铁尾矿沥青混合料的路用性能

刘圣洁,唐亮,赵硕,杜宪华,王俊杰,赵之仲*,薛军

1.山东交通学院交通土建工程学院,山东 济南 250357;2.山东省路桥集团有限公司,山东 济南 250014;3.河南省交通规划设计研究院股份有限公司,河南 郑州 450001;4.肥城市交通运输局,山东 泰安 271600;5.山东省交通工程监理咨询有限公司,山东 济南 250010

0 引言

尾矿是工业固体废弃物的主要组成部分之一。冶炼铁矿石会产生较多品位不符合冶炼标准的铁尾矿。目前我国堆放的尾矿近50亿t,年排出尾矿近5亿t,尾矿总量的1/3为铁尾矿[1-2]。大量堆放的铁尾矿不仅占用土地资源,还破坏生态平衡[3-4]。但我国的铁尾矿回收技术有限,综合利用率仅为7%[5],如何综合利用铁尾矿成为亟待解决的难题。

随固废利用研究的推进,多金属组分、硬度高、表面粗糙多棱角的铁尾矿在各领域应用广泛[6]:通过二次资源再选,铁尾矿可进行有价元素及矿物回收[7-8];在资源再选后采用改性技术可制备建筑原材料,如水泥、混凝土骨料、胶凝材料、砖瓦和玻璃建材等[9],达到综合利用尾矿的目的[10];曹丽萍等[11]、刘晶磊等[12]分析铁尾矿的性能规律,探讨其作为公路填筑材料的可行性;张宝虎等[13]采用体积法设计铁尾矿砂石沥青混凝土,抗车辙能力较强;田知文[14]通过掺加改性剂改善铁尾矿沥青混合料的高温稳定性及低温抗裂性。但铁尾矿的改性条件相对复杂,综合利用率较低[15-18]。

本文制备以铁尾矿为主的新型路面沥青混合料,成本低廉,工艺简单,以期减轻过渡开采石料、天然骨料不足的现实压力,分析某铁尾矿的物理性能和其作为沥青路面骨料的可行性;以玄武岩集料为对照组,掺加不同粒径铁尾矿制备试件,并进行路面性能试验评估铁尾矿沥青混合料的路用性能,为铁尾矿的大规模应用提供理论支撑。

1 原材料性能

选用辽宁本溪鞍山式铁尾矿。岩石组合类型为硅铁建造、角闪岩、硅质岩。矿体整体大而贫,矿石矿物组分较简单,铁尾矿中铁元素的平均质量分数为27%～34%。

1.1 集料与沥青

选用玄武岩集料作为对照组,选用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene,SBS)类I-C级改性沥青,技术指标均满足文献[19]的要求。

1.2 铁尾矿

根据文献[19],用粗集料的要求检测铁尾矿的物理指标,结果如表1所示。

表1 铁尾矿物理指标的检测结果

由表1可知:铁尾矿粗集料的物理指标符合高速公路及一级公路沥青混合料用粗集料要求;相较于玄武岩集料,铁尾矿的压碎值较好,抗压能力较强;表观相对密度和毛体积相对密度较大,孔隙率较小,耐久性能较好,各项指标均达到路用性能的要求,可作为沥青高等级路面集料使用。

2 沥青混合料配合比设计

2.1 级配设计

选用SBS类I-C 级改性沥青,采用马歇尔法设计玄武岩沥青混合料的配合比,选择接近SMA-13(沥青玛蹄脂碎石混合料,stone mastic asphalt,SMA)级配范围中值的矿料级配,根据文献[20]中的成型马歇尔试件,目标矿料级配曲线如图1所示。粒径分别为>10～15 mm、>5～10 mm、0～5 mm的铁尾矿、矿粉的质量比为47.5：34.0：10.5：8.0时为最佳配合比。

图1 初拟SMA-13级配曲线

2.2 最佳沥青质量比

根据文献[20],对玄武岩沥青混合料选用油石比6.0%为基值,等差初选4组油石比分别为5.8%、6.0%、6.2%、6.4%成型马歇尔试件,马歇尔试验指标如表2所示。确定沥青与玄武岩混合料的最佳质量比为6.038%,计算结果比经验结果偏大,原因是玄武岩粒料存在微孔,试验时沥青填充微孔。为计算方便,取沥青与玄武岩混合料的最佳质量比为6.0%。

表2 SMA-13不同油石比下的马歇尔试验指标

3 路用性能

为确保铁尾矿沥青路面的路用性能符合文献[20]要求,将玄武岩分别更换为4.75～9.50 mm、4.75～13.20 mm、>9.50～13.20 mm等3种不同粒径的铁尾矿制备试件,样品代码分别为SMA-13a、SMA-13b、SMA-13c,对比分析其与玄武岩沥青混合料的稳定性和抗滑性。

