鐵尾礦瀝青混合料的路用性能

劉圣潔,唐亮,趙碩,杜憲華,王俊杰,趙之仲*,薛軍

1.山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250357;2.山東省路橋集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250014;3.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,河南 鄭州 450001;4.肥城市交通運(yùn)輸局,山東 泰安 271600;5.山東省交通工程監(jiān)理咨詢有限公司,山東 濟(jì)南 250010

0 引言

尾礦是工業(yè)固體廢棄物的主要組成部分之一。冶煉鐵礦石會(huì)產(chǎn)生較多品位不符合冶煉標(biāo)準(zhǔn)的鐵尾礦。目前我國(guó)堆放的尾礦近50億t,年排出尾礦近5億t,尾礦總量的1/3為鐵尾礦[1-2]。大量堆放的鐵尾礦不僅占用土地資源,還破壞生態(tài)平衡[3-4]。但我國(guó)的鐵尾礦回收技術(shù)有限,綜合利用率僅為7%[5],如何綜合利用鐵尾礦成為亟待解決的難題。

隨固廢利用研究的推進(jìn),多金屬組分、硬度高、表面粗糙多棱角的鐵尾礦在各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[6]:通過(guò)二次資源再選,鐵尾礦可進(jìn)行有價(jià)元素及礦物回收[7-8];在資源再選后采用改性技術(shù)可制備建筑原材料,如水泥、混凝土骨料、膠凝材料、磚瓦和玻璃建材等[9],達(dá)到綜合利用尾礦的目的[10];曹麗萍等[11]、劉晶磊等[12]分析鐵尾礦的性能規(guī)律,探討其作為公路填筑材料的可行性;張寶虎等[13]采用體積法設(shè)計(jì)鐵尾礦砂石瀝青混凝土,抗車轍能力較強(qiáng);田知文[14]通過(guò)摻加改性劑改善鐵尾礦瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性。但鐵尾礦的改性條件相對(duì)復(fù)雜,綜合利用率較低[15-18]。

本文制備以鐵尾礦為主的新型路面瀝青混合料,成本低廉,工藝簡(jiǎn)單,以期減輕過(guò)渡開采石料、天然骨料不足的現(xiàn)實(shí)壓力,分析某鐵尾礦的物理性能和其作為瀝青路面骨料的可行性;以玄武巖集料為對(duì)照組,摻加不同粒徑鐵尾礦制備試件,并進(jìn)行路面性能試驗(yàn)評(píng)估鐵尾礦瀝青混合料的路用性能,為鐵尾礦的大規(guī)模應(yīng)用提供理論支撐。

1 原材料性能

選用遼寧本溪鞍山式鐵尾礦。巖石組合類型為硅鐵建造、角閃巖、硅質(zhì)巖。礦體整體大而貧,礦石礦物組分較簡(jiǎn)單,鐵尾礦中鐵元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27%～34%。

1.1 集料與瀝青

選用玄武巖集料作為對(duì)照組,選用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene,SBS)類I-C級(jí)改性瀝青,技術(shù)指標(biāo)均滿足文獻(xiàn)[19]的要求。

1.2 鐵尾礦

根據(jù)文獻(xiàn)[19],用粗集料的要求檢測(cè)鐵尾礦的物理指標(biāo),結(jié)果如表1所示。

表1 鐵尾礦物理指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果

由表1可知:鐵尾礦粗集料的物理指標(biāo)符合高速公路及一級(jí)公路瀝青混合料用粗集料要求;相較于玄武巖集料,鐵尾礦的壓碎值較好,抗壓能力較強(qiáng);表觀相對(duì)密度和毛體積相對(duì)密度較大,孔隙率較小,耐久性能較好,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到路用性能的要求,可作為瀝青高等級(jí)路面集料使用。

