燒結脫硫灰瀝青混合料路用性能試驗研究

李 帥 徐 兵 楊 群

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804；2.寶武集團環境資源科技有限公司 上海 201900)

燒結脫硫灰是鋼鐵產業脫硫過程中產生的一種固體廢棄物。2019年，我國鋼鐵生產總量高達9億t，在燒結過程中伴隨著大量的SO2排放至大氣，污染生態環境。為堅持人與自然和諧發展理念、實現重點行業節能減排，近年來脫硫工藝得到穩步快速發展，已研發出循環硫化床半干法技術、石灰石-石膏濕法吸附、活性炭法等一系列高效脫硫技術[1-3]。不同脫硫工藝往往產生不同成分的燒結脫硫灰，這一特點嚴重影響了燒結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，占據大量土地資源的同時，妨礙生態環境保護與修復。

目前高校和科研院所對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，理化性質非常不穩定，嚴重制約其在建材領域的開發。文獻[4]利用脫硫灰與粉煤灰化學成分接近的特點，將其利用于路基填料制備中，但某些鋼廠燒結工序產生的脫硫灰中SiO2和Al2O3含量低，故不能參照此利用途徑。部分研究者開始將燒結脫硫灰作為一種新型填料應用于瀝青混合料制備中[7-8]。

我國高速公路網絡現已基本規劃建設完成，后期路面翻修養護仍需大量瀝青混合料，若其在瀝青路面中得到成功應用推廣，則可有效解決脫硫灰土地占用、污染防治問題，實現協同推動固體廢棄物處置與生態環境保護。本文擬通過研究不同脫硫灰摻量下瀝青填料基礎特性與瀝青混合料路用性能變化規律，分析評估燒結脫硫灰在瀝青混合料的應用可行性，為脫硫灰在瀝青路面推廣應用研究提供一定的實踐基礎。

1 原材料

1.1 燒結脫硫灰

試驗用脫硫灰收集自國內某鋼廠半干法燒結脫硫裝置，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射線衍射儀等測試方法對燒結脫硫灰元素組成、物相組成等微觀基礎特性進行表征[9]。燒結脫硫灰主要化學成分見表1。

表1 燒結脫硫灰化學成分表

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

燒結脫硫灰中SiO2和Al2O3含量均低于10%，說明脫硫灰中含有少量的粉煤灰。無定形的SiO2和Al2O3是活性物質，對用于水泥建材時的強度影響很大，對用于瀝青混凝土中影響較小。

燒結脫硫灰主要物相衍射特征峰見圖1。

圖1 燒結脫硫灰主要物相衍射特征峰

由圖1可見，該燒結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。

燒結脫硫灰微觀形貌見圖2。

圖2 燒結脫硫灰微觀形貌

由圖2可見，燒結脫硫灰顆粒表觀形狀不規則，大顆粒表面凹凸不平，結構致密；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聚現象。

該燒結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檢測均符合相關規程要求，故無需進行預處理可直接用于瀝青混合料中。

1.2 試驗級配及瀝青用量

本次試驗采用AC-13型級配，由玄武巖10～15 mm、玄武巖5～10 mm和石灰巖0～3 mm 3檔集料配制而成，試驗用礦料基本參數見表2。級配曲線見圖3。試驗用瀝青為SBS改性瀝青，瀝青用量為4.4%。

表2 試驗用礦料基本參數

圖3 AC-13型級配曲線

2 試驗方法

2.1 復合填料基本特性

1) 親水系數。評價填料和瀝青結合料間的黏附性能，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行表征。本試驗采用0%，50%，100% 3種脫硫灰替代量(質量分數)進行復合填料的制備，將3種填料烘干至恒重，每種稱取5 g，依據JTG E42-2005 《公路工程集料試驗規程》中T0353-2000方法進行3種復合填料的親水系數測定。

2) 填料級配。試驗采用水洗法進行3種復合填料的篩分試驗。每組稱取100 g。試驗步驟參考JTG E42-2005 《公路工程集料試驗規程》中T0351-2000方法。

2.2 馬歇爾試驗基本指標

1) 體積指標。試驗從0%，50%，100% 3種脫硫灰替代量(質量分數)出發，進行3組瀝青混合料制備。依據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T 0702試驗方法，進行標準馬歇爾制件，按照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T 0705試驗方法，進行瀝青混合料試件的空隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)等各項體積指標的測定。

