復合改性技術對高摻量鐵尾礦瀝青混合料水穩定性的影響

肖慶一,董圣坤,余天航,龔芳媛,趙振超

(1.河北工業大學 土木與交通學院, 天津 300401; 2.云南省交通規劃設計研究院有限公司, 云南 昆明 650041)

1 前 言

隨著鋼鐵行業迅猛發展,鐵礦石被開采后囤積產生規模巨大的鐵尾礦,單2020～2021年即產生超8.4億噸[1],超大體量的鐵尾礦會對空氣、地下水資源造成危害[2],如何合理利用鐵尾礦資源值得深入研究。一般鐵尾礦中二氧化硅礦物含量超過65%[3-4],屬于酸性集料,與瀝青之間分子作用力較弱,采用這類集料制備瀝青混合料普遍存在水穩定性問題,因此采用鐵尾礦制備瀝青混合料的水穩定性成為制約鐵尾礦在道路工程資源化應用的關鍵技術問題[5-7]。華北地區鐵礦生產歷史悠久,產量大,尾礦固廢存量大,但存在污染環境、占用大量土地以及安全隱患,若能實現資源化利用,社會經濟環保效益將突出。而華北平原地區為大陸性季風氣候,夏季降雨明顯,當瀝青混合料處于存在水或水汽的環境中,受到交通動態荷載及路面氣溫反復變化作用,進入路面空隙中的水會不斷產生動水壓力以及受真空負壓抽吸的反復循環作用,使瀝青粘附性降低并逐漸喪失粘結力。這會導致瀝青薄膜從集料表面脫落,瀝青混合料出現松散剝落,形成瀝青混凝土路面的坑槽、裂縫等損壞現象。因此實現就地資源再生高效利用,制備摻加鐵尾礦料瀝青混合料,必須系統解決水穩定性問題。本研究通過對華北地區鐵尾礦的礦物元素進行分析,提出了鐵尾礦用于瀝青混合料的相關工藝,在驗證鐵尾礦集料與瀝青之間粘附性能的基礎上,對高摻量鐵尾礦瀝青混合料分別通過浸水馬歇爾、凍融劈裂試驗探究其靜態水損傷情況,漢堡車轍試驗探究其動態水損傷情況,揭示鐵尾礦的物理結構組成及其相關性能,以期對復合改性后的高摻量鐵尾礦瀝青混合料的水穩定性分析提供有益參考。

2 實 驗

2.1 原材料

選用的鐵尾礦砂石材料取自河北省唐山司家營鐵礦,經掃描電鏡能譜儀(EDS)分析測定可知:該鐵尾礦中SiO2含量達到71.67%,屬于典型的高硅型鐵尾礦。另外還含有部分Al、Fe、K 、Mg等金屬元素,鐵尾礦樣本具體化學組分結果見表1。試驗用瀝青相關技術性質見表2。將0.4%摻量的偶聯劑添加入瀝青當中并使用高速剪切儀以2 800 r/min的速率,勻速剪切25 min后得到復合改性瀝青,試驗所用偶聯劑物理性質見表3。礦質集料物理力學性能滿足相關規范要求[10]。

表1 鐵尾礦各化學組分及含量Table 1 Chemical components and contents of iron tailings

表2 瀝青物理性質Table 2 Physical properties of asphalt

表3 偶聯劑物理性質Table 3 Physical properties of coupling agent

2.2 瀝青混合料配制

2.2.1 集料配合比設計 設置不同摻量鐵尾礦類型形成對比試驗。具體混合料級配分布見表4,級配曲線見圖1。

圖1 礦質混合料級配曲線圖Fig.1 Gradation curves of mineral mixture

表4 礦質混合料級配分布Table 4 Gradation distribution of mineral mixture

2.2.2 確定最佳瀝青用量 A、B、C三組類型礦質集料分別與90#瀝青、SBS改性瀝青、偶聯劑充分拌和得到瀝青混合料,選用AC-13型瀝青混凝土作為目標混合料級配類型,利用全自動馬歇爾擊實儀,將瀝青混合料的試驗溫度保持在60 ℃,在50 mm/min的加載速率下,成型得到直徑101.6 mm,高 63.5 mm 的標準馬歇爾試件。對該試件進行試驗得到對應體積參數結合試驗數據,經計算分析確定得到各組瀝青混合料的最佳瀝青用量,數據詳見表5。

