轉(zhuǎn)爐石對瀝青混凝土現(xiàn)場壓實(shí)方式的影響研究

丁漢飛

(江蘇華寧工程咨詢監(jiān)理有限公司， 江蘇 南京　210018)

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轉(zhuǎn)爐石對瀝青混凝土現(xiàn)場壓實(shí)方式的影響研究

丁漢飛

(江蘇華寧工程咨詢監(jiān)理有限公司， 江蘇 南京210018)

[摘要]針對天然粒料及轉(zhuǎn)爐石，以改性瀝青作為黏結(jié)料制成密級配混凝土，鋪設(shè)試驗(yàn)路觀測路面性能，進(jìn)行分析及探討。轉(zhuǎn)爐石組成成分與天然粒料不同，基于節(jié)能的觀點(diǎn)，根據(jù)本研究試驗(yàn)結(jié)果指出，在運(yùn)輸過程中轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土能使內(nèi)部溫度非常均勻，而傳統(tǒng)瀝青混凝土?xí)S著接近于表面則溫度越低；另外發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土于不同橫向路面距離內(nèi)部溫度平均，而傳統(tǒng)瀝青混凝土越靠近橫向兩端與表面溫度差異就越小，驗(yàn)證轉(zhuǎn)爐石比天然粒料更具保溫效果。也針對不同滾壓次數(shù)及厚度對壓實(shí)度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，厚度10 cm雖可以提高初始壓實(shí)度，但其壓實(shí)度并非持續(xù)上升或下降，而5 cm的壓實(shí)度因滾壓次數(shù)增加其持續(xù)上升，能夠去推測最佳化壓實(shí)的次數(shù)。

[關(guān)鍵詞]轉(zhuǎn)爐石； 改性瀝青； 壓實(shí)度； 溫降梯度； 試驗(yàn)路

1概述

長期以來，國內(nèi)砂石需求量遠(yuǎn)大于砂石來源的供應(yīng)，在有限的砂石資源下，為了建設(shè)所需，部分砂石業(yè)者過度開采，嚴(yán)重影響河川生態(tài)，使得橋梁的安全也大受影響。河川下游的不當(dāng)開采，會引發(fā)橋梁與河川安全上的問題。因此解決國內(nèi)砂石問題，是公路工程最重要的問題。轉(zhuǎn)爐石粒料為煉鋼過程的副產(chǎn)物，可做為路面材料替代品。目前轉(zhuǎn)爐石每年產(chǎn)量約為120萬t左右，美國每年鋼碴再利用約770～830百萬t，絕大部分集中于工程填方與道路的應(yīng)用，所以經(jīng)濟(jì)上的成本回收并不很明顯，大多屬于解決轉(zhuǎn)爐石的處理問題。早期對于轉(zhuǎn)爐石的處理方式，是以填海方式進(jìn)行。由于轉(zhuǎn)爐石比重大能承受載重、硬度高抗磨損；又經(jīng)軋制過程，扁平率低及破碎面大，現(xiàn)今將轉(zhuǎn)爐石回收再利用，若能將轉(zhuǎn)爐石成功應(yīng)用于瀝青路面上，可以使轉(zhuǎn)爐石有效再利用。國內(nèi)外針對轉(zhuǎn)爐石研究多于試驗(yàn)室進(jìn)行諸多模擬試驗(yàn)，如Wu等人[1]研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐石具有多孔隙特性，可吸附瀝青，進(jìn)而降低高溫時永久變形量。Xue等人[2]以轉(zhuǎn)爐石做為瀝青混合料粒料，顯示轉(zhuǎn)爐石比天然粒料具有較粗糙的紋理，可增加與瀝青的凝聚力，Shen等人[3]探討轉(zhuǎn)爐石用于多孔隙級配的性能。

上述國內(nèi)外研究成果及實(shí)際鋪設(shè)案例，均著重于以轉(zhuǎn)爐石取代部分粗粒料及應(yīng)用于密級配、再生級配、排水級配等。近年來由于重車及載重持續(xù)增加，傳統(tǒng)路面材料已無法提供適合的強(qiáng)度，導(dǎo)致路面耐久性不足。探討轉(zhuǎn)爐石目前除改變粒料級配外，采用高黏度的瀝青黏結(jié)料，可增加與粒料圍束能力，降低載重塑性變形特性。轉(zhuǎn)爐石粒料含有高比例氧化鈣(CaO)，具有親油特性，即易吸附瀝青，除可降低瀝青需求量，亦可增加瀝青混凝土各項(xiàng)強(qiáng)度。但目前針對轉(zhuǎn)爐石與高黏度的改性瀝青黏結(jié)料包裹的試驗(yàn)研究，甚至探討現(xiàn)場攤鋪的性能亦少見。因此，本研究于現(xiàn)場鋪設(shè)一條轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土試驗(yàn)道路，以改性瀝青作為黏結(jié)料，探討轉(zhuǎn)爐石與改性瀝青的黏結(jié)性質(zhì)，及拌合過程的均勻性、拌合溫度對工作性影響、轉(zhuǎn)爐石改性瀝青混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)等。

