铬铁合金渣应用于沥青混凝土的可行性试验

赵 琳

(内蒙古建筑职业技术学院 交通与市政工程学院,内蒙古 呼和浩特 010070)

铬铁渣是铬铁合金生产过程中产生的含铬冶炼废渣,每生产1t铬铁合金就有1.1～1.2t废渣产出。我国每年大约产生400万t的铬铁渣,其利用率仅为30%,约有280万t铬铁渣露天堆存,产生的固体废弃物未能得到妥善处置和利用[1-2]。

目前道路工程中主要以天然砂材料作为集料,但此不可再生资源日渐匮乏,固体废弃物环境污染等问题的解决也迫在眉睫。高碳铬铁合金渣具有质地较硬,比重较大的特点,国外有学者将其破碎成不同大小的颗粒来分别代替混凝土的粗、细集料,用集料制得的混凝土抗压强度远高于普通集料[3]。北方工业大学的程海丽[1]等人研究了高碳铬铁渣在透水混凝土中的应用,结果表明铬铁作为集料使用时性能更优于天然集料。中国水利水电工程局的曾庆文将铬铁用于水工混凝土中作为集料,研究表明铬铁代替人工集料有可能弥补普通混凝土抗拉强度不足的问题,应用前景广阔[4-5]。J.Zeli验证了高碳铬铁合金渣可以用在装配式混凝土路面中[6]。克罗地亚、印度等地也将铬铁渣应用于水泥混凝土路面[7-8],Altan Yilmaz将铬铁合金渣应用于沥青混凝土作为路面的ATB柔性层,研究表明铬铁渣的物理力学性能与天然集料相当,甚至优于天然集料,可以与传统碎石集料结合应用于路面基层[9]。一些研究也说明铬铁渣与硅酸盐组成的集料混合,有良好的物理和力学性能,可以在磨耗层中应用。M. Yilmaz认为铬铁合金渣可以作为粗集料使用在沥青混凝土路面中,并且能够实现良好的高低温性能,水稳定性[10]。

在前期研究的基础上,本文将铬铁合金渣作为集料的各项指标和其组成的沥青混合料进行物理力学性能检测、车辙试验、弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验,综合评价沥青混凝土的路用性能和铬铁渣应用的可行性。

1 试验材料和方法

本文所用的铬铁合金渣来源于内蒙古新太实业集团,石灰岩碎石由三道营碎石厂生产,沥青选用辽宁石化70号基质沥青,其基本指标如表1所示。

表1 沥青基本指标

1.1 原材料检测

为了科学有效地在沥青路面工程中利用铬铁渣,必须全面了解铬铁渣的主要成分、物理力学性能等确定其适用性。

由X射线荧光谱仪(XRF)得到铬铁合金渣的化学组成。依据《中华人民共和国国家环境保护标准》(HJ766-2015)[11]固体废物、金属元素的测定,固体废弃物浸出液经微波消解预处理后,采用电感耦合等离子体质谱仪进行浸出毒性检验,并根据元素的质谱图或特征离子进行定性,内标法定量,检验是否满足要求。依据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)规范[12],分别对0～2.36mm、2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～19mm、19～31.5mm铬铁合金渣原材料和碎石材料进行表观相对密度、毛体积相对密度、洛杉矶磨耗损失、吸水率、针片状颗粒含量试验检测,按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[13],检验集料的各项技术指标是否满足规范要求。

1.2 沥青混合料路用性能试验

为了研究铬铁合金渣完全或部分代替天然集料用于筑路材料的可行性,本文选择一组最优的人工集料目标级配作为空白对照组,然后选用同一级配的铬铁渣集料分别代替各粒径(0～2.36mm;2.36～4.75mm;4.75～9.5mm;9.5～13.2mm;13.2～19mm;19～31.5mm)范围人工集料的20%,50%,80%和100%作为对照组进行研究,矿料的级配曲线见图1。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[14],通过马歇尔稳定度试验(T0709-2011)确定最佳沥青用量,由沥青混合料车辙试验(T0719-2015)、小梁弯曲试验(T0715-2015)评价其高低温稳定性,浸水马歇尔稳定度试验(T0709-2011)和冻融劈裂试验(T0729-2011)评价其水稳定性,并根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[13]检验路用性能是否满足规范要求。

图1 密集配沥青混合料AC-20配合比设计矿料级配

2 试验结果

2.1 铬铁合金渣集料的性能指标

2.1.1 铬铁合金渣化学组成

1700℃的高温下,生产高碳铬铁金属时,熔渣会形成液体,在空气中逐渐冷却,造成外观多孔,如图2、图3所示。这种多孔结构能够吸附较多的沥青,增加沥青与铬铁渣的粘附性,形成稳定的结构,适当掺加高碳铬铁可改善沥青混凝土的性能。

