鐵礦圍巖碎石瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)

符東緒，胡家波，季正軍

（1.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031；2.山東省道路結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250102）

引言

隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)迅猛發(fā)展，鐵礦圍巖碎石作為工業(yè)廢棄物囤積的越來越多，不僅占用大量耕地而且長(zhǎng)期儲(chǔ)存也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生很大影響[1]。鐵礦圍巖碎石較石灰?guī)r致密且抗壓強(qiáng)度高，但其對(duì)瀝青黏附性稍差，研究鐵礦圍巖碎石是否可用于瀝青混合料，同時(shí)基于鐵礦圍巖碎石的性質(zhì)進(jìn)行了更為優(yōu)化的級(jí)配設(shè)計(jì)[2]，利用嵌擠型級(jí)配發(fā)揮鐵礦圍巖碎石良好的抗壓能力，使其表現(xiàn)出較佳的路用性能。進(jìn)行車轍、凍融劈裂性能驗(yàn)證及漢堡輪轍試驗(yàn)進(jìn)行非常規(guī)手段檢測(cè)，客觀評(píng)價(jià)鐵礦圍巖碎石應(yīng)用于瀝青混合料的可行性[3-5]。

1 瀝青混合料設(shè)計(jì)

1.1 原材料檢測(cè)

鐵礦圍巖經(jīng)過顎式破碎和反擊破碎的二級(jí)破碎工藝得到鐵礦圍巖碎石。對(duì)鐵礦圍巖碎石檢測(cè)結(jié)果見表1、表2。鐵礦圍巖碎石各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均滿足公路技術(shù)要求，其壓碎值17.5%，介于石灰?guī)r與玄武巖之間。因石灰?guī)r呈現(xiàn)出較強(qiáng)的堿性，紋理結(jié)構(gòu)不規(guī)則，對(duì)瀝青的黏附性優(yōu)于玄武巖，而鐵礦圍巖碎石對(duì)瀝青的黏附性4 級(jí)，與玄武巖對(duì)瀝青的黏附性等級(jí)大致相同。

表1 鐵礦圍巖碎石粗集料檢測(cè)結(jié)果

表2 鐵礦圍巖碎石細(xì)集料檢測(cè)結(jié)果

1.2 配合比設(shè)計(jì)

選取中面層AC-20 瀝青混合料，采用SBS 改性瀝青（I-D），按照馬歇爾設(shè)計(jì)法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。此次設(shè)計(jì)采用了兩種級(jí)配曲線，級(jí)配1 采用傳統(tǒng)的連續(xù)級(jí)配走向，級(jí)配2 采用4.75 ～9.5 mm 之間間斷的較為嵌擠的級(jí)配，見表3。級(jí)配2 相比級(jí)配1 粗骨料的比例偏多，中間4.75 ～9.5 mm 骨料偏少。確定了級(jí)配1 最佳瀝青含量4.2%，級(jí)配2 最佳瀝青含量4.3%，檢測(cè)馬歇爾試件的各項(xiàng)體積指標(biāo)見表4，均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范指標(biāo)》（JTG F40—2004）要求，可見鐵礦圍巖碎石可用于中面層AC-20 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)。

表3 設(shè)計(jì)級(jí)配

表4 室內(nèi)馬歇爾試件體積指標(biāo)

2 性能評(píng)價(jià)

2.1 車轍試驗(yàn)

按照表4 確定的最佳瀝青含量成型車轍試件，車轍試驗(yàn)結(jié)果為級(jí)配1 的動(dòng)穩(wěn)定度為4 200 次/mm，級(jí)配2 的動(dòng)穩(wěn)定度為5 250 次/mm。兩個(gè)級(jí)配車轍深度曲線對(duì)比見圖1，動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比和車轍變形量對(duì)比見圖2、圖3。級(jí)配2 為間斷嵌擠型級(jí)配，骨架結(jié)構(gòu)要優(yōu)于級(jí)配1，且鐵礦圍巖碎石具有更強(qiáng)的內(nèi)摩阻力。對(duì)比兩種級(jí)配45 min 和60 min的車轍變形量，級(jí)配2 變形量分別是1.48 mm 和1.60 mm， 級(jí) 配1 的 變 形 量 分 別 是2.07 mm 和2.22 mm，僅從變形量大小角度分析，基于嵌擠結(jié)構(gòu)的鐵礦礦圍巖碎石瀝青混合料高溫變形量更小，綜合分析，級(jí)配2 表現(xiàn)出了更佳地抵抗荷載變形的能力。

圖1 車轍深度對(duì)比曲線

圖2 動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比/（次/mm）

圖3 變形量對(duì)比

2.2 凍融劈裂試驗(yàn)

通過原材料檢測(cè)得知，鐵礦圍巖碎石對(duì)瀝青的黏附性為4 級(jí)，采取摻加生石灰粉作為鐵礦圍巖碎石的抗剝落劑措施，摻加生石灰粉1.0%代替礦粉，分別按照確定的最佳瀝青含量成型凍融試件，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 對(duì)比/%

由圖4 可看出，級(jí)配1、級(jí)配2 在不摻加生石灰粉時(shí)凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 均不能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求（TSR ≥80%），摻加瀝青混合料總重的1.0%的石灰粉代替礦粉后凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 均能夠滿足要求，且在摻加石灰粉時(shí)凍融劈裂強(qiáng)度比TSR級(jí)配2 優(yōu)于級(jí)配1，嵌擠型鐵礦圍巖碎石瀝青混合料表現(xiàn)出更優(yōu)的水穩(wěn)定性。因此，在采用低品位鐵礦碎石用于瀝青混合料的生產(chǎn)時(shí)，需采取一定的抗水損害措施，以確保瀝青混合料水穩(wěn)定性達(dá)到路用要求。

