基于化學指標的礦粉質量評價技術應用研究

張蘇龍

（江蘇高速公路工程養護技術有限公司，江蘇 南京 210000）

1 引言

礦粉作為瀝青混合料中的填料，其與瀝青形成瀝青膠漿，起到填充混合料空隙、增加強度、提高穩定性的作用。目前，我國主要采用石灰巖經研磨后生產礦粉，但是不同地區的石灰巖種類、加工工藝的不同，導致生產出來的礦粉指標存在差異。此外，近年來隨著我國環保措施的加強，一些砂石宕口被迫關閉，礦粉的供應日趨緊張，向礦粉中添加回收粉、如生石灰等堿性物質是常見的摻假手段，導致當前對于礦粉質量管控的壓力日趨增加，需要進一步豐富和完善礦粉的管控指標對其質量進行有效管控。

目前，國內外對于礦粉的管控指標，通常包含如下幾個方面。

物理指標。根據交通運輸部《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）、江蘇省地方標準《高速公路瀝青路面施工技術規范（修訂）》（DB32/T 1087-2022）等標準規范，我國采用表觀密度、含水量、粒度范圍、外觀、親水系數、塑性指數、加熱安定性指標對礦粉的質量進行控制。這些物理指標在應用過程中存在一定局限性，如丁保華的研究表明，在某高速公路項目中，存在礦粉物理指標均滿足現行規范要求，但是攤鋪完成后由于礦粉原因導致路表“泛白”的問題，項目被迫返工，造成了一定經濟損失；邢寶東在對12 種礦粉的研究中表明，在物理指標接近的前提下，不同巖性集料生產出的礦粉，其微觀形貌、棱角性等指標仍具有明顯差異，進而會影響瀝青膠漿的高溫和低溫性能。

化學指標。經過調研，美國、歐洲等地區對于礦粉的質量控制，均制定了一些化學指標進行控制，如美國在NCHRP 09-45 報告中，對于礦粉提出了氧化鈣含量、亞甲藍值的要求，歐盟也有亞甲藍值、碳酸鈣含量、氫氧化鈣含量等要求。王龍等人的研究表明，礦粉中碳酸鈣的含量對于膠漿的模量、粘結力有著重要影響，影響程度要高于塑性指數和細度指標；張吉哲等人通過XRD 試驗分析了玄武巖、石灰巖、花崗巖三種礦粉的化學組成，論證了化學組成的差異會影響礦粉的酸堿度，進而影響瀝青膠漿與集料之間的粘結效果。

綜上，從目前的研究現狀可以看到，我國對于礦粉的指標控制目前以物理指標為主，國外相比我國增加了如氧化鈣等成分的含量、亞甲藍值等化學指標，近年來，一些學者也從化學成分等方面分析了對礦粉路用性能的影響，但是目前，通過化學指標鑒別礦粉中可能的摻假物質，進而對其質量進行有效管控的研究仍有待進一步深入和驗證。

針對目前研究中存在的不足，文章探索針對我國高等級公路的建設與養護需求，收集多種礦粉樣品，以及可能對礦粉質量產生不利影響的回收粉、廢石膏、生石灰等原材料，從化學成分的角度，利用紅外光譜、pH、EDTA 滴定等方法，基于化學指標論證對礦粉質量評價的有效性和區分度，為進一步提升建設質量提供新的技術保障措施。

2 原材料與試驗方案

2.1 原材料

文章收集了江蘇省目前在建的幾條高速、干線及養護項目所采用的6 種礦粉，礦粉的產地分別來自泰州、淮安、南通等地，編號為KF-1～KF-6；在拌合樓生產過程中，通過除塵會收集大量的回收粉，結合工程經驗，少量的回收粉可替代礦粉使用，但是其摻量需要嚴格控制，作為可能的礦粉添加物，文章在拌合樓實地收集了3 種回收粉，編號為HSF-1～ HSF-3。此外，結合工程經驗，為了提升礦粉與瀝青之間的粘結性，礦粉廠家在生產過程中，可能會摻加一些低成本、堿性的粉末，如生石灰等，并且在多年的公路建設監管過程中，已發現混入廢舊石膏粉的情況。因此本項目收集了廢石膏、生石灰兩種材料，作為可能引起礦粉pH 值增加的添加物，進行比對實驗。

2.2 紅外光譜檢測

采用紅外光譜試驗，分別對6 種礦粉、3 種回收粉，以及廢石膏、生石灰進行檢測，通過特征峰的位置，對檢測的有效性進行評估。固體粉末的紅外光譜檢測按如下步驟進行，詳見圖1。

