陈永瑞

（1.福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000；2.福建龙净脱硫脱硝工程有限公司，福建 龙岩 364000）

干法脱硫工艺因具有投资低、占地少、节水、节能、无废水排放等优点，近年来在国内外得到迅速发展，并广泛应用于火力发电厂、钢铁厂、循环流化床锅炉（炉内喷钙）及玻璃窑炉等工业烟气重点治理领域[1-3]。干法脱硫所产生的副产物数量也逐年增加，其综合利用问题引起了人们的重视。

经过多年应用研究，国内已尝试将干法脱硫灰应用于包括蒸压砖、加气混凝土砌块、砂浆、矿渣微粉、水泥等诸多领域[4-12]，但因不同地区的市场差异，亟待因地制宜拓宽脱硫灰综合利用渠道。

沥青混合料是由沥青、粗集料、细集料和填料等拌合而成的混合料的总称，被广泛用于高速公路及市政交通公路工程。传统沥青混合料填料是由石灰岩或岩浆岩等碱性石料经磨细加工的粒径小于0.075mm的矿物质粉末，亦称矿粉。当前，随着国家对于矿山开采整治力度的加严，各地矿石供应越来越紧张，对于矿粉的可替代资源的需求也愈来愈迫切。

干法脱硫产生的脱硫灰粒径细、呈碱性，主要成分为亚硫酸钙（CaSO3）、碳酸钙（CaCO3）及氢氧化钙[Ca(OH)2]。CaSO3和CaCO3是常用的低温惰性填料，与沥青混合料的石灰石矿粉具有天然的相似性。消石灰（氢氧化钙）也常用作沥青混合料的改性剂。因此，从脱硫灰的组分来看，利用干法脱硫灰取代矿粉作为沥青混合料的填料，用于城市道路或高速公路的建设具有较高的可行性，也符合国家绿色发展战略方针[13]。

国内不少科研机构也已开展脱硫灰用于沥青混合料的相关试验研究，如李萃斌和苏达根等[14]的试验研究表明，40%的电厂脱硫灰与矿粉复合可制备沥青填料，所制备的沥青混合料的马歇尔稳定度、浸水马歇尔残留稳定度、车辙动稳定度等各项指标均能满足规范要求，可应用于沥青道路工程。陈居涌和吴少鹏等[15]的试验研究表明，与普通矿粉相比，脱硫灰沥青混合料在残留稳定度、冻融劈裂强度比、浸水车辙动稳定度方面均表现出明显优势。脱硫灰应用于沥青混合料中能够显著提高沥青混合料的水稳定性能，同时使沥青混合料的路用性能不低于传统填料制备的沥青混合料。陈海湘和林禅华等[16]的试验研究表明，脱硫灰取代矿粉做沥青混合料的填料，各项指标均满足现行规范对AC-16C 型沥青混合料的技术指标要求。脱硫灰因含有一定量的Ca(OH)2和火山灰胶凝性物质，对水稳性有一定加强作用。

本研究采用钢铁厂烧结机脱硫灰取代矿粉制备AC-20C 型沥青混合料，通过室内配合比设计、混合料性能及示范道路施工对比验证，研究脱硫灰作为沥青混合料填料的路用性能。

1 材料与方法

1.1 原材料

试验所用原材料及其参数选用如下：

（1）沥青为厦门新立基股份有限公司SBS 改性沥青，其各项技术指标满足规范要求（见表1）。

表1 沥青技术指标

（2）脱硫灰为福建省三钢集团钢铁烧结机烟气干法脱硫工艺产生的脱硫副产物。

（3）矿粉为福建龙岩市宇联重钙有限公司生产的石灰岩矿粉。

脱硫灰、矿粉的元素组成见表2。脱硫灰、矿粉的矿物组成见表3。

表2 脱硫灰、矿粉的元素分析

表3 矿粉、脱硫灰的主要矿物成分组成

（4）集料为福建漳州市脉岭石料场石灰岩，集料坚硬，无风化现象，各项指标满足要求。

根据集料筛分试验结果和现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中AC-20C 型沥青混合料的级配要求进行矿质混合料组成设计，经多次试验后最终确定矿料组成见表4。

表4 AC-20C 型沥青混合料矿料级配组成

1.2 试验方法

本文基于AC-20C 型沥青混合料配合比，采用相同质量的脱硫灰替代矿粉，对比两种沥青混合料各主要性能指标差异及对实际沥青道路施工的影响。

沥青混合料的马歇尔稳定度试验、高温车辙试验、冻融劈裂试验和渗水试验均参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的试验方法。

