工業廢棄物在道路工程中的利用研究

宋 東 方

(平頂山市公路交通勘察設計院，河南 平頂山 467000)

平頂山市是重要的鋼鐵和煤炭生產基地，鋼鐵和煤炭是該市重要的產業支柱。隨著鋼鐵煤炭工業的快速發展，其廢棄物的排放量也快速增長。而對于現階段公路建設工程，優質的筑路資源緊缺，如何選擇成本效益高、環境友好的工業廢棄物(如鋼渣、粉煤灰等)循環再生利用方式，實現鋼工業廢棄物資源化綜合利用，是實現鋼鐵煤炭行業與公路行業綠色循環核心理念的重要手段。

1 工業廢棄物研究的意義

目前應用在道路工程中的工業廢棄物主要是鋼渣和粉煤灰。現有研究主要考慮粉煤灰及鋼渣的單獨代替作用，應用結構層位相對單一。通過室內試驗及現場施工總結，將工業廢棄物有效應用于道路工程中，一方面能夠一定程度上減小公路原有的筑路材料的來源不足及造價，另一方面能夠大大緩解廢棄物堆放、處理等帶來的費用，還能起到環保節能綠色發展的作用。單從筑路材料的造價節省而言，按平頂山市每年新建道路投資為5億元計算，節省造價5%，預計經濟效益可達2千萬元。該項目是綜合環保節能和綠色再生能源的綜合利用，更主要是體現在社會綜合價值。

2 廢棄物的組成和理化特性及預處理工藝

鋼渣表面孔隙較多，對瀝青的吸收能力強，以及粉煤灰的吸油作用，拌制鋼渣粉煤灰瀝青混合料往往需要較高的油石比。采用鋼渣細集料全部替代礦石細集料，粉煤灰全部替代礦粉進行試配。摻鋼渣和粉煤灰瀝青混凝土(鋼渣替代1/3的細集料且粉煤灰替代全部礦粉，鋼渣用量占到了礦料總質量的14%，粉煤灰用量為6%)的級配組成設計在要求級配范圍內。

2.1 鋼渣的礦物成分

鋼渣的主要礦物組成為橄欖石(Mg·Fe)2[SiO4](主要由鎂橄欖石Mg2SiO4和鐵橄欖石Fe2SiO4組成)，硅酸二鈣(2CaO·SiO2)，硅酸三鈣(3CaO·SiO2)，鐵酸二鈣(2CaO·Fe2O3)，f-CaO等，各種成分組成性能基本穩定。

2.2 鋼渣的化學成分

鋼渣的主要化學成分有CaO,SiO2,Al2O3,FeO,Fe2O3,MgO,MnO等，成分有較大范圍的波動。鋼渣的特點是以FeO為主，總量在25%以下。本次試驗所用的陳化1年的鋼渣的各種化學成分的含量見表1。

表1 鋼渣的化學成分 %

該鋼渣CaO含量高達44.2%，堿度較大，且f-CaO含量小，有利于進行工程利用。鋼渣所含Fe2O3的含量較低，可以在一定程度上避免因Fe2O3導致的體積膨脹的病害發生。

2.3 廢棄物在公路工程中的資源化應用途徑研究

擬根據廢棄物的化學組成和礦物組成研究結果，采用強度試驗研究不同齡期廢棄物水化產物的力學特性；采用表面自由能等方法評價其與瀝青的粘附能力，從機理和可行性兩個方面研究廢棄物在路面結構層中的應用。在保證滿足現有驗評標準的基礎上，重點對其強度及穩定性進行跟蹤。

3 摻鋼渣粉煤灰瀝青混合料馬歇爾試驗

根據JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術規范要求，摻鋼渣和粉煤灰的瀝青混合料面層，不宜作為高速公路、一級公路和城市快速路、主干路的瀝青混凝土面層。平頂山氣候分區屬于夏炎熱及冬溫區(1區～4區)，本次試驗依然按高等級道路的馬歇爾試驗技術標準來確定，交通情況假定為中輕交通。最佳瀝青用量確定過程見表2。

表2 摻鋼渣粉煤灰瀝青混合料物理—力學指標測定表

經綜合考慮和計算，確定普通AC-16瀝青混合料的最佳油石比為4.3%，摻鋼渣粉煤灰瀝青混合料的最佳油石比為6.0%。摻鋼渣粉煤灰瀝青混合料的瀝青飽和度略超規范要求，綜合考慮其他指標要求，確定為6.0%，其他指標均能滿足要求。

