（岩土工程专业论文）石棉尾矿沥青混凝土路用试验研究.pdf

摘要 本文基于交通部西部交通建设科技项目石棉尾矿用作筑路材料技术研究 ( 2 0 0 7 3 1 8 0 0 0 0 3 ) 为研究背景，对雅泸高速公路k 儿2 k 1 4 5 里程附近囤积了3 0 余 年的石棉矿废渣用于路面沥青混合料集料展开了研究，具有重要的工程实践意义与 理论研究价值。 通过现场调查、室内试验、理论分析等手段，对石棉尾矿的物理化学性能、集 料特性以及石棉尾矿沥青混合料的路用性能等内容进行了系统的试验研究。主要工 作及结论总结如下： ( 1 ) 测定了石棉尾矿矿物成分和化学成分，进行了石棉尾矿毒性检测及其堆积 区土壤酸碱度试验，结果表明，石棉尾矿无毒性，堆积区土壤未受污染； ( 2 ) 石棉尾矿用作中、下面层沥青混合料的集料的基本性能都满足规范要求。 同时，进行了其他原材料的基本性质试验，都满足技术标准要求； ( 3 ) 进行了石棉尾矿沥青混合料配合比设计，确定了其级配类型为中面层采用 a c 一2 0 c 型、下面层采用a c - 2 5 c 型，最佳油石比分别为4 4 、3 9 ； ( 4 ) 通过对石棉尾矿沥青混合料的路用性能检验及其机理研究，得出石棉尾矿 具有良好的高温稳定性、低温稳定性、水稳定性和抗渗水能力。石棉尾矿的颗粒呈 立方体状、表面纹理粗糙、呈碱性以及石棉尾矿中含有部分短小石棉纤维等特点， 对石棉尾矿沥青混合料表现出良好的路用性能起到显著作用。 关键词：石棉尾矿，沥青混合料，集料，路用性能，机理分析 a b s t r a c t t h i sp a p e rt a k e dw e s tt r a n s p o r t a t i o nc o n s t r u c t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y p r o j e c ts t u d yo nt e c h n o l o g yo fa s b e s t o st a ili n gu s e da sp a v e m e n tc o n s t r u c t i o n m a t e r i a l s ( 2 0 0 7 3 1 8 0 0 0 0 3 ) o fm i n i s t r yo fc o m m u n i c a t i o n sa sb a c k g r o u n d a n d s t u d i e dt ou s ea s b e s t o s t a i l i n g ，w h i c hh a sb e e ns t a c k e dn e a ry a a n l u g u h i g h w a yf r o mk 1 1 2t ok 1 4 5m i l e a g ef o rm o r et h a n3 0y e a r s ，a sa s p h a l tm i x t u r e a g g r e g a t ef o rp a v e m e n t i th a dt h ei m p o r t a n tp r o j e c tp r a c t i c es i g n i f i c a n c e a n dt h et h e o r yr e s e a r c hv a lu e 。 w ed i dt h es y s t e m a t i c a ls t u d ya b o u tp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f t h ea s b e s t o st a i1 in g ，a g g r e g a t ec h a r a c t e r sa n dp e r f o r m a n c eo fa s b e s t o s t a i l i n gu s e da sa s p h a l tm i x t u r ea g g r e g a t e ，b ym e a n so ff i e l di n v e s t i g a t i o n 、 i n d o o re x p e r i m e n t s 、t h e o r ya n a l y s is ，e t c t h em a inw o r ka n ds u m m a r i e s c o n c l u d e da r ea sf o ll o w s ： ( 1 ) m i n e r a la n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o no f a s b e s t o st a i l i n gi sd e t e r m i n e d ， t o x i c i t ye x a m i n a t i o no fa s b e s t o st a i l i n ga n dp h 。