基于鐵尾礦砂的瀝青混合料路用性能研究

顧瑞海高賓宋振海張民王鑫洋

(1.山東高速集團有限公司 建設管理公司，山東 濟南 250000；2.山東高速工程檢測有限公司，山東 濟南 250002；3.山東省交通運輸廳工程建設事務中心，山東 濟南 250001)

0 引言

瀝青路面由于其行車舒適耐磨、施工周期短、養護維修簡便等優點越來越多地應用到公路建設中。目前，瀝青路面占我國高速公路的比例＞90%，且已進入建設與養護并行的階段[1]。然而，傳統砂石材料的不可再生、價格昂貴及生產瀝青混合料集料資源的愈發緊張，亟需一種量大、價低的路面用替代材料。鐵尾礦砂是礦石經過濕磨、磁選后經過篩分處理的廢棄尾礦石屑，一般占礦石總量的60%～80%[2]。隨著我國鋼鐵行業的巨大體量和發展，每年處理鐵礦石約有10億t，產出約7億t鐵尾礦砂，目前累計堆放的鐵尾礦砂已超過60億t[1-3]。由于我國南北跨度大且地質復雜，致使鐵尾礦砂的物理化學成分差異較大；地域、交通條件的限制使得我國鐵尾礦的綜合利用也受到一定阻礙[4-5]。大量的鐵尾礦砂的堆積造成了嚴重的環境污染、占用耕地的問題，同時也是一種巨大的資源浪費。若將鐵尾礦砂代替細集料應用到瀝青混合料中，既可緩解砂石材料資源緊張的局面，又可解決鐵尾礦造成的環境污染、資源浪費問題。

田知文[1]將遼寧地區的鐵尾礦石當作粗集料應用到AC-20瀝青混合料中，并分析其路用性能，得出粗集料用鐵尾礦石的AC-20的路用性能不如玄武巖集料AC-20，而采用硅烷偶聯劑進行改善后，鐵尾礦石AC-20瀝青混合料的路用性能得到顯著提高。蘭晶晶等[6]采用SiO2質量分數為73.56%的酸性鐵尾礦砂充當細集料設計了AC-16瀝青混合料并研究其路用性能，鐵尾礦砂瀝青混合料能夠滿足低等級路面的要求。張鐵志等[3]采用鞍山鐵尾礦砂設計AC-16、AC-13兩種鐵尾礦砂瀝青混合料，發現鐵尾礦砂完全可以用作摻加到瀝青混合料中的細集料，且鐵尾礦砂瀝青混合料的穩定度有所提高，增加了混合料的粘聚力。

目前，對鐵尾礦砂應用到瀝青路面，尤其是高等級路面層的研究仍然偏少。結合山東省棗莊地區的鐵尾礦砂特性，深入研究了鐵尾礦砂在高等級路面結構層中的應用。

1 材料及其性能

1.1 鐵尾礦砂

1.1.1 化學特性分析

(1)化學成分及燒失量分析

采用的鐵尾礦砂為“棗木連接線工程”沿線棗莊地區的鐵尾礦砂，其主要礦物成分為SiO2、Fe2O3、Al2O3；SiO2質量分數52%～65%的集料為中性集料[7]，而鐵尾礦砂的SiO2質量分數為61.85%，屬于中性集料。

(2)有害物質質量分數分析

對鐵尾礦砂進行有害物質含量檢測，檢測結果見表1。鐵尾礦有害物質含量均滿足技術要求；鐵尾礦砂滿足環保要求。

表1 鐵尾礦砂有害物質含量分析表

(3)放射性評價

檢測鐵尾礦砂的放射性，其結果見表2。鐵尾礦砂的內照射指數、外照射指數遠低于規范要求低限值；鐵尾礦砂無放射性危害。

表2 鐵尾礦砂放射性分析表

1.1.2 常規物理特性分析

(1)鐵尾礦砂級配組成及細度模數

水洗篩分鐵尾礦砂，其細度模數由式(1)表示為

式中Mx為砂的細度模數；A0.15、A0.3、A0.6、A0.18、A2.36、A4.75分別為各篩的累計篩余百分率，%。

經計算，鐵尾礦砂的細度模數為0.507，其值＜1.5，按砂的分類屬于特細砂。

(2)表觀密度

采用容量瓶法測定鐵尾礦砂的表觀密度為2.91 g/cm3，其值≥2.50 g/cm3，滿足瀝青混合料用細集料的要求[8]。

(3)砂當量

對鐵尾礦砂進行砂當量試驗，計算得到鐵尾礦砂的砂當量為90%≥60%，比較潔凈，滿足瀝青混合料用細集料的要求[8]。

1.1.3 棱角性分析

集料是瀝青混合料中組成比例最大的部分，細集料是集料中的重要組成部分，其形態特征對瀝青混合料的力學特性、結構特性具有重大影響，棱角性為0時表明集料顆粒為無棱角圓形顆粒。研究表明，棱角性顯著影響混合料的高溫性能，其值越高，集料之間的受力點數增多，減少了混合料的豎向變形，其高溫性能越好[9-12]。將玄武巖、石灰巖與鐵尾礦砂分檔篩分后采用集料圖像測量系統分別進行棱角性試驗，試驗結果如圖1所示。對于0.075～0.3、0.3～2.36、2.36～4.75 mm粒徑范圍的細集料，棱角性大小為:鐵尾礦砂＞玄武巖＞石灰巖；鐵尾礦砂的棱角性最豐富，最有利于混合料的高溫性能，0～5 mm玄武巖次之，0～5 mm石灰巖最差。

