铁尾矿沥青混凝土混合料的路用特性研究

程和平 陆 璐

(1.常州工程职业技术学院建筑工程学院，江苏 常州 213164;2.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁 阜新 123000)

沥青混凝土是指将具有良好级配的矿料、水泥、砂石材料以及一定量的路用沥青，在一定条件下经过充分搅拌、混合制成的混凝土，其铺筑而成的路面具有行车舒适、抗车辙性能好、施工周期短以及养护维修费用低等优势[1]。由于制备原料中沥青、砂石等属于不可再生资源，且砂石等自然资源的大量使用会造成水土流失等环境问题，故寻找砂石掺料的替代品具有重要的实际意义[2-3]。

铁矿石选别过程中产生了大量的固体废弃物，堆积在尾矿库不仅是对资源的浪费且易产生环境污染等问题，严重的还会造成尾矿坝溃坝等安全事故。目前，已有不少利用选矿固体废弃物制备混凝土的研究。张宝虎等[4]发现掺入一定量的铁尾矿可以有效地提升沥青混凝土抗车辙能力，且该铁尾矿沥青混凝土的低温抗裂性和水稳定性能均可以满足路用要求;易龙生等[5]对铁尾矿的矿物成分和粒度进行了分析，进而讨论了铁尾矿用于路面基层材料的可行性;RAUL等[6]研究了不同铁燧岩尾料掺量下沥青混凝土材料力学性能和路用性能，发现适量掺入铁燧岩尾料可以有效地提升材料的路用性能;张铁志等[7]研究了不同掺量铁尾矿对AC-13C和AC-16C沥青混凝土性能的影响，发现掺入铁尾矿的沥青混合料路用性能要优于普通沥青混凝土。

本研究选取齐大山铁尾矿为沥青混凝土掺料来制备铁尾矿沥青混凝土，探究不同铁尾矿掺料下沥青混凝土的路用性能，进而揭示铁尾矿自身性质所引起的路用沥青混凝土效果差异，最终确定适宜的铁尾矿砂掺量，为后续铁尾矿砂沥青混凝土的路用提供试验基础。

1 试验原料

1.1 铁尾矿化学成分及级配曲线

采用X射线荧光光谱仪对齐大山铁尾矿进行化学成分分析，结果见表1。

表1 齐大山铁尾矿化学成分分析结果Table 1 Analysis results of chemical composition of the iron tailings in Qidashan %

由表1可知，试样中SiO2含量高达72.01%，属于高硅型铁尾矿。

采用筛分分析法得到该铁尾矿的级配曲线，结果见图1。

图1 齐大山铁尾矿级配曲线Fig.1 Grading curve of the iron tailings in Qidashan

由图 1可知，该铁尾矿-1 mm粒级含量为97.29%，其中+0.5 mm的粒级含量超过了50%。根据级配曲线，计算得到铁尾矿砂的不均匀系数Cu为2.14、曲率系数Cc为1.31，细度模数为1.53，属于细砂。由规范要求可知，该铁尾矿级配不良，需要将其与天然砂混合作为制备沥青混凝土的细集料。

1.2 沥青混凝土混合料的基本性能

本研究所采用的沥青为B级道路石油沥青，标号为70#。根据参考文献[8]测定得到该沥青25℃针入度为67(0.1mm)、10℃延度为73 cm、软化点为48.0。

细骨料采用常州正兴沙场生产的天然砂，天然砂的表观密度为2 723 kg/m3，水稳定等级为9.0级，吸水率为0.67%，含泥量为2.51%，细度模数为2.52。

粗骨料选用常州当地所产生的岩石，经过破碎后石子的粒径在5～15mm之间，压碎指标为5.62%，表观密度为2 795 kg/m3，吸水率为0.25%，与沥青粘附性为5级，针片状颗粒含量为0.53%。

填料选用灵寿县拓琳矿产品加工厂生产的大理岩岩粉，该岩粉的表观密度为2 705 kg/m3，亲水系数为0.66%，含水率为0.06%。

1.3 沥青混凝土配合比

确定油石比为5.3%来制备铁尾矿沥青混凝土，具体配合比见表1。其中，铁尾矿砂掺量为铁尾矿砂占砂和铁尾矿砂总质量的百分比。

表2 铁尾矿沥青混凝土的配合比设计Table 2 Mix ratio design of iron tailings asphalt concrete kg/m3