e x p e r i m e n to ft h es o l li n t h ea c c u m u l a t i o na r e a a r ec a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a ta s b e s t o st a i l i n g i sn o n t o x i ca n dt h es o l li sn o n p o l l u t e d ( 2 ) t h eb a s i cp e r f o r m a n c eo fa s b e s t o st a il i n gc a nm e e tr e q u i r e dc r i t e r i a w h e nu s e da sa g g r e g a t ei nt h em i d d l ea n dl o w e rl a y e ro fa s p h a l tm i x t u r e a t t h es a m eti m e ，o t h e re x p e r i m e n t so nt h ef u n d a m e n t a lc h a r a c t e r sa st h er a w m a t e r i a lw e r ed o n e ，t h e ya l s os a t i s f yw i t ht h er e q u i r e dt e c h n i c a ln o r m s ( 3 ) t h eg r a d a t i o no fa s b e s t o st a i l i n ga n da s p h a l tm i x t u r ew a sd e s i g n e d ， t h ed e t e r m i n e dt y p eo fg r a d a t i o ni st h a ta c 一2 0 ci sa p p l i e dt ot h em i d d l el a y e r ， a c 一2 5 ci sa p p li e dt ot h el o w e rl a y e r ，a n ds e p a r a t e l yt h eb e s tr a t i oi s4 4 a n d3 9 ( 4 ) i ti si n c l u d e dt h a ta s b e s t o st a il i n gh a sg o o d h i g ht e m p e r a t u r e s t a b i l i t y ，l o wt e m p e r a t u r es t a b i l i t y ，w a t e rs t a b i l i t ya n dp e r m e a b i l i t yo f u w a t e rc a p a c i t y ，t h r o u g ht e s t i n gt h ep e r f o r m a n c ea n ds t u d y i n gt h em e c h a n i s m o fa s b e s t o st a i1i n ga n da s p h a l tm i x t u r e a n da s b e s t o st a ili n gi sc u b e s h a p e d p a r t i c l e s ，r o u g hs u p e r f i c i a lt e x t u r e ，a l k a li n ea n dc o n t a i n ss o m es h o r ta n d s m a l la s b e s t o sf i b e r s ，e t c t h e s ec h a r a c t e r sp l a yr e m a r k a b l er o l et om a k e a s b e s t o st a il i n ga n da s p h a l tm i x t u r es h o wg o o dp a v e m e n tp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：a s b e s t o st a i l i n g ，a s p h a l tm i x t u r e ， a g g r e g a t e ，p a v e m e n t p e r f o r m a n c e ，m e c h a n is ma n a l y s is i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 嗍孚年由型日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络 向社会公众提供信息服务。 名：鲤翩硌醯期： 月盖日 硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 石棉尾矿沥青混凝土研究的意义 1 1 1 国内外石棉尾矿的综合利用现状 石棉尾矿是石棉矿选矿加工过程中剥离下来的尾渣。