图3 普通碎石(左)与铬铁渣(右)

检测铬铁渣化学组成结果列于表2。

表2 铬铁合金渣化学组成表 %

结果表明:铬铁合金渣中主要化合物为二氧化硅,三氧化二铝,氧化镁以及少量以铬铁矿形式存在的铬和铁的氧化物。熔渣结晶形成稳定的CaO-MgO-Al2O3-硅酸盐产品,其机械性能与玄武岩相似,且呈碱性,能够很好地与沥青结合。从表2中可以看出,铬铁合金渣中有大量的Mg2+、Al+3、Ca+2、Fe+3等阳离子,可与沥青中的酸性物质(沥青酸)发生反应,在铬铁渣表面形成吸附层,增加沥青与铬铁渣的粘结力,具有较好的水稳定性[15]。

依据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)[12],对铬铁合金渣进行碱活性反应试验检测,结果试件断裂,不能满足规范要求。因此,不建议在水稳(底)基层工程中应用,或者通过陈化(热闷)使铬铁渣与水充分反应,消解活性成分后再加以利用。

2.1.2 铬铁合金渣浸出毒性检测

铬铁被认为是一种有毒性的物质,铬铁的表面物质在自然环境暴露下,会浸入地下水资源,渗出重金属离子,污染环境。因此需考虑其对水资源和环境的污染性及对人体的危害性,本文所用铬铁合金渣浸出毒性检测项目及结果见表3。

表3 浸出毒性检测结果

由表3可见,铬铁合金渣的浸出重金属含量均符合标准要求,六价铬含量低于规定的5mg/L,因而对环境和人体不会造成实质性污染危害,可以考虑用作筑路材料。

2.1.3 集料的物理力学性能

铬铁合金渣和石灰岩集料的物理力学性能检测结果见表4。

表4 两种集料物理力学性能对比表

从表4中可以看出,铬铁的表观相对密度和毛体积相对密度稍大于普通碎石,这是因为铬铁合金渣中含有大量Fe等金属元素。铬铁合金渣压碎值要大于普通碎石,可能是由于铬铁合金渣的SiO2含量低于普通碎石[16],但均能满足规范要求的28%。

洛杉矶磨耗损失与压碎值有良好的线性关系[17],在粗集料性质的检测当中,是一个十分重要的控制指标,它能综合反映出材料的抗冲击、抗剪性能,该值越小越好[16-17],而铬铁的洛杉矶磨耗损失大于普通碎石,这对于用作路面材料来说是一个不利因素,说明其耐磨性较差。依据《沥青路面施工技术规范》(JTG-F40-2004)[13],洛杉矶磨耗损失在不大于35%的情况下,可以将其应用于二级及以下等级公路。

对于吸水率和针片状含量这两个指标来说,与普通碎石比较差别不是很大,都完全满足《沥青路面施工技术规范》(JTG-F40-2004)[13]规范要求。由以上试验结果可见,铬铁合金渣可以作为集料使用。

铬铁细料比表面积大,这会增大沥青用量,同时,会携带大量粉尘,对混合料生产设备有不利影响,还将带来膨胀性的隐患,因此,铬铁渣倾向于代替部分粗集料应用于沥青混合料中[18-19]。

2.2 铬铁合金渣用于沥青混合料的路用性能

2.2.1 铬铁掺量对马歇尔性能的影响

不同铬铁掺量的AC-20沥青混凝土马歇尔试验技术指标对比结果如图4所示。

(a)不同铬铁掺量下最佳油石比的变化

(b)不同铬铁掺量下饱和度的变化

(c)不同铬铁掺量下矿料间隙率的变化

(d)不同铬铁掺量下空隙率的变化

(e)不同铬铁掺量下稳定度的变化

(f)不同铬铁掺量下流值的变化

由图4(a)、(b)可见,随着铬铁掺量的增加,最佳油石比逐渐增大,沥青饱和度(VFA)也呈增加趋势,这是由于铬铁合金渣具有多孔的特性,掺量多的铬铁渣需要有更多的沥青包裹在表面,逐渐填满开口孔隙。由图4(c)、(d)可以看出掺加铬铁合金渣沥青混合料的矿料间隙率(VMA)均大于普通沥青混合料,这也是沥青用量增加的缘故;对于空隙率来说,沥青的质量分数是影响其的一个重要因素[20],铬铁掺量增加,沥青用量随之增加,则空隙率降低。马歇尔稳定度S1和流值FL是用来评价沥青混合料的荷载稳定性,稳定度越大,流值越小,沥青混合料的荷载稳定性能越好,图4(e)、(f)表明铬铁合金渣掺量为80%,荷载稳定度最大,此时铬铁渣用量多,增大了混合料的荷载稳定性。

