肖慶一,董圣坤,余天航,龔芳媛,趙振超

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 天津 300401; 2.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司, 云南 昆明 650041)

1 前 言

隨著鋼鐵行業(yè)迅猛發(fā)展,鐵礦石被開(kāi)采后囤積產(chǎn)生規(guī)模巨大的鐵尾礦,單2020～2021年即產(chǎn)生超8.4億噸[1],超大體量的鐵尾礦會(huì)對(duì)空氣、地下水資源造成危害[2],如何合理利用鐵尾礦資源值得深入研究。一般鐵尾礦中二氧化硅礦物含量超過(guò)65%[3-4],屬于酸性集料,與瀝青之間分子作用力較弱,采用這類集料制備瀝青混合料普遍存在水穩(wěn)定性問(wèn)題,因此采用鐵尾礦制備瀝青混合料的水穩(wěn)定性成為制約鐵尾礦在道路工程資源化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[5-7]。華北地區(qū)鐵礦生產(chǎn)歷史悠久,產(chǎn)量大,尾礦固廢存量大,但存在污染環(huán)境、占用大量土地以及安全隱患,若能實(shí)現(xiàn)資源化利用,社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益將突出。而華北平原地區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候,夏季降雨明顯,當(dāng)瀝青混合料處于存在水或水汽的環(huán)境中,受到交通動(dòng)態(tài)荷載及路面氣溫反復(fù)變化作用,進(jìn)入路面空隙中的水會(huì)不斷產(chǎn)生動(dòng)水壓力以及受真空負(fù)壓抽吸的反復(fù)循環(huán)作用,使瀝青粘附性降低并逐漸喪失粘結(jié)力。這會(huì)導(dǎo)致瀝青薄膜從集料表面脫落,瀝青混合料出現(xiàn)松散剝落,形成瀝青混凝土路面的坑槽、裂縫等損壞現(xiàn)象。因此實(shí)現(xiàn)就地資源再生高效利用,制備摻加鐵尾礦料瀝青混合料,必須系統(tǒng)解決水穩(wěn)定性問(wèn)題。本研究通過(guò)對(duì)華北地區(qū)鐵尾礦的礦物元素進(jìn)行分析,提出了鐵尾礦用于瀝青混合料的相關(guān)工藝,在驗(yàn)證鐵尾礦集料與瀝青之間粘附性能的基礎(chǔ)上,對(duì)高摻量鐵尾礦瀝青混合料分別通過(guò)浸水馬歇爾、凍融劈裂試驗(yàn)探究其靜態(tài)水損傷情況,漢堡車轍試驗(yàn)探究其動(dòng)態(tài)水損傷情況,揭示鐵尾礦的物理結(jié)構(gòu)組成及其相關(guān)性能,以期對(duì)復(fù)合改性后的高摻量鐵尾礦瀝青混合料的水穩(wěn)定性分析提供有益參考。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

選用的鐵尾礦砂石材料取自河北省唐山司家營(yíng)鐵礦,經(jīng)掃描電鏡能譜儀(EDS)分析測(cè)定可知:該鐵尾礦中SiO2含量達(dá)到71.67%,屬于典型的高硅型鐵尾礦。另外還含有部分Al、Fe、K 、Mg等金屬元素,鐵尾礦樣本具體化學(xué)組分結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)用瀝青相關(guān)技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表2。將0.4%摻量的偶聯(lián)劑添加入瀝青當(dāng)中并使用高速剪切儀以2 800 r/min的速率,勻速剪切25 min后得到復(fù)合改性瀝青,試驗(yàn)所用偶聯(lián)劑物理性質(zhì)見(jiàn)表3。礦質(zhì)集料物理力學(xué)性能滿足相關(guān)規(guī)范要求[10]。

表1 鐵尾礦各化學(xué)組分及含量Table 1 Chemical components and contents of iron tailings

表2 瀝青物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of asphalt

表3 偶聯(lián)劑物理性質(zhì)Table 3 Physical properties of coupling agent

2.2 瀝青混合料配制

2.2.1 集料配合比設(shè)計(jì) 設(shè)置不同摻量鐵尾礦類型形成對(duì)比試驗(yàn)。具體混合料級(jí)配分布見(jiàn)表4,級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

