工业废渣在沥青路面中价值

1、工业废渣在沥青路面中价值     我国在2011年成为世界第二大经济体，工业发展水平突飞猛进，由此引发的环境污染问题日益严峻，并已成为制约我国可持续发展的重要因素。大量的工业废渣，无论采用堆放还是焚烧等方法都将带来新的污染。如果将它们用于沥青路面的建设，就能作为再生资源利用，既解决了石料资源短缺的问题，又保护了人类赖以生存的环境，具有广阔的工程应用前景。1钢渣作为工业废渣的使用在炼钢的过程中，伴随着钢材的炼铸而产生的一定数量的废渣，称之为钢渣。钢渣是炼钢过程中的必然副产物，其数量相当可观。2010年我国钢渣产量已达6000万t，累计陈渣数量接近35000

2、万t。目前，我国的钢渣利用率非常低，在交通建设领域的利用率还不到15%。而日本及欧美发达国家钢渣的利用率已达到90%以上，这些国家的钢渣中约有50%用于道路工程。数量巨大的钢渣不仅对环境造成了不同程度的污染，而且还占用了大量的土地资源，因此合理利用钢渣较好的各项性能，并在道路工程中推广应用，不仅可以减少天然石料的开采，降低环境的污染，还可以将钢渣变废为宝，有良好的经济效益、社会效益和环境效益，因此具有十分广阔的应用发展前景。1.1钢渣的组成钢渣是一种固态非金属物质，外表呈多孔块状、少孔块状、无孔块状。粉状体钢渣的表观密度为2.804.10g/cm3。钢渣中的化学成分基本相同，但各种化学成分的含

3、量由于炼钢的炉型、钢冶炼阶段以及原材料等多种因素的影响而不尽相同，因此钢渣的具体化学成分含量波动较大，国内外的研究结果显示：钢渣主要由CaO、SiO2、A1203、Fe203、MgO及少量MnO、FeO、P205、金属Fe组成。国外通过对钢渣碱度值的测试来评价钢渣的活性，定义钢渣碱度M=w（CaO）/w（SiO2）+w（P205）。我国对钢渣碱度的定义采用了此方法，而且按碱度将钢渣分为低碱度渣（M<1.8）、中碱度渣（M=1.82.5）及高碱度渣（M>2.5）3种。一般情况下，碱度越高，钢渣的活性越大。1.2钢渣作沥青路面结构集料的可行性分析（1）钢渣集料颗粒的结构特点。钢渣集料的

4、粗颗粒形状比较规则，接近立方体，在疏松捣实的情况下，颗粒与颗粒间能形成良好的嵌挤结构，钢渣表面较大的粗糙度增大了集料间的摩擦角和嵌挤力，表现出较好的抗剪切作用。同时钢渣集料具有较大的比表面积，从而提高了沥青与钢渣集料之间的接触面积，粘附性较好。（2）钢渣化学成分的结构特点。钢渣中大量的阳离子，如Ca2+、Mg2+、Al3+等会与沥青中的阴离子发生化学反应，生成沥青酸盐，然后在钢渣表面形成一层化学吸附层，吸附层的层间作用力要远大于沥青与碎石间的分子作用力，这也极大增加了沥青与钢渣的粘附性。钢渣沥青混合料间的沥青膜很好地抑制了钢渣的膨胀性，也保证了钢渣沥青混合料良好的水稳定性。1.3当前钢渣作沥青

5、路面集料应用方面的问题（1）钢渣化学成分中，游离氧化钙（f-CaO）的含量是一个非常重要的指标。通常情况下，用于路面工程的钢渣游离氧化钙（f-CaO）含量不得高于3%。如果该指标不合格，则钢渣的膨胀系数就会增加，对沥青路面的长期稳定性造成严重的影响。因此，针对钢渣的膨胀特性，须选用陈放时间较长的钢渣（不少于一年），结合具体的工程要求采取相应的措施。（2）根据笔者参与研究的课题发现，钢渣的自然级配不均匀，表1为昆钢钢渣筛分结果。总体情况可概括为用于沥青路面的粗集料含量较少，而细集料的含量较多，级配曲线不够光滑，影响钢渣沥青路面的路用性能。因此，笔者认为在使用钢渣作沥青路面集料的同时，掺加一定比例

