鐵尾礦粉瀝青混凝土膠漿-集料粘附性和TG-DSC實驗研究

萬金俠，孫博一

（1.吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132200；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

在“十四五”規(guī)劃中，我國有批復(fù)建設(shè)幾條高速公路來完善國家的交通運輸公路體系[1]。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計，截至目前我國高速公路的總里程已超過了16萬公里；其中，高速公路中以瀝青混凝土為路面的里程就占到了95%以上，故瀝青混凝土的性能直接影響了高速公路路面的路用性能和行車安全[2]。對于瀝青混凝土而言，其性質(zhì)的好壞不僅與外界因素有關(guān)，也與自身內(nèi)部摻加的骨料和摻加劑的數(shù)量有關(guān)[3]。同時，也可以通過改變?yōu)r青混凝土內(nèi)部摻加骨料的種類和摻量，可以改變?yōu)r青混凝土的性能，使得瀝青混凝土可以適應(yīng)高溫、低溫或者凍融循環(huán)等條件，進而可以有效地保證行車安全和高速公路路面的使用年限[4]。

一般可以通過改變骨料的物理力學(xué)性能來改善瀝青混凝土的性能，主要有：（1）控制粗骨料的強度和硬度等指標；（2）通過正交實驗計算得到瀝青混凝土的較優(yōu)配合比；（3）盡量保證降低選取骨料內(nèi)部的含泥量等指標；（4）通過物理和化學(xué)等方法激活摻加骨料的活性等。對于摻加瀝青混凝土內(nèi)部骨料不僅可以采用碎石或軋碎礫石、石屑或砂、礦粉等，也可以采用采礦的固體廢物，而國內(nèi)外學(xué)者在利用礦產(chǎn)廢棄物來制備瀝青混凝土取得了一定的成果[5-7]。這些成果主要集中研究黏土礦物、尾礦等固體廢棄物摻入瀝青混凝土中的力學(xué)性能和路用性能實驗，對于該類瀝青混凝土的微觀性能研究較少以及較少研究尾礦等固體廢棄物摻量對瀝青膠漿-集料粘附性的影響。因此，本文將采用鐵尾礦粉來制備瀝青混凝土，開展不同鐵尾礦粉摻量作用下的路用性能，瀝青膠漿-集料粘附性和微觀結(jié)構(gòu)性能實驗，進而得到較佳鐵尾礦粉摻量。

1 原材料

本文采用的瀝青為90#石油瀝青，購買自山東淄博市，該石油瀝青的基本性能見表1。

表1 該石油瀝青的基本性能Table 1 Basic performanceof the petroleum asphalt

采用礦粉的表觀密度為2691 kg/m3，親水系數(shù)為0.72，含水率為0.56%，無團粒結(jié)塊。采用石灰?guī)r的表觀密度為2709 kg/m3，吸水率為0.22%，毛體積相對密度為2692 kg/m3，顆粒粒徑范圍在5～15μm，壓碎值為14.15%，針片狀顆粒含量為9.89%，與瀝青的粘附性等級為5級。鐵尾礦粉采用鞍山地區(qū)的，經(jīng)過測定鐵尾礦粉的化學(xué)成分分別為SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、SO3、Na2O和K2O，上述每個化學(xué)成分占鐵尾礦粉總量的百分比分別為60.86%、15.47%、6.42%、10.79%、3.25%、1.31%、1.42%和0.48%。采用XRD衍射儀器對該鐵尾礦粉進行物相測定，得到該鐵尾礦粉的XRD圖譜見圖1。

圖1 該鐵尾礦粉的XRDFig.1 XRD pattern of the iron tailings powder

由圖1可知，該鐵尾礦粉的主要礦物成分有石英，角閃石，斜輝石和磁鐵礦。

采用激光粒度分析儀對所采用的礦粉和鐵尾礦粉進行粒度分布的測定，得到礦粉和鐵尾礦粉的粒度分布見圖2。

由圖2可知，隨著粒徑的不斷增大，礦粉和鐵尾礦粉的粒度分布曲線呈現(xiàn)出先平穩(wěn)、再增大、后減小的趨勢，且鐵尾礦粉的顆粒粒徑要小于礦粉的顆粒粒徑。

圖2 礦粉和鐵尾礦粉的粒度分布Fig.2 Particle size distribution of ore powder and iron tailings powder

2 瀝青混凝土膠漿的基本物理性能

2.1 針入度

對于瀝青混凝土膠漿而言，瀝青混凝土的軟硬程度可以采用針入度來表示，當瀝青混凝土的針入度越大時，該瀝青混凝土所呈現(xiàn)的硬度越低。將鐵尾礦粉摻入的比例定為0、20%、40%、60%、80%和100%，相對礦粉摻入的比例可以設(shè)定為100%、80%、60%、40%、20%和0%，瀝青和石灰石的摻入量都是固定不變的。通過開展不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土的針入度實驗，繪制出不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土針入度的變化規(guī)律見圖3。

