脱硫灰材性分析及对沥青路面性能影响研究

　　摘要:通过分析干法脱硫灰与各种不同产地矿粉的矿物组成、物理技术性质等区别，替代天然矿粉可能性，通过试验方法对脱硫灰沥青混合料的材料性能、不同掺量的混合料性能进行分析，提出脱硫灰沥青混合料的施工建议，为脱硫灰沥青混合料推广积累施工经验。

　　关键词:脱硫灰;性能分析;沥青混合料;掺量

　　1概述

　　沥青混合料是由沥青、粗集料、细集料及填料拌和而成。其中，填料目前主要是矿粉，矿粉作为不可再生资源，开采会产生水土流失和环境污染，所以寻求更为环保的材料替代就显得尤为重要。而干法烟气脱硫技术所具有的节能、节水、占地小及高效、多污染协同控制等优点，被广泛应用。其所产生的脱硫灰是一类粒径细、呈干态的一般工业固体废弃物，与天然矿粉在填充性能方面具有一定相似性。

　　由于脱硫灰中含有大量的能够提高沥青混合料中集料和沥青黏附性、水稳定性的氢氧化钙(Ca(OH)2)，如果能将脱硫灰应用于沥青混合料中，替代天然矿粉，不仅可以提高集料和沥青的黏附性、水稳定性，还可以有效的利用脱硫灰，解决因脱硫灰大量堆积而带来的二次污染问题，实现资源的可循环利用，同时还能够节约天然矿料等不可再生资源。所以，研究有关脱硫灰的综合利用技术并有效合理的落地应用具有重大的社会和环境效益，符合建设“两型社会”的要求。

　　2材料性能分析

　　2.1干法脱硫灰性能分析

　　1)干法脱硫灰是一种新型的一般工业固体废弃物是利用消石灰在高湿度吸收塔中与烟气中的二氧化硫反应脱硫形成，具有水的质量分数低(一般在2%以内)、粒径细(中粒径约为10μm～30μm)，化学成分较复杂，硫和钙的含量高等特点。主要成分为钙基化合物，包括:亚硫酸钙、碳酸钙、消石灰等，且具有较高空隙率。

　　其中，碳酸钙和石灰石矿粉一样，可在沥青混合料中起到填充的作用;亚硫酸钙属于惰性材料，与碳酸钙类似，可用作沥青混合料填料;消石灰颗粒细，碱性强，根据胶浆理论和化学反应理论可知，消石灰对于沥青与集料的结合，尤其是与酸性细集料的结合具有较好的改善作用。为了分析干法脱硫灰与各种不同产地矿粉的区别，取福州、漳州等地矿粉进行比对(下文中取福州绕城某公路工程矿粉简称福州矿粉，漳州某项目部矿粉简称漳州矿粉)，本次作比对的几种沥青混合料填充料的化学成分。其中，福州矿粉以碳酸钙为主，而漳州矿粉以二氧化硅为主。

　　在矿粉中添加一定比例的消石灰可以提高沥青混合料的抗剥落能力。矿物组成检测显示，福州矿粉、漳州矿粉和三明某脱硫灰(三明某企业脱硫灰简称三明脱硫灰)含氢氧化钙的量分别为6.62%，9.73%和3.89%;含碳酸钙的量分别为91.75%，6.06%和20.31%。此外，脱硫灰中还含有55.60%的亚硫酸钙。

　　2)干法脱硫灰与几种不同产地矿粉技术性质比较。取福州、漳州等地矿粉与三明脱硫灰进行比对，通过几种原料的表观密度、塑性指数和比表面积等参数对比试验。脱硫灰表观密度较小，比表面积最大，塑性指数居中，漳州矿粉比脱硫灰还大，无法满足矿粉的指标要求。这与漳州矿粉中加入消石灰有关。

　　由此可见，三明脱硫灰实际使用时其物理技术性角度考虑可以替代矿粉。几种沥青混合料填充料的粒径分布，脱硫灰和矿粉的粒径分布相当。三明脱硫灰粒径分布介于福州矿粉和漳州矿粉之间，三安脱硫灰(一种含高钙量高的脱硫灰下文简称含钙高脱硫灰)细粒含量、含钙量较高。以下分析采用漳州矿粉和三明脱硫灰进行试验分析(除特殊标注外)。

