鐵尾礦砂在瀝青路面預養護中的應用研究

靳 軍，閆炳潤，李 峰，付德珍

（1.甘肅平涼公路事業發展中心，甘肅 平涼 744000；2.青島潤邦防水建材有限公司，山東 青島 266321）

0 引 言

改革開放以來，我國經濟實現了高速發展，對礦產資源需求不斷攀升，隨之帶來了礦產資源綜合利用的問題。2013 年出版的《重點冶金礦山統計年報》數據顯示，截至2012 年，我國鐵尾礦堆存量超過145 億t，僅2012 年一年全國的鐵尾礦量達到9.4 億t。大量鐵尾礦的堆積產生了嚴重的環境污染和安全隱患。如果鐵尾礦能在公路養護撒砂霧封層中大規模應用，既可減少路面養護工程中對砂礫的需求，又可以解決鐵尾礦的堆積占地問題，不僅減少了環境污染壓力，而且變害為利，有利于治理車輛尾氣，提高瀝青路面的使用壽命。因此，研究鐵尾礦在瀝青路面養護中的應用具有重大的社會、經濟意義，近年已成為研究開發的熱點[1-4]。但至今為止，對鐵尾礦在瀝青路面養護中的應用研究尚少。為此，本文以最常見的磁鐵礦為例，基于物理、化學等性能分析，分析探討鐵尾礦在瀝清路面養護中的應用技術，希望對從事瀝青路面養護研究和應用的人員有所啟迪，并有助于進一步推廣鐵尾礦在瀝青路面養護中的應用。

1 鐵尾礦在瀝青路面撒砂霧封層混合料中的性能

自然界含鐵礦物雖多，但主要是磁鐵礦。其為一種氧化鐵的礦粉，主要成份是Fe3O4，即Fe2O3和FeO 的復合物。磁鐵礦結構致密，硬度較大（莫氏硬度5.5～6.5 度），含鐵量較高時為黑色粉末。

1.1 有利于路面耐磨性和使用壽命

磁鐵礦硬度高，有利于瀝青路面的耐磨性和使用壽命。硬度是材料抵抗更硬物體壓入其表面的能力，也可以說是抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。它是材料的重要性能之一，與其他強度指標和塑性指標之間有著內在聯系。材料的硬度與其耐磨性和使用壽命有密切關系。通常，材料越硬，其耐磨性越好，使用壽命越長。

磁鐵礦莫氏硬度5～6 度，介于莫氏硬度5 正長石（feldspar；orthoclase；periclase） 和莫氏硬度6 石英（quartz）之間，與被國際上公認的公路、鐵路、機場跑道所用石料中最好的基石——玄武巖的莫氏硬度（5～7 度）基本一致。因此，鐵尾礦應用在瀝青路面撒砂霧封層混合料中，鐵尾礦的高硬度有利于瀝青道路的耐磨性和使用壽命。