圖3 不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土針入度的變化規(guī)律Fig.3 Variation law of asphalt concrete penetration under different iron tailingspowder content

由圖3可知，隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大，瀝青混凝土針入度的變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在鐵尾礦粉摻量為60%時針入度取較大值，這可能是由于具有活性的礦粉可以與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)可以很好地改善瀝青混凝土的結(jié)構(gòu)性能，使得瀝青混凝土硬度變大；而沒激活的鐵尾礦粉自身不具有活性，在瀝青混凝土中只是起充填作用，該作用雖然也可以改善瀝青混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，但是該充填作用要遠小于活性礦粉的化學(xué)作用，故隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大瀝青混凝土整體呈現(xiàn)出較軟的特征。但是隨著鐵尾礦粉摻量的持續(xù)增大，鐵尾礦粉容易在瀝青混凝土膠漿中形成顆?！皥F聚”的現(xiàn)象，使得針入度測定實驗時針頭碰到團聚的顆粒時無法深入，故瀝青混凝土的針入度開始降低。

2.2 軟化點

瀝青混凝土的軟化點是指表示其高溫穩(wěn)定性和敏感性的指標。繪制出不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土軟化點的變化規(guī)律見圖4。

圖4 不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土軟化點的變化規(guī)律Fig.4 Variation law of asphalt concrete softening point under different iron tailingspowder content

由圖4可知，隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大，瀝青混凝土軟化點的變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在鐵尾礦粉摻量為60%時軟化點取較大值，這是由于礦粉與瀝青進行化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的化學(xué)產(chǎn)物可以提升瀝青混凝土內(nèi)部顆粒之間的粘結(jié)力，使得瀝青混凝土內(nèi)部顆粒之間的整體性更強，進而可以抵抗高溫；但是隨著鐵尾礦粉摻量的增大，瀝青混凝土內(nèi)部顆粒之間的粘結(jié)力變差且增加了更多的無粘結(jié)性的顆粒，使得瀝青混凝土軟化點出現(xiàn)下降趨勢。

2.3 延度

瀝青混凝土的延度是指用來反應(yīng)其在低溫作用下性能的指標。繪制出不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土延度的變化規(guī)律見圖5。

由圖5可知，隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大，瀝青混凝土軟化點的變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在鐵尾礦粉摻量為80%時延度取較大值，這可能是由于過量非活性的鐵尾礦粉加入到瀝青混凝土中，鐵尾礦粉容易在瀝青混凝土膠漿中形成顆粒“團聚”的現(xiàn)象，使得瀝青混合料的流動性變差，最終導(dǎo)致瀝青混凝土延度開始降低。

圖5 不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土延度的變化規(guī)律Fig.5 Variation law of asphalt concreteductility under different iron tailingspowder content

2.4 粘度

瀝青混凝土的粘度表示瀝青混凝土的粘性性能。繪制出不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土粘度的變化規(guī)律見圖6。

圖6 不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土粘度的變化規(guī)律Fig.6 Variation law of asphalt concreteviscosity under the action of different iron tailingspowder content

由圖6可知，隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大，瀝青混凝土軟化點的變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這是由于具有活性的礦粉自身溶脹反應(yīng)能力要強于非活性鐵尾礦粉的溶脹反應(yīng)能力，在礦粉摻量多的時，礦粉會與瀝青混凝土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的物質(zhì)具有一定的粘性，而隨著礦粉摻量的不斷減小，瀝青混凝土內(nèi)部產(chǎn)生這種具有粘性的物質(zhì)也就減少，故瀝青混凝土的粘度出現(xiàn)了下降。

3 瀝青混凝土的路用性能

3.1 高溫穩(wěn)定性

一般研究瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性都是采用車轍實驗，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規(guī)程》（JTG E20-2011）[8]中的要求開展不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土的車轍實驗，繪制出不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土動穩(wěn)定度的變化規(guī)律見圖7。

圖7 不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土動穩(wěn)定度的變化規(guī)律Fig.7 Variation law of asphalt concretedynamic stability under theaction of different iron tailings powder content

