礦業(yè)廢渣在瀝青混凝土路面中的應(yīng)用

邵劍紅

(河北省遷安市交通局)

素有“鐵遷安”之稱的河北省遷安市地下蘊藏著大量的鐵礦石,鐵礦石的大量開采,在帶來經(jīng)濟效益的同時,也給周邊的環(huán)境帶來了一定的影響,開采過程中產(chǎn)生的大量礦業(yè)廢渣(當(dāng)?shù)胤Q磁滑輪、尾礦砂等),隨意廢棄占用土地,得不到合理的利用,如果能夠?qū)⑦@些廢余礦料應(yīng)用于公路建設(shè)之中,變廢為寶,不但能夠節(jié)約大量的砂石材料投資,而且可以減少礦料開采對生態(tài)環(huán)境的影響,這對推進(jìn)公路建設(shè)乃至整個遷安市的經(jīng)濟發(fā)展有著十分重要的意義。

鐵礦石經(jīng)過磁選后剩余較粗的碎石稱為磁滑輪,較細(xì)的石料稱為尾礦砂,在水泥穩(wěn)定碎石基層施工中大量采用了這兩種材料,但還沒有應(yīng)用到路面面層混合料中。為了能更充分地利用這些材料,將其應(yīng)用到瀝青混合料面層,通過室內(nèi)試驗,以這兩種材料替代 10～20mm碎石和天然砂作為瀝青混合料中的基本骨料,進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計以及混合料性能驗證試驗,分析這兩種材料應(yīng)用于瀝青混凝土路面面層的可行性。

1 原材料分析

(1)瀝青分析:試驗采用的是錦州生產(chǎn)的 70#瀝青,其各項指標(biāo)見表 1。

表 1 瀝青指標(biāo)試驗結(jié)果

瀝青試驗結(jié)果顯示,選用瀝青的各項性能指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

(2)集料分析。

由于本次配合比設(shè)計選用 AC-16C型密級配瀝青混合料,所以采用的礦料為 10～20mm磁滑輪、5～10mm碎石、機制砂和 0～5mm的尾礦砂。

對選用的集料進(jìn)行篩分試驗,篩分結(jié)果符合施工規(guī)范要求。

經(jīng)過對磁滑輪、尾礦砂進(jìn)行的各項物理、力學(xué)技術(shù)指標(biāo)試驗均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對集料的要求。壓碎值和磨耗值所反映的礦料強度和耐磨性能比較好。經(jīng)過水煮法試驗檢測的磁滑輪與瀝青的粘附性指標(biāo)達(dá)到等級 4,說明這類材料與瀝青混合料的粘附能力是比較好的。集料的篩分結(jié)果顯示,各檔集料的通過率基本滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中集料規(guī)格的要求,其中 10～20mm磁滑輪基本屬于規(guī)范 S9規(guī)格,0～5mm尾礦砂屬于S15規(guī)格。因此,按照該種材料自身的特點將其作為瀝青混合料中的集料完全是可行的。

表 2 磁滑輪技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果

表 3 尾礦砂技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果

2 瀝青混合料配合比設(shè)計

按照中國瀝青路面氣候分區(qū)圖,唐山地區(qū)屬于夏熱冬冷區(qū)(1-3)。

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對于夏熱冬冷區(qū)重載交通的馬歇爾試驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),本次馬歇爾試驗的技術(shù)要求如表 4所示。

表 4 AC-16型瀝青混合料馬歇爾試驗技術(shù)要求

(1)確定礦料級配。

根據(jù)JTGF40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求,標(biāo)準(zhǔn)配合比的礦料合成級配中,至少應(yīng)包括 0.075mm、2.36mm、4.75mm及公稱最大粒徑篩孔的通過率接近優(yōu)選的工程設(shè)計級配范圍的中值,并避免在 0.3～0.6mm處出現(xiàn)“駝峰”。設(shè)置控制點是要求集料級配不得超出規(guī)定的區(qū)間,并限制了關(guān)鍵篩孔的通過率。為此,根據(jù)各種礦料的篩分結(jié)果進(jìn)行級配設(shè)計,級配設(shè)計結(jié)果見表 5。

表 5 混合料級配設(shè)計結(jié)果

(2)確定最佳瀝青用量。

瀝青混合料配合比試驗分別采用 4.3%、4.6%、4.9%三種瀝青用量成型馬歇爾試件,試件成型過程中嚴(yán)格進(jìn)行溫度控制,包括礦料加熱溫度為 170～190℃,瀝青加熱溫度150～160℃,混合料拌和溫度 140～160℃,試件擊實溫度130～150℃。最終成型的三組試件,測定各項物理力學(xué)指標(biāo)試驗結(jié)果見表 6。