3.1 高温稳定性

采用动稳定度评价沥青混合料的高温稳定性,试验温度为60 ℃,接触压力为0.7 MPa;记录试验结果并计算动稳定度,SMA-13a、SMA-13b、SMA-13c、SMA-13(对照组)的高温动稳定度分别为6 324、6 851、6 533、5 878 次/mm。

铁尾矿沥青混合料的高温动稳定度比对照组均有所提升,SMA-13b的高温稳定度最好,比SMA-13高16.55%,SMA-13a和SMA-13c的动稳定度比SMA-13分别高7.59%、11.14%。原因是铁尾矿棱角性和粗糙度比玄武岩好,集料间相互接触交叉后摩擦力相对较大,高温动稳定性有所增强。铁尾矿沥青混合料能较好地满足路用性能要求,可应用在路面实际施工中,实际施工中应选级配范围广且级配等级优良的铁尾矿粒料。

3.2 低温稳定性

以低温弯曲试验中的最大弯拉应变表征材料的低温性能,控制试验温度为-10 ℃,设置马歇尔稳定度测定仪加载速度为50 mm/min,采样间隔为3 s,4种沥青混合料的低温弯曲试验结果如表3所示。

表3 4种沥青混合料低温弯曲试验结果

由表3可知:相比玄武岩沥青混合料,铁尾矿沥青混合料的低温稳定性较好,符合路用性能要求。铁尾矿沥青混合料的临界应变是玄武岩的1.05～1.18倍。随铁尾矿质量比的增大,小梁最大拉应变增大,采用SMA-13b的小梁的临界应变是采用SMA-13a的小梁的1.13倍,原因是铁尾矿比玄武岩黏结沥青轻质组分更少,可提高沥青混合料的柔韧性。

3.3 水稳定性

通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验检验铁尾矿沥青混合料的水稳定性,评价试件残留稳定度及冻融劈裂强度比ETSR,4种试件的水稳定性试验结果如表4所示。

表4 4种沥青混合料的水稳定性试验结果

由表4可知:铁尾矿对沥青混合料的水稳定性有一定影响,SMA-13b的浸水残留稳定度比SMA-13减小6.58%,ETSR减小8.03%。铁尾矿中石英和云母的质量分数比玄武岩大,结晶程度较好,铁尾矿沥青混合料的水稳定性降低,但仍满足马歇尔试验残留稳定度大于80%的要求,且满足潮湿区残留稳定度不低于85%的要求[19],可应用在实际道路施工中。

3.4 抗滑性

通过三轮加速加载试验研究铁尾矿沥青混合料的摩擦因数,检验其抗滑性能。荷载为0.7 MPa,转速为60 r/min,对铁尾矿沥青混凝土面板进行磨耗测试;经过约20万次的磨耗后,沥青路面摩擦因数趋于稳定,以该稳定值为基础,对比分析其他沥青混凝土面板的抗滑性能。采用动态摩擦因数测试仪测定磨耗0、1万、2万、5万、10万、20万次后SMA-13b铁尾矿沥青混合料的动态摩擦因数,结果如图2所示。

图2 铁尾矿沥青混合料动态摩擦因数

由图2可知:随三轮磨耗次数的增大,2种沥青混凝土面板的动摩擦因数先增大后减小。在磨耗初期,随三轮磨耗次数的增大,2种沥青混凝土面板的动摩擦因数增大,在三轮磨耗次数约为2万次时达到最大动态摩擦因数,铁尾矿沥青混凝土面板的最大动摩擦因数为0.47,玄武岩沥青混合料为0.44;随后2种沥青混凝土面板的动摩擦因数开始减小,在三轮磨耗次数约为15万次时趋于稳定,且两者的动摩擦因数之差约为0.02,但铁尾矿沥青混合料的抗滑性能始终优于玄武岩沥青混合料,符合文献[19]要求。因此,铁尾矿可代替玄武岩作为沥青骨料,适用于高等级公路面层。

4 结论

1)在沥青混合料中掺加粒径分别为4.75～9.50、4.75～13.20、>9.50～13.20 mm的铁尾矿制备试件,进行车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验及三轮加速磨耗试验,评估铁尾矿沥青混合料的路用性能。掺加粒径为4.75～13.20 mm铁尾矿的沥青混合料的高温稳定性最好,动稳定度为6 851次/mm,比玄武岩沥青混合料提高了16.55%。铁尾矿沥青混合料的临界应变是玄武岩沥青混合料的1.05～1.18倍,铁尾矿与混合料的质量比与小梁最大拉应变成正比,铁尾矿沥青混合料的高温稳定性和低温稳定性均满足路用性能要求。

2)掺加粒径为4.75～13.20 mm铁尾矿的沥青混合料的浸水残留稳定度降至88.54%,比玄武岩沥青混合料减小6.58%,但水稳定性仍满足路用性能要求。铁尾矿沥青混合料的抗滑性能始终优于玄武岩沥青混合料。

本研究尚处于试验室阶段,实际施工中综合影响因素较多,需铺筑一定长度的试验路段,在不同环境下验证铁尾矿沥青混合料的路用性能。