由圖7可知，隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大，瀝青混合料的動穩(wěn)定度的變化規(guī)律也呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在鐵尾礦粉摻量為60%時取得較大值，這是由于具有活性的礦粉可以與瀝青混凝土中輕質(zhì)瀝青發(fā)生反應(yīng)，生成具有一定穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)瀝青膜；同時，產(chǎn)生的化學(xué)產(chǎn)物也可以有效地提升瀝青混凝土內(nèi)部顆粒之間的粘性。但是隨著鐵尾礦粉摻量的持續(xù)增大，鐵尾礦粉容易在瀝青混凝土膠漿中形成顆?！皥F聚”的現(xiàn)象，使得瀝青混合料的流動性變差，進而瀝青混凝土動穩(wěn)定度開始下降。

3.2 低溫抗裂性能

本文主要采用低溫小梁彎曲實驗來研究不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土低溫抗裂性，繪制出不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土彎拉強度和勁度模量的變化規(guī)律見圖8。

由圖8可知，隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大，瀝青混合料彎拉強度的變化規(guī)律呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，而勁度模量的變化規(guī)律呈現(xiàn)出不斷增大后減小的趨勢，且在鐵尾礦粉摻量為60%時彎拉強度的降低幅度和勁度模量的增大幅度都開始減小，這是由于礦粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，提升了瀝青混凝土彎拉強度且少量的鐵尾礦粉充填作用也可以有效地提升瀝青混凝土的彎拉強度，但是過量的鐵尾礦粉會破壞瀝青混凝土內(nèi)部顆粒的整體性，且礦粉與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生具有粘性的化學(xué)產(chǎn)物也減少；同時，經(jīng)過粉磨后鐵尾礦顆粒自身的強度也很低，基本沒有抗拉強度，故瀝青混凝土的彎拉強度不斷降低，而勁度模量卻不斷增大。

圖8 瀝青混凝土彎拉強度和勁度模量的變化規(guī)律Fig.8 Variation law of flexural tensile strength and stiffness modulusof asphalt concrete

3.3 水穩(wěn)定性

本文采用浸水馬歇爾實驗來研究不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土水穩(wěn)定性，繪制出不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土浸水殘留穩(wěn)定度的變化規(guī)律見圖9。

由圖9可知，隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大，瀝青混合料彎拉強度的變化規(guī)律呈現(xiàn)下先增大后減小的趨勢，且在鐵尾礦粉摻量為60%時取得較大值，這是由于具有活性的礦粉可以與瀝青混凝土中輕質(zhì)瀝青發(fā)生反應(yīng)，生成具有一定穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)瀝青膜，這可以提升瀝青混凝土自身的粘附性能和顆粒之間的連接性能，進而可以有效地提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性。但是隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大，結(jié)構(gòu)瀝青膜產(chǎn)生的數(shù)量不斷減少，且鐵尾礦粉容易在瀝青混凝土膠漿中形成顆?！皥F聚”的現(xiàn)象，進而降低了瀝青混凝土自身的粘附性能和顆粒之間的連接性能，最終使得瀝青混合料的水穩(wěn)定性也開始下降。

4 瀝青膠漿-集料粘附性

4.1 接觸角和表面能

國內(nèi)外大多數(shù)研究瀝青膠漿-集料粘附性都是采用圖像分析技術(shù)定量，但是該種方法具有一定缺陷。本文將采用表面自由能理論來研究不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青膠漿-集料粘附性[9]；其中，因為蒸餾水自身就具有較大的表面自由能，且不會與瀝青相溶而影響觀測，故用于瀝青接觸角測試用的測試試劑選擇為蒸餾水，且蒸餾時自身的表面自由能為72.8 MJ/m2。采用光學(xué)接觸角測量儀對不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青膠漿的接觸角進行測定，并繪制出不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青膠漿接觸角和表面能的變化規(guī)律見圖10。

圖10 瀝青膠漿接觸角和表面能的變化規(guī)律Fig.10 Variation law of contact angle and surface energy of asphalt mortar

由圖10可知，隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大，瀝青膠漿接觸角和表面能的變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在鐵尾礦粉摻量為60%時取得較大值，這是由于礦粉具有一定的活性，其內(nèi)部活性礦物成分可以有效地改善了瀝青混凝土集料的表面狀況，使得瀝青膠漿接觸角和表面能都呈現(xiàn)出增大的趨勢，但是隨著非活性鐵尾礦粉摻量的不斷增大以及活性礦粉摻量的減少，使得瀝青混凝土集料的表面狀況變差，故瀝青膠漿接觸角和表面能都呈現(xiàn)出下降的趨勢。

4.2 粘附功和剝落功

一般情況下，瀝青混凝土的粘附功是指瀝青混凝土在干燥條件下，被強行分成瀝青和骨料所消耗的功；而瀝青混凝土的剝落功是指水置換礦料表面瀝青膜時釋放的能量。因此，可以根據(jù)文獻[10]中的方法計算得到不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土粘附功和剝落功的變化規(guī)律見圖11。