表6 馬歇爾試件各項物理力學(xué)指標(biāo)試驗結(jié)果

以瀝青用量為橫坐標(biāo),分別以空隙率、視密度、穩(wěn)定度、流值、飽和度為縱坐標(biāo)繪制關(guān)系圖 ,最終的瀝青混合料最佳瀝青用量 OAC=(OAC1+OAC2)/2=4.5%。

確定最佳瀝青用量后進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗以驗證瀝青混合料的配合比設(shè)計,數(shù)據(jù)如表 7所示。

表 7 最佳瀝青用量時馬歇爾試件試驗結(jié)果

3 瀝青混合料性能檢驗

據(jù)中國瀝青路面氣候分區(qū)圖(雨量),唐山地區(qū)屬于濕潤區(qū),并根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對混合料使用性能的要求,AC-16C型瀝青混合料的使用技術(shù)要求,具體數(shù)據(jù)如表 8所示。

表 8 AC-16C型瀝青混合料技術(shù)要求

(1)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性檢驗。

因瀝青路面的強度與剛度隨溫度升高而顯著下降,為了保證瀝青路面在高溫季節(jié)行車荷載反復(fù)作用下不致產(chǎn)生諸如波浪、推移、車轍、擁包等病害,要求瀝青路面具有良好的高溫穩(wěn)定性,即在高溫時具有足夠的強度和剛度。一般采用車轍試驗來評價瀝青路面的高溫性能,并作為瀝青混合料配合比設(shè)計的一項內(nèi)容,按照瀝青混合料車轍試驗規(guī)程,檢驗最佳瀝青用量下瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能,以分析廢礦料對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響。

測試 AC-16C型混合料的車轍試驗結(jié)果見表 9。

車轍試驗作為檢驗瀝青混合料高溫性能的重要試驗,其試驗結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映出廢礦料瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。本次試驗數(shù)據(jù)顯示,按照確定的最佳瀝青用量設(shè)計瀝青混合料試件在進(jìn)行車轍試驗之后其動穩(wěn)定度達(dá)到1422次/mm,符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中》中大于800次的要求,故從高溫穩(wěn)定性能方面看,將廢礦料作為瀝青混合料的集料是完全可行的。

表9 最佳瀝青用量時車轍試驗試件試驗結(jié)果

(2)瀝青混合料水穩(wěn)定性檢驗。

水與車輪荷載同時作用易引起瀝青路面中瀝青和石料界面粘附性降低,導(dǎo)致剝離、掉粒、松散、坑洞等破壞,是瀝青路面的主要破壞形式之一。

集料性質(zhì)對瀝青混合料的水穩(wěn)定性有重要影響,為了分析廢礦料對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響,本研究采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價廢礦料瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

浸水馬歇爾試驗是室內(nèi)試驗驗證瀝青混合料水穩(wěn)定性的基本方法之一,進(jìn)行浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗以檢驗瀝青混合料受水損害時抵抗剝落的能力,通過測試其水穩(wěn)定性檢驗配合比設(shè)計的可行性。按照瀝青混合料的設(shè)計配合比制作馬歇爾試件,進(jìn)行 48h浸水馬歇爾試驗,試驗的結(jié)果見表 10。

表 10 最佳瀝青用量馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果

以廢礦料作為基本集料對已確定最佳瀝青用量的瀝青混合料試件進(jìn)行浸水馬歇爾試驗,試驗結(jié)果表明在此最佳瀝青用量下的廢礦料瀝青混合料的水穩(wěn)定性能良好,從水穩(wěn)定性方面來講將廢礦料作為瀝青混合料的集料是完全可行的。

4 試驗段的施工

在試驗段的施工中,對各項指標(biāo)進(jìn)行了檢測,結(jié)果為表11。并對現(xiàn)場壓實度度、彎沉、平整度等項指標(biāo)也進(jìn)行了檢測,均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表 11 現(xiàn)場施工馬歇爾試驗結(jié)果

表 12 現(xiàn)場馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果

5 經(jīng)濟分析

表 13 以每噸瀝青混合料計算

從表中數(shù)據(jù)可以看出,使用磁滑輪、尾礦砂代替碎石、天然砂使瀝青混合料的造價有明顯降低,每噸瀝青混合料可降低 15元。

6 結(jié) 論

鐵礦廢料的應(yīng)用證明該種材料是一種變廢為寶,就地取材,效果顯著的筑路材料,各項試驗檢測結(jié)果均能符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求,能夠滿足做為瀝青混凝土路面面層材料的要求。因其經(jīng)濟效益和社會效益顯著,將有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

[1]公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTGF40-2004).

[2]公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范JTGD50-2006.