黃鉀鐵礬作為替代填料對(duì)瀝青混合料性能的影響

凌日東

(廣西長(zhǎng)長(zhǎng)路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

瀝青混合料主要由集料和瀝青組成，集料中填料的物理和化學(xué)特性，會(huì)顯著影響瀝青混合料的性能[8-9]。黃鉀鐵礬(Jarosite，JS)是在鋅冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物。我國(guó)產(chǎn)生的黃鉀鐵礬堆存量超過(guò)3 500萬(wàn)t，并以每年超過(guò)100萬(wàn)t的速度增長(zhǎng)[10]。黃鉀鐵礬因存在有毒元素和酸性而無(wú)法得到妥善處理[11]，因此，本文擬通過(guò)將黃鉀鐵礬作為瀝青混合料填料，并與礦粉(SD)、消石灰(HL)和粉煤灰(FA)進(jìn)行比較，根據(jù)馬歇爾體積參數(shù)、水穩(wěn)定性能、高溫穩(wěn)定性能、疲勞性能、抗剝落性能和回彈模量等試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)黃鉀鐵礬的影響和其作為填料的可行性。

1 原材料與配合比設(shè)計(jì)

1.1 集料

本研究所用集料物理性質(zhì)如表1所示。

表1 集料物理性質(zhì)表

1.2 填料

本研究使用了4種不同的填料，所有填料的篩分結(jié)果和物理化學(xué)性質(zhì)如表2、表3所示。研究采用德國(guó)填料值[12]作為填料孔隙率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，德國(guó)填料值越小表明填料孔隙率越高。

表2 填料篩分結(jié)果表

表3 填料物理化學(xué)性質(zhì)表

1.3 瀝青

本研究所用瀝青為70#瀝青，相應(yīng)的物理性能如下頁(yè)表4所示。

表4 70#瀝青性能參數(shù)表

1.4 配合比設(shè)計(jì)

礦料級(jí)配設(shè)計(jì)采用連續(xù)級(jí)配AC-13C的設(shè)計(jì)要求，混合料的級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 混合料級(jí)配曲線圖

2 填料類型對(duì)混合料性能的影響試驗(yàn)研究

2.1 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5可知，JS混合料馬歇爾穩(wěn)定度最高，其次是HL、FA和SD。這是因?yàn)镴S和HL均具有更高的孔隙率和比表面積，形成膠漿時(shí)可以增強(qiáng)與瀝青的粘結(jié)作用。填料細(xì)度對(duì)于混合料的性能也存在影響，較細(xì)的填料具有改善效果。瀝青膜厚度對(duì)抗車轍性能和抗水損害性能有顯著影響，8～15μm厚度的瀝青膜可以提供較好的抗車轍性能和抗水損害性能[13]。

表5 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表

2.2 水穩(wěn)定性

采用凍融前后的平均間接抗拉強(qiáng)度之比計(jì)算抗拉強(qiáng)度比(TSR)；采用水煮法評(píng)價(jià)集料瀝青之間的粘附性。試驗(yàn)結(jié)果分別如圖2、圖3所示。

圖2 水穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果柱狀對(duì)比圖

圖3 粘附性試驗(yàn)結(jié)果柱狀對(duì)比圖

由圖2可知，JS混合料的TSR值幾乎與HL混合料相當(dāng)，這是因?yàn)镴S中含有大量的赤鐵礦形式的鐵，使集料呈堿性從而提高瀝青集料之間的抗水損害能力。

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由圖3可知，所有混合料均表現(xiàn)出良好的粘附性(>85%)，其中含HL的混合料粘附性最高，其次是JS、SD和FA填料。JS的裹覆瀝青保留率也達(dá)到了97.5%，這可能是由于JS具有較大的比表面積，表面會(huì)吸收更多的瀝青而導(dǎo)致其較高的粘附性。

2.3 高溫穩(wěn)定性

車轍試驗(yàn)是評(píng)價(jià)瀝青混合料抵抗高溫變形的常用試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

