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工业废渣在沥青混凝土中的应用研究进展

文档作者：梁涛1，刘小艳1，刘静1，刘爱华2，刘开琼2，孙旭1 文档来源： 1．河海大学力学与材料学院 2．苏交科集团股份有限公司		点击数：	更新时间： 2025年04月20日
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2017 NO．6粉煤灰综合利用FLY ASH CoMPREHENSⅣE UTⅡjIZATIoN工业废渣在沥青混凝土中的应用研究进展术 Research and Application of Industrial Residue on the Asphalt Concrete梁 涛1，刘小艳1，刘 静1，刘爱华2，刘开琼2，孙旭1(1．河海大学力学与材料学院，江苏南京211100；2．苏交科集团股份有限公司，江苏南京211112)摘要：总结了国内外将工业废渣应用于沥青混凝土的现状，重点探讨了钢渣、矿渣、粉煤灰等工业废渣作为掺合料，对沥青混凝土性能的影响。将工业废渣用于沥青混凝土中具有很好的环境效益和经济效益，发展前景广阔。关键词：工业废渣；沥青混凝土；钢渣；矿渣；粉煤灰中图分类号：X757，X773 文献标识类：A 文章编号：1005—8249(2017)06—0068—06Liang Tao，Liu Xiao—yan，Liu Jing，Liu Ai-hua，Liu Kai—qiong，Sun Xu(College ofMechanics and Materials，Hohai University，N叫ing，210000)Abstract：This paper summarizes the status of industrial residue used in asphah concrete at home and abroad，and focuses on the performance changeof asphalt concrete when admixing the steel slag，slag and fly ash．AsphMt concrete pre0蒯from industrial residue has good environment and economicbenefit，which has broad prospects and development．．Keywords：industrial waste；asphalt concrete；steal slag；slag；Fly ash道路网络是现代交通系统中最重要的元素之一，据英国统计，其在2009年用于道路养护中的预算就有3．8亿欧元。随着交通运输的迅速发展，使用和发展公路沥青的需求也在不断增长。以中国为例，中国高速公路的快速发展，使得高速公路网络大体已经形成，其网络密度也在不断进行着提高。如今，中国已经建成的高速公路大多都是使用沥青路面。沥青路面具有路面上无扬尘、分期修建方便并且养护维修容易，在机动车行驶上没有噪音等优点。工业废渣是在工业生产和加工中产生的一种废料。随着经济社会的科学和技术不断在发展，工业+基金项目：江苏省科技计划项目(BE2015706)：江苏省普通高校专业学位研究生科研实践计划项目{2013／B1 5020460)第一作者：梁涛．男．(1992一)。硕士．研究方向为新型道路材料E—mail：1473754007@qq．com通讯作者：刘小艳，女，f 1975～}，博士．副教授．研究方向为水工新材料、纳米改性材料、新型道路材料等。E—mail：liuxiaoyan@hhu．edu．