1.2 有利于延緩路面老化

磁鐵礦比重為4.9～5.2 g/cm3，與瀝青高分子混合撒布后，易沉降、滲透到路面的微裂縫中，封閉路面滲水，消除路面水害，有利于延緩路面老化。

1.3 提高路面強度和路面防滑性能

磁鐵礦晶體常呈八面體和菱形十二面體。憑借其良好的棱角性，經過有機料結合形成嵌擠作用，以抵抗路面變形，有利于提高路面強度，增強路面防滑性能。

1.4 滿足路面微裂縫滲透封閉需求

磁鐵尾礦料的自然目數能滿足《公路瀝青路面預防養護技術規范》（JTG/T 5142-01—2021）標準中含砂霧封層用細集料技術要求，具體數值見表1。

表1 含砂霧封層用細集料技術要求

1.5 有助于減少污染

磁鐵尾礦有助于吸收車輛尾氣中的SO2[5-6]。汽車尾氣和柴油發動機車尾氣的主要成分是二氧化硫、碳氫化合物等多種有害物質，對人類和動、植物危害甚大。由于FeO 系堿性氧化物，SO2系酸性氧化物，因此鐵尾礦中的FeO 有助于吸收汽車尾氣中的SO2（Fe2O3+2SO2=FeSO3+FeSO4）。FeO 吸收SO2屬于氣-固相非催化反應，溫度對Fe2O3吸附SO2反應的速率有明顯影響，上述反應速率隨溫度提高而加快。在低溫時，反應速率低，主要是物理吸附；高溫時，反應速率提高，呈明顯的化學吸附特征。同時，水的存在可加速反應速率。因此，FeO 具有脫硫作用。研究表明：Fe3O4在380℃～450℃的溫度范圍內吸收SO2最快。汽車尾氣和柴油發動機車尾氣因燃油品種、發動機、排氣管結構和長度、車輛運行狀態等因素不同，出口尾氣溫度也所不同，大約在30℃～120℃之間。因此，磁鐵尾礦中的Fe3O4吸收車輛尾氣中的SO2涉及物理吸附和化學吸附兩種吸附反應。

1.6 有助于與瀝青的黏附性

磁鐵尾礦有助于瀝青路面養護專用涂料與瀝青的黏附性，有利于改進路面的物理力學性質[7-8]。

路面是由石料與瀝青組成的混合料鋪筑碾壓后形成的。石料與瀝青在混合料中起著復雜的物理化學作用，石料的化學性質在很大程度上影響路面的物理力學性質，石料的酸堿性決定著石料與瀝青的黏附性。一般情況下，堿性較強的石料與瀝青結合較好，酸性石料與瀝青結合較差。

瀝青是由不同分子量的碳氫化合物及其非金屬衍生物組成的黑褐色復雜混合物，主要成分為膠質和瀝青質等組分。不同品種、不同產地的瀝青酸值各不相同，但瀝青的pH 值均低于7，呈酸性。酸性基團為酚基（-OH）、羧酸基（-COOH）、酸酐基（瀝青中含有兩個羧根而失去一個水分子的一種組分，-COOOC-）。磁鐵尾礦的氧化鐵系堿性氧化物，呈堿性。因此，磁鐵尾礦有助于瀝青路面養護專用涂料與瀝青的黏附性，有利于路面的物理力學性質。

2 鐵尾礦砂在瀝青路面預養護中的應用技法

隨著我國經濟的快速發展，公路建設的數量和規模都在不斷增加。大批的公路路面已近入養護、維修階段。

山東膠州馬鐵路洋河段采用了新一代路面養護工藝技術，對長3.3 km 約2 萬m2的路面進行了養護施工，取得了滿意效果。

2.1 路面局部病害修補

針對3 mm 以上裂縫采用背負式RB-350 擴縫機[7]進行擴縫處理，有助于灌縫膠均勻地流淌到裂縫底部。圖1 所示為工人進行現場擴縫的工作照片。

圖1 擴縫處理

擴縫結束后，利用RB-301 狼牙式清縫專用吹風機[8]進行吹風清理。圖2 所示為吹風清理工作照片。

圖2 吹風清理

基面清理干凈后，用灌縫膠進行路面裂縫修補。可采用常溫型牢巴路灌縫膠[9]進行路面裂縫修補處理。該灌縫膠彈性大，可隨路面熱脹冷縮進行調整，灌縫膠的張力阻止水分滲透到路基中。與傳統灌縫膠相比，方便耐用、環保節能，能有效延長養護周期，減少養護次數。也可采用熱熔型速熔快通灌縫膠[9]進行灌縫處理。圖3 為常溫牢巴路灌縫膠灌縫處理照片。該灌縫膠可有效解決一般灌縫膠熔化速度慢、凝固時間長、開放交通慢以及陰雨天黏結力差的問題，80℃可完全熔化，將熔化好的灌縫膠立即倒入鐵壺中，隨之灌注到裂縫中，3 min 后可開放交通。只粘路面不粘輪胎，雨前施工雨后不會剝離，并且保持彈性，-30℃不會開裂。

