基于铁尾矿砂的沥青混合料路用性能研究

顾瑞海高宾宋振海张民王鑫洋

(1.山东高速集团有限公司 建设管理公司，山东 济南 250000；2.山东高速工程检测有限公司，山东 济南 250002；3.山东省交通运输厅工程建设事务中心，山东 济南 250001)

0 引言

沥青路面由于其行车舒适耐磨、施工周期短、养护维修简便等优点越来越多地应用到公路建设中。目前，沥青路面占我国高速公路的比例＞90%，且已进入建设与养护并行的阶段[1]。然而，传统砂石材料的不可再生、价格昂贵及生产沥青混合料集料资源的愈发紧张，亟需一种量大、价低的路面用替代材料。铁尾矿砂是矿石经过湿磨、磁选后经过筛分处理的废弃尾矿石屑，一般占矿石总量的60%～80%[2]。随着我国钢铁行业的巨大体量和发展，每年处理铁矿石约有10亿t，产出约7亿t铁尾矿砂，目前累计堆放的铁尾矿砂已超过60亿t[1-3]。由于我国南北跨度大且地质复杂，致使铁尾矿砂的物理化学成分差异较大；地域、交通条件的限制使得我国铁尾矿的综合利用也受到一定阻碍[4-5]。大量的铁尾矿砂的堆积造成了严重的环境污染、占用耕地的问题，同时也是一种巨大的资源浪费。若将铁尾矿砂代替细集料应用到沥青混合料中，既可缓解砂石材料资源紧张的局面，又可解决铁尾矿造成的环境污染、资源浪费问题。

田知文[1]将辽宁地区的铁尾矿石当作粗集料应用到AC-20沥青混合料中，并分析其路用性能，得出粗集料用铁尾矿石的AC-20的路用性能不如玄武岩集料AC-20，而采用硅烷偶联剂进行改善后，铁尾矿石AC-20沥青混合料的路用性能得到显著提高。兰晶晶等[6]采用SiO2质量分数为73.56%的酸性铁尾矿砂充当细集料设计了AC-16沥青混合料并研究其路用性能，铁尾矿砂沥青混合料能够满足低等级路面的要求。张铁志等[3]采用鞍山铁尾矿砂设计AC-16、AC-13两种铁尾矿砂沥青混合料，发现铁尾矿砂完全可以用作掺加到沥青混合料中的细集料，且铁尾矿砂沥青混合料的稳定度有所提高，增加了混合料的粘聚力。

目前，对铁尾矿砂应用到沥青路面，尤其是高等级路面层的研究仍然偏少。结合山东省枣庄地区的铁尾矿砂特性，深入研究了铁尾矿砂在高等级路面结构层中的应用。

1 材料及其性能

1.1 铁尾矿砂

1.1.1 化学特性分析

(1)化学成分及烧失量分析

采用的铁尾矿砂为“枣木连接线工程”沿线枣庄地区的铁尾矿砂，其主要矿物成分为SiO2、Fe2O3、Al2O3；SiO2质量分数52%～65%的集料为中性集料[7]，而铁尾矿砂的SiO2质量分数为61.85%，属于中性集料。

(2)有害物质质量分数分析

对铁尾矿砂进行有害物质含量检测，检测结果见表1。铁尾矿有害物质含量均满足技术要求；铁尾矿砂满足环保要求。

表1 铁尾矿砂有害物质含量分析表

(3)放射性评价

检测铁尾矿砂的放射性，其结果见表2。铁尾矿砂的内照射指数、外照射指数远低于规范要求低限值；铁尾矿砂无放射性危害。

表2 铁尾矿砂放射性分析表

1.1.2 常规物理特性分析

(1)铁尾矿砂级配组成及细度模数

水洗筛分铁尾矿砂，其细度模数由式(1)表示为

式中Mx为砂的细度模数；A0.15、A0.3、A0.6、A0.18、A2.36、A4.75分别为各筛的累计筛余百分率，%。

经计算，铁尾矿砂的细度模数为0.507，其值＜1.5，按砂的分类属于特细砂。

(2)表观密度

采用容量瓶法测定铁尾矿砂的表观密度为2.91 g/cm3，其值≥2.50 g/cm3，满足沥青混合料用细集料的要求[8]。

(3)砂当量

对铁尾矿砂进行砂当量试验，计算得到铁尾矿砂的砂当量为90%≥60%，比较洁净，满足沥青混合料用细集料的要求[8]。

1.1.3 棱角性分析

集料是沥青混合料中组成比例最大的部分，细集料是集料中的重要组成部分，其形态特征对沥青混合料的力学特性、结构特性具有重大影响，棱角性为0时表明集料颗粒为无棱角圆形颗粒。研究表明，棱角性显著影响混合料的高温性能，其值越高，集料之间的受力点数增多，减少了混合料的竖向变形，其高温性能越好[9-12]。将玄武岩、石灰岩与铁尾矿砂分档筛分后采用集料图像测量系统分别进行棱角性试验，试验结果如图1所示。对于0.075～0.3、0.3～2.36、2.36～4.75 mm粒径范围的细集料，棱角性大小为:铁尾矿砂＞玄武岩＞石灰岩；铁尾矿砂的棱角性最丰富，最有利于混合料的高温性能，0～5 mm玄武岩次之，0～5 mm石灰岩最差。

