铁尾矿砂石骨料沥青混凝土性能研究*

张宝虎 余天航 韩先瑞 李春明

(天津市公路工程总公司1) 天津 300201) (河北工业大学土木与交通学院2) 天津 300401)

0 引 言

伴随我国钢铁工业的发展，铁矿石经过提炼后产生的尾矿在工业固体废弃物中占的比例越来越大.鉴于目前我国关于铁尾矿回收技术有限，钢铁企业大多采取建立铁尾矿库以堆存的方式处置[1].据不完全统计，目前我国累计生产尾矿超过100亿t，其中堆存的铁尾矿量占全部尾矿堆存总量的近1/3[2].鉴于回收及生产技术有限，我国尾矿综合利用率仅为7%[3].铁尾矿作为工业固体废物，带来的问题包括对环境的污染、生态平衡的破坏、堆存占用土地,以及造成资源浪费等.将铁尾矿应用到公路建设中既是一种处理尾矿的新方式，也可以减轻石料开采过度、天然骨料不足的压力.国内专家学者对此方向深入研究，并取得一些显著成果，杨青等[4-6]分别用无机结合料、二灰、加筋等方式稳定铁尾矿，满足现行规范对道路基层的要求.张铁志等[7]采用体积法设计掺加7%铁尾矿砂沥青混凝土，并通过试验研究表明铁尾矿砂代替传统细集料的可行性.

文中采用取自冀东地区的铁尾矿砂石材料设计沥青混凝土，并设置采用常规石灰岩集料设计的沥青混合料作对照组，通过试验分析研究铁尾矿砂石骨料沥青混凝土和对照组的各项路用性能.

1 材料特性

1.1 铁尾矿

铁尾矿取自河北唐山，采用ICP-MS质谱仪对其化学组分进行定量分析，结果见表1.由表1可见，所取的铁尾矿化学组分中SiO2的含量达到70.98%，属高硅型铁尾矿.

表1 铁尾矿化学组分含量

将铁尾矿根据选矿厂选矿工艺及粒径大小分两种：①粗选后排出的大粒径铁尾矿石，粒径范围为5～30 mm，通过碎石机简单破碎处理，采用关键筛孔16，9.5及4.75 mm按粒径大小分粗集料10～15，5～10及细集料0～5 mm三类，拟作沥青混合料骨料；②研磨细选后的铁尾矿砂，粒径<0.3 mm，拟替代部分矿粉作填料.通过SEM观察其表面纹理，铁尾矿石放大200倍后的二次电子成像显示，破碎后的铁尾矿石无明显孔隙，结构致密程度很高.铁尾矿砂500倍扫描电镜成像显示铁尾矿砂颗粒形状呈不规则立体状或片状等；放大3 000倍后，发现许多较小的颗粒附着在较大颗粒上，这是由于选矿过程中研磨形成.

铁尾矿材料相较于常规沥青混合料用的集料除有价金属元素略高外，无其他明显区别，具备替代常规集料的条件.有价金属元素由于其活性较强，在研究过程中尤其注重其混合料的水稳定性.

1.2 集料与矿粉

1.2.1粗集料

本研究选用的粗集料分两种，①前述铁尾矿石破碎处理后通过关键筛孔筛选的>10～15，5～10 mm粒径的两档；②取自沥青拌和站的石灰岩粗集料，同样根据粒径分>10～15,5～10 mm两档.依据文献[8]中对沥青混合料用粗集料的要求，对上述两种粗集料各项物理指标进行检测，试验结果表明，铁尾矿石粗集料和石灰岩粗集料所检项目符合文献[9]关于高速公路及一级公路沥青混合料用粗集料质量技术要求.具体的试验项目及试验结果见表2.

表2 粗集料技术性质

1.2.2细集料

同样，细集料也分铁尾矿石破碎后筛选的0～5 mm粒径和拌和站所取的0～5 mm粒径机制砂.对两种细集料的密度及砂当量等项目进行检测，试验结果见表3.试验结果表明，石灰岩质细集料所检项目符合高速公路及一级公路沥青混合料用细集料质量技术要求.

表3 细集料技术性质

1.2.3矿粉与铁尾矿砂

铁尾矿砂为选矿厂经研磨细选后直接排入尾矿库的极细砂，最大粒径小于0.3 mm.矿粉选用石灰岩质矿粉，产地蓟县.对两种材料的密度、粒度范围及亲水系数等项目进行检测，试验结果见表4.

