鐵尾礦砂瀝青混合料性能研究

摘要：文章對鐵尾礦化學組成成分以及微觀形貌進行分析，將鐵尾礦砂部分代替石灰巖細集料摻入AC-13C型瀝青混合料中，進行馬歇爾體積試驗、漢堡車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗及動態模量試驗，研究不同摻量鐵尾礦砂瀝青混合料的馬歇爾體積指標、高低溫性能及動態模量。試驗結果表明：鐵尾礦主要成分為SiO2（質量比超過70%），屬于酸性集料，且微觀構造相比石灰巖具有更多的表面空隙，有利于瀝青的吸附；隨著鐵尾礦砂摻量增加，混合料瀝青用量增加、高低溫性能有所下降，動態模量下降；鐵尾礦砂代替石灰巖細集料時，體積替換率宜＜40%。

關鍵詞：道路工程；鐵尾礦；瀝青混合料；路用性能

中圖分類號：U416.03 A 13 039 4

0 引言

鐵尾礦是工業固廢之一，其主要來源為選礦后的廢棄物。我國鐵尾礦堆存量巨大，據相關文獻報道有60億t，且每年以7億t的數量在快速增長［1］。鐵尾礦的堆存不僅耗費我國寶貴的土地資源，也帶來了環境污染的隱患［2］。鐵尾礦在我國的利用率偏低，目前僅有20%左右，且主要應用在化工領域，需求量偏小。瀝青路面建設需要耗費大量集料，鐵尾礦在瀝青路面的資源化利用既能解決鐵尾礦占地和污染問題，又能拓展瀝青混合料的集料應用范圍，具有變廢為寶的優勢，符合我國交通領域低碳環保的要求。紀小平等［3］將鐵尾礦砂代替細集料摻入瀝青混合料中，得出結論：鐵尾礦砂摻量增加，瀝青混合料高低溫性能有所降低，因此，鐵尾礦砂的摻量 宜≤40%。趙連平等［4］對鐵尾礦瀝青混合料的制作溫度以及不同摻量水平下鐵尾礦瀝青混合料性能開展研究，得出在 180 ℃下制備的鐵尾礦瀝青混合料，且摻量控制在30%時能滿足現行規范對公路的路用要求的結論。韓先瑞等［5］以鐵尾礦部分代替礦粉，分析鐵尾礦瀝青混合料路用性能，得出鐵尾礦水穩定性能的敏感性高于普通瀝青混合料的結論。田知文［6］研究發現鐵尾礦瀝青混合料相比普通瀝青混合料性能有所下降，為提升鐵尾礦瀝青混合料性能，采用消石灰和硅烷偶聯劑對鐵尾礦瀝青混合料進行改良，發現消石灰能有效提升鐵尾礦瀝青混合料的高溫性能，而烷偶聯劑對鐵尾礦瀝青混合料的低溫性能具有明顯改善作用。上述研究表明，鐵尾礦對瀝青混合料性能的提升作用并不明顯，且摻量是關鍵因素。因此，本文開展鐵尾礦成分分析以及微觀形貌分析，以0、20%、40%、60%、80%的比例等體積替換石灰巖細集料，開展鐵尾礦砂瀝青混合料路用性能研究，以揭示鐵尾礦砂瀝青混合料路用性能隨鐵尾礦砂摻量變化規律。研究的開展對工程實踐有一定的參考。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 原材料

瀝青采用中海SBS瀝青，相關技術指標見表1。鐵尾礦砂取自四川省攀枝花市，按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005），采用水洗法對鐵尾礦砂開展篩分試驗和含泥量等試驗，篩分結果見表2，其余試驗結果見表3。粗集料、細集料為石灰巖，技術指標符合現行規范要求。

1.2 試驗方法

1.2.1 馬歇爾試驗

瀝青混合料礦料由粗集料、細集料、礦粉構成，配制AC-13C瀝青混合料。粗集料體積比例為67%，礦粉比例為3%，細集料比例為30%。鐵尾礦砂占細集料比例分別為0、20%、40%、60%、80%，分別命名為AC-13Ⅰ、AC-13Ⅱ、AC-13Ⅲ、AC-13Ⅳ、AC-13Ⅴ，五種瀝青混合料級配見下頁表4。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）要求，開展馬歇爾試驗，獲取最佳油石比及馬歇爾體積指標。

