福建地区铁尾矿砂沥青混凝土路用性能研究

邵 彩

(福建南平路桥养护工程有限公司，南平 353000)

近年来我国的公路行业高速发展， 沥青路面作为高等级公路的主要形式[1]，占我国高速公路的90%以上。 由于其良好的表面性能以及噪音低、无接缝、不扬尘、易清洗、可再生等优势，可以预见其将会成为未来公路建设的主要形式。伴随着交通需求的日益增长，对于沥青路面的建设也会同比增长， 然而无论是沥青结合料还是矿质集料，都是不可再生资源，矿质集料的过度开采会加速自然资源的枯竭，影响生态平衡最终对人类社会造成灾难。因此寻求传统矿质集料的替代物就显得尤为重要。

我国是钢铁行业大国，矿产资源丰富，但大部分矿山都只追求单方面矿产资源的开采，对于矿产开发的“边角料”尾矿，由于金属含量低一般都选择搁置废弃，这不仅造成了大量的资源浪费， 同时由于其整体堆积占用大量土地，导致土地资源失衡。 在全国的尾矿库中约有1/3 为铁尾矿[2]，福建省的阳山铁矿区、马坑铁矿区目前都大量堆积着铁尾矿。 铁尾矿主要成分是二氧化硅，其细度好，不用破碎， 而且相比矿质集料， 经济效益具有明显的优势， 因此， 铁尾矿砂用于公路建设不仅可以提高资源利用，同时对工程具有良好的经济效益性。本文通过采用铁尾矿砂代替4.75mm 以下矿质集料制备铁尾矿砂沥青混凝土，确定最佳油石比，并通过室内试验与普通热拌沥青混凝土路用性能进行对比， 为福建省铁尾矿利用及沥青路面建设提供技术参考。

1 原材料

1.1 集料及填料

试验采用粒径10～15mm、5～10mm 粗集料均为石灰岩，填料采用石灰岩矿粉，按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）测试集料和矿粉的各项性能，均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004） 中的性能要求。 填料0～5mm 细集料采用铁尾矿砂代替传统矿质集料，本次使用的铁尾矿砂主要取自福建省阳山铁矿区，其主要形貌与特征如图1 所示。

图1 铁尾矿砂形貌特征

为进一步了解阳山矿区的铁尾矿的物理与化学性质，表1～2 列出了铁尾矿砂的一些物理性质。由表1 可知，铁尾矿各项密度略小于石灰岩但基本相同。吸水率较高，表现为亲水性集料，因此应重点关注沥青混合料水稳定性能。

表1 铁尾矿与石灰岩密度参数

表2 铁尾矿与石灰岩密度参数

1.2 沥青结合料

由于铁尾矿的主要成份为SiO2，集料整体呈酸性，因此为了提高集料与沥青的粘附性， 本次研究采用SBS I-B 作为结合料制备沥青混合料。 其主要性能如表3 所示。

表3 SBS I-B 沥青技术指标

2 铁尾矿砂沥青混合料组成设计

2.1 级配设计

为研究铁尾矿砂代替部分矿质集料后沥青混合料的路用性能， 本文选择我国最为常用的密级配类型AC-13作为研究对象， 设计时适当减小公称最大粒径附近的粗集料和0.6mm 以下的细集料用量， 使中等粒径集料较多，形成良好的S 型级配曲线。本文选用的设计级配曲线如图2 所示。 另外选取常规石灰岩作为矿质集料制备AC-13 沥青混合料用于与铁尾矿砂沥青混合料路用性能进行对比分析。

2.2 最佳沥青用量确定

沥青最佳用量的确定选择马歇尔体积设计方法进行，按拌和温度175℃，成型温度165℃，双面击实各75次的条件成型标准马歇尔试件。 选择油石比4.3%、4.6%、4.9 %、5.2%、5.5%，按上述条件成型标准马歇尔试件。 依据JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 的规定计算沥青混合料理论最大密度。 采用T0706-2011 压实沥青混合料密度试验（水中重法）测定试件的毛体积相对密度。 马歇尔试件体积参数及马歇尔试验结果见表4 及图3～8， 其中沥青混合料的矿料间隙率VMA 依据JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，采用矿料混合料的合成毛体积相对密度计算。

