鐵尾礦碎石瀝青混凝土的低溫抗裂性能試驗(yàn)研究

肖 田，李具文，閆利峰，閆曉晨

(1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300392；2.天津高速公路集團(tuán)有限公司，天津 300384)

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)鋼鐵上產(chǎn)大國(guó)，鋼鐵產(chǎn)量世界第一。伴隨著我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，每年因開(kāi)采分選鐵礦石過(guò)程中，剔除的低品位鐵礦碎石的排放數(shù)量多大數(shù)以噸，其存放不僅占用土地，還會(huì)造成環(huán)境污染和安全事故等問(wèn)題。而另一方面，由于自然資源保護(hù)及國(guó)家政策的開(kāi)采限制，公路建設(shè)過(guò)程中比較缺乏碎石材料，如將鐵尾礦碎石用作公路工程建筑材料，可以產(chǎn)生極大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、及環(huán)境效益。

為了將鐵尾礦變費(fèi)為寶，許多科研工作者進(jìn)行了大量的研究。如孫吉書(shū)等人通過(guò)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了石灰粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石的路用性能，明確了鐵尾礦碎石用作公路基層建筑材料的可行性與方法，李德忠等人研究了大摻量鐵尾礦高強(qiáng)混凝土材料的制備的方法，張鐵志等人試驗(yàn)研究了摻入鐵尾礦砂的瀝青混合料的路用性能，這些研究均為將鐵尾礦用作建筑材料奠定了基礎(chǔ)。目前的研究表明，由于鐵尾礦的酸性屬性，其與瀝青的黏附力不如石灰?guī)r和玄武巖，鐵尾礦瀝青混凝土的高溫性能一般較好，而低溫性能有所欠缺。瀝青混合料的低溫抗裂性能一般用劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變表示，本文將通過(guò)低溫彎曲試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，系統(tǒng)考察鐵尾礦碎石瀝青混凝土的低溫抗裂性能規(guī)律，明確鐵尾礦碎石摻量對(duì)瀝青混凝土低溫性能的影響規(guī)律，給出鐵尾礦碎石在粗集料中的含量建議值，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 原材料性質(zhì)

1.1 鐵尾礦碎石

本文采用的鐵尾礦碎石來(lái)自河北省唐山市，其壓碎值為17.5%，其主要成分如表1所示。

表1 瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，將鐵尾礦碎石粉碎成粗集料需要的不同粒徑使用。

1.2 粗集料和細(xì)集料

粗集料采用天津薊縣出產(chǎn)的石灰?guī)r，機(jī)制砂作為細(xì)集料，粗集料的主要工程技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 石灰?guī)r集料的主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 礦粉

本文試驗(yàn)用的礦粉是石灰?guī)r礦粉，試驗(yàn)測(cè)得礦粉的親水系數(shù)為0.72，密度為2.816 g/cm3。

1.4 瀝青

試驗(yàn)采用70#道路石油瀝青，瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

原材料試驗(yàn)結(jié)果表明，本文試驗(yàn)采用的各項(xiàng)原材料均符合相關(guān)規(guī)范的要求。

2 試驗(yàn)方案

2.1 配合比設(shè)計(jì)

本文按照AC-16的面層目標(biāo)級(jí)配進(jìn)行瀝青混合料的礦料配合比設(shè)計(jì)，合成級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 AC-20的合成級(jí)配

根據(jù)規(guī)范的方法進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，確定出最佳油石比為4.7%。

2.2 試驗(yàn)方案規(guī)劃

本次試驗(yàn)的目的就是用鐵尾礦碎石來(lái)替代瀝青混合料中的石灰?guī)r集料，因而在以表4為目標(biāo)配合比進(jìn)行礦料組成設(shè)計(jì)時(shí)，粗集料的各檔材料中，按照0、25%、50%、75%和100%的比例分別用鐵尾礦碎石替換石灰?guī)r碎石，細(xì)集料和礦粉均采用一般材料。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法，劈裂試驗(yàn)采用試件浸泡在30±1 ℃的恒溫水槽中1.5小時(shí)，低溫彎曲試驗(yàn)試驗(yàn)溫度為-10 ℃±0.5 ℃，加載速率均為標(biāo)準(zhǔn)的50 mm/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)條件，分別進(jìn)行不同鐵尾礦碎石含量時(shí)瀝青混合料的低溫彎曲試驗(yàn)，計(jì)算得出彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表5 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從表5的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在粗集料中摻入鐵尾礦碎石之后，瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變均顯著減小，彎曲勁度模量也有減小的趨勢(shì)。相對(duì)于全部石灰?guī)r集料的瀝青混合料而言，以鐵尾礦碎石代替25%、50%、75%和100%的粗集料時(shí)，彎拉強(qiáng)度分別降低了9.76%、19.06%、26.22%和32.61%，最大彎拉應(yīng)變分別降低了5.80%、11.61%、20.56%和23.21%。這主要是由于鐵尾礦碎石具有一定的酸性，其與瀝青之間的黏附力不如瀝青與石灰?guī)r之間的黏附力造成的。

