鐵尾礦砂對微表處混合料耐久性影響研究

鄒宗民 蘇紀壯 汲 平 王鑫洋 高國華 王業(yè)飛

(山東高速集團有限公司建設(shè)管理公司1) 濟南 250000) (山東高速工程檢測有限公司2) 濟南 250002)

0 引 言

鐵尾礦砂是鐵礦石經(jīng)破碎、篩分、研磨、分級、后重選、浮選或氰化等工藝流程，篩選出鐵元素后的剩余產(chǎn)物，其主要礦物成分與公路工程用集料相同[1].但現(xiàn)階段我國的鐵尾礦砂綜合利用率較低，主要對其進行堆存處置，造成了極大的資源浪費[2-3].

微表處是我國公路養(yǎng)護技術(shù)措施中最常用的手段之一，可以迅速處理瀝青路面的松散、坑槽、裂縫等病害，并且工藝簡單，能耗小，能夠快速恢復(fù)交通[4-5].但由于原材料、配合比設(shè)計、施工或者氣候等原因，微表處極易產(chǎn)生早期破壞，耐久性能達不到預(yù)期效果[6].

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對微表處混合料及鐵尾礦砂瀝青混合料的路用性能的研究取得了一系列的成果.時彥寧[7]采用體積法對摻鐵尾礦砂瀝青混合料進行配合比設(shè)計，驗證其路用性能，并鋪筑了試驗路段.張鐵志等[8]在AC-13和AC-16瀝青混合料中摻入鐵尾礦砂，進行馬歇爾試驗和劈裂試驗，結(jié)果表明：混合料各項指標(biāo)能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范要求.Wang等[9]研究了含磁鐵尾礦砂(MTs)瀝青混合料的路用性能，并在混合料中添加一定量的熟石灰，改善了含磁鐵尾礦砂集料與瀝青間的黏附性.結(jié)果表明：MTs可以代替石灰?guī)r集料廣泛應(yīng)用于瀝青路面.鄭木蓮等[10]通過使用水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青，提升了乳化瀝青與集料間的黏附性及微表處混合料耐久性.莊傳儀等[11]通過在微表處混合料中添加橡膠顆粒，提升了微表處混合料內(nèi)部的黏結(jié)力及混合料的耐久性.顧建軍等[12]研究了不同湖瀝青摻量微表處混合料的拌和時間、黏聚力、抗滑性能，以及抗剝落性能，推薦了微表處混合料的湖瀝青適宜摻配比例.

上述研究表明：鐵尾礦砂可以應(yīng)用于瀝青混合料中，且通過添加外加劑等方式能夠提升瀝青混合料的路用性能，但是鮮有研究將鐵尾礦砂應(yīng)用于微表處混合料中.基于此，文中對摻加鐵尾礦砂的微表處混合料的耐久性進行系統(tǒng)研究，以驗證鐵尾礦砂在微表處混合料中應(yīng)用的可行性.

1 原 材 料

1.1 基質(zhì)瀝青

采用A級70#道路石油瀝青室內(nèi)制備乳化瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1.

表1 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)及要求

1.2 改性劑

使用SBR、SBS、水性環(huán)氧樹脂及其固化劑三種膠乳改性劑制備改性乳化瀝青，三種膠乳改性劑技術(shù)指標(biāo)見表2.

表2 膠乳改性劑技術(shù)指標(biāo)表

1.3 鐵尾礦砂、集料及級配

采用鐵尾礦砂為臨沂市某礦場尾礦生產(chǎn)，砂當(dāng)量71%，內(nèi)照射指數(shù)0.100，外照射指數(shù)0.165，浸出毒性滿足國家規(guī)范相關(guān)要求.集料采用山東某石料廠生產(chǎn)的玄武巖和石灰?guī)r，填料為P·O42.5級水泥，各項技術(shù)指標(biāo)均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求.使用XRD衍射儀和Zeta電位儀對鐵尾礦砂、玄武巖、石灰?guī)r進行礦物成分分析和表面Zeta電位分析，見圖1.其礦物成分和表面Zeta電位試驗結(jié)果見表3～4.混合料采用MS-2及MS-3兩種級配，見表5.

圖1 不同集料XRD圖譜

表3 礦物成分組成表 單位：%

表4 三種礦料Zeta電位試驗結(jié)果

表5 混合料級配

1.4 乳化劑、水

乳化劑為山東濱州某工廠生產(chǎn)的慢裂型陽離子乳化劑，試驗用水為濟南地區(qū)自來水.