石棉尾矿包括石棉矿的围 岩和伴生矿物，如蛇纹石以及经分选以后废弃的七级短棉和粉尘。石棉尾矿矿物组 成主要是蛇纹石矿物，少量滑石、白云石和方解石。主要化学成分是二氧化硅、氧 化镁、氧化铁等。由于石棉矿石开采品味较低，一般为l 4 ，即每选出l t 合格 的3 - - - 5 级石棉会产生上百吨的石棉尾矿。目前我国石棉的年产约3 0 多万吨，则随 之产生的年石棉尾矿排放量上千万吨。除了少部分尾矿回填外，绝大部分尾矿就地 堆放。年复一年，各矿山的尾矿已经堆积如山。这不仅占用了大量的土地，同时由 于石棉尾矿中含有大量的粉状物，遇风则漫天飞，对环境造成严重的污染。因此， 解决堆积如山的石棉尾矿是我国西部石棉产区，乃至整个西部地区环境保护的重大 挑战之一。 自2 0 世纪8 0 年代以来，国内外对石棉尾矿的综合利用进行了一些研究，如制备 砖瓦、陶瓷、微晶玻璃、多孔二氧化硅、白炭黑以及提取氧化镁、金属镁等，但除 了加拿大诺兰达公司和澳大利亚g o l d e nt r i a n g l er e s o u r c e s 公司等正在投资建设以 石棉尾矿为原料的金属镁生产厂，其他利用尚未形成大规模的工业化伫 7 1 。 迄今为止，国外进行的主要研究是采用盐酸、酸或混酸浸取石棉尾矿或用碳酸 钠、碳酸氢铵处理石棉尾矿制取镁盐、氧化镁或镁金属。但多数研究只是为了回收 石棉尾矿中的氧化镁或者镁，而没有考虑二氧化硅的回收。w a l s hg e o r g er 2 乏d e l m a s m i c h e lp b 在采用盐酸浸取石棉尾矿后进行过滤，得到镁盐，再用盐酸溶液洗涤滤 渣，得到高比表面积的二氧化硅 1 。 国内对石棉尾矿的利用研究包括回收尾矿中的石棉、用石棉尾矿制免烧砖、陶 瓷、微晶玻璃、多孔二氧化硅、白炭黑以及氧化镁等。另外，石棉尾矿用作路基填 料及水泥混凝土粗骨料也进行了许多试验研究n 厶1 3 1 。 虽然一些个人和研究机构对石棉尾矿做了一些综合利用研究，但只有个别研究 硕士学位论文第l 章绪论 应用于生产，而且还没有形成产业化和规模化，同时其处理成本亦非常昂贵。这相 对于堆积如山的石棉尾矿的综合利用来说是远远不够的，则要求各研究机构探索一 种高效、大规模综合利用石棉尾矿的方法，而且具有较高的经济效益。 1 1 2 国内外沥青混凝土的使用和研究现状 我国在改革丌放三十年以来，把发展交通运输放在经济建设的突出位置，这段 时期是我国公路史上交通发展速度最快、规模最大以及最具活力的时期，我国高速 公路建设事业也迎来了历史上最好的发展机遇，以前所未有的速度向前发展。我国 的公路已初步形成一个干支衔接、布局合理、四通八达的全国公路网，同时我国的 高速公路的质量管理也逐步规范化、制度化，交通基础建设质量有了大幅度的提高， 其中部分公路的建设质量已达到或接近国际先进水平。我国的高速公路建设从1 9 8 8 年丌始起步，仅用十几年就走过了西方发达国家近4 0 年的历程。根据国家规划，到 2 0 1 0 年，我国公路交通紧张和制约的状况要得到全面的改善，主要运输通道的综合 服务能力要有较大幅度的提高，结构调整的主要任务要基本完成，国家公路“五纵 七横”国道主干线全面建成，形成横连东西，纵贯南北的全国性运输通道。到2 0 2 0 年，公路交通要基本适应现代社会经济发展的需要，县乡公路总里程有较大发展， 初步实现网络化。到2 0 4 0 年公路交通基本实现现代化，基础设施网络全面建成，技 术等级与构成应能充分满足运输发展的需要。 在高等级公路建设中，沥青路面作为一种无接缝的连续式路面，由于其自身的 诸多优点，如有足够的力学强度、行车平稳、舒适、振动小、无扬尘、噪音低、便 于维修养护、可以再生利用以及适宜分期修建等优点n4 吲，在全世界范围内得到了 广泛的使用。据资料，美国的高速公路约9 3 为沥青路面，日本高速公路中沥青路 面约占9 4 ，在全世界范围内，约有8 0 的路面为沥青面层n 6 鹪3 。我国自8 0 年代 改革开放以来，经济发展取得了令世人瞩目的成就，各行各业都取得了长足的发展， 其中作为基础产业的公路运输事业更是首当其冲。自“七五”以来，我国进入了高 等级公路建设的新阶段，高等级公路建设有了突飞猛进的发展，公路建设的历史开 始谱写最光辉灿烂的一页。截止到2 0 0 8 年底，全国范围内已实现高速公路通车里程 为6 0 3 万公里n7 1 ，其中9 0 左右的路面铺装采用的是沥青混凝土。公路建设无论是 质量还是数量都有了很大的提高，公路建设规模逐年增加。另一方面公路运输正向 - 2 - 硕十学位论文 第1 章绪论 着高速度、大吨位方向发展，从而也要求公路建设向高质量、高标准方向发展。 然而，在我国高速公路在取得量的飞跃的同时，我们需要认识到，在质的问题 上存在着很大的隐忧。随着近年来国民经济高速发展，交通量迅猛增长，渠化交通 明显，大型化车辆、重载、超载车辆比例逐年增加，使传统的沥青混凝土路面受到 严重挑战。经过国内外几十年特别是国内十几年高速公路的建设实践，沥青路面普 遍存在耐久性不足和早期破坏严重这两大难题。路面的损坏具有各种类型和各种形 态。