鐵尾礦砂石骨料瀝青混凝土性能研究*

張寶虎 余天航 韓先瑞 李春明

(天津市公路工程總公司1) 天津 300201) (河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院2) 天津 300401)

0 引 言

伴隨我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，鐵礦石經(jīng)過提煉后產(chǎn)生的尾礦在工業(yè)固體廢棄物中占的比例越來越大.鑒于目前我國關(guān)于鐵尾礦回收技術(shù)有限，鋼鐵企業(yè)大多采取建立鐵尾礦庫以堆存的方式處置[1].據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國累計(jì)生產(chǎn)尾礦超過100億t，其中堆存的鐵尾礦量占全部尾礦堆存總量的近1/3[2].鑒于回收及生產(chǎn)技術(shù)有限，我國尾礦綜合利用率僅為7%[3].鐵尾礦作為工業(yè)固體廢物，帶來的問題包括對環(huán)境的污染、生態(tài)平衡的破壞、堆存占用土地,以及造成資源浪費(fèi)等.將鐵尾礦應(yīng)用到公路建設(shè)中既是一種處理尾礦的新方式，也可以減輕石料開采過度、天然骨料不足的壓力.國內(nèi)專家學(xué)者對此方向深入研究，并取得一些顯著成果，楊青等[4-6]分別用無機(jī)結(jié)合料、二灰、加筋等方式穩(wěn)定鐵尾礦，滿足現(xiàn)行規(guī)范對道路基層的要求.張鐵志等[7]采用體積法設(shè)計(jì)摻加7%鐵尾礦砂瀝青混凝土，并通過試驗(yàn)研究表明鐵尾礦砂代替?zhèn)鹘y(tǒng)細(xì)集料的可行性.

文中采用取自冀東地區(qū)的鐵尾礦砂石材料設(shè)計(jì)瀝青混凝土，并設(shè)置采用常規(guī)石灰?guī)r集料設(shè)計(jì)的瀝青混合料作對照組，通過試驗(yàn)分析研究鐵尾礦砂石骨料瀝青混凝土和對照組的各項(xiàng)路用性能.

1 材料特性

1.1 鐵尾礦

鐵尾礦取自河北唐山，采用ICP-MS質(zhì)譜儀對其化學(xué)組分進(jìn)行定量分析，結(jié)果見表1.由表1可見，所取的鐵尾礦化學(xué)組分中SiO2的含量達(dá)到70.98%，屬高硅型鐵尾礦.

表1 鐵尾礦化學(xué)組分含量

將鐵尾礦根據(jù)選礦廠選礦工藝及粒徑大小分兩種：①粗選后排出的大粒徑鐵尾礦石，粒徑范圍為5～30 mm，通過碎石機(jī)簡單破碎處理，采用關(guān)鍵篩孔16，9.5及4.75 mm按粒徑大小分粗集料10～15，5～10及細(xì)集料0～5 mm三類，擬作瀝青混合料骨料；②研磨細(xì)選后的鐵尾礦砂，粒徑<0.3 mm，擬替代部分礦粉作填料.通過SEM觀察其表面紋理，鐵尾礦石放大200倍后的二次電子成像顯示，破碎后的鐵尾礦石無明顯孔隙，結(jié)構(gòu)致密程度很高.鐵尾礦砂500倍掃描電鏡成像顯示鐵尾礦砂顆粒形狀呈不規(guī)則立體狀或片狀等；放大3 000倍后，發(fā)現(xiàn)許多較小的顆粒附著在較大顆粒上，這是由于選礦過程中研磨形成.

鐵尾礦材料相較于常規(guī)瀝青混合料用的集料除有價(jià)金屬元素略高外，無其他明顯區(qū)別，具備替代常規(guī)集料的條件.有價(jià)金屬元素由于其活性較強(qiáng)，在研究過程中尤其注重其混合料的水穩(wěn)定性.

