福建地區鐵尾礦砂瀝青混凝土路用性能研究

邵 彩

(福建南平路橋養護工程有限公司，南平 353000)

近年來我國的公路行業高速發展， 瀝青路面作為高等級公路的主要形式[1]，占我國高速公路的90%以上。 由于其良好的表面性能以及噪音低、無接縫、不揚塵、易清洗、可再生等優勢，可以預見其將會成為未來公路建設的主要形式。伴隨著交通需求的日益增長，對于瀝青路面的建設也會同比增長， 然而無論是瀝青結合料還是礦質集料，都是不可再生資源，礦質集料的過度開采會加速自然資源的枯竭，影響生態平衡最終對人類社會造成災難。因此尋求傳統礦質集料的替代物就顯得尤為重要。

我國是鋼鐵行業大國，礦產資源豐富，但大部分礦山都只追求單方面礦產資源的開采，對于礦產開發的“邊角料”尾礦，由于金屬含量低一般都選擇擱置廢棄，這不僅造成了大量的資源浪費， 同時由于其整體堆積占用大量土地，導致土地資源失衡。 在全國的尾礦庫中約有1/3 為鐵尾礦[2]，福建省的陽山鐵礦區、馬坑鐵礦區目前都大量堆積著鐵尾礦。 鐵尾礦主要成分是二氧化硅，其細度好，不用破碎， 而且相比礦質集料， 經濟效益具有明顯的優勢， 因此， 鐵尾礦砂用于公路建設不僅可以提高資源利用，同時對工程具有良好的經濟效益性。本文通過采用鐵尾礦砂代替4.75mm 以下礦質集料制備鐵尾礦砂瀝青混凝土，確定最佳油石比，并通過室內試驗與普通熱拌瀝青混凝土路用性能進行對比， 為福建省鐵尾礦利用及瀝青路面建設提供技術參考。

1 原材料

1.1 集料及填料

試驗采用粒徑10～15mm、5～10mm 粗集料均為石灰巖，填料采用石灰巖礦粉，按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）測試集料和礦粉的各項性能，均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004） 中的性能要求。 填料0～5mm 細集料采用鐵尾礦砂代替傳統礦質集料，本次使用的鐵尾礦砂主要取自福建省陽山鐵礦區，其主要形貌與特征如圖1 所示。

圖1 鐵尾礦砂形貌特征

為進一步了解陽山礦區的鐵尾礦的物理與化學性質，表1～2 列出了鐵尾礦砂的一些物理性質。由表1 可知，鐵尾礦各項密度略小于石灰巖但基本相同。吸水率較高，表現為親水性集料，因此應重點關注瀝青混合料水穩定性能。

表1 鐵尾礦與石灰巖密度參數

表2 鐵尾礦與石灰巖密度參數

1.2 瀝青結合料

由于鐵尾礦的主要成份為SiO2，集料整體呈酸性，因此為了提高集料與瀝青的粘附性， 本次研究采用SBS I-B 作為結合料制備瀝青混合料。 其主要性能如表3 所示。

表3 SBS I-B 瀝青技術指標

2 鐵尾礦砂瀝青混合料組成設計

2.1 級配設計

為研究鐵尾礦砂代替部分礦質集料后瀝青混合料的路用性能， 本文選擇我國最為常用的密級配類型AC-13作為研究對象， 設計時適當減小公稱最大粒徑附近的粗集料和0.6mm 以下的細集料用量， 使中等粒徑集料較多，形成良好的S 型級配曲線。本文選用的設計級配曲線如圖2 所示。 另外選取常規石灰巖作為礦質集料制備AC-13 瀝青混合料用于與鐵尾礦砂瀝青混合料路用性能進行對比分析。

2.2 最佳瀝青用量確定

瀝青最佳用量的確定選擇馬歇爾體積設計方法進行，按拌和溫度175℃，成型溫度165℃，雙面擊實各75次的條件成型標準馬歇爾試件。 選擇油石比4.3%、4.6%、4.9 %、5.2%、5.5%，按上述條件成型標準馬歇爾試件。 依據JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》 的規定計算瀝青混合料理論最大密度。 采用T0706-2011 壓實瀝青混合料密度試驗（水中重法）測定試件的毛體積相對密度。 馬歇爾試件體積參數及馬歇爾試驗結果見表4 及圖3～8， 其中瀝青混合料的礦料間隙率VMA 依據JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，采用礦料混合料的合成毛體積相對密度計算。

