鐵尾礦瀝青混合料基本性能及老化耐久性研究

趙連平 ，郝紹菊 ，馬競

（1.山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030009；2.鄭州大學(xué)力學(xué)系，河南 鄭州 450001；3.河南開放大學(xué)建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450046）

隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展和人們出行日益增多，且出行車輛噸位增加、軸載過大和超載運輸?shù)葐栴}[1]，使得城市原有道路無法滿足日益增加的交通量，故需要研制高效耐久的瀝青材料來鋪筑路面；其中，最有效的方法就是對傳統(tǒng)基質(zhì)瀝青摻加外加劑來提升瀝青的性能，進而大幅度增強瀝青路面的路用性能[2]。而常用的SBS 改性瀝青混凝土雖然很好解決了瀝青路面在高溫環(huán)境下強度不高、容易老化等問題，但是SBS 改性瀝青中會大量使用天然的砂石材料，而過渡開采天然砂石材料不僅不符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針，也會造成不同程度的水土流失等自然災(zāi)害，故需要尋找一種經(jīng)濟實惠、可持續(xù)利用且符合綠色材料理念的材料來代替天然砂石材料作為瀝青骨料[3]。

我國每年由于開采資源（尤其是鐵礦資源）產(chǎn)生的固體廢棄物很多，這些鐵尾礦利用率較為低下，大多數(shù)都堆積在尾礦庫里，且鐵尾礦中含有大量的金屬礦物和有毒物質(zhì)，這些物質(zhì)會不斷滲入到土地內(nèi)部，進而造成了土地資源的浪費和污染[4]；但是通過近些年學(xué)者不斷研究，發(fā)現(xiàn)可以將鐵尾礦等固體廢棄物代替天然砂石材料，制備瀝青材料性能完全可以滿足路用性能[5]。本文將采用唐山某尾礦區(qū)的鐵尾礦來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的天然砂石材料，主要從針入度、錐入度、軟化點、延度、粘度以及老化耐久性等方面來研究鐵尾礦瀝青混合料性能。

1 原材料基本性質(zhì)

1.1 鐵尾礦基本性質(zhì)

本文所采用的鐵尾礦取自唐山某尾礦區(qū)，采用質(zhì)譜儀對鐵尾礦內(nèi)部含有的化學(xué)成分進行檢測，得到該鐵尾礦內(nèi)部主要成分見表1。

由表1 可知，二氧化硅占鐵尾礦總量的69.89%，其他氧化物占鐵尾礦總量的30.11%，故該鐵尾礦屬于典型的高硅鐵尾礦。

表1 尾礦內(nèi)部主要成分/%Table 1 Main components inside tailings

采用篩分法對所選用鐵尾礦的粒徑分布情況進行測定，并采用電子稱稱取1.0 kg 的鐵尾礦作為研究對象，而篩分實驗所采用套篩的尺寸選定為(20、10、5、2、1、0.5、0.25 和0.075) mm 八種篩孔直徑；篩分后的結(jié)果見表2，并繪制出鐵尾礦級配曲線見圖1。

表2 篩分實驗結(jié)果Table 2 Screening test results

圖1 鐵尾礦的級配曲線Fig.1 Gradation curve of iron tailings

根據(jù)式（1）計算該鐵尾礦砂不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc為

式中，d60為小于某粒徑顆粒含量占總含量的60%；d30為小于某粒徑顆粒含量占總含量的30%；d10為小于某粒徑顆粒含量占總含量的10%。

由圖1 和式（1）可知，粒徑在+0.25 mm 的顆粒含量達到了55% 以上，且該鐵尾礦的Cu=16.13、Cc=2.82。因此，可得到該鐵尾礦為中砂、級配良好。

1.2 SBS 改性瀝青性質(zhì)

根據(jù)購買SBS 改性瀝青廠家的檢測結(jié)果可知，不摻加鐵尾礦的SBS 改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)見表3[6]。

表3 SBS 改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indicators of SBS modified asphalt