　　2.2其他材料

　　1)沥青。为SBS改性沥青。其中，针入度为55(0.1mm)，延度27mm，软化点75.6℃。2)集料。集料采用玄武岩，其特点为碱性集料且与沥青黏附性强，各集料技术性质试验值，材料其他指标均符合要求。3)填料。填料(脱硫灰)含水率0.84%，表观密度2.512g/cm3，脱硫灰亚甲蓝MBV=0.8，亲水系数0.62，外观无团粒结块，粒度范围符合规范要求。4)沥青胶浆黏附性。分别采用原样沥青品种、改性沥青、传统填料和脱硫灰，结果表明对沥青的黏附性能都是5级。5)试验温度等控制。沥青加热温度165℃，集料加热温度185℃，拌和温度控制在175℃左右。试验过程证实沥青混合料温度控制可改善沥青混合料施工时压实度偏低问题。

　　3沥青混合料试验结果

　　本次沥青混合料通过30%，50%，70%，100%不同脱硫灰替代量和不同含钙量脱硫灰替代试验，分析不同脱硫灰替代量和不同含钙量脱硫灰对沥青混合料路用性能影响。

　　3.1马歇尔试件物理指标比较分析

　　1)马歇尔试件的空隙率[1]。六组马歇尔试件的空隙率变动差值，通过表干法试验计算得全矿粉试件的空隙率为5.68%，可以看出含脱硫灰试件的空隙率:脱硫灰替代量少于50%马歇尔试件的空隙率减少，超过50%马歇尔试件的空隙率增加[2]。脱硫灰掺量沥青混合料空隙率会比全矿粉沥青混合料空隙率低，只有含钙高脱硫灰压实会比全矿粉沥青混合料高一些。这可能是施工压实度偏低原因之一[3]。

　　2)马歇尔试件的沥青饱和度。通过表干法试验计算得全矿粉试件的沥青饱和度为66.1%;脱硫灰替代量少于50%马歇尔试件的沥青饱和度减少，50%马歇尔试件的沥青饱和度最低，脱硫灰替代量超过50%马歇尔试件的沥青饱和度又增加[4]。沥青饱和度大，易压实，但会引起推移、泛油等病害;沥青饱和度小，不易压实，混合料容易松散。

　　3.2马歇尔试件的稳定度六组马歇尔试件的稳定度的变动差值，五组不同脱硫灰替代量稳定度值均降低，但沥青稳定度均大于规范[5-7]要求最小值8kN。

　　3.3水稳定性分别用30%，50%，70%和100%的脱硫灰替代漳州矿粉对沥青混合料的浸水马歇尔稳定度、流值和残留稳定度有一定程度的下降影响，但均大于规范要求。

　　3.4冻融劈裂强度试验分别用30%，50%，70%和100%的脱硫灰替代漳州矿粉对沥青混合料的冻融劈裂强度试验，结果表明，随着三明脱硫灰添加比例上升，其冻融劈裂强度比有一定程度下降。当选用氢氧化钙含量较高的含高钙脱硫灰时，其冻融劈裂强度比有一定提高。且均大于规范要求。

　　3.5高温稳定性用0%，30%，50%，70%和100%的脱硫灰替代漳州矿粉，虽然脱硫灰添加比例增加一定程度上降低了车辙动稳定度，但都能满足国家标准不小于3000次/mm的指标要求[8]。

　　3.6沥青混合料试验结论1)通过实验室马歇尔试件物理指标比较分析，施工时脱硫灰掺量在30%～70%的沥青混合料压实度可能会比全矿粉沥青混合料增加一定难度。施工中建议通过调整集料配合比、控制施工温度、沥青油量等措施来改进。2)脱硫灰替代矿粉技术指标基本可以达到规范要求。

　　4现场施工要求[9]

　　4.1混合料拌和及拌和出场温度控制脱硫灰和矿粉复合填料添加时，拌合站应增加粉罐，使两个分料分开装料，保证添加材料按比例混合掺配，保证混合料的级配保持稳定。严控级配发生明显的波动。通过实验室马歇尔试件物理指标比较分析，施工时脱硫灰掺量30%～70%沥青混合料压实可能会比全矿粉沥青混合料增加难度。建议加强拌和出场温度控制。混合料的拌和时间根据具体情况经试拌确定，根据经验，在施工控制时，每锅总拌和时间为56s，其中干拌时间为13s，必须经过对现场拌和的混合料目测，混合料整体级配良好，油膜充分，无花白料及离析现象。

