用赤泥和粉煤灰制备沥青混合料的环境潜力

文 |黛月白

编辑 |黛月白

引言

沥青混合料是现代道路建设的重要材料，它不仅具有优异的性能，而且能够有效地承受交通负荷和自然环境的影响。

然而，传统的沥青混合料主要依赖于沥青和天然骨料的开采与生产，这些过程会产生大量的环境污染和碳排放，因此，寻找一种替代材料以减轻环境负担，成为了亟待解决的问题。

赤泥和粉煤灰的环境问题及替代应用研究

赤泥和粉煤灰，都是工业生产过程中产生的残留物，它们的碱性特性，限制了它们大规模应用的可能性。

虽然有一些研究，探索了赤泥和粉煤灰在建筑材料、陶瓷、砖块、瓷砖、水泥和道路路面层等领域的应用，但最终它们往往还是被送往工业垃圾填埋场。

赤泥和粉煤灰在垃圾填埋场中会造成严重的环境问题，因为它们会释放出有害化合物，并对周围区域的植被、地下水、空气质量以及温室气体排放造成影响。

为了减少这些残留物对环境的影响，研究者们在过去几十年里，已经进行了许多关于赤泥和粉煤灰替代应用的研究。

印度、希腊、澳大利亚和巴西等国家的研究人员，评估了在路面结构中使用这些残留物的可能性，研究人员强调，任何残留物的应用都必须在质量、性能、成本和风险等方面具备竞争力，赤泥和粉煤灰的碱性特性限制了它们在大规模应用中的使用。

目前，它们主要被送往工业垃圾填埋场，为了减少对环境的影响，研究人员已经进行了替代应用的研究，但任何特定的应用都需要考虑多个因素，包括质量、性能、成本和风险。

在该研究中，研究人员评估了，四种不同填料组成的沥青混合料，在沥青生产过程中的环境潜力，这些填料包括石灰石、白云石、赤泥和粉煤灰。

研究人员的主要目标是：评估残留物对沥青生产的影响，并考虑对其是否进行预处理。

由于填埋是残留物的一种常见处理方式，因此，这种情况也被纳入了分析中，实验室根据每种沥青混合料的最佳沥青含量，设计了原材料用量、热量、能耗。

模拟残留物的数据集来自Ecoinvent数据库，沥青混合料由沥青、花岗岩骨料和填料组成，为了避免分析差异，所有混合物使用的填料量均预定义为7%，以满足4%的空隙率，并根据所使用填料的孔隙率进行调整。

沥青厂位于巴西南部，采用间歇式搅拌站工艺，每年生产约310,000吨沥青混合料，使用重质燃料油进行加热，矿物骨料和填料在110°C下预热，然后与沥青混合物在平均温度160°C下进行搅拌。

赤泥组成的沥青混合料仅在实验室中研究过，还未在工业规模上应用，这是因为赤泥被认为是危险材料，并需要进一步进行环境分析，例如沥青混合物的浸出实验。

由于处理赤泥的复杂性，迄今为止测试的处理方法，要么不够有效，要么成本较高。

为了降低赤泥的碱度，并允许将其用作沥青混合料的填料，而不会对环境造成伤害，在该研究中，研究人员模拟了预处理场景，这包括通过水洗去除尽可能多的烧碱，然后尽可能将残留物干燥和粉碎。

处理粉煤灰的常见方法是填埋，或在经过惰化处理后将其用作辅助材料，在许多惰化处理过程中，粉煤灰通常经过热处理，以捕获重金属并减少有机污染物。

在这项研究中，粉煤灰和赤泥，被视为另一个初级过程中产生的二次材料，在它们产生之前的所有环境影响都归因于初级系统，研究人员建立了三种不同情景的模型，并比较在沥青混合料生产中，使用处理或未处理的残留物所产生的环境效应。

在第一种情景中，研究人员对残留物进行了处理，然后再生产沥青混合料，对赤泥进行了洗涤、干燥和粉碎处理，而粉煤灰则接受了热处理，这两种处理过程都发生在产生残留物的同一地点。

第二种情景忽略了残留物的处理，因为在沥青生产过程中，这两种残留物被认为是惰性的，并且完全被沥青覆盖，在这种情况下，残留物直接从原始发电地点运输到沥青厂。

第三种情景模拟了，将残留物存放在原始发电地点附近的垃圾填埋场，研究人员采用的功能单位是1公斤沥青混合料，用于表示沥青厂的生产。

研究中的所有材料，都是使用四轴卡车进行运输，该卡车的重量约为14吨，最大载重量为26吨，以柴油作为燃料，空车时的燃料消耗约为0.18升/公里，满载时的燃料消耗约为0.32升/公里。

所有的输入和输出数据，都是使用SimaPro9.0软件和Ecoinvent3.5数据库进行建模的。

矿物骨料使用了碎石数据集进行建模，沥青混合料中使用的参考填料，是使用铣削石灰石和白云石的数据集，并应用了相应的Ecoinvent数据集。

赤泥使用了铝土矿消化残渣的数据集进行建模，并结合了未经处理的赤泥数据集以及洗涤、干燥和粉碎的数据集。

这些数据集来自于数据库中的不同操作，粉煤灰使用了，粉煤灰和洗涤器污泥的数据集进行建模，Ecoinvent中提供了处理和未处理的选项，以及赤泥和粉煤灰填埋的数据集。

