摻鋇渣對AC-13瀝青混凝土路用性能的影響研究

羅耀平，魏為成

(招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067)

鋇渣是用重晶石生產(chǎn)碳酸鋇過程中排放出的固體廢棄物，鋇渣的主要成分為中酸溶性鋇和水溶性鋇，當(dāng)游離鋇離子含量較高時有較強的毒性，屬危險廢棄物范疇。鋇渣的長期堆放會對當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成嚴重污染，威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳罴吧a(chǎn)。在高溫環(huán)境下鋇渣會發(fā)生自燃釋放有毒氣體，在雨水浸泡后會流出大量含硫化物的黃色廢水，嚴重污染當(dāng)?shù)氐叵滤娃r(nóng)田。目前據(jù)不完全統(tǒng)計，我國鋇渣累計堆存量已超過千萬噸，其中貴州重晶石礦資源豐富，約占全國重晶石儲量的60%，是中國重晶石第二大生產(chǎn)基地。2017年鋇鹽總生產(chǎn)能力97.5萬t，因此如何利用鋇渣中的有用成分，發(fā)揮其相應(yīng)作用的同時合理處理重晶石廢棄物，以達到減少環(huán)境污染的目的，是當(dāng)下鋇渣應(yīng)用方面的熱點研究問題之一。

目前，國內(nèi)外對鋇渣的處理通常采取較為謹慎的方式。侯萍[1]在研究中發(fā)現(xiàn)，在煅燒水泥熟料時加入適量的鋇渣，摻量為0.8%～1.6%時，能提高水泥熟料的強度，改善生料的易燒性，同時減少窯系統(tǒng)的結(jié)皮現(xiàn)象。劉攀[2]對鋇渣理化性質(zhì)分析表征及其資源化利用方面進行了分析，得出鋇渣可以與粉煤灰、水泥、石灰等材料共同利用生產(chǎn)非承載磚，具有良好的社會經(jīng)濟效益。劉玉柱等[3]在利用鋇渣制備混凝土空心磚的研究中發(fā)現(xiàn)，鋇渣摻量不宜超過70%，同時重金屬鋇實際固化效果與摻加比例沒有直接關(guān)系，并提示鋇渣混凝土實心磚在使用過程中環(huán)境風(fēng)險很大。葉正茂等[4]的研究發(fā)現(xiàn)，不同建筑材料中含鋇廢渣作用機理不同，而建筑材料是消化含鋇廢渣的重要途徑。明江波[5]提出了利用鋇渣生產(chǎn)泡沫混凝土砌塊的思路，為鋇鹽生產(chǎn)行業(yè)徹底解決固廢排放問題提供了新方法。葉偉、秦彥軍等[6-7]在摻入部分鋇渣制備水泥穩(wěn)定基層碎石材料的研究中發(fā)現(xiàn)，摻入適量重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓性能、抗拉性能和抗干縮性能均能滿足道路使用材料要求。吳雪柳、李崇景、周啟偉等[8-10]將鋇渣分別應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石及水泥混凝土中，試驗結(jié)果表明，摻鋇渣的水泥類材料能滿足道路工程的要求，同時消除了對環(huán)境的影響。譚洪波等[11]研究了磨細鋇渣對普通硅酸鹽水泥水化歷程的影響，得出隨鋇渣摻量的增加，水泥-鋇渣漿體強度逐漸下降，水化放熱推遲。水泥1 d 水化產(chǎn)物形成鈣礬石( AFt) 和氫氧化鈣( CH)；鋇渣中引入大量可溶性SO2-4，使 7 d 水化產(chǎn)物中析出AFt 及石膏增加，當(dāng)摻量質(zhì)量分數(shù)達50%時，出現(xiàn)大量結(jié)晶較好的石膏晶體；磨細鋇渣不具備較好的一次水化活性，可作為混合材應(yīng)用于水泥工業(yè)。

綜上所述，鋇渣應(yīng)用于建筑材料和道路工程材料中的研究思路是可行的，同時也能有效消除鋇渣對環(huán)境的污染，但將鋇渣應(yīng)用于瀝青混凝土的文獻鮮有報道。

因此，本文提出了將鋇渣應(yīng)用于瀝青混凝土中，并分析不同的鋇渣摻量對AC-13瀝青混凝土路用性能的影響，以期得出鋇渣的最佳摻量，同時對鋇渣瀝青混凝土的鋇離子釋放率進行分析，為鋇渣瀝青混凝土在道路工程中的廣泛應(yīng)用提供客觀依據(jù)。

1 原材料及級配組成

1) SBS改性瀝青

本文采用重慶某瀝青廠生產(chǎn)的SBS改性瀝青，SBS摻量為4%，具體技術(shù)指標(biāo)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、細集料選用峨眉玄武巖，礦粉選用重慶石灰石礦粉，采用JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》的方法進行技術(shù)指標(biāo)測試，各檔集料的各項技術(shù)指標(biāo)滿足技術(shù)要求。

