干法脫硫灰作為瀝青混合料填料的應(yīng)用研究

陳永瑞

（1.福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000；2.福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建 龍巖 364000）

干法脫硫工藝因具有投資低、占地少、節(jié)水、節(jié)能、無廢水排放等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)外得到迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠、鋼鐵廠、循環(huán)流化床鍋爐（爐內(nèi)噴鈣）及玻璃窯爐等工業(yè)煙氣重點治理領(lǐng)域[1-3]。干法脫硫所產(chǎn)生的副產(chǎn)物數(shù)量也逐年增加，其綜合利用問題引起了人們的重視。

經(jīng)過多年應(yīng)用研究，國內(nèi)已嘗試將干法脫硫灰應(yīng)用于包括蒸壓磚、加氣混凝土砌塊、砂漿、礦渣微粉、水泥等諸多領(lǐng)域[4-12]，但因不同地區(qū)的市場差異，亟待因地制宜拓寬脫硫灰綜合利用渠道。

瀝青混合料是由瀝青、粗集料、細集料和填料等拌合而成的混合料的總稱，被廣泛用于高速公路及市政交通公路工程。傳統(tǒng)瀝青混合料填料是由石灰?guī)r或巖漿巖等堿性石料經(jīng)磨細加工的粒徑小于0.075mm的礦物質(zhì)粉末，亦稱礦粉。當前，隨著國家對于礦山開采整治力度的加嚴，各地礦石供應(yīng)越來越緊張，對于礦粉的可替代資源的需求也愈來愈迫切。

干法脫硫產(chǎn)生的脫硫灰粒徑細、呈堿性，主要成分為亞硫酸鈣（CaSO3）、碳酸鈣（CaCO3）及氫氧化鈣[Ca(OH)2]。CaSO3和CaCO3是常用的低溫惰性填料，與瀝青混合料的石灰石礦粉具有天然的相似性。消石灰（氫氧化鈣）也常用作瀝青混合料的改性劑。因此，從脫硫灰的組分來看，利用干法脫硫灰取代礦粉作為瀝青混合料的填料，用于城市道路或高速公路的建設(shè)具有較高的可行性，也符合國家綠色發(fā)展戰(zhàn)略方針[13]。

國內(nèi)不少科研機構(gòu)也已開展脫硫灰用于瀝青混合料的相關(guān)試驗研究，如李萃斌和蘇達根等[14]的試驗研究表明，40%的電廠脫硫灰與礦粉復合可制備瀝青填料，所制備的瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、車轍動穩(wěn)定度等各項指標均能滿足規(guī)范要求，可應(yīng)用于瀝青道路工程。陳居涌和吳少鵬等[15]的試驗研究表明，與普通礦粉相比，脫硫灰瀝青混合料在殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比、浸水車轍動穩(wěn)定度方面均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。脫硫灰應(yīng)用于瀝青混合料中能夠顯著提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，同時使瀝青混合料的路用性能不低于傳統(tǒng)填料制備的瀝青混合料。陳海湘和林禪華等[16]的試驗研究表明，脫硫灰取代礦粉做瀝青混合料的填料，各項指標均滿足現(xiàn)行規(guī)范對AC-16C 型瀝青混合料的技術(shù)指標要求。脫硫灰因含有一定量的Ca(OH)2和火山灰膠凝性物質(zhì)，對水穩(wěn)性有一定加強作用。

本研究采用鋼鐵廠燒結(jié)機脫硫灰取代礦粉制備AC-20C 型瀝青混合料，通過室內(nèi)配合比設(shè)計、混合料性能及示范道路施工對比驗證，研究脫硫灰作為瀝青混合料填料的路用性能。

1 材料與方法

1.1 原材料

試驗所用原材料及其參數(shù)選用如下：

（1）瀝青為廈門新立基股份有限公司SBS 改性瀝青，其各項技術(shù)指標滿足規(guī)范要求（見表1）。

表1 瀝青技術(shù)指標

（2）脫硫灰為福建省三鋼集團鋼鐵燒結(jié)機煙氣干法脫硫工藝產(chǎn)生的脫硫副產(chǎn)物。

（3）礦粉為福建龍巖市宇聯(lián)重鈣有限公司生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉。

脫硫灰、礦粉的元素組成見表2。脫硫灰、礦粉的礦物組成見表3。

表2 脫硫灰、礦粉的元素分析

表3 礦粉、脫硫灰的主要礦物成分組成

（4）集料為福建漳州市脈嶺石料場石灰?guī)r，集料堅硬，無風化現(xiàn)象，各項指標滿足要求。

根據(jù)集料篩分試驗結(jié)果和現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中AC-20C 型瀝青混合料的級配要求進行礦質(zhì)混合料組成設(shè)計，經(jīng)多次試驗后最終確定礦料組成見表4。

表4 AC-20C 型瀝青混合料礦料級配組成

1.2 試驗方法

本文基于AC-20C 型瀝青混合料配合比，采用相同質(zhì)量的脫硫灰替代礦粉，對比兩種瀝青混合料各主要性能指標差異及對實際瀝青道路施工的影響。

瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度試驗、高溫車轍試驗、凍融劈裂試驗和滲水試驗均參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）中的試驗方法。

2 瀝青混合料試驗結(jié)果與分析

根據(jù)試驗設(shè)計的AC-20C 型瀝青混合料配合比（見表5），測定各組樣品的凍融劈裂強度比、滲水系數(shù)，以及車轍動穩(wěn)定度的水穩(wěn)性能和高溫性能，試驗結(jié)果見表6。