2 沥青混合料试验结果与分析

根据试验设计的AC-20C 型沥青混合料配合比（见表5），测定各组样品的冻融劈裂强度比、渗水系数，以及车辙动稳定度的水稳性能和高温性能，试验结果见表6。

表5 AC-20C 型沥青混合料配合比

从表6 可知，掺脱硫灰与掺矿粉的沥青混合料，车辙动稳定度均大于6000 次/mm，大于设计值要求的2800 次/mm，具有优异的高温性能。

表6 AC-20C 型沥青混合料试验结果

掺脱硫灰的沥青混合料与掺矿粉的沥青混合料相比，冻融劈裂强度比由85.7%增加至89.2%，提高了4.1%。脱硫灰组的渗水系数为36.9mL/min，远低于矿粉组的85mL/min，渗水系数降低了56.6%。冻融劈裂强度比和渗水系数均是沥青混合料水稳性的重要表征指标。这说明与矿粉相比，脱硫灰能有效提高沥青混合料的水稳性。这是因为与矿粉相比，脱硫灰的密度小、粒径细，比表面积大，故加入相同质量的脱硫灰和矿粉后，脱硫灰与沥青所形成的沥青胶浆体积大于矿粉与沥青所形成的沥青胶浆，而且脱硫灰相比矿粉含有更多的Ca(OH)2，可改善矿石与沥青胶浆的黏接力。因此，掺入脱硫灰后，沥青混合料整体更加密实、间隙率小、水稳定性更好。

3 脱硫灰沥青混合料试验道路施工检测

由试验研究结果可知，脱硫灰替代矿粉作为填料制成的沥青混合料具有较优的水稳性能和高温车辙性能。为了验证其实际生产施工及路用性能，依托福建云平高速公路标段，建设了干法脱硫灰沥青混凝土试验道路。

3.1 脱硫灰试验道路情况简介

脱硫灰沥青混合料试验段道路位于福建省漳州云平高速，试验路总长约2km，桩号为YK31+700—YK32+700，路面结构设计如下图所示。其中，AC-20C 型中粒式改性沥青混凝土位于路面结构的下面层，设计厚度为5.5cm，为脱硫灰施工结构层。

脱硫灰试验道路路面结构示意图

3.2 试验道路施工流程

脱硫灰沥青混合料试验路段施工工艺与传统采用矿粉的AC-20C 型沥青混合料施工工艺一致，主要施工流程为：原材料准备→配合比设计→混合料拌和→运输→摊铺→碾压（初压、复压、终压）→接缝处理→检测→封闭交通。

3.3 试验路段性能检测

3.3.1 沥青混合料马歇尔试验

在矿粉、脱硫灰AC-20C 型沥青混合料的试验路段施工现场分别取样，于室内完成马歇尔稳定度试验，对比检测脱硫灰、矿粉试验路的沥青含量、空隙率、稳定度、流值等指标。由表7 可知，脱硫灰与矿粉两种沥青混合料的沥青含量、空隙率数值接近，脱硫灰的稳定度和流值指标略高于矿粉，属于试验正常的波动范围，各指标均满足规范设计要求，表明脱硫灰取代矿粉作为填料制备沥青混合料具有很好的匹配度。

表7 AC-20C 型沥青混合料室内马歇尔试验结果

3.3.2 沥青混合料钻芯取样试验

依照常规沥青路面施工监测，脱硫灰和矿粉试验路段AC-20C 型沥青混合料面层施工2 天后进行钻芯取样，对比检测压实度、空隙率等路面性能指标。

矿粉和脱硫灰沥青路面钻芯取样试验结果分别如表8、表9 所示，脱硫灰与矿粉沥青混合料的压实度范围均为98%—100%，矿粉、脱硫灰平均压实度分别为99.1%和99.0%，均满足设计控制指标≥97%的要求。矿粉沥青混合料平均空隙率为5.4%，脱硫灰沥青混合料平均空隙率为5.5%，均满足设计控制指标＜7%的要求。

表8 矿粉沥青路面钻芯取样检测结果

表9 脱硫灰沥青路面钻芯取样检测结果

整体上看，矿粉沥青混合料与脱硫灰沥青混合料的压实度和空隙率指标均极为接近，无显著差异，满足规范设计要求，表明脱硫灰取代矿粉作为沥青混合料填料，对于沥青混凝土的路面性能无不良影响。

4 结语

试验研究表明，AC-20C 型脱硫灰沥青混合料的高温车辙动稳定度与传统矿粉沥青混合料性能相当，而在冻融劈裂强度比和渗水系数等水稳性能方面要优于矿粉。干法脱硫灰沥青混合料试验道路的施工监测验证了干法脱硫灰取代矿粉作为填料用于沥青混合料的可行性，其压实度、空隙率等路用技术指标均满足设计要求。

干法脱硫灰替代矿粉在沥青混合料中应用，无须增加生产设备或改变生产工艺，可降低生产成本，具有良好的经济效益，同时，对于脱硫灰渣实现变废为宝、节约矿山资源具有重要社会意义。