图1 不同粒径范围棱角性分布图

1.1.4 微观形貌特性分析

物质的宏观性能与其微观结构特征密切相关。洁净的铁尾矿砂、玄武岩、石灰岩细集料经3000次磨耗后进行扫描电镜试验，分析其微观结构，如图2所示。

从图2可以看出，铁尾矿砂颗粒较为规则、明显，方正块状颗粒较多，断裂处的线条、棱角明显，基本无碎小粉末颗粒；玄武岩的磨耗破碎后的方正规则块状颗粒较少，碎小颗粒及粉末较多；石灰岩磨耗破碎后的粉末最多，颗粒较少且棱角被磨耗的最为圆滑。因此，可认为0～5 mm细集料的耐破碎性大小为铁尾矿砂＞玄武岩＞石灰岩；微观结构的规则性大小为铁尾矿砂＞玄武岩＞石灰岩；这与铁尾矿砂的棱角性大小对比结果一致。

图2 铁尾矿砂、玄武岩、石灰岩扫描电镜图

1.1.5 粘附性分析

接触角用来定量评价沥青的粘附性被越来越多的应用[13-14]。文章以沥青为介质，评价沥青与铁尾矿石、石灰岩石、玄武岩石的粘附性大小，采用座滴法，试验结果如图3所示。

图3 铁尾矿砂、玄武岩、石灰岩与沥青的接触角图

铁尾矿与沥青的接触角最大，玄武岩的接触角略低于铁尾矿，均显著大于石灰岩。因此，可认为铁尾矿的亲油性最差，即与沥青的粘附性最差，玄武岩的亲油性略高于铁尾矿，石灰岩的亲油性最佳，与沥青的粘附性最好。

1.2 集料

SMA-13沥青混合料采用耐磨性较高的0～5 mm、5～10 mm和10～15 mm玄武岩。AC-20沥青混合料采用0～5 mm、5～10 mm、10～20 mm石灰岩。经过试验检测，粗细集料的技术指标满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[8]的要求。

1.3 沥青

AC-20、SMA-13沥青混合料均使用SBS改性沥青，技术指标见表3，SBS改性沥青的技术指标满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[8]的相关要求，属于I-D类。

表3 SBS改性沥青的关键技术指标表

2 铁尾矿砂沥青混合料设计

2.1 混合料矿料级配设计

采用马歇尔设计方法设计了SMA-13、AC-20的沥青混合料，为了充分利用铁尾矿砂，参考级配上下限控制范围，最终设计SMA-13沥青混合料的铁尾矿砂掺量为10%、AC-20沥青混合料的铁尾矿砂掺量为7%。并设置未掺加铁尾矿砂的SMA-13、AC-20对照组。4组沥青混合料的级配组成见表4和5。

表4 SMA-13级配组成表

表5 AC-20级配组成表

2.2 最佳沥青用量

SMA-13沥青混合料采用5.4%、5.7%、6.0%、6.3%、6.6% 5个沥青用量，AC-20沥青混合料采用3.4%、3.9%、4.4%、4.9%、5.4% 5个沥青用量进行最佳沥青用量的确立。经过马歇尔试件的相关体积指标参数及性能计算，确立了4组沥青混合料的最佳沥青含量，见表6。

表6 最佳沥青含量表 %

研究表明，在夏炎热区(1-3区)AC-20沥青混合料在路面深约≤90 mm时，空隙率控制在4%～6%，SMA-13沥青混合料的空隙率控制在3%～4%时，沥青混合料会发挥最大作用，耐久性更佳[4]。4组沥青混合料分别采用最佳沥青含量进行马歇尔试验，标准马歇尔试件的空隙率均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[8]的要求。

3 铁尾矿砂沥青混合料路用性能研究

3.1 高温性能试验与分析

采用稳定度试验、车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性与抗车辙性能。试验结果分别见表7和8。

