鐵尾礦砂在瀝青路面預(yù)養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用研究

靳 軍，閆炳潤(rùn)，李 峰，付德珍

（1.甘肅平?jīng)龉肥聵I(yè)發(fā)展中心，甘肅 平?jīng)?744000；2.青島潤(rùn)邦防水建材有限公司，山東 青島 266321）

0 引 言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)了高速發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源需求不斷攀升，隨之帶來(lái)了礦產(chǎn)資源綜合利用的問(wèn)題。2013 年出版的《重點(diǎn)冶金礦山統(tǒng)計(jì)年報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，截至2012 年，我國(guó)鐵尾礦堆存量超過(guò)145 億t，僅2012 年一年全國(guó)的鐵尾礦量達(dá)到9.4 億t。大量鐵尾礦的堆積產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境污染和安全隱患。如果鐵尾礦能在公路養(yǎng)護(hù)撒砂霧封層中大規(guī)模應(yīng)用，既可減少路面養(yǎng)護(hù)工程中對(duì)砂礫的需求，又可以解決鐵尾礦的堆積占地問(wèn)題，不僅減少了環(huán)境污染壓力，而且變害為利，有利于治理車輛尾氣，提高瀝青路面的使用壽命。因此，研究鐵尾礦在瀝青路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用具有重大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)意義，近年已成為研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)[1-4]。但至今為止，對(duì)鐵尾礦在瀝青路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用研究尚少。為此，本文以最常見(jiàn)的磁鐵礦為例，基于物理、化學(xué)等性能分析，分析探討鐵尾礦在瀝清路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用技術(shù)，希望對(duì)從事瀝青路面養(yǎng)護(hù)研究和應(yīng)用的人員有所啟迪，并有助于進(jìn)一步推廣鐵尾礦在瀝青路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用。

1 鐵尾礦在瀝青路面撒砂霧封層混合料中的性能

自然界含鐵礦物雖多，但主要是磁鐵礦。其為一種氧化鐵的礦粉，主要成份是Fe3O4，即Fe2O3和FeO 的復(fù)合物。磁鐵礦結(jié)構(gòu)致密，硬度較大（莫氏硬度5.5～6.5 度），含鐵量較高時(shí)為黑色粉末。

1.1 有利于路面耐磨性和使用壽命

磁鐵礦硬度高，有利于瀝青路面的耐磨性和使用壽命。硬度是材料抵抗更硬物體壓入其表面的能力，也可以說(shuō)是抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。它是材料的重要性能之一，與其他強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)之間有著內(nèi)在聯(lián)系。材料的硬度與其耐磨性和使用壽命有密切關(guān)系。通常，材料越硬，其耐磨性越好，使用壽命越長(zhǎng)。

磁鐵礦莫氏硬度5～6 度，介于莫氏硬度5 正長(zhǎng)石（feldspar；orthoclase；periclase） 和莫氏硬度6 石英（quartz）之間，與被國(guó)際上公認(rèn)的公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)跑道所用石料中最好的基石——玄武巖的莫氏硬度（5～7 度）基本一致。因此，鐵尾礦應(yīng)用在瀝青路面撒砂霧封層混合料中，鐵尾礦的高硬度有利于瀝青道路的耐磨性和使用壽命。

1.2 有利于延緩路面老化

磁鐵礦比重為4.9～5.2 g/cm3，與瀝青高分子混合撒布后，易沉降、滲透到路面的微裂縫中，封閉路面滲水，消除路面水害，有利于延緩路面老化。

1.3 提高路面強(qiáng)度和路面防滑性能

磁鐵礦晶體常呈八面體和菱形十二面體。憑借其良好的棱角性，經(jīng)過(guò)有機(jī)料結(jié)合形成嵌擠作用，以抵抗路面變形，有利于提高路面強(qiáng)度，增強(qiáng)路面防滑性能。

1.4 滿足路面微裂縫滲透封閉需求

磁鐵尾礦料的自然目數(shù)能滿足《公路瀝青路面預(yù)防養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5142-01—2021）標(biāo)準(zhǔn)中含砂霧封層用細(xì)集料技術(shù)要求，具體數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 含砂霧封層用細(xì)集料技術(shù)要求

1.5 有助于減少污染

磁鐵尾礦有助于吸收車輛尾氣中的SO2[5-6]。汽車尾氣和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)車尾氣的主要成分是二氧化硫、碳?xì)浠衔锏榷喾N有害物質(zhì)，對(duì)人類和動(dòng)、植物危害甚大。由于FeO 系堿性氧化物，SO2系酸性氧化物，因此鐵尾礦中的FeO 有助于吸收汽車尾氣中的SO2（Fe2O3+2SO2=FeSO3+FeSO4）。FeO 吸收SO2屬于氣-固相非催化反應(yīng)，溫度對(duì)Fe2O3吸附SO2反應(yīng)的速率有明顯影響，上述反應(yīng)速率隨溫度提高而加快。在低溫時(shí)，反應(yīng)速率低，主要是物理吸附；高溫時(shí)，反應(yīng)速率提高，呈明顯的化學(xué)吸附特征。同時(shí)，水的存在可加速反應(yīng)速率。因此，F(xiàn)eO 具有脫硫作用。研究表明：Fe3O4在380℃～450℃的溫度范圍內(nèi)吸收SO2最快。汽車尾氣和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)車尾氣因燃油品種、發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣管結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度、車輛運(yùn)行狀態(tài)等因素不同，出口尾氣溫度也所不同，大約在30℃～120℃之間。因此，磁鐵尾礦中的Fe3O4吸收車輛尾氣中的SO2涉及物理吸附和化學(xué)吸附兩種吸附反應(yīng)。

