Feasibility Research on Coal Gasification Slag Used as a Filler in Asphalt Mastic
本研究表明，低碳粉煤气化渣是沥青胶粘剂中石灰石填料的一种可行且在经济上更优越的替代方案，其流变性能相当，同时可降低约56.3%的材料成本。
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道路不仅仅是石头和沥青的层叠；它们是复杂的系统，其中一种被称为沥青的粘稠黑色粘合剂将碎石构成的骨架结合在一起。为了让这种混合物发挥作用，工程师会加入一种细粉，通常由磨碎的石灰石制成，它起到了至关重要的胶水作用。这种被称为“填料”的粉末填充了较大石块之间的微小缝隙，并与沥青相互作用，创造出一种既能抵抗夏季烈日高温，又具备足够的柔韧性以在严寒中弯曲而不开裂的浆料。然而，世界上易于开采的石灰石正在枯竭，且研磨过程会产生粉尘并消耗能源。这促使工程师们转向周围的工业废料中寻找替代品，希望将一个处置难题转化为建筑解决方案。
其中一种废弃物来自煤气化工业，这是一个将煤转化为清洁燃烧气体的过程。这一过程会留下一种被称为煤气化矿渣的固体副产品。多年来，这种材料一直是一种负担，堆放在垃圾填埋场并占用宝贵的土地。中国的研究人员最近提出了一个简单但困难的问题：这种矿渣能否被磨碎并替代石灰石，从而制造出更好的道路？挑战在于，并非所有的矿渣都是相同的。根据煤炭处理方式的不同，产生的废料在化学成分、颗粒粗糙度以及内部残留未燃烧碳的量方面可能会有巨大的差异。有些可能过于粘稠，导致道路在冬季变得脆弱；而另一些则可能过于脆弱，无法承受重型卡车的压力。
为了找到答案，一个工程师团队收集了来自不同工厂的六种不同类型的这种矿渣，以及一份标准石灰石样本。他们并没有直接将它们倒入沥青中；而是首先将每种类型的矿渣研磨成极其细小的粉末，使其粒径与石灰石完全匹配。这是至一个关键步骤，确保他们随后观察到的任何差异都是由于材料本身引起的，而不是仅仅因为颗粒的大小。然后，他们将这些粉末与热沥青混合以制成浆料，并测试每种混合物的表现。他们使样本承受极端高温，以观察它们是否会在交通载荷下软化和变形；同时也使其处于极寒环境，以观察它们是否会开裂。他们还观察了材料在重复应力下的反应，以模拟多年来轮胎不断撞击的情况。
结果揭示了一个清晰的模式。研究人员发现，矿渣样本中含有的未燃烧碳和多孔结构越多，生成的道路浆料就越硬。虽然这种硬度有利于抵御夏季高温，但它也带来了代价：材料变得过于僵硬，失去了在寒冷条件下放松和拉伸而不破裂的能力。几种矿渣样本在某一方向上都过于极端，要么在高温下过硬，要么在寒冷下过脆。然而，一种特定的矿渣——由低碳气化工艺生产的——脱颖而出。这种材料具有相对光滑的表面和极少的残留碳，提供了一个完美的中间地带。当它与沥血混合时，能显著提升耐热性——将材料在高温下保持形状的能力提高了近百分之二十——同时几乎不影响其应对寒冷的能力。事实上，它在冰冻条件下的表现与传统的石灰石几乎完全一致。
在确定了这一极具前景的候选材料后，团队进一步研究了应该使用多少量。他们测试了混合在沥青中的不同含量的矿渣粉末，以寻找“黄金比例”。他们发现，如果粉末量太少，收益微乎其微。但随着增加量，道路混合物对热的抵抗力会增强。然而，如果投入的量过多，混合物就会失去柔韧性并容易开裂。研究人员确定，理想的范围是用矿渣粉末替换石灰石，使其占总粘结剂体积的百分之三十到百分之四十之间。在这个范围内，道路材料能获得强度与柔韧性的最佳平衡。
除了物理特性，该研究还考察了经济效益。由于煤气化矿渣通常是一种废弃物，因此可以免费或以极低的成本获得，而石灰石则必须经过开采、破碎和运输，这会迅速增加成本。研究人员计算出，对于典型的公路项目，改用这种矿渣可以将填料成本降低一半以上。即使考虑到将矿渣干燥并研磨至合适尺寸的成本，节省的金额依然巨大，每公里的道路可节省数万美元。研究结论指出，这种特定类型的煤气化矿渣不仅是一个理论上的可能性，更是一个切实可行、具有成本效益且高性能的替代方案，为建设更好的道路同时清理工业废料提供了途径。
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