圖3 常溫牢巴路灌縫膠灌縫處理

路面坑槽修補，用背負式小型切割機對部分破損路面進行切割處理，切割平直光潔，采用潤邦牌聚氨酯冷補料修補，可與路面更好地結合，提高道路使用壽命。聚氨酯冷補料是一種高科技道路修補材料，可以全天候使用，適用于在任何天氣和環境下修補不同類型的道路面層，如瀝青混凝土道路、水泥混凝土道路、停車場、機場跑道、橋梁伸縮縫等，圖4 所示為現場采用冷補料修補坑槽照片。實踐證明，冷補料不僅適用于各種道路坑穴的修補，而且對道路的中修、小修同樣具有良好的修補效果，其成本、質量和使用都優于一般冷補材料。該聚氨酯冷補料操作簡便、存放長久、修補質量好，用途廣泛、利于環保，冷補料攤鋪完畢后使用震動平板夯進行夯實處理。

圖4 冷補料修補坑槽

網裂部位修補，采用聚氨酯冷補料摻加細砂混勻后進行刮涂處理。

2.2 含砂霧封層噴撒

待局部病害修補處理完畢后，采用RBS-C 不黏輪瀝青路面養護專用涂料[10]進行霧封層處理。該養護涂料屬于水包油、油包水型材料，添加紫外線吸收劑、石油樹脂、瀝青再生劑、高分子黏結劑，以水為介質滲透到路橋面表層，可提高路面溫度，還原瀝青值，提高防水、融雪功能。圖5 所示為現場噴撒含砂霧封層的工作照片。

圖5 噴撒含砂霧封層

采用最新發明的雙噴桿與砂箱相結合的噴撒車進行施工[11]。該機采用智能系統變頻電機與車速相結合的辦法控制撒布量，瀝青泵1 100 轉，車速10 km/h，用料500g/m2，撒砂機450～500 轉，用料500 g/m2，鐵尾礦砂、金剛砂為20～80 目。養護涂料和金剛砂在半空中混合, 在瀝青路面上形成一薄層，起到封閉路面微裂縫、防止路面松散、阻止水分下滲、提高路面防滑效果、吸收汽車尾氣中SO2的作用，并能延緩路面瀝青老化,提高瀝青面層溫度，保持路面抗滑性能，達到顯著改善路面外觀及抗老化的效果。圖6 所示為施工完成后的現場照片。

圖6 施工后效果圖

3 鐵尾礦應用的社會、經濟效益分析

根據全國公路部門統計，全國現有瀝青路面2 400 億m2（不包括鄉間路）。將鐵尾礦應用于養護路面，如以使用200 g/m2鐵尾礦的用量計算，全國就可消除鐵尾礦4 800 萬t 的堆積壓力；如以每公頃存放14 992 t 鐵尾礦計算，就可節省土地3.2 萬hm2。瀝青路面養護后可延長的使用壽命如以2 a 計，并按造價為52 元/m2計算，則每平方米路面2 a 即可節省費用104 元，2 a 可增加社會效益2 448 億元。從2009 年起，山東惠青黃河大橋、洋河大橋以及膠州市馬鐵路等道路工程的養護工程已將鐵尾礦應用在瀝青路面撒砂霧封層混合料中，效果良好。

4 結 論

本文以常見的磁鐵礦為例，基于物理、化學等性能分析探討并闡明鐵尾礦在瀝青路面養護中的應用及效果。

（1）磁鐵礦硬度高，有利于瀝青路面的耐磨性和使用壽命；

（2）磁鐵礦比重大，易沉降滲透到路面的微裂縫中，封閉路面滲水，有利于延緩路面老化；

（3）磁鐵礦晶體具有良好棱角性，有嵌擠作用，以抵抗路面變形，有利于提高路面強度，增強路面防滑性能。

（4）磁鐵尾礦有助于吸收車輛尾氣中的SO2；

（5）磁鐵尾礦有助于瀝青路面養護專用涂料與瀝青的黏附性，有利于路面的物理力學性質；

（6）鐵尾礦應用在瀝青路面的社會、經濟效益顯著。

該項技術對路面預養護是較好的選擇，各項專利設備簡便實用、成本低廉，解決了路面預養護資金短缺的難題。