圖4 車轍試驗(yàn)結(jié)果示意圖

圖5 車轍試驗(yàn)結(jié)果與德國(guó)填料值線性擬合圖

由圖4～5可知，JS混合料的最大車轍變形量分別比SD、FA和HL降低了24%、17%和8%；動(dòng)穩(wěn)定度較SD、FA和HL分別提高了32%、22%和9%。由此可知，JS混合料具有較小的車轍變形量和較高的動(dòng)穩(wěn)定度。填料的孔隙率與瀝青混合料的車轍阻力呈良好的線性擬合關(guān)系，JS作為替代填料的高溫性能優(yōu)于其他填料，即含有多孔填料的混合料具有良好的抗車轍性能。

2.4 疲勞性能

在多個(gè)應(yīng)變水平下進(jìn)行試驗(yàn)，有助于比較類似應(yīng)變水平下瀝青混合料的疲勞壽命和分析疲勞壽命的敏感性，如圖6所示。

圖6 疲勞壽命隨應(yīng)變水平變化曲線圖

由圖6可知，含SD的瀝青混合料疲勞壽命最高，其次是FA、HL和JS。在較高的應(yīng)變水平下，填料類型對(duì)瀝青混合料疲勞性能的影響更為顯著。含JS和HL的混合料具有較低的疲勞壽命和較高的應(yīng)變敏感性，這是由于其表面積大且瀝青膜厚度較高，導(dǎo)致其強(qiáng)度過(guò)大。

2.5 抗剝落性能

研究通過(guò)對(duì)未老化和老化后的試樣進(jìn)行肯塔堡飛散損失試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，老化后試樣的肯塔堡飛散損失均低于未老化試樣?；旌狭显诶匣^(guò)程中已經(jīng)失去了較易剝落的表面集料，這反而提高了混合料的自身強(qiáng)度，最終提高了抗剝落性能。在未老化和老化試樣中，JS填料的混合料抗剝落性能最好，其次是HL、FA和SD填料。這是因?yàn)镴S較大的比表面積吸收了更多的瀝青，從而提高了混合料內(nèi)部集料與瀝青之間的粘結(jié)力。

圖7 肯塔堡飛散損失試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比柱狀圖

2.6 回彈模量

本研究通過(guò)UTM萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)在25 ℃、35 ℃、45 ℃條件下對(duì)混合料試件施加正弦波應(yīng)力徑向加載，以模擬車輛在瀝青路面上行駛時(shí)產(chǎn)生的垂直壓應(yīng)力沖擊。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 混合料回彈模量值試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比柱狀圖

由圖8可知，在任意溫度下，JS填料的混合料具有最高的回彈模量值，其次是HL、FA和SD混合料。JS填料的混合料在3個(gè)試驗(yàn)溫度下相對(duì)于HL、FA和SD填料的回彈模量平均分別高出9.5%、14.8%和23.9%。填料越細(xì)對(duì)于提高混合料的剛度具有積極作用，而本研究中JS填料的顆粒直徑最小，其次是HL、FA和SD，所以相應(yīng)的混合料回彈模量也存在此規(guī)律。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究得出的結(jié)論如下：

(1)與其他填料相比，JS具有最高的孔隙度、比表面積和最厚的瀝青膜。

(2)JS混合料與HL混合料具有相近的TSR值和粘附力，HL通常是作為抗水損害填料加入到混合料中，而JS可以作為等效填料產(chǎn)品。

(3)JS混合料具有較小的車轍變形量和較高的動(dòng)穩(wěn)定度，并且與德國(guó)填料值呈良好的線性擬合關(guān)系。

(4)隨著應(yīng)變水平的增加，填料類型對(duì)瀝青混合料疲勞性能的影響更為顯著，JS混合料表現(xiàn)出最低的壽命。

(5)在未老化和老化試樣中，JS填料的混合料抗剝落性能最好，其次是HL、FA和SD填料。

(6)JS混合料相對(duì)于HL、FA和SD填料的回彈模量平均分別高出9.5%、14.8%和23.9%。使用JS作為混合料填料的瀝青路面較一般填料具有更好的路用性能。