cn收稿日期：2017一08—23·68·生产也不断蓬勃发展，越来越多的工业废渣也随之产生。这些工业废渣不仅占用土地，还容易造成空气污染、河流污染、河道堵塞和土壤板结失效等。通过对工业废渣进行综合研究发现，在沥青路面中使用工业废渣，可以达到优化沥青路面的使用性能。这样就解决工业废渣的排放问题，并提高废渣的利用率，减少废渣对环境造成的影响等效果，最终达到降低成本并且变废为宝。目前，有关工业废渣资源化利用的研究越来愈多，国内外对于工业废渣在沥青混凝土中的研究也不断在增加。至此，本文将从钢渣、矿渣、粉煤灰等常见工业废渣在沥青混凝土的应用研究进行论述。1钢渣沥青混凝土钢渣是一种在炼钢过程中为了去除钢中的杂质而产生的副产物，是炼钢过程排出的熔渣。其主要成分是由钙、铁、硅、镁氧化物和少量的氧化铝、氧化锰、磷等组成的。其主要矿物为硅酸三钙、硅酸二钙、铁铝酸四钙等。同时，还有被侵蚀的材料和外界带来的万方数据粉煤灰综合利用FLY ASH COM咿REHENSⅣE U’nLIZATION 2017 NO．6杂质，以及为调整钢渣性质而特意加人的萤石、石灰、脱氧剂等造渣材料。在欧美、El本等发达国家中，钢渣的利用率已经接近100％，用于路面的占50％～60％。在2000年以前，瑞典、丹麦、芬兰与英国固体废弃物中的钢渣循环利用率为100％，英国用于混凝土和沥青混凝土中的钢渣，占钢渣总量的98％。1．1钢渣沥青混凝土基本性能研究Stock…研究了钢渣沥青混凝土路面的抗滑性能。他发现：正因为钢渣具有粗糙的表面，所以钢渣沥青混凝土具有优良的抗滑性能。采用14mm的钢渣碎石封层，与相同磨光值的天然石料相比，同等级封层的抗滑性能更好。Xue等旧1将碱性氧气炼钢炉渣应用于沥青路面中，从中选取粗转炉钢渣与普通天然细骨料一起制备钢渣SMA沥青混合料，其中转炉钢渣的利用接近于80％，结果不管是路面行驶质量还是路面性能均能满足高速公路建设的要求。伊朗的M．Arabani∞1将钢渣掺人沥青混凝土中并测试试件的各种性能。他发现钢渣作为一种细集料或者粗骨料时，其马歇尔稳定度增加，流值减少；在动态蠕变试验中，掺钢渣作为粗骨料的沥青混合料性能最佳，残余变形上比对照组减少40％；在间接拉伸弹性模量上面，掺钢渣粗骨料的沥青混合料也得到了增加。武汉科技大学的李灿华等¨。将钢渣作为粗集料，石灰岩为细集料，掺人SBS改性沥青混凝土中，配置开级配钢渣透水沥青混合料(OGFC一16)。在钢渣掺量达到85％以上时，混合料的高温抗车辙能力和抗水损害能力都很好，动稳定度也较好；钢渣沥青混合料具有很好的耐磨性，其车辙摩擦系数大于70．7，可以延长路面的使用年限和保证行车安全。1．2钢渣沥青混凝土的经济、环境效益钢渣沥青混凝土在其基本性能上表现优异，所以越来越多的研究者也开始不断研究钢渣沥青混凝土的经济、环境效益等问题。Arabani等¨1将钢渣和再生混凝土一起替换骨料掺人热拌沥青混合料中，结果发现钢渣作为粗骨料，再生混凝土做细骨料的混合料性能最佳，这样可以大大减少成本并最大程度地对废物进行再利用。Shen L 6J研究了钢渣沥青混凝土在噪音方面的问题，发现钢渣可以有效地较低沥青路面的噪音，而且其抗滑性、抗水损害、抗高温性能均有所提高。张春刚等"1人考虑到钢渣含有微量的重金属离子，在长期雨水的冲刷下会造成重金属离子的浸出，造成周围环境的污染。其将钢渣替代石料作为骨料，使用TCLP的方法探讨钢渣及钢渣沥青混凝土中重金属浸出行为以及钢渣的种类对重金属浸出的影响。结果发现钢渣中的Cu、V、zn、As、Mn浸出均超过标准的浓度。3种不同的沥青制成的AC一16沥青混凝土中cu、V、zn、As、Mn浸出的浓度相差不大，说明沥青种类对重金属浸出影响不大。Cu、zn浸出的浓度在标准之内，As、Mn浸出的浓度超过标准。1．3钢渣沥青混凝土存在的问题钢渣的膨胀性问题是困扰研究者的一大难题。