圖1 實驗照片

①采用清洗劑清潔ATR 晶片，待液體完全揮發后進行背景掃描測試；②使用平頭鏟蘸取適量礦粉樣品，均勻灑布在清洗干凈的ATR 晶片表面；③確保礦粉樣品完全覆蓋ATR 晶片，并用平頭鏟將礦粉樣品輕輕壓平；④將ATR 晶片放置于紅外光譜樣品架中，將樣品架放入紅外光譜儀樣品室進行測試；⑤保存測試結果，所得到的紅外光譜圖中應標識出礦粉樣品的特征官能團的位置和峰高信息；⑥一個礦粉樣品共進行3 次平行試驗，采集3 次紅外光譜圖。

2.3 酸堿度檢測

為了進一步探究礦粉、回收粉化學成分間的差異，采用pH 試紙法和酸度計法分別對礦粉的pH 值進行測試，試驗對象為不同摻量下的廢石膏與礦粉、生石灰與KF-2 的混合料（添加物摻量為內摻，比例為0%、20%、40%、60%、80%和100%），試驗步驟如下：①稱取通過0.6 mm 篩的風干固體粉末樣品10 g，放入具塞的廣口瓶中，加水50 mL（礦粉和水質量比為1∶5），振蕩3 min，靜置30 min；②使用酸度計時，將25～30 mL 的礦粉懸液盛于50 mL 燒杯中，然后將已校正完畢的玻璃電極、甘汞電極（或復合電極）插入杯中，在玻璃棒攪拌的同時從酸度計的表盤（或數字顯示器）上直接測定出pH 值，讀數穩定時記錄pH 值數據，準確至0.01；③使用精密pH 試紙時，取兩條pH 試紙置于干燥的玻璃板上，用玻璃棒蘸取少許懸液的上清液，涂抹于試紙上，10 s 鐘后與標準比色卡比對讀數，準確至0.1。

2.4 碳酸鈣含量檢測

參照安徽省地方標準《排水降噪型瀝青混合料SMA 設計與施工技術規范》 （DB34/T 3840-2021）中附錄B，填料碳酸鈣含量試驗方法，基于EDTA 滴定的方式測定固體粉末中的碳酸鈣含量，試驗對象為收集的6 種礦粉和3 種回收粉。

3 試驗結果分析

3.1 礦粉與回收粉的物理指標對比

根據交通運輸部《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的要求，對不同的礦粉、回收粉進行了表觀相對密度、親水系數、塑性指數、含水量和篩分試驗，其中，表觀密度、親水系數差異較小，塑性指數及篩分結果如表1 所示。

表1 礦粉和回收粉的塑性指數與篩分試驗結果

由表1 分析可知：測試的6 種礦粉和3 種回收粉的各項基本技術指標均滿足規范要求，其中6 種礦粉的塑性指數平均數為2.8，3 種回收粉的塑性指數平均數為6.0，約為礦粉的2 倍。回收粉在0.075 mm 的通過率比礦粉增加了約6%，說明回收粉與礦粉的粗細程度具有明顯差別。

3.2 礦粉與回收粉的紅外光譜比較

本項目采用紅外光譜儀對6 種礦粉和3 種回收粉進行了測試，結果如圖2、圖3 所示，對于礦粉和回收粉，重點分析了在1600～600 cm-1波數范圍內的吸收峰。

圖2 6 種礦粉的紅外光譜圖

圖3 3 種回收粉的紅外光譜圖

圖4 廢石膏與生石灰的紅外光譜圖

根據紅外圖譜可知，6 種礦粉在1426 cm-1附近表現為寬峰、873 cm-1和710 cm-1附近表現為尖銳吸收峰，查閱資料可知，CaCO3的CO32-在1407 cm-1、712 cm-1、872 cm-1附近存在特征吸收峰，由此推斷礦粉含有較多的CaCO3的成分；比較而言，回收粉在1426 cm-1、873 cm-1和710 cm-1附近的特征吸收峰強度較弱，且3 種回收粉在1010 cm-1附近均存在強吸收峰，查閱圖譜發現此處代表了硅氧四面體內Si-O-Si 鍵的伸縮振動，由此推斷在回收粉中存在硅酸鹽礦物成分；通過6 種礦粉和3 種回收粉紅外光譜圖對比分析，發現采用紅外光譜儀不能有效鑒別不同產地的礦粉，但礦粉與回收粉在1010 cm-1附近的特征吸收峰存在顯著差別，說明紅外光譜儀可以實現對礦粉和回收粉的定性檢測。