3) 鋇渣

鋇渣來源于貴州黔東南地區(qū)天柱縣的某重晶石礦廠，其級配和技術(shù)指標(biāo)如表2和表3所示。

由表2鋇渣級配組成可以看出，鋇渣具有一定的細度，在混合料中與瀝青的接觸面積大，形成的瀝青膠漿更多，同時含有少許大于4.75 mm的顆粒，說明鋇渣的級配合理，在混合料中既能起到膠凝作用，又可以充當(dāng)骨料。從表3中可知，鋇渣的各項技術(shù)指標(biāo)滿足技術(shù)要求，其中表觀密度為2.948 g/cm3，與本文所用0～3 mm的玄武巖集料密度(密度為2.916 g/cm3)相差不大，與表2中0～3 mm玄武巖集料對比，粗細程度、級配大致吻合；且鋇渣的7 d膨脹率為1.27，本文參考YBJ 230《鋼渣混合料路面基層施工技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定浸水膨脹率不超過2%的要求，鋇渣膨脹率滿足規(guī)范要求，據(jù)此本文用鋇渣代替瀝青混合料中的部分0～3 mm細集料可行。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 鋇渣級配組成

表3 鋇渣的技術(shù)指標(biāo)

4) 級配組成

礦料級配曲線設(shè)計為AC-13F型級配，用鋇渣代替部分0～3 mm的細集料，鋇渣摻量為5%、10%、15%、20%，25%五組，分別進行路用性能對比分析。

2 試驗方案

1) 旋轉(zhuǎn)壓實成型試驗

采用5850瀝青旋轉(zhuǎn)壓實儀確定摻鋇渣的AC-13瀝青混合料的最佳油石比，并進行馬歇爾強度指標(biāo)的測定。

2) 高溫性能試驗

采用德國漢堡車轍儀測試60 ℃下?lián)讲煌壤^渣的AC-13瀝青混合料的抗車轍性能，并得出高溫性能最佳的鋇渣摻量。

3) 低溫性能試驗

采用小梁彎曲測試儀測試-10 ℃下?lián)讲煌壤^渣的AC-13瀝青混合料的低溫性能，并得出低溫性能最佳的鋇渣摻量。

4) 水穩(wěn)定性能試驗

采用凍融劈裂試驗測試摻不同比例鋇渣的AC-13瀝青混合料的抗水損性能，并得出抗水損性能最佳的鋇渣摻量。

5) 毒性分析試驗

參照文獻[12-15]對摻不同比例鋇渣的AC-13瀝青混合料的浸出毒性進行分析。

6) 鋇渣穩(wěn)定性試驗

參考GB/T 24175—2009《鋼渣穩(wěn)定性測試方法》[14]中鋼渣穩(wěn)定性試驗方法測試摻不同比例鋇渣的集料膨脹率，用于評價摻不同比例鋇渣集料的穩(wěn)定性。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 鋇渣摻量對最佳油石比的影響

采用旋轉(zhuǎn)壓實法確定不同比例的鋇渣摻量對AC-13瀝青混合料最佳油石比的影響，并測試其馬歇爾參數(shù)，具體試驗結(jié)果如表4所示。

表4 不同鋇渣摻量下的最佳油石比及其技術(shù)指標(biāo)

由表4數(shù)據(jù)分析得出以下結(jié)論：

1) 隨著鋇渣摻量的增加，瀝青混合料的油石比隨之增大，鋇渣摻量為5%時、油石比為4.7%，摻量為25%時、油石比為5.9%，油石比增大了25.5%。主因是鋇渣為多孔隙材料，且孔隙比較大(孔隙比在1左右)，在拌和過程中瀝青先與比表面積較大的鋇渣裹附，從而吸附了更多的瀝青，形成了鋇渣-瀝青膠漿，導(dǎo)致油石比過高。

2) 馬歇爾穩(wěn)定度隨鋇渣摻量的增大呈先增后降的規(guī)律。鋇渣摻量為15%時，瀝青混合料的馬歇爾強度最大，分析其原因為鋇渣中的BaSO4、SiO2、BaSiO3及CaO、FeO等水泥熟料與瀝青形成鋇渣-瀝青膠漿，且為飽和狀態(tài)。當(dāng)鋇渣摻量為15%時，混合料的強度增大；當(dāng)鋇渣摻量為20%時，鋇渣吸附的瀝青增加，導(dǎo)致在同一空間內(nèi)混合料的自由瀝青含量增加，抗變形能力降低。

3.2 鋇渣摻量對混合料高溫穩(wěn)定性的影響

按照規(guī)范，對不同鋇渣摻量的混合料進行60 ℃車轍試驗，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 不同鋇渣摻量下的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

分析表5可知，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性隨著鋇渣摻量的增大呈先增后降的趨勢。當(dāng)鋇渣摻量為15%時，動穩(wěn)定度最大為5 075次/mm，較摻量為5%時提高了39.5%；當(dāng)鋇渣摻量為25%時，動穩(wěn)定度為2 879次/mm，較摻量為5%時降低了20.8%。分析其原因為鋇渣中的水泥熟料成分與瀝青吸附后形成鋇渣-瀝青膠漿，同時摻量為15%時，膠漿為飽和狀態(tài)，當(dāng)摻量增大，油石比也隨之增加，導(dǎo)致混合料內(nèi)部自由瀝青增多，抗車轍性能降低。