2.3 漢堡輪轍試驗(yàn)

摻加瀝青混合料總重1.0% 的生石灰粉代替礦粉后，通過室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100 次成型得到圓柱體試件，切割為標(biāo)準(zhǔn)漢堡輪轍試件進(jìn)行試驗(yàn)。級(jí)配1 和級(jí)配2 漢堡輪轍試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 鐵礦圍巖碎石瀝青混合料漢堡輪轍試驗(yàn)結(jié)果

級(jí)配1 和級(jí)配2 的變形基本一致，且均未出現(xiàn)剝落拐點(diǎn)，說明通過采取摻加生石灰粉作為抗剝落劑的措施后，兩個(gè)級(jí)配的瀝青混合料均具有較強(qiáng)的抗水損害能力[6]。由表5 可以看出，碾壓10 000 次或者碾壓20 000 次時(shí)，級(jí)配1 的輪轍深度均大于級(jí)配2，與本高溫性能動(dòng)穩(wěn)定度車轍試驗(yàn)結(jié)果相一致。級(jí)配2 的嵌擠骨架更好，鐵礦圍巖碎石抗壓強(qiáng)度高、內(nèi)摩阻力大，因此，級(jí)配2 表現(xiàn)出更優(yōu)的高溫性能。同時(shí)，兩個(gè)級(jí)配的試件在碾壓10 000 次及碾壓20 000 次時(shí)最大變形深度不超過4 mm，均能充分滿足德克薩斯州的漢堡輪碾試驗(yàn)要求，而且不超過美國(guó)國(guó)家瀝青中心（NCAT）的輪轍變形的建議值。

2.4 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

采用Superpave 簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)（SPT），在不同試驗(yàn)條件下對(duì)其進(jìn)行單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，評(píng)價(jià)鐵礦圍巖碎石瀝青混合料的路用性能。采取抗剝落措施后，通過室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次對(duì)混合料進(jìn)行成型，取芯、切割得到直徑100 mm，高150 mm 的圓柱體試件。采用SPT，從5 ℃、20 ℃、40 ℃三個(gè)溫度，10 Hz、5 Hz、2 Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.2 Hz、0.1 Hz 七個(gè)頻率進(jìn)行正弦振動(dòng)加載試驗(yàn)，按照從低溫到高溫，從高頻向低頻進(jìn)行試驗(yàn)[7-9]。

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到圖5，鐵礦圍巖碎石瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量及相位角呈現(xiàn)出的變化規(guī)律[10]：動(dòng)態(tài)模量隨頻率的增大而增大、隨試驗(yàn)溫度的升高而減小，相位角隨試驗(yàn)溫度的升高而增大。

圖5 鐵礦圍巖碎石瀝青混合料試驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）規(guī)定的單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量設(shè)計(jì)要求，即對(duì)SBS 改性瀝青AC-20 混合料在試驗(yàn)溫度20 ℃，加載頻率在10 Hz 條件下的動(dòng)態(tài)模量取值范圍為9 000 ～13 500 MPa[11-12]。在此條件下，鐵礦圍巖碎石混合料動(dòng)態(tài)模量為9 105 MPa，整體滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（D50—2017）的要求。

3 結(jié)語

（1）鐵礦圍巖碎石致密，相對(duì)石灰?guī)r表現(xiàn)出良好的抗壓強(qiáng)度，其原材檢測(cè)指標(biāo)滿足公路瀝青路面施工技術(shù)對(duì)集料的要求；通過馬歇爾試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，鐵礦圍巖碎石AC-20 瀝青混合料各項(xiàng)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求，將其用于瀝青混合料可行。（2）鐵礦圍巖碎石致密且堿性低于石灰?guī)r，其對(duì)瀝青的黏附性為4 級(jí)，與玄武巖大致相同，因此，在進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)須采取必要的抗剝落措施。摻加混合料的1.0%生石灰粉代替礦粉后，鐵礦圍巖碎石瀝青混合料的車轍、凍融劈裂、漢堡輪轍試驗(yàn)均滿足性能要求，鐵礦圍巖碎石瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性表現(xiàn)良好。（3）基于鐵礦圍巖碎石良好的巖性，鐵礦圍巖碎石AC-20 瀝青混合料優(yōu)化后的嵌擠型級(jí)配比傳統(tǒng)連續(xù)型級(jí)配具有更小的車轍和漢堡輪轍試驗(yàn)變形量，優(yōu)化后的鐵礦圍巖碎石AC-20 瀝青混合料表現(xiàn)出更優(yōu)的路用性能。（4）通過對(duì)鐵礦圍巖碎石瀝青混合料進(jìn)行單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，鐵礦圍巖碎石混合料的動(dòng)態(tài)模量和相位角呈現(xiàn)出的變化規(guī)律：動(dòng)態(tài)模量隨頻率的增大而增大、隨試驗(yàn)溫度的升高而減小，相位角隨試驗(yàn)溫度的升高而增大。整體滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（D50—2017）對(duì)瀝青混合料單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量的要求。（5）鐵礦圍巖碎石經(jīng)過處理可以用于瀝青混合料，成為新型筑路材料。將工業(yè)廢棄物再利用，代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑材料，節(jié)約資源，對(duì)節(jié)能減排意義重大。