一般而言，高等级公路的路面损坏包括车辙，开裂( 疲劳开裂、低温开裂和反 射裂缝) ，冲刷、唧浆等类型，过多的路面损坏意味着路面寿命的终结n 钉。 目前广大道路工作者已经普遍认识到材料质量对于路面质量、使用寿命的重要 性。但是，为了改善沥青混合料的性能，人们更多的是从级配组成和沥青这两方面 入手，而对集料特性方面的研究很少。从建设高速公路以来，我国普遍重视沥青质 量，甚至不惜高价买进口沥青，而对沥青混凝土性能具有同等重要作用的集料却很 长时间重视不够。很多专家口明在谈到这个问题时都感到困惑，而且一针见血的指出， 我们已经进口了大量的施工机械，也使用了进口的沥青，我们的施工水平也未必比 别人差，但从整体上看，我国的沥青路面的建设水平与国外先进国家还有较大的差 距，至少落后1 0 2 0 年。这个落后主要体现在沥青路面的使用寿命上，规范规定的 设计寿命是2 0 年，可实际上没有几年，就要开始大规模的维修，更进一步的分析可 以发现，与国外先进国家所差的除了管理工作之外，就在于集料填料的生产和使用 上。因此，在明确我国沥青混合料使用集料方面与国外先进水平的差距的情况下， 大力进行沥青混合料所用集料特性的研究对发展我国的沥青路面建设具有重要意 义。 另外，在沥青混凝土路面的研究中，国内外对沥青混凝土带来的环境影响和沥 青混凝土集料的劣化和对自然资源的不可恢复性破坏研究甚少，除了对再生沥青回 收利用有较为广泛的研究外，对利用其它工业生产过程中产生的尾矿、废渣等材料 取代天然砂石料加人到沥青混合料中作为集料或者填料进行研究在国内外同行业中 研究甚少。 现在，我国的公路建设又进入了一个新的时期，在应对世界经济衰退的严峻形 势下，采取扩大内需的政策，大量资金投资在了基础建设上，公路工程则是其中重 要的组成部分，在此新形势下，大量的公路工程不仅要求施工技术有相应的提高， 一3 一 硕十学位论文第1 章绪论 也要求建筑材料的供应适应这种新形势。其中，较为突出的问题即是，在基础建设 的热潮使得建筑原材料供应吃紧，在沥青路面施工中砂石材料的供应明显不能满足 要求，尤其在工期紧、施工线长的时候更突出，其具体表现为：砂石材料自然级配 状况差、级配变异范围较大，颗粒组成均匀度不好；沿线砂石材料供应量不够，或 者运距太大，成本增加。这就要求人们摈弃因循守旧的思想，积极探索新的建筑材 料，开辟新的途径。其中利用工业生产中产生的尾矿、矿渣等废料作为沥青混合料 集料就是很好的一种办法，这不仅使得废物得到综合利用，同时消除环境污染、创 造经济价值，具有重要的经济和环保意义。 1 1 3 石棉尾矿沥青混凝土的应用 我国是世界上第三大石棉储量国瞄1 ，石棉具有较高的使用价值，而且被广泛的 利用到许多行业中，但石棉开采品味较低，则相应的会产生大量的石棉尾矿。而石 棉尾矿的主要处理方式则是随意的堆放在矿区，大量的石棉尾矿堆积区不仅占用了 大量的土地，而且堆积成山的石棉尾矿在雨水等自然条件下可能发生滑坡或水石流 等灾害，形成安全隐患，同时，也对当地的可持续发展造成了不良影响。所以，石 棉尾矿的大规模的综合利用势在必行。 针对上述石棉尾矿的综合利用现状及沥青混凝土的研究现状，可以发现，大量 堆积的石棉尾矿并没有得到有效的利用，即使一些研究表明n 、2 6 i ，石棉尾矿可以通 过多种途径进行综合处理，但用量非常少，处理能力很低，无法达到处理“量 的 要求。而目前我国正处于高速公路飞速发展的时期，大量的公路工程建设对建筑材 料，特别是砂石材料的需求巨大。在此背景下，同时在经济利益的驱使下，人们大 量的开挖河床、山体，甚至农田以满足工程需要，这不只增加了工程成本，同时也 对当地环境造成不可恢复的破坏。如果通过研究，大量的公路工程中能够利用工业 生产中产生的尾矿、废渣等废物来取代天然砂石材料，这不仅解决了天然砂石建筑 材料紧张的问题，而且能够节约工程成本，同时处理了当地的环境污染，具有十分 重要的经济和社会意义。 石棉尾矿沥青混凝土是指利用石棉尾矿代替沥青混凝土中的天然砂石材料作为 沥青混凝土的集料。在我国，石棉尾矿沥青混凝土依然是一项新的研究，未见相关 文献报道。所以这是一项探索石棉尾矿废物利用的新的研究，同时也是解决目前建 - 4 - 硕士学位论文第1 章绪论 筑材料紧缺、开辟新材料的一项研究，具有解决环境污染、创造经济价值的重要意 义。 1 2 课题背景及工程概况 四川省石棉县地处雅安与泸沽中间位置，盘踞大渡河两岸，是j 下在修建的雅泸 高速公路所经之地h 引。石棉县因石棉而得名，因石棉而发展。石棉县的石棉矿主要 有宋家坪矿区和广元堡矿区，开采历史悠久，从1 9 5 1 年在前苏联技术支持下援建当 地矿厂，进行石棉开采。此处石棉的开采品味大概只有l ，所以生产1 吨成品石 棉约产生上百吨石棉尾矿，常年累月的开采，目前已经在石棉矿区堆积了大量的石 棉尾矿，粒径分布广泛，据初步计算，石棉县境内大约堆积有2 5 0 0 多万方石棉尾矿。 而这些石棉尾矿却几乎没有得到利用，随着不断的石棉开采，石棉尾矿堆积区仍然 在逐年的扩大、堆高。由于矿区陡势的地形和大量堆积的石棉尾矿，经常发生石头 滑落到坡底现场，而且存在较大的滑坡和水石流等地质灾害隐患。目前，石棉县矿 区由于大量的石棉尾矿已经没有足够的地方堆放，部分企业采取减少生产的办法来 应对。