基于鐵尾礦砂的瀝青混合料路用性能研究

顧瑞海高賓宋振海張民王鑫洋

(1.山東高速集團(tuán)有限公司 建設(shè)管理公司，山東 濟(jì)南 250000；2.山東高速工程檢測有限公司，山東 濟(jì)南 250002；3.山東省交通運(yùn)輸廳工程建設(shè)事務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250001)

0 引言

瀝青路面由于其行車舒適耐磨、施工周期短、養(yǎng)護(hù)維修簡便等優(yōu)點(diǎn)越來越多地應(yīng)用到公路建設(shè)中。目前，瀝青路面占我國高速公路的比例＞90%，且已進(jìn)入建設(shè)與養(yǎng)護(hù)并行的階段[1]。然而，傳統(tǒng)砂石材料的不可再生、價(jià)格昂貴及生產(chǎn)瀝青混合料集料資源的愈發(fā)緊張，亟需一種量大、價(jià)低的路面用替代材料。鐵尾礦砂是礦石經(jīng)過濕磨、磁選后經(jīng)過篩分處理的廢棄尾礦石屑，一般占礦石總量的60%～80%[2]。隨著我國鋼鐵行業(yè)的巨大體量和發(fā)展，每年處理鐵礦石約有10億t，產(chǎn)出約7億t鐵尾礦砂，目前累計(jì)堆放的鐵尾礦砂已超過60億t[1-3]。由于我國南北跨度大且地質(zhì)復(fù)雜，致使鐵尾礦砂的物理化學(xué)成分差異較大；地域、交通條件的限制使得我國鐵尾礦的綜合利用也受到一定阻礙[4-5]。大量的鐵尾礦砂的堆積造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染、占用耕地的問題，同時(shí)也是一種巨大的資源浪費(fèi)。若將鐵尾礦砂代替細(xì)集料應(yīng)用到瀝青混合料中，既可緩解砂石材料資源緊張的局面，又可解決鐵尾礦造成的環(huán)境污染、資源浪費(fèi)問題。

田知文[1]將遼寧地區(qū)的鐵尾礦石當(dāng)作粗集料應(yīng)用到AC-20瀝青混合料中，并分析其路用性能，得出粗集料用鐵尾礦石的AC-20的路用性能不如玄武巖集料AC-20，而采用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行改善后，鐵尾礦石AC-20瀝青混合料的路用性能得到顯著提高。蘭晶晶等[6]采用SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73.56%的酸性鐵尾礦砂充當(dāng)細(xì)集料設(shè)計(jì)了AC-16瀝青混合料并研究其路用性能，鐵尾礦砂瀝青混合料能夠滿足低等級(jí)路面的要求。張鐵志等[3]采用鞍山鐵尾礦砂設(shè)計(jì)AC-16、AC-13兩種鐵尾礦砂瀝青混合料，發(fā)現(xiàn)鐵尾礦砂完全可以用作摻加到瀝青混合料中的細(xì)集料，且鐵尾礦砂瀝青混合料的穩(wěn)定度有所提高，增加了混合料的粘聚力。

目前，對(duì)鐵尾礦砂應(yīng)用到瀝青路面，尤其是高等級(jí)路面層的研究仍然偏少。結(jié)合山東省棗莊地區(qū)的鐵尾礦砂特性，深入研究了鐵尾礦砂在高等級(jí)路面結(jié)構(gòu)層中的應(yīng)用。

1 材料及其性能

1.1 鐵尾礦砂

1.1.1 化學(xué)特性分析

(1)化學(xué)成分及燒失量分析

采用的鐵尾礦砂為“棗木連接線工程”沿線棗莊地區(qū)的鐵尾礦砂，其主要礦物成分為SiO2、Fe2O3、Al2O3；SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)52%～65%的集料為中性集料[7]，而鐵尾礦砂的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.85%，屬于中性集料。

(2)有害物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析

對(duì)鐵尾礦砂進(jìn)行有害物質(zhì)含量檢測，檢測結(jié)果見表1。鐵尾礦有害物質(zhì)含量均滿足技術(shù)要求；鐵尾礦砂滿足環(huán)保要求。

表1 鐵尾礦砂有害物質(zhì)含量分析表

(3)放射性評(píng)價(jià)

