掺钡渣对AC-13沥青混凝土路用性能的影响研究

罗耀平，魏为成

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

钡渣是用重晶石生产碳酸钡过程中排放出的固体废弃物，钡渣的主要成分为中酸溶性钡和水溶性钡，当游离钡离子含量较高时有较强的毒性，属危险废弃物范畴。钡渣的长期堆放会对当地环境造成严重污染，威胁当地居民的生活及生产。在高温环境下钡渣会发生自燃释放有毒气体，在雨水浸泡后会流出大量含硫化物的黄色废水，严重污染当地地下水和农田。目前据不完全统计，我国钡渣累计堆存量已超过千万吨，其中贵州重晶石矿资源丰富，约占全国重晶石储量的60%，是中国重晶石第二大生产基地。2017年钡盐总生产能力97.5万t，因此如何利用钡渣中的有用成分，发挥其相应作用的同时合理处理重晶石废弃物，以达到减少环境污染的目的，是当下钡渣应用方面的热点研究问题之一。

目前，国内外对钡渣的处理通常采取较为谨慎的方式。侯萍[1]在研究中发现，在煅烧水泥熟料时加入适量的钡渣，掺量为0.8%～1.6%时，能提高水泥熟料的强度，改善生料的易烧性，同时减少窑系统的结皮现象。刘攀[2]对钡渣理化性质分析表征及其资源化利用方面进行了分析，得出钡渣可以与粉煤灰、水泥、石灰等材料共同利用生产非承载砖，具有良好的社会经济效益。刘玉柱等[3]在利用钡渣制备混凝土空心砖的研究中发现，钡渣掺量不宜超过70%，同时重金属钡实际固化效果与掺加比例没有直接关系，并提示钡渣混凝土实心砖在使用过程中环境风险很大。叶正茂等[4]的研究发现，不同建筑材料中含钡废渣作用机理不同，而建筑材料是消化含钡废渣的重要途径。明江波[5]提出了利用钡渣生产泡沫混凝土砌块的思路，为钡盐生产行业彻底解决固废排放问题提供了新方法。叶伟、秦彦军等[6-7]在掺入部分钡渣制备水泥稳定基层碎石材料的研究中发现，掺入适量重晶石矿渣水泥稳定碎石混合料的抗压性能、抗拉性能和抗干缩性能均能满足道路使用材料要求。吴雪柳、李崇景、周启伟等[8-10]将钡渣分别应用于水泥稳定碎石及水泥混凝土中，试验结果表明，掺钡渣的水泥类材料能满足道路工程的要求，同时消除了对环境的影响。谭洪波等[11]研究了磨细钡渣对普通硅酸盐水泥水化历程的影响，得出随钡渣掺量的增加，水泥-钡渣浆体强度逐渐下降，水化放热推迟。水泥1 d 水化产物形成钙矾石( AFt) 和氢氧化钙( CH)；钡渣中引入大量可溶性SO2-4，使 7 d 水化产物中析出AFt 及石膏增加，当掺量质量分数达50%时，出现大量结晶较好的石膏晶体；磨细钡渣不具备较好的一次水化活性，可作为混合材应用于水泥工业。

综上所述，钡渣应用于建筑材料和道路工程材料中的研究思路是可行的，同时也能有效消除钡渣对环境的污染，但将钡渣应用于沥青混凝土的文献鲜有报道。

因此，本文提出了将钡渣应用于沥青混凝土中，并分析不同的钡渣掺量对AC-13沥青混凝土路用性能的影响，以期得出钡渣的最佳掺量，同时对钡渣沥青混凝土的钡离子释放率进行分析，为钡渣沥青混凝土在道路工程中的广泛应用提供客观依据。

1 原材料及级配组成

1) SBS改性沥青

本文采用重庆某沥青厂生产的SBS改性沥青，SBS掺量为4%，具体技术指标如表1所示。

2) 集料

本文采用0～3 mm、3 mm～5 mm、5 mm～10 mm集料，粗、细集料选用峨眉玄武岩，矿粉选用重庆石灰石矿粉，采用JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》的方法进行技术指标测试，各档集料的各项技术指标满足技术要求。