钢渣由于含有游离的氧化钙、氧化镁和RO相、硫化亚铁以及硫化亚锰等氧化物，容易与水反应发生膨胀，造成体积安定性不良。Kandhal¨o采用钢渣制备密级配混合料研究钢渣混凝土的膨胀性能，结果发现游离氧化钙是造成钢渣体积膨胀的主要因素。所以目前在道路工程中对钢渣的回收利用一般是采用游离氧化钙较低的品种或者对钢渣进行陈化处理，以及来降低游离氧化钙的含量。同时，钢渣的表面粗糙且多孔，且具有一定的粉化性，容易造成钢渣在沥青混凝土中吸附更多的沥青，影响钢渣沥青混凝土的推广。2矿渣沥青混凝土工业炼铁时能够产生一种副产品，高炉矿渣，主要由生铁、石灰石和焦炭组成。液态渣经淬火冷却后得到一种几乎完全的非晶材料，它的化学组成主要取决于铁矿石的化学成分，并很可能包含27％一40％Si02，30％～50％CaO，5％～15％A1203和1％-10％MgO∽J。矿渣现如今越来越受到重视和利用，这是因为其完全可以用作胶凝材料，已有多项研究表明，矿渣的相组成结构主要是富硅相和富钙相，这就强有力地证明了其结构具有潜在活性。将高炉渣粉磨后达到规定细度，形成粉体材料矿渣粉，它与硅酸盐水泥熟料的性能非常接近，具有潜在活性的特点。2．1矿渣沥青混凝土基本性能研究Sun等¨叫通过室内试验对矿渣的化学组成、物理力学性质进行了分析，对矿渣做了沥青混凝土骨料的可行性研究，并与石灰石沥青混凝土的路用性能进行了比较。结果发现：采用细矿渣代替河沙配置的沥青混合料高温稳定性好；矿渣沥青混凝土的极限弯拉强度和普通碎石两者相差不多，甚至好些。Kouda等¨¨·69·万方数据2017 NO．6粉煤灰综合利用FLY ASH CoMPREHENSIVE UrIU【ZATION利用矿渣(水淬渣)做为一种路面沥青材料。在实验室的基础之上，采用碎石和25％或50％的矿渣组成沥青混凝土，试验结果发现：与传统的矿渣掺量至多25％相比，完全可以将矿渣掺量至多到细骨料的60％，其耐久性与传统沥青混凝土相差无几。姚爱玲等。12 o将矿渣磨细，等量代替常用的石灰石粉作为沥青混合料的填料，并以AC一16 I型沥青混合料级配中值作为研究对象，在最佳油石比的基础上对沥青混合料的路用性能进行分析。发现0．075mm筛上颗粒及以下矿粉完全或部分由矿渣分代替是可行的。台湾的研究者¨川将普通沥青混凝土与一种掺碱性氧气炉矿渣的沥青混凝土进行对比试验，并比较在性能上的差异，发现掺炉矿渣的沥青混合料在保温性、平整度、抗车辙能力均有提高。2．2矿渣沥青混凝土碱激发研究大量研究表明，矿渣在碱激发的作用下可以发生水化反应，产生一种CSH凝胶。2009年，杜少文等¨4 1人将矿渣消石灰粉掺人乳化沥青混凝土当中，用0、2％、3％、4％掺量的矿渣消石灰粉(矿渣与消石灰粉质量比为3：1)等质量代替矿粉，利用消石灰粉降低混合料的pH值，在碱激发作用下使矿渣粉进行水化反应。当掺矿渣粉消石灰粉的掺量达到3％时，乳化沥青混凝土的抗压回弹模量就和普通热拌沥青混凝土的抗回弹模量差不多。2015年，杜少文¨纠将熟石灰与矿渣复配掺人再生改性乳化沥青混合料中，发现比单掺消石灰粉所带来的性能更高，而且减少了沥青的用量，提高了沥青混合料的刚度和界面的粘结强度。2．3矿渣沥青混凝土存在的问题有研究发现当矿渣粉取代矿粉后，沥青混凝土的空隙率会变大，这主要是因为矿渣粉的比表面积比矿粉的大，会吸附更多的沥青。而且还发现，掺矿渣粉的沥青混凝土其浸水残留稳定度与掺矿粉的相比有所提高，但是冻融劈裂强度比却比掺矿粉的有所下降，所以，矿渣粉作为一种新的填料，对混合料的各种路用性能还需要好好的研究¨6|。3粉煤灰沥青混凝土粉煤灰是在燃煤能源生产中形成的一种副产物，通常被认为会给自然环境造成严重的污染。考虑到粉煤灰会给自然环境带来污染，关于这方面的研究也就·70·成为了世界性的课题。粉煤灰的玻璃相占粉煤灰总质量的90％，并含有其他不同的无机组分。