低。

2.2.3 鉻鐵摻量對(duì)低溫穩(wěn)定性的影響

鉻鐵摻量對(duì)破壞應(yīng)變的影響如圖6所示。

圖6 鉻鐵摻量對(duì)破壞應(yīng)變的影響

彎曲破壞應(yīng)變作為彎曲試驗(yàn)中瀝青混合料的低溫抗裂性指標(biāo)[25-26],破壞應(yīng)變?cè)酱?瀝青混合料的可變形范圍越大,低溫抗裂性越好。由圖6可見(jiàn),不同摻量的鉻鐵合金渣瀝青混合料均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[13]大于等于2300με的要求。整體看來(lái),用鉻鐵渣代替部分人工集料,混合料低溫抗裂性能得到改善,且鉻鐵摻量為50%時(shí),瀝青混合料低溫抗裂性最好,這可能是由于添加鉻鐵合金渣之后,瀝青用量增加,瀝青膜厚度增大,低溫變形能力增大,從而使抗裂性能提高。有研究表明,瀝青混合料從本質(zhì)上講是一種復(fù)合材料,石料的體積與瀝青混合料的低溫性能有關(guān)[27],它的低溫抗拉強(qiáng)度與石料的體積比成正比[28]。本文的礦料級(jí)配采用的是質(zhì)量比,鉻鐵渣密度大于人工集料,繼續(xù)增加鉻鐵渣含量,石料體積會(huì)整體偏小,因此抗裂性能降低。

2.2.4 鉻鐵摻量對(duì)水穩(wěn)定性的影響

鉻鐵摻量對(duì)水穩(wěn)定性的影響如圖7所示。

(a)不同鉻鐵摻量下殘留穩(wěn)定度的變化

(b)不同鉻鐵摻量下凍融劈裂強(qiáng)度比的變化

水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)綜合評(píng)價(jià),由圖7可以看出,瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[11]要求的75%和70%。從殘留穩(wěn)定度的角度來(lái)說(shuō),變化規(guī)律與彎曲破壞應(yīng)變基本一致,鉻鐵渣摻量為50%時(shí),殘留穩(wěn)定度最大,但是鉻鐵渣含量繼續(xù)增加,或者全部集料采用鉻鐵合金渣,會(huì)使瀝青混合料難以壓實(shí),空隙率增大,從而降低了抗水損害性能;凍融劈裂強(qiáng)度比與鉻鐵渣的摻量關(guān)系無(wú)明顯規(guī)律可循。

3 結(jié)論與討論

(1)從鉻鐵合金渣的化學(xué)成分分析、浸出毒性檢測(cè)、集料物理力學(xué)性能檢測(cè)等分析結(jié)果,明確了鉻鐵合金渣可以代替部分碎石作為集料應(yīng)用于二級(jí)及以下瀝青混凝土路面中;

(2)鉻鐵合金渣代替碎石形成的瀝青混合料,其馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo),高低溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性均能達(dá)到《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的技術(shù)要求,再次說(shuō)明鉻鐵合金渣作為集料使用在瀝青混凝土中的可行性;

(3)通過(guò)分析不同鉻鐵合金渣摻量下的瀝青混合料的路用性能,表明采用鉻鐵合金渣與人工集料復(fù)合配比能夠表現(xiàn)出更好的高低溫穩(wěn)定性:鉻鐵摻量為80%時(shí),高溫穩(wěn)定性最好,摻量為50%時(shí),低溫穩(wěn)定性最好;從殘留穩(wěn)定度角度來(lái)說(shuō),鉻鐵摻量50%時(shí),水溫定性最優(yōu)。

(4)后續(xù)應(yīng)繼續(xù)研究鉻鐵渣瀝青混合料的耐久性能,更加全面評(píng)價(jià)其應(yīng)用的可行性。

(5)在公路行業(yè)當(dāng)中固體廢棄物的利用已成為一個(gè)趨勢(shì),鉻鐵合金渣應(yīng)用于瀝青混凝土中還沒(méi)有開展,在應(yīng)用過(guò)程中,要十分關(guān)注對(duì)環(huán)境的污染性。