鐵尾礦瀝青混合料的路用性能

劉圣潔,唐亮,趙碩,杜憲華,王俊杰,趙之仲*,薛軍

1.山東交通學院交通土建工程學院,山東 濟南 250357;2.山東省路橋集團有限公司,山東 濟南 250014;3.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司,河南 鄭州 450001;4.肥城市交通運輸局,山東 泰安 271600;5.山東省交通工程監理咨詢有限公司,山東 濟南 250010

0 引言

尾礦是工業固體廢棄物的主要組成部分之一。冶煉鐵礦石會產生較多品位不符合冶煉標準的鐵尾礦。目前我國堆放的尾礦近50億t,年排出尾礦近5億t,尾礦總量的1/3為鐵尾礦[1-2]。大量堆放的鐵尾礦不僅占用土地資源,還破壞生態平衡[3-4]。但我國的鐵尾礦回收技術有限,綜合利用率僅為7%[5],如何綜合利用鐵尾礦成為亟待解決的難題。

隨固廢利用研究的推進,多金屬組分、硬度高、表面粗糙多棱角的鐵尾礦在各領域應用廣泛[6]:通過二次資源再選,鐵尾礦可進行有價元素及礦物回收[7-8];在資源再選后采用改性技術可制備建筑原材料,如水泥、混凝土骨料、膠凝材料、磚瓦和玻璃建材等[9],達到綜合利用尾礦的目的[10];曹麗萍等[11]、劉晶磊等[12]分析鐵尾礦的性能規律,探討其作為公路填筑材料的可行性;張寶虎等[13]采用體積法設計鐵尾礦砂石瀝青混凝土,抗車轍能力較強;田知文[14]通過摻加改性劑改善鐵尾礦瀝青混合料的高溫穩定性及低溫抗裂性。但鐵尾礦的改性條件相對復雜,綜合利用率較低[15-18]。

本文制備以鐵尾礦為主的新型路面瀝青混合料,成本低廉,工藝簡單,以期減輕過渡開采石料、天然骨料不足的現實壓力,分析某鐵尾礦的物理性能和其作為瀝青路面骨料的可行性;以玄武巖集料為對照組,摻加不同粒徑鐵尾礦制備試件,并進行路面性能試驗評估鐵尾礦瀝青混合料的路用性能,為鐵尾礦的大規模應用提供理論支撐。

1 原材料性能

選用遼寧本溪鞍山式鐵尾礦。巖石組合類型為硅鐵建造、角閃巖、硅質巖。礦體整體大而貧,礦石礦物組分較簡單,鐵尾礦中鐵元素的平均質量分數為27%～34%。

1.1 集料與瀝青

選用玄武巖集料作為對照組,選用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene,SBS)類I-C級改性瀝青,技術指標均滿足文獻[19]的要求。

1.2 鐵尾礦

根據文獻[19],用粗集料的要求檢測鐵尾礦的物理指標,結果如表1所示。

表1 鐵尾礦物理指標的檢測結果

由表1可知:鐵尾礦粗集料的物理指標符合高速公路及一級公路瀝青混合料用粗集料要求;相較于玄武巖集料,鐵尾礦的壓碎值較好,抗壓能力較強;表觀相對密度和毛體積相對密度較大,孔隙率較小,耐久性能較好,各項指標均達到路用性能的要求,可作為瀝青高等級路面集料使用。

2 瀝青混合料配合比設計

2.1 級配設計

選用SBS類I-C 級改性瀝青,采用馬歇爾法設計玄武巖瀝青混合料的配合比,選擇接近SMA-13(瀝青瑪蹄脂碎石混合料,stone mastic asphalt,SMA)級配范圍中值的礦料級配,根據文獻[20]中的成型馬歇爾試件,目標礦料級配曲線如圖1所示。粒徑分別為>10～15 mm、>5～10 mm、0～5 mm的鐵尾礦、礦粉的質量比為47.5：34.0：10.5：8.0時為最佳配合比。

圖1 初擬SMA-13級配曲線

2.2 最佳瀝青質量比

根據文獻[20],對玄武巖瀝青混合料選用油石比6.0%為基值,等差初選4組油石比分別為5.8%、6.0%、6.2%、6.4%成型馬歇爾試件,馬歇爾試驗指標如表2所示。確定瀝青與玄武巖混合料的最佳質量比為6.038%,計算結果比經驗結果偏大,原因是玄武巖粒料存在微孔,試驗時瀝青填充微孔。為計算方便,取瀝青與玄武巖混合料的最佳質量比為6.0%。

表2 SMA-13不同油石比下的馬歇爾試驗指標

3 路用性能

為確保鐵尾礦瀝青路面的路用性能符合文獻[20]要求,將玄武巖分別更換為4.75～9.50 mm、4.75～13.20 mm、>9.50～13.20 mm等3種不同粒徑的鐵尾礦制備試件,樣品代碼分別為SMA-13a、SMA-13b、SMA-13c,對比分析其與玄武巖瀝青混合料的穩定性和抗滑性。

3.1 高溫穩定性

采用動穩定度評價瀝青混合料的高溫穩定性,試驗溫度為60 ℃,接觸壓力為0.7 MPa;記錄試驗結果并計算動穩定度,SMA-13a、SMA-13b、SMA-13c、SMA-13(對照組)的高溫動穩定度分別為6 324、6 851、6 533、5 878 次/mm。