圖2 鐵尾礦砂瀝青混合料AC-13 級配設計曲線

表4 鐵尾礦砂瀝青混合料最佳油石比設計參數

圖3 瀝青用量與毛體積相對密度

圖4 瀝青用量與空隙率

圖5 瀝青用量與礦料間隙率

圖6 瀝青用量與瀝青飽和度

圖7 瀝青用量與穩定度

圖8 瀝青用量與流值

由上述試驗參數可以計算得到鐵尾礦砂瀝青混合料的最佳油石比為4.9%，作為對比組的常規瀝青混合料采用相同的方法測得最佳油石比為5.0%。

3 鐵尾礦砂瀝青混合料路用性能研究

3.1 高溫性能研究

高溫性能是瀝青混合料的重要性能， 夏季路面溫度可高達75℃，瀝青混合料是由粗集料、砂漿、空隙組成的三相體復雜結構， 其中砂漿是由瀝青結合料和細集料組成的一種典型粘彈性材料，高溫下粘性性質顯著，流動性大。 在車輛荷載作用下瀝青混合料承受車輛荷載和剪切作用，極易發生車轍，從而進一步降低路面使用質量，影響行車安全。鐵尾礦用于本研究中細集料的替代品，是高溫下的薄弱環節， 此外福建地區在瀝青路面氣候分區中屬于夏炎熱區(1-4 區)。 因此高溫穩定性對于福建地區鐵尾礦瀝青路面顯得尤為重要，本研究以動穩定度作為評價指標分析對比其高溫性能的優劣。 試驗結果如圖9 所示。

圖9 鐵尾礦砂與石灰巖混合料動穩定度

由車轍試驗的結果可知， 鐵尾礦砂作為礦質細集料的替代品對瀝青混合料的高溫性能造成了一定的不利作用，動穩定度下降了24.7%，但是鐵尾礦砂瀝青混合料的高溫穩定性均滿足福建地區改性瀝青動穩定度標準的2800 次/mm 要求。 這主要是由于鐵尾礦的化學成分偏酸性，不易與瀝青酸酐結合，因此導致粘附性降低，沒能形成足夠的強度， 從而導致高溫條件下動穩定度低于堿性集料瀝青混合料。

3.2 低溫性能研究

冬季氣溫降低，瀝青路面多發低溫開裂病害。瀝青混合料內部由于溫度下降導致溫度應力的產生， 一般情況下，瀝青混合料具有應力松弛的能力，因此當溫度緩慢變化時，瀝青混合料不會輕易產生低溫開裂；但當氣溫出現急劇變化或面層材料的松弛性能不好時， 瀝青結合料的脆性顯著， 使得內部溫度應力來不及松弛就超過了抗拉強度極限，路面因此出現低溫開裂[3]。 低溫開裂不僅破壞了路面的承載能力， 還會進一步將大氣降水通過裂縫引入路面帶入基層，產生更嚴重的病害。本研究通過低溫蠕變實驗對鐵尾礦砂瀝青混合料進行性能測試， 實驗結果如圖10 所示。

由圖10 可知鐵尾礦砂瀝青混合料的低溫性能率低于石灰巖瀝青混合料， 彎拉應變與彎曲勁度模量分別降低了7.5%和9.6%，均高于福建地區低溫彎拉應變的要求值（≥2000με）。 這表明鐵尾礦砂的摻入并不會對瀝青混合料的低溫性能造成顯著影響， 完全可以滿足混合料對于低溫性能的要求。

圖10 鐵尾礦砂與石灰巖混合料低溫性能

3.3 水穩定性能研究

瀝青路面常見病害除了車轍變形和低溫開裂之外，瀝青混合料的水損害也是常見的破壞形式之一， 并且水損害的影響會隨著水作用的時間增長而增大。 瀝青混合料的水穩定性主要與集料的化學性質有關， 對于憎水性的堿性物質，能與瀝青很好的粘附從而提高其水穩定性。本次研究用的鐵尾礦砂吸水率達到1.484，屬于親水性物質，因此需要重點研究鐵尾礦砂瀝青混合料的水穩定性。本研究采用國內常用的浸水馬歇爾試驗方法以及國外普遍采用的漢堡車轍試驗方法來評價鐵尾礦砂瀝青混合料的水穩定性能。

3.3.1 浸水馬歇爾實驗

該試驗是檢驗瀝青混合料受水侵蝕時的抗剝落能力。試驗分別對鐵尾礦砂瀝青混合料與石灰巖瀝青混合料根據 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）進行浸水馬歇爾試驗，其試驗結果如圖11 所示。