同时，粉煤灰还含有磁性组分：铁磁矿、赤铁矿和一些高浓度的镍、铜、锌、镉等重金属。但是，大体上来说，两种粉煤灰从元素组成上来说是不同的，它们的成分取决于燃烧条件和原料煤的质量。3．1粉煤灰沥青混凝土基本性能研究早在1952年，Carpenter Ll刊就发现粉煤灰可以作为一种矿物填料用于沥青混凝土中，并且其压实后的强度、弹性模量、稳定性及抗水损害能力均比较优越。Henning[1引测试了C类粉煤灰对沥青混凝土性能的影响，发现掺人4％的粉煤灰沥青混凝土，其稳定性和流动性达到最大，而且粉煤灰也提高了混合料的水稳性。李萃斌等H叫人将电厂脱硫灰与石灰石粉复合，其按质量比F1=2：8、F2=3：7及F3=4：6混合制备，并按4％的沥青用量配置AC一10普通沥青混合料。掺少量脱硫灰渣能够提高沥青混合料的水稳性。且各项指标均能满足规范要求，可应用于沥青道路工程。其中，以约30％脱硫灰取代石灰石粉的填料掺人沥青混凝土中性能最好。Nageim等幢叫通过研究发现，在完全固化的条件下，粉煤灰可以作为适宜的填充材料用于冷拌沥青混合料，且其劲度模量与热拌沥青混合料(HMA)相似。选用不同掺量的脱硫灰渣(O％～5．5％)分别取代普通矿料制备冷拌乳化沥青混合料，与传统热拌沥青混合料的刚度高出很多，其机械性能也很高，且与掺水泥相比更加优越，完全可以作为一种新的填充材料用于冷拌沥青当中。Wahhab等∽川将油质粉煤灰其进行表面改性处理，并与填料混合，掺2％到沥青混合料中，结果其劈裂强度增加了11％，弹性模量增加了25％，疲劳寿命时间增加了1400％，减少车辙55％；沥青混合料掺人2％改性粉煤灰，可以显著提高其路面性能。3．2粉煤灰沥青混凝土经济、社会效应研究Rosner等。2引发现粉煤灰可以用作矿物填料，并可以作为一种抗剥落剂用于沥青混合料中。Ali等¨引结合前人所做的研究，在沥青混合料中掺人o％、2％、4％、6％的粉煤灰(2％指占50％矿物填料的2％；4％指占100％矿物填料的4％；6％指占100％矿物填料的6％)，发现粉煤灰可以改善混合料的强度，并且可以作为一种抗剥落剂使用。Mallick等旧4 o成功地利用粉煤灰与塑料制成一种合成轻质骨料，用于热拌沥万方数据粉煤灰综合利用FLY ASH COM吧REHENSⅣE UTⅡ。IZATIoN 2017 NO．6青混合料中，以此来节约矿物骨料和回收废料。Xue等¨51利用城市固体废物焚烧出来的粉煤灰代替部分细集料或填料用在沥青马蹄脂(SMA)混合料中，并且为了节约自然岩石和利用工业废物，将炉渣用于粗集料部分，使得SMA混合料含有工业废渣高达90％以上，发现大量利用炉渣和粉煤灰可以作为一种潜在的公路建设材料。但是，随着浸出时间的增加和pH值的降低，废渣中的金属浸出能力也在增加；特别对于金属镍来说，沥青对其没有什么固化稳定效果。浙江大学的Sun等心6牲此基础上做了相应的研究，提出一种新的固化技术。他将一些工业废渣和粉煤灰一起掺到沥青中，配置AC一16 I型沥青混合料。结果发现：混合料的重金属浸出值完全符合国家规范，这种混合料对于重金属的固化是非常有效的。3．3粉煤灰碱激发沥青混凝土粉煤灰具有火山灰效应，其中活性成分SiO，和Al，O，在碱性条件下会生成一定的水化产物。同时，考虑到水泥这种胶凝材料用到冷再生沥青混凝土已经有了大量的研究，所以将粉煤灰替代部分水泥形成碱激发水泥粉煤灰体系的研究慢慢发展起来。周俊【27 1用NaOH做为碱激发，发现这种碱激发水泥粉煤灰体系的再生混合料在MS=3／5时获得最佳性能，其水稳定性和抗压强度均比较不错。随后，2015年，沈冰等怛叫人也用NaOH做为碱激发，研究碱激发水泥粉煤灰体系对再生沥青混合料性能的影响。通过SEM测试发现，NaOH可以激发混合料中粉煤灰的活性，生成CSH凝胶，提高了混合料的抗压强度。