鐵尾礦瀝青混凝土混合料的路用特性研究

程和平 陸 璐

(1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 常州 213164;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

瀝青混凝土是指將具有良好級(jí)配的礦料、水泥、砂石材料以及一定量的路用瀝青，在一定條件下經(jīng)過充分?jǐn)嚢?、混合制成的混凝土，其鋪筑而成的路面具有行車舒適、抗車轍性能好、施工周期短以及養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用低等優(yōu)勢[1]。由于制備原料中瀝青、砂石等屬于不可再生資源，且砂石等自然資源的大量使用會(huì)造成水土流失等環(huán)境問題，故尋找砂石摻料的替代品具有重要的實(shí)際意義[2-3]。

鐵礦石選別過程中產(chǎn)生了大量的固體廢棄物，堆積在尾礦庫不僅是對(duì)資源的浪費(fèi)且易產(chǎn)生環(huán)境污染等問題，嚴(yán)重的還會(huì)造成尾礦壩潰壩等安全事故。目前，已有不少利用選礦固體廢棄物制備混凝土的研究。張寶虎等[4]發(fā)現(xiàn)摻入一定量的鐵尾礦可以有效地提升瀝青混凝土抗車轍能力，且該鐵尾礦瀝青混凝土的低溫抗裂性和水穩(wěn)定性能均可以滿足路用要求;易龍生等[5]對(duì)鐵尾礦的礦物成分和粒度進(jìn)行了分析，進(jìn)而討論了鐵尾礦用于路面基層材料的可行性;RAUL等[6]研究了不同鐵燧巖尾料摻量下瀝青混凝土材料力學(xué)性能和路用性能，發(fā)現(xiàn)適量摻入鐵燧巖尾料可以有效地提升材料的路用性能;張鐵志等[7]研究了不同摻量鐵尾礦對(duì)AC-13C和AC-16C瀝青混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)摻入鐵尾礦的瀝青混合料路用性能要優(yōu)于普通瀝青混凝土。

本研究選取齊大山鐵尾礦為瀝青混凝土摻料來制備鐵尾礦瀝青混凝土，探究不同鐵尾礦摻料下瀝青混凝土的路用性能，進(jìn)而揭示鐵尾礦自身性質(zhì)所引起的路用瀝青混凝土效果差異，最終確定適宜的鐵尾礦砂摻量，為后續(xù)鐵尾礦砂瀝青混凝土的路用提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)原料

1.1 鐵尾礦化學(xué)成分及級(jí)配曲線

采用X射線熒光光譜儀對(duì)齊大山鐵尾礦進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

表1 齊大山鐵尾礦化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of chemical composition of the iron tailings in Qidashan %

由表1可知，試樣中SiO2含量高達(dá)72.01%，屬于高硅型鐵尾礦。

采用篩分分析法得到該鐵尾礦的級(jí)配曲線，結(jié)果見圖1。

圖1 齊大山鐵尾礦級(jí)配曲線Fig.1 Grading curve of the iron tailings in Qidashan

由圖 1可知，該鐵尾礦-1 mm粒級(jí)含量為97.29%，其中+0.5 mm的粒級(jí)含量超過了50%。根據(jù)級(jí)配曲線，計(jì)算得到鐵尾礦砂的不均勻系數(shù)Cu為2.14、曲率系數(shù)Cc為1.31，細(xì)度模數(shù)為1.53，屬于細(xì)砂。由規(guī)范要求可知，該鐵尾礦級(jí)配不良，需要將其與天然砂混合作為制備瀝青混凝土的細(xì)集料。

1.2 瀝青混凝土混合料的基本性能

本研究所采用的瀝青為B級(jí)道路石油瀝青，標(biāo)號(hào)為70#。根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]測定得到該瀝青25℃針入度為67(0.1mm)、10℃延度為73 cm、軟化點(diǎn)為48.0。

細(xì)骨料采用常州正興沙場生產(chǎn)的天然砂，天然砂的表觀密度為2 723 kg/m3，水穩(wěn)定等級(jí)為9.0級(jí)，吸水率為0.67%，含泥量為2.51%，細(xì)度模數(shù)為2.52。

粗骨料選用常州當(dāng)?shù)厮a(chǎn)生的巖石，經(jīng)過破碎后石子的粒徑在5～15mm之間，壓碎指標(biāo)為5.62%，表觀密度為2 795 kg/m3，吸水率為0.25%，與瀝青粘附性為5級(jí)，針片狀顆粒含量為0.53%。

填料選用靈壽縣拓琳礦產(chǎn)品加工廠生產(chǎn)的大理巖巖粉，該巖粉的表觀密度為2 705 kg/m3，親水系數(shù)為0.66%，含水率為0.06%。

1.3 瀝青混凝土配合比

確定油石比為5.3%來制備鐵尾礦瀝青混凝土，具體配合比見表1。其中，鐵尾礦砂摻量為鐵尾礦砂占砂和鐵尾礦砂總質(zhì)量的百分比。

表2 鐵尾礦瀝青混凝土的配合比設(shè)計(jì)Table 2 Mix ratio design of iron tailings asphalt concrete kg/m3