檢測鐵尾礦砂的放射性，其結(jié)果見表2。鐵尾礦砂的內(nèi)照射指數(shù)、外照射指數(shù)遠(yuǎn)低于規(guī)范要求低限值；鐵尾礦砂無放射性危害。

表2 鐵尾礦砂放射性分析表

1.1.2 常規(guī)物理特性分析

(1)鐵尾礦砂級(jí)配組成及細(xì)度模數(shù)

水洗篩分鐵尾礦砂，其細(xì)度模數(shù)由式(1)表示為

式中Mx為砂的細(xì)度模數(shù)；A0.15、A0.3、A0.6、A0.18、A2.36、A4.75分別為各篩的累計(jì)篩余百分率，%。

經(jīng)計(jì)算，鐵尾礦砂的細(xì)度模數(shù)為0.507，其值＜1.5，按砂的分類屬于特細(xì)砂。

(2)表觀密度

采用容量瓶法測定鐵尾礦砂的表觀密度為2.91 g/cm3，其值≥2.50 g/cm3，滿足瀝青混合料用細(xì)集料的要求[8]。

(3)砂當(dāng)量

對(duì)鐵尾礦砂進(jìn)行砂當(dāng)量試驗(yàn)，計(jì)算得到鐵尾礦砂的砂當(dāng)量為90%≥60%，比較潔凈，滿足瀝青混合料用細(xì)集料的要求[8]。

1.1.3 棱角性分析

集料是瀝青混合料中組成比例最大的部分，細(xì)集料是集料中的重要組成部分，其形態(tài)特征對(duì)瀝青混合料的力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)特性具有重大影響，棱角性為0時(shí)表明集料顆粒為無棱角圓形顆粒。研究表明，棱角性顯著影響混合料的高溫性能，其值越高，集料之間的受力點(diǎn)數(shù)增多，減少了混合料的豎向變形，其高溫性能越好[9-12]。將玄武巖、石灰?guī)r與鐵尾礦砂分檔篩分后采用集料圖像測量系統(tǒng)分別進(jìn)行棱角性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。對(duì)于0.075～0.3、0.3～2.36、2.36～4.75 mm粒徑范圍的細(xì)集料，棱角性大小為:鐵尾礦砂＞玄武巖＞石灰?guī)r；鐵尾礦砂的棱角性最豐富，最有利于混合料的高溫性能，0～5 mm玄武巖次之，0～5 mm石灰?guī)r最差。

圖1 不同粒徑范圍棱角性分布圖

1.1.4 微觀形貌特性分析

物質(zhì)的宏觀性能與其微觀結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。潔凈的鐵尾礦砂、玄武巖、石灰?guī)r細(xì)集料經(jīng)3000次磨耗后進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，分析其微觀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

從圖2可以看出，鐵尾礦砂顆粒較為規(guī)則、明顯，方正塊狀顆粒較多，斷裂處的線條、棱角明顯，基本無碎小粉末顆粒；玄武巖的磨耗破碎后的方正規(guī)則塊狀顆粒較少，碎小顆粒及粉末較多；石灰?guī)r磨耗破碎后的粉末最多，顆粒較少且棱角被磨耗的最為圓滑。因此，可認(rèn)為0～5 mm細(xì)集料的耐破碎性大小為鐵尾礦砂＞玄武巖＞石灰?guī)r；微觀結(jié)構(gòu)的規(guī)則性大小為鐵尾礦砂＞玄武巖＞石灰?guī)r；這與鐵尾礦砂的棱角性大小對(duì)比結(jié)果一致。

圖2 鐵尾礦砂、玄武巖、石灰?guī)r掃描電鏡圖

1.1.5 粘附性分析

接觸角用來定量評(píng)價(jià)瀝青的粘附性被越來越多的應(yīng)用[13-14]。文章以瀝青為介質(zhì)，評(píng)價(jià)瀝青與鐵尾礦石、石灰?guī)r石、玄武巖石的粘附性大小，采用座滴法，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 鐵尾礦砂、玄武巖、石灰?guī)r與瀝青的接觸角圖

鐵尾礦與瀝青的接觸角最大，玄武巖的接觸角略低于鐵尾礦，均顯著大于石灰?guī)r。因此，可認(rèn)為鐵尾礦的親油性最差，即與瀝青的粘附性最差，玄武巖的親油性略高于鐵尾礦，石灰?guī)r的親油性最佳，與瀝青的粘附性最好。

