符东绪，胡家波，季正军

（1.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031；2.山东省道路结构材料重点实验室，山东 济南 250102）

引言

随着我国钢铁工业迅猛发展，铁矿围岩碎石作为工业废弃物囤积的越来越多，不仅占用大量耕地而且长期储存也会对生态环境产生很大影响[1]。铁矿围岩碎石较石灰岩致密且抗压强度高，但其对沥青黏附性稍差，研究铁矿围岩碎石是否可用于沥青混合料，同时基于铁矿围岩碎石的性质进行了更为优化的级配设计[2]，利用嵌挤型级配发挥铁矿围岩碎石良好的抗压能力，使其表现出较佳的路用性能。进行车辙、冻融劈裂性能验证及汉堡轮辙试验进行非常规手段检测，客观评价铁矿围岩碎石应用于沥青混合料的可行性[3-5]。

1 沥青混合料设计

1.1 原材料检测

铁矿围岩经过颚式破碎和反击破碎的二级破碎工艺得到铁矿围岩碎石。对铁矿围岩碎石检测结果见表1、表2。铁矿围岩碎石各项检测指标均满足公路技术要求，其压碎值17.5%，介于石灰岩与玄武岩之间。因石灰岩呈现出较强的碱性，纹理结构不规则，对沥青的黏附性优于玄武岩，而铁矿围岩碎石对沥青的黏附性4 级，与玄武岩对沥青的黏附性等级大致相同。

表1 铁矿围岩碎石粗集料检测结果

表2 铁矿围岩碎石细集料检测结果

1.2 配合比设计

选取中面层AC-20 沥青混合料，采用SBS 改性沥青（I-D），按照马歇尔设计法进行配合比设计。此次设计采用了两种级配曲线，级配1 采用传统的连续级配走向，级配2 采用4.75 ～9.5 mm 之间间断的较为嵌挤的级配，见表3。级配2 相比级配1 粗骨料的比例偏多，中间4.75 ～9.5 mm 骨料偏少。确定了级配1 最佳沥青含量4.2%，级配2 最佳沥青含量4.3%，检测马歇尔试件的各项体积指标见表4，均满足《公路沥青路面施工技术规范指标》（JTG F40—2004）要求，可见铁矿围岩碎石可用于中面层AC-20 沥青混合料配合比设计。

表3 设计级配

表4 室内马歇尔试件体积指标

2 性能评价

2.1 车辙试验

按照表4 确定的最佳沥青含量成型车辙试件，车辙试验结果为级配1 的动稳定度为4 200 次/mm，级配2 的动稳定度为5 250 次/mm。两个级配车辙深度曲线对比见图1，动稳定度对比和车辙变形量对比见图2、图3。级配2 为间断嵌挤型级配，骨架结构要优于级配1，且铁矿围岩碎石具有更强的内摩阻力。对比两种级配45 min 和60 min的车辙变形量，级配2 变形量分别是1.48 mm 和1.60 mm， 级 配1 的 变 形 量 分 别 是2.07 mm 和2.22 mm，仅从变形量大小角度分析，基于嵌挤结构的铁矿矿围岩碎石沥青混合料高温变形量更小，综合分析，级配2 表现出了更佳地抵抗荷载变形的能力。

图1 车辙深度对比曲线

图2 动稳定度对比/（次/mm）

图3 变形量对比

2.2 冻融劈裂试验

通过原材料检测得知，铁矿围岩碎石对沥青的黏附性为4 级，采取掺加生石灰粉作为铁矿围岩碎石的抗剥落剂措施，掺加生石灰粉1.0%代替矿粉，分别按照确定的最佳沥青含量成型冻融试件，试验结果见图4。

图4 冻融劈裂强度比TSR 对比/%

由图4 可看出，级配1、级配2 在不掺加生石灰粉时冻融劈裂强度比TSR 均不能满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求（TSR ≥80%），掺加沥青混合料总重的1.0%的石灰粉代替矿粉后冻融劈裂强度比TSR 均能够满足要求，且在掺加石灰粉时冻融劈裂强度比TSR级配2 优于级配1，嵌挤型铁矿围岩碎石沥青混合料表现出更优的水稳定性。因此，在采用低品位铁矿碎石用于沥青混合料的生产时，需采取一定的抗水损害措施，以确保沥青混合料水稳定性达到路用要求。