3.3 礦粉與廢石膏、生石灰的紅外光譜分析

將圖2 中的6 種礦粉的紅外光譜圖與生石灰、廢石膏紅外光譜曲線進行對比，結果如下，分析的波數范圍從3800～600 cm-1。

從圖中可知，廢石膏在1400 cm-1、1200～1100 cm-1、900～800 cm-1、700～600 cm-1附近存在明顯的特征峰，通過查表可知1400 cm-1處為Ca2+特征峰，800～900 cm-1為背夾峰，1200～1100 cm-1和700～600 cm-1為SO42-基團峰，與礦粉的紅外光譜相比，在700～600 cm-1范圍內出現的SO42- 基團峰可用于判斷礦粉中是否含有石膏的成分；生石灰在3700～3600 cm-1、1500～1400 cm-1、900～800 cm-1、600 cm-1附近存在明顯的特征峰，3700～3600 cm-1為羥基（-OH）特征峰，1500～1400 cm-1為Ca2+特征峰，900～800 cm-1為背夾峰，600 cm-1附近為二硫鍵伸展振動峰，與礦粉的紅外光譜相比，在3700～3600 cm-1范圍內出現的羥基可用于判斷礦粉中是否含有生石灰的成分。

3.4 酸堿度試驗分析

采用精密pH 試紙、酸度計，分別對6 種礦粉和3 種回收粉進行酸堿度檢測，實驗結果如表2 所示。

表2 礦粉和回收粉的pH 值與碳酸鈣含量測試結果

由表2 分析可知，酸度計與pH 值的監測結果基本接近，除礦粉4 外，其余礦粉的pH 值均在8.0～9.0之間，呈弱堿性，而3 種回收粉的pH 值差異較大，其中回收粉2和回收粉3的pH值大于14.0，呈強堿性，回收粉1 的pH 值為11.6，結合紅外光譜圖分析原因，由于回收粉中存在硅酸鹽物質，硅酸鹽在水溶液中會發生水解，產生-OH 呈堿性。因此，結合紅外光譜測試結果，pH 值可以作為定量評價礦粉化學質量的一項重要指標。

作為可能引起礦粉pH 值增加的添加物，制備了不同摻量下的廢石膏與礦粉KF-2、生石灰與礦粉KF-2 的混合料（添加物摻量為內摻，比例為0%、20%、40%、60%、80%和100%），詳見表3。

表3 礦粉pH 值隨著廢石膏、生石灰摻量的變化

由表3 可知：隨著石膏比例的增加，溶液pH 值逐漸增大，但隨著石灰比例的增加，溶液pH 值幾乎不變（在13.4 左右），分析原因，由于石灰呈強堿性，與礦粉混合后溶于水中，導致其上浮液也呈強堿性，而石膏的堿性相較偏弱，與不同比例礦粉混合后溶于水中，其pH 值與摻配比例呈線性規律變化。綜上，結合工程經驗，建議以pH 值7～10 對礦粉的酸堿度進行控制。

3.5 基于EDTA 滴定法的碳酸鈣含量分析

通過對礦粉和回收粉的碳酸鈣含量進行測試，結果如表2 所示。由實驗結果分析可知，6 種礦粉的CaCO3含量差別較小，均大于90%，而不同項目的回收粉中CaCO3含量均小于90%，因此，CaCO3含量的測定可以顯著區分礦粉與回收粉。同時結合歐洲礦粉規范（EN 196-21）中CaCO3含量不小于90%的要求，本項目針對江蘇省高速公路礦粉使用要求，建議礦粉中CaCO3含量不小于90%。

4 結論

通過基于化學成分的維度，對不同礦粉、添加物進行了相關實驗及數據分析，可以得到以下主要研究結論。

①根據紅外光譜測試結果，礦粉和回收粉在1426 cm-1、873 cm-1和710 cm-1附近均存在CaCO3特征吸收峰，此外，回收粉在1010 cm-1附近還存在硅酸鹽礦物特征吸收峰，顯著區別于礦粉，由此表明紅外光譜儀可實現礦粉和回收粉的初步定性檢測。②通過在700～600 cm-1、3700～3600 cm-1這兩個位置的特征峰來識別礦粉中有無石灰或者氧化鈣具有一定的可行性；試驗結果表明，pH 隨石膏的摻量的增加呈線性關系，而氧化鈣堿性較強，其摻量對pH 沒有明顯影響。③根據酸堿度測試結果，礦粉的pH 值總體上在8.0～9.0 之間，而回收粉pH 值相差較大，有11.6 和大于14.0，因此在紅外光譜分析基礎上，可采用pH 值準確表征礦粉的化學性質，建議以pH 值7～10 對礦粉的酸堿度進行控制。④采用EDTA 滴定法可以定量表征礦粉和回收粉中CaCO3含量，且不同礦粉與回收粉之間的CaCO3含量存在顯著差異，結合歐洲礦粉規范中CaCO3含量的規定，由此提出礦粉中CaCO3含量不小于90%的要求。