圖1 礦質(zhì)混合料級(jí)配曲線圖Fig.1 Gradation curves of mineral mixture

表4 礦質(zhì)混合料級(jí)配分布Table 4 Gradation distribution of mineral mixture

2.2.2 確定最佳瀝青用量 A、B、C三組類型礦質(zhì)集料分別與90#瀝青、SBS改性瀝青、偶聯(lián)劑充分拌和得到瀝青混合料,選用AC-13型瀝青混凝土作為目標(biāo)混合料級(jí)配類型,利用全自動(dòng)馬歇爾擊實(shí)儀,將瀝青混合料的試驗(yàn)溫度保持在60 ℃,在50 mm/min的加載速率下,成型得到直徑101.6 mm,高 63.5 mm 的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件。對(duì)該試件進(jìn)行試驗(yàn)得到對(duì)應(yīng)體積參數(shù)結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),經(jīng)計(jì)算分析確定得到各組瀝青混合料的最佳瀝青用量,數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表5。

表5 瀝青混合料最佳瀝青用量Table 5 Optimal Asphalt Consumption for Asphalt Mixture

2.3 溫度性能指標(biāo)

2.3.1 高溫穩(wěn)定性 將成型后的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件等分兩組后放入60 ℃水浴中分別水浴30 min 和48 h,取出后在全自動(dòng)馬歇爾試驗(yàn)儀上測(cè)定馬歇爾穩(wěn)定度及流值等指標(biāo)。利用輪碾成型機(jī)碾壓得到長(zhǎng)寬各為300 mmm,厚80 mm 的正方形板狀試件。保持試驗(yàn)溫度在60 ℃,車輪壓強(qiáng)0.7 MPa,經(jīng)車轍儀測(cè)得試樣動(dòng)穩(wěn)定度,相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 鐵尾礦瀝青混合料溫度性能指標(biāo)Table 6 Temperature performance index of iron tailings asphalt mixture

2.3.2 低溫穩(wěn)定性 將輪碾成型后的瀝青混合料試件切割成長(zhǎng)、寬、高分別為250、30和35 mm 的棱柱體小梁試件,試驗(yàn)時(shí)控制跨距為200 mm。試驗(yàn)前需將試件在-10 ℃的環(huán)境中預(yù)先放置5 h,以便達(dá)到試驗(yàn)溫度。保持50 mm/min 的加載速率,控制上壓頭對(duì)小梁持續(xù)加壓,直至試件發(fā)生斷裂破壞。對(duì)六組不同類型的瀝青混合料分別進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn),每一類別進(jìn)行四組平行試驗(yàn),取其均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果,相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定可知:B-90組較A-90組的穩(wěn)定度、流值、動(dòng)穩(wěn)定度分別高1.2%、6.9%、5.7%,經(jīng)復(fù)合改性后的B-SBS*組相較B-SBS組,穩(wěn)定度、流值、動(dòng)穩(wěn)定度分別大幅提高了14.59%、8.25%、17.39%。表明改性處理后的高摻量鐵尾礦瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性相比于普通石灰?guī)r瀝青混合料更具優(yōu)勢(shì)。采用低溫小梁試驗(yàn)驗(yàn)證高摻量鐵尾礦瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性。B-90組相較A-90組的最大彎拉應(yīng)變值提高了7.5%,B-SBS*組相較B-SBS 組,最大彎拉應(yīng)變繼續(xù)提升6%,說(shuō)明經(jīng)復(fù)合改性后的高摻量鐵尾礦瀝青混合料的溫度性能指標(biāo)較瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性有顯著改善。綜合上述試驗(yàn)可知:高摻量鐵尾礦瀝青混合料的溫度性能指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)石灰?guī)r瀝青混合料,經(jīng)復(fù)合改性技術(shù)處理后的高摻量鐵尾礦瀝青混合料的溫度性能指標(biāo)仍會(huì)得到進(jìn)一步的增強(qiáng)。因此高摻量鐵尾礦瀝青混合料路用性能的優(yōu)劣,將取決于其水穩(wěn)定性,需要對(duì)其進(jìn)行深入研究。

2.4 試驗(yàn)方法

高摻量鐵尾礦瀝青混合料的抗水損能力,與混合料的各組分之間的密合程度相關(guān)。通過(guò)分析鐵尾礦集料與不同類型瀝青之間的粘附性與粘附功,進(jìn)而分析兩者之間的粘附性能。通過(guò)浸水馬歇爾和凍融劈裂等試驗(yàn)綜合研究靜態(tài)水損傷下的復(fù)合改性后高摻量鐵尾礦瀝青混合料試件的水穩(wěn)定性能。通過(guò)漢堡車轍試驗(yàn)仿真交通荷載作用,全面分析動(dòng)態(tài)水流侵蝕環(huán)境中復(fù)合改性后高摻量鐵尾礦瀝青混合料試件的水穩(wěn)定性。綜合不同水損條件,對(duì)高摻量鐵尾礦瀝青混合料的水穩(wěn)定性做出全面評(píng)價(jià)。