2.3 汉堡轮辙试验

掺加沥青混合料总重1.0% 的生石灰粉代替矿粉后，通过室内旋转压实100 次成型得到圆柱体试件，切割为标准汉堡轮辙试件进行试验。级配1 和级配2 汉堡轮辙试验结果见表5。

表5 铁矿围岩碎石沥青混合料汉堡轮辙试验结果

级配1 和级配2 的变形基本一致，且均未出现剥落拐点，说明通过采取掺加生石灰粉作为抗剥落剂的措施后，两个级配的沥青混合料均具有较强的抗水损害能力[6]。由表5 可以看出，碾压10 000 次或者碾压20 000 次时，级配1 的轮辙深度均大于级配2，与本高温性能动稳定度车辙试验结果相一致。级配2 的嵌挤骨架更好，铁矿围岩碎石抗压强度高、内摩阻力大，因此，级配2 表现出更优的高温性能。同时，两个级配的试件在碾压10 000 次及碾压20 000 次时最大变形深度不超过4 mm，均能充分满足德克萨斯州的汉堡轮碾试验要求，而且不超过美国国家沥青中心（NCAT）的轮辙变形的建议值。

2.4 动态模量试验

采用Superpave 简单性能试验机（SPT），在不同试验条件下对其进行单轴压缩动态模量试验，评价铁矿围岩碎石沥青混合料的路用性能。采取抗剥落措施后，通过室内旋转压实100次对混合料进行成型，取芯、切割得到直径100 mm，高150 mm 的圆柱体试件。采用SPT，从5 ℃、20 ℃、40 ℃三个温度，10 Hz、5 Hz、2 Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.2 Hz、0.1 Hz 七个频率进行正弦振动加载试验，按照从低温到高温，从高频向低频进行试验[7-9]。

整理试验数据得到图5，铁矿围岩碎石沥青混合料动态模量及相位角呈现出的变化规律[10]：动态模量随频率的增大而增大、随试验温度的升高而减小，相位角随试验温度的升高而增大。

图5 铁矿围岩碎石沥青混合料试验数据

按照《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）规定的单轴压缩动态模量设计要求，即对SBS 改性沥青AC-20 混合料在试验温度20 ℃，加载频率在10 Hz 条件下的动态模量取值范围为9 000 ～13 500 MPa[11-12]。在此条件下，铁矿围岩碎石混合料动态模量为9 105 MPa，整体满足《公路沥青路面设计规范》（D50—2017）的要求。

3 结语

（1）铁矿围岩碎石致密，相对石灰岩表现出良好的抗压强度，其原材检测指标满足公路沥青路面施工技术对集料的要求；通过马歇尔试验设计法，铁矿围岩碎石AC-20 沥青混合料各项指标均满足技术要求，将其用于沥青混合料可行。（2）铁矿围岩碎石致密且碱性低于石灰岩，其对沥青的黏附性为4 级，与玄武岩大致相同，因此，在进行沥青混合料配合比设计时须采取必要的抗剥落措施。掺加混合料的1.0%生石灰粉代替矿粉后，铁矿围岩碎石沥青混合料的车辙、冻融劈裂、汉堡轮辙试验均满足性能要求，铁矿围岩碎石沥青混合料的高温稳定性和水稳定性表现良好。（3）基于铁矿围岩碎石良好的岩性，铁矿围岩碎石AC-20 沥青混合料优化后的嵌挤型级配比传统连续型级配具有更小的车辙和汉堡轮辙试验变形量，优化后的铁矿围岩碎石AC-20 沥青混合料表现出更优的路用性能。（4）通过对铁矿围岩碎石沥青混合料进行单轴压缩动态模量试验，铁矿围岩碎石混合料的动态模量和相位角呈现出的变化规律：动态模量随频率的增大而增大、随试验温度的升高而减小，相位角随试验温度的升高而增大。整体满足《公路沥青路面设计规范》（D50—2017）对沥青混合料单轴压缩动态模量的要求。（5）铁矿围岩碎石经过处理可以用于沥青混合料，成为新型筑路材料。将工业废弃物再利用，代替传统建筑材料，节约资源，对节能减排意义重大。