6、的碎石，将级配调整至一个合理的范围，充分利用两种集料的优点，使沥青路面的路用性能得到最大化的体现是未来沥青路面发展的趋势。（3）对于钢渣在沥青路面工程中的使用，目前我国还没有一部比较完善的规范来指导设计和施工，其相关性能的评价多采用欧美以及日本等国的指标，在结合国内实际生产情况时有较大的不适应性。因此钢渣作为一种土木工程材料，应用技术的成熟还需要一段时间，其应用效果有待进一步深入研究和验证。2煤矸石作为工业废渣的使用煤矸石是采煤时产生的废弃料。我国每年产生的煤矸石约占原煤产量的20。2010年，我国煤矸石的积存量已达到75亿t，而煤矸石的综合利用率还不到15，余下的煤矸石大多自然松散地堆放，不

7、仅侵占大量的土地，而且对周围环境造成极大的污染，严重影响和危害人们的生活与健康。因此，将煤矸石应用于路面工程，利用煤矸石进行沥青混合料的生产，并应用于沥青路面的工程实践，这样既可以提高煤矸石的利用率，降低其严重的污染和对人类造成的巨大危害，又可节省大量的石料供应，保护了自然环境。因此具有良好的应用发展潜力。2.1应用实例分析本例是我国东北地区的一个应用实例。该研究采用当地的煤矸石作为配制沥青混合料的粗集料，但由于天然的煤矸石不能直接满足级配要求的合理范围，因此采用了破碎机进行破碎。并对其粗集料的质量指标进行了严格的检测，经试验测定质量符合公路沥青路面施工技术规范(JTGF402004)中规定的

8、沥青面层用粗集料。采用AH一110型沥青，细集料为玄武岩石屑、天然砂，填料为矿粉。经试验测定质量符合公路沥青路面施工技术规范(JTGF40-2004)中规定的沥青面层用细集料、填料质量技术要求。部分重要技术指标见表2。该实例按照AC-16型沥青混合料进行集料的配合比设计，并采用马歇尔法测定AC-16型煤矸石沥青混合料沥青最佳用量。根据马歇尔试验及计算结果，分别绘制稳定度、流值、密度、空隙率、饱和度与沥青用量的关系曲线，从而确定了该沥青混合料的最佳沥青用量为5.4。在对AC-16型煤矸石沥青混合料路用性能的分析中，对其高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性进行了试验分析。采用车辙试验评价沥青混合料的高

9、温稳定性。其结果如表3所示。从该试验结果表明，本研究中煤矸石沥青混合料能满足公路沥青路面施工技术规范(JTG17402004)中沥青混合料车辙动稳定度在大多数气候分区中的要求，但不能够满足7月份每日最高气温平均值大于30，夏炎热区1-3区、1-4区的技术要求。采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价其水稳定性，用残留稳定度和冻融后的劈裂强度比来评价沥青混合料是否满足路用要求。其结果如表4所示。以上试验数据分析可以看出：I型沥青混合料的残留稳定度、劈裂强度比都不能满足公路沥青路面施工技术规范(JTGF40-2004)中沥青混合料水稳定性检验技术要求；II型和III型沥青混合料的残留稳定度满足要求；

10、冻融劈裂试验的残留强度比也满足要求。其中III型的残留稳定度稍优于II型，而II型的劈裂强度比稍优于III型。总体上都要明显优于I型沥青混合料。在对煤矸石沥青混合料的低温抗裂性能研究中，采用了低温弯曲蠕变试验，该试验采用的是II型沥青混合料，其试验结果如表5所示。从该试验结果表明，煤矸石沥青混合料的弯曲蠕变速率要大于低温抗裂性能指标的建议值，因此，煤矸石沥青混合料的低温稳定性能够达到普通沥青混合料的建议值标准。2.2煤矸石作沥青路面集料应用方面的问题从上述实例中笔者发现，煤矸石作为粗集料在配制AC-16型沥青混合料的过程中，在高温稳定性能和水稳定性能中存在部分不满足规范要求的情况，而低温抗裂性

11、能的测试中表现出较好的效果。在本例中，该煤矸石沥青混合料仅能适用于二级及二级以下公路。我国现在对于煤矸石沥青混合料的研究还处在探索阶段，上述实例的研究内容和成果仅仅是一个初步的尝试，应该在以后的科学研究工作中，将煤矸石用于多种类型的沥青混合料配制试验，在试验当中不断地总结经验，改进试验方法，不断地提高煤矸石在沥青路面工程中的利用率。3生活垃圾焚烧灰渣作为工业废渣的使用我国每年产生的生活垃圾超过1.5亿t。近年来，不少城市兴建了大型生活垃圾焚烧厂，但是焚烧后仍有20%30%的质量留在灰渣当中。如此大量的灰渣，如果加以利用，不仅会减少处理费用，更能为社会带来经济和环境效益。本部分通过对国外灰渣的应

