吳謹, 梅迎軍, 周啟偉(.重慶交通大學 土木工程學院， 重慶市 400074； .重慶交通大學 材料科學與工程學院；

3.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司)

重晶石是鋇的最常見礦物，是以硫酸鋇(BaSO4)為主要成分的非金屬礦產(chǎn)品，中國重晶石資源儲量豐富，主要集中于南方，貴州省占中國總儲量的1/3。重晶石在化工方面常用于生產(chǎn)碳酸鋇、氫氧化鋇、氯化鋇、硫酸鋇等各種鋇類化合物，在這些提煉生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生了大量的殘余固體廢渣(鋇渣)，鋇渣有白鋇渣和黑鋇渣之分，具有一定的毒性。隨著中國化工行業(yè)的發(fā)展，且缺乏處理鋇渣的有效途徑，鋇渣的堆放量日益增大，全國鋇渣堆放量已超過千萬噸。鋇渣的長期堆放占用了大量的土地面積，且在高溫作用下易釋放有毒氣體，污染大氣；在雨水作用下，流出大量含硫廢水，污染水質(zhì)。所以，鋇渣嚴重地影響了生態(tài)環(huán)境，如何有效地利用鋇渣，減少對環(huán)境的污染成為了企業(yè)與政府當下亟待解決的問題。

目前，中國對鋇渣的研究處理有了一定的發(fā)展，李崇景在利用鉻渣、鋇渣生產(chǎn)混凝土研究中得出用取代率為50%的鉻渣、鋇渣代替部分天然砂制作強度等級為C15的普通混凝土，其抗壓強度達到18.9 MPa，比混凝土設(shè)計強度提高26%；葉偉等在重晶石礦渣應(yīng)用水泥穩(wěn)定碎石基層的研究中得出重晶石礦渣水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗壓性能、抗拉性能和抗干縮性能與常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石混合料基本相當；姚珺等在鋇渣石灰協(xié)同作用處理含磷廢水的研究中在鋇渣與氫氧化鈣的協(xié)同作用下，投加比例為鋇渣1 g+氫氧化鈣1.5 g/1 mg磷時，對水中磷的去除率達到90.42%，出水含磷量已降低到1 mg/L以下，達到了國家排放標準；唐英等在毒重石尾礦鋇渣制取高純氯化鋇的研究中，通過改進的兩次鹽酸浸取法將毒重石尾礦鋇渣中的鋇轉(zhuǎn)化為氯化鋇實現(xiàn)二次回收，鋇的回收率可達95%；劉攀等在鹽酸浸取鋇渣中鋇離子工藝路線研究中以貴州鎮(zhèn)寧鋇渣為原料，利用鹽酸將鋇渣中的鋇離子浸取出來進行二次利用，在鹽酸濃度為3 mol/L，液固比7∶1(g/g)，浸取時間為2 h的條件下，鋇離子的浸取率達到78.51%。

該文擬對不同摻量下的重晶石鋇渣SMA-10改性瀝青混合料的高、低溫性能、水穩(wěn)定性的影響進行研究，得出鋇渣對SMA-10瀝青混合料的影響規(guī)律以及鋇渣的最佳摻量，為工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 原材料

(1) SBS改性瀝青

采用SK70#基質(zhì)瀝青，摻4%的SBS改性劑，得到SBS改性瀝青，SBS改性瀝青的技術(shù)指標見表1。

(2) 集料

采用0～3、3～5、5～10 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，各檔集料的級配如表2所示，通過JTG E42-2005《公路工程集料試驗規(guī)程》的規(guī)定進行技術(shù)指標測試，結(jié)果滿足要求。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標

(3) 鋇渣

鋇渣采用貴州省黔東南地區(qū)某重晶石礦廠產(chǎn)品，其級配和技術(shù)指標如表3、4所示。

由表3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，又可以充當骨料。表4中鋇渣的各項技術(shù)指標滿足技術(shù)要求，其中表觀密度為2.958 g/cm3，與該文所用0～3 mm的玄武巖集料密度相差不大(2.916 g/cm3)；與表2中0～3 mm玄武巖集料對比，粗細程度、級配大致吻合，所以該文選用鋇渣代替瀝青混合料中的部分0～3 mm細集料。