2 鐵尾礦瀝青混合料物理性能分析

在對鐵尾礦瀝青混合料進行實驗之前，確定鐵尾礦是替代瀝青中的骨料摻入，且摻入量是瀝青中的骨料的0、10%、20%、30%、40%和50%。按照《公路工程瀝青混合料及瀝青混合料實驗規(guī)程》(JTJ 052—2000)和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF 40—2004)中的要求制備瀝青混凝土，使得開展瀝青混合料針入度、錐入度、軟化點、延度、粘度的瀝青試樣的制備工藝一致。

2.1 瀝青混合料的針入度

瀝青混合料的針入度主要是反映了瀝青材料的軟硬程度、稠度以及抗剪強度等性質(zhì)，為了分析摻入鐵尾礦對瀝青混合料針入度的影響，將鐵尾礦摻量設(shè)定為0、10%、20%、30%、40%和50%。通過針入度儀對不同鐵尾礦摻量作用下瀝青混合料的針入度進行測定，繪制不同鐵尾礦摻量瀝青混合料的針入度變化規(guī)律見圖2。

圖2 不同鐵尾礦摻量瀝青混合料的針入度變化規(guī)律Fig.2 Penetration rate of asphalt mixtures with different iron tailings content

由圖2 可知，隨著鐵尾礦摻量不斷增大，瀝青混合料針入度的變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且摻入鐵尾礦瀝青混合料的針入度比不摻入鐵尾礦瀝青混合料的針入度要小，這說明了鐵尾礦的摻入有效提升了瀝青混合料的硬度以及降低了其柔性。而當(dāng)鐵尾礦摻量為30%時，瀝青混合料的針入度達到了較大值，這是由于鐵尾礦中化學(xué)成分與瀝青中的輕質(zhì)組分發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，使得瀝青質(zhì)含量間接增大；但是隨著鐵尾礦摻量持續(xù)增大，鐵尾礦雖然也與瀝青中的輕質(zhì)組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但是未參與的鐵尾礦容易形成膠粉顆粒團聚現(xiàn)象，進而使得針入度儀的針頭無法很好進入；同時，也有可能是隨著鐵尾礦摻量的增大，在瀝青混合料制備過程中鐵尾礦中礦物分子轉(zhuǎn)移到瀝青混合料中，使得瀝青混合料中游離的礦物分子不斷增大，進而起到稀釋瀝青混合料的作用，但是隨著鐵尾礦摻量的持續(xù)增大，鐵尾礦的微集料效應(yīng)開始起作用，較小粒徑的鐵尾礦會以細小微珠的形式填充在瀝青混合料空隙中，進而增加了瀝青混合料的密實度，最終導(dǎo)致瀝青的針入度值開始出現(xiàn)降低。

2.2 瀝青混合料的錐入度

瀝青混合料的錐入度主要是反映了瀝青混合料的稠度、軟硬程度等性質(zhì)，為了分析摻入鐵尾礦對瀝青混合料錐入度的影響，將鐵尾礦摻量設(shè)定為0、10%、20%、30%、40%和50%。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 269-91 和錐入度測定計，對不同鐵尾礦摻量作用下瀝青混合料的錐入度進行測定，繪制不同鐵尾礦摻量瀝青混合料的錐入度變化規(guī)律見圖3。

圖3 不同鐵尾礦摻量瀝青混合料的錐入度變化規(guī)律Fig.3 Variation law of cone penetration of asphalt mixture with different iron tailings content

由圖3 可知，隨著鐵尾礦摻量不斷增大，瀝青混合料錐入度的變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且摻入鐵尾礦有效改變了瀝青混合料的柔度；當(dāng)鐵尾礦摻量為30%時，瀝青混合料的錐入度達到了較大值，且比不摻入鐵尾礦瀝青混合料的錐入度提升了約7.77%，這說明了摻加鐵尾礦的瀝青混合料比摻加天然石料的瀝青更為柔軟。這主要是由于鐵尾礦中礦物成分在瀝青混合料制備過程中會進入到瀝青材料中，使得瀝青材料中的游離礦物分子不斷增多，可以有效地稀釋瀝青混合料，增加材料的流動性能，進而瀝青混合料越加柔軟；而隨著鐵尾礦持續(xù)增大，充填在瀝青混合料中的鐵尾礦使得材料更加密實，且鐵尾礦有機官能團會與瀝青纏繞交聯(lián)，進而使得瀝青混合料變得稠化，最終導(dǎo)致瀝青混合料的錐入度下降。