3) 钡渣

钡渣来源于贵州黔东南地区天柱县的某重晶石矿厂，其级配和技术指标如表2和表3所示。

由表2钡渣级配组成可以看出，钡渣具有一定的细度，在混合料中与沥青的接触面积大，形成的沥青胶浆更多，同时含有少许大于4.75 mm的颗粒，说明钡渣的级配合理，在混合料中既能起到胶凝作用，又可以充当骨料。从表3中可知，钡渣的各项技术指标满足技术要求，其中表观密度为2.948 g/cm3，与本文所用0～3 mm的玄武岩集料密度(密度为2.916 g/cm3)相差不大，与表2中0～3 mm玄武岩集料对比，粗细程度、级配大致吻合；且钡渣的7 d膨胀率为1.27，本文参考YBJ 230《钢渣混合料路面基层施工技术规程》中规定浸水膨胀率不超过2%的要求，钡渣膨胀率满足规范要求，据此本文用钡渣代替沥青混合料中的部分0～3 mm细集料可行。

表1 SBS改性沥青技术指标

表2 钡渣级配组成

表3 钡渣的技术指标

4) 级配组成

矿料级配曲线设计为AC-13F型级配，用钡渣代替部分0～3 mm的细集料，钡渣掺量为5%、10%、15%、20%，25%五组，分别进行路用性能对比分析。

2 试验方案

1) 旋转压实成型试验

采用5850沥青旋转压实仪确定掺钡渣的AC-13沥青混合料的最佳油石比，并进行马歇尔强度指标的测定。

2) 高温性能试验

采用德国汉堡车辙仪测试60 ℃下掺不同比例钡渣的AC-13沥青混合料的抗车辙性能，并得出高温性能最佳的钡渣掺量。

3) 低温性能试验

采用小梁弯曲测试仪测试-10 ℃下掺不同比例钡渣的AC-13沥青混合料的低温性能，并得出低温性能最佳的钡渣掺量。

4) 水稳定性能试验

采用冻融劈裂试验测试掺不同比例钡渣的AC-13沥青混合料的抗水损性能，并得出抗水损性能最佳的钡渣掺量。

5) 毒性分析试验

参照文献[12-15]对掺不同比例钡渣的AC-13沥青混合料的浸出毒性进行分析。

6) 钡渣稳定性试验

参考GB/T 24175—2009《钢渣稳定性测试方法》[14]中钢渣稳定性试验方法测试掺不同比例钡渣的集料膨胀率，用于评价掺不同比例钡渣集料的稳定性。

3 试验结果及分析

3.1 钡渣掺量对最佳油石比的影响

采用旋转压实法确定不同比例的钡渣掺量对AC-13沥青混合料最佳油石比的影响，并测试其马歇尔参数，具体试验结果如表4所示。

表4 不同钡渣掺量下的最佳油石比及其技术指标

由表4数据分析得出以下结论：

1) 随着钡渣掺量的增加，沥青混合料的油石比随之增大，钡渣掺量为5%时、油石比为4.7%，掺量为25%时、油石比为5.9%，油石比增大了25.5%。主因是钡渣为多孔隙材料，且孔隙比较大(孔隙比在1左右)，在拌和过程中沥青先与比表面积较大的钡渣裹附，从而吸附了更多的沥青，形成了钡渣-沥青胶浆，导致油石比过高。

2) 马歇尔稳定度随钡渣掺量的增大呈先增后降的规律。钡渣掺量为15%时，沥青混合料的马歇尔强度最大，分析其原因为钡渣中的BaSO4、SiO2、BaSiO3及CaO、FeO等水泥熟料与沥青形成钡渣-沥青胶浆，且为饱和状态。当钡渣掺量为15%时，混合料的强度增大；当钡渣掺量为20%时，钡渣吸附的沥青增加，导致在同一空间内混合料的自由沥青含量增加，抗变形能力降低。

3.2 钡渣掺量对混合料高温稳定性的影响

按照规范，对不同钡渣掺量的混合料进行60 ℃车辙试验，试验结果如表5所示。

表5 不同钡渣掺量下的沥青混合料高温稳定性

分析表5可知，沥青混合料的高温稳定性随着钡渣掺量的增大呈先增后降的趋势。当钡渣掺量为15%时，动稳定度最大为5 075次/mm，较掺量为5%时提高了39.5%；当钡渣掺量为25%时，动稳定度为2 879次/mm，较掺量为5%时降低了20.8%。分析其原因为钡渣中的水泥熟料成分与沥青吸附后形成钡渣-沥青胶浆，同时掺量为15%时，胶浆为饱和状态，当掺量增大，油石比也随之增加，导致混合料内部自由沥青增多，抗车辙性能降低。