1.2.2 高溫性能試驗

鐵尾礦屬于酸性集料，對瀝青混合料水穩定性能有一定影響。因此，本文采用漢堡車轍試驗測試鐵尾礦砂瀝青混合料高溫性能。漢堡車轍試驗參考美國AASHTO T324和Tex-242-F試驗規范，試驗條件為：浸水溫度為 50 ℃，輪載壓力為 0.73 MPa，相關指標要求見表5。

1.2.3 低溫性能試驗

采用低溫小梁試驗測試鐵尾礦砂瀝青混合料低溫性能，測試儀器為UTM動態伺服氣動材料試驗系統，生產廠家為澳大利亞IPC。采用彎曲應變指標評價低溫性能εB，計算公式見式（1），測試溫度為 -10 ℃。

εB=6×h×dL2（1）

式中：εB——試驗所獲得的最大彎拉應變（με）；

h——斷面處試件高度（mm）；

d——試件破壞時跨中撓度（mm）；

L——試件跨徑（mm）。

1.2.4 動態模量及相位角測試

瀝青混合料為粘彈性能材料，在動態荷載作用及不同溫度下其力學響應特性較為復雜，因此測試不同頻率、不同溫度下的瀝青混合料動態模量、相位角具有現實意義。采用旋轉壓實成型試件，試件高度為 150 mm，直徑為 100 mm。試驗溫度設置分別為 5 ℃、 20 ℃、 35 ℃，試驗頻率設置分別為 0.1 Hz、 0.5 Hz、 1 Hz、 5 Hz、 10 Hz、 25 Hz。測試儀器為UTM動態伺服氣動材料試驗系統。試驗前，先將試件在恒溫箱中保溫 6 h，然后按照試驗步驟開展試驗。

2 結果與討論

2.1 化學成分及微觀形貌分析

采用質譜儀對鐵尾礦砂化學組分構成進行定量分析，試驗結果見表6。由表6可知，鐵尾礦主要由SiO 2組成，SiO 2的含量＞70%，為典型高硅型鐵尾礦，用于瀝青路面屬于酸性集料。此外，鐵尾礦砂還含有Fe、Ca、Mg、C等元素，構成較為復雜。特別是CaO，在水環境下與水會發生化學反應，生成Ca（OH） 2，不利于鐵尾礦砂與瀝青膠漿的粘結。因此，鐵尾礦砂應用于瀝青混合料細集料時應當對其路用性能進行驗證，特別應注意水對鐵尾礦砂瀝青混合料的影響。

采用掃描電鏡（SEM）對鐵尾礦砂、石灰巖表面微觀形貌開展觀察，放大倍數為500倍（見圖1）。由圖1可知：鐵尾礦砂相比石灰巖具有更多的表面空隙，有更豐富的微觀構造，比表面積明顯更大，因此更有利于吸附瀝青，對瀝青與鐵尾礦砂的粘附性能有一定幫助。

2.2 馬歇爾試驗結果及分析

馬歇爾試驗結果見表7。由表7可知：隨著鐵尾礦砂摻量的增加，瀝青混合料最佳油石比、空隙率兩個關鍵指標均增加，礦料間隙率增加、瀝青飽和度降低，表明鐵尾礦砂的摻入增加了用油量，但由于鐵尾礦砂相較石灰巖細集料級配較粗，因此空隙率有所增加。但隨著鐵尾礦砂摻量增加，鐵尾礦砂瀝青混合料的馬歇爾穩定度降低、流值增加，表明鐵尾礦砂的摻入不利于瀝青混合料的高溫性能。鐵尾礦砂降低瀝青混合料馬歇爾穩定度的原因主要為：鐵尾礦砂含有游離CaO成分，馬歇爾穩定度試驗需要在 60 ℃水中浸泡，因此這部分游離的CaO會發生水化反應生成Ca（OH） 2，從而影響膠結料性能。

2.3 高溫性能試驗結果及分析

在最佳油石比下制作AC-13Ⅰ、AC-13Ⅱ、AC- 13Ⅲ、AC-13Ⅳ、AC-13Ⅴ瀝青混合料漢堡車轍試件，開展漢堡車轍試驗，試驗結果見圖2。由圖2可知，不同摻量鐵尾礦砂瀝青混合料的漢堡車轍深度在 20 000次碾壓次數時均≤ 12.7 mm，未出現剝落拐點。從漢堡車轍試驗結果曲線來看，車轍深度按從小到大排序為AC-13Ⅰ＜AC-13Ⅱ＜AC-13Ⅲ＜AC-13Ⅳ＜AC-13Ⅴ。總體而言，用鐵尾礦砂代替石灰巖細集料后對瀝青混合料的高溫性能有一定的劣化作用，且80%鐵尾礦砂摻量下的鐵尾砂瀝青混合料在 20 000次碾壓次數時的車轍深度是未摻鐵尾礦砂瀝青混合料車轍深度的2倍左右。因此，在實際工程中，用鐵尾礦砂代替石灰巖細集料時應考慮其摻量問題，摻量不宜過高。