表5 瀝青混合料最佳瀝青用量Table 5 Optimal Asphalt Consumption for Asphalt Mixture

2.3 溫度性能指標

2.3.1 高溫穩定性 將成型后的標準馬歇爾試件等分兩組后放入60 ℃水浴中分別水浴30 min 和48 h,取出后在全自動馬歇爾試驗儀上測定馬歇爾穩定度及流值等指標。利用輪碾成型機碾壓得到長寬各為300 mmm,厚80 mm 的正方形板狀試件。保持試驗溫度在60 ℃,車輪壓強0.7 MPa,經車轍儀測得試樣動穩定度,相關數據見表6。

表6 鐵尾礦瀝青混合料溫度性能指標Table 6 Temperature performance index of iron tailings asphalt mixture

2.3.2 低溫穩定性 將輪碾成型后的瀝青混合料試件切割成長、寬、高分別為250、30和35 mm 的棱柱體小梁試件,試驗時控制跨距為200 mm。試驗前需將試件在-10 ℃的環境中預先放置5 h,以便達到試驗溫度。保持50 mm/min 的加載速率,控制上壓頭對小梁持續加壓,直至試件發生斷裂破壞。對六組不同類型的瀝青混合料分別進行低溫小梁彎曲試驗,每一類別進行四組平行試驗,取其均值作為最終試驗結果,相關數據見表6。

經試驗測定可知:B-90組較A-90組的穩定度、流值、動穩定度分別高1.2%、6.9%、5.7%,經復合改性后的B-SBS*組相較B-SBS組,穩定度、流值、動穩定度分別大幅提高了14.59%、8.25%、17.39%。表明改性處理后的高摻量鐵尾礦瀝青混合料的高溫穩定性相比于普通石灰巖瀝青混合料更具優勢。采用低溫小梁試驗驗證高摻量鐵尾礦瀝青混合料的低溫穩定性。B-90組相較A-90組的最大彎拉應變值提高了7.5%,B-SBS*組相較B-SBS 組,最大彎拉應變繼續提升6%,說明經復合改性后的高摻量鐵尾礦瀝青混合料的溫度性能指標較瀝青混合料的低溫穩定性有顯著改善。綜合上述試驗可知:高摻量鐵尾礦瀝青混合料的溫度性能指標優于傳統石灰巖瀝青混合料,經復合改性技術處理后的高摻量鐵尾礦瀝青混合料的溫度性能指標仍會得到進一步的增強。因此高摻量鐵尾礦瀝青混合料路用性能的優劣,將取決于其水穩定性,需要對其進行深入研究。

2.4 試驗方法

高摻量鐵尾礦瀝青混合料的抗水損能力,與混合料的各組分之間的密合程度相關。通過分析鐵尾礦集料與不同類型瀝青之間的粘附性與粘附功,進而分析兩者之間的粘附性能。通過浸水馬歇爾和凍融劈裂等試驗綜合研究靜態水損傷下的復合改性后高摻量鐵尾礦瀝青混合料試件的水穩定性能。通過漢堡車轍試驗仿真交通荷載作用,全面分析動態水流侵蝕環境中復合改性后高摻量鐵尾礦瀝青混合料試件的水穩定性。綜合不同水損條件,對高摻量鐵尾礦瀝青混合料的水穩定性做出全面評價。

2.4.1 粘附性試驗 分別在90#瀝青及SBS改性瀝青中添加偶聯劑制備得到不同類別的改性瀝青,將粒徑在13.2～19 mm 之間呈立方體狀的粗集料礦石清潔后置于105 ℃烘箱中烘干至恒重,冷卻至室溫后,將石料重新系好細繩,放入105 ℃烘箱預熱1 h后浸入預熱至130 ℃的各組瀝青中,使鐵尾礦石料表面充分裹覆上瀝青薄膜,取出集料并瀝干表面多余瀝青,在室溫冷卻20 min后,重新浸入略微沸騰的水槽中,泡煮 3 min后取出,待集料冷卻后,由技術人員評定鐵尾礦與各組瀝青之間的粘附等級,進而測定鐵尾礦與不同瀝青之間的粘附性能[11]。

2.4.2 粘附功試驗 根據相關理論研究[13],瀝青混合料固液界面而言,表面自由能γsl可用式(1)表示:

式中:γ為自由能,γd為色散分量,γp為極性分量,s和l分別表示固體和液體。

且各自由能分量滿足楊氏方程[14],各分量相關關系見圖2。

圖2 接觸角示意圖Fig.2 Schematic diagram of contact angle

式中:θ為接觸角。

粘附功計算參考王嵐等[15]的研究,其表達式見式(3):