2 试验方法

2.1 软化点试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》可知，特定试验条件下沥青混凝土达到规定黏度时的条件温度为软化点。

2.2 沥青混凝土车辙试验

根据《公路工程沥青及沥青混凝土试验规程》制备出尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的试样进行车辙试验。具体试验步骤为:①试样成型养护之后，放在室温条件下静置24 h以上;②将试样放在温度为602℃的恒温条件下，开始沥青混凝土混合料的车辙试验;③轮辙的前进方向与沥青混凝土混合料的碾压方向一致;④车轮在沥青试样上往复循环试验1 h;⑤记录下沥青试样的车辙深度和动稳定度。

2.3 低温抗裂试验

根据《公路工程沥青及沥青混凝土试验规程》制备出尺寸为250 mm×30 mm×35 mm的标准长方体，进行低温抗裂试验，试验温度为-10±0.5℃。具体试验步骤为:①将制备好的试样放入低温环境中(恒温冰箱)静置大约3 h以上，使得试样内部完全达到试验温度;②将试样取出，安置夹具，并放置在微机控制电子万能试验机上;③以25 mm/min的荷载速率在跨中位置承受集中荷载;④以3 s为时间间隔保存试验数据，计算最大弯曲应变εB和抗弯强度RB。

2.4 老化试验

参照文献[9-11]，制备出直径为25 mm、厚度为1mm的试样，通过老化试验前后的流变性能(动态剪切流变试验)评价试样的老化性能。

2.5 冻融劈裂试验

根据文献[12-14]制备出尺寸为101.6 mm×(63.5±1.3)mm的试样进行冻融劈裂试验，采用仪器为马歇尔电动击实仪。具体试验步骤如下:①将试样放在真空条件下保水15min，紧接着将试样放在常压状态下的水中静置0.5 h，取出试样放在装有水的试验水袋中;②将试样从水袋中取出后放在-18℃的环境中静置24 h，再放在恒温60℃的水槽中继续保温24 h;③将试样放在恒温(25℃)水槽中，保温时间为2 h;④采用试验设备对试样进行冻融劈裂试验。⑤计算得出冻融劈裂试验的劈裂强度比TSR。冻融循环次数定为 0、1、3、5、7 次。

3 试验结果与讨论

3.1 软化试验结果分析

不同铁尾矿掺量下试样软化点变化规律如图2所示。

图2 铁尾矿掺量对试样软化点的影响Fig.2 Influence of iron tailing addition on softening point of the samples

由图2可知，随着铁尾矿掺量的增大，试样软化点先增大后趋于稳定，且当铁尾矿掺量为20%时沥青混凝土混合料的软化点达到最大值。相对于不掺加铁尾矿的沥青混凝土混合料而言，掺加铁尾矿后软化点得到了大幅度的提升，混合料的高温稳定性得以改善。这是因为掺加的铁尾矿与沥青混凝土混合料的粘附性较好，且掺加铁尾矿后沥青混凝土内部集料的比表面积增大，可以有效提升沥青混凝土大部分集料的表面性能;同时，铁尾矿可以较好地填充粗集料颗粒之间的嵌挤空隙，进而提升了混合料的高温稳定性。

3.2 车辙试验结果分析

不同铁尾矿掺量下试样动稳定度变化规律如图3所示。

图3 铁尾矿掺量对试样动稳定度的影响Fig.3 Influence of iron tailings addition on dynamic stability of the samples

由图3可知，随着铁尾矿掺量的增大，试样动稳定度先升高后降低，且当铁尾矿掺量为20%时沥青的动稳定度最高，达5 292次/mm。这是因为铁尾矿可以使沥青依附在其表面，增加了集料与沥青混凝土混合料之间的粘结力，从而提高了试样在高温条件下的抗变形能力，但是随着铁尾矿掺量的进一步增大，砂中铁尾矿占据主导，其不良级配作用会影响试样的动稳定度。