3．4粉煤灰沥青混凝土存在的问题Ali【23 1发现粉煤灰的掺人可以提高混合料的强度，但是其抗车辙能力和使用性能并没有很好的提高，而且，粉煤灰的加入增加了沥青混凝土路面开裂的数量。东南大学的钱杰心叫对沥青用的几种填料进行研究，发现掺粉煤灰与矿粉相比，在低温抗裂性能方面有一定的降低。2006年，郑蕉林∞叫发现掺粉煤灰的低温性能与疲劳性能均不如掺矿粉的。2016年，吴平等¨¨人研究粉煤灰自身的特性对沥青混凝土性能的影响，他也发现粉煤灰沥青混凝土低温抗裂性是有降低的，且不同电厂的粉煤灰对性能的影响不一致，所以他建议在使用粉煤灰作为填料的时候要考虑到粉煤灰的微集料效应、微胶结效应和多孔隙效应。4其他工业废渣沥青混凝土其他工业废渣如煤矸石、磷渣等也都被运用到沥青混凝土当中去。煤矸石是一种煤炭的共伴生矿物，在煤炭开采和加工过程中会产生出来。其化学组成多样，含多种元素和重金属，并且也是多矿物混合体。李伟等∞21人将煤矸石破碎，取4．75—19mm煤矸石作为粗集料配置热拌沥青混合料。结果发现：煤矸石沥青混合料动稳定度满足规范要求，但沥青与骨料的粘附性不好，需加入0．4％的抗剥落剂，可用于二级或二级以下公路。考虑到煤矸石含有大量的高岭土系矿物，长安大学的杨晓凯∞引将煤矸石研磨煅烧后形成一种煤矸石粉掺人到改性沥青混凝土中。他发现其沥青混凝土高温稳定性和水稳性均得到了增加，低温抗裂性与矿粉相比相差不大。用电炉发制取黄磷时，可以得到一种熔融物，通过淬冷就可以得到一种磷渣，其主要成分含有SiO，、CaO、A1，0，等成分。其中，SiO，和CaO为总重量的85％，SiO，与CaO的比为0．8到1．4。磨细的磷渣具有类似于高炉矿渣的玻璃微珠结果，其玻璃微珠可高达质量的90％∽4。35|。Foxworthy等¨6。探究磷渣作为沥青混凝土集料的可行性，结果表明以磷渣等工业废渣为集料是可以用作沥青混凝土的，且各项性能良好。2015年，刘礼英等旧71将磷渣微粉作为填料，研究AC一13和AC一20两种沥青的路用性能，他发现磷渣微粉可以有效提高混凝土的高温稳定性和水稳定性，但是两种磷渣微粉对两种沥青混凝土的水稳定性影响差异较大，还需进行更加深入的研究。5结语越来越多和不同种类的工业废渣，对人类的生存环境带来了威胁；同时，人口密度也在不断增加，将废渣有效利用是一个最佳选择。随着我国建设事业一步步推进，将工业废渣用于沥青混凝土中切实可行，前景广阔，是一条可持续发展的道路。(1)钢渣用于沥青混凝土具有良好的基本性能，而且抗噪音和对重金属浸出等环境因素有着一定的效果，但是其自身的体积膨胀特性和多孔性却限制了其在工程方面的推广应用。(2)矿渣用于沥青混凝土中可以提高混凝土的高温稳定性和平整度等基本性能；而且考虑到其活性·71·万方数据2017 NO．6粉煤灰综合利用FLY ASH COM[PREHENSIVE U1’Ⅱ。IZATION用于碱激发方面可以提高沥青混凝土的强度和刚度，其后期性能和其他碱激发方式可以成为后期研究的一个方向；但是由于自身性能，其冻融劈裂等路用性能结果不是很理想，需要进一步深入研究。(3)粉煤灰用于沥青混合料中也有良好的基本性能；而且其在作为一种抗剥落剂和固化重金属方面均比较可行；利用其火山灰效应形成水泥粉煤灰碱激发体系用于再生混合料的研究也有许多，可以考虑进一步深入研究其性能的影响；但是在使用过程中也发现，粉煤灰沥青混凝土的低温抗裂性不佳，在今后的使用过程中要考虑到粉煤灰的微集料效应、微胶结效应和多孑L隙效应。(4)其他工业废渣如煤矸石和磷渣用于沥青混凝土方面均有一定的可行性，但是其研究还不够完善，如煤矸石对于沥青混凝土的低温抗裂性能没有什么改善效果，磷渣水稳定性研究差异性较大等，还需对其更多的基本性能影响进行更深入的研究。参考文献Stock A，Ibberson C，Taylor I．