2文獻(xiàn)回顧

2.1轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土性質(zhì)

煉鋼爐石就是生產(chǎn)鋼鐵的鐵礦原料所含的粘土雜質(zhì)，與石灰石助熔劑在高溫熔爐中反應(yīng)所產(chǎn)生的熔渣。熔渣自轉(zhuǎn)爐排出冷卻所得的固體物，稱為轉(zhuǎn)爐石(BOF)。轉(zhuǎn)爐石在物性方面優(yōu)于天然碎石，且為親油性粒料，能提升抗水分侵蝕的能力，多雨地區(qū)適合取代作為粗粒料。煉鋼過程產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐石，組成成份含氧化鐵量高，比重較砂石大，且較為耐磨。以耐磨指數(shù)表示，標(biāo)準(zhǔn)砂為1，高爐石為0.96，而轉(zhuǎn)爐石為0.7。由于轉(zhuǎn)爐石較耐磨，充當(dāng)路面材料時較高爐石性能好。轉(zhuǎn)爐石比重約3.4，天然粒料約2.6，故在相同重量下，添加轉(zhuǎn)爐石其使用瀝青作黏結(jié)材可大幅度的降低使用量，對于油價高漲時代其可相對節(jié)省成本?？旅髻t[5]以轉(zhuǎn)爐石元素組成分析，轉(zhuǎn)爐石、電弧爐渣主要組成為Mg、Al、Si、Ca、Mn、Fe等，而天然砂石主要組成為Mg、Al、Si、Ca、Fe等，彼此成份相近，可部分取代作為粒料，但成分含游離態(tài)的氧化鈣及氧化鎂，其回脹率大于0.5%，需安定化處理方可使用于級配粒料。Xue[6]將轉(zhuǎn)爐石做為SMA路面粒料，具有高抗車轍能力、高溫穩(wěn)定性及抗水分侵入。Wu等人[7]亦將轉(zhuǎn)爐石替代SMA瀝青混合料粒料，其中觀測其回脹量，浸泡7天后其回脹率小于1%，另與一般玄武巖粒料比較，轉(zhuǎn)爐石替代SMA瀝青混合料粒料可提升高溫永久變形穩(wěn)定性及低溫脆裂性質(zhì)。Xue等人[8]經(jīng)由馬歇爾配比設(shè)計及superpave配比設(shè)計方法評估，SMA瀝青混合料使用大量轉(zhuǎn)爐石可有效增加混合料穩(wěn)定性進(jìn)而節(jié)省資源。Shen等人[3]將不同比例轉(zhuǎn)爐石應(yīng)用于排水性瀝青混凝土，能提升抗滑性、水分敏感性、抗車轍能力、吸音特性，由SEM顯微觀測，轉(zhuǎn)爐石粒料較為粗糙及表面紋理，可與瀝青緊密包裹。

2.2瀝青混凝土溫度效應(yīng)

邱啟偉[12]探討再生瀝青混凝土拌合溫度，新料溫度應(yīng)采用原瀝青拌合溫度加28 ℃，熱拌再生廠若采用將刨除料加熱方式生產(chǎn)，RAP的溫度不要超過130 ℃，則預(yù)估目標(biāo)黏度、試驗(yàn)拌合廠生產(chǎn)成品的回收瀝青黏度質(zhì)量較趨一致。林東慶[7]以SHRP性能指標(biāo)評估回收瀝青與路面性能，回收瀝青超過20%，可符合G*/sinδ需大于2.2 kPa的規(guī)定；回收瀝青超過40%，具有抵抗高溫65 ℃的車轍能力，但溫度小于30 ℃容易產(chǎn)生疲勞裂縫。