1.2 集料與礦粉

1.2.1粗集料

本研究選用的粗集料分兩種，①前述鐵尾礦石破碎處理后通過關(guān)鍵篩孔篩選的>10～15，5～10 mm粒徑的兩檔；②取自瀝青拌和站的石灰?guī)r粗集料，同樣根據(jù)粒徑分>10～15,5～10 mm兩檔.依據(jù)文獻(xiàn)[8]中對瀝青混合料用粗集料的要求，對上述兩種粗集料各項(xiàng)物理指標(biāo)進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果表明，鐵尾礦石粗集料和石灰?guī)r粗集料所檢項(xiàng)目符合文獻(xiàn)[9]關(guān)于高速公路及一級公路瀝青混合料用粗集料質(zhì)量技術(shù)要求.具體的試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 粗集料技術(shù)性質(zhì)

1.2.2細(xì)集料

同樣，細(xì)集料也分鐵尾礦石破碎后篩選的0～5 mm粒徑和拌和站所取的0～5 mm粒徑機(jī)制砂.對兩種細(xì)集料的密度及砂當(dāng)量等項(xiàng)目進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果見表3.試驗(yàn)結(jié)果表明，石灰?guī)r質(zhì)細(xì)集料所檢項(xiàng)目符合高速公路及一級公路瀝青混合料用細(xì)集料質(zhì)量技術(shù)要求.

表3 細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)

1.2.3礦粉與鐵尾礦砂

鐵尾礦砂為選礦廠經(jīng)研磨細(xì)選后直接排入尾礦庫的極細(xì)砂，最大粒徑小于0.3 mm.礦粉選用石灰?guī)r質(zhì)礦粉，產(chǎn)地薊縣.對兩種材料的密度、粒度范圍及親水系數(shù)等項(xiàng)目進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 礦粉與鐵尾礦砂技術(shù)性質(zhì)

試驗(yàn)結(jié)果表明，鐵尾礦砂親水系數(shù)大于1，表現(xiàn)為親水性；通過水洗法篩分試驗(yàn)，測出其粒徑小于0.075 mm的顆粒占比58.3%，該鐵尾礦砂不能作為填料完全替代礦粉，故在本研究中鐵尾礦砂的摻量比例控制在2%.

1.3 瀝青

本試驗(yàn)所用瀝青統(tǒng)一采用SBS(I-D)改性瀝青，按照文獻(xiàn)[9]要求對瀝青的規(guī)定項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)檢測，試驗(yàn)結(jié)果見表5.

表5 SBS(I-D)改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果

2 配比與成型

2.1 礦料級配

所有礦料均按文獻(xiàn)[8]要求進(jìn)行水洗法篩分，采用圖解法確定礦料合成級配.采用AC-13C型級配，根據(jù)礦料不同設(shè)計(jì)了三組AC-13C型級配，級配組成表見表6，由于控制變量僅為試驗(yàn)材料屬性不同，可以發(fā)現(xiàn)三組混合料同一篩孔的通過率基本接近.其中A組為對照組，集料采用石灰?guī)r質(zhì)集料，填料為石灰?guī)r質(zhì)礦粉；B組為試驗(yàn)組，粗集料部分全部用鐵尾礦石代替，細(xì)集料部分鐵尾礦石細(xì)集料與石灰?guī)r質(zhì)機(jī)制砂各占比20%，鐵尾礦石集料占比75%；C組為試驗(yàn)組，粗細(xì)集料采用石灰?guī)r質(zhì)集料，填料部分鐵尾礦砂摻量2%，礦粉3%.

表6 三組AC-13C型混合料級配組成

2.2 最佳油石比

采用馬歇爾體積法設(shè)計(jì)瀝青混合料，選用4.2%,4.5%,4.8%,5.1%,5.4%五個(gè)油石比成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，通過測定馬歇爾體積參數(shù)及馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)確定最佳油石比.最終確定三組AC-13C型級配的最佳油石比分別為5.0%，4.9%，5.0%.三組混合料在最佳油石比條件下成型馬歇爾，其體積參數(shù)和馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果見表7.

表7 三組混合料最佳油石比馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知，三組AC-13C型瀝青混合料在最佳油石比下馬歇爾試件體積指標(biāo)和馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果均在現(xiàn)有規(guī)范的技術(shù)要求范圍內(nèi).