　　4.2混合料摊铺采用两台摊铺机成梯队联合或单机摊铺施工，即内侧1台摊铺机，外侧采用1台伸缩型摊铺机，有效确保外侧加宽段的施工质量，两机搭接处有30mm～60mm左右宽度的沥青混合料搭接，相邻两台摊铺机前后相距5m～10m，摊铺时应做到螺旋布料要满，螺旋末端安装反向螺旋，料槽前段加装弹性橡胶板，非必要情况下减少摊铺机收斗进而有效避免摊铺及温度离析现象。若摊铺后存在的局部离析部位，人工进行换填或撒布较细混合料。

　　4.3混合料碾压在碾压过程主要按照以下原则进行:1)在混合料摊铺后较高温度下紧跟进行碾压，碾压段长度控制在30m～50m，碾压采用紧跟、慢压、高频、低幅、小水原则。2)压路机前进静压后退振动碾压1遍。碾压时，压路机从外侧向中心碾压，相邻碾压面重叠100mm～200mm，最后碾压路中心部分。然后采用钢轮和胶轮组合式碾压复压各3遍，最后采用钢轮压路机碾压收光。

　　4.4性能检验在沥青混合料摊铺时，试验人员要到现场随机取有代表性的混合料，进行沥青含量、矿料级配、马歇尔试验检测。等路面完全冷却或第二天进行路面实体检测包括:现场施工平整度、压实度等指标检测。使施工过程中混合料产品质量得到有效保证并及时反馈相关数据为后续施工提供技术支撑。

　　5结论

　　影响脱硫灰沥青混合料性能的主要因素有沥青用量、脱硫灰的性质等，本次沥青混合料试验采用AC-16C，4.9%SBS改性沥青，集料采用玄武岩，脱硫灰替代矿粉比例分别为0%，30%，50%，70%，100%脱硫灰，100%含钙高脱硫灰六组，从试验数据比较得出如下结论:

　　1)通过脱硫灰与矿粉技术性质和粒径筛分比较分析得出:脱硫灰表观密度较小，比表面积最大，塑性指数居中，粒径与矿粉相当，脱硫灰可以替代矿粉;同时试验表明粒径对沥青混合料性能有一定影响，细粒含量高的脱硫灰替代矿粉对沥青路面的性能不利影响比细粒含量低的脱硫灰大。2)含钙量高脱硫灰对沥青混合料黏附性能有有利影响。

　　3)从试验数据看不同比例干法脱硫灰替代矿粉用于沥青路面对其稳定度、动稳定度等都有一定程度下降，但各项指标均符合JTGF40—2004公路沥青路面施工技术规范，因此，利用脱硫灰部分或全部替代矿粉作为沥青混合料的细填料具有较高的可行性。4)试验发现同等条件下加脱硫灰(尤其脱硫灰掺量30%～70%沥青混合料)比全矿粉施工压实度偏低，建议加强拌和出场温度控制。5)脱硫灰化学成分较复杂，硫和钙的含量高等特点，还需进一步通过试验论证脱硫灰中某些成分(如硫)对环境是否有影响。

　　参考文献:

　　[1]陈艳琼，高璋生.干法脱硫灰替代矿粉对沥青路面性能影响研究[J].长春工程学院学报，2021(1):4-7.

　　[2]李萃斌，苏达根，张子锋.脱硫灰与石灰石矿粉复制沥青填料研究[J].青岛理工大学学报，2010，31(1):54-57.

　　[3]中华人民共和国行业标准.公路沥青路面设计规范:JTGD50—2017[S].北京:人民交通出版社，2011.

　　[4]陈永瑞.干法脱硫灰的理化特性及其综合利用现状[J].福建师范大学福清分校学报，2019，153(2):15-20.

　　[5]中华人民共和国行业标准.公路工程沥青及沥青混合料试验规程:JTGE20—2011[S].北京:人民交通出版社，2004.

　　作者简介:高璋生(1964-)，男，工程硕士，副教授高璋生1，陈锦辉1，苏清发2，张李斌3