2 實 驗

2.1 試驗方法

通過25 ℃下的負荷車轍試驗、浸水24 h和6 d的濕輪磨耗試驗、-10 ℃下的半圓彎曲(SCB)試驗、浸水條件下的旋轉(zhuǎn)瓶磨耗試驗研究微表處混合料的耐久性.負荷車轍試驗采用動穩(wěn)定度作為評價指標(biāo)，SCB試驗采用彎拉強度(RB)和彎拉應(yīng)變能密度(dW/dV)作為評價指標(biāo)，濕輪磨耗試驗采用磨耗值(WTAT)作為評價指標(biāo)，旋轉(zhuǎn)瓶磨耗試驗采用磨耗損失作為評價指標(biāo).

圖2 彎曲應(yīng)變能密度示意圖

(1)

σ=A+Bε+Cε2+Dσ3

(2)

式中：A、B、C、D為試驗數(shù)據(jù)擬合得到的常數(shù).

聯(lián)立式(1)～(2)，即可推導(dǎo)出彎曲應(yīng)變能密度的函數(shù)表達式為

(3)

2.2 試驗方案

采用SBS改性乳化瀝青、SBR改性乳化瀝青及水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青作為膠結(jié)料，MS-2和MS-3兩種級配，石灰?guī)r、玄武巖兩種集料，設(shè)計不同鐵尾礦砂用量(0～25%)的微表處混合料，為降低試驗結(jié)果的離散型，對各集料逐級篩分，后分檔回配.每組試樣三個，取變異系數(shù)在15%以內(nèi)的試驗結(jié)果均值.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 負荷車轍試驗結(jié)果

圖3為負荷車轍試驗結(jié)果.

圖3 車轍試驗結(jié)果

由圖3可知：

1) 使用石灰?guī)r制備的微表處混合料車轍試樣的動穩(wěn)定度最小，隨著鐵尾礦砂的加入，試樣的動穩(wěn)定度逐漸增大，但鐵尾礦砂用量增至15%后，動穩(wěn)定度試驗結(jié)果增加緩慢，當(dāng)鐵尾礦砂用量增至一定量后，混合料的骨架被較細的鐵尾礦砂“擠開”，使得混合料的VCA降低，荷載作用下瀝青砂漿更易移動，因此表現(xiàn)出動穩(wěn)定度降低.

2) 玄武巖制備的微表處混合料中加入一定量的鐵尾礦砂后，試樣的動穩(wěn)定度逐漸降低，且鐵尾礦砂用量越大，動穩(wěn)定度降低程度越明顯.

3) MS-3型微表處混合料較MS-2型混合料的動穩(wěn)定度更高，其主要原因是MS-3型級配較MS-2型級配更粗，混合料內(nèi)部能夠形成密實骨架結(jié)構(gòu)，荷載作用下集料顆粒幾乎不發(fā)生移動，因此其動穩(wěn)定度更高.

4) 瀝青類型對動穩(wěn)定度的影響的大小排序為水性環(huán)氧改性乳化瀝青>SBR改性乳化瀝青>SBS改性乳化瀝青，究其原因為環(huán)氧瀝青固化后能夠在混合料內(nèi)部形成空間骨架結(jié)構(gòu)，固化后的水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青較SBS和SBR改性乳化瀝青的拉伸強度更高，荷載及溫度作用下幾乎不發(fā)生瀝青膠漿的流動，因此由其制備的微表處混合料的動穩(wěn)定度更高.

3.2 濕輪磨耗試驗結(jié)果

圖4～5分別為浸水24 h和浸水6 d試驗結(jié)果.

圖4 1 d濕輪磨耗試驗結(jié)果

圖5 6 d濕輪磨耗試驗結(jié)果

由圖4～5可知：

1) 隨著鐵尾礦砂用量的增加，由石灰?guī)r制備的微表處混合料的磨耗值(WTAT)逐漸減小，當(dāng)鐵尾礦砂用量增值15%，磨耗值幾乎不再發(fā)生變化，而玄武巖集料中添加鐵尾礦砂后，混合料的WTAT逐漸增大，且鐵尾礦砂用量越大，WTAT值越大，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可能是試驗所用乳化瀝青為陽離子改性乳化瀝青，瀝青乳液帶正電荷，三種礦料Zeta電位試驗結(jié)果顯示，三種集料表面均帶有正電荷，且石灰?guī)r表面電荷量最高，鐵尾礦砂次之，玄武巖表面電荷量最小，這使得瀝青乳液在集料表面產(chǎn)生了一定的互斥性，進而使得乳化瀝青于集料間的黏附性降低，雖然在混合料中添加了一定量的水泥，但是水泥用量較低無法完全裹附于集料顆粒表面，因此表現(xiàn)出石灰?guī)r中添加鐵尾礦砂后WTAT逐漸減小，而玄武巖中添加鐵尾礦砂后WTAT反而增大.