3.1 摻鋼渣粉煤灰瀝青AC-16混合料馬歇爾試驗

根據得到的最佳瀝青用量，按照JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程制備試件并進行馬歇爾試驗，測試試件的各項物理、力學指標。對比分析兩種混合料的性能差異。

表3 摻鋼渣粉煤灰瀝青混合料(AC-16)馬歇爾試驗表

從圖1，圖2以及表3可以看出：

1)相比于常規瀝青混合料，摻鋼渣粉煤灰AC-16瀝青混合料的最佳油石比提高了1.7%。這主要是因為粉煤灰的微孔結構，粉煤灰的比表面積要明顯大于石灰巖礦粉，而且粉煤灰顆粒的微孔相當于微毛細管，會產生毛細作用，這些因素使得瀝青混合料的油石比增加。同時鋼渣所含的細顆粒也有顯著的吸油作用。

2)摻鋼渣粉煤灰AC-16瀝青混合料的毛體積密度明顯低于常規瀝青混合料，降幅達到7%。這主要是因為鋼渣內部有大量的空洞結構，且粉煤灰密度也遠低于普通礦粉。

3)摻鋼渣粉煤灰AC-16混合料的穩定度明顯高于常規瀝青混合料，增幅約為22.2%。但流值變化不大，說明其抗變形能力略有增強。主要原因是鋼渣表面較粗糙，所組成的混合料具有較大的內摩阻力，同時這種粗糙增加了骨料的表面積，使與瀝青的粘合面積增大，提高了鋼渣與瀝青的粘結力。同時粉煤灰一定程度上也提高了瀝青膠漿粘結力。油石比為4.6%，摻鋼渣粉煤灰AC-13瀝青混合料的最佳油石比為6.7%。

3.2 摻鋼渣粉煤灰瀝青混合料(AC-13)馬歇爾試驗結果分析

根據得到的最佳瀝青用量，按照JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程制備試件并進行馬歇爾試驗，測試試件的各項物理、力學指標，具體結果見表4。對比分析兩種混合料的性能差異。

表4 摻鋼渣粉煤灰瀝青混合料(AC-13)馬歇爾試驗表

混合料類型最佳油石比/%毛體積密度g/cm3穩定度kN流值mm空隙率%VMA%VFA%普通AC?134．62．49411．892．104．8820．3374．6摻鋼渣粉煤灰6．72．25115．362．154．4120．1274．9

從圖3和圖4以及表4可以看出：

1)相比于常規AC-13瀝青混合料，摻鋼渣粉煤灰AC-13瀝青混合料的最佳油石比提高了2.1%。這主要是因為鋼渣和粉煤灰的微孔結構，粉煤灰的比表面積要明顯大于石灰巖礦粉，而且鋼渣和粉煤灰顆粒的微孔相當于微毛細管，會產生毛細作用，這些因素使得瀝青混合料的油石比增加。

2)摻鋼渣粉煤灰AC-13瀝青混合料的毛體積密度明顯低于常規AC-13瀝青混合料，降幅達9.7%。這主要是因為鋼渣內部有大量的空洞結構，且粉煤灰密度也遠低于普通礦粉。

3)摻鋼渣粉煤灰AC-13混合料的穩定度明顯高于常規AC-13瀝青混合料，增幅約為29%。主要原因是鋼渣表面較粗糙，所組成的混合料具有較大的內摩阻力，同時這種粗糙增加了骨料的表面積，使與瀝青的粘合面積增大，提高了鋼渣與瀝青的粘結力。同時粉煤灰一定程度上也提高了瀝青膠漿粘結力。

4)鋼渣粉煤灰AC-13混合料的流值略高于常規AC-13瀝青混合料，說明其抗變形能力略有增強。

5)從圖中可以看出，鋼渣粉煤灰AC-13混合料有明顯的白色粉點，經過觀察討論，認為是少量鋼渣粗集料堅硬度不夠，在混合料擊實過程中被擊碎所導致的。

4 結語

本章首先通過級配試驗發現，摻入鋼渣和粉煤灰后，瀝青混合料的油石比提高明顯。主要因為鋼渣和粉煤灰的微孔結構，粉煤灰的比表面積要明顯大于石灰巖礦粉，而且鋼渣摻入粉煤灰后，瀝青混合料的穩定度提高明顯。主要原因是鋼渣表面較粗糙，所組成的混合料具有較大的內摩阻力，同時這種粗糙增加了骨料的表面積，使與瀝青的粘合面積增大，提高了鋼渣與瀝青的粘結力。同時粉煤灰一定程度上也提高了瀝青膠漿粘結力。

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