圖1 不同粒徑范圍棱角性分布圖

1.1.4 微觀形貌特性分析

物質的宏觀性能與其微觀結構特征密切相關。潔凈的鐵尾礦砂、玄武巖、石灰巖細集料經3000次磨耗后進行掃描電鏡試驗，分析其微觀結構，如圖2所示。

從圖2可以看出，鐵尾礦砂顆粒較為規則、明顯，方正塊狀顆粒較多，斷裂處的線條、棱角明顯，基本無碎小粉末顆粒；玄武巖的磨耗破碎后的方正規則塊狀顆粒較少，碎小顆粒及粉末較多；石灰巖磨耗破碎后的粉末最多，顆粒較少且棱角被磨耗的最為圓滑。因此，可認為0～5 mm細集料的耐破碎性大小為鐵尾礦砂＞玄武巖＞石灰巖；微觀結構的規則性大小為鐵尾礦砂＞玄武巖＞石灰巖；這與鐵尾礦砂的棱角性大小對比結果一致。

圖2 鐵尾礦砂、玄武巖、石灰巖掃描電鏡圖

1.1.5 粘附性分析

接觸角用來定量評價瀝青的粘附性被越來越多的應用[13-14]。文章以瀝青為介質，評價瀝青與鐵尾礦石、石灰巖石、玄武巖石的粘附性大小，采用座滴法，試驗結果如圖3所示。

圖3 鐵尾礦砂、玄武巖、石灰巖與瀝青的接觸角圖

鐵尾礦與瀝青的接觸角最大，玄武巖的接觸角略低于鐵尾礦，均顯著大于石灰巖。因此，可認為鐵尾礦的親油性最差，即與瀝青的粘附性最差，玄武巖的親油性略高于鐵尾礦，石灰巖的親油性最佳，與瀝青的粘附性最好。

1.2 集料

SMA-13瀝青混合料采用耐磨性較高的0～5 mm、5～10 mm和10～15 mm玄武巖。AC-20瀝青混合料采用0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm石灰巖。經過試驗檢測，粗細集料的技術指標滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》[8]的要求。

1.3 瀝青

AC-20、SMA-13瀝青混合料均使用SBS改性瀝青，技術指標見表3，SBS改性瀝青的技術指標滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》[8]的相關要求，屬于I-D類。

表3 SBS改性瀝青的關鍵技術指標表

2 鐵尾礦砂瀝青混合料設計

2.1 混合料礦料級配設計

采用馬歇爾設計方法設計了SMA-13、AC-20的瀝青混合料，為了充分利用鐵尾礦砂，參考級配上下限控制范圍，最終設計SMA-13瀝青混合料的鐵尾礦砂摻量為10%、AC-20瀝青混合料的鐵尾礦砂摻量為7%。并設置未摻加鐵尾礦砂的SMA-13、AC-20對照組。4組瀝青混合料的級配組成見表4和5。

表4 SMA-13級配組成表

表5 AC-20級配組成表

2.2 最佳瀝青用量

SMA-13瀝青混合料采用5.4%、5.7%、6.0%、6.3%、6.6% 5個瀝青用量，AC-20瀝青混合料采用3.4%、3.9%、4.4%、4.9%、5.4% 5個瀝青用量進行最佳瀝青用量的確立。經過馬歇爾試件的相關體積指標參數及性能計算，確立了4組瀝青混合料的最佳瀝青含量，見表6。

表6 最佳瀝青含量表 %

研究表明，在夏炎熱區(1-3區)AC-20瀝青混合料在路面深約≤90 mm時，空隙率控制在4%～6%，SMA-13瀝青混合料的空隙率控制在3%～4%時，瀝青混合料會發揮最大作用，耐久性更佳[4]。4組瀝青混合料分別采用最佳瀝青含量進行馬歇爾試驗，標準馬歇爾試件的空隙率均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》[8]的要求。

3 鐵尾礦砂瀝青混合料路用性能研究

3.1 高溫性能試驗與分析

采用穩定度試驗、車轍試驗評價瀝青混合料的高溫穩定性與抗車轍性能。試驗結果分別見表7和8。

表7 馬歇爾穩定度試驗結果表

表8 車轍試驗數據表

由表7和8可知，摻加鐵尾礦砂后的SMA-13、AC-20瀝青混合料的穩定度、流值與動穩定度均滿足規范要求[8]且略高于未摻加鐵尾礦砂的空白對照組。

瀝青混合料的高溫性能主要取決于混合料粗骨料構造的骨架結構與集料的棱角性，鐵尾礦砂作為細集料摻加到SMA-13、AC-20瀝青混合料中沒有影響其骨架結構是其高溫性能優良的重要原因，且鐵尾礦砂的棱角性優于0～5 mm的玄武巖與石灰巖細集料，高溫受力時的接觸點最多是其高溫性能略有提高的內因。