2.3 試驗(yàn)成型

實(shí)驗(yàn)室制混合料試件包括馬歇爾試件(直徑101.6 mm×高63.5 mm)，車轍試件(300 mm×300 mm×50 mm)和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件(直徑150 mm×高170 mm).試驗(yàn)過程中SBS改性瀝青加熱溫度為160 ℃，集料加熱至180 ℃，并保溫4h.拌和過程中先將集料混合攪拌60 s，倒入瀝青再拌和30 s，最后加入礦粉拌和90 s至混合料均勻；成型溫度170 ℃.

3 路用性能試驗(yàn)

3.1 高溫性能試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[10]對三組AC-13C型瀝青混合料進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)，共進(jìn)行四組平行試驗(yàn)，最后取其平均值.試驗(yàn)溫度為60 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見表8.由于采用了SBS改性瀝青，三組混合料均表現(xiàn)了非常好的高溫性能.

表8 車轍試驗(yàn)結(jié)果

3.2 低溫性能試驗(yàn)

瀝青混合料的低溫性能測試采用低溫彎曲試驗(yàn)所測的混合料破壞時(shí)產(chǎn)生的最大彎拉應(yīng)變表征.低溫彎曲試驗(yàn)的試件采用輪碾成型的車轍試件切割成長250 mm，寬30 mm，高35 mm的小梁；在-10 ℃條件下保溫4 h，以50 mm/min的加載速率施壓直至破壞.對三組AC-13C型混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，每組做四次平行試驗(yàn)，取其平均值.試驗(yàn)結(jié)果見表9.

表9 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表9可知，A組和C組試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變略大于B組，而A組和C組之間數(shù)值十分接近，表明高摻量的鐵尾礦石瀝青混合料低溫性能相較普通瀝青混合料會有所降低，而2%鐵尾礦砂的摻入不會影響瀝青混合料的低溫性能，且三組混合料均滿足現(xiàn)有規(guī)范技術(shù)要求.

3.3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

鐵尾礦砂親水系數(shù)試驗(yàn)表現(xiàn)為親水性，故在水穩(wěn)定性檢測中采用了國內(nèi)常用的凍融劈裂試驗(yàn)和國外比較成熟的漢堡車轍試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法.

3.3.1凍融劈裂試驗(yàn)

在試驗(yàn)室規(guī)定的條件下通過凍融循環(huán)，充分模擬水侵蝕瀝青混合料后的水損壞，通過測定馬歇爾試件在水損害前后的凍融劈裂強(qiáng)度比TSR，評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性.三組AC-13C型混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見表10.

表10 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

三組混合料的TSR值均大于80%，滿足現(xiàn)行規(guī)范技術(shù)要求；A組和C組更是超過了94%，B組略低于另兩組，TSR值為88.7%.表明高摻量鐵尾礦石的瀝青混合料水穩(wěn)定性相較于常規(guī)瀝青混合料會有所下降，而2%鐵尾礦砂的摻入不會影響其水穩(wěn)定性.

3.3.2漢堡車轍試驗(yàn)

凍融劈裂試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬浸水后混合料的水損壞，屬于靜態(tài)測試方法，并未模擬交通荷載作用下瀝青混合料的水穩(wěn)定性.由于漢堡車轍荷載應(yīng)力引起的動水壓力和高速水流對瀝青和礦料的界面進(jìn)行反復(fù)沖擊，使瀝青與集料之間的粘附能力減弱，加速瀝青膜的剝落；同時(shí)由于水的存在使得瀝青混合料的原生裂縫不斷擴(kuò)大，進(jìn)一步破壞瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)的整體性.較為真實(shí)的模擬了道路在實(shí)際使用情況下，雨水沖刷侵蝕和交通荷載等的綜合作用對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響.國外的研究普遍證明，漢堡車轍試驗(yàn)是評價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的重要試驗(yàn)方法[11-12].因此本研究采用漢堡車轍試驗(yàn)來評估三組AC-13C型瀝青混合料試件的抗水損害能力.