这不仅限制了企业的发展、地区经济的发展，同时还存在较大的安全隐患。 正在修建的雅泸高速公路是交通部规划的8 条西部大开发省际公路通道之一 甘肃兰州至云南磨憨公路四川境内的一段，约2 4 0 公里长，也是国家高速公路 网( 简称“7 9 1 8 ”网，即7 条首都放射线、9 条南北纵线和1 8 条东西横线) 七条首 都放射线中的第四条北京一昆明高速公路的重要路段，项目建成后将成为四川 省通往云南的主要通道，并形成四川省通往东南亚、南亚沿海口岸最快捷的通道， 雅泸高速公路在国家公路主干道网络规划和四川省中都占有十分重要的位置，具体 位置见图1 1 所示。目前北京至雅安、泸沽至昆明之间的高速公路都已通车。由于 雅安至泸沽这段地质条件复杂、地形地貌特殊，同时投资巨大，现已成为北京至昆 明高速公路通车的“卡脖子”工程，交通部、四川省非常重视此项目的建设，初步 预算投资约1 6 0 多亿人民币。 一b 一 硕士学位论文第l 章绪论 图卜1 雅泸高速公路在国末高速公路网布局方章中的位置 石棉县宋家坪矿区的石棉尾矿堆积区恰好位于雅沪高速公路石棉段沿线，且雅 泸高速公路正好从石棉尾矿堆积区和大渡河中间穿过，见图l - 2 所示。大量的石棉 尾矿被弃置于矿山脚下，大渡河边，此处石棉尾矿堆积区占用了大量土地( 约 0 2 8 k m 2 ) ，随着石棉尾矿堆积体的逐年增大，在暴雨季节，曾有大量的石棉尾矿随 洪水多次冲入大渡河。而石棉尾矿堆积区恰好位于雅泸高速公路的上方，由于此处 地势陡峭，石棉尾矿堆积荷载极易引发山体滑坡等地质灾害，对高速公路在修筑过 程中及以后都将是一个巨大安全隐患。有鉴于此，对于石棉尾矿的处理势在必行。 在此背景下，石棉尾矿用于筑路材料技术研究课题应运而生，同时该课题已 第1 章绪论 被列入变通部西部交通建设科技项目( 2 0 0 7 3 1 8 0 0 0 0 3 ) 。石棉尾矿用作沥苛混合料集 料的研究是其中的重耍组成部分。 图卜2 拂尾矿堆积区与雅泸高速公路的住置 13 课题的主要研究内容及关键技术路线 31 主要研究内容 ( 1 ) 石棉尾矿物理、化学性能分析研究； ( 2 ) 石棉尾矿沥青混凝土组成材料试验研究 ( 3 ) 石棉尾矿沥青混凝土配合比设计： ( 4 ) 右棉尾矿沥青混凝上路坩忖! 能试验研究 ( 5 ) 石棉尾矿沥青混合料机理分析。 7 硕七学位论文 第1 章绪论 1 3 2 关键技术路线 ( 1 ) 拟采用x r d 、电子衍射等现代分析方法对石棉尾矿化学成分进行分析， 根据石棉尾矿的特有物理性能分别进行压碎值试验、沥青粘附性、磨耗值、磨光值 等试验，分析其作为路面材料的可行性： ( 2 ) 拟采用典型路面结构类型，对石棉尾矿沥青混合料材料组成与设计进行研 究； ( 3 ) 拟分别对石棉尾矿沥青混合料的高、低温稳定性能，水稳定性能等路用性 能进行试验研究； ( 4 ) 结合石棉尾矿特性，对其沥青混合料进行机理分析。 石棉尾矿沥青混凝土试验研究技术路线见图1 - 3 。 图l 一3 石棉尾矿应用于沥青混合料的技术路线图 - 8 - 硕十学位论文第2 章原材料与试验方法 2 1 试验方案 第2 章原材料与试验方法 沥青混合料由沥青胶结料、粗、细集料和矿粉等原材料组合而成。试验方案就 沥青混合料的原材料技术性质及混合料性能展开研究。本研究是针对石棉尾矿能否 用作沥青混合料的集料进行试验研究，具体从以下几个方面进行研究。 首先，研究石棉尾矿及其它原材料的技术性质，分析石棉尾矿作为沥青混合料 集料的可行性，确定路面结构类型及矿料级配组成； 其次，分析沥青混合料的高温、低温、水稳定性等路用性能的影响因素、破坏 形式等，提出本研究的试验方法和评价指标； 最后，对沥青混合料的试验结果及机理进行分析，从而得出石棉尾矿作为集料 的沥青混合料的基本性能。 在本文研究中主要进行以下试验项目： 1 原材料性质测试 ( 1 ) 沥青胶结料常规指标测试 包括：针入度、软化点、延度、闪点、密度等指标试验。 ( 2 ) 粗集料性质测试 包括：x 射线衍射试验、密度、吸水率、针片状颗粒含量、压碎值、磨耗、磨光 值、坚固性、含泥量、软石含量、沥青与集料粘附性等指标试验。 ( 3 ) 细集料性质测试 包括：表观相对密度、坚固性、含泥量、砂当量等指标试验。 ( 4 ) 矿粉性质试验 包括：表观密度、含水量、亲水系数等指标试验。 2 沥青混合料试验 ( 1 ) 高温稳定性检验 包括：马歇尔稳定度试验、车辙试验。 ( 2 ) 低温稳定性检验 包括：低温劈裂试验。 一9 一 硕士学位论文第2 章原材料与试验方法 ( 3 ) 水稳定性检验 包括：浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验。 ( 4 ) 耐久性检验 包括：抗渗水试验。 2 2 石棉尾矿物理化学性能分析 2 2 1 四川省石棉县石棉矿成因 本文主要针对四1 1 i 省石棉县境内的石棉尾矿用作筑路材料展开研究。 该处矿床属水镁石一蛇纹石石棉矿床。矿床含棉超基性岩体沿东西向断裂侵入， 由于后期受南北向构造的改造作用，因此不但使超基性岩体完全蛇纹石化，而且还 改变了蛇纹岩体的形态。