2.4 低溫性能試驗結果及分析

不同摻量鐵尾礦砂瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗結果見表8。由表8可知：隨著鐵尾礦砂摻量的增加，瀝青混合料彎拉應變降低，其中80%摻量鐵礦砂瀝青混合料的低溫彎曲應變不滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）要求。因此，在應用鐵尾礦砂替代石灰巖細集料時，替代體積比例應＜60%。鐵尾礦砂的摻加損害瀝青混合料低溫性能的原因主要為：鐵尾礦砂含有一些雜質，且 0.075 mm篩孔通過率過高，含有一些有害粉塵，對瀝青膠漿體系有一定的破壞作用，在低溫荷載作用下更容易開裂。

2.5 動態模量及相位角

不同摻量鐵尾礦砂瀝青混合料動態模量及相位角測試結果見圖3～5。

由圖3～5可知：

（1）隨著試驗溫度增加，鐵尾礦砂瀝青混合料動態模量降低、相位角增大，表明溫度升高促使鐵尾礦砂瀝青混合料抵抗變形的能力降低，且逐漸往黏性方向發展。試驗頻率增加，動態模量增加，相位角呈現先增大后減小的趨勢。

（2）摻量變化對鐵尾礦砂瀝青混合料的動態模量和相位角影響顯著。隨著鐵尾礦砂摻量增加，混合料動態模量減小、相位角增大，因此鐵尾礦砂的摻入對瀝青混合料的動態力學響應有不利影響。

（3）在 35 ℃試驗溫度時，60%摻量和80%摻量鐵尾礦砂瀝青混合料在低頻（0～ 10 Hz）區域有明顯拐點。產生該現象的原因為過高鐵尾礦砂摻量會影響膠漿體系平衡，從而增加了鐵尾礦砂瀝青混合料的頻率敏感性。因此，鐵尾礦砂代替石灰巖細集料時，體積替換率宜＜40%。

3 結語

文章對鐵尾礦砂化學組成以及微觀形貌開展分析，以鐵尾礦砂部分代替石灰巖細集料，摻入AC-13C瀝青混合料中，制備鐵尾礦砂瀝青混合料，并對不同摻量鐵尾礦砂瀝青混合料路用性能開展試驗，得出如下結論：

（1）鐵尾礦主要成分為SiO 2，用于瀝青路面為酸性集料，微觀形貌上相比石灰巖有更多的微裂縫，比表面積更大。鐵尾礦砂的摻加，會增加瀝青混合料的用油量，且造成空隙率、瀝青飽和度降低，馬歇爾穩定度降低、流值增加，不利于瀝青混合料的高溫性能。

（2）鐵尾礦砂替代石灰巖細集料摻入瀝青混合料中，對瀝青混合料的高低溫性能有一定的損害作用。且隨著鐵尾礦砂摻量增加，鐵尾礦砂高低溫性能逐漸降低。從高低溫性能試驗結果來看，體積替代率宜＜60%。

（3）溫度增加、鐵尾礦砂摻量增加均會降低鐵尾礦砂動態模量，且鐵尾礦摻量越高，降低的程度越大。隨著試驗頻率增加，動態模量增加，相位角呈先增大后減小趨勢，故鐵尾礦砂摻量宜＜40%。

參考文獻

［1］顧瑞海，高 賓，宋振海，等.基于鐵尾礦砂的瀝青混合料路用性能研究［J］.山東建筑大學學報，2022，37（5）：44-50.

［2］代 聰，孫恩永，周榮征，等.鐵尾礦砂瀝青混合料的高溫性能［J］.中國科技論文，2022，17（8）：837-843.

［3］紀小平，孫恩永，代 聰，等.鐵尾礦瀝青混合料的路用性能研究［J］.材料導報，2022，36（21）：110-116.

［4］趙連平，郝紹菊，馬 競.鐵尾礦瀝青混合料基本性能及老化耐久性研究［J］.礦產綜合利用，2022（4）：111-118.

［5］韓先瑞，張寶虎，余天航，等.鐵尾礦瀝青混合料水穩定性試驗研究［J］.交通科學與工程，2019，35（2）：6-10.

［6］田知文.鐵尾礦瀝青混合料性能評價及改善措施研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2018.

收稿日期：2023-01-10