參照文獻(xiàn)[10]，采用SGC(旋轉(zhuǎn)壓實(shí))成型直徑×高度=150 mm×170 mm試件，切割成高度(62±2)mm的兩個(gè)圓柱形試件，并將兩個(gè)試件中每一個(gè)切去小弓形后組合成一組試件，以適應(yīng)試驗(yàn)的塑料模具，見圖1.放完試件，向儀器注水，液面高度應(yīng)高于試件表面10 mm以上，見圖2.按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為50 ℃，試驗(yàn)結(jié)束得到車轍深度圖、蠕變斜率、剝落斜率及剝落反彎點(diǎn)等指標(biāo).其中，在壓實(shí)初始階段，車轍深度變化較小且趨于穩(wěn)定，水還未侵入到混合料內(nèi)部，鋼輪每碾壓一次產(chǎn)生的車轍深度即為蠕變斜率；當(dāng)混合料經(jīng)過一定的碾壓次數(shù)后，水侵蝕帶來的影響越來越嚴(yán)重，相應(yīng)的車轍深度變化急劇增大，此時(shí)，鋼輪每碾壓一次產(chǎn)生的車轍深度即為剝落斜率；在車轍深度圖上，蠕變斜率和剝落斜率交點(diǎn)所對應(yīng)的碾壓次數(shù)即為剝落反彎點(diǎn)(SIP)，該點(diǎn)為漢堡車轍試驗(yàn)評價(jià)混合料水穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，該點(diǎn)對應(yīng)的碾壓次數(shù)越大，表明剝落越不容易發(fā)生，混合料的水穩(wěn)定性越好，反之則表明混合料水穩(wěn)定性越差.對三組AC-13C型瀝青混合料漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果見表11.

圖1 漢堡車轍試件模具及尺寸(單位：mm)

圖2 漢堡車轍試驗(yàn)

由表11可知，三組混合料剝落點(diǎn)次數(shù)(SIP)均在10 000次以上，B組SIP值最小，表面B組水穩(wěn)定性稍遜于另外兩組，C組SIP值高于A組，表明鐵尾礦砂的摻入對混合料水穩(wěn)定性基本無影響，這與凍融劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)保持較好的相關(guān)性.另根據(jù)蠕變斜率的定義，通過數(shù)值換算，蠕變斜率可轉(zhuǎn)換為表征路面抵抗車轍能力的動穩(wěn)定度(DS)，蠕變斜率越小，表明該混合料抵抗車轍變形能力越強(qiáng)，由表中數(shù)據(jù)可知，鐵尾礦瀝青混合料B組和C組抵抗車轍變形能力要好于普通石灰?guī)r集料瀝青混合料A組.

4 結(jié) 論

1) 從鐵尾礦砂石材料的化學(xué)組分、物理性能指標(biāo)看，其與普通集料無明顯差別，可以替代普通集料作為瀝青混合料的骨料使用.

2) 從鐵尾礦砂的粒徑范圍看，其粒徑小于普通細(xì)集料，略大于礦粉；可在混合料中部分替代礦粉，但要注意級配曲線上滿足0.075 mm的最小通過率.

3) 車轍試驗(yàn)表明75%摻量的鐵尾礦石瀝青混合料與普通石灰?guī)r集料瀝青混合料在高溫性能方面無明顯差別，漢堡車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明鐵尾礦石瀝青混合料抵抗車轍變形能力強(qiáng)于普通瀝青混合料；摻鐵尾礦石的瀝青混合料低溫性能略低于普通瀝青混合料，但滿足現(xiàn)行規(guī)范技術(shù)要求；凍融劈裂試驗(yàn)和漢堡車轍試驗(yàn)表明，鐵尾礦瀝青混合料水穩(wěn)定性相較于普通瀝青混合料會有所降低，但可以滿足現(xiàn)行規(guī)范技術(shù)要求.

4) 鐵尾礦砂石材料作為工業(yè)固體廢物，將其簡易加工應(yīng)用到瀝青混合料中，不僅能緩解天然骨料不足的矛盾，還能解決廢棄鐵尾礦砂石占用土地資源、污染環(huán)境的問題，預(yù)期還可以產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益.