含棉岩体由致密块状蛇纹岩和残斑晶蛇纹岩组成，前者的 原岩为纯橄岩，后者原岩为辉榄岩。含棉蛇纹岩体呈北东向延伸，长7 5 k m 。由于 被南垭河断层切割，因此成为相距8 k m 的南、北两个岩体。北矿体称为四川石棉矿 ( 简称川矿) ，岩体长5 k m ，宽0 3 - - 1 5 k m ，岩体形态呈帚状，由一系列压扭性断 层所组成，构造裂隙特别发育，形成富水的网络系统，为水镁石的形成创造了有利 环境，最终形成水镁石一纤蛇纹石石棉矿床。南矿体称为新康石棉矿( 简称康矿) ， 岩体长2 5 k m ，宽0 2 0 8 k m ，岩体形态呈纺锤状，是在挤压作用特别强的条件下 形成的。尤其是两端挤压作用更强烈，其结果不但裂隙发育受到限制，裂隙网络不 发育，而且以压性裂隙为主，不利于地下水活动，富水条件差，不利于水镁石形成， 所以形成纤蛇纹石石棉矿床。本文重点对四川矿区石棉尾矿进行研究。 四川石棉矿矿区位于康滇台背斜之西翼，矿床产于早震旦世超基性岩体中。超 基性岩的成矿母岩为纯橄榄岩、橄榄岩、含辉橄榄岩。呈北东向分布，共有5 个矿 体，在平面上呈帚状构造，在垂直空间呈s 、反s 形构造，即岩体下部为东西走向， 上部逆时针扭转后走向转为北东6 0 。，显然岩体在蛇纹石化时还伴有一个受扭力作 用的塑性变形过程，由于棉脉多产在扭性裂隙中，因此以纵棉为主。 四川石棉矿的蛇纹石化有两期，形成不同石棉成因类型，早期蛇纹石化形成的 纤蛇纹石石棉，棉脉以横棉为主。第二次蛇纹石化所形成的石棉，属于水镁石一纤蛇 纹石石棉，以纵棉为主。也是矿区主要的工业用棉，纵棉切割横棉现象普遍。横棉 一1 0 硕十学位论文第2 章原材料与试验方法 中不舍水镁石、方解石。纵棉中富含水镁石，也有方解石。在同一条棉脉中，这两 种不同成因类型的石棉竟相伴生长。第一期形成横棉与矿体附近的碱性花岗岩有关， 这类棉一般分布在蛇纹岩体的边缘靠近花岗岩接触带之处。而第二期所形成的水镁 石一纤蛇纹石石棉受帚状构造变形，即一系列与岩体走向相一致的压扭性裂隙与之伴 生的深部碳酸水作用所控制，第二期矿化作用是在高温高压富水条件下进行的。 222 石棉尾矿矿物成分 石棉尾矿矿物成分采用x 射线衍射分析法( x r d ) 试验进行分析。试验仪器采用 日本理学r i g a k u x 射线衍射仪、m e t t l e r a e l 6 3 型电子天平，感量为1 0 u g ，见图2 - i 所示。试验结果采用物相定性分析方法，进行图谱直接对比。 图2 - 1x 射线钎射仪 本文采用x r d 对石棉尾矿进行矿物成分测定。石棉尾矿x _ 射线衍射图谱见图2 2 。 图2 - 2 石棉尾矿x 射线衍射图谱图围2 - 3 蛇纹石晶体结构囤 硕十学位论文第2 章原材料与试验方法 通过石棉尾矿矿石的x 衍射图谱分析和与标准图谱的核对，得出石棉尾矿是以 蛇纹石矿物为主要成份的岩石，含有少量的滑石、白云石、方解石、水镁石、磁铁 矿等。同时，可以鉴定石棉尾矿为温石棉尾矿。 蛇纹石( m 9 6e s i 4 0 l o ( o h ) 8 ) 是由硅氧( s i 0 2 ) 四面体和氢氧化镁石( m g ( o h ) 2 ) 八面体组成的双层型结构的三八面体硅酸盐矿物h 1 。由于四面体层和八 面体层之间不协调，因此形成三种不同的基本结构，构成三种矿物，即具有平整结 构的板状蛇纹石；具有交替波状结构的叶蛇纹石；具有卷曲状圆柱形结构的纤蛇纹 石。在自然界纤蛇纹石矿物产出广泛，而且结晶程度高，可分性能良好；丝状特征 显著的纤蛇纹石，为有用的工业矿物，也可称为纤蛇纹石石棉。蛇纹石单体少见， 多呈致密块状、层状或纤维状集合体。具有各种色调的绿色、浅黄色，常呈似蛇皮 的绿黑相间的花纹，故称蛇纹石。其比重一般为2 5 - - 2 7 5 n 剐。蛇纹石晶体结构见 图2 3 所示。 四川省温石棉产区的石棉尾矿矿物组成见表2 1 。 表2 - 1 四川省温石棉产区的石棉尾矿矿物组成 产地 矿山编号矿物组成 宋3 6 丝状纤蛇纹石( 结晶好) 来4 1 ( 1 )丝状纤蛇纹石( 结晶好) 大1 0 5纤蛇纹石+ 白云石+ 水镁石 广1 4 0 纤蛇纹石+ 白云石+ 方解石 四川i 大1 2 0纤蛇纹石+ 磁铁矿( 风化绵) 新康苏1 8 7纤蛇纹石( 结晶好) 新康凉1 6 6纤蛇纹石+ 磁铁矿( 风化绵) 新康手特2 1 纤蛇纹石+ 水镁石+ 方解石 j i i 半3 5 0纤蛇纹石+ 水镁石+ 方解石 另外，在石棉生产过程中，由于生产工艺及生产水平的限制，石棉不可能完全 分选干净，石棉尾矿中必然存在部分短小石棉纤维。而在沥青混合料的应用中，纤 维具有提高沥青混合料性能的作用h 9 剐，主要体现在： 纤维是一种良好的稳定剂。其良好的吸附能力可以稳定大量沥青，进而粘附、 裹覆于集料颗粒表面，构成较厚沥青膜，提高了混合料耐老化性能和水稳定性，增 强了沥青路面的耐久性和抗裂性能。 一12 硕士学位论文第2 章原材料与试验方法 纤维是一种润滑剂。它通过界面作用使混合料中较稠的结构沥青与较稀的自 由沥青并存，对结合料的高温和低温性能都有所改善。 纤维是一种阻剥剂。它高的强度和柔韧性较好的粘连、裹覆集料颗粒，使混 合料防剥离、耐腐蚀能力大大提高，混合料抗剪、拉能力也有不同程度的增强。 