圖11 瀝青混凝土粘附功和剝落功的變化規(guī)律Fig.11 Change law of asphalt concreteadhesion work and peeling work

由圖11可知，隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大，瀝青混凝土粘附功和剝落功的變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在鐵尾礦粉摻量為60%時取得較大值，這是由于石灰?guī)r以一種堿性的巖石，該堿性巖石表面也具有加強的堿性，而瀝青內(nèi)部物質(zhì)主要呈現(xiàn)出酸性，故石灰?guī)r的堿性中心可以與瀝青中的酸性中心發(fā)生反應(yīng)，進而生成具有活性的鈣質(zhì)鹽等物質(zhì)，并且該類活性物質(zhì)可以附著在瀝青混凝土顆粒的表面，以此來增強瀝青混凝土內(nèi)部顆粒的粘附性；同時，具有活性的礦粉可以與瀝青混凝土中輕質(zhì)瀝青發(fā)生反應(yīng)，生成具有一定穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)瀝青膜，這可以提升瀝青混凝土自身的粘附性能和顆粒之間的連接性能。但是隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大，結(jié)構(gòu)瀝青膜產(chǎn)生的數(shù)量不斷減少，且鐵尾礦粉容易在瀝青混凝土膠漿中形成顆?！皥F聚”的現(xiàn)象，進而降低了瀝青混凝土自身的粘附性能和顆粒之間的連接性能。

5 瀝青混凝土的微觀結(jié)構(gòu)性能

5.1 瀝青混凝土的TG測試

本文所采用不同鐵尾礦粉摻量的瀝青混凝土開展TG測試[11]，每一種鐵尾礦粉摻量的瀝青混凝土試樣質(zhì)量取大約3 mg，氣氛為N2。然后，以每分鐘20℃的加載速率將溫度加載溫至800℃，既可以得出不同鐵尾礦粉摻量瀝青混凝土的TG曲線見圖12。

圖12 不同鐵尾礦粉摻量瀝青混凝土的TG曲線Fig.12 TG curve of asphalt concrete with different iron tailings powder content

由圖12可知，摻加不同摻量鐵尾礦粉瀝青混凝土的熱分解有且只有一個分解階段。當對瀝青混凝土試樣進行加熱熱分解時，瀝青混凝土內(nèi)部范德華力的變化規(guī)律呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，這會使得基質(zhì)瀝青內(nèi)部的微觀骨架結(jié)構(gòu)和組分都會發(fā)生改變；同時，隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大，瀝青混凝土內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后形成了更加復(fù)雜的多相體系，進而使得瀝青混凝土的配伍性也發(fā)生了改變以及提升了瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性，故鐵尾礦粉的摻入可以有效地提升瀝青混凝土的耐熱性能。

5.2 瀝青混凝土的DSC測試

根據(jù)文獻[12]中的方法對不同鐵尾礦粉摻量的瀝青混凝土開展DSC測試，得到不同鐵尾礦粉摻量瀝青混凝土的DSC曲線見圖13。

圖13 不同鐵尾礦粉摻量瀝青混凝土的DSC曲線Fig.13 DSC curves of asphalt concrete with different iron tailings powder content

由圖13可知，摻加鐵尾礦粉瀝青混凝土與不摻加鐵尾礦粉瀝青混凝土的DSC曲線具有明顯的差別，這也說明了加入鐵尾礦粉瀝青混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成都與不摻加鐵尾礦粉瀝青混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成不一致。同時，隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大，瀝青混凝土熱流量的變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在鐵尾礦粉摻量為60%時取得較大值，這也說明了摻加60%鐵尾礦粉的瀝青混凝土熱穩(wěn)定性較佳。

6 結(jié)論

（1）綜合不同鐵尾礦粉摻量作用下瀝青混凝土膠漿基本物理性能指標的變化規(guī)律，得到在鐵尾礦粉摻量為60%時，瀝青混凝土各項指標達到較佳值，且此時瀝青混凝土的路用性能也能完全滿足公路道路的使用要求。

（2）隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大，瀝青膠漿接觸角和表面能與粘附功和剝落功的變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在鐵尾礦粉摻量為60%時取得較大值。

（3）隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大，瀝青混凝土內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后形成了更加復(fù)雜的多相體系，進而使得瀝青混凝土的配伍性也發(fā)生了改變以及提升了瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性，故鐵尾礦粉的摻入可以有效地提升瀝青混凝土的耐熱性能。

（4）隨著鐵尾礦粉摻量的不斷增大，瀝青混凝土熱流量的變化規(guī)律呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在鐵尾礦粉摻量為60%時取得較大值，這也說明了摻加60%鐵尾礦粉的瀝青混凝土熱穩(wěn)定性較佳。