赤泥和粉煤灰对制备沥青混合料的环境影响

在研究中，研究人员发现，使用石灰石和白云石制造的沥青混合料对环境的影响，与使用赤泥和未经处理的粉煤灰制造的沥青混合料的影响，这两种影响几乎相当。

研究人员还发现，对赤泥进行洗涤、干燥和破碎等处理，不会显著增加由赤泥制造的沥青混合料的环境影响。

在评估酸化和全球变暖方面，研究人员发现，经过处理的粉煤灰制造的沥青材料所产生的环境影响最大，只有在使用高度影响的处理方法时，将少量填料添加到沥青混合料中，才会对生产过程的环境产生实质性影响。

在所有情景中，将两种残留物填埋的环境潜力最低，换句话说，与将残留物用作填料来制造沥青混合料相比，将残留物储存对环境的影响更小。

研究仅关注了从原材料采购到沥青厂成品的生命周期，需要进一步研究包括路面使用，和废弃等所有生命周期阶段的影响。

研究人员的研究仅考虑了巴西地理边界的情况，从而增加了供应商与沥青厂之间的距离，这会增加使用残留物对环境的影响，不同情况下的环境影响可能会有所不同。

研究人员将nr-CED的环境影响按不同类别进行了分析，考虑了沥青生产过程中，混合物的原材料以及工艺的影响。

研究人员还提供了，考虑酸化和GWP指标的类似类别的图表，这些图表以ACFA-T值为基础，显示了最高的环境影响值，这其中，沥青混合料在不可再生能源消耗方面的影响约为16%，在酸化方面约为40%，在温室气体方面约占30%。

沥青，是nr-CED沥青混合料生产环境负担的主要原因，这是由于其提取和制造过程需要大量能源和资源，另一方面，通过处理残留物，粉煤灰在nr-CED方面贡献了与沥青混合料AC30FA生产相关的环境负担的16%。

将粉煤灰进行热处理，对酸化和GWP指标的环境影响在60-80%之间，焚烧过程会产生各种污染物，并排放到大气中，对人类健康有害。

由此，粉煤灰的沥青混合料在生产过程中所带来的影响，显著增加，即使残留物的含量仅为7%。

赤泥的处理模型，对赤泥沥青混合料的影响并不显著，但赤泥的使用增加了运输的影响，而使用化石燃料生产能源，会产生更多二氧化碳作为副产品，并被海水和土壤吸收，降低pH值并增加酸性。

垃圾填埋过程对环境的影响最小，但需要注意的是，从焚烧过程中回收的能量被重新利用，处理残留物的总体环境影响可能与垃圾填埋相当。

在某些国家，未经处理的残留物不能被倾倒到垃圾填埋场，因为在这种情况下，将残留物直接倾倒到填埋场，会比将其用于建筑目的所产生更大的负面环境影响。

焚烧过程中，重金属的排放受多种因素影响，比如焚烧炉的类型、残留物的来源和组成以及燃烧温度。

尽管结果显示，与热处理相关的环境负担较高，但一些研究表明与垃圾填埋场相比，这种做法可以被认为是一种环保选择，因为垃圾填埋导致土地长期被非生产性使用。

除了使用经过处理的粉煤灰沥青混合料外，在没有残留物的情况下，沥青材料的生产，都呈现出类似的环境影响负担，使用残留物生产沥青混合料，可以减少原材料使用对环境所产生影响。

赤泥作为一种工业废弃物，可以通过回收和利用，来减少其对环境的负面影响，赤泥处理的过程包括洗涤、干燥和破碎，这些步骤能够减少赤泥中的有害物质含量，并提高其可用性。

使用经过处理的赤泥来制备沥青混合料，相比于传统的方式，能够减少对天然资源的需求，降低开采活动对环境造成的损害。

粉煤灰作为燃煤过程中的副产品，也可以通过回收再利用来降低其对环境的负荷。

粉煤灰可以用于混合沥青，从而减少对新鲜石料的需求量，这不仅能够节约天然资源，还能减少挖掘和加工的能源消耗，同时还能减少固体废弃物的产生，从而降低对垃圾填埋场的需求。

在环境方面，使用赤泥和粉煤灰制备沥青混合料，可以减少碳排放量，相比于传统的沥青混合料，其中的石油沥青部分，通常是通过化石燃料的提炼得到的，会产生大量的二氧化碳，而赤泥和粉煤灰的利用可以替代一部分石油沥青，从而减少二氧化碳的释放。

粉煤灰作为副产品的利用，还可以减少燃煤过程中，产生的二氧化硫和氮氧化物等有害气体的排放量，在使用赤泥和粉煤灰制备沥青混合料时，对原材料的处理过程也会产生一定的能源消耗和环境影响。

特别是粉煤灰的热处理过程，也会产生污染物的排放，对空气质量和人类健康造成潜在威胁，因此，在制备沥青混合料时，应该采取适当的环保措施，减少对大气和水体的污染，由此可以看出，使用赤泥和粉煤灰制备沥青混合料具有一定的环境潜力。

通过回收和再利用工业废弃物，可以减少对天然资源的需求和开采活动对环境的损害，利用粉煤灰还能够减少二氧化碳和其他有害气体的排放。

为了最大程度地发挥环境潜力，需要在原材料的处理和利用过程中采取有效的环保措施。

结语

赤泥和粉煤灰作为废弃物资源的再利用，为沥青混合料的制备，带来了新的环境友好型解决方案。

通过合理的配比和生产工艺，可以充分发挥赤泥和粉煤灰的有益特性，提高混合料的性能和道路的使用寿命，同时减少环境污染和碳排放，这一研究为可持续道路建设提供了新的思路和选择，有望为未来的城市交通发展做出积极贡献。

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