2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

選用SBS類I-C 級(jí)改性瀝青,采用馬歇爾法設(shè)計(jì)玄武巖瀝青混合料的配合比,選擇接近SMA-13(瀝青瑪蹄脂碎石混合料,stone mastic asphalt,SMA)級(jí)配范圍中值的礦料級(jí)配,根據(jù)文獻(xiàn)[20]中的成型馬歇爾試件,目標(biāo)礦料級(jí)配曲線如圖1所示。粒徑分別為>10～15 mm、>5～10 mm、0～5 mm的鐵尾礦、礦粉的質(zhì)量比為47.5：34.0：10.5：8.0時(shí)為最佳配合比。

圖1 初擬SMA-13級(jí)配曲線

2.2 最佳瀝青質(zhì)量比

根據(jù)文獻(xiàn)[20],對(duì)玄武巖瀝青混合料選用油石比6.0%為基值,等差初選4組油石比分別為5.8%、6.0%、6.2%、6.4%成型馬歇爾試件,馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)如表2所示。確定瀝青與玄武巖混合料的最佳質(zhì)量比為6.038%,計(jì)算結(jié)果比經(jīng)驗(yàn)結(jié)果偏大,原因是玄武巖粒料存在微孔,試驗(yàn)時(shí)瀝青填充微孔。為計(jì)算方便,取瀝青與玄武巖混合料的最佳質(zhì)量比為6.0%。

表2 SMA-13不同油石比下的馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)

3 路用性能

為確保鐵尾礦瀝青路面的路用性能符合文獻(xiàn)[20]要求,將玄武巖分別更換為4.75～9.50 mm、4.75～13.20 mm、>9.50～13.20 mm等3種不同粒徑的鐵尾礦制備試件,樣品代碼分別為SMA-13a、SMA-13b、SMA-13c,對(duì)比分析其與玄武巖瀝青混合料的穩(wěn)定性和抗滑性。

3.1 高溫穩(wěn)定性

采用動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,試驗(yàn)溫度為60 ℃,接觸壓力為0.7 MPa;記錄試驗(yàn)結(jié)果并計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定度,SMA-13a、SMA-13b、SMA-13c、SMA-13(對(duì)照組)的高溫動(dòng)穩(wěn)定度分別為6 324、6 851、6 533、5 878 次/mm。

鐵尾礦瀝青混合料的高溫動(dòng)穩(wěn)定度比對(duì)照組均有所提升,SMA-13b的高溫穩(wěn)定度最好,比SMA-13高16.55%,SMA-13a和SMA-13c的動(dòng)穩(wěn)定度比SMA-13分別高7.59%、11.14%。原因是鐵尾礦棱角性和粗糙度比玄武巖好,集料間相互接觸交叉后摩擦力相對(duì)較大,高溫動(dòng)穩(wěn)定性有所增強(qiáng)。鐵尾礦瀝青混合料能較好地滿足路用性能要求,可應(yīng)用在路面實(shí)際施工中,實(shí)際施工中應(yīng)選級(jí)配范圍廣且級(jí)配等級(jí)優(yōu)良的鐵尾礦粒料。

3.2 低溫穩(wěn)定性

以低溫彎曲試驗(yàn)中的最大彎拉應(yīng)變表征材料的低溫性能,控制試驗(yàn)溫度為-10 ℃,設(shè)置馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)定儀加載速度為50 mm/min,采樣間隔為3 s,4種瀝青混合料的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 4種瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知:相比玄武巖瀝青混合料,鐵尾礦瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性較好,符合路用性能要求。鐵尾礦瀝青混合料的臨界應(yīng)變是玄武巖的1.05～1.18倍。隨鐵尾礦質(zhì)量比的增大,小梁最大拉應(yīng)變?cè)龃?采用SMA-13b的小梁的臨界應(yīng)變是采用SMA-13a的小梁的1.13倍,原因是鐵尾礦比玄武巖黏結(jié)瀝青輕質(zhì)組分更少,可提高瀝青混合料的柔韌性。