纤维有利于改善混合料的高温性能，尤其防滴漏效果最好。 2 2 3 石棉尾矿化学成分 石棉尾矿化学成分采用x r f 试验进行分析，x r f 即x 射线荧光光谱法。该方法 不仅能够完成样品主、次量组分快速全元素分析，而且灵敏度高。本文依据石棉尾 矿矿石类型、矿物组成和含量范围分布等特点，采用粉末直接压片和经验系数校正 基体效应的方法对石棉尾矿进行化学成分分析。 利用x 射线荧光光谱法( x r f ) 获取石棉尾矿化学成分，分析速度快、准确度 高，完全能满足工程上的需求。本文选用样品在长沙矿冶研究院x 荧光分析实验室 进行石棉尾矿化学成分分析试验，试验结果见表2 2 。 表2 - 2 石棉尾矿化学成分 顺样品 采样地点 化验项日及成分了分比( 重量) 序 编号 s i 0 2m g of e 2 0 3a 1 2 0 3 f e oc a o k 2 0 n a 2 0 h 2 0 + 灼烧量 t b t a l 宋 l 宋4 1 6 4 0 o o 0 9 70 4 6 o 2 lo 2 2 o 0 5 o 0 5| 9 5 8 4 s - 8 家 宋地 2坪 下 3 0 0 24 0 6 81 7 4o 6 20 4 10 1 lo 0 5o 0 5|8 8 9 8 s - 9 矿 宋 3段3 8 1 63 6 2 72 7 20 5 40 2 94 2 4o 0 0 5o 0 5|9 3 5 5 5 s 1 0 尖 44 2 4 23 8 4 82 4 80 4 6o 。0 8o 1 lo 0 5o 0 5|9 5 2 5 s - i 尖 54 0 5 63 9 2 43 1 90 5 40 7 0o 1 lo 0 5o 0 59 5 5 4 s - 2 尖 尖 4 0 9 03 2 7 l1 7 00 5 40 4 54 2 4o 0 5o 0 5| 9 5 9 6 6 石 地s - 3 包 尖下 7矿3 2 8 44 1 9 53 9 3o 6 2t 3 6o “o 0 5o 0 5 9 5 2 3 s - 5 段 尖 83 0 3 7 3 8 9 94 5 7o 5 4 1 6 52 8 2o 0 5 o 0 5 9 2 0 6 s - 6 尖 93 4 3 64 2 0 41 8 30 5 40 6 60 2 2o 0 50 0 5 9 3 6 3 s - 7 1 3 硕士学位论文第2 章原材料与试验方法 从测试的结果可以看出，本研究中石棉尾矿中最主要的四种化学成分分别是 s i 0 2 、m g o 、c a o 以及f e o 。而决定集料与沥青的粘附性主要与c a o 与m g o 的含 量有直接关系。 2 2 4 石棉尾矿毒性检测 课题组与四川省雅安市环境检测站对石棉尾矿浸出毒性进行检测，检测结果见 表2 3 。 表2 - 3 石棉尾矿浸出毒性检测结果 检测项目分析方法方法米源检测结果 总铜原子吸收分光光度法g b t 1 5 5 5 6 。2 1 9 9 6未检出 总铅原子吸收分光光度法g b t 1 5 5 5 5 2 1 9 9 6朱检出 总锌 原子吸收分光光度法 g b t 1 5 5 5 5 2 1 9 9 6 未检出 总镉 原子吸收分光光度法 g b t 1 5 5 5 5 2 - 1 9 9 6 朱检出 同时，课题组通过对石棉县宋家坪石棉尾矿堆积区土壤取样，利用电位测定法 对其进行测试，石棉尾矿堆积区土壤的p h 值为7 - - 8 之间。对照土壤酸碱度分级表 ( 表2 4 ) ，石棉尾矿堆积区的土壤属于中性到弱碱性。 表2 - 4 土壤酸碱度分级表 p h 值 十壤酸碱度p h 值土壤酸碱度 小于4 5强酸性7 5 8 5 弱碱性 4 5 5 5 酸性 8 5 9 5 碱性 5 5 6 。5 弱酸性大于9 。5强碱性 6 5 7 5中性 另外，课题组深入石棉矿区，走访石棉矿上工人和当地居民，详细了解他们的 身体状况，发现没有职业病或地方性疾病情况。对石棉尾矿堆积区周围植被生长情 况进行了调查，对堆积区坡底、距堆积区5 0 米、1 0 0 米、5 0 0 米远的植被进行详细 比对，发现这些植被没有明显变化，而且都生长茂盛，这说明其土壤没有受到污染。 石棉尾矿堆积区周边植被生长情况见图2 - 4 所示。 一1 4 第2 章原材料与试验方法 2 3 原材料 图2 - 4 石棉尾矿堆积区植被情况 沥青混合料的原材料主要包括沥青胶结料、粗细集料和矿粉等，本研究为了测 试石棉尾矿作为集料的沥青混合料性能，使用了常见的 h 一7 0 重交道路石油沥青和 普通的矿粉，没有添加其它能够提高沥青混合料路用性能的外掺剂。 231 沥青 沥青是沥青混台料的一个重要组成部分，它为混合料提供粘性和弹性，对路面 的使用性能有很大影响。沥青材料的品种很多，按其来源、加工方法、用途、形态、 物理性质等可分为许多种类，现在常见的是根据其针入度进行标定。沥青种类的选 择，应考虑道路所在地区的气候条件，交通量以及混合料的类型。在气温常年较高 的地区路面热稳性是设计必须考虑的主要方面，宜采用针入度较小，粘度较高的 沥青；对于交通量较大的道路也同样如此。