改性磷尾矿微粉沥青混凝土抗水损害性能研究

叶治军，何书进，陶毅荣，董冠男，俱新疆，王 凤

（1.葛洲坝湖北襄荆高速公路有限公司，湖北 荆门 448100；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070）

磷化工生产过程中会产生大量工业副产物，磷尾矿作为一种典型而分布广泛的固体废弃物，主要化学成分为二氧化硅（SiO2）、氧化镁（MgO）、氧化铁（Fe2O3）、五氧化二磷（P2O5）、氧化钙（CaO）和其他金属氧化物[1-3]。磷尾矿通常以泥浆的形式产生，尾矿库储存了大量的尾矿和其他矿物废料，但如果管理和使用不当可能造成严重的环境问题，在尾矿库中，大量的磷尾矿只能长期堆放在一处，被雨水冲刷后，会导致有害化学元素的迁移。目前，磷尾矿主要用于建筑材料领域，其作为水泥的原料或改性剂，可以提高水泥和水泥混凝土的强度、和易性和耐久性。然而，关于磷尾矿作为沥青或沥青混合料改性剂的研究却很少。同为磷化工生产过程中产生的工业废弃物磷矿渣，被很多研究者加工成磷渣粉，然后将其作为一种改性剂对沥青进行改性处理，或者将其部分替代矿粉应用到沥青混合料中。研究结果表明，经过磷渣粉改性的沥青性能得到了明显提升，而利用磷渣粉部分替代矿粉制备的沥青混合料的路用性能也有一定的改善作用，同时，磷渣粉的pH 呈碱性，在高温下还具有疏水性和稳定性，所以其可以作为一种抗剥落添加剂应用到沥青混合料中[4]。

但目前国内外关于磷尾矿的应用研究中，很少有研究人员将磷尾矿以无机微粉的形式添加到沥青混合料中，导致磷尾矿对沥青混合料路用性能的影响机制尚不清晰。而由于粉体材料的优良特性，无机微粉常常被当作一种改性剂或添加剂来改善沥青和沥青混合料的性能[5-6]。因此，本研究提出将磷尾矿加工成粉末状材料，以磷尾矿微粉的形式添加到沥青中对其进行改性处理。

基于以上研究背景，本研究采用磷尾矿微粉替代普通石灰岩矿粉，制备开级配多孔沥青混合料，通过沥青材料三大基础指标和动态剪切流变性能，以及对OGFC-16沥青混合料抗水损害性能进行测试，探究磷尾矿微粉对沥青混合料抗水损害性能的影响规律。

1 原材料

磷尾矿微粉与沥青之间存在相容性差异，将磷尾矿直接加入沥青中会导致其在沥青中分布不均而发生离析，因此，添加磷尾矿微粉前需要对其进行改性处理。磷尾矿和磷渣作为磷化工生产过程中的副产物，本研究根据磷渣微粉改性研究现状，采用目前对磷渣微粉改性效果最好的磷酸型单烷氧基类钛酸酯（TM-P）对磷尾矿微粉进行改性。磷尾矿微粉改性处理之后，其基础物理性能见表1。其表观相对密度、含水率、粒度范围和pH 等性能指标均满足公路工程对矿粉性能指标的要求。其中表观相对密度按照规范要求使用李氏比重瓶测得，pH 的测试方法参考沥青路面矿粉酸碱度测试试验规程。

表1 磷尾矿微粉的主要技术指标

2 试验方法

为了更清晰地解析磷尾矿微粉对沥青混合料路用性能的影响机制，本研究首先将磷尾矿微粉分别以沥青质量比的4%、7%、10%、12%和15%掺配至沥青材料中制成5 组不同性能等级的磷尾矿微粉-沥青胶浆样品，对其针入度、软化点、延度等三大指标和动态剪切流变性能进行了测试分析。本研究还选用OGFC-16 级配沥青混合料，进行了磷尾矿微粉对沥青混合料抗水损害性能的影响分析。沥青混合料的级配组成见表2，确定最佳油石比为4%，测得试件空隙率为22.8%。混合料所用粗集料和细集料均为石灰岩，矿物填料分别为普通石灰岩矿粉和磷尾矿微粉。使用普通石灰岩矿粉制备普通矿粉沥青混合料作为对照组试件，将磷尾矿微粉以100%的比例取代普通石灰岩矿粉制得磷尾矿微粉沥青混合料试件。

表2 OGFC-16 沥青混合料矿料级配

3 结果与讨论

本研究采用JSM-IT300 型扫描电子显微镜对磷尾矿微粉进行表面特性分析，其颗粒表面形貌如图1 所示。从图1 中可以看出，磷尾矿微粉颗粒粒径大多为10~100 μm，且表面粗糙，粒型规整。当与沥青混合时，磷尾矿微粉的粗糙表面能够增大与沥青的黏附性，这对混合料的性能也有一定的提升作用。

