改性磷尾礦微粉瀝青混凝土抗水損害性能研究

葉治軍，何書進(jìn)，陶毅榮，董冠男，俱新疆，王 鳳

（1.葛洲壩湖北襄荊高速公路有限公司，湖北 荊門 448100；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070）

磷化工生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量工業(yè)副產(chǎn)物，磷尾礦作為一種典型而分布廣泛的固體廢棄物，主要化學(xué)成分為二氧化硅（SiO2）、氧化鎂（MgO）、氧化鐵（Fe2O3）、五氧化二磷（P2O5）、氧化鈣（CaO）和其他金屬氧化物[1-3]。磷尾礦通常以泥漿的形式產(chǎn)生，尾礦庫儲存了大量的尾礦和其他礦物廢料，但如果管理和使用不當(dāng)可能造成嚴(yán)重的環(huán)境問題，在尾礦庫中，大量的磷尾礦只能長期堆放在一處，被雨水沖刷后，會導(dǎo)致有害化學(xué)元素的遷移。目前，磷尾礦主要用于建筑材料領(lǐng)域，其作為水泥的原料或改性劑，可以提高水泥和水泥混凝土的強(qiáng)度、和易性和耐久性。然而，關(guān)于磷尾礦作為瀝青或瀝青混合料改性劑的研究卻很少。同為磷化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物磷礦渣，被很多研究者加工成磷渣粉，然后將其作為一種改性劑對瀝青進(jìn)行改性處理，或者將其部分替代礦粉應(yīng)用到瀝青混合料中。研究結(jié)果表明，經(jīng)過磷渣粉改性的瀝青性能得到了明顯提升，而利用磷渣粉部分替代礦粉制備的瀝青混合料的路用性能也有一定的改善作用，同時，磷渣粉的pH 呈堿性，在高溫下還具有疏水性和穩(wěn)定性，所以其可以作為一種抗剝落添加劑應(yīng)用到瀝青混合料中[4]。

但目前國內(nèi)外關(guān)于磷尾礦的應(yīng)用研究中，很少有研究人員將磷尾礦以無機(jī)微粉的形式添加到瀝青混合料中，導(dǎo)致磷尾礦對瀝青混合料路用性能的影響機(jī)制尚不清晰。而由于粉體材料的優(yōu)良特性，無機(jī)微粉常常被當(dāng)作一種改性劑或添加劑來改善瀝青和瀝青混合料的性能[5-6]。因此，本研究提出將磷尾礦加工成粉末狀材料，以磷尾礦微粉的形式添加到瀝青中對其進(jìn)行改性處理。

基于以上研究背景，本研究采用磷尾礦微粉替代普通石灰?guī)r礦粉，制備開級配多孔瀝青混合料，通過瀝青材料三大基礎(chǔ)指標(biāo)和動態(tài)剪切流變性能，以及對OGFC-16瀝青混合料抗水損害性能進(jìn)行測試，探究磷尾礦微粉對瀝青混合料抗水損害性能的影響規(guī)律。

1 原材料

磷尾礦微粉與瀝青之間存在相容性差異，將磷尾礦直接加入瀝青中會導(dǎo)致其在瀝青中分布不均而發(fā)生離析，因此，添加磷尾礦微粉前需要對其進(jìn)行改性處理。磷尾礦和磷渣作為磷化工生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，本研究根據(jù)磷渣微粉改性研究現(xiàn)狀，采用目前對磷渣微粉改性效果最好的磷酸型單烷氧基類鈦酸酯（TM-P）對磷尾礦微粉進(jìn)行改性。磷尾礦微粉改性處理之后，其基礎(chǔ)物理性能見表1。其表觀相對密度、含水率、粒度范圍和pH 等性能指標(biāo)均滿足公路工程對礦粉性能指標(biāo)的要求。其中表觀相對密度按照規(guī)范要求使用李氏比重瓶測得，pH 的測試方法參考瀝青路面礦粉酸堿度測試試驗規(guī)程。

表1 磷尾礦微粉的主要技術(shù)指標(biāo)

2 試驗方法

為了更清晰地解析磷尾礦微粉對瀝青混合料路用性能的影響機(jī)制，本研究首先將磷尾礦微粉分別以瀝青質(zhì)量比的4%、7%、10%、12%和15%摻配至瀝青材料中制成5 組不同性能等級的磷尾礦微粉-瀝青膠漿樣品，對其針入度、軟化點、延度等三大指標(biāo)和動態(tài)剪切流變性能進(jìn)行了測試分析。本研究還選用OGFC-16 級配瀝青混合料，進(jìn)行了磷尾礦微粉對瀝青混合料抗水損害性能的影響分析。瀝青混合料的級配組成見表2，確定最佳油石比為4%，測得試件空隙率為22.8%。混合料所用粗集料和細(xì)集料均為石灰?guī)r，礦物填料分別為普通石灰?guī)r礦粉和磷尾礦微粉。使用普通石灰?guī)r礦粉制備普通礦粉瀝青混合料作為對照組試件，將磷尾礦微粉以100%的比例取代普通石灰?guī)r礦粉制得磷尾礦微粉瀝青混合料試件。

表2 OGFC-16 瀝青混合料礦料級配

3 結(jié)果與討論

本研究采用JSM-IT300 型掃描電子顯微鏡對磷尾礦微粉進(jìn)行表面特性分析，其顆粒表面形貌如圖1 所示。從圖1 中可以看出，磷尾礦微粉顆粒粒徑大多為10~100 μm，且表面粗糙，粒型規(guī)整。當(dāng)與瀝青混合時，磷尾礦微粉的粗糙表面能夠增大與瀝青的黏附性，這對混合料的性能也有一定的提升作用。