目前t 我国对沥青的标号大体己形成这 样的基本概念”1 ，即对于中国南方炎热多雨地区选择较稠的5 矿或7 0 l 沥青；长江流 域采用7 0 4 沥青；黄河流域采用9 沥青；东北地区则用9 0 或1 l 旷沥青。 通过查询道路所在地区的气候条件、交通量以及参考当地已有工程的实践经验， 本研究选用了中海沥青( 泰州) 有限公司生产的a h7 0 重交沥青。参照重交通道路 1 5 硕十学位论文第2 章原材料与试验方法 石油沥青的技术指标，按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 相关试验的要求进行。试验结果见表2 5 所示。 表2 - 5a h - 7 0 沥青技术性能指标要求及实测结果 项目单位试验结果技术要求试验方法 针入度( 2 5 ，1 0 0 9 ，5 s ) 0 1 m m 7 3 6 0 8 0 t0 6 0 4 软化点( 环球法) 6 34 6t0 6 0 6 延度( 1 5 。c 、5 c m m i n ) c m1 5 01 0 0t0 6 0 5 闪点 2 7 02 6 0t0 6 1 1 密度( 1 5 ) g c m 3 1 0 1 2 实测记录 t0 6 0 3 2 3 2 集料 集料是沥青混合料的重要组成部分，在混合料的整个体积中，集料至少要占四 分之三伽3 ，所以，集料对沥青混合料的路用性能起决定作用。集料作为路面材料应 清洁、干燥、无风化、无杂质，同时具有一定的强度和耐磨性。按照粒径大小可将 集料分为粗集料和细集料，粒径大于2 3 6 m r n 的集料为粗集料，其主要是提供骨架作 用，主要包括碎石、破碎砾石、筛选砾石、钢渣、矿渣等；粒径小于2 3 f ，m m 的集料 为细集料，其主要是锁紧和减少空隙的作用，一般为天然砂、机制砂、石屑等。 2 3 2 1 粗集料 本研究沥青混合料粗集料采用四川省石棉县宋家坪矿区石棉尾矿，包括三种粒 径石棉尾矿碎石，即l 号料( 粒径为3 1 5 - - 1 6 m m ) 、2 号料( 粒径为1 6 - - 9 5 m m ) 、 3 号料( 粒径为9 5 - - 2 3 6 m m ) 。根据公路沥青路面施工技术规范( j t jf 4 0 2 0 0 4 ) 对沥青混合料粗集料技术指标要求，参照公路工程集料试验规程( j t ge 4 2 2 0 0 5 ) ， 对石棉尾矿用作沥青混合料粗集料进行试验研究。具体试验过程及试验结果叙述如 下： ( 1 ) 密度及吸水率试验 石棉尾矿粗集料密度及吸水率试验采用网篮法，测得各粒径密度试验结果见表 2 - 6 ，试验过程见图2 - 5 所示。 - 1 6 - 硕十学忙论文第2 章原材辛ir ，试验方法 表2 6 石棉尾矿粗集料各粒径密度厦吸水率试验结果 l 号料( 粒径为2 号料( 粒径为3 号料( 粒径为 粒枰技术要求 95 23 6 b i n ) 表现相对密度y 。 不小丁25 ( g c d ) 表干相对密度y ( g c m ) 26 726 726 z 毛体积相对y “ 26 626 425 8 ( g c m 。) 吸水辜”x 不夫于3 ( ) 嚣雾酉 a ) 水十重量b ) 表干重量 c ) 烘干重量 腰2 - 5 石棉尾矿粗集料密度厦吸水率试验 ( 2 ) 坚固性试验 采用硫酸钠溶液法进行试验，对石棉尾矿进行5 次循环后，计算其质量总损失 试验结果及技术指标要求表2 - 7 所示 表2 7 石棉尾矿粗采抖坚固性试验结果及技术要求 石棉尾矿原质量经6 次浸泡循环后质量总质量损失 技术要求 ( g )( g ) 。s 。t21不人于5 ( 3 ) 压碎值试验 集料压碎值用于衡量石料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力，是衡量石辩力 学性质的指标，以评价其在公路工程中的适用性。试验结果见表2 - 8 所示 7 硕十学位论文 第2 章原材料与试验方法 表2 - 8 石棉尾矿压碎值指标试验结果 试验前质量通过2 3 6 r a m 筛孔 试验组号压碎值( )平均值( ) ( g )后质量( g ) l3 0 0 02 8 7 74 1 0 23 0 0 02 8 6 54 5 0 4 3 0 3 3 0 0 02 8 7 4 4 2 0 ( 4 ) 磨光值、磨耗值试验 石棉尾矿粗集料磨光值、磨耗值试验结果见表2 - 9 所示。 表2 - 9 石棉尾矿粗集料磨光值、磨耗值试验结果 项目石棉尾矿技术要求 磨光值 4 3 不小于4 2 磨耗值 1 6不大丁2 8 ( 5 ) 其他试验 含泥量、泥块含量试验 石棉尾矿粗集料含泥量、泥块含量试验结果见表2 - 1 0 、表2 1 1 所示。 表2 - 1 0 合泥量试验结果 试验前烘干试样试验后烘干试样 试验组号含泥量( )平均值( ) 质量( g ) 质量( g ) 1 5 5 7 05 5 6 70 0 6 0 。1 3 25 2 9 15 2 8 00 2 0 表2 - 1 1 泥块含量试验结果 4 7 5 m m 筛筛余试 试验后烘干试样 试验组号 泥块含量( )平均值( ) 样的质量( g )的质量( g ) l