烧结脱硫灰沥青混合料路用性能试验研究

李 帅 徐 兵 杨 群

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804；2.宝武集团环境资源科技有限公司 上海 201900)

烧结脱硫灰是钢铁产业脱硫过程中产生的一种固体废弃物。2019年，我国钢铁生产总量高达9亿t，在烧结过程中伴随着大量的SO2排放至大气，污染生态环境。为坚持人与自然和谐发展理念、实现重点行业节能减排，近年来脱硫工艺得到稳步快速发展，已研发出循环硫化床半干法技术、石灰石-石膏湿法吸附、活性炭法等一系列高效脱硫技术[1-3]。不同脱硫工艺往往产生不同成分的烧结脱硫灰，这一特点严重影响了烧结脱硫灰的综合资源化利用，使得脱硫灰变成一种闲置的固体废弃物，占据大量土地资源的同时，妨碍生态环境保护与修复。

目前高校和科研院所对于脱硫灰的改性利用多处于研究阶段，主要集中于蒸压砖、粉煤灰加气砌块、三渣路基填料、脱硫灰渣基水泥混凝土等应用研究[4-6]。但由于脱硫灰中CaSO3含量较多，用于水泥混凝土等多种建材材料时，理化性质非常不稳定，严重制约其在建材领域的开发。文献[4]利用脱硫灰与粉煤灰化学成分接近的特点，将其利用于路基填料制备中，但某些钢厂烧结工序产生的脱硫灰中SiO2和Al2O3含量低，故不能参照此利用途径。部分研究者开始将烧结脱硫灰作为一种新型填料应用于沥青混合料制备中[7-8]。

我国高速公路网络现已基本规划建设完成，后期路面翻修养护仍需大量沥青混合料，若其在沥青路面中得到成功应用推广，则可有效解决脱硫灰土地占用、污染防治问题，实现协同推动固体废弃物处置与生态环境保护。本文拟通过研究不同脱硫灰掺量下沥青填料基础特性与沥青混合料路用性能变化规律，分析评估烧结脱硫灰在沥青混合料的应用可行性，为脱硫灰在沥青路面推广应用研究提供一定的实践基础。

1 原材料

1.1 烧结脱硫灰

试验用脱硫灰收集自国内某钢厂半干法烧结脱硫装置，其颜色、外观与水泥粉末基本相似，呈浅灰色。采用荧光光谱仪、X射线衍射仪等测试方法对烧结脱硫灰元素组成、物相组成等微观基础特性进行表征[9]。烧结脱硫灰主要化学成分见表1。

表1 烧结脱硫灰化学成分表

由表1可见，烧结脱硫灰中CaO和SO3的含量较高，这是由脱硫工艺所决定的，烧结烟气经文丘里管加速进入循环硫化床体，其中SO2等酸性污染物与吸收剂消石灰反应，以CaSO3和CaSO4的形式被固定下来，所以脱硫灰中CaO和SO3含量较高。

烧结脱硫灰中SiO2和Al2O3含量均低于10%，说明脱硫灰中含有少量的粉煤灰。无定形的SiO2和Al2O3是活性物质，对用于水泥建材时的强度影响很大，对用于沥青混凝土中影响较小。

烧结脱硫灰主要物相衍射特征峰见图1。

图1 烧结脱硫灰主要物相衍射特征峰

由图1可见，该烧结脱硫灰为亚硫酸钙型，主要含有大量的CaCO3、少量的CaSO3·0.5H2O，及微量的方镁矾、硅酸钙和球霰石碳酸钙等。

烧结脱硫灰微观形貌见图2。

图2 烧结脱硫灰微观形貌

由图2可见，烧结脱硫灰颗粒表观形状不规则，大颗粒表面凹凸不平，结构致密；小颗粒为类球形，表面光滑。相比于矿粉，其颗粒间存在明显的间隙。小颗粒间具有一定的团聚现象。

该烧结脱硫灰由于主要元素组成与石灰石矿粉比较接近，且重金属浸出与放射性衍射经检测均符合相关规程要求，故无需进行预处理可直接用于沥青混合料中。

1.2 试验级配及沥青用量

本次试验采用AC-13型级配，由玄武岩10～15 mm、玄武岩5～10 mm和石灰岩0～3 mm 3档集料配制而成，试验用矿料基本参数见表2。级配曲线见图3。试验用沥青为SBS改性沥青，沥青用量为4.4%。

表2 试验用矿料基本参数

图3 AC-13型级配曲线

2 试验方法

2.1 复合填料基本特性

1) 亲水系数。评价填料和沥青结合料间的黏附性能，可用填料在水中膨胀的体积和在煤油中膨胀的体积之比进行表征。本试验采用0%，50%，100% 3种脱硫灰替代量(质量分数)进行复合填料的制备，将3种填料烘干至恒重，每种称取5 g，依据JTG E42-2005 《公路工程集料试验规程》中T0353-2000方法进行3种复合填料的亲水系数测定。