2.3 瀝青混合料的軟化點

瀝青混合料的軟化點主要是反映了材料在受熱軟化而下垂時的溫度。采用HSY-4507H 全自動瀝青軟化點測定儀對不同鐵尾礦摻量作用下瀝青混合料的軟化點進行測定，繪制不同鐵尾礦摻量瀝青混合料的軟化點變化規(guī)律見圖4。

由圖4 可知，隨著鐵尾礦摻量不斷增大，瀝青混合料軟化點的變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這說明了適當(dāng)增大鐵尾礦摻量可以有效地提升瀝青混合料的軟化點以及提高了瀝青混合料抗高溫性能；但是對比不摻入鐵尾礦瀝青混合料的軟化點，摻入鐵尾礦瀝青混合料的軟化點提升幅度不高。在鐵尾礦摻量為40%時瀝青混合料的軟化點達到了較大值，但是只比鐵尾礦摻量為40%時瀝青混合料的軟化點增長了0.3℃，綜合考慮，可以選擇鐵尾礦摻量為30%作為瀝青混合料最優(yōu)軟化點的摻加量。同時，鐵尾礦中礦物成分具有較好的活性，摻加鐵尾礦會增強鐵尾礦與瀝青混合料之間的黏附性，礦物分子把集料和瀝青緊密粘結(jié)在一起，使得瀝青混合料的整體性變好，進而使得軟化點隨著鐵尾礦摻量的增大而增大，但是持續(xù)增大鐵尾礦摻量后，過量鐵尾礦會影響瀝青混合料軟化點提升。

圖4 不同鐵尾礦摻量瀝青混合料的軟化點變化規(guī)律Fig.4 Variation law of softening point of asphalt mixture with different iron tailing content

2.4 瀝青混合料的延度

瀝青混合料的延度主要是反映了瀝青的延展度，且瀝青混合料的延度越大，它的塑性就越好。采用SYD-4508C 型瀝青延度實驗儀對不同鐵尾礦摻量作用下瀝青混合料的延度進行測定，繪制不同鐵尾礦摻量瀝青混合料的延度變化規(guī)律見圖5。

由圖5 可知，隨著鐵尾礦摻量不斷增大，瀝青混合料延度的變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，延度上升的原因可能是：SBS 瀝青自身含有較多量的膠質(zhì)，該物質(zhì)的存在會使得瀝青的塑性和流動性變好；同時，鐵尾礦中含有大量活性礦物成分，在瀝青混合料制備過程中會增強這種性質(zhì)，使得瀝青混合料的延度不斷增大。造成延度下降的原因是：過量的鐵尾礦摻入到瀝青混合料中，尾礦顆粒沒有被充分吸收進行化學(xué)反應(yīng)，在瀝青混合料內(nèi)部仍然存在較大尾礦顆粒，這些尾礦顆?？梢栽跒r青內(nèi)部容易匯聚成團狀，使得瀝青混合料的流動性變差，進而導(dǎo)致在測試瀝青延度時，會在瀝青內(nèi)局部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得瀝青混合料的延度開始下降。在鐵尾礦摻量為30%時瀝青混合料的延度達到了較大值，且鐵尾礦摻量從20%增加到30%時，瀝青混合料的延度增大了約40%，這說明了摻加鐵尾礦可以較好地提高SBS 改性瀝青的低溫柔韌性。

圖5 不同鐵尾礦摻量瀝青混合料的延度變化規(guī)律Fig.5 Ductility change law of asphalt mixture with different iron tailing content

2.5 瀝青混合料的粘度

瀝青混合料的延度主要是反映了瀝青的粘滯性。采用旋轉(zhuǎn)粘度計對不同鐵尾礦摻量作用下瀝青混合料的粘度進行測定，繪制不同鐵尾礦摻量瀝青混合料的粘度變化規(guī)律見圖6。