圖1 不同放大倍數(shù)的磷尾礦微粉SEM 圖片

基于Mastersizer 2000 型激光粒度分析儀對磷尾礦微粉粒度進(jìn)行了分析，結(jié)果見表3。經(jīng)微粉表面改性處理，磷尾礦微粉的主體顆粒粒徑介于10~100 μm，體積平均粒徑為24.097 μm，顆粒粒徑分布曲線驗證了掃描電鏡的分析結(jié)果。磷尾礦微粉比表面積為1.400 m2/g，大于常規(guī)瀝青混合料用礦粉的比表面積，這就表明當(dāng)磷尾礦微粉應(yīng)用到瀝青混合料中，其自身較普通礦粉可以吸附更多的瀝青，從而形成結(jié)構(gòu)瀝青，說明磷尾礦微粉具有提升瀝青混合料溫度穩(wěn)定性的潛在優(yōu)勢。

表3 磷尾礦微粉的粒徑分析結(jié)果

圖2 為摻入磷尾礦微粉后針入度、延度、軟化點的變化趨勢。實驗數(shù)據(jù)表明，磷尾礦微粉對瀝青材料溫度敏感性和延展性影響較大，表現(xiàn)為隨著磷尾礦微粉摻量增加，其針入度和延度持續(xù)下降。但軟化點參數(shù)隨著磷尾礦微粉摻量的增加而表現(xiàn)出一定的波動性。

圖2 針入度、延度、軟化點隨磷尾礦微粉摻量增加的變化趨勢

本研究還采用了SHRP 試驗中提出的動態(tài)剪切試驗（DSR），通過對比原樣瀝青與5 種不同摻量的磷尾礦微粉-瀝青膠漿的高溫流變性能，探究磷尾礦微粉對瀝青高溫流變性能的影響規(guī)律及不同摻量磷尾礦微粉對瀝青高溫流變性能的影響趨勢。圖3 即為磷尾礦微粉摻量對磷尾礦微粉-瀝青膠漿高溫性能影響的結(jié)果，從圖3 中可以看出，瀝青樣品的復(fù)合剪切模量G*與車轍因子G*/sinδ 均隨著磷尾礦微粉摻量的增大而有所提升，而且當(dāng)溫度較低時這種趨勢最為明顯，這說明在瀝青中加入磷尾礦微粉可以改善其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，從而提高瀝青路面的抗車轍性能。比如，當(dāng)試驗溫度為46 ℃時，摻量為15%的磷尾礦微粉-瀝青膠漿的復(fù)合剪切模量G*與車轍因子G*/sinδ 均為原樣瀝青的1.4 倍，這也證明磷尾礦微粉的加入對瀝青抗車轍性能的提升起到了顯著的改善作用。

圖3 瀝青高溫流變性能隨磷尾礦微粉摻量的變化

本研究將磷尾礦微粉以100%的比例取代普通石灰?guī)r礦粉制得磷尾礦微粉瀝青混合料試件，制備2 種瀝青混合料，根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的要求，對這2 種瀝青混合料試件分別進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗，將2 組試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，圖4即為2 種瀝青混合料抗水損害性能對比結(jié)果，由圖4 中可以看出，普通礦粉瀝青混合料和磷尾礦微粉瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求的80%，凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 均滿足規(guī)范要求的75%。磷尾礦微粉替代普通石灰?guī)r礦粉后，瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 均有了明顯提高，這表明磷尾礦微粉的加入對瀝青混合料的水穩(wěn)定性能和抗凍融性能均有一定的優(yōu)化作用，提高了瀝青混合料的抗水損害性能。

圖4 2 種瀝青混合料抗水損害性能對比

4 結(jié)論

本研究針對磷尾礦微粉在道路瀝青中再利用時易團(tuán)聚難分散的問題，通過微粉表面改性并借助瀝青材料及其混合料的基礎(chǔ)物理性能、動態(tài)剪切流變性能和抗水損害性能，研究了改性磷尾礦微粉對瀝青混合料抗水損害性能提升的作用行為?；谏鲜鲅芯繑?shù)據(jù)，可得到下述研究結(jié)論。

1）磷尾礦微粉經(jīng)表面改性處置后，其顆粒表面粗糙，大于常規(guī)瀝青混合料用礦粉的比表面積，具有吸附更多瀝青、形成結(jié)構(gòu)瀝青的潛在優(yōu)勢。

2）摻微粉瀝青材料基礎(chǔ)物理性能分析表明，經(jīng)表面改性的磷尾礦微粉能夠均勻分散于瀝青中，并對其高溫穩(wěn)定性和抗車轍性能有積極貢獻(xiàn)，當(dāng)試驗溫度為46 ℃時，摻量為15%的磷尾礦微粉-瀝青膠漿的復(fù)合剪切模量G*和車轍因子G*/sinδ 都為原樣瀝青的1.4 倍，說明在瀝青中加入磷尾礦微粉能夠顯著提高其高溫穩(wěn)定性能和抗車轍的能力。

3）摻微粉瀝青混合料抗水損害性能分析表明，經(jīng)表面改性的磷尾礦微粉能夠改性多孔瀝青混合的抗水損害性能：采用磷尾礦微粉取代普通石灰?guī)r礦粉后，OGFC-16瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度從84.70%提升到了88.31%，凍融劈裂強(qiáng)度比從79.07%提升到了82.61%。