應(yīng)用表5中的數(shù)據(jù)繪出鐵尾礦碎石摻入量對(duì)瀝青混凝土最大彎拉應(yīng)變的影響規(guī)律，如圖1所示。

圖1 瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變隨鐵尾礦碎石摻入量的變化

從表5和圖1的試驗(yàn)結(jié)果可知，在瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，鐵尾礦碎石的摻入量應(yīng)該控制在一定的范圍之內(nèi)，按照低溫彎曲試驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)鐵尾礦碎石的摻入量為50%時(shí)，其最大彎拉應(yīng)變?yōu)? 399 με，略大于規(guī)范要求的2 300 με，而當(dāng)鐵尾礦碎石摻入量大于50%時(shí)，最大彎拉應(yīng)變不能滿(mǎn)足要求，因而，以鐵尾礦代替粗集料中的石灰?guī)r碎石時(shí)，鐵尾礦碎石的摻入量應(yīng)控制在50%以?xún)?nèi)，不得超過(guò)55%。

3.2 劈裂強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果

劈裂強(qiáng)度也是評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗開(kāi)裂性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，為評(píng)價(jià)用鐵尾礦碎石替代部分石灰?guī)r粗集料的瀝青混合料的抗裂性能，進(jìn)行了劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，不同鐵尾礦碎石摻入量情況下瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 劈裂強(qiáng)度隨鐵尾礦碎石摻入量的變化

圖2的試驗(yàn)結(jié)果表明，在摻入鐵尾礦碎石之后，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度會(huì)降低，并且劈裂強(qiáng)度會(huì)隨著鐵尾礦摻入量的增大而明顯降低。以鐵尾礦碎石代替25%、50%、75%和100%的粗集料時(shí)，劈裂強(qiáng)度分別降低了4.7%、8.9%、15.6%和21.5%。同時(shí)，從圖2的試驗(yàn)結(jié)果也可以看出，劈裂強(qiáng)度在鐵尾礦碎石摻入量達(dá)到50%時(shí)，曲線(xiàn)有一個(gè)顯著的“拐點(diǎn)”，鐵尾礦碎石摻量大于50%時(shí)，劈裂強(qiáng)度隨鐵尾礦碎石摻入量的變化斜率增大，因而，以鐵尾礦代替粗集料中的石灰?guī)r碎石時(shí)，鐵尾礦碎石的摻入量應(yīng)控制在50%以?xún)?nèi)。

4 結(jié) 論

為了考察用鐵尾礦碎石代替部分石灰?guī)r集料之后瀝青混合料的低溫抗裂性能，本文通過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)，分析研究了AC-20瀝青混凝土的低溫彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變和劈裂強(qiáng)度規(guī)律，主要結(jié)論如下。

(1)在粗集料中摻入鐵尾礦碎石之后，瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變均顯著減小，彎曲勁度模量也有減小的趨勢(shì)。相對(duì)于全部石灰?guī)r集料的瀝青混合料而言，以鐵尾礦碎石代替25%、50%、75%和100%的粗集料時(shí)，彎拉強(qiáng)度分別降低了9.76%、19.06%、26.22%和32.61%，最大彎拉應(yīng)變分別降低了5.80%、11.61%、20.56%和23.21%。

(2)摻鐵尾礦碎石瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度會(huì)隨著鐵尾礦摻入量的增大而明顯降低。以鐵尾礦碎石代替25%、50%、75%和100%的粗集料時(shí)，劈裂強(qiáng)度分別降低了4.7%、8.9%、15.6%和21.5%。

(3)綜合考慮最大彎拉應(yīng)變和劈裂強(qiáng)度等瀝青混合料的低溫性能指標(biāo)，以鐵尾礦代替粗集料中的石灰?guī)r碎石時(shí)，鐵尾礦碎石的摻入量應(yīng)控制在50%以?xún)?nèi)，以保證瀝青混合料的綜合低溫抗裂性能。