圖11 鐵尾礦砂與石灰巖浸水馬歇爾性能

由圖11 可知，隨著浸水時間的增長，兩種礦質瀝青混合料的穩定度均存在一定程度的下降，其中經過48h 浸水試驗后鐵尾礦砂殘留穩定度相對于石灰巖僅僅降低了7.0%，并高于冬溫區的規范要求值（≥80%）。 說明鐵尾礦砂雖然吸水性較強，但是并沒有顯著降低瀝青混合料的水穩定性，可以保證瀝青路面的使用品質。

3.3.2 漢堡車轍實驗

浸水馬歇爾試驗是在實驗室條件下模擬瀝青混合料浸水后的靜態測試方法，其實際被證明與現場水穩定性能的優劣并無直接關系。 漢堡車轍試驗儀主要是由德國的Helmut-Wind Incorporated of Hamburg 研發生產出來的。 德國以此試驗作為規范的一個要求，用來評估一些交通量較大的行車道路的車轍和抗剝落性能。 使用旋轉壓實儀成型直徑150mm，高度62±2mm 的圓柱形試件，并將兩個試件中每一個切去小弓形后組合成一組試件， 以適應試驗的塑料模具（圖12）。 漢堡車轍試驗的溫度范圍為25℃～70℃，其中常用的溫度為45℃或50℃[4]。 在此試驗中，將施加705N（158Lb，1Lb=454g） 荷載的47mm 寬的鋼輪在試件上進行往復運動，運動速度約為52 次/min， 當鋼輪達到20000 次往復運動次數或試件產生20mm 的變形時，試驗停止，試驗得到的指標主要以剝落點作為水穩定性評價的主要標準。

圖12 漢堡車轍圓柱體試件尺寸

由于漢堡車轍試驗能較為真實的模擬現場實際情況下瀝青混合料的真實狀態，因此目前在全世界范圍內得到了更多的關注與應用。本研究同樣采用漢堡車轍試驗對鐵尾礦砂瀝青混合料的水穩定性進行測試，同時與浸水馬歇爾試驗的結果進行對比分析。20000 次下的車轍深度如圖所示，結果表明鐵尾礦砂的剝落次數降低了14.8%，相較于石灰巖瀝青混合料水穩定性能有一定程度的下降，實驗結果與浸水馬歇爾試驗的結果基本一致。鐵尾礦砂屬于酸性集料，與瀝青粘附性相對較低，在水存在的情況下易發生與瀝青結合料的脫粘，從而導致瀝青混合料水穩定性存在一定程度的下降， 但綜合實驗結果表明，雖然鐵尾礦砂瀝青混合料的水穩定性能略有下降，但足以保證瀝青路面的使用要求。

圖13 漢堡車轍實驗結果

4 結論

本文研究了福建地區鐵尾礦的主要物理性質。基于馬歇爾體積法確定了鐵尾礦砂瀝青混合料的最佳油石比，并在此條件下制備鐵尾礦砂與石灰巖瀝青混合料用于路用性能對比研究。將兩種混合料分別進行車轍試驗、低溫小梁試驗、浸水馬歇爾實驗和漢堡車轍試驗，得出結論主要如下：

（1）高溫穩定性能方面：鐵尾礦砂瀝青混合料的動穩定度相較于石灰巖瀝青混合料降低了24.7%。 但兩者均滿足福建地區規范要求（≥2800 次/mm）。這主要是由于鐵尾礦砂中含有大量的SiO2，與瀝青的粘附性較差，沒有形成強度，從而在高溫下抵抗荷載作用降低，容易產生車轍。 漢堡車轍試驗佐證了車轍試驗結果的準確性。

（2）低溫穩定性能方面：低溫彎曲蠕變試驗的結果表明鐵尾礦砂瀝青混合料的低溫性能基本沒有下降，彎拉應變與彎曲勁度模量僅僅降低了7.5%和9.6%，遠遠高于冬溫區彎拉應變的要求值（≥2000με）。 盡管鐵尾礦砂與瀝青的粘附性下降，但其仍能保證瀝青結合料其本身的松弛能力，抵抗低溫下的破壞水平，

（3）水穩定性方面：通過國內常用的浸水馬歇爾試驗以及國外普遍采用的漢堡車轍試驗對鐵尾礦砂瀝青混合料與石灰巖瀝青混合料進行試驗分析。結果表明鐵尾礦砂瀝青混合料基本與石灰巖瀝青混合料性能接近，48h 殘留穩定度降低7%，大于規范要求中的≥80%，剝落次數僅僅低于石灰巖瀝青混合料14.8%，并未出現顯著降低。

（4）鐵尾礦砂瀝青混合料在遠遠高于福建地區瀝青路面施工技術性能要求的基礎上，還能實現“變廢為寶”，同時減少了大量尾礦堆積造成的土地資源浪費，同時降低了瀝青路面建設的造價，具有良好的經濟與環境效益。