表4 矿粉与铁尾矿砂技术性质

试验结果表明，铁尾矿砂亲水系数大于1，表现为亲水性；通过水洗法筛分试验，测出其粒径小于0.075 mm的颗粒占比58.3%，该铁尾矿砂不能作为填料完全替代矿粉，故在本研究中铁尾矿砂的掺量比例控制在2%.

1.3 沥青

本试验所用沥青统一采用SBS(I-D)改性沥青，按照文献[9]要求对沥青的规定项目进行试验检测，试验结果见表5.

表5 SBS(I-D)改性沥青试验结果

2 配比与成型

2.1 矿料级配

所有矿料均按文献[8]要求进行水洗法筛分，采用图解法确定矿料合成级配.采用AC-13C型级配，根据矿料不同设计了三组AC-13C型级配，级配组成表见表6，由于控制变量仅为试验材料属性不同，可以发现三组混合料同一筛孔的通过率基本接近.其中A组为对照组，集料采用石灰岩质集料，填料为石灰岩质矿粉；B组为试验组，粗集料部分全部用铁尾矿石代替，细集料部分铁尾矿石细集料与石灰岩质机制砂各占比20%，铁尾矿石集料占比75%；C组为试验组，粗细集料采用石灰岩质集料，填料部分铁尾矿砂掺量2%，矿粉3%.

表6 三组AC-13C型混合料级配组成

2.2 最佳油石比

采用马歇尔体积法设计沥青混合料，选用4.2%,4.5%,4.8%,5.1%,5.4%五个油石比成型标准马歇尔试件，通过测定马歇尔体积参数及马歇尔试验指标确定最佳油石比.最终确定三组AC-13C型级配的最佳油石比分别为5.0%，4.9%，5.0%.三组混合料在最佳油石比条件下成型马歇尔，其体积参数和马歇尔试验指标结果见表7.

表7 三组混合料最佳油石比马歇尔试验结果

由表7可知，三组AC-13C型沥青混合料在最佳油石比下马歇尔试件体积指标和马歇尔试验结果均在现有规范的技术要求范围内.

2.3 试验成型

实验室制混合料试件包括马歇尔试件(直径101.6 mm×高63.5 mm)，车辙试件(300 mm×300 mm×50 mm)和旋转压实试件(直径150 mm×高170 mm).试验过程中SBS改性沥青加热温度为160 ℃，集料加热至180 ℃，并保温4h.拌和过程中先将集料混合搅拌60 s，倒入沥青再拌和30 s，最后加入矿粉拌和90 s至混合料均匀；成型温度170 ℃.

3 路用性能试验

3.1 高温性能试验

根据文献[10]对三组AC-13C型沥青混合料进行高温车辙试验，共进行四组平行试验，最后取其平均值.试验温度为60 ℃，试验结果见表8.由于采用了SBS改性沥青，三组混合料均表现了非常好的高温性能.

表8 车辙试验结果

3.2 低温性能试验

沥青混合料的低温性能测试采用低温弯曲试验所测的混合料破坏时产生的最大弯拉应变表征.低温弯曲试验的试件采用轮碾成型的车辙试件切割成长250 mm，宽30 mm，高35 mm的小梁；在-10 ℃条件下保温4 h，以50 mm/min的加载速率施压直至破坏.对三组AC-13C型混合料进行低温弯曲试验，每组做四次平行试验，取其平均值.试验结果见表9.

表9 低温弯曲试验结果

由表9可知，A组和C组试件破坏时的最大弯拉应变略大于B组，而A组和C组之间数值十分接近，表明高掺量的铁尾矿石沥青混合料低温性能相较普通沥青混合料会有所降低，而2%铁尾矿砂的掺入不会影响沥青混合料的低温性能，且三组混合料均满足现有规范技术要求.

3.3 水稳定性试验

铁尾矿砂亲水系数试验表现为亲水性，故在水稳定性检测中采用了国内常用的冻融劈裂试验和国外比较成熟的汉堡车辙试验两种试验方法.

3.3.1冻融劈裂试验

在试验室规定的条件下通过冻融循环，充分模拟水侵蚀沥青混合料后的水损坏，通过测定马歇尔试件在水损害前后的冻融劈裂强度比TSR，评价沥青混合料的水稳定性.三组AC-13C型混合料冻融劈裂试验结果见表10.