12、用实例介绍，说明灰渣用于沥青路面建设的可行性。3.1灰渣的基本性质根据近年来同济大学章骅课题组的研究发现，灰渣是一种轻质的材料，吸水能力强，含水率较高。灰渣的工程特性表明：它符合用作骨料和砾石的技术要求，并且灰渣容易进行粒径分配，易制成商业化应用的产品。3.2应用实例分析我国对于灰渣在沥青路面工程中应用的研究尚处于初级阶段，本文采用美国明尼苏达州所作的一项研究来说明生活垃圾焚烧灰渣在沥青路面工程中广阔的应用前景。在该项研究中，试验材料采用该州最大的一个垃圾焚烧厂所产生的灰渣，用19mm的标准筛除去大于19mm的部分，然后对灰渣的物理性质和化学成分进行了详细的分析。在集料试验时，将灰渣与当地的7

13、种花岗岩和石灰岩碎石按照明尼苏达州交通运输部门规定的级配要求进行搭配，灰渣的掺量从0%20%不等，并按照美国AASHTO试验标准进行相关的集料试验。得到以下4点结论：（1）灰渣的筛分结果表明，其细料部分比例很高，小于2.36mm的约占70%以上，而小于0.075mm部分占到了23%，在使用过程中很难成为独立的集料提供给生产，须搭配其它的粗集料来混合使用；（2）灰渣的密度非常小，只有普通集料密度的50%60%。必须与其它集料混合使用；（3）灰渣的吸水率很大，因此灰渣的加入应有一定比例的限制，保证达到路用沥青混合料的要求；（4）灰渣的洛杉矶磨耗值偏大，达不到当地最大不超过40%的要求，坚固性同样也

14、不能满足最大不超过18%的要求，因此不能直接用于沥青路面的集料使用。由此可见，灰渣不能作为单独的集料用于沥青路面工程，必须严格限制灰渣的掺加量，搭配其它集料共同使用。在沥青混合料试验中，采用的等级为当地的PG5834型沥青结合料，根据明尼苏达州交通运输部(MnDOT)的规范(MVNW25035C)进行设计的。将灰渣按照0%、5%、10%、15%、20%的比例掺加到其他集料中，进行毛体积相对密度试验(AASHTOT166)、马歇尔(Marshal1)试验和洛特曼(Lottman)抗剥离试验(ASTMD4867)。得到如下的相关结论：（1）随着灰渣掺入比例的增大，所需要的沥青用量也随之增大。所以应

15、当严格控制灰渣的掺入比例，满足技术经济的要求。（2）灰渣掺量为10%时，沥青混合料的各项性能满足马歇尔试验和洛特曼试验的相关技术要求，因此，推荐灰渣的掺加比例为集料质量的10。明尼苏达当地部门还按照美国环保署(EPA)规定的方法（EPA305）在化学试验室对灰渣中24种金属和呋喃等有害物质进行研究。从分析结果可以看出，将灰渣作为沥青混合料集料的一部分，与沥青拌制成沥青混合料后，几种金属包括铝(A1)、铁(Fe)、锌(Zn)等的浓度最大值都在明尼苏达州的规范规定范围之内。因此，当灰渣用作沥青混合料骨料的一部分时，对环境和人的身体健康没有不利的影响。此外，在欧洲的荷兰，使用灰渣作为沥青混合料替代骨

16、料，其利用率已达到90%，研究结果表明，灰渣的掺入量最大不超过20%，这与明尼苏达州的试验结果十分接近。3.3对于我国交通建设的启示我国年产垃圾量达1.5亿t，通过焚烧处理后仍有大量的灰渣，如果能加以利用，将产生巨大的社会和经济效益。不仅可以减少天然石料的开发，保护生态环境，而且还可以作为资源再生利用，具有广阔的市场前景，对于还处在交通建设快速发展时期的我国更加具有现实意义。4结语工业废渣作为工业发展的必然产物，数量惊人，如何将它们变废为宝，实现资源的再利用，既符合我国循环经济的可持续发展战略，同时也是为低碳社会作贡献的最直接体现。本文对3种工业废渣在沥青路面建设中的使用进行了可行性分析，并得到如下结论：（1）钢渣的粗颗粒形状比较规则，颗粒与颗粒间能形成良好的嵌挤结构，表现出较好的抗剪切作用。同时钢渣集料具有较大的比表面积，粘附性较好。钢渣的自然级配不均匀，粗集料含量较少，而细集料的含量相对较多，同时游离氧化钙（f-CaO）的含量容易超过规范规定的限值3%，若超过规范限值。对沥青路面的长期稳定性造成严重的