3.3 低温抗裂性试验

依据规范，对不同钡渣掺量的沥青混合料进行小梁低温弯曲试验，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm/min，试验结果如表6所示。

表6 不同钡渣掺量下的沥青混合料低温稳定性

分析表6可知，随着钡渣掺量的增大，混合料低温破坏应变先降后增。当钡渣掺量为15%，破坏应变减小11.5%；当钡渣掺量为25%，破坏应变增加0.4%。分析其原因为随着钡渣掺量的增加，混合料内部的BaSO4、SiO2、BaSiO3及CaO、FeO等水泥熟料含量也随之增加，导致沥青混合料低温脆性增加，因此随着钡渣掺量的增加，混合料的低温性能也随之降低。当钡渣掺量为25%时，混合料的低温性能提高，其原因为钡渣吸附了足够的沥青，进而提升了钡渣-沥青胶浆的韧性，因此提高了混合料的低温性能。

3.4 水稳定性试验

按照规范，对不同钡渣掺量下的沥青混合料进行冻融劈裂试验，采用劈裂破坏的强度比TSR来评价其水稳定性，试验结果如表7所示。

表7 不同钡渣掺量下的冻融劈裂强度比TSR

分析表7试验结果得出，掺钡渣的沥青混合料其水稳定性均能满足道路相关规范要求，同时其TSR随着钡渣掺量的增加而提高。分析其原因为钡渣中含有的水泥熟料类材料能有效提高集料与沥青的裹附性能，因此提高了混合料的水稳定性能，同时随着钡渣掺量的增加，混合料内部的沥青膜厚度也随之增加，进一步提高了沥青混合料的抗水损性能。

3.5 混合料浸出毒性分析

本文参照文献[12-15]中试验方法对钡渣掺量为25%的沥青混合料浸出性毒性元素进行分析，其试验结果如表8所示。

表8试验结果表明，基于酸雨降水的掺钡渣的沥青混凝土AC-13重金属离子浸出浓度满足文献[12]对浸出液中重金属离子浓度的限值要求。究其原因：1) 沥青膜对集料进行充分包围，隔绝了酸雨对钡渣的浸出；2) 沥青为弱酸性，而钡渣中含有水泥熟料材料呈弱碱性，这进一步提高了沥青对钡渣的裹附，因此掺钡渣的沥青混凝土在基于酸雨降水条件下的渗出物是达标的、安全的，对当地环境并无不良影响。

表8 基于酸雨降水的掺钡渣沥青混凝土浸出毒性试验检测结果

3.6 掺不同比例钡渣的集料膨胀率分析

参照相关试验方法，连续测试3 d、5 d及7 d不同比例钡渣的集料累计膨胀率，具体试验结果如表9所示。

表9 掺不同比例钡渣的集料累计膨胀率

分析表9的试验结果可知，掺不同比例钡渣的集料累计膨胀率随着钡渣掺量的增加而增加，其中钡渣掺量为25%时，7 d累计膨胀率为0.91，参考钢渣膨胀率试验标准，其膨胀率≤2%，即可作为道路工程集料，因此，掺钡渣的集料其遇水后体积变化满足道路工程要求。

4 结论

1) 掺钡渣的沥青混凝土油石比随着钡渣掺量的增加而增加，当钡渣掺量为25%时，油石比较5%提高25.5%。

2) 掺钡渣的沥青混凝土高温稳定性随着钡渣掺量的增加呈先增后降的趋势，当钡渣掺量为15%时，其高温稳定性最佳。

3) 掺钡渣的沥青混凝土低温抗裂性随着钡渣掺量的增加呈先降后增的趋势，当钡渣掺量大于20%时，其低温抗裂性最佳。

4) 掺钡渣的沥青混凝土水稳定性随着钡渣掺量的增加而增加，当钡渣掺量大于20%时，其冻融劈裂强度比≥95。

5) 掺钡渣的沥青混凝土渗出物毒性分析均满足国家相关规范要求。

6) 纯钡渣的膨胀率为1.27%，钡渣掺量为25%时，集料的膨胀率为0.91%，满足道路工程使用要求。

7) 综上所述，掺钡渣的沥青混凝土AC-13中钡渣的最佳掺量不大于25%。