上述马歇尔试验技术指标均能达到《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[13]的技术要求,再次说明铬铁合金渣作为集料应用在沥青混凝土中的可行性。

2.2.2 铬铁掺量对高温稳定性的影响

铬铁掺量对动稳定度的影响如图5所示。

图5 铬铁掺量对动稳定度的影响

我国采用车辙试验的动稳定度指标作为衡量混合料高温性能的一个间接指标,结果直观,且与实际路面车辙相关性良好[21-22]。动稳定度越大表明沥青混合料高温抗车辙性能越好。由图5可见,不同掺量的铬铁合金渣沥青混合料均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[13]大于800次/mm的动稳定度要求,且随铬铁掺量的增加动稳定度逐渐增大,80%掺量时达到3700次/mm以上,表现为较好的高温性能,这是由于铬铁渣颗粒形状更接近立方体,形成良好的嵌挤结构,抗剪切作用增强;表面粗糙保证了与沥青的粘结性,沥青胶结料表现出大粘聚力,从而提高抵抗永久变形的能力[23-24]。而当集料全部为铬铁渣时,动稳定度明显下降,是由于此时沥青用量太大,自由沥青多,从而减少了能够提高高温性能的结构沥青用量,导致高温稳定性降低。

2.2.3 铬铁掺量对低温稳定性的影响

铬铁掺量对破坏应变的影响如图6所示。

图6 铬铁掺量对破坏应变的影响

弯曲破坏应变作为弯曲试验中沥青混合料的低温抗裂性指标[25-26],破坏应变越大,沥青混合料的可变形范围越大,低温抗裂性越好。由图6可见,不同掺量的铬铁合金渣沥青混合料均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[13]大于等于2300με的要求。整体看来,用铬铁渣代替部分人工集料,混合料低温抗裂性能得到改善,且铬铁掺量为50%时,沥青混合料低温抗裂性最好,这可能是由于添加铬铁合金渣之后,沥青用量增加,沥青膜厚度增大,低温变形能力增大,从而使抗裂性能提高。有研究表明,沥青混合料从本质上讲是一种复合材料,石料的体积与沥青混合料的低温性能有关[27],它的低温抗拉强度与石料的体积比成正比[28]。本文的矿料级配采用的是质量比,铬铁渣密度大于人工集料,继续增加铬铁渣含量,石料体积会整体偏小,因此抗裂性能降低。

2.2.4 铬铁掺量对水稳定性的影响

铬铁掺量对水稳定性的影响如图7所示。

(a)不同铬铁掺量下残留稳定度的变化

(b)不同铬铁掺量下冻融劈裂强度比的变化

水稳定性评价采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来综合评价,由图7可以看出,沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[11]要求的75%和70%。从残留稳定度的角度来说,变化规律与弯曲破坏应变基本一致,铬铁渣掺量为50%时,残留稳定度最大,但是铬铁渣含量继续增加,或者全部集料采用铬铁合金渣,会使沥青混合料难以压实,空隙率增大,从而降低了抗水损害性能;冻融劈裂强度比与铬铁渣的掺量关系无明显规律可循。

3 结论与讨论

(1)从铬铁合金渣的化学成分分析、浸出毒性检测、集料物理力学性能检测等分析结果,明确了铬铁合金渣可以代替部分碎石作为集料应用于二级及以下沥青混凝土路面中;

(2)铬铁合金渣代替碎石形成的沥青混合料,其马歇尔试验技术指标,高低温稳定性、水稳定性均能达到《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的技术要求,再次说明铬铁合金渣作为集料使用在沥青混凝土中的可行性;

(3)通过分析不同铬铁合金渣掺量下的沥青混合料的路用性能,表明采用铬铁合金渣与人工集料复合配比能够表现出更好的高低温稳定性:铬铁掺量为80%时,高温稳定性最好,掺量为50%时,低温稳定性最好;从残留稳定度角度来说,铬铁掺量50%时,水温定性最优。

(4)后续应继续研究铬铁渣沥青混合料的耐久性能,更加全面评价其应用的可行性。

(5)在公路行业当中固体废弃物的利用已成为一个趋势,铬铁合金渣应用于沥青混凝土中还没有开展,在应用过程中,要十分关注对环境的污染性。