黄钾铁矾作为替代填料对沥青混合料性能的影响

2022-10-22凌日东

西部交通科技 2022年7期

凌日东

(广西长长路桥建设有限公司，广西南宁 530007)

0 引言

沥青混合料主要由集料和沥青组成，集料中填料的物理和化学特性，会显著影响沥青混合料的性能[8-9]。黄钾铁矾(Jarosite，JS)是在锌冶炼过程中产生的一种固体废弃物。我国产生的黄钾铁矾堆存量超过3 500万t，并以每年超过100万t的速度增长[10]。黄钾铁矾因存在有毒元素和酸性而无法得到妥善处理[11]，因此，本文拟通过将黄钾铁矾作为沥青混合料填料，并与矿粉(SD)、消石灰(HL)和粉煤灰(FA)进行比较，根据马歇尔体积参数、水稳定性能、高温稳定性能、疲劳性能、抗剥落性能和回弹模量等试验结果评价黄钾铁矾的影响和其作为填料的可行性。

1 原材料与配合比设计

1.1 集料

本研究所用集料物理性质如表1所示。

表1 集料物理性质表

1.2 填料

本研究使用了4种不同的填料，所有填料的筛分结果和物理化学性质如表2、表3所示。研究采用德国填料值[12]作为填料孔隙率的评价指标，德国填料值越小表明填料孔隙率越高。

表2 填料筛分结果表

表3 填料物理化学性质表

1.3 沥青

本研究所用沥青为70#沥青，相应的物理性能如下页表4所示。

表4 70#沥青性能参数表

1.4 配合比设计

矿料级配设计采用连续级配AC-13C的设计要求，混合料的级配曲线如图1所示。

图1 混合料级配曲线图

2 填料类型对混合料性能的影响试验研究

2.1 马歇尔试验结果

马歇尔试验结果如表5所示。由表5可知，JS混合料马歇尔稳定度最高，其次是HL、FA和SD。这是因为JS和HL均具有更高的孔隙率和比表面积，形成胶浆时可以增强与沥青的粘结作用。填料细度对于混合料的性能也存在影响，较细的填料具有改善效果。沥青膜厚度对抗车辙性能和抗水损害性能有显著影响，8～15μm厚度的沥青膜可以提供较好的抗车辙性能和抗水损害性能[13]。

表5 马歇尔试验结果表

2.2 水稳定性

采用冻融前后的平均间接抗拉强度之比计算抗拉强度比(TSR)；采用水煮法评价集料沥青之间的粘附性。试验结果分别如图2、图3所示。

图2 水稳定性能试验结果柱状对比图

图3 粘附性试验结果柱状对比图

由图2可知，JS混合料的TSR值几乎与HL混合料相当，这是因为JS中含有大量的赤铁矿形式的铁，使集料呈碱性从而提高沥青集料之间的抗水损害能力。

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由图3可知，所有混合料均表现出良好的粘附性(>85%)，其中含HL的混合料粘附性最高，其次是JS、SD和FA填料。JS的裹覆沥青保留率也达到了97.5%，这可能是由于JS具有较大的比表面积，表面会吸收更多的沥青而导致其较高的粘附性。

2.3 高温稳定性

车辙试验是评价沥青混合料抵抗高温变形的常用试验，试验结果分别如图4、图5所示。

图4 车辙试验结果示意图

图5 车辙试验结果与德国填料值线性拟合图

由图4～5可知，JS混合料的最大车辙变形量分别比SD、FA和HL降低了24%、17%和8%；动稳定度较SD、FA和HL分别提高了32%、22%和9%。由此可知，JS混合料具有较小的车辙变形量和较高的动稳定度。填料的孔隙率与沥青混合料的车辙阻力呈良好的线性拟合关系，JS作为替代填料的高温性能优于其他填料，即含有多孔填料的混合料具有良好的抗车辙性能。

2.4 疲劳性能

在多个应变水平下进行试验，有助于比较类似应变水平下沥青混合料的疲劳寿命和分析疲劳寿命的敏感性，如图6所示。

图6 疲劳寿命随应变水平变化曲线图

由图6可知，含SD的沥青混合料疲劳寿命最高，其次是FA、HL和JS。在较高的应变水平下，填料类型对沥青混合料疲劳性能的影响更为显著。含JS和HL的混合料具有较低的疲劳寿命和较高的应变敏感性，这是由于其表面积大且沥青膜厚度较高，导致其强度过大。

2.5 抗剥落性能

研究通过对未老化和老化后的试样进行肯塔堡飞散损失试验，试验结果如图7所示。

由图7可知，老化后试样的肯塔堡飞散损失均低于未老化试样。混合料在老化过程中已经失去了较易剥落的表面集料，这反而提高了混合料的自身强度，最终提高了抗剥落性能。在未老化和老化试样中，JS填料的混合料抗剥落性能最好，其次是HL、FA和SD填料。这是因为JS较大的比表面积吸收了更多的沥青，从而提高了混合料内部集料与沥青之间的粘结力。

图7 肯塔堡飞散损失试验结果对比柱状图

2.6 回弹模量

本研究通过UTM万能试验机在25 ℃、35 ℃、45 ℃条件下对混合料试件施加正弦波应力径向加载，以模拟车辆在沥青路面上行驶时产生的垂直压应力冲击。试验结果如图8所示。

图8 混合料回弹模量值试验结果对比柱状图

由图8可知，在任意温度下，JS填料的混合料具有最高的回弹模量值，其次是HL、FA和SD混合料。JS填料的混合料在3个试验温度下相对于HL、FA和SD填料的回弹模量平均分别高出9.5%、14.8%和23.9%。填料越细对于提高混合料的刚度具有积极作用，而本研究中JS填料的颗粒直径最小，其次是HL、FA和SD，所以相应的混合料回弹模量也存在此规律。