表2 各檔集料的級配

表3 鋇渣級配組成

表4 鋇渣的技術(shù)指標

2 配合比設(shè)計

2.1 級配組成

礦料級配曲線設(shè)計為SMA-10細粒式，用鋇渣代替部分0～3 mm的細集料，鋇渣摻量為5%、10%、15%、20%，合成級配曲線如圖1所示。礦粉、0～3、3～5、5～10 mm各檔集料摻量分別為11.0%、24.0%、4.0%、61.0%。

圖1 各鋇渣摻量的級配曲線

由圖1可以看出：級配曲線大致與合成級配曲線吻合，隨著鋇渣摻量的遞增，集料的通過率增大，即細集料增多，級配曲線更接近于級配上限，在0.6 mm粒徑表現(xiàn)最為明顯。

2.2 最佳油石比

采用馬歇爾擊實法確定鋇渣不同摻量下的油石比，具體參數(shù)見表5。

由表5可得：

(1) 隨著鋇渣摻量的增加，瀝青混合料的油石比隨之增大，用油量分別增大了3.2%、9.2%、2.8%。分析其原因是：鋇渣是多孔隙材料，孔隙比較大(孔隙比為1左右)；同時較小顆粒與瀝青形成瀝青膠漿，導致用油量增大。

表5 不同鋇渣摻量下的最佳油石比及其技術(shù)指標

(2) 馬歇爾穩(wěn)定度隨鋇渣摻量的增大呈現(xiàn)先增大再下降的趨勢。鋇渣摻量為5%～15%時，混合料的強度增大，抗位移變形能力提高；當鋇渣摻量為20%時，強度減小，同時抗變形能力降低。分析其原因是：鋇渣的主要成分是BaSO4、SiO2、BaSiO3等固體難溶物，且含有CaO、FeO等水泥熟料，使之強度提高。當鋇渣摻量小于15%時，鋇渣摻量越大，比表面積越大，吸油率越大，形成的瀝青膠漿越多，大顆粒作為骨料，導致瀝青混合料的強度增大；當鋇渣摻量超過15%時，鋇渣充當細集料偏多，難以形成骨架，導致強度降低。

3 路用性能試驗分析

3.1 高溫穩(wěn)定性

按照規(guī)范，對不同鋇渣摻量的混合料進行車轍試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 各鋇渣摻量下的動穩(wěn)定度

由圖2可得：當鋇渣摻量為5%～15%時，隨著鋇渣摻量的增大，動穩(wěn)定度逐漸提高，鋇渣摻量每增大5%，動穩(wěn)定度提高19%左右，說明其高溫性能隨鋇渣摻量的增大而提升；當鋇渣摻量為20%時，動穩(wěn)定度減小到3 330次/mm，相較于鋇渣摻量15%和5%時，動穩(wěn)定度分別降低了51%、30%，說明當鋇渣摻量大于15%時，其高溫穩(wěn)定性隨鋇渣摻量的增大而降低。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：當鋇渣摻量小于15%時，由鋇渣代替0～3 mm玄武巖細集料，使SMA-10級配更加合理，鋇渣在混合料中既能與瀝青形成瀝青膠漿，又可作骨架集料，使之強度提高；同時，鋇渣摻量越大，用油量越大，但鋇渣是多孔隙材料，比表面積大，吸油能力強，綜合上述原因，使其高溫穩(wěn)定性提高。當鋇渣摻量大于15%時，由級配曲線可以看出，細集料含量過于偏大，接近級配上限，與瀝青形成的瀝青膠漿過多，導致混合料的高溫性能顯著降低。

3.2 低溫抗裂性

依據(jù)規(guī)范，采用從輪碾機成型的板塊狀試件上切制的棱柱體試件進行小梁低溫彎曲試驗，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min。不同鋇渣摻量下的低溫彎曲試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同鋇渣摻量下的低溫破壞應(yīng)變