圖6 不同鐵尾礦摻量瀝青混合料的粘度變化規(guī)律Fig.6 Viscosity change gauge of asphalt mixture with different iron tailings content

由圖6 可知，隨著鐵尾礦摻量不斷增大，瀝青混合料粘度的變化規(guī)律呈現(xiàn)出先快速增大后平緩增長的趨勢，這主要是由于在瀝青混合料內(nèi)部存在大量交聯(lián)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，當(dāng)向瀝青混合料中加入鐵尾礦后，鐵尾礦會與瀝青中的輕質(zhì)組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會產(chǎn)生一定量的具有粘性的產(chǎn)物，進而使得瀝青混合料整體的粘度得到上升，且鐵尾礦中礦物成分具有較好的活性，摻加鐵尾礦會增強鐵尾礦與瀝青混合料之間的黏附性，礦物分子把集料和瀝青緊密粘結(jié)在一起，進而使得瀝青混合料的粘度增大；而隨著鐵尾礦摻量的持續(xù)增加，瀝青中的輕質(zhì)組分完全被吸收反應(yīng)之后，所產(chǎn)生具有粘性的產(chǎn)物也減少，故瀝青混合料粘度開始平緩增長。

2.6 溫度對瀝青混合料物理性質(zhì)的影響分析

綜上所述，當(dāng)鐵鐵尾礦摻量為30%，瀝青混合料的各項性能均能達到較佳水平或鄰近較佳水平，故可以將鐵尾礦摻量為30%作為瀝青混合料較優(yōu)性能的摻加量。同時，溫度對于制備瀝青混合料而言至關(guān)重要，當(dāng)制備溫度瀝青混合料溫度過高時，會出現(xiàn)瀝青材料老化的現(xiàn)象，而當(dāng)制備溫度瀝青混合料溫度過低時，又無法滿足鐵尾礦等摻料與瀝青內(nèi)部礦物成分產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的溫度，故本文將選定160、170、180 和190℃四種溫度，而鐵尾礦摻量定為30%，來分析溫度對瀝青混合料針入度、軟化點、延度和粘度有何種影響。繪制出不同溫度作用下瀝青混合料物理性質(zhì)變化規(guī)律見圖7。

由圖7 可知，隨著制備溫度的不斷提升瀝青混合料針入度、軟化點、延度的變化規(guī)律基本都呈現(xiàn)出現(xiàn)增大后減小的趨勢，但是瀝青混合料粘度的變化規(guī)律卻呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢，造成這種現(xiàn)象的原因是：制備過程中鐵尾礦顆粒在瀝青中進一步充分反應(yīng)所致；當(dāng)制備瀝青混合料溫度較低時（160℃），鐵尾礦顆粒無法在瀝青混合料中充分與輕質(zhì)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)制備瀝青混合料溫度過高時（190℃），瀝青混合料容易產(chǎn)生老化，使得瀝青材料的性能下降。當(dāng)溫度為180℃時，瀝青混合料的針入度、軟化點、延度達到較大值，且瀝青混合料的粘度雖然較溫度為160℃和170℃較小，但是粘度仍然可以滿足路用要求，故鐵尾礦瀝青混合料的較佳制備溫度選定為180℃。

圖7 不同溫度作用下瀝青混合料物理性質(zhì)變化規(guī)律Fig.7 Changes of physical properties of asphalt mixture under different temperatures

3 瀝青混合料的老化特性實驗

一般情況下，瀝青混合料的老化是指瀝青在制備、運輸、施工和使用等過程中，由于受到外界因素（熱、紫外線等）的影響而產(chǎn)生性能的劣化。為了更好對比鐵尾礦SBS 改性瀝青在老化前后性能的變化，對瀝青材料老化指標(biāo)主要測試針入度、延度和軟化點三個指標(biāo)[6]，繪制出老化前后兩種瀝青性能指標(biāo)變化規(guī)律見圖8。