2) 乳化瀝青對WTAT的影響順序為SBS改性乳化瀝青>SBR改性乳化瀝青>水性環(huán)氧改性乳化瀝青，究其原因為水性環(huán)氧改性乳化瀝青需要在高溫下固化，其固化后形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，瀝青砂漿填充與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，能夠形成致密骨架結(jié)構(gòu)，外界水分難以進入混合料內(nèi)部，因此表現(xiàn)出由其制備的微表處混合料的WTAT更小.

3) 采用MS-2型級配制備的微表處瀝青混合料的WTAT小于MS-3型級配，其主要原因是MS-3型級配較MS-2型級配更粗，由MS-3型級配制備的微表處混合料試樣表面相較于MS-2型級配表面更粗糙，橫向荷載作用下，顆粒更易發(fā)生剪切移動，因此其WTAT更大.

3.3 半圓彎曲(SCB)試驗結(jié)果

圖6～7為鐵尾礦摻量對彎拉強度和彎曲應(yīng)變能密度影響的試驗結(jié)果.

圖6 彎拉強度試驗結(jié)果

圖7 彎拉應(yīng)變能密度試驗結(jié)果

由圖6～7可知：

1) 在石灰?guī)r集料中添加鐵尾礦砂后，微表處混合料的彎拉強度(RB)隨著鐵尾礦砂用量的增加而逐漸增大，當(dāng)鐵尾礦砂用量達15%時，彎拉強度(RB)幾乎不再發(fā)生變化，而在玄武巖集料中添加鐵尾礦砂后，微表處混合料的RB反而逐漸減小.產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因可能是乳化瀝青與集料間的電荷左右影響了二者間的黏附性，使得瀝青與集料間的黏結(jié)力降低，進而表現(xiàn)為混合料彎拉強度的差異.

2) 采用MS-3型級配制備微表處混合料的RB大于采用MS-2型級配，其主要原因是MS-3型級配較MS-2型級配中的粗集料更多，能夠在混合料內(nèi)部形成骨架密實結(jié)構(gòu)，因此表現(xiàn)出混合料RB更大.

3.4 旋轉(zhuǎn)瓶磨耗試驗結(jié)果

圖8為旋轉(zhuǎn)瓶磨耗試驗結(jié)果.

圖8 旋轉(zhuǎn)瓶磨耗試驗結(jié)果

由圖8可知：

1) 石灰?guī)r集料中添加一定量的鐵尾礦砂能夠提高微表處混合料在水中的抗磨耗性能，玄武巖集料中添加鐵尾礦砂后混合料的耐磨耗性能有所降低，其主要原因可能是乳化瀝青與集料間的電荷左右影響了二者間的黏附性使得水分更易進入瀝青與集料的結(jié)合部位，因此表現(xiàn)出微表處混合料在浸水后磨耗損失存在較大差別.

2) MS-3型級配較MS-2型級配的磨耗損失更小，該現(xiàn)象的可能原因是，試驗過程中使用相同乳化瀝青用量的情況下，MS-3型級配較MS-2型級配的瀝青膜更厚，使得集料間的黏聚力明顯大于后者，因此其磨耗損失更小.③由水性環(huán)氧改性乳化瀝青制備的微表處混合料的磨耗質(zhì)量損失明顯小于SBS和SBR改性乳化瀝青，其原因為水性環(huán)氧樹脂改性乳化瀝青與集料間的粘結(jié)力更大，且受浸水影響較小，因此其浸水后的混合料試樣磨耗損失更小.

4 結(jié) 論

1) 采用石灰?guī)r作為集料時添加一定量的鐵尾礦砂能夠提高微表處混合料的高溫性能、耐磨耗性能、低溫性能及水穩(wěn)定性，但存在最優(yōu)用量(15%)，當(dāng)鐵尾礦砂用量超過最優(yōu)用量時，繼續(xù)添加鐵尾礦砂，混合料的性能提升不再明顯.

2) 玄武巖制備的微表處混合料中添加鐵尾礦砂后，混合料的高溫性能、低溫性能、耐磨耗性能和水穩(wěn)定性均產(chǎn)生不同程度的下降，且鐵尾礦砂用量越大，混合料各項性能指標(biāo)下降越明顯.

3) 水性環(huán)氧改性乳化瀝青微表處混合料與SBS改性乳化瀝青和SBR改性乳化瀝青微表處混合料相比有更優(yōu)異的高溫性能、低溫性能、耐磨耗性能、水穩(wěn)定性.

4) 級配對微表處混合料的耐久性有顯著影響，采用MS-3型級配時微表處混合料較MS-2型級配的微表處混合料的耐久性更加優(yōu)異.