3.3 低温抗裂试验结果分析

不同铁尾矿掺量下试样最大弯曲应变、抗弯强度的变化规律如图4所示。

图4 铁尾矿掺量对试样最大弯曲应变、抗弯强度的影响Fig.4 Influence of iron tailings addition on maximum bending strain and bending strength of the samples

由图4可知，随着铁尾矿掺量的增大，试样的最大弯曲应变先减小后增大，抗弯强度逐渐增大。最大弯曲应变值在铁尾矿掺量为30%时达到了最低，且此时试样的性能仍基本能够满足路面性能的要求。这说明了铁尾矿的掺加使得沥青混凝土混合料逐渐变硬，且铁尾矿的含量越多沥青混凝土在低温下越容易发生开裂。

3.4 老化试验结果分析

不同铁尾矿掺量下试样的抗车辙因子比的变化规律如图5所示。

图5 铁尾矿掺量对试样抗车辙因子比的影响Fig.5 Influence of iron tailings addition on anti-rutting factor ratio of the samples

由图5可知，随着铁尾矿掺量的增大，试样的抗车辙因子先增大后略微降低，且在铁尾矿掺量为20%时达到最大值。这是因为铁尾矿内部含有大量的氧化金属矿物，当铁尾矿与沥青混合形成沥青混凝土后，沥青混凝土中的酸性物质会与铁尾矿中碱性物质产生化学反应，进而在沥青和铁尾矿之间形成了较强的化学黏性力。但是当铁尾矿掺量过量时，随着铁尾矿含量的增加，大粒径的铁尾矿在沥青混凝土中出现堆叠、小粒径的铁尾矿出现了结团的现象，使得铁尾矿与沥青的相互作用变弱，产生化学反应减少，难以发挥铁尾矿的吸附作用，进而导致其抗车辙因子性能指标下降。

3.5 冻融劈裂试验结果分析

不同铁尾矿掺量下试件的冻融劈裂强度比的变化规律如图6所示。

图6 铁尾矿掺量对试件冻融劈裂强度比的影响Fig.6 Influence of iron tailings addition on freeze-thaw splitting strength ratio of the sampls

由图6可知，随着冻融循环次数的增加，试样的劈裂强度比逐渐降低，这说明了冻融循环作用可以削弱沥青混凝土抵抗外界荷载的变形能力和降低沥青混凝土的承载力。当沥青混凝土中含有大量水分时，将沥青混凝土试样放在低温环境进行冻结后，试样孔隙内部中水分会由液态水变为固态冰。同时，由于固态冰的体积要远大于液态水的体积，故当固态冰充填在沥青试样内部孔隙中，便会使得沥青试样产生了体积膨胀，破坏了沥青试样内部原有的微观结构，最终表现为沥青试样强度的降低。在同一冻融循环次数作用下，随着铁尾矿掺量的增大，沥青试样的劈裂强度比呈现出先增大后减小的趋势。这是由于适量掺加铁尾矿可以增强沥青与集料之间的粘结性，铁尾矿中的金属氧化物可以与沥青中的酸性物质进行反应，产生难以溶解的钙质或硅质盐物质，该类钙质或硅质盐物质具有良好的强度以及抵抗变形的能力，可以有效提升铁尾矿沥青混凝土抵抗变形的能力。

4 结 论

(1)随着铁尾矿掺量的增大，试样软化点先增大后趋于稳定，铁尾矿掺量为20%时沥青混凝土混合料的软化点达到最大值。

(2)随着铁尾矿掺量的增大，试样动稳定度先升高后降低，铁尾矿掺量为20%时沥青的动稳定度最高，达5 292次/mm。

(3)随着铁尾矿掺量的增大，试样的最大弯曲应变先减小后增大，抗弯强度逐渐增大;最大弯曲应变值在铁尾矿掺量为30%时达到了最低，且此时试样的性能基本能够满足路面性能的要求。

(4)随着铁尾矿掺量的增大，试样的抗车辙因子先增大后略微降低，铁尾矿掺量为20%时达到最大值。

(5)随着冻融循环次数的增加，试样的劈裂强度比逐渐降低;在同一冻融循环次数作用下，随着铁尾矿掺量的增大，沥青试样的劈裂强度比呈现出先增大后减小的趋势。