2) 填料级配。试验采用水洗法进行3种复合填料的筛分试验。每组称取100 g。试验步骤参考JTG E42-2005 《公路工程集料试验规程》中T0351-2000方法。

2.2 马歇尔试验基本指标

1) 体积指标。试验从0%，50%，100% 3种脱硫灰替代量(质量分数)出发，进行3组沥青混合料制备。依据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T 0702试验方法，进行标准马歇尔制件，按照JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T 0705试验方法，进行沥青混合料试件的空隙率(VV)、矿料间隙率(VMA)等各项体积指标的测定。

2) 马歇尔稳定度。依据JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T 0709试验方法，进行马歇尔稳定度试验，测定3组马歇尔试件的稳定度(MS)、流值(FL)。

2.3 沥青混合料路用性能

1) 高温性能。通过车辙试验评价3种脱硫灰替代量下沥青混合料的高温抗车辙能力。试验步骤参考JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T 0719试验方法。

2) 水稳性能。通过浸水马歇尔试验检验沥青混合料受水损害时抵抗剥落的能力，以浸水残留稳定度进行表征。试验步骤参考JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T 0709试验方法。

3 试验结果与分析

3.1 复合填料基本指标

现将3种复合填料(脱硫灰替代量分别为0%,50%,100%)的亲水系数和筛分结果整理如下，复合填料亲水系数见表3，复合填料筛分试验表见表4。

表3 复合填料亲水系数表

表4 复合填料筛分试验结果

由表3可以得知，随着脱硫灰在填料中的占比增加，填料的亲水系数不断增大，说明脱硫灰的亲水系数明显大于所用矿粉的亲水系数，但仍能满足JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对于填料亲水系数须小于1的要求。因此，脱硫灰替代量不可过高，以防止沥青结合料和集料之间的黏附性变差，影响沥青混合料的路用性能。

由表4可以得知，3种脱硫灰替代量下，复合填料的级配均满足JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》要求。随着脱硫灰掺比增加，同一筛孔下，填料的通过率变大，说明该脱硫灰比矿粉的细度大一些。

3.2 沥青混合料性能参数

3组脱硫灰替代量下，每组沥青混合料进行马歇尔击实制件，每组试件数4个，试件高度均符合规程要求，沥青混合料马歇尔试验指标见表5。

表5 沥青混合料马歇尔试验指标表

由表5可见，脱硫灰掺量的增加导致空隙率VV变小，矿料间隙率VMA和沥青饱和度VFA有所变大。3组脱硫灰掺量的沥青混合料稳定度均满足规范要求。不同脱硫灰掺量沥青混合料的稳定度与普通沥青混合料的相当，且50%，100%烧结脱硫灰掺量下试件所测流值均略低于普通沥青混合料试件，说明脱硫灰的掺入并未降低沥青混合料的稳定度。

对3组沥青混合料分别进行车辙试验和浸水马歇尔试验，以评价不同脱硫灰掺量下沥青混合料的高温性能和水稳定性能，沥青混合料路用性能指标见表6。

表6 沥青混合料路用性能指标

由表6可见，相比于普通矿粉沥青混合料，脱硫灰的掺入，一定程度上提高了沥青混合料的高温抗车辙能力，且在掺量为50%时达到峰值。说明烧结脱硫灰的加入有利于提高沥青混合料的高温抗车辙能力，这是由于烧结脱硫灰的比表面积大于石灰石矿粉，可以有效地将游离沥青转化为结构沥青，从而提高沥青混合料的高温性能。

但脱硫灰含量的增加，会导致试件的浸水残留稳定度有所降低，这是因为脱硫灰的亲水系数明显大于矿粉的亲水系数，当脱硫灰含量增加时，填料与沥青之间的黏结能力变小，使沥青混合料的水稳定性能减弱。此外烧结脱硫灰比表面积大于石灰石矿粉，会使得沥青中的自由沥青进一步降低，导致沥青混合料的水稳性能受到不利影响。

为进一步优化烧结脱硫灰掺量，可在0%～50%掺配比间增设30%掺配比例，通过路用性能试验进一步优化烧结脱硫灰掺量范围。

4 总结

通过对烧结脱硫灰、复合填料基本特性和脱硫灰沥青混合料路用性能试验研究，发现对于矿粉和烧结脱硫灰不同比例复配的沥青填料，均能满足JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中对于填料基本指标的要求，但脱硫灰的增加，会降低沥青与填料间的黏附性能，因此脱硫灰掺量不可过高。当脱硫灰掺量为50%时，沥青混合料高温抗车辙能力达到最大，但脱硫灰掺量的增加会一定程度上降低沥青混合料的水稳定性能力，但仍能满足路用性能的要求。经过填料基本指标测试和沥青混合料路用性能检验，本文认为可以将脱硫灰作为一种新型沥青填料应用于沥青混合料的制备中，但应综合其高温性能和水稳性能，进一步在0%～50%范围内优化脱硫灰掺配比，并进一步对脱硫灰进行改性，提高其沥青混合料的水稳定性能。