图1 不同放大倍数的磷尾矿微粉SEM 图片

基于Mastersizer 2000 型激光粒度分析仪对磷尾矿微粉粒度进行了分析，结果见表3。经微粉表面改性处理，磷尾矿微粉的主体颗粒粒径介于10~100 μm，体积平均粒径为24.097 μm，颗粒粒径分布曲线验证了扫描电镜的分析结果。磷尾矿微粉比表面积为1.400 m2/g，大于常规沥青混合料用矿粉的比表面积，这就表明当磷尾矿微粉应用到沥青混合料中，其自身较普通矿粉可以吸附更多的沥青，从而形成结构沥青，说明磷尾矿微粉具有提升沥青混合料温度稳定性的潜在优势。

表3 磷尾矿微粉的粒径分析结果

图2 为掺入磷尾矿微粉后针入度、延度、软化点的变化趋势。实验数据表明，磷尾矿微粉对沥青材料温度敏感性和延展性影响较大，表现为随着磷尾矿微粉掺量增加，其针入度和延度持续下降。但软化点参数随着磷尾矿微粉掺量的增加而表现出一定的波动性。

图2 针入度、延度、软化点随磷尾矿微粉掺量增加的变化趋势

本研究还采用了SHRP 试验中提出的动态剪切试验（DSR），通过对比原样沥青与5 种不同掺量的磷尾矿微粉-沥青胶浆的高温流变性能，探究磷尾矿微粉对沥青高温流变性能的影响规律及不同掺量磷尾矿微粉对沥青高温流变性能的影响趋势。图3 即为磷尾矿微粉掺量对磷尾矿微粉-沥青胶浆高温性能影响的结果，从图3 中可以看出，沥青样品的复合剪切模量G*与车辙因子G*/sinδ 均随着磷尾矿微粉掺量的增大而有所提升，而且当温度较低时这种趋势最为明显，这说明在沥青中加入磷尾矿微粉可以改善其微观结构和力学性能，从而提高沥青路面的抗车辙性能。比如，当试验温度为46 ℃时，掺量为15%的磷尾矿微粉-沥青胶浆的复合剪切模量G*与车辙因子G*/sinδ 均为原样沥青的1.4 倍，这也证明磷尾矿微粉的加入对沥青抗车辙性能的提升起到了显著的改善作用。

图3 沥青高温流变性能随磷尾矿微粉掺量的变化

本研究将磷尾矿微粉以100%的比例取代普通石灰岩矿粉制得磷尾矿微粉沥青混合料试件，制备2 种沥青混合料，根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求，对这2 种沥青混合料试件分别进行马歇尔稳定度试验，将2 组试验结果进行对比分析，图4即为2 种沥青混合料抗水损害性能对比结果，由图4 中可以看出，普通矿粉沥青混合料和磷尾矿微粉沥青混合料的浸水残留稳定度均满足规范要求的80%，冻融劈裂强度比TSR 均满足规范要求的75%。磷尾矿微粉替代普通石灰岩矿粉后，沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比TSR 均有了明显提高，这表明磷尾矿微粉的加入对沥青混合料的水稳定性能和抗冻融性能均有一定的优化作用，提高了沥青混合料的抗水损害性能。

图4 2 种沥青混合料抗水损害性能对比

4 结论

本研究针对磷尾矿微粉在道路沥青中再利用时易团聚难分散的问题，通过微粉表面改性并借助沥青材料及其混合料的基础物理性能、动态剪切流变性能和抗水损害性能，研究了改性磷尾矿微粉对沥青混合料抗水损害性能提升的作用行为。基于上述研究数据，可得到下述研究结论。

1）磷尾矿微粉经表面改性处置后，其颗粒表面粗糙，大于常规沥青混合料用矿粉的比表面积，具有吸附更多沥青、形成结构沥青的潜在优势。

2）掺微粉沥青材料基础物理性能分析表明，经表面改性的磷尾矿微粉能够均匀分散于沥青中，并对其高温稳定性和抗车辙性能有积极贡献，当试验温度为46 ℃时，掺量为15%的磷尾矿微粉-沥青胶浆的复合剪切模量G*和车辙因子G*/sinδ 都为原样沥青的1.4 倍，说明在沥青中加入磷尾矿微粉能够显著提高其高温稳定性能和抗车辙的能力。

3）掺微粉沥青混合料抗水损害性能分析表明，经表面改性的磷尾矿微粉能够改性多孔沥青混合的抗水损害性能：采用磷尾矿微粉取代普通石灰岩矿粉后，OGFC-16沥青混合料的浸水残留稳定度从84.70%提升到了88.31%，冻融劈裂强度比从79.07%提升到了82.61%。