铁尾矿碎石沥青混凝土的低温抗裂性能试验研究

肖 田，李具文，闫利峰，闫晓晨

(1.天津市市政工程设计研究院，天津 300392；2.天津高速公路集团有限公司，天津 300384)

0 引 言

我国是一个钢铁上产大国，钢铁产量世界第一。伴随着我国钢铁产业发展的同时，每年因开采分选铁矿石过程中，剔除的低品位铁矿碎石的排放数量多大数以吨，其存放不仅占用土地，还会造成环境污染和安全事故等问题。而另一方面，由于自然资源保护及国家政策的开采限制，公路建设过程中比较缺乏碎石材料，如将铁尾矿碎石用作公路工程建筑材料，可以产生极大的社会、经济、及环境效益。

为了将铁尾矿变费为宝，许多科研工作者进行了大量的研究。如孙吉书等人通过试验，系统研究了石灰粉煤灰稳定铁尾矿碎石的路用性能，明确了铁尾矿碎石用作公路基层建筑材料的可行性与方法，李德忠等人研究了大掺量铁尾矿高强混凝土材料的制备的方法，张铁志等人试验研究了掺入铁尾矿砂的沥青混合料的路用性能，这些研究均为将铁尾矿用作建筑材料奠定了基础。目前的研究表明，由于铁尾矿的酸性属性，其与沥青的黏附力不如石灰岩和玄武岩，铁尾矿沥青混凝土的高温性能一般较好，而低温性能有所欠缺。沥青混合料的低温抗裂性能一般用劈裂强度、弯拉强度和最大弯拉应变表示，本文将通过低温弯曲试验和劈裂试验，系统考察铁尾矿碎石沥青混凝土的低温抗裂性能规律，明确铁尾矿碎石掺量对沥青混凝土低温性能的影响规律，给出铁尾矿碎石在粗集料中的含量建议值，为实际工程应用提供参考。

1 原材料性质

1.1 铁尾矿碎石

本文采用的铁尾矿碎石来自河北省唐山市，其压碎值为17.5%，其主要成分如表1所示。

表1 沥青的主要技术指标

进行配合比设计时，将铁尾矿碎石粉碎成粗集料需要的不同粒径使用。

1.2 粗集料和细集料

粗集料采用天津蓟县出产的石灰岩，机制砂作为细集料，粗集料的主要工程技术指标如表2所示。

表2 石灰岩集料的主要技术指标

1.3 矿粉

本文试验用的矿粉是石灰岩矿粉，试验测得矿粉的亲水系数为0.72，密度为2.816 g/cm3。

1.4 沥青

试验采用70#道路石油沥青，沥青的主要技术指标如表3所示。

表3 沥青的主要技术指标

原材料试验结果表明，本文试验采用的各项原材料均符合相关规范的要求。

2 试验方案

2.1 配合比设计

本文按照AC-16的面层目标级配进行沥青混合料的矿料配合比设计，合成级配设计结果如表4所示。

表4 AC-20的合成级配

根据规范的方法进行马歇尔试验，确定出最佳油石比为4.7%。

2.2 试验方案规划

本次试验的目的就是用铁尾矿碎石来替代沥青混合料中的石灰岩集料，因而在以表4为目标配合比进行矿料组成设计时，粗集料的各档材料中，按照0、25%、50%、75%和100%的比例分别用铁尾矿碎石替换石灰岩碎石，细集料和矿粉均采用一般材料。根据标准的试验方法，劈裂试验采用试件浸泡在30±1 ℃的恒温水槽中1.5小时，低温弯曲试验试验温度为-10 ℃±0.5 ℃，加载速率均为标准的50 mm/min。