表10 冻融劈裂试验结果

三组混合料的TSR值均大于80%，满足现行规范技术要求；A组和C组更是超过了94%，B组略低于另两组，TSR值为88.7%.表明高掺量铁尾矿石的沥青混合料水稳定性相较于常规沥青混合料会有所下降，而2%铁尾矿砂的掺入不会影响其水稳定性.

3.3.2汉堡车辙试验

冻融劈裂试验是在实验室条件下模拟浸水后混合料的水损坏，属于静态测试方法，并未模拟交通荷载作用下沥青混合料的水稳定性.由于汉堡车辙荷载应力引起的动水压力和高速水流对沥青和矿料的界面进行反复冲击，使沥青与集料之间的粘附能力减弱，加速沥青膜的剥落；同时由于水的存在使得沥青混合料的原生裂缝不断扩大，进一步破坏沥青混合料路面结构的整体性.较为真实的模拟了道路在实际使用情况下，雨水冲刷侵蚀和交通荷载等的综合作用对沥青混合料水稳定性的影响.国外的研究普遍证明，汉堡车辙试验是评价沥青混合料水稳定性的重要试验方法[11-12].因此本研究采用汉堡车辙试验来评估三组AC-13C型沥青混合料试件的抗水损害能力.

参照文献[10]，采用SGC(旋转压实)成型直径×高度=150 mm×170 mm试件，切割成高度(62±2)mm的两个圆柱形试件，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，见图1.放完试件，向仪器注水，液面高度应高于试件表面10 mm以上，见图2.按标准试验条件进行试验，试验温度为50 ℃，试验结束得到车辙深度图、蠕变斜率、剥落斜率及剥落反弯点等指标.其中，在压实初始阶段，车辙深度变化较小且趋于稳定，水还未侵入到混合料内部，钢轮每碾压一次产生的车辙深度即为蠕变斜率；当混合料经过一定的碾压次数后，水侵蚀带来的影响越来越严重，相应的车辙深度变化急剧增大，此时，钢轮每碾压一次产生的车辙深度即为剥落斜率；在车辙深度图上，蠕变斜率和剥落斜率交点所对应的碾压次数即为剥落反弯点(SIP)，该点为汉堡车辙试验评价混合料水稳定性的重要指标，该点对应的碾压次数越大，表明剥落越不容易发生，混合料的水稳定性越好，反之则表明混合料水稳定性越差.对三组AC-13C型沥青混合料汉堡车辙试验结果见表11.

图1 汉堡车辙试件模具及尺寸(单位：mm)

图2 汉堡车辙试验

由表11可知，三组混合料剥落点次数(SIP)均在10 000次以上，B组SIP值最小，表面B组水稳定性稍逊于另外两组，C组SIP值高于A组，表明铁尾矿砂的掺入对混合料水稳定性基本无影响，这与冻融劈裂试验数据保持较好的相关性.另根据蠕变斜率的定义，通过数值换算，蠕变斜率可转换为表征路面抵抗车辙能力的动稳定度(DS)，蠕变斜率越小，表明该混合料抵抗车辙变形能力越强，由表中数据可知，铁尾矿沥青混合料B组和C组抵抗车辙变形能力要好于普通石灰岩集料沥青混合料A组.

4 结 论

1) 从铁尾矿砂石材料的化学组分、物理性能指标看，其与普通集料无明显差别，可以替代普通集料作为沥青混合料的骨料使用.

2) 从铁尾矿砂的粒径范围看，其粒径小于普通细集料，略大于矿粉；可在混合料中部分替代矿粉，但要注意级配曲线上满足0.075 mm的最小通过率.

3) 车辙试验表明75%掺量的铁尾矿石沥青混合料与普通石灰岩集料沥青混合料在高温性能方面无明显差别，汉堡车辙试验数据表明铁尾矿石沥青混合料抵抗车辙变形能力强于普通沥青混合料；掺铁尾矿石的沥青混合料低温性能略低于普通沥青混合料，但满足现行规范技术要求；冻融劈裂试验和汉堡车辙试验表明，铁尾矿沥青混合料水稳定性相较于普通沥青混合料会有所降低，但可以满足现行规范技术要求.

4) 铁尾矿砂石材料作为工业固体废物，将其简易加工应用到沥青混合料中，不仅能缓解天然骨料不足的矛盾，还能解决废弃铁尾矿砂石占用土地资源、污染环境的问题，预期还可以产生较大的经济效益.