1.2 集料

SMA-13瀝青混合料采用耐磨性較高的0～5 mm、5～10 mm和10～15 mm玄武巖。AC-20瀝青混合料采用0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm石灰?guī)r。經(jīng)過試驗(yàn)檢測，粗細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[8]的要求。

1.3 瀝青

AC-20、SMA-13瀝青混合料均使用SBS改性瀝青，技術(shù)指標(biāo)見表3，SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[8]的相關(guān)要求，屬于I-D類。

表3 SBS改性瀝青的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)表

2 鐵尾礦砂瀝青混合料設(shè)計(jì)

2.1 混合料礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了SMA-13、AC-20的瀝青混合料，為了充分利用鐵尾礦砂，參考級(jí)配上下限控制范圍，最終設(shè)計(jì)SMA-13瀝青混合料的鐵尾礦砂摻量為10%、AC-20瀝青混合料的鐵尾礦砂摻量為7%。并設(shè)置未摻加鐵尾礦砂的SMA-13、AC-20對(duì)照組。4組瀝青混合料的級(jí)配組成見表4和5。

表4 SMA-13級(jí)配組成表

表5 AC-20級(jí)配組成表

2.2 最佳瀝青用量

SMA-13瀝青混合料采用5.4%、5.7%、6.0%、6.3%、6.6% 5個(gè)瀝青用量，AC-20瀝青混合料采用3.4%、3.9%、4.4%、4.9%、5.4% 5個(gè)瀝青用量進(jìn)行最佳瀝青用量的確立。經(jīng)過馬歇爾試件的相關(guān)體積指標(biāo)參數(shù)及性能計(jì)算，確立了4組瀝青混合料的最佳瀝青含量，見表6。

表6 最佳瀝青含量表 %

研究表明，在夏炎熱區(qū)(1-3區(qū))AC-20瀝青混合料在路面深約≤90 mm時(shí)，空隙率控制在4%～6%，SMA-13瀝青混合料的空隙率控制在3%～4%時(shí)，瀝青混合料會(huì)發(fā)揮最大作用，耐久性更佳[4]。4組瀝青混合料分別采用最佳瀝青含量進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件的空隙率均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[8]的要求。

3 鐵尾礦砂瀝青混合料路用性能研究

3.1 高溫性能試驗(yàn)與分析

采用穩(wěn)定度試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與抗車轍性能。試驗(yàn)結(jié)果分別見表7和8。

表7 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果表

表8 車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表7和8可知，摻加鐵尾礦砂后的SMA-13、AC-20瀝青混合料的穩(wěn)定度、流值與動(dòng)穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求[8]且略高于未摻加鐵尾礦砂的空白對(duì)照組。

瀝青混合料的高溫性能主要取決于混合料粗骨料構(gòu)造的骨架結(jié)構(gòu)與集料的棱角性，鐵尾礦砂作為細(xì)集料摻加到SMA-13、AC-20瀝青混合料中沒有影響其骨架結(jié)構(gòu)是其高溫性能優(yōu)良的重要原因，且鐵尾礦砂的棱角性優(yōu)于0～5 mm的玄武巖與石灰?guī)r細(xì)集料，高溫受力時(shí)的接觸點(diǎn)最多是其高溫性能略有提高的內(nèi)因。

3.2 水穩(wěn)定性能試驗(yàn)與分析

通過凍融劈裂試驗(yàn)和浸水殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，摻有鐵尾礦砂的瀝青混合料及其對(duì)照組的融劈裂試驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、浸水殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表9和10。

表9 凍融劈裂試驗(yàn)表 %

從表9可以看出，摻加鐵尾礦砂后的SMA-13和AC-20瀝青混合料的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比均滿足規(guī)范要求，但略低于未摻加鐵尾礦砂的對(duì)照組；與使用0～5 mm石灰?guī)r細(xì)集料的AC-20瀝青混合料的差別最大。

從表10可以看出，摻加鐵尾礦砂后的SMA-13和AC-20瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度滿足規(guī)范要求[8]，但略低于未摻加鐵尾礦砂的對(duì)照組；與使用0～5 mm石灰?guī)r細(xì)集料的AC-20瀝青混合料的差別最大，且與凍融劈裂試驗(yàn)得出的結(jié)論一致。

