摻鋇渣的SMA-10超薄罩面路用性能分析

吳謹(jǐn), 梅迎軍, 周啟偉(.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶市 400074； .重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院；

3.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司)

重晶石是鋇的最常見(jiàn)礦物，是以硫酸鋇(BaSO4)為主要成分的非金屬礦產(chǎn)品，中國(guó)重晶石資源儲(chǔ)量豐富，主要集中于南方，貴州省占中國(guó)總儲(chǔ)量的1/3。重晶石在化工方面常用于生產(chǎn)碳酸鋇、氫氧化鋇、氯化鋇、硫酸鋇等各種鋇類化合物，在這些提煉生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生了大量的殘余固體廢渣(鋇渣)，鋇渣有白鋇渣和黑鋇渣之分，具有一定的毒性。隨著中國(guó)化工行業(yè)的發(fā)展，且缺乏處理鋇渣的有效途徑，鋇渣的堆放量日益增大，全國(guó)鋇渣堆放量已超過(guò)千萬(wàn)噸。鋇渣的長(zhǎng)期堆放占用了大量的土地面積，且在高溫作用下易釋放有毒氣體，污染大氣；在雨水作用下，流出大量含硫廢水，污染水質(zhì)。所以，鋇渣嚴(yán)重地影響了生態(tài)環(huán)境，如何有效地利用鋇渣，減少對(duì)環(huán)境的污染成為了企業(yè)與政府當(dāng)下亟待解決的問(wèn)題。

目前，中國(guó)對(duì)鋇渣的研究處理有了一定的發(fā)展，李崇景在利用鉻渣、鋇渣生產(chǎn)混凝土研究中得出用取代率為50%的鉻渣、鋇渣代替部分天然砂制作強(qiáng)度等級(jí)為C15的普通混凝土，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到18.9 MPa，比混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度提高26%；葉偉等在重晶石礦渣應(yīng)用水泥穩(wěn)定碎石基層的研究中得出重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓性能、抗拉性能和抗干縮性能與常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石混合料基本相當(dāng)；姚珺等在鋇渣石灰協(xié)同作用處理含磷廢水的研究中在鋇渣與氫氧化鈣的協(xié)同作用下，投加比例為鋇渣1 g+氫氧化鈣1.5 g/1 mg磷時(shí)，對(duì)水中磷的去除率達(dá)到90.42%，出水含磷量已降低到1 mg/L以下，達(dá)到了國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)；唐英等在毒重石尾礦鋇渣制取高純氯化鋇的研究中，通過(guò)改進(jìn)的兩次鹽酸浸取法將毒重石尾礦鋇渣中的鋇轉(zhuǎn)化為氯化鋇實(shí)現(xiàn)二次回收，鋇的回收率可達(dá)95%；劉攀等在鹽酸浸取鋇渣中鋇離子工藝路線研究中以貴州鎮(zhèn)寧鋇渣為原料，利用鹽酸將鋇渣中的鋇離子浸取出來(lái)進(jìn)行二次利用，在鹽酸濃度為3 mol/L，液固比7∶1(g/g)，浸取時(shí)間為2 h的條件下，鋇離子的浸取率達(dá)到78.51%。

該文擬對(duì)不同摻量下的重晶石鋇渣SMA-10改性瀝青混合料的高、低溫性能、水穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究，得出鋇渣對(duì)SMA-10瀝青混合料的影響規(guī)律以及鋇渣的最佳摻量，為工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 原材料

(1) SBS改性瀝青

采用SK70#基質(zhì)瀝青，摻4%的SBS改性劑，得到SBS改性瀝青，SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

(2) 集料

采用0～3、3～5、5～10 mm集料，粗、細(xì)集料選用峨眉玄武巖，礦粉選用重慶石灰石礦粉，各檔集料的級(jí)配如表2所示，通過(guò)JTG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)測(cè)試，結(jié)果滿足要求。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

(3) 鋇渣

鋇渣采用貴州省黔東南地區(qū)某重晶石礦廠產(chǎn)品，其級(jí)配和技術(shù)指標(biāo)如表3、4所示。

由表3可以看出：鋇渣具有一定的細(xì)度，在混合料中與瀝青的接觸面積大，形成的瀝青膠漿更多，同時(shí)含有少許大于4.75 mm的顆粒，說(shuō)明鋇渣的級(jí)配合理，在混合料中既能起到膠凝作用，又可以充當(dāng)骨料。表4中鋇渣的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足技術(shù)要求，其中表觀密度為2.958 g/cm3，與該文所用0～3 mm的玄武巖集料密度相差不大(2.916 g/cm3)；與表2中0～3 mm玄武巖集料對(duì)比，粗細(xì)程度、級(jí)配大致吻合，所以該文選用鋇渣代替瀝青混合料中的部分0～3 mm細(xì)集料。