3試驗(yàn)路工作現(xiàn)況

本研究進(jìn)行試驗(yàn)路鋪設(shè)斷面位置圖如圖1所示，鋪設(shè)總長度400 m，分為X區(qū)段(200 m)及Y區(qū)段(200 m)，瀝青黏結(jié)料均采用改性瀝青，全部區(qū)段粒料級配均采用密級配。X區(qū)段(200 m)其中100 m以天然粒料作為級配粗粒料；另100 m則以轉(zhuǎn)爐石取代作為級配粗粒料，全部試驗(yàn)區(qū)段則以天然砂作為細(xì)粒料，Y區(qū)段(200 m)與X區(qū)段相同，鋪設(shè)厚度11 cm。本試驗(yàn)路段于2014年2月27日進(jìn)行施工，鋪設(shè)前進(jìn)行原路面調(diào)查，進(jìn)行路面平整量測、車轍、試件鉆芯及路面拍攝，做為攤鋪過程的參考。攤鋪前原路面現(xiàn)況如圖2、圖3所示，原路面X區(qū)段與Y區(qū)段路面破壞相當(dāng)嚴(yán)重，肉眼看出龜裂及坑洞，此外，以目視方式即觀察試驗(yàn)路段縱、橫斷面均有嚴(yán)重高程差，會影響路面排水及估算攤鋪數(shù)量。故攤鋪前另進(jìn)行道路測量工作。道路攤鋪方法是以沒有進(jìn)行銑刨工程而直接填補(bǔ)坑洞后進(jìn)行攤鋪。

圖1　鋪設(shè)斷面位置圖Figure 1　Laying cross section drawing

圖2　X段路面T字口低洼處Figure 2　X section T low areas

圖3　Y段路面轉(zhuǎn)彎處Figure 3 　Y section corner

4轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土降溫行為

4.1運(yùn)輸過程溫降變化

本研究依據(jù)AI規(guī)范針對瀝青黏度-溫度曲線，決定拌合溫度為153 ℃，于拌合廠生產(chǎn)過程依此溫度進(jìn)行拌合，拌合溫度可予以管控，另依據(jù)瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范，瀝青混凝土最低攤鋪及滾壓溫度分別為120 ℃、110 ℃～125 ℃，為比較在相同運(yùn)輸距離下，轉(zhuǎn)爐石及天然粒料拌合成瀝青混凝土運(yùn)輸過程的變化，本研究在拌合廠卸料至裝載瀝青混凝土卡車后，即于瀝青混凝土埋設(shè)溫度感應(yīng)線，并連接至溫度記錄器，埋設(shè)溫度分別取瀝青混凝土表面下部深度10、 20、 30、 40 cm。圖4及圖5為天然粒料瀝青混凝土及轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土自出廠開始到施工現(xiàn)場運(yùn)輸過程，運(yùn)輸時間與溫度關(guān)系圖。由圖4可知：距離瀝青混凝土內(nèi)部深度10 cm溫度為最低，運(yùn)輸時間約50 min，溫度自150 ℃降低至120 ℃，距離瀝青混凝土表面深度越大則溫度約高，內(nèi)部深度40 cm位置，溫度維持在160 ℃，在運(yùn)輸過程溫度并未有明顯變化，此因與接近瀝青混凝土表面位置與大氣接觸，出廠溫度約150 ℃，大氣溫度約25 ℃，溫度差異大，產(chǎn)生熱對流效應(yīng)，故天然粒料制成的瀝青混凝土表面溫度變化大隨時間而變化。由圖5可知：轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土溫度整體上隨著運(yùn)輸時間有稍微降低，但是深度10、 20、 30、 40 cm溫度差異不大，在相同運(yùn)輸時間50 min，溫度自165 ℃降低至160 ℃，僅降低5 ℃，此表示轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土具有聚溫保溫效應(yīng)，因與轉(zhuǎn)爐石粒料本身具多孔隙有關(guān)，轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土較傳統(tǒng)瀝青混凝土更能將熱平均分散，并且可以有保溫功效，使其熱能不易散失[8-12]。

圖4　運(yùn)送降溫狀況(天然粒料)Figure 4　Delivery of cooling condition(natural aggregate)

圖5　運(yùn)送降溫狀況(轉(zhuǎn)爐石)Figure 5　Shipping cooling conditions(stone)of converter

4.2轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土攤鋪后溫度變化

道路橫斷面包含內(nèi)、外車道及路肩，就溫度變化觀點(diǎn)，道路橫斷面類似圍束應(yīng)力變化，接近于道路兩旁路肩位置，由于直接與大氣接觸，理論上其溫度變化與接近道路中心位置不同，可能因溫度變化不同，導(dǎo)致車轍現(xiàn)象。故本研究在攤鋪前埋設(shè)熱感線，與道路橫斷面平行，見圖6，分別量測距離路肩內(nèi)部距離20、 80、 180 cm的溫度變化，熱感線埋設(shè)深度距離表面4 cm，圖7即為埋設(shè)熱感性的示意圖。