表5 AC-20C 型瀝青混合料配合比

從表6 可知，摻脫硫灰與摻礦粉的瀝青混合料，車轍動穩(wěn)定度均大于6000 次/mm，大于設(shè)計值要求的2800 次/mm，具有優(yōu)異的高溫性能。

表6 AC-20C 型瀝青混合料試驗結(jié)果

摻脫硫灰的瀝青混合料與摻礦粉的瀝青混合料相比，凍融劈裂強度比由85.7%增加至89.2%，提高了4.1%。脫硫灰組的滲水系數(shù)為36.9mL/min，遠低于礦粉組的85mL/min，滲水系數(shù)降低了56.6%。凍融劈裂強度比和滲水系數(shù)均是瀝青混合料水穩(wěn)性的重要表征指標。這說明與礦粉相比，脫硫灰能有效提高瀝青混合料的水穩(wěn)性。這是因為與礦粉相比，脫硫灰的密度小、粒徑細，比表面積大，故加入相同質(zhì)量的脫硫灰和礦粉后，脫硫灰與瀝青所形成的瀝青膠漿體積大于礦粉與瀝青所形成的瀝青膠漿，而且脫硫灰相比礦粉含有更多的Ca(OH)2，可改善礦石與瀝青膠漿的黏接力。因此，摻入脫硫灰后，瀝青混合料整體更加密實、間隙率小、水穩(wěn)定性更好。

3 脫硫灰瀝青混合料試驗道路施工檢測

由試驗研究結(jié)果可知，脫硫灰替代礦粉作為填料制成的瀝青混合料具有較優(yōu)的水穩(wěn)性能和高溫車轍性能。為了驗證其實際生產(chǎn)施工及路用性能，依托福建云平高速公路標段，建設(shè)了干法脫硫灰瀝青混凝土試驗道路。

3.1 脫硫灰試驗道路情況簡介

脫硫灰瀝青混合料試驗段道路位于福建省漳州云平高速，試驗路總長約2km，樁號為YK31+700—YK32+700，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖所示。其中，AC-20C 型中粒式改性瀝青混凝土位于路面結(jié)構(gòu)的下面層，設(shè)計厚度為5.5cm，為脫硫灰施工結(jié)構(gòu)層。

脫硫灰試驗道路路面結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 試驗道路施工流程

脫硫灰瀝青混合料試驗路段施工工藝與傳統(tǒng)采用礦粉的AC-20C 型瀝青混合料施工工藝一致，主要施工流程為：原材料準備→配合比設(shè)計→混合料拌和→運輸→攤鋪→碾壓（初壓、復壓、終壓）→接縫處理→檢測→封閉交通。

3.3 試驗路段性能檢測

3.3.1 瀝青混合料馬歇爾試驗

在礦粉、脫硫灰AC-20C 型瀝青混合料的試驗路段施工現(xiàn)場分別取樣，于室內(nèi)完成馬歇爾穩(wěn)定度試驗，對比檢測脫硫灰、礦粉試驗路的瀝青含量、空隙率、穩(wěn)定度、流值等指標。由表7 可知，脫硫灰與礦粉兩種瀝青混合料的瀝青含量、空隙率數(shù)值接近，脫硫灰的穩(wěn)定度和流值指標略高于礦粉，屬于試驗正常的波動范圍，各指標均滿足規(guī)范設(shè)計要求，表明脫硫灰取代礦粉作為填料制備瀝青混合料具有很好的匹配度。

表7 AC-20C 型瀝青混合料室內(nèi)馬歇爾試驗結(jié)果

3.3.2 瀝青混合料鉆芯取樣試驗

依照常規(guī)瀝青路面施工監(jiān)測，脫硫灰和礦粉試驗路段AC-20C 型瀝青混合料面層施工2 天后進行鉆芯取樣，對比檢測壓實度、空隙率等路面性能指標。

礦粉和脫硫灰瀝青路面鉆芯取樣試驗結(jié)果分別如表8、表9 所示，脫硫灰與礦粉瀝青混合料的壓實度范圍均為98%—100%，礦粉、脫硫灰平均壓實度分別為99.1%和99.0%，均滿足設(shè)計控制指標≥97%的要求。礦粉瀝青混合料平均空隙率為5.4%，脫硫灰瀝青混合料平均空隙率為5.5%，均滿足設(shè)計控制指標＜7%的要求。

表8 礦粉瀝青路面鉆芯取樣檢測結(jié)果

表9 脫硫灰瀝青路面鉆芯取樣檢測結(jié)果

整體上看，礦粉瀝青混合料與脫硫灰瀝青混合料的壓實度和空隙率指標均極為接近，無顯著差異，滿足規(guī)范設(shè)計要求，表明脫硫灰取代礦粉作為瀝青混合料填料，對于瀝青混凝土的路面性能無不良影響。

4 結(jié)語

試驗研究表明，AC-20C 型脫硫灰瀝青混合料的高溫車轍動穩(wěn)定度與傳統(tǒng)礦粉瀝青混合料性能相當，而在凍融劈裂強度比和滲水系數(shù)等水穩(wěn)性能方面要優(yōu)于礦粉。干法脫硫灰瀝青混合料試驗道路的施工監(jiān)測驗證了干法脫硫灰取代礦粉作為填料用于瀝青混合料的可行性，其壓實度、空隙率等路用技術(shù)指標均滿足設(shè)計要求。

干法脫硫灰替代礦粉在瀝青混合料中應(yīng)用，無須增加生產(chǎn)設(shè)備或改變生產(chǎn)工藝，可降低生產(chǎn)成本，具有良好的經(jīng)濟效益，同時，對于脫硫灰渣實現(xiàn)變廢為寶、節(jié)約礦山資源具有重要社會意義。