由圖3可得：隨著鋇渣摻量的增大，破壞應(yīng)變幾乎呈線性逐漸減小，當鋇渣摻量為5%～15%，破壞應(yīng)變減小10%左右；當鋇渣摻量為15%～20%，破壞應(yīng)變減小23.5%。說明其低溫性能隨鋇渣摻量的增大而降低，且當鋇渣摻量大于15%時，混合料的低溫性能不滿足技術(shù)要求。由于鋇渣的主要成分是各類鋇鹽，且含有CaO、FeO水泥熟料礦物，當鋇渣作為細集料摻入SMA-10瀝青混合料中，隨著鋇渣摻量增大，混合料的脆性增大，所以使其低溫抗裂性能降低。

3.3 水穩(wěn)定性

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，用瀝青混合料試件在水損壞前后劈裂破壞的強度比TSR(%)來評價其水穩(wěn)定性，試驗結(jié)果如表6所示。

由表6可得：當鋇渣摻量為5%～10%時，凍融劈裂強度比TSR達到95%左右，說明其水穩(wěn)定性能優(yōu)良；當鋇渣摻量為15%～20%時，凍融劈裂強度比逐漸降低，降低到90%以下。所以隨著鋇渣摻量的增大，瀝青混合料的水穩(wěn)定性大致呈先提高再降低的趨勢，但都在技術(shù)要求范圍以內(nèi)。分析其原因是：由于鋇渣含有部分水泥熟料，隨著鋇渣摻量的增大，混合料的強度增大，水穩(wěn)定性越好；當鋇渣摻量過大，細集料偏多，導致瀝青混合料難以形成骨架，使其強度反而降低，水穩(wěn)定性變差。

表6 不同鋇渣摻量下的凍融劈裂強度比TSR

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

以貴州某國省道改建工程為依托，試驗段全長500 m，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計為4 cmSMA-10+6 cmAC-20+40 cm水泥穩(wěn)定碎石。

4.2 配合比設(shè)計

(1) 級配設(shè)計

摻鋇渣的SMA-10瀝青混合料級配設(shè)計為：礦粉用量11%、鋇渣摻量10%、0～3、3～5、5～10 mm玄武巖集料含量分別為12%、6%、61%。

(2) 性能驗證

為驗證鋇渣摻量為10%的SMA-10瀝青混凝土性能，成型兩組試件，油石比6.5%，得到其空隙率為3.4%、馬歇爾穩(wěn)定度為9.57 kN、流值為3.34 mm、動穩(wěn)定度為5 678次/mm、低溫破壞應(yīng)變?yōu)? 850 με、凍融劈裂強度比TSR為94%，滿足SMA-10瀝青混合料設(shè)計要求，可按該配合比現(xiàn)場施工。

4.3 施工注意事項

(1) 施工工藝嚴格按照現(xiàn)行瀝青混凝土路面施工規(guī)范進行現(xiàn)場施工。

(2) 鋇渣應(yīng)采用遮擋、覆蓋存放，防止雨水淋濕造成污染。

(3) 瀝青混合料施工過程中，嚴格控制施工溫度和攤鋪壓實度。

4.4 施工質(zhì)量檢測

參照JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于瀝青混合料路面鋪筑質(zhì)量要求及檢測項目，對摻鋇渣的SMA-10瀝青混合料超薄罩面進行厚度、壓實度、滲水系數(shù)、摩擦系數(shù)擺值、馬歇爾穩(wěn)定度檢測，檢測結(jié)果見表7。

表7 施工質(zhì)量檢測結(jié)果

5 結(jié)論

(1) 鋇渣摻量越大，油石比越大。鋇渣摻量為5%、10%、15%，油石比分別為6.3%、6.5%、7.1%，用油量分別增大了3.2%、9.2%、2.8%。

(2) 鋇渣摻量越大，混合料的低溫性能越差，且摻量為20%時，其低溫性能不滿足規(guī)范要求；當鋇渣摻量為5%～15%時，鋇渣摻量越大，其高溫性能、水穩(wěn)定性越好；當鋇渣摻量為20%時，高溫性能、水穩(wěn)定性變差。

(3) 鋇渣代替部分0～3 mm玄武巖細集料，摻量為5%、10%、15%的SMA-10瀝青混合料滿足各項性能要求。綜合考慮，該文推薦實際應(yīng)用工程鋇渣摻量為10%。