3.3 水穩(wěn)定性

通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)檢驗(yàn)鐵尾礦瀝青混合料的水穩(wěn)定性,評(píng)價(jià)試件殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強(qiáng)度比ETSR,4種試件的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 4種瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知:鐵尾礦對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性有一定影響,SMA-13b的浸水殘留穩(wěn)定度比SMA-13減小6.58%,ETSR減小8.03%。鐵尾礦中石英和云母的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比玄武巖大,結(jié)晶程度較好,鐵尾礦瀝青混合料的水穩(wěn)定性降低,但仍滿足馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度大于80%的要求,且滿足潮濕區(qū)殘留穩(wěn)定度不低于85%的要求[19],可應(yīng)用在實(shí)際道路施工中。

3.4 抗滑性

通過(guò)三輪加速加載試驗(yàn)研究鐵尾礦瀝青混合料的摩擦因數(shù),檢驗(yàn)其抗滑性能。荷載為0.7 MPa,轉(zhuǎn)速為60 r/min,對(duì)鐵尾礦瀝青混凝土面板進(jìn)行磨耗測(cè)試;經(jīng)過(guò)約20萬(wàn)次的磨耗后,瀝青路面摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定,以該穩(wěn)定值為基礎(chǔ),對(duì)比分析其他瀝青混凝土面板的抗滑性能。采用動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)測(cè)試儀測(cè)定磨耗0、1萬(wàn)、2萬(wàn)、5萬(wàn)、10萬(wàn)、20萬(wàn)次后SMA-13b鐵尾礦瀝青混合料的動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù),結(jié)果如圖2所示。

圖2 鐵尾礦瀝青混合料動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)

由圖2可知:隨三輪磨耗次數(shù)的增大,2種瀝青混凝土面板的動(dòng)摩擦因數(shù)先增大后減小。在磨耗初期,隨三輪磨耗次數(shù)的增大,2種瀝青混凝土面板的動(dòng)摩擦因數(shù)增大,在三輪磨耗次數(shù)約為2萬(wàn)次時(shí)達(dá)到最大動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù),鐵尾礦瀝青混凝土面板的最大動(dòng)摩擦因數(shù)為0.47,玄武巖瀝青混合料為0.44;隨后2種瀝青混凝土面板的動(dòng)摩擦因數(shù)開始減小,在三輪磨耗次數(shù)約為15萬(wàn)次時(shí)趨于穩(wěn)定,且兩者的動(dòng)摩擦因數(shù)之差約為0.02,但鐵尾礦瀝青混合料的抗滑性能始終優(yōu)于玄武巖瀝青混合料,符合文獻(xiàn)[19]要求。因此,鐵尾礦可代替玄武巖作為瀝青骨料,適用于高等級(jí)公路面層。

4 結(jié)論

1)在瀝青混合料中摻加粒徑分別為4.75～9.50、4.75～13.20、>9.50～13.20 mm的鐵尾礦制備試件,進(jìn)行車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)及三輪加速磨耗試驗(yàn),評(píng)估鐵尾礦瀝青混合料的路用性能。摻加粒徑為4.75～13.20 mm鐵尾礦的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性最好,動(dòng)穩(wěn)定度為6 851次/mm,比玄武巖瀝青混合料提高了16.55%。鐵尾礦瀝青混合料的臨界應(yīng)變是玄武巖瀝青混合料的1.05～1.18倍,鐵尾礦與混合料的質(zhì)量比與小梁最大拉應(yīng)變成正比,鐵尾礦瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性均滿足路用性能要求。

2)摻加粒徑為4.75～13.20 mm鐵尾礦的瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度降至88.54%,比玄武巖瀝青混合料減小6.58%,但水穩(wěn)定性仍滿足路用性能要求。鐵尾礦瀝青混合料的抗滑性能始終優(yōu)于玄武巖瀝青混合料。

本研究尚處于試驗(yàn)室階段,實(shí)際施工中綜合影響因素較多,需鋪筑一定長(zhǎng)度的試驗(yàn)路段,在不同環(huán)境下驗(yàn)證鐵尾礦瀝青混合料的路用性能。