表7 马歇尔稳定度试验结果表

表8 车辙试验数据表

由表7和8可知，掺加铁尾矿砂后的SMA-13、AC-20沥青混合料的稳定度、流值与动稳定度均满足规范要求[8]且略高于未掺加铁尾矿砂的空白对照组。

沥青混合料的高温性能主要取决于混合料粗骨料构造的骨架结构与集料的棱角性，铁尾矿砂作为细集料掺加到SMA-13、AC-20沥青混合料中没有影响其骨架结构是其高温性能优良的重要原因，且铁尾矿砂的棱角性优于0～5 mm的玄武岩与石灰岩细集料，高温受力时的接触点最多是其高温性能略有提高的内因。

3.2 水稳定性能试验与分析

通过冻融劈裂试验和浸水残留稳定度试验对沥青混合料的水稳定性进行评价，掺有铁尾矿砂的沥青混合料及其对照组的融劈裂试验试验数据、浸水残留稳定度试验数据见表9和10。

表9 冻融劈裂试验表 %

从表9可以看出，掺加铁尾矿砂后的SMA-13和AC-20沥青混合料的冻融劈裂残留强度比均满足规范要求，但略低于未掺加铁尾矿砂的对照组；与使用0～5 mm石灰岩细集料的AC-20沥青混合料的差别最大。

从表10可以看出，掺加铁尾矿砂后的SMA-13和AC-20沥青混合料的浸水残留稳定度满足规范要求[8]，但略低于未掺加铁尾矿砂的对照组；与使用0～5 mm石灰岩细集料的AC-20沥青混合料的差别最大，且与冻融劈裂试验得出的结论一致。

表10 浸水残留稳定度表 %

铁尾矿砂与沥青的粘结性良好是掺加铁尾矿砂沥青混合料水稳定性满足规范要求值且与空白对照组相差无几的重要内因。掺加铁尾矿砂的AC-20沥青混合料与对照组的水稳定性差别大于掺加铁尾矿砂的SMA-13沥青混合料与对照组的差别，与集料和沥青黏附性大小的差别一致，集料和沥青的黏附性是影响沥青混合料水稳定性的主要因素。

3.3 汉堡试验

汉堡试验是综合评价沥青混合料高温抗车辙与水稳性能的重要方法。通常情况下，汉堡试验的最终碾压次数、最大车辙深度与抗剥落拐点分别反应的高温抗车辙性能与抗水损害性能，且与实际路用性能的相关性较高[15-17]；参照美国得克萨斯州的试验方法(Tex-242-F)[16]，汉堡轮辙试验水温为50℃、固定荷载为685 N、轮压力为0.73 MPa；评价试件被碾压20000次的变形量。得克萨斯州交通部公路施工及维护规范根据沥青胶结料的PG等级提出的技术指标见表11。AC-20、SMA-13试件的车辙深度随碾压次数的变化趋势如图4和5所示。

图4 AC-20汉堡试验结果图

表11 得克萨斯州车辙深度要求表 单位:次

随着碾压次数的增加，车辙深度逐渐增加，蠕变速率则逐渐降低。无论是SMA-13还是AC-20，掺加铁尾矿砂的沥青混合料，其车辙深度均低于未掺加铁尾矿砂的沥青混合料且远远小于美国得克萨斯州的技术指标[16]。4种沥青混合料在碾压20000次过程中均未出现抗剥落拐点。因此，掺加提尾矿砂的沥青混合料，其高温抗车辙与水稳定性的综合性能略有提高；掺加铁尾矿砂后的SMA-13、AC-20沥青混合料适用于高温多雨的地区。

图5 SMA-13汉堡试验结果图

3.4 低温性能试验与分析

低温开裂是路面主要破坏形式之一，主要由面层温缩裂缝所致。通过沥青混合料弯曲试验测试4组沥青混合料的低温拉伸性能，试验温度为-10℃，结果见表12。

表12 低温弯曲试验结果表

掺加铁尾矿砂掺量后SMA-13、AC-20沥青混合料小梁弯拉应变符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[8]的相关要求，且与未掺加铁尾矿砂的沥青混合料基本相同，说明铁尾矿砂不影响沥青混料的低温性能。影响沥青混合料低温性能的主要因素为沥青胶结料的低温劲度，与细集料的性能基本无关。

4 结论

采用宏观性能试验与微观机理分析相结合的手段，分析了铁尾矿砂应用于高等级路面结构层的路用性能，主要得出以下结论:

(1)铁尾矿砂属于特细砂，物理指标满足路面用细集料的要求，并且有害物质含量与放射性满足环保要求。铁尾矿砂的棱角性优于0～5 mm的玄武岩和0～5 mm的石灰岩，微观形貌具有明显棱角，规则性最优，但其与沥青的黏附性略低于石灰岩与玄武岩。

(2)铁尾矿砂可作为细集料以较高的掺量应用到高等级路面结构层中，掺加铁尾矿砂后SMA-13与AC-20沥青混合料的高温稳定性、抗车辙性能略有提高，低温性能基本无变化，高温与水稳定性综合性能得到提高。