3 试验结果与分析

3.1 低温弯曲试验结果

根据设定的试验条件，分别进行不同铁尾矿碎石含量时沥青混合料的低温弯曲试验，计算得出弯拉强度和最大弯拉应变如表1所示。

表5 低温弯曲试验结果

从表5的低温弯曲试验结果可以看出，在粗集料中掺入铁尾矿碎石之后，沥青混合料的弯拉强度和最大弯拉应变均显著减小，弯曲劲度模量也有减小的趋势。相对于全部石灰岩集料的沥青混合料而言，以铁尾矿碎石代替25%、50%、75%和100%的粗集料时，弯拉强度分别降低了9.76%、19.06%、26.22%和32.61%，最大弯拉应变分别降低了5.80%、11.61%、20.56%和23.21%。这主要是由于铁尾矿碎石具有一定的酸性，其与沥青之间的黏附力不如沥青与石灰岩之间的黏附力造成的。

应用表5中的数据绘出铁尾矿碎石掺入量对沥青混凝土最大弯拉应变的影响规律，如图1所示。

图1 沥青混合料最大弯拉应变随铁尾矿碎石掺入量的变化

从表5和图1的试验结果可知，在沥青混合料配合比设计时，铁尾矿碎石的掺入量应该控制在一定的范围之内，按照低温弯曲试验的结果，当铁尾矿碎石的掺入量为50%时，其最大弯拉应变为2 399 με，略大于规范要求的2 300 με，而当铁尾矿碎石掺入量大于50%时，最大弯拉应变不能满足要求，因而，以铁尾矿代替粗集料中的石灰岩碎石时，铁尾矿碎石的掺入量应控制在50%以内，不得超过55%。

3.2 劈裂强度的试验结果

劈裂强度也是评价沥青混合料低温抗开裂性能的一项重要指标，为评价用铁尾矿碎石替代部分石灰岩粗集料的沥青混合料的抗裂性能，进行了劈裂强度试验，不同铁尾矿碎石掺入量情况下沥青混合料的劈裂强度试验结果如图2所示。

图2 劈裂强度随铁尾矿碎石掺入量的变化

图2的试验结果表明，在掺入铁尾矿碎石之后，沥青混合料的劈裂强度会降低，并且劈裂强度会随着铁尾矿掺入量的增大而明显降低。以铁尾矿碎石代替25%、50%、75%和100%的粗集料时，劈裂强度分别降低了4.7%、8.9%、15.6%和21.5%。同时，从图2的试验结果也可以看出，劈裂强度在铁尾矿碎石掺入量达到50%时，曲线有一个显著的“拐点”，铁尾矿碎石掺量大于50%时，劈裂强度随铁尾矿碎石掺入量的变化斜率增大，因而，以铁尾矿代替粗集料中的石灰岩碎石时，铁尾矿碎石的掺入量应控制在50%以内。

4 结 论

为了考察用铁尾矿碎石代替部分石灰岩集料之后沥青混合料的低温抗裂性能，本文通过系统的试验，分析研究了AC-20沥青混凝土的低温弯拉强度、最大弯拉应变和劈裂强度规律，主要结论如下。

(1)在粗集料中掺入铁尾矿碎石之后，沥青混合料的弯拉强度和最大弯拉应变均显著减小，弯曲劲度模量也有减小的趋势。相对于全部石灰岩集料的沥青混合料而言，以铁尾矿碎石代替25%、50%、75%和100%的粗集料时，弯拉强度分别降低了9.76%、19.06%、26.22%和32.61%，最大弯拉应变分别降低了5.80%、11.61%、20.56%和23.21%。

(2)掺铁尾矿碎石沥青混合料的劈裂强度会随着铁尾矿掺入量的增大而明显降低。以铁尾矿碎石代替25%、50%、75%和100%的粗集料时，劈裂强度分别降低了4.7%、8.9%、15.6%和21.5%。

(3)综合考虑最大弯拉应变和劈裂强度等沥青混合料的低温性能指标，以铁尾矿代替粗集料中的石灰岩碎石时，铁尾矿碎石的掺入量应控制在50%以内，以保证沥青混合料的综合低温抗裂性能。