2.4.1 粘附性試驗(yàn) 分別在90#瀝青及SBS改性瀝青中添加偶聯(lián)劑制備得到不同類別的改性瀝青,將粒徑在13.2～19 mm 之間呈立方體狀的粗集料礦石清潔后置于105 ℃烘箱中烘干至恒重,冷卻至室溫后,將石料重新系好細(xì)繩,放入105 ℃烘箱預(yù)熱1 h后浸入預(yù)熱至130 ℃的各組瀝青中,使鐵尾礦石料表面充分裹覆上瀝青薄膜,取出集料并瀝干表面多余瀝青,在室溫冷卻20 min后,重新浸入略微沸騰的水槽中,泡煮 3 min后取出,待集料冷卻后,由技術(shù)人員評(píng)定鐵尾礦與各組瀝青之間的粘附等級(jí),進(jìn)而測(cè)定鐵尾礦與不同瀝青之間的粘附性能[11]。

2.4.2 粘附功試驗(yàn) 根據(jù)相關(guān)理論研究[13],瀝青混合料固液界面而言,表面自由能γsl可用式(1)表示:

式中:γ為自由能,γd為色散分量,γp為極性分量,s和l分別表示固體和液體。

且各自由能分量滿足楊氏方程[14],各分量相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 接觸角示意圖Fig.2 Schematic diagram of contact angle

式中:θ為接觸角。

粘附功計(jì)算參考王嵐等[15]的研究,其表達(dá)式見(jiàn)式(3):

式中:Wsl為礦料與瀝青粘附功,γs為礦料表面能,γl為瀝青表面能。

試驗(yàn)前分別制備瀝青薄膜及表面打磨光滑的層狀瀝青混合料試件并干燥保存。選擇與瀝青不相溶、不發(fā)生反應(yīng),具有較大表面能的蒸餾水、丙三醇、甲酰胺作為接觸角測(cè)試滴定液,將試樣放在預(yù)先水平校準(zhǔn)后的JGW—360B接觸角測(cè)定儀的升降平臺(tái)后,轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)樣器針頭,滴取3 mL 待測(cè)液于試樣表面形成穩(wěn)定躺滴狀。凍結(jié)圖像后利用分析軟件經(jīng)基點(diǎn)法處理得到接觸角數(shù)值,進(jìn)而通過(guò)式(1)、(2)反算集料礦料和瀝青表面能參數(shù),最后通過(guò)式(3)計(jì)算得到礦料與瀝青之間的粘附功。

2.4.3 靜態(tài)水損傷試驗(yàn) 通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)鐵尾礦瀝青混合料抵抗靜態(tài)水侵蝕的水穩(wěn)定性能。以標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件浸水48 h穩(wěn)定度與浸水 30 min穩(wěn)定度二者的比值作為殘留穩(wěn)定度,表征瀝青混合料受到水侵蝕后的抗剝落能力。采用雙面各擊實(shí)75次的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)。每種類型的瀝青混合料制備8個(gè)試件,等分兩組放入60 ℃水浴中分別浸水30 min和48 h,在全自動(dòng)馬歇爾試驗(yàn)儀上進(jìn)行試驗(yàn),分別求取各組試驗(yàn)均值。引入凍融劈裂試驗(yàn)用以表征瀝青混合料之間的粘結(jié)性能。將標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件分為兩組,每組4個(gè)試件:一組在25 ℃狀態(tài)下進(jìn)行養(yǎng)護(hù),另一組飽水后在-18 ℃保溫16 h后,在60 ℃條件下水浴加熱24 h,進(jìn)行凍融循環(huán)處理。兩組試件全部浸入 25 ℃的恒溫水槽中保溫2 h后,對(duì)其進(jìn)行劈裂試驗(yàn)[12]。

