鐵尾礦碎石瀝青混凝土的低溫抗裂性能試驗研究

肖 田，李具文，閆利峰，閆曉晨

(1.天津市市政工程設計研究院，天津 300392；2.天津高速公路集團有限公司，天津 300384)

0 引 言

我國是一個鋼鐵上產大國，鋼鐵產量世界第一。伴隨著我國鋼鐵產業發展的同時，每年因開采分選鐵礦石過程中，剔除的低品位鐵礦碎石的排放數量多大數以噸，其存放不僅占用土地，還會造成環境污染和安全事故等問題。而另一方面，由于自然資源保護及國家政策的開采限制，公路建設過程中比較缺乏碎石材料，如將鐵尾礦碎石用作公路工程建筑材料，可以產生極大的社會、經濟、及環境效益。

為了將鐵尾礦變費為寶，許多科研工作者進行了大量的研究。如孫吉書等人通過試驗，系統研究了石灰粉煤灰穩定鐵尾礦碎石的路用性能，明確了鐵尾礦碎石用作公路基層建筑材料的可行性與方法，李德忠等人研究了大摻量鐵尾礦高強混凝土材料的制備的方法，張鐵志等人試驗研究了摻入鐵尾礦砂的瀝青混合料的路用性能，這些研究均為將鐵尾礦用作建筑材料奠定了基礎。目前的研究表明，由于鐵尾礦的酸性屬性，其與瀝青的黏附力不如石灰巖和玄武巖，鐵尾礦瀝青混凝土的高溫性能一般較好，而低溫性能有所欠缺。瀝青混合料的低溫抗裂性能一般用劈裂強度、彎拉強度和最大彎拉應變表示，本文將通過低溫彎曲試驗和劈裂試驗，系統考察鐵尾礦碎石瀝青混凝土的低溫抗裂性能規律，明確鐵尾礦碎石摻量對瀝青混凝土低溫性能的影響規律，給出鐵尾礦碎石在粗集料中的含量建議值，為實際工程應用提供參考。

1 原材料性質

1.1 鐵尾礦碎石

本文采用的鐵尾礦碎石來自河北省唐山市，其壓碎值為17.5%，其主要成分如表1所示。

表1 瀝青的主要技術指標

進行配合比設計時，將鐵尾礦碎石粉碎成粗集料需要的不同粒徑使用。

1.2 粗集料和細集料

粗集料采用天津薊縣出產的石灰巖，機制砂作為細集料，粗集料的主要工程技術指標如表2所示。

表2 石灰巖集料的主要技術指標

1.3 礦粉

本文試驗用的礦粉是石灰巖礦粉，試驗測得礦粉的親水系數為0.72，密度為2.816 g/cm3。

1.4 瀝青

試驗采用70#道路石油瀝青，瀝青的主要技術指標如表3所示。

表3 瀝青的主要技術指標

原材料試驗結果表明，本文試驗采用的各項原材料均符合相關規范的要求。

2 試驗方案

2.1 配合比設計

本文按照AC-16的面層目標級配進行瀝青混合料的礦料配合比設計，合成級配設計結果如表4所示。

表4 AC-20的合成級配

根據規范的方法進行馬歇爾試驗，確定出最佳油石比為4.7%。

2.2 試驗方案規劃

本次試驗的目的就是用鐵尾礦碎石來替代瀝青混合料中的石灰巖集料，因而在以表4為目標配合比進行礦料組成設計時，粗集料的各檔材料中，按照0、25%、50%、75%和100%的比例分別用鐵尾礦碎石替換石灰巖碎石，細集料和礦粉均采用一般材料。根據標準的試驗方法，劈裂試驗采用試件浸泡在30±1 ℃的恒溫水槽中1.5小時，低溫彎曲試驗試驗溫度為-10 ℃±0.5 ℃，加載速率均為標準的50 mm/min。