2 試驗(yàn)方法

2.1 軟化點(diǎn)試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》可知，特定試驗(yàn)條件下瀝青混凝土達(dá)到規(guī)定黏度時(shí)的條件溫度為軟化點(diǎn)。

2.2 瀝青混凝土車轍試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》制備出尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的試樣進(jìn)行車轍試驗(yàn)。具體試驗(yàn)步驟為:①試樣成型養(yǎng)護(hù)之后，放在室溫條件下靜置24 h以上;②將試樣放在溫度為602℃的恒溫條件下，開始瀝青混凝土混合料的車轍試驗(yàn);③輪轍的前進(jìn)方向與瀝青混凝土混合料的碾壓方向一致;④車輪在瀝青試樣上往復(fù)循環(huán)試驗(yàn)1 h;⑤記錄下瀝青試樣的車轍深度和動(dòng)穩(wěn)定度。

2.3 低溫抗裂試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》制備出尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的標(biāo)準(zhǔn)長方體，進(jìn)行低溫抗裂試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-10±0.5℃。具體試驗(yàn)步驟為:①將制備好的試樣放入低溫環(huán)境中(恒溫冰箱)靜置大約3 h以上，使得試樣內(nèi)部完全達(dá)到試驗(yàn)溫度;②將試樣取出，安置夾具，并放置在微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上;③以25 mm/min的荷載速率在跨中位置承受集中荷載;④以3 s為時(shí)間間隔保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算最大彎曲應(yīng)變?chǔ)臖和抗彎強(qiáng)度RB。

2.4 老化試驗(yàn)

參照文獻(xiàn)[9-11]，制備出直徑為25 mm、厚度為1mm的試樣，通過老化試驗(yàn)前后的流變性能(動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn))評(píng)價(jià)試樣的老化性能。

2.5 凍融劈裂試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[12-14]制備出尺寸為101.6 mm×(63.5±1.3)mm的試樣進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，采用儀器為馬歇爾電動(dòng)擊實(shí)儀。具體試驗(yàn)步驟如下:①將試樣放在真空條件下保水15min，緊接著將試樣放在常壓狀態(tài)下的水中靜置0.5 h，取出試樣放在裝有水的試驗(yàn)水袋中;②將試樣從水袋中取出后放在-18℃的環(huán)境中靜置24 h，再放在恒溫60℃的水槽中繼續(xù)保溫24 h;③將試樣放在恒溫(25℃)水槽中，保溫時(shí)間為2 h;④采用試驗(yàn)設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)。⑤計(jì)算得出凍融劈裂試驗(yàn)的劈裂強(qiáng)度比TSR。凍融循環(huán)次數(shù)定為 0、1、3、5、7 次。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 軟化試驗(yàn)結(jié)果分析

不同鐵尾礦摻量下試樣軟化點(diǎn)變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 鐵尾礦摻量對(duì)試樣軟化點(diǎn)的影響Fig.2 Influence of iron tailing addition on softening point of the samples

由圖2可知，隨著鐵尾礦摻量的增大，試樣軟化點(diǎn)先增大后趨于穩(wěn)定，且當(dāng)鐵尾礦摻量為20%時(shí)瀝青混凝土混合料的軟化點(diǎn)達(dá)到最大值。相對(duì)于不摻加鐵尾礦的瀝青混凝土混合料而言，摻加鐵尾礦后軟化點(diǎn)得到了大幅度的提升，混合料的高溫穩(wěn)定性得以改善。這是因?yàn)閾郊拥蔫F尾礦與瀝青混凝土混合料的粘附性較好，且摻加鐵尾礦后瀝青混凝土內(nèi)部集料的比表面積增大，可以有效提升瀝青混凝土大部分集料的表面性能;同時(shí)，鐵尾礦可以較好地填充粗集料顆粒之間的嵌擠空隙，進(jìn)而提升了混合料的高溫穩(wěn)定性。

3.2 車轍試驗(yàn)結(jié)果分析

不同鐵尾礦摻量下試樣動(dòng)穩(wěn)定度變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 鐵尾礦摻量對(duì)試樣動(dòng)穩(wěn)定度的影響Fig.3 Influence of iron tailings addition on dynamic stability of the samples

由圖3可知，隨著鐵尾礦摻量的增大，試樣動(dòng)穩(wěn)定度先升高后降低，且當(dāng)鐵尾礦摻量為20%時(shí)瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度最高，達(dá)5 292次/mm。這是因?yàn)殍F尾礦可以使瀝青依附在其表面，增加了集料與瀝青混凝土混合料之間的粘結(jié)力，從而提高了試樣在高溫條件下的抗變形能力，但是隨著鐵尾礦摻量的進(jìn)一步增大，砂中鐵尾礦占據(jù)主導(dǎo)，其不良級(jí)配作用會(huì)影響試樣的動(dòng)穩(wěn)定度。

3.3 低溫抗裂試驗(yàn)結(jié)果分析

不同鐵尾礦摻量下試樣最大彎曲應(yīng)變、抗彎強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 鐵尾礦摻量對(duì)試樣最大彎曲應(yīng)變、抗彎強(qiáng)度的影響Fig.4 Influence of iron tailings addition on maximum bending strain and bending strength of the samples