2.4.4 動(dòng)態(tài)水損傷試驗(yàn) 浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)受限于僅在一定程度上模擬瀝青混合料靜態(tài)水損傷情況。通過(guò)漢堡車轍試驗(yàn)引入鋼輪荷載壓力,兼顧動(dòng)態(tài)水流對(duì)較高溫度狀態(tài)下瀝青混合料試件的沖擊作用,使得瀝青路面在夏季高溫且降雨充沛的實(shí)際道路運(yùn)營(yíng)環(huán)境得到最大限度的還原[16]。漢堡車轍試驗(yàn)區(qū)別于浸水馬歇爾以及凍融劈裂等靜態(tài)水損傷試驗(yàn),需要成型較標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件體積更大的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件,根據(jù)試驗(yàn)需要控制試件高度為170 mm,直徑為150 mm。并且對(duì)試件進(jìn)行切割構(gòu)成圓柱組合體以適應(yīng)試驗(yàn)?zāi)＞??？刂扑疁卦?5 ℃,鋼輪碾壓速率為25次/分[17]。試驗(yàn)結(jié)束控制條件設(shè)定為當(dāng)車轍深度達(dá)到20 mm 或者鋼輪碾壓次數(shù)達(dá)到20 000次。

3 結(jié)果與討論

3.1 粘附性試驗(yàn)分析

鐵尾礦與不同類別瀝青進(jìn)行水煮法的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 水煮法試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Results of boiling test

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知偶聯(lián)劑的加入可以有效改善鐵尾礦與瀝青的粘附性,單一采用SBS改性瀝青或采用偶聯(lián)劑對(duì)90#瀝青進(jìn)行改性,進(jìn)行水煮試驗(yàn)時(shí),均出現(xiàn)部分瀝青薄膜從鐵尾礦料表面脫落現(xiàn)象,瀝青與鐵尾礦之間的粘附等級(jí)均提升至4級(jí),當(dāng)采用復(fù)合改性技術(shù),綜合SBS改性瀝青與偶聯(lián)劑,鐵尾礦與瀝青之間的粘附性顯著提升,在水煮試驗(yàn)中幾乎無(wú)瀝青薄膜從鐵尾礦表面脫落,粘附等級(jí)達(dá)到最高水平。

3.2 粘附功試驗(yàn)分析

各組別瀝青與礦料試樣的表面自由能計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 各組別試樣表面自由能Table 8 Surface free energy of each group of samples

根據(jù)表8所示,試驗(yàn)樣品中,石灰?guī)r的表面能僅高于鐵尾礦5.4%,二者相差不大。礦料試樣表面自由能中,色散分量與極性分量占比差距不大,表明礦料分子構(gòu)成中同時(shí)包含極性分子和非極性分子,且兩者占比相當(dāng),而瀝青試樣中,其色散分量占比要遠(yuǎn)高于極性分量,表明瀝青主要是由非極性分子構(gòu)成。加入偶聯(lián)劑后瀝青表面能色散分量差異不大,其非極性基團(tuán)指向?yàn)r青內(nèi)部,極性基團(tuán)指向?yàn)r青表面,極性分量有小幅增大,瀝青本身仍保持較低的極性。

結(jié)合表面能數(shù)據(jù),計(jì)算得到礦料與瀝青之間的粘附功,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 瀝青與礦料粘附功計(jì)算結(jié)果Table 9 Calculation results of adhesion work between asphalt and mineral aggregate

表10 靜態(tài)水損傷試驗(yàn)結(jié)果Table 10 Static water damage test results

由粘附功定義可知,粘附功的大小表征混合后的礦料與瀝青分離出新界面所需的功,即粘附功越大,則礦料與瀝青的粘附性越好。根據(jù)表9所示,采用90#瀝青的鐵尾礦瀝青混合料粘附功最低,換用SBS改性瀝青及偶聯(lián)劑改性后的90#瀝青配制所得鐵尾礦瀝青混合料粘附功分別提高了14.33%、6.04%,單一瀝青改性方式對(duì)鐵尾礦瀝青混合料粘附功改善作用不夠突出。在SBS改性瀝青中摻加偶聯(lián)劑,采用復(fù)合改性技術(shù)可提高鐵尾礦瀝青混合料15.17%的粘附功,粘附效果改善明顯。

3.3 靜態(tài)水損傷試驗(yàn)分析

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,B-90組較A-90組的殘留穩(wěn)定度數(shù)值低8.3%,不滿足80%的規(guī)范要求,經(jīng)復(fù)合改性后的B-SBS*高摻量瀝青混合料相較B-SBS組,殘留穩(wěn)定度提升2.2%,到達(dá)93.8%,滿足性能要求。凍融劈裂試驗(yàn)中利用凍融劈裂強(qiáng)度比表征瀝青混合料之間的粘結(jié)性能。B-90組相較于A-90組的凍融劈裂強(qiáng)度低11.1%,低于75%的規(guī)范要求,改用復(fù)合改性的B-SBS*高摻量鐵尾礦瀝青混合料后,相較BSBS提升0.85%,達(dá)到90.80%的較高水平,達(dá)到規(guī)范要求。復(fù)合改性鐵尾礦瀝青混合料相關(guān)路用性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