鐵尾礦瀝青混合料的高溫動穩定度比對照組均有所提升,SMA-13b的高溫穩定度最好,比SMA-13高16.55%,SMA-13a和SMA-13c的動穩定度比SMA-13分別高7.59%、11.14%。原因是鐵尾礦棱角性和粗糙度比玄武巖好,集料間相互接觸交叉后摩擦力相對較大,高溫動穩定性有所增強。鐵尾礦瀝青混合料能較好地滿足路用性能要求,可應用在路面實際施工中,實際施工中應選級配范圍廣且級配等級優良的鐵尾礦粒料。

3.2 低溫穩定性

以低溫彎曲試驗中的最大彎拉應變表征材料的低溫性能,控制試驗溫度為-10 ℃,設置馬歇爾穩定度測定儀加載速度為50 mm/min,采樣間隔為3 s,4種瀝青混合料的低溫彎曲試驗結果如表3所示。

表3 4種瀝青混合料低溫彎曲試驗結果

由表3可知:相比玄武巖瀝青混合料,鐵尾礦瀝青混合料的低溫穩定性較好,符合路用性能要求。鐵尾礦瀝青混合料的臨界應變是玄武巖的1.05～1.18倍。隨鐵尾礦質量比的增大,小梁最大拉應變增大,采用SMA-13b的小梁的臨界應變是采用SMA-13a的小梁的1.13倍,原因是鐵尾礦比玄武巖黏結瀝青輕質組分更少,可提高瀝青混合料的柔韌性。

3.3 水穩定性

通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗檢驗鐵尾礦瀝青混合料的水穩定性,評價試件殘留穩定度及凍融劈裂強度比ETSR,4種試件的水穩定性試驗結果如表4所示。

表4 4種瀝青混合料的水穩定性試驗結果

由表4可知:鐵尾礦對瀝青混合料的水穩定性有一定影響,SMA-13b的浸水殘留穩定度比SMA-13減小6.58%,ETSR減小8.03%。鐵尾礦中石英和云母的質量分數比玄武巖大,結晶程度較好,鐵尾礦瀝青混合料的水穩定性降低,但仍滿足馬歇爾試驗殘留穩定度大于80%的要求,且滿足潮濕區殘留穩定度不低于85%的要求[19],可應用在實際道路施工中。

3.4 抗滑性

通過三輪加速加載試驗研究鐵尾礦瀝青混合料的摩擦因數,檢驗其抗滑性能。荷載為0.7 MPa,轉速為60 r/min,對鐵尾礦瀝青混凝土面板進行磨耗測試;經過約20萬次的磨耗后,瀝青路面摩擦因數趨于穩定,以該穩定值為基礎,對比分析其他瀝青混凝土面板的抗滑性能。采用動態摩擦因數測試儀測定磨耗0、1萬、2萬、5萬、10萬、20萬次后SMA-13b鐵尾礦瀝青混合料的動態摩擦因數,結果如圖2所示。

圖2 鐵尾礦瀝青混合料動態摩擦因數

由圖2可知:隨三輪磨耗次數的增大,2種瀝青混凝土面板的動摩擦因數先增大后減小。在磨耗初期,隨三輪磨耗次數的增大,2種瀝青混凝土面板的動摩擦因數增大,在三輪磨耗次數約為2萬次時達到最大動態摩擦因數,鐵尾礦瀝青混凝土面板的最大動摩擦因數為0.47,玄武巖瀝青混合料為0.44;隨后2種瀝青混凝土面板的動摩擦因數開始減小,在三輪磨耗次數約為15萬次時趨于穩定,且兩者的動摩擦因數之差約為0.02,但鐵尾礦瀝青混合料的抗滑性能始終優于玄武巖瀝青混合料,符合文獻[19]要求。因此,鐵尾礦可代替玄武巖作為瀝青骨料,適用于高等級公路面層。

4 結論

1)在瀝青混合料中摻加粒徑分別為4.75～9.50、4.75～13.20、>9.50～13.20 mm的鐵尾礦制備試件,進行車轍試驗、低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗及三輪加速磨耗試驗,評估鐵尾礦瀝青混合料的路用性能。摻加粒徑為4.75～13.20 mm鐵尾礦的瀝青混合料的高溫穩定性最好,動穩定度為6 851次/mm,比玄武巖瀝青混合料提高了16.55%。鐵尾礦瀝青混合料的臨界應變是玄武巖瀝青混合料的1.05～1.18倍,鐵尾礦與混合料的質量比與小梁最大拉應變成正比,鐵尾礦瀝青混合料的高溫穩定性和低溫穩定性均滿足路用性能要求。

2)摻加粒徑為4.75～13.20 mm鐵尾礦的瀝青混合料的浸水殘留穩定度降至88.54%,比玄武巖瀝青混合料減小6.58%,但水穩定性仍滿足路用性能要求。鐵尾礦瀝青混合料的抗滑性能始終優于玄武巖瀝青混合料。

本研究尚處于試驗室階段,實際施工中綜合影響因素較多,需鋪筑一定長度的試驗路段,在不同環境下驗證鐵尾礦瀝青混合料的路用性能。