3.2 水穩定性能試驗與分析

通過凍融劈裂試驗和浸水殘留穩定度試驗對瀝青混合料的水穩定性進行評價，摻有鐵尾礦砂的瀝青混合料及其對照組的融劈裂試驗試驗數據、浸水殘留穩定度試驗數據見表9和10。

表9 凍融劈裂試驗表 %

從表9可以看出，摻加鐵尾礦砂后的SMA-13和AC-20瀝青混合料的凍融劈裂殘留強度比均滿足規范要求，但略低于未摻加鐵尾礦砂的對照組；與使用0～5 mm石灰巖細集料的AC-20瀝青混合料的差別最大。

從表10可以看出，摻加鐵尾礦砂后的SMA-13和AC-20瀝青混合料的浸水殘留穩定度滿足規范要求[8]，但略低于未摻加鐵尾礦砂的對照組；與使用0～5 mm石灰巖細集料的AC-20瀝青混合料的差別最大，且與凍融劈裂試驗得出的結論一致。

表10 浸水殘留穩定度表 %

鐵尾礦砂與瀝青的粘結性良好是摻加鐵尾礦砂瀝青混合料水穩定性滿足規范要求值且與空白對照組相差無幾的重要內因。摻加鐵尾礦砂的AC-20瀝青混合料與對照組的水穩定性差別大于摻加鐵尾礦砂的SMA-13瀝青混合料與對照組的差別，與集料和瀝青黏附性大小的差別一致，集料和瀝青的黏附性是影響瀝青混合料水穩定性的主要因素。

3.3 漢堡試驗

漢堡試驗是綜合評價瀝青混合料高溫抗車轍與水穩性能的重要方法。通常情況下，漢堡試驗的最終碾壓次數、最大車轍深度與抗剝落拐點分別反應的高溫抗車轍性能與抗水損害性能，且與實際路用性能的相關性較高[15-17]；參照美國得克薩斯州的試驗方法(Tex-242-F)[16]，漢堡輪轍試驗水溫為50℃、固定荷載為685 N、輪壓力為0.73 MPa；評價試件被碾壓20000次的變形量。得克薩斯州交通部公路施工及維護規范根據瀝青膠結料的PG等級提出的技術指標見表11。AC-20、SMA-13試件的車轍深度隨碾壓次數的變化趨勢如圖4和5所示。

圖4 AC-20漢堡試驗結果圖

表11 得克薩斯州車轍深度要求表 單位:次

隨著碾壓次數的增加，車轍深度逐漸增加，蠕變速率則逐漸降低。無論是SMA-13還是AC-20，摻加鐵尾礦砂的瀝青混合料，其車轍深度均低于未摻加鐵尾礦砂的瀝青混合料且遠遠小于美國得克薩斯州的技術指標[16]。4種瀝青混合料在碾壓20000次過程中均未出現抗剝落拐點。因此，摻加提尾礦砂的瀝青混合料，其高溫抗車轍與水穩定性的綜合性能略有提高；摻加鐵尾礦砂后的SMA-13、AC-20瀝青混合料適用于高溫多雨的地區。

圖5 SMA-13漢堡試驗結果圖

3.4 低溫性能試驗與分析

低溫開裂是路面主要破壞形式之一，主要由面層溫縮裂縫所致。通過瀝青混合料彎曲試驗測試4組瀝青混合料的低溫拉伸性能，試驗溫度為-10℃，結果見表12。

表12 低溫彎曲試驗結果表

摻加鐵尾礦砂摻量后SMA-13、AC-20瀝青混合料小梁彎拉應變符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》[8]的相關要求，且與未摻加鐵尾礦砂的瀝青混合料基本相同，說明鐵尾礦砂不影響瀝青混料的低溫性能。影響瀝青混合料低溫性能的主要因素為瀝青膠結料的低溫勁度，與細集料的性能基本無關。

4 結論

采用宏觀性能試驗與微觀機理分析相結合的手段，分析了鐵尾礦砂應用于高等級路面結構層的路用性能，主要得出以下結論:

(1)鐵尾礦砂屬于特細砂，物理指標滿足路面用細集料的要求，并且有害物質含量與放射性滿足環保要求。鐵尾礦砂的棱角性優于0～5 mm的玄武巖和0～5 mm的石灰巖，微觀形貌具有明顯棱角，規則性最優，但其與瀝青的黏附性略低于石灰巖與玄武巖。

(2)鐵尾礦砂可作為細集料以較高的摻量應用到高等級路面結構層中，摻加鐵尾礦砂后SMA-13與AC-20瀝青混合料的高溫穩定性、抗車轍性能略有提高，低溫性能基本無變化，高溫與水穩定性綜合性能得到提高。