表10 浸水殘留穩(wěn)定度表 %

鐵尾礦砂與瀝青的粘結(jié)性良好是摻加鐵尾礦砂瀝青混合料水穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求值且與空白對(duì)照組相差無幾的重要內(nèi)因。摻加鐵尾礦砂的AC-20瀝青混合料與對(duì)照組的水穩(wěn)定性差別大于摻加鐵尾礦砂的SMA-13瀝青混合料與對(duì)照組的差別，與集料和瀝青黏附性大小的差別一致，集料和瀝青的黏附性是影響瀝青混合料水穩(wěn)定性的主要因素。

3.3 漢堡試驗(yàn)

漢堡試驗(yàn)是綜合評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫抗車轍與水穩(wěn)性能的重要方法。通常情況下，漢堡試驗(yàn)的最終碾壓次數(shù)、最大車轍深度與抗剝落拐點(diǎn)分別反應(yīng)的高溫抗車轍性能與抗水損害性能，且與實(shí)際路用性能的相關(guān)性較高[15-17]；參照美國得克薩斯州的試驗(yàn)方法(Tex-242-F)[16]，漢堡輪轍試驗(yàn)水溫為50℃、固定荷載為685 N、輪壓力為0.73 MPa；評(píng)價(jià)試件被碾壓20000次的變形量。得克薩斯州交通部公路施工及維護(hù)規(guī)范根據(jù)瀝青膠結(jié)料的PG等級(jí)提出的技術(shù)指標(biāo)見表11。AC-20、SMA-13試件的車轍深度隨碾壓次數(shù)的變化趨勢如圖4和5所示。

圖4 AC-20漢堡試驗(yàn)結(jié)果圖

表11 得克薩斯州車轍深度要求表 單位:次

隨著碾壓次數(shù)的增加，車轍深度逐漸增加，蠕變速率則逐漸降低。無論是SMA-13還是AC-20，摻加鐵尾礦砂的瀝青混合料，其車轍深度均低于未摻加鐵尾礦砂的瀝青混合料且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于美國得克薩斯州的技術(shù)指標(biāo)[16]。4種瀝青混合料在碾壓20000次過程中均未出現(xiàn)抗剝落拐點(diǎn)。因此，摻加提尾礦砂的瀝青混合料，其高溫抗車轍與水穩(wěn)定性的綜合性能略有提高；摻加鐵尾礦砂后的SMA-13、AC-20瀝青混合料適用于高溫多雨的地區(qū)。

圖5 SMA-13漢堡試驗(yàn)結(jié)果圖

3.4 低溫性能試驗(yàn)與分析

低溫開裂是路面主要破壞形式之一，主要由面層溫縮裂縫所致。通過瀝青混合料彎曲試驗(yàn)測試4組瀝青混合料的低溫拉伸性能，試驗(yàn)溫度為-10℃，結(jié)果見表12。

表12 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果表

摻加鐵尾礦砂摻量后SMA-13、AC-20瀝青混合料小梁彎拉應(yīng)變符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[8]的相關(guān)要求，且與未摻加鐵尾礦砂的瀝青混合料基本相同，說明鐵尾礦砂不影響瀝青混料的低溫性能。影響瀝青混合料低溫性能的主要因素為瀝青膠結(jié)料的低溫勁度，與細(xì)集料的性能基本無關(guān)。

4 結(jié)論

采用宏觀性能試驗(yàn)與微觀機(jī)理分析相結(jié)合的手段，分析了鐵尾礦砂應(yīng)用于高等級(jí)路面結(jié)構(gòu)層的路用性能，主要得出以下結(jié)論:

(1)鐵尾礦砂屬于特細(xì)砂，物理指標(biāo)滿足路面用細(xì)集料的要求，并且有害物質(zhì)含量與放射性滿足環(huán)保要求。鐵尾礦砂的棱角性優(yōu)于0～5 mm的玄武巖和0～5 mm的石灰?guī)r，微觀形貌具有明顯棱角，規(guī)則性最優(yōu)，但其與瀝青的黏附性略低于石灰?guī)r與玄武巖。

(2)鐵尾礦砂可作為細(xì)集料以較高的摻量應(yīng)用到高等級(jí)路面結(jié)構(gòu)層中，摻加鐵尾礦砂后SMA-13與AC-20瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、抗車轍性能略有提高，低溫性能基本無變化，高溫與水穩(wěn)定性綜合性能得到提高。