由圖4可知，隨著鐵尾礦摻量的增大，試樣的最大彎曲應(yīng)變先減小后增大，抗彎強(qiáng)度逐漸增大。最大彎曲應(yīng)變值在鐵尾礦摻量為30%時(shí)達(dá)到了最低，且此時(shí)試樣的性能仍基本能夠滿足路面性能的要求。這說明了鐵尾礦的摻加使得瀝青混凝土混合料逐漸變硬，且鐵尾礦的含量越多瀝青混凝土在低溫下越容易發(fā)生開裂。

3.4 老化試驗(yàn)結(jié)果分析

不同鐵尾礦摻量下試樣的抗車轍因子比的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 鐵尾礦摻量對(duì)試樣抗車轍因子比的影響Fig.5 Influence of iron tailings addition on anti-rutting factor ratio of the samples

由圖5可知，隨著鐵尾礦摻量的增大，試樣的抗車轍因子先增大后略微降低，且在鐵尾礦摻量為20%時(shí)達(dá)到最大值。這是因?yàn)殍F尾礦內(nèi)部含有大量的氧化金屬礦物，當(dāng)鐵尾礦與瀝青混合形成瀝青混凝土后，瀝青混凝土中的酸性物質(zhì)會(huì)與鐵尾礦中堿性物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而在瀝青和鐵尾礦之間形成了較強(qiáng)的化學(xué)黏性力。但是當(dāng)鐵尾礦摻量過量時(shí)，隨著鐵尾礦含量的增加，大粒徑的鐵尾礦在瀝青混凝土中出現(xiàn)堆疊、小粒徑的鐵尾礦出現(xiàn)了結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象，使得鐵尾礦與瀝青的相互作用變?nèi)?，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)減少，難以發(fā)揮鐵尾礦的吸附作用，進(jìn)而導(dǎo)致其抗車轍因子性能指標(biāo)下降。

3.5 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果分析

不同鐵尾礦摻量下試件的凍融劈裂強(qiáng)度比的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 鐵尾礦摻量對(duì)試件凍融劈裂強(qiáng)度比的影響Fig.6 Influence of iron tailings addition on freeze-thaw splitting strength ratio of the sampls

由圖6可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的劈裂強(qiáng)度比逐漸降低，這說明了凍融循環(huán)作用可以削弱瀝青混凝土抵抗外界荷載的變形能力和降低瀝青混凝土的承載力。當(dāng)瀝青混凝土中含有大量水分時(shí)，將瀝青混凝土試樣放在低溫環(huán)境進(jìn)行凍結(jié)后，試樣孔隙內(nèi)部中水分會(huì)由液態(tài)水變?yōu)楣虘B(tài)冰。同時(shí)，由于固態(tài)冰的體積要遠(yuǎn)大于液態(tài)水的體積，故當(dāng)固態(tài)冰充填在瀝青試樣內(nèi)部孔隙中，便會(huì)使得瀝青試樣產(chǎn)生了體積膨脹，破壞了瀝青試樣內(nèi)部原有的微觀結(jié)構(gòu)，最終表現(xiàn)為瀝青試樣強(qiáng)度的降低。在同一凍融循環(huán)次數(shù)作用下，隨著鐵尾礦摻量的增大，瀝青試樣的劈裂強(qiáng)度比呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。這是由于適量摻加鐵尾礦可以增強(qiáng)瀝青與集料之間的粘結(jié)性，鐵尾礦中的金屬氧化物可以與瀝青中的酸性物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生難以溶解的鈣質(zhì)或硅質(zhì)鹽物質(zhì)，該類鈣質(zhì)或硅質(zhì)鹽物質(zhì)具有良好的強(qiáng)度以及抵抗變形的能力，可以有效提升鐵尾礦瀝青混凝土抵抗變形的能力。

4 結(jié) 論

(1)隨著鐵尾礦摻量的增大，試樣軟化點(diǎn)先增大后趨于穩(wěn)定，鐵尾礦摻量為20%時(shí)瀝青混凝土混合料的軟化點(diǎn)達(dá)到最大值。

(2)隨著鐵尾礦摻量的增大，試樣動(dòng)穩(wěn)定度先升高后降低，鐵尾礦摻量為20%時(shí)瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度最高，達(dá)5 292次/mm。

(3)隨著鐵尾礦摻量的增大，試樣的最大彎曲應(yīng)變先減小后增大，抗彎強(qiáng)度逐漸增大;最大彎曲應(yīng)變值在鐵尾礦摻量為30%時(shí)達(dá)到了最低，且此時(shí)試樣的性能基本能夠滿足路面性能的要求。

(4)隨著鐵尾礦摻量的增大，試樣的抗車轍因子先增大后略微降低，鐵尾礦摻量為20%時(shí)達(dá)到最大值。

(5)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的劈裂強(qiáng)度比逐漸降低;在同一凍融循環(huán)次數(shù)作用下，隨著鐵尾礦摻量的增大，瀝青試樣的劈裂強(qiáng)度比呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。