2) 馬歇爾穩定度。依據JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T 0709試驗方法，進行馬歇爾穩定度試驗，測定3組馬歇爾試件的穩定度(MS)、流值(FL)。

2.3 瀝青混合料路用性能

1) 高溫性能。通過車轍試驗評價3種脫硫灰替代量下瀝青混合料的高溫抗車轍能力。試驗步驟參考JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T 0719試驗方法。

2) 水穩性能。通過浸水馬歇爾試驗檢驗瀝青混合料受水損害時抵抗剝落的能力，以浸水殘留穩定度進行表征。試驗步驟參考JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T 0709試驗方法。

3 試驗結果與分析

3.1 復合填料基本指標

現將3種復合填料(脫硫灰替代量分別為0%,50%,100%)的親水系數和篩分結果整理如下，復合填料親水系數見表3，復合填料篩分試驗表見表4。

表3 復合填料親水系數表

表4 復合填料篩分試驗結果

由表3可以得知，隨著脫硫灰在填料中的占比增加，填料的親水系數不斷增大，說明脫硫灰的親水系數明顯大于所用礦粉的親水系數，但仍能滿足JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》對于填料親水系數須小于1的要求。因此，脫硫灰替代量不可過高，以防止瀝青結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，復合填料的級配均滿足JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》要求。隨著脫硫灰摻比增加，同一篩孔下，填料的通過率變大，說明該脫硫灰比礦粉的細度大一些。

3.2 瀝青混合料性能參數

3組脫硫灰替代量下，每組瀝青混合料進行馬歇爾擊實制件，每組試件數4個，試件高度均符合規程要求，瀝青混合料馬歇爾試驗指標見表5。

表5 瀝青混合料馬歇爾試驗指標表

由表5可見，脫硫灰摻量的增加導致空隙率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定度均滿足規范要求。不同脫硫灰摻量瀝青混合料的穩定度與普通瀝青混合料的相當，且50%，100%燒結脫硫灰摻量下試件所測流值均略低于普通瀝青混合料試件，說明脫硫灰的摻入并未降低瀝青混合料的穩定度。

對3組瀝青混合料分別進行車轍試驗和浸水馬歇爾試驗，以評價不同脫硫灰摻量下瀝青混合料的高溫性能和水穩定性能，瀝青混合料路用性能指標見表6。

表6 瀝青混合料路用性能指標

由表6可見，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%時達到峰值。說明燒結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化為結構瀝青，從而提高瀝青混合料的高溫性能。

但脫硫灰含量的增加，會導致試件的浸水殘留穩定度有所降低，這是因為脫硫灰的親水系數明顯大于礦粉的親水系數，當脫硫灰含量增加時，填料與瀝青之間的黏結能力變小，使瀝青混合料的水穩定性能減弱。此外燒結脫硫灰比表面積大于石灰石礦粉，會使得瀝青中的自由瀝青進一步降低，導致瀝青混合料的水穩性能受到不利影響。

為進一步優化燒結脫硫灰摻量，可在0%～50%摻配比間增設30%摻配比例，通過路用性能試驗進一步優化燒結脫硫灰摻量范圍。

4 總結

通過對燒結脫硫灰、復合填料基本特性和脫硫灰瀝青混合料路用性能試驗研究，發現對于礦粉和燒結脫硫灰不同比例復配的瀝青填料，均能滿足JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中對于填料基本指標的要求，但脫硫灰的增加，會降低瀝青與填料間的黏附性能，因此脫硫灰摻量不可過高。當脫硫灰摻量為50%時，瀝青混合料高溫抗車轍能力達到最大，但脫硫灰摻量的增加會一定程度上降低瀝青混合料的水穩定性能力，但仍能滿足路用性能的要求。經過填料基本指標測試和瀝青混合料路用性能檢驗，本文認為可以將脫硫灰作為一種新型瀝青填料應用于瀝青混合料的制備中，但應綜合其高溫性能和水穩性能，進一步在0%～50%范圍內優化脫硫灰摻配比，并進一步對脫硫灰進行改性，提高其瀝青混合料的水穩定性能。