表2 各檔集料的級(jí)配

表3 鋇渣級(jí)配組成

表4 鋇渣的技術(shù)指標(biāo)

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配組成

礦料級(jí)配曲線設(shè)計(jì)為SMA-10細(xì)粒式，用鋇渣代替部分0～3 mm的細(xì)集料，鋇渣摻量為5%、10%、15%、20%，合成級(jí)配曲線如圖1所示。礦粉、0～3、3～5、5～10 mm各檔集料摻量分別為11.0%、24.0%、4.0%、61.0%。

圖1 各鋇渣摻量的級(jí)配曲線

由圖1可以看出：級(jí)配曲線大致與合成級(jí)配曲線吻合，隨著鋇渣摻量的遞增，集料的通過(guò)率增大，即細(xì)集料增多，級(jí)配曲線更接近于級(jí)配上限，在0.6 mm粒徑表現(xiàn)最為明顯。

2.2 最佳油石比

采用馬歇爾擊實(shí)法確定鋇渣不同摻量下的油石比，具體參數(shù)見(jiàn)表5。

由表5可得：

(1) 隨著鋇渣摻量的增加，瀝青混合料的油石比隨之增大，用油量分別增大了3.2%、9.2%、2.8%。分析其原因是：鋇渣是多孔隙材料，孔隙比較大(孔隙比為1左右)；同時(shí)較小顆粒與瀝青形成瀝青膠漿，導(dǎo)致用油量增大。

表5 不同鋇渣摻量下的最佳油石比及其技術(shù)指標(biāo)

(2) 馬歇爾穩(wěn)定度隨鋇渣摻量的增大呈現(xiàn)先增大再下降的趨勢(shì)。鋇渣摻量為5%～15%時(shí)，混合料的強(qiáng)度增大，抗位移變形能力提高；當(dāng)鋇渣摻量為20%時(shí)，強(qiáng)度減小，同時(shí)抗變形能力降低。分析其原因是：鋇渣的主要成分是BaSO4、SiO2、BaSiO3等固體難溶物，且含有CaO、FeO等水泥熟料，使之強(qiáng)度提高。當(dāng)鋇渣摻量小于15%時(shí)，鋇渣摻量越大，比表面積越大，吸油率越大，形成的瀝青膠漿越多，大顆粒作為骨料，導(dǎo)致瀝青混合料的強(qiáng)度增大；當(dāng)鋇渣摻量超過(guò)15%時(shí)，鋇渣充當(dāng)細(xì)集料偏多，難以形成骨架，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

3 路用性能試驗(yàn)分析

3.1 高溫穩(wěn)定性

按照規(guī)范，對(duì)不同鋇渣摻量的混合料進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 各鋇渣摻量下的動(dòng)穩(wěn)定度

由圖2可得：當(dāng)鋇渣摻量為5%～15%時(shí)，隨著鋇渣摻量的增大，動(dòng)穩(wěn)定度逐漸提高，鋇渣摻量每增大5%，動(dòng)穩(wěn)定度提高19%左右，說(shuō)明其高溫性能隨鋇渣摻量的增大而提升；當(dāng)鋇渣摻量為20%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度減小到3 330次/mm，相較于鋇渣摻量15%和5%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度分別降低了51%、30%，說(shuō)明當(dāng)鋇渣摻量大于15%時(shí)，其高溫穩(wěn)定性隨鋇渣摻量的增大而降低。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：當(dāng)鋇渣摻量小于15%時(shí)，由鋇渣代替0～3 mm玄武巖細(xì)集料，使SMA-10級(jí)配更加合理，鋇渣在混合料中既能與瀝青形成瀝青膠漿，又可作骨架集料，使之強(qiáng)度提高；同時(shí)，鋇渣摻量越大，用油量越大，但鋇渣是多孔隙材料，比表面積大，吸油能力強(qiáng)，綜合上述原因，使其高溫穩(wěn)定性提高。當(dāng)鋇渣摻量大于15%時(shí)，由級(jí)配曲線可以看出，細(xì)集料含量過(guò)于偏大，接近級(jí)配上限，與瀝青形成的瀝青膠漿過(guò)多，導(dǎo)致混合料的高溫性能顯著降低。

3.2 低溫抗裂性

依據(jù)規(guī)范，采用從輪碾機(jī)成型的板塊狀試件上切制的棱柱體試件進(jìn)行小梁低溫彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min。不同鋇渣摻量下的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同鋇渣摻量下的低溫破壞應(yīng)變