图2 铁尾矿砂沥青混合料AC-13 级配设计曲线

表4 铁尾矿砂沥青混合料最佳油石比设计参数

图3 沥青用量与毛体积相对密度

图4 沥青用量与空隙率

图5 沥青用量与矿料间隙率

图6 沥青用量与沥青饱和度

图7 沥青用量与稳定度

图8 沥青用量与流值

由上述试验参数可以计算得到铁尾矿砂沥青混合料的最佳油石比为4.9%，作为对比组的常规沥青混合料采用相同的方法测得最佳油石比为5.0%。

3 铁尾矿砂沥青混合料路用性能研究

3.1 高温性能研究

高温性能是沥青混合料的重要性能， 夏季路面温度可高达75℃，沥青混合料是由粗集料、砂浆、空隙组成的三相体复杂结构， 其中砂浆是由沥青结合料和细集料组成的一种典型粘弹性材料，高温下粘性性质显著，流动性大。 在车辆荷载作用下沥青混合料承受车辆荷载和剪切作用，极易发生车辙，从而进一步降低路面使用质量，影响行车安全。铁尾矿用于本研究中细集料的替代品，是高温下的薄弱环节， 此外福建地区在沥青路面气候分区中属于夏炎热区(1-4 区)。 因此高温稳定性对于福建地区铁尾矿沥青路面显得尤为重要，本研究以动稳定度作为评价指标分析对比其高温性能的优劣。 试验结果如图9 所示。

图9 铁尾矿砂与石灰岩混合料动稳定度

由车辙试验的结果可知， 铁尾矿砂作为矿质细集料的替代品对沥青混合料的高温性能造成了一定的不利作用，动稳定度下降了24.7%，但是铁尾矿砂沥青混合料的高温稳定性均满足福建地区改性沥青动稳定度标准的2800 次/mm 要求。 这主要是由于铁尾矿的化学成分偏酸性，不易与沥青酸酐结合，因此导致粘附性降低，没能形成足够的强度， 从而导致高温条件下动稳定度低于碱性集料沥青混合料。

3.2 低温性能研究

冬季气温降低，沥青路面多发低温开裂病害。沥青混合料内部由于温度下降导致温度应力的产生， 一般情况下，沥青混合料具有应力松弛的能力，因此当温度缓慢变化时，沥青混合料不会轻易产生低温开裂；但当气温出现急剧变化或面层材料的松弛性能不好时， 沥青结合料的脆性显著， 使得内部温度应力来不及松弛就超过了抗拉强度极限，路面因此出现低温开裂[3]。 低温开裂不仅破坏了路面的承载能力， 还会进一步将大气降水通过裂缝引入路面带入基层，产生更严重的病害。本研究通过低温蠕变实验对铁尾矿砂沥青混合料进行性能测试， 实验结果如图10 所示。

由图10 可知铁尾矿砂沥青混合料的低温性能率低于石灰岩沥青混合料， 弯拉应变与弯曲劲度模量分别降低了7.5%和9.6%，均高于福建地区低温弯拉应变的要求值（≥2000με）。 这表明铁尾矿砂的掺入并不会对沥青混合料的低温性能造成显著影响， 完全可以满足混合料对于低温性能的要求。

图10 铁尾矿砂与石灰岩混合料低温性能

3.3 水稳定性能研究

沥青路面常见病害除了车辙变形和低温开裂之外，沥青混合料的水损害也是常见的破坏形式之一， 并且水损害的影响会随着水作用的时间增长而增大。 沥青混合料的水稳定性主要与集料的化学性质有关， 对于憎水性的碱性物质，能与沥青很好的粘附从而提高其水稳定性。本次研究用的铁尾矿砂吸水率达到1.484，属于亲水性物质，因此需要重点研究铁尾矿砂沥青混合料的水稳定性。本研究采用国内常用的浸水马歇尔试验方法以及国外普遍采用的汉堡车辙试验方法来评价铁尾矿砂沥青混合料的水稳定性能。

3.3.1 浸水马歇尔实验

该试验是检验沥青混合料受水侵蚀时的抗剥落能力。试验分别对铁尾矿砂沥青混合料与石灰岩沥青混合料根据 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）进行浸水马歇尔试验，其试验结果如图11 所示。