1.6 有助于與瀝青的黏附性

磁鐵尾礦有助于瀝青路面養(yǎng)護(hù)專用涂料與瀝青的黏附性，有利于改進(jìn)路面的物理力學(xué)性質(zhì)[7-8]。

路面是由石料與瀝青組成的混合料鋪筑碾壓后形成的。石料與瀝青在混合料中起著復(fù)雜的物理化學(xué)作用，石料的化學(xué)性質(zhì)在很大程度上影響路面的物理力學(xué)性質(zhì)，石料的酸堿性決定著石料與瀝青的黏附性。一般情況下，堿性較強(qiáng)的石料與瀝青結(jié)合較好，酸性石料與瀝青結(jié)合較差。

瀝青是由不同分子量的碳?xì)浠衔锛捌浞墙饘傺苌锝M成的黑褐色復(fù)雜混合物，主要成分為膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等組分。不同品種、不同產(chǎn)地的瀝青酸值各不相同，但瀝青的pH 值均低于7，呈酸性。酸性基團(tuán)為酚基（-OH）、羧酸基（-COOH）、酸酐基（瀝青中含有兩個(gè)羧根而失去一個(gè)水分子的一種組分，-COOOC-）。磁鐵尾礦的氧化鐵系堿性氧化物，呈堿性。因此，磁鐵尾礦有助于瀝青路面養(yǎng)護(hù)專用涂料與瀝青的黏附性，有利于路面的物理力學(xué)性質(zhì)。

2 鐵尾礦砂在瀝青路面預(yù)養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用技法

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路建設(shè)的數(shù)量和規(guī)模都在不斷增加。大批的公路路面已近入養(yǎng)護(hù)、維修階段。

山東膠州馬鐵路洋河段采用了新一代路面養(yǎng)護(hù)工藝技術(shù)，對(duì)長(zhǎng)3.3 km 約2 萬(wàn)m2的路面進(jìn)行了養(yǎng)護(hù)施工，取得了滿意效果。

2.1 路面局部病害修補(bǔ)

針對(duì)3 mm 以上裂縫采用背負(fù)式RB-350 擴(kuò)縫機(jī)[7]進(jìn)行擴(kuò)縫處理，有助于灌縫膠均勻地流淌到裂縫底部。圖1 所示為工人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)縫的工作照片。

圖1 擴(kuò)縫處理

擴(kuò)縫結(jié)束后，利用RB-301 狼牙式清縫專用吹風(fēng)機(jī)[8]進(jìn)行吹風(fēng)清理。圖2 所示為吹風(fēng)清理工作照片。

圖2 吹風(fēng)清理

基面清理干凈后，用灌縫膠進(jìn)行路面裂縫修補(bǔ)。可采用常溫型牢巴路灌縫膠[9]進(jìn)行路面裂縫修補(bǔ)處理。該灌縫膠彈性大，可隨路面熱脹冷縮進(jìn)行調(diào)整，灌縫膠的張力阻止水分滲透到路基中。與傳統(tǒng)灌縫膠相比，方便耐用、環(huán)保節(jié)能，能有效延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)周期，減少養(yǎng)護(hù)次數(shù)。也可采用熱熔型速熔快通灌縫膠[9]進(jìn)行灌縫處理。圖3 為常溫牢巴路灌縫膠灌縫處理照片。該灌縫膠可有效解決一般灌縫膠熔化速度慢、凝固時(shí)間長(zhǎng)、開(kāi)放交通慢以及陰雨天黏結(jié)力差的問(wèn)題，80℃可完全熔化，將熔化好的灌縫膠立即倒入鐵壺中，隨之灌注到裂縫中，3 min 后可開(kāi)放交通。只粘路面不粘輪胎，雨前施工雨后不會(huì)剝離，并且保持彈性，-30℃不會(huì)開(kāi)裂。