3.4 動(dòng)態(tài)水損傷試驗(yàn)

通過(guò)漢堡車轍試驗(yàn)以溫度-應(yīng)力耦合場(chǎng)評(píng)價(jià)道路結(jié)構(gòu)破壞。將碾壓圓柱形組合體試件分為3個(gè)階段:初始瀝青混合料試件碾壓密實(shí)的密實(shí)初期;試件逐漸壓密,車轍蠕變加深的蠕變階段;混合料剝落,車轍深度急劇增加的剝落階段。其中以蠕變斜率來(lái)表征蠕變階段瀝青混合料抵抗永久變形的能力,以剝落斜率來(lái)表征剝落階段瀝青混合料的抵抗水損害剝落的能力[18]。蠕變曲線與剝落曲線兩者的交點(diǎn)即為剝落反彎點(diǎn)[19]。各組試驗(yàn)均在達(dá)到最高往返次數(shù)20 000次時(shí),宣告終止。此時(shí)將剝落階段產(chǎn)生車轍深度等于最大容許車轍剩余深度時(shí)所對(duì)應(yīng)的單程碾壓次數(shù)與剝落點(diǎn)次數(shù)之和記作失效次數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果分析見(jiàn)表11與圖3。

圖3 車轍深度柱狀圖Fig.3 Rut depth histogram

利用高摻量鐵尾礦代替常規(guī)石灰?guī)r摻配得到90#瀝青混合料,剝落斜率增加了19.9%,對(duì)于高摻量鐵尾礦90#瀝青混合料改用SBS瀝青摻配后,蠕變斜率下降了52.3%,剝落斜率下降了15.3%,車轍深度下降了42.9%,剝落反彎點(diǎn)對(duì)應(yīng)的鋼輪碾壓次數(shù)提升了14.7%,高摻量鐵尾礦SBS改性瀝青混合料摻配偶聯(lián)劑復(fù)合改性后,蠕變斜率下降了74.5%,剝落斜率降低了70.0%,車轍深度減小了66.8%。綜上所述,SBS改性瀝青能夠顯著降低車轍深度,提高瀝青混合料抵抗永久變形的能力,添加偶聯(lián)劑可以進(jìn)一步優(yōu)化混合料的水穩(wěn)定性能。鐵尾礦摻配的90#瀝青混合料的抵抗浸水能力弱于傳統(tǒng)石灰?guī)r集料,但經(jīng)過(guò)SBS瀝青改性、偶聯(lián)劑改良后鐵尾礦集料與瀝青之間的粘附性能得到明顯改善,瀝青混合料的力學(xué)強(qiáng)度增加,路面承載能力進(jìn)一步提升。

4 結(jié) 論

1.高摻量鐵尾礦瀝青混合料相較石灰?guī)r瀝青混合料溫度穩(wěn)定性更優(yōu),但其水穩(wěn)定性明顯弱于石灰?guī)r瀝青混合料,且不滿足于規(guī)范要求。

2.單一采用SBS改性瀝青或通過(guò)偶聯(lián)劑進(jìn)行瀝青改性的方式對(duì)與鐵尾礦間的粘附性提升有限,綜合SBS改性瀝青與偶聯(lián)劑,采用復(fù)合改性技術(shù)綜合提升瀝青與鐵尾礦粘附性,取得良好的實(shí)際效果。

3.根據(jù)粘附機(jī)制分析,鐵尾礦與90#瀝青之間的粘附功較小,容易產(chǎn)生水分侵入。換用摻配偶聯(lián)劑的SBS改性瀝青提高了與鐵尾礦之間的粘附功,精確定量證實(shí)復(fù)合改性技術(shù)對(duì)于提升瀝青與鐵尾礦料間的粘附效能具有顯著效果。

4.多重技術(shù)改善高摻量鐵尾礦瀝青混合料抵抗動(dòng)水浸水侵蝕的優(yōu)劣程度如下:SBS改性瀝青摻配偶聯(lián)劑復(fù)合改性技術(shù)＞單一偶聯(lián)劑改性90#基質(zhì)瀝青技術(shù)＞單一SBS 改性瀝青技術(shù)＞無(wú)改性90#基質(zhì)瀝青。表明單一的瀝青改性方式可實(shí)現(xiàn)鐵尾礦混合料水穩(wěn)性能提升,但效果不甚理想,復(fù)合改性技術(shù)是改善高摻量鐵尾礦瀝青混合料水穩(wěn)性的優(yōu)化途徑。