礦業廢渣在瀝青混凝土路面中的應用

邵劍紅

(河北省遷安市交通局)

素有“鐵遷安”之稱的河北省遷安市地下蘊藏著大量的鐵礦石,鐵礦石的大量開采,在帶來經濟效益的同時,也給周邊的環境帶來了一定的影響,開采過程中產生的大量礦業廢渣(當地稱磁滑輪、尾礦砂等),隨意廢棄占用土地,得不到合理的利用,如果能夠將這些廢余礦料應用于公路建設之中,變廢為寶,不但能夠節約大量的砂石材料投資,而且可以減少礦料開采對生態環境的影響,這對推進公路建設乃至整個遷安市的經濟發展有著十分重要的意義。

鐵礦石經過磁選后剩余較粗的碎石稱為磁滑輪,較細的石料稱為尾礦砂,在水泥穩定碎石基層施工中大量采用了這兩種材料,但還沒有應用到路面面層混合料中。為了能更充分地利用這些材料,將其應用到瀝青混合料面層,通過室內試驗,以這兩種材料替代 10～20mm碎石和天然砂作為瀝青混合料中的基本骨料,進行瀝青混合料配合比設計以及混合料性能驗證試驗,分析這兩種材料應用于瀝青混凝土路面面層的可行性。

1 原材料分析

(1)瀝青分析:試驗采用的是錦州生產的 70#瀝青,其各項指標見表 1。

表 1 瀝青指標試驗結果

瀝青試驗結果顯示,選用瀝青的各項性能指標均符合規范要求。

(2)集料分析。

由于本次配合比設計選用 AC-16C型密級配瀝青混合料,所以采用的礦料為 10～20mm磁滑輪、5～10mm碎石、機制砂和 0～5mm的尾礦砂。

對選用的集料進行篩分試驗,篩分結果符合施工規范要求。

經過對磁滑輪、尾礦砂進行的各項物理、力學技術指標試驗均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》中對集料的要求。壓碎值和磨耗值所反映的礦料強度和耐磨性能比較好。經過水煮法試驗檢測的磁滑輪與瀝青的粘附性指標達到等級 4,說明這類材料與瀝青混合料的粘附能力是比較好的。集料的篩分結果顯示,各檔集料的通過率基本滿足《公路瀝青路面施工技術規范》中集料規格的要求,其中 10～20mm磁滑輪基本屬于規范 S9規格,0～5mm尾礦砂屬于S15規格。因此,按照該種材料自身的特點將其作為瀝青混合料中的集料完全是可行的。

表 2 磁滑輪技術指標試驗結果

表 3 尾礦砂技術指標試驗結果

2 瀝青混合料配合比設計

按照中國瀝青路面氣候分區圖,唐山地區屬于夏熱冬冷區(1-3)。

根據《公路瀝青路面施工技術規范》中對于夏熱冬冷區重載交通的馬歇爾試驗技術標準,本次馬歇爾試驗的技術要求如表 4所示。

表 4 AC-16型瀝青混合料馬歇爾試驗技術要求

(1)確定礦料級配。

根據JTGF40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》要求,標準配合比的礦料合成級配中,至少應包括 0.075mm、2.36mm、4.75mm及公稱最大粒徑篩孔的通過率接近優選的工程設計級配范圍的中值,并避免在 0.3～0.6mm處出現“駝峰”。設置控制點是要求集料級配不得超出規定的區間,并限制了關鍵篩孔的通過率。為此,根據各種礦料的篩分結果進行級配設計,級配設計結果見表 5。

表 5 混合料級配設計結果

(2)確定最佳瀝青用量。

瀝青混合料配合比試驗分別采用 4.3%、4.6%、4.9%三種瀝青用量成型馬歇爾試件,試件成型過程中嚴格進行溫度控制,包括礦料加熱溫度為 170～190℃,瀝青加熱溫度150～160℃,混合料拌和溫度 140～160℃,試件擊實溫度130～150℃。最終成型的三組試件,測定各項物理力學指標試驗結果見表 6。