Skidding Characteristics of PavementSurfaces Incorporating Steel Slag Aggregates[J]．TransportationResearch Record．1996，1545(1)：35Jm．Xue Y，Wu S，Hou H，et a1．Experimental investigation of basic oxygenfurnace slag used as aggregate in asphalt mixture[J]．Journal ofHazardous Materials．2006，138(2)：261—268．Arabani M．Azarh00sh A R．The effect of recycled concrete aggregateand steel slag on the dynamic properties of asphah mixtures[J]．Construction＆Building Materials，2012，35(35)：1—7．李灿华，向晓东，周溪滢．钢渣开级配透水沥青混合料及性能研究[J]．建筑材料学报，2015，18(I)：168—171．Arabani M．Azarhoosh A 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NO．6(上接第64页)抗拉强度为0．4MPa～0．9MPa，表明丙乳砂浆的力学性能及其与老混凝土的粘结强度符合设计要求。4结语江都水利枢纽5座大中型节制闸混凝土碳化处理，水上构件采用环氧厚浆涂料表面防护、环氧厚浆涂料和真石漆联合防护，万福闸的闸墩采用丙乳砂浆防护。实践证明，均能有效地对混凝土进行保护，并提高了水上构件的外观质量，美化了水闸，做到与周边环境相协调。参考文献[1]金震南，方延法．运行条件下的万福闸全面加固[J]．江苏水利科技，1995(1)34—42．[2]江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司．淮河人江水道整治工程万福闸加固工程施工图设计总说明[R]．2011．[3]朱炳喜．苏水ME_4高性能无机修补砂浆的研制与应用[J]．新型建筑材料。2004(4)13—15．[4]黄国兴，纪国晋．混凝土建筑物修补材料及应用[M]．北京：中国电力出版社，2009．(上接第67页)concrete[J]．Cement and concrete research，1997，27(4)：589—599．[20]孙抱真，李广才，贾传玖．蒸压加气混凝土的水化产物与强度和收缩的关系[J]．硅酸盐学报，1983，11(1)：77—80．[21]颜汉军，张婵娟．原材料对粉煤灰加气混凝土制品质量影响的研究[J]．硅酸盐通报，2009，28(6)：1317—1321．[22]Ziembicka H．Effect of micropore structure on cellular concreteshrinkage[J]．cement and concrete research，1977，7(3)：323—332．[23]钱晓倩，郑立．粉煤灰加气混凝土收缩机理的研究[J]．硅酸[24][25][26][27]盐学报，1991，19(6)：495—500．Georgiades A，Ftikos C H，Marinos J．Effect of micropore structure onautoclaved aerated concrete shrinkage l J j．Cement and 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