式中:Wsl為礦料與瀝青粘附功,γs為礦料表面能,γl為瀝青表面能。

試驗前分別制備瀝青薄膜及表面打磨光滑的層狀瀝青混合料試件并干燥保存。選擇與瀝青不相溶、不發生反應,具有較大表面能的蒸餾水、丙三醇、甲酰胺作為接觸角測試滴定液,將試樣放在預先水平校準后的JGW—360B接觸角測定儀的升降平臺后,轉動進樣器針頭,滴取3 mL 待測液于試樣表面形成穩定躺滴狀。凍結圖像后利用分析軟件經基點法處理得到接觸角數值,進而通過式(1)、(2)反算集料礦料和瀝青表面能參數,最后通過式(3)計算得到礦料與瀝青之間的粘附功。

2.4.3 靜態水損傷試驗 通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗綜合評價鐵尾礦瀝青混合料抵抗靜態水侵蝕的水穩定性能。以標準馬歇爾試件浸水48 h穩定度與浸水 30 min穩定度二者的比值作為殘留穩定度,表征瀝青混合料受到水侵蝕后的抗剝落能力。采用雙面各擊實75次的標準馬歇爾試件進行浸水馬歇爾試驗。每種類型的瀝青混合料制備8個試件,等分兩組放入60 ℃水浴中分別浸水30 min和48 h,在全自動馬歇爾試驗儀上進行試驗,分別求取各組試驗均值。引入凍融劈裂試驗用以表征瀝青混合料之間的粘結性能。將標準馬歇爾試件分為兩組,每組4個試件:一組在25 ℃狀態下進行養護,另一組飽水后在-18 ℃保溫16 h后,在60 ℃條件下水浴加熱24 h,進行凍融循環處理。兩組試件全部浸入 25 ℃的恒溫水槽中保溫2 h后,對其進行劈裂試驗[12]。

2.4.4 動態水損傷試驗 浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗受限于僅在一定程度上模擬瀝青混合料靜態水損傷情況。通過漢堡車轍試驗引入鋼輪荷載壓力,兼顧動態水流對較高溫度狀態下瀝青混合料試件的沖擊作用,使得瀝青路面在夏季高溫且降雨充沛的實際道路運營環境得到最大限度的還原[16]。漢堡車轍試驗區別于浸水馬歇爾以及凍融劈裂等靜態水損傷試驗,需要成型較標準馬歇爾試件體積更大的旋轉壓實試件,根據試驗需要控制試件高度為170 mm,直徑為150 mm。并且對試件進行切割構成圓柱組合體以適應試驗模具?？刂扑疁卦?5 ℃,鋼輪碾壓速率為25次/分[17]。試驗結束控制條件設定為當車轍深度達到20 mm 或者鋼輪碾壓次數達到20 000次。

3 結果與討論

3.1 粘附性試驗分析

鐵尾礦與不同類別瀝青進行水煮法的試驗結果見表7。

表7 水煮法試驗結果Table 7 Results of boiling test

通過對比試驗結果可知偶聯劑的加入可以有效改善鐵尾礦與瀝青的粘附性,單一采用SBS改性瀝青或采用偶聯劑對90#瀝青進行改性,進行水煮試驗時,均出現部分瀝青薄膜從鐵尾礦料表面脫落現象,瀝青與鐵尾礦之間的粘附等級均提升至4級,當采用復合改性技術,綜合SBS改性瀝青與偶聯劑,鐵尾礦與瀝青之間的粘附性顯著提升,在水煮試驗中幾乎無瀝青薄膜從鐵尾礦表面脫落,粘附等級達到最高水平。

3.2 粘附功試驗分析

各組別瀝青與礦料試樣的表面自由能計算結果見表8。

表8 各組別試樣表面自由能Table 8 Surface free energy of each group of samples

根據表8所示,試驗樣品中,石灰巖的表面能僅高于鐵尾礦5.4%,二者相差不大。礦料試樣表面自由能中,色散分量與極性分量占比差距不大,表明礦料分子構成中同時包含極性分子和非極性分子,且兩者占比相當,而瀝青試樣中,其色散分量占比要遠高于極性分量,表明瀝青主要是由非極性分子構成。加入偶聯劑后瀝青表面能色散分量差異不大,其非極性基團指向瀝青內部,極性基團指向瀝青表面,極性分量有小幅增大,瀝青本身仍保持較低的極性。

結合表面能數據,計算得到礦料與瀝青之間的粘附功,試驗結果見表9。

表9 瀝青與礦料粘附功計算結果Table 9 Calculation results of adhesion work between asphalt and mineral aggregate