3 試驗結果與分析

3.1 低溫彎曲試驗結果

根據設定的試驗條件，分別進行不同鐵尾礦碎石含量時瀝青混合料的低溫彎曲試驗，計算得出彎拉強度和最大彎拉應變如表1所示。

表5 低溫彎曲試驗結果

從表5的低溫彎曲試驗結果可以看出，在粗集料中摻入鐵尾礦碎石之后，瀝青混合料的彎拉強度和最大彎拉應變均顯著減小，彎曲勁度模量也有減小的趨勢。相對于全部石灰巖集料的瀝青混合料而言，以鐵尾礦碎石代替25%、50%、75%和100%的粗集料時，彎拉強度分別降低了9.76%、19.06%、26.22%和32.61%，最大彎拉應變分別降低了5.80%、11.61%、20.56%和23.21%。這主要是由于鐵尾礦碎石具有一定的酸性，其與瀝青之間的黏附力不如瀝青與石灰巖之間的黏附力造成的。

應用表5中的數據繪出鐵尾礦碎石摻入量對瀝青混凝土最大彎拉應變的影響規律，如圖1所示。

圖1 瀝青混合料最大彎拉應變隨鐵尾礦碎石摻入量的變化

從表5和圖1的試驗結果可知，在瀝青混合料配合比設計時，鐵尾礦碎石的摻入量應該控制在一定的范圍之內，按照低溫彎曲試驗的結果，當鐵尾礦碎石的摻入量為50%時，其最大彎拉應變為2 399 με，略大于規范要求的2 300 με，而當鐵尾礦碎石摻入量大于50%時，最大彎拉應變不能滿足要求，因而，以鐵尾礦代替粗集料中的石灰巖碎石時，鐵尾礦碎石的摻入量應控制在50%以內，不得超過55%。

3.2 劈裂強度的試驗結果

劈裂強度也是評價瀝青混合料低溫抗開裂性能的一項重要指標，為評價用鐵尾礦碎石替代部分石灰巖粗集料的瀝青混合料的抗裂性能，進行了劈裂強度試驗，不同鐵尾礦碎石摻入量情況下瀝青混合料的劈裂強度試驗結果如圖2所示。

圖2 劈裂強度隨鐵尾礦碎石摻入量的變化

圖2的試驗結果表明，在摻入鐵尾礦碎石之后，瀝青混合料的劈裂強度會降低，并且劈裂強度會隨著鐵尾礦摻入量的增大而明顯降低。以鐵尾礦碎石代替25%、50%、75%和100%的粗集料時，劈裂強度分別降低了4.7%、8.9%、15.6%和21.5%。同時，從圖2的試驗結果也可以看出，劈裂強度在鐵尾礦碎石摻入量達到50%時，曲線有一個顯著的“拐點”，鐵尾礦碎石摻量大于50%時，劈裂強度隨鐵尾礦碎石摻入量的變化斜率增大，因而，以鐵尾礦代替粗集料中的石灰巖碎石時，鐵尾礦碎石的摻入量應控制在50%以內。

4 結 論

為了考察用鐵尾礦碎石代替部分石灰巖集料之后瀝青混合料的低溫抗裂性能，本文通過系統的試驗，分析研究了AC-20瀝青混凝土的低溫彎拉強度、最大彎拉應變和劈裂強度規律，主要結論如下。

(1)在粗集料中摻入鐵尾礦碎石之后，瀝青混合料的彎拉強度和最大彎拉應變均顯著減小，彎曲勁度模量也有減小的趨勢。相對于全部石灰巖集料的瀝青混合料而言，以鐵尾礦碎石代替25%、50%、75%和100%的粗集料時，彎拉強度分別降低了9.76%、19.06%、26.22%和32.61%，最大彎拉應變分別降低了5.80%、11.61%、20.56%和23.21%。

(2)摻鐵尾礦碎石瀝青混合料的劈裂強度會隨著鐵尾礦摻入量的增大而明顯降低。以鐵尾礦碎石代替25%、50%、75%和100%的粗集料時，劈裂強度分別降低了4.7%、8.9%、15.6%和21.5%。

(3)綜合考慮最大彎拉應變和劈裂強度等瀝青混合料的低溫性能指標，以鐵尾礦代替粗集料中的石灰巖碎石時，鐵尾礦碎石的摻入量應控制在50%以內，以保證瀝青混合料的綜合低溫抗裂性能。