由圖3可得：隨著鋇渣摻量的增大，破壞應(yīng)變幾乎呈線性逐漸減小，當(dāng)鋇渣摻量為5%～15%，破壞應(yīng)變減小10%左右；當(dāng)鋇渣摻量為15%～20%，破壞應(yīng)變減小23.5%。說(shuō)明其低溫性能隨鋇渣摻量的增大而降低，且當(dāng)鋇渣摻量大于15%時(shí)，混合料的低溫性能不滿足技術(shù)要求。由于鋇渣的主要成分是各類鋇鹽，且含有CaO、FeO水泥熟料礦物，當(dāng)鋇渣作為細(xì)集料摻入SMA-10瀝青混合料中，隨著鋇渣摻量增大，混合料的脆性增大，所以使其低溫抗裂性能降低。

3.3 水穩(wěn)定性

按照規(guī)范對(duì)不同鋇渣摻量下的瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，用瀝青混合料試件在水損壞前后劈裂破壞的強(qiáng)度比TSR(%)來(lái)評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可得：當(dāng)鋇渣摻量為5%～10%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比TSR達(dá)到95%左右，說(shuō)明其水穩(wěn)定性能優(yōu)良；當(dāng)鋇渣摻量為15%～20%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比逐漸降低，降低到90%以下。所以隨著鋇渣摻量的增大，瀝青混合料的水穩(wěn)定性大致呈先提高再降低的趨勢(shì)，但都在技術(shù)要求范圍以內(nèi)。分析其原因是：由于鋇渣含有部分水泥熟料，隨著鋇渣摻量的增大，混合料的強(qiáng)度增大，水穩(wěn)定性越好；當(dāng)鋇渣摻量過(guò)大，細(xì)集料偏多，導(dǎo)致瀝青混合料難以形成骨架，使其強(qiáng)度反而降低，水穩(wěn)定性變差。

表6 不同鋇渣摻量下的凍融劈裂強(qiáng)度比TSR

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

以貴州某國(guó)省道改建工程為依托，試驗(yàn)段全長(zhǎng)500 m，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為4 cmSMA-10+6 cmAC-20+40 cm水泥穩(wěn)定碎石。

4.2 配合比設(shè)計(jì)

(1) 級(jí)配設(shè)計(jì)

摻鋇渣的SMA-10瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)為：礦粉用量11%、鋇渣摻量10%、0～3、3～5、5～10 mm玄武巖集料含量分別為12%、6%、61%。

(2) 性能驗(yàn)證

為驗(yàn)證鋇渣摻量為10%的SMA-10瀝青混凝土性能，成型兩組試件，油石比6.5%，得到其空隙率為3.4%、馬歇爾穩(wěn)定度為9.57 kN、流值為3.34 mm、動(dòng)穩(wěn)定度為5 678次/mm、低溫破壞應(yīng)變?yōu)? 850 με、凍融劈裂強(qiáng)度比TSR為94%，滿足SMA-10瀝青混合料設(shè)計(jì)要求，可按該配合比現(xiàn)場(chǎng)施工。

4.3 施工注意事項(xiàng)

(1) 施工工藝嚴(yán)格按照現(xiàn)行瀝青混凝土路面施工規(guī)范進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。

(2) 鋇渣應(yīng)采用遮擋、覆蓋存放，防止雨水淋濕造成污染。

(3) 瀝青混合料施工過(guò)程中，嚴(yán)格控制施工溫度和攤鋪壓實(shí)度。

4.4 施工質(zhì)量檢測(cè)

參照J(rèn)TG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于瀝青混合料路面鋪筑質(zhì)量要求及檢測(cè)項(xiàng)目，對(duì)摻鋇渣的SMA-10瀝青混合料超薄罩面進(jìn)行厚度、壓實(shí)度、滲水系數(shù)、摩擦系數(shù)擺值、馬歇爾穩(wěn)定度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 施工質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

(1) 鋇渣摻量越大，油石比越大。鋇渣摻量為5%、10%、15%，油石比分別為6.3%、6.5%、7.1%，用油量分別增大了3.2%、9.2%、2.8%。

(2) 鋇渣摻量越大，混合料的低溫性能越差，且摻量為20%時(shí)，其低溫性能不滿足規(guī)范要求；當(dāng)鋇渣摻量為5%～15%時(shí)，鋇渣摻量越大，其高溫性能、水穩(wěn)定性越好；當(dāng)鋇渣摻量為20%時(shí)，高溫性能、水穩(wěn)定性變差。

(3) 鋇渣代替部分0～3 mm玄武巖細(xì)集料，摻量為5%、10%、15%的SMA-10瀝青混合料滿足各項(xiàng)性能要求。綜合考慮，該文推薦實(shí)際應(yīng)用工程鋇渣摻量為10%。