圖3 常溫牢巴路灌縫膠灌縫處理

路面坑槽修補(bǔ)，用背負(fù)式小型切割機(jī)對(duì)部分破損路面進(jìn)行切割處理，切割平直光潔，采用潤(rùn)邦牌聚氨酯冷補(bǔ)料修補(bǔ)，可與路面更好地結(jié)合，提高道路使用壽命。聚氨酯冷補(bǔ)料是一種高科技道路修補(bǔ)材料，可以全天候使用，適用于在任何天氣和環(huán)境下修補(bǔ)不同類型的道路面層，如瀝青混凝土道路、水泥混凝土道路、停車場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)跑道、橋梁伸縮縫等，圖4 所示為現(xiàn)場(chǎng)采用冷補(bǔ)料修補(bǔ)坑槽照片。實(shí)踐證明，冷補(bǔ)料不僅適用于各種道路坑穴的修補(bǔ)，而且對(duì)道路的中修、小修同樣具有良好的修補(bǔ)效果，其成本、質(zhì)量和使用都優(yōu)于一般冷補(bǔ)材料。該聚氨酯冷補(bǔ)料操作簡(jiǎn)便、存放長(zhǎng)久、修補(bǔ)質(zhì)量好，用途廣泛、利于環(huán)保，冷補(bǔ)料攤鋪完畢后使用震動(dòng)平板夯進(jìn)行夯實(shí)處理。

圖4 冷補(bǔ)料修補(bǔ)坑槽

網(wǎng)裂部位修補(bǔ)，采用聚氨酯冷補(bǔ)料摻加細(xì)砂混勻后進(jìn)行刮涂處理。

2.2 含砂霧封層噴撒

待局部病害修補(bǔ)處理完畢后，采用RBS-C 不黏輪瀝青路面養(yǎng)護(hù)專用涂料[10]進(jìn)行霧封層處理。該養(yǎng)護(hù)涂料屬于水包油、油包水型材料，添加紫外線吸收劑、石油樹脂、瀝青再生劑、高分子黏結(jié)劑，以水為介質(zhì)滲透到路橋面表層，可提高路面溫度，還原瀝青值，提高防水、融雪功能。圖5 所示為現(xiàn)場(chǎng)噴撒含砂霧封層的工作照片。

圖5 噴撒含砂霧封層

采用最新發(fā)明的雙噴桿與砂箱相結(jié)合的噴撒車進(jìn)行施工[11]。該機(jī)采用智能系統(tǒng)變頻電機(jī)與車速相結(jié)合的辦法控制撒布量，瀝青泵1 100 轉(zhuǎn)，車速10 km/h，用料500g/m2，撒砂機(jī)450～500 轉(zhuǎn)，用料500 g/m2，鐵尾礦砂、金剛砂為20～80 目。養(yǎng)護(hù)涂料和金剛砂在半空中混合, 在瀝青路面上形成一薄層，起到封閉路面微裂縫、防止路面松散、阻止水分下滲、提高路面防滑效果、吸收汽車尾氣中SO2的作用，并能延緩路面瀝青老化,提高瀝青面層溫度，保持路面抗滑性能，達(dá)到顯著改善路面外觀及抗老化的效果。圖6 所示為施工完成后的現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖6 施工后效果圖

3 鐵尾礦應(yīng)用的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)全國(guó)公路部門統(tǒng)計(jì)，全國(guó)現(xiàn)有瀝青路面2 400 億m2（不包括鄉(xiāng)間路）。將鐵尾礦應(yīng)用于養(yǎng)護(hù)路面，如以使用200 g/m2鐵尾礦的用量計(jì)算，全國(guó)就可消除鐵尾礦4 800 萬(wàn)t 的堆積壓力；如以每公頃存放14 992 t 鐵尾礦計(jì)算，就可節(jié)省土地3.2 萬(wàn)hm2。瀝青路面養(yǎng)護(hù)后可延長(zhǎng)的使用壽命如以2 a 計(jì)，并按造價(jià)為52 元/m2計(jì)算，則每平方米路面2 a 即可節(jié)省費(fèi)用104 元，2 a 可增加社會(huì)效益2 448 億元。從2009 年起，山東惠青黃河大橋、洋河大橋以及膠州市馬鐵路等道路工程的養(yǎng)護(hù)工程已將鐵尾礦應(yīng)用在瀝青路面撒砂霧封層混合料中，效果良好。

4 結(jié) 論

本文以常見(jiàn)的磁鐵礦為例，基于物理、化學(xué)等性能分析探討并闡明鐵尾礦在瀝青路面養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用及效果。

（1）磁鐵礦硬度高，有利于瀝青路面的耐磨性和使用壽命；

（2）磁鐵礦比重大，易沉降滲透到路面的微裂縫中，封閉路面滲水，有利于延緩路面老化；

（3）磁鐵礦晶體具有良好棱角性，有嵌擠作用，以抵抗路面變形，有利于提高路面強(qiáng)度，增強(qiáng)路面防滑性能。

（4）磁鐵尾礦有助于吸收車輛尾氣中的SO2；

（5）磁鐵尾礦有助于瀝青路面養(yǎng)護(hù)專用涂料與瀝青的黏附性，有利于路面的物理力學(xué)性質(zhì)；

（6）鐵尾礦應(yīng)用在瀝青路面的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益顯著。

該項(xiàng)技術(shù)對(duì)路面預(yù)養(yǎng)護(hù)是較好的選擇，各項(xiàng)專利設(shè)備簡(jiǎn)便實(shí)用、成本低廉，解決了路面預(yù)養(yǎng)護(hù)資金短缺的難題。