图11 铁尾矿砂与石灰岩浸水马歇尔性能

由图11 可知，随着浸水时间的增长，两种矿质沥青混合料的稳定度均存在一定程度的下降，其中经过48h 浸水试验后铁尾矿砂残留稳定度相对于石灰岩仅仅降低了7.0%，并高于冬温区的规范要求值（≥80%）。 说明铁尾矿砂虽然吸水性较强，但是并没有显著降低沥青混合料的水稳定性，可以保证沥青路面的使用品质。

3.3.2 汉堡车辙实验

浸水马歇尔试验是在实验室条件下模拟沥青混合料浸水后的静态测试方法，其实际被证明与现场水稳定性能的优劣并无直接关系。 汉堡车辙试验仪主要是由德国的Helmut-Wind Incorporated of Hamburg 研发生产出来的。 德国以此试验作为规范的一个要求，用来评估一些交通量较大的行车道路的车辙和抗剥落性能。 使用旋转压实仪成型直径150mm，高度62±2mm 的圆柱形试件，并将两个试件中每一个切去小弓形后组合成一组试件， 以适应试验的塑料模具（图12）。 汉堡车辙试验的温度范围为25℃～70℃，其中常用的温度为45℃或50℃[4]。 在此试验中，将施加705N（158Lb，1Lb=454g） 荷载的47mm 宽的钢轮在试件上进行往复运动，运动速度约为52 次/min， 当钢轮达到20000 次往复运动次数或试件产生20mm 的变形时，试验停止，试验得到的指标主要以剥落点作为水稳定性评价的主要标准。

图12 汉堡车辙圆柱体试件尺寸

由于汉堡车辙试验能较为真实的模拟现场实际情况下沥青混合料的真实状态，因此目前在全世界范围内得到了更多的关注与应用。本研究同样采用汉堡车辙试验对铁尾矿砂沥青混合料的水稳定性进行测试，同时与浸水马歇尔试验的结果进行对比分析。20000 次下的车辙深度如图所示，结果表明铁尾矿砂的剥落次数降低了14.8%，相较于石灰岩沥青混合料水稳定性能有一定程度的下降，实验结果与浸水马歇尔试验的结果基本一致。铁尾矿砂属于酸性集料，与沥青粘附性相对较低，在水存在的情况下易发生与沥青结合料的脱粘，从而导致沥青混合料水稳定性存在一定程度的下降， 但综合实验结果表明，虽然铁尾矿砂沥青混合料的水稳定性能略有下降，但足以保证沥青路面的使用要求。

图13 汉堡车辙实验结果

4 结论

本文研究了福建地区铁尾矿的主要物理性质。基于马歇尔体积法确定了铁尾矿砂沥青混合料的最佳油石比，并在此条件下制备铁尾矿砂与石灰岩沥青混合料用于路用性能对比研究。将两种混合料分别进行车辙试验、低温小梁试验、浸水马歇尔实验和汉堡车辙试验，得出结论主要如下：

（1）高温稳定性能方面：铁尾矿砂沥青混合料的动稳定度相较于石灰岩沥青混合料降低了24.7%。 但两者均满足福建地区规范要求（≥2800 次/mm）。这主要是由于铁尾矿砂中含有大量的SiO2，与沥青的粘附性较差，没有形成强度，从而在高温下抵抗荷载作用降低，容易产生车辙。 汉堡车辙试验佐证了车辙试验结果的准确性。

（2）低温稳定性能方面：低温弯曲蠕变试验的结果表明铁尾矿砂沥青混合料的低温性能基本没有下降，弯拉应变与弯曲劲度模量仅仅降低了7.5%和9.6%，远远高于冬温区弯拉应变的要求值（≥2000με）。 尽管铁尾矿砂与沥青的粘附性下降，但其仍能保证沥青结合料其本身的松弛能力，抵抗低温下的破坏水平，

（3）水稳定性方面：通过国内常用的浸水马歇尔试验以及国外普遍采用的汉堡车辙试验对铁尾矿砂沥青混合料与石灰岩沥青混合料进行试验分析。结果表明铁尾矿砂沥青混合料基本与石灰岩沥青混合料性能接近，48h 残留稳定度降低7%，大于规范要求中的≥80%，剥落次数仅仅低于石灰岩沥青混合料14.8%，并未出现显著降低。

（4）铁尾矿砂沥青混合料在远远高于福建地区沥青路面施工技术性能要求的基础上，还能实现“变废为宝”，同时减少了大量尾矿堆积造成的土地资源浪费，同时降低了沥青路面建设的造价，具有良好的经济与环境效益。