3.3 低溫抗裂性試驗

依據(jù)規(guī)范，對不同鋇渣摻量的瀝青混合料進行小梁低溫彎曲試驗，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 不同鋇渣摻量下的瀝青混合料低溫穩(wěn)定性

分析表6可知，隨著鋇渣摻量的增大，混合料低溫破壞應(yīng)變先降后增。當(dāng)鋇渣摻量為15%，破壞應(yīng)變減小11.5%；當(dāng)鋇渣摻量為25%，破壞應(yīng)變增加0.4%。分析其原因為隨著鋇渣摻量的增加，混合料內(nèi)部的BaSO4、SiO2、BaSiO3及CaO、FeO等水泥熟料含量也隨之增加，導(dǎo)致瀝青混合料低溫脆性增加，因此隨著鋇渣摻量的增加，混合料的低溫性能也隨之降低。當(dāng)鋇渣摻量為25%時，混合料的低溫性能提高，其原因為鋇渣吸附了足夠的瀝青，進而提升了鋇渣-瀝青膠漿的韌性，因此提高了混合料的低溫性能。

3.4 水穩(wěn)定性試驗

按照規(guī)范，對不同鋇渣摻量下的瀝青混合料進行凍融劈裂試驗，采用劈裂破壞的強度比TSR來評價其水穩(wěn)定性，試驗結(jié)果如表7所示。

表7 不同鋇渣摻量下的凍融劈裂強度比TSR

分析表7試驗結(jié)果得出，摻鋇渣的瀝青混合料其水穩(wěn)定性均能滿足道路相關(guān)規(guī)范要求，同時其TSR隨著鋇渣摻量的增加而提高。分析其原因為鋇渣中含有的水泥熟料類材料能有效提高集料與瀝青的裹附性能，因此提高了混合料的水穩(wěn)定性能，同時隨著鋇渣摻量的增加，混合料內(nèi)部的瀝青膜厚度也隨之增加，進一步提高了瀝青混合料的抗水損性能。

3.5 混合料浸出毒性分析

本文參照文獻[12-15]中試驗方法對鋇渣摻量為25%的瀝青混合料浸出性毒性元素進行分析，其試驗結(jié)果如表8所示。

表8試驗結(jié)果表明，基于酸雨降水的摻鋇渣的瀝青混凝土AC-13重金屬離子浸出濃度滿足文獻[12]對浸出液中重金屬離子濃度的限值要求。究其原因：1) 瀝青膜對集料進行充分包圍，隔絕了酸雨對鋇渣的浸出；2) 瀝青為弱酸性，而鋇渣中含有水泥熟料材料呈弱堿性，這進一步提高了瀝青對鋇渣的裹附，因此摻鋇渣的瀝青混凝土在基于酸雨降水條件下的滲出物是達標(biāo)的、安全的，對當(dāng)?shù)丨h(huán)境并無不良影響。

表8 基于酸雨降水的摻鋇渣瀝青混凝土浸出毒性試驗檢測結(jié)果

3.6 摻不同比例鋇渣的集料膨脹率分析

參照相關(guān)試驗方法，連續(xù)測試3 d、5 d及7 d不同比例鋇渣的集料累計膨脹率，具體試驗結(jié)果如表9所示。

表9 摻不同比例鋇渣的集料累計膨脹率

分析表9的試驗結(jié)果可知，摻不同比例鋇渣的集料累計膨脹率隨著鋇渣摻量的增加而增加，其中鋇渣摻量為25%時，7 d累計膨脹率為0.91，參考鋼渣膨脹率試驗標(biāo)準(zhǔn)，其膨脹率≤2%，即可作為道路工程集料，因此，摻鋇渣的集料其遇水后體積變化滿足道路工程要求。

4 結(jié)論

1) 摻鋇渣的瀝青混凝土油石比隨著鋇渣摻量的增加而增加，當(dāng)鋇渣摻量為25%時，油石比較5%提高25.5%。

2) 摻鋇渣的瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性隨著鋇渣摻量的增加呈先增后降的趨勢，當(dāng)鋇渣摻量為15%時，其高溫穩(wěn)定性最佳。

3) 摻鋇渣的瀝青混凝土低溫抗裂性隨著鋇渣摻量的增加呈先降后增的趨勢，當(dāng)鋇渣摻量大于20%時，其低溫抗裂性最佳。

4) 摻鋇渣的瀝青混凝土水穩(wěn)定性隨著鋇渣摻量的增加而增加，當(dāng)鋇渣摻量大于20%時，其凍融劈裂強度比≥95。

5) 摻鋇渣的瀝青混凝土滲出物毒性分析均滿足國家相關(guān)規(guī)范要求。

6) 純鋇渣的膨脹率為1.27%，鋇渣摻量為25%時，集料的膨脹率為0.91%，滿足道路工程使用要求。

7) 綜上所述，摻鋇渣的瀝青混凝土AC-13中鋇渣的最佳摻量不大于25%。