由圖8 可知，相對老化后的鐵尾礦瀝青材料而言，在同一鐵尾礦摻量作用下兩種不同瀝青混合料老化前的針入度和延度均出現(xiàn)了降低的趨勢，但是在同一鐵尾礦摻量作用下兩種不同瀝青混合料老化前的軟化點卻出現(xiàn)了增大的趨勢，這主要是由于在鐵尾礦瀝青混合料在老化過程中，鐵尾礦顆粒會發(fā)生一定的降解，并與瀝青材料中的輕質(zhì)組分發(fā)生完全化學(xué)反應(yīng)，在瀝青混合料中存留的瀝青質(zhì)含量較多，進而瀝青混合料的軟化點出現(xiàn)明顯的增大趨勢；而在老化過程中鐵尾礦容易出現(xiàn)聚團的現(xiàn)象，這就會導(dǎo)致瀝青混合料的針入度和延度降低。

圖8 老化前后兩種瀝青性能指標(biāo)變化規(guī)律Fig.8 Changes of two asphalt performance indexes before and after aging

4 瀝青的FT-IR 分析

對不同鐵尾礦摻量的改性瀝青進行FT-IR 分析[7]，繪制出不同鐵尾礦摻量改性瀝青的FT-IR 光譜見圖9。

由圖9 可知，當(dāng)改性瀝青的FT-IR 光譜波數(shù)大于3000 cm-1時，光譜圖就沒有出現(xiàn)O-H 官能團有關(guān)的峰，此時可以認為瀝青樣品中不存在自由水。在波數(shù)為1100 cm-1左右時，所有瀝青試樣都會出現(xiàn)一個較小的峰，可能是由于S-O 拉伸振動造成的；在波數(shù)為1750 cm-1左右時，所有瀝青試樣也都出現(xiàn)兩個小峰，可能是由于-CH3端基的CH 拉伸振動造成的；在波數(shù)為3000cm-1左右時，所有瀝青試樣也都出現(xiàn)兩個大峰，可能是由于CH 拉伸振動造成的[8]。所有瀝青試樣的光譜變化規(guī)律基本一致，說明了摻入鐵尾礦改性瀝青的結(jié)構(gòu)與未摻入鐵尾礦瀝青的結(jié)構(gòu)基本一致；但是隨著鐵尾礦摻量的增大，瀝青的FT-IR 光譜在同一波數(shù)作用下卻呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢，說明了鐵尾礦可以有效改善瀝青的物理性能。

圖9 不同鐵尾礦摻量改性瀝青的FT-IR 光譜Fig.9 FT-IR spectra of modified asphalt with different content of iron tailings

5 結(jié)論

（1）經(jīng)測定所選用鐵尾礦中二氧化硅占鐵尾礦總量的69.89%，其他氧化物占鐵尾礦總量的30.11%，故該鐵尾礦屬于典型的高硅鐵尾礦。

（2）當(dāng)溫度為180℃時，瀝青混合料的針入度、軟化點、延度達到較大值，且瀝青混合料的粘度雖然較溫度為160℃和170℃較小，但是粘度仍然可以滿足路用要求，故鐵尾礦瀝青混合料的較佳制備溫度選定為180℃。

（3）瀝青混合料針入度、錐入度、軟化點、延度的變化規(guī)律均隨著鐵尾礦摻量的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，但是粘度的變化規(guī)律隨著鐵尾礦摻量不斷增大呈現(xiàn)出先快速增大后平緩增長的趨勢，故綜合經(jīng)濟效益和有效性確定鐵尾礦的較佳摻量為30%。

（4）相對老化后的鐵尾礦瀝青材料而言，在同一鐵尾礦摻量作用下兩種不同瀝青混合料老化前的針入度和延度均出現(xiàn)了降低的趨勢，但是在同一鐵尾礦摻量作用下兩種不同瀝青混合料老化前的軟化點卻出現(xiàn)了增大的趨勢。

（5）所有瀝青試樣的光譜變化規(guī)律基本一致，說明了摻入鐵尾礦改性瀝青的結(jié)構(gòu)與未摻入鐵尾礦瀝青的結(jié)構(gòu)基本一致；但是隨著鐵尾礦摻量的增大，瀝青的FT-IR 光譜在同一波數(shù)作用下卻呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢，說明了鐵尾礦可以有效改善瀝青的物理性能。