表6 馬歇爾試件各項物理力學指標試驗結果

以瀝青用量為橫坐標,分別以空隙率、視密度、穩定度、流值、飽和度為縱坐標繪制關系圖 ,最終的瀝青混合料最佳瀝青用量 OAC=(OAC1+OAC2)/2=4.5%。

確定最佳瀝青用量后進行馬歇爾穩定度試驗以驗證瀝青混合料的配合比設計,數據如表 7所示。

表 7 最佳瀝青用量時馬歇爾試件試驗結果

3 瀝青混合料性能檢驗

據中國瀝青路面氣候分區圖(雨量),唐山地區屬于濕潤區,并根據《公路瀝青路面施工技術規范》中對混合料使用性能的要求,AC-16C型瀝青混合料的使用技術要求,具體數據如表 8所示。

表 8 AC-16C型瀝青混合料技術要求

(1)瀝青混合料高溫穩定性檢驗。

因瀝青路面的強度與剛度隨溫度升高而顯著下降,為了保證瀝青路面在高溫季節行車荷載反復作用下不致產生諸如波浪、推移、車轍、擁包等病害,要求瀝青路面具有良好的高溫穩定性,即在高溫時具有足夠的強度和剛度。一般采用車轍試驗來評價瀝青路面的高溫性能,并作為瀝青混合料配合比設計的一項內容,按照瀝青混合料車轍試驗規程,檢驗最佳瀝青用量下瀝青混合料高溫穩定性能,以分析廢礦料對瀝青混合料高溫穩定性能的影響。

測試 AC-16C型混合料的車轍試驗結果見表 9。

車轍試驗作為檢驗瀝青混合料高溫性能的重要試驗,其試驗結果能夠準確反映出廢礦料瀝青混合料的高溫穩定性能。本次試驗數據顯示,按照確定的最佳瀝青用量設計瀝青混合料試件在進行車轍試驗之后其動穩定度達到1422次/mm,符合《公路瀝青路面施工技術規范中》中大于800次的要求,故從高溫穩定性能方面看,將廢礦料作為瀝青混合料的集料是完全可行的。

表9 最佳瀝青用量時車轍試驗試件試驗結果

(2)瀝青混合料水穩定性檢驗。

水與車輪荷載同時作用易引起瀝青路面中瀝青和石料界面粘附性降低,導致剝離、掉粒、松散、坑洞等破壞,是瀝青路面的主要破壞形式之一。

集料性質對瀝青混合料的水穩定性有重要影響,為了分析廢礦料對瀝青混合料水穩定性的影響,本研究采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價廢礦料瀝青混合料的水穩定性。

浸水馬歇爾試驗是室內試驗驗證瀝青混合料水穩定性的基本方法之一,進行浸水馬歇爾穩定度試驗以檢驗瀝青混合料受水損害時抵抗剝落的能力,通過測試其水穩定性檢驗配合比設計的可行性。按照瀝青混合料的設計配合比制作馬歇爾試件,進行 48h浸水馬歇爾試驗,試驗的結果見表 10。

表 10 最佳瀝青用量馬歇爾殘留穩定度試驗結果

以廢礦料作為基本集料對已確定最佳瀝青用量的瀝青混合料試件進行浸水馬歇爾試驗,試驗結果表明在此最佳瀝青用量下的廢礦料瀝青混合料的水穩定性能良好,從水穩定性方面來講將廢礦料作為瀝青混合料的集料是完全可行的。

4 試驗段的施工

在試驗段的施工中,對各項指標進行了檢測,結果為表11。并對現場壓實度度、彎沉、平整度等項指標也進行了檢測,均符合標準要求。

表 11 現場施工馬歇爾試驗結果

表 12 現場馬歇爾殘留穩定度試驗結果

5 經濟分析

表 13 以每噸瀝青混合料計算

從表中數據可以看出,使用磁滑輪、尾礦砂代替碎石、天然砂使瀝青混合料的造價有明顯降低,每噸瀝青混合料可降低 15元。

6 結 論

鐵礦廢料的應用證明該種材料是一種變廢為寶,就地取材,效果顯著的筑路材料,各項試驗檢測結果均能符合《公路瀝青路面施工技術規范》要求,能夠滿足做為瀝青混凝土路面面層材料的要求。因其經濟效益和社會效益顯著,將有廣闊的推廣應用前景。

[1]公路瀝青路面施工技術規范(JTGF40-2004).

[2]公路瀝青路面設計規范JTGD50-2006.