表10 靜態水損傷試驗結果Table 10 Static water damage test results

由粘附功定義可知,粘附功的大小表征混合后的礦料與瀝青分離出新界面所需的功,即粘附功越大,則礦料與瀝青的粘附性越好。根據表9所示,采用90#瀝青的鐵尾礦瀝青混合料粘附功最低,換用SBS改性瀝青及偶聯劑改性后的90#瀝青配制所得鐵尾礦瀝青混合料粘附功分別提高了14.33%、6.04%,單一瀝青改性方式對鐵尾礦瀝青混合料粘附功改善作用不夠突出。在SBS改性瀝青中摻加偶聯劑,采用復合改性技術可提高鐵尾礦瀝青混合料15.17%的粘附功,粘附效果改善明顯。

3.3 靜態水損傷試驗分析

通過對比試驗數據可知,B-90組較A-90組的殘留穩定度數值低8.3%,不滿足80%的規范要求,經復合改性后的B-SBS*高摻量瀝青混合料相較B-SBS組,殘留穩定度提升2.2%,到達93.8%,滿足性能要求。凍融劈裂試驗中利用凍融劈裂強度比表征瀝青混合料之間的粘結性能。B-90組相較于A-90組的凍融劈裂強度低11.1%,低于75%的規范要求,改用復合改性的B-SBS*高摻量鐵尾礦瀝青混合料后,相較BSBS提升0.85%,達到90.80%的較高水平,達到規范要求。復合改性鐵尾礦瀝青混合料相關路用性能試驗結果見表6。

3.4 動態水損傷試驗

通過漢堡車轍試驗以溫度-應力耦合場評價道路結構破壞。將碾壓圓柱形組合體試件分為3個階段:初始瀝青混合料試件碾壓密實的密實初期;試件逐漸壓密,車轍蠕變加深的蠕變階段;混合料剝落,車轍深度急劇增加的剝落階段。其中以蠕變斜率來表征蠕變階段瀝青混合料抵抗永久變形的能力,以剝落斜率來表征剝落階段瀝青混合料的抵抗水損害剝落的能力[18]。蠕變曲線與剝落曲線兩者的交點即為剝落反彎點[19]。各組試驗均在達到最高往返次數20 000次時,宣告終止。此時將剝落階段產生車轍深度等于最大容許車轍剩余深度時所對應的單程碾壓次數與剝落點次數之和記作失效次數。試驗結果分析見表11與圖3。

圖3 車轍深度柱狀圖Fig.3 Rut depth histogram

利用高摻量鐵尾礦代替常規石灰巖摻配得到90#瀝青混合料,剝落斜率增加了19.9%,對于高摻量鐵尾礦90#瀝青混合料改用SBS瀝青摻配后,蠕變斜率下降了52.3%,剝落斜率下降了15.3%,車轍深度下降了42.9%,剝落反彎點對應的鋼輪碾壓次數提升了14.7%,高摻量鐵尾礦SBS改性瀝青混合料摻配偶聯劑復合改性后,蠕變斜率下降了74.5%,剝落斜率降低了70.0%,車轍深度減小了66.8%。綜上所述,SBS改性瀝青能夠顯著降低車轍深度,提高瀝青混合料抵抗永久變形的能力,添加偶聯劑可以進一步優化混合料的水穩定性能。鐵尾礦摻配的90#瀝青混合料的抵抗浸水能力弱于傳統石灰巖集料,但經過SBS瀝青改性、偶聯劑改良后鐵尾礦集料與瀝青之間的粘附性能得到明顯改善,瀝青混合料的力學強度增加,路面承載能力進一步提升。

4 結 論

1.高摻量鐵尾礦瀝青混合料相較石灰巖瀝青混合料溫度穩定性更優,但其水穩定性明顯弱于石灰巖瀝青混合料,且不滿足于規范要求。

2.單一采用SBS改性瀝青或通過偶聯劑進行瀝青改性的方式對與鐵尾礦間的粘附性提升有限,綜合SBS改性瀝青與偶聯劑,采用復合改性技術綜合提升瀝青與鐵尾礦粘附性,取得良好的實際效果。

3.根據粘附機制分析,鐵尾礦與90#瀝青之間的粘附功較小,容易產生水分侵入。換用摻配偶聯劑的SBS改性瀝青提高了與鐵尾礦之間的粘附功,精確定量證實復合改性技術對于提升瀝青與鐵尾礦料間的粘附效能具有顯著效果。

4.多重技術改善高摻量鐵尾礦瀝青混合料抵抗動水浸水侵蝕的優劣程度如下:SBS改性瀝青摻配偶聯劑復合改性技術＞單一偶聯劑改性90#基質瀝青技術＞單一SBS 改性瀝青技術＞無改性90#基質瀝青。表明單一的瀝青改性方式可實現鐵尾礦混合料水穩性能提升,但效果不甚理想,復合改性技術是改善高摻量鐵尾礦瀝青混合料水穩性的優化途徑。