圖6　埋設(shè)熱感線Figure 6　Buried thermal line

圖7　埋設(shè)熱感線示意圖Figure 7　Embedding thermal line diagram

本研究于攤鋪現(xiàn)場攤鋪后隔天，進(jìn)行不同時間點(diǎn)量測，分別為上午(09：00)、中午(12：00)、下午(18：00)、晚上(20：00)，針對路肩算起內(nèi)部距離分別20、 80、 180 cm的溫度量測，圖8與圖9得知：轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土內(nèi)部溫度比傳統(tǒng)瀝青混凝土內(nèi)部溫度大，這表示轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土于前日攤鋪后，降溫速率較慢，此現(xiàn)象于前節(jié)運(yùn)輸過程，轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土較具有保溫效應(yīng)可驗(yàn)證。此外，各個時段轉(zhuǎn)爐石與天然粒料瀝青混凝土溫度比較，中午日光直射持續(xù)加熱下使得表面溫度最高，轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土內(nèi)部溫度明顯高于天然粒料瀝青混凝土，表示應(yīng)該是因?yàn)檗D(zhuǎn)爐石的保溫效果好。

此外，就路面橫斷長度比較內(nèi)部溫度變化，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐石與天然粒料瀝青混凝土于路側(cè)端位置的溫度，均明顯高于距離路側(cè)20、 80、 180 cm，瀝青混凝土路側(cè)攤鋪位置直接與空氣接觸，容易產(chǎn)生熱交換降低溫度，而內(nèi)部溫度未直接接觸空氣，較能保持溫度，故會由距離路側(cè)內(nèi)部位置熱能往外補(bǔ)充熱能，故反而路側(cè)端位置的溫度較高。而熱交換過程，也發(fā)現(xiàn)天然粒料距離路側(cè)內(nèi)部位置的溫度熱能在不同時段較接近，而轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土則有明顯差異，可能是由于轉(zhuǎn)爐石多孔隙性質(zhì)，熱交換效應(yīng)較為劇烈。

圖8　轉(zhuǎn)爐石在不同時間下的溫度變化Figure 8　Converter stone under different time of 　temperature changes

圖9　天然粒料在不同時間下的溫度變化Figure 9　Natural aggregate at different times(water)　to temperature changes

4.3滾壓噴水/不噴水對溫度變化

根據(jù)瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范用于滾壓瀝青混合料的壓路機(jī)，應(yīng)裝有水箱、噴水設(shè)備、刮板等，以保持機(jī)輪濕潤，以免瀝青混合料黏附機(jī)輪上。故傳統(tǒng)滾壓過程，壓路機(jī)通常加水濕潤，本研究由噴水?dāng)備伹闆r來探討轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土與傳統(tǒng)瀝青混凝土的路面溫度變化。圖10、圖11為傳統(tǒng)瀝青混凝土與轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土的噴水影響，量測結(jié)果由圖10(a)及圖10(b)可以顯示傳統(tǒng)瀝青混凝土在噴水?dāng)備佭^后不同時段的溫度都均比未噴水?dāng)備佭€要低，表示出傳統(tǒng)瀝青噴水?dāng)備仌绊懼鬁囟惹闆r，可能是因水分使得溫度下降，所以噴水?dāng)備仌任磭娝^好。雖然天然粒料噴水?dāng)備佇Ч^好，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖11(a)及圖11(b)可以顯示轉(zhuǎn)爐石噴水?dāng)備仌r的溫度變化比未噴水?dāng)備仌r會因表面跟內(nèi)部有不同的溫度變化，表面溫度雖會因噴水而降低，不過內(nèi)部會因此而提高溫度，如果表面溫度太高會使表面砂石容易被帶走，但內(nèi)部溫度太高會使路面變形，但以整體來看，轉(zhuǎn)爐石在未噴水?dāng)備仌r較好(確定未噴水較佳)。

圖10　天然粒料于不同時段對溫度變化Figure 10　Natural aggregate at different times to temperature 　changes

圖11　轉(zhuǎn)爐石于不同時段對溫度變化Figure 11　Converter in different times to temperature changes

5結(jié)論

① 轉(zhuǎn)爐石比重大于天然粒料，可提高瀝青混凝土的穩(wěn)定度，降低流度值，轉(zhuǎn)爐石粒料比天然粒料較接近方形，添加于路面后更有互鎖作用，能提升瀝青混凝土的力學(xué)及耐久性。

② 相同運(yùn)輸時間50 min，轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土溫度自165 ℃降低至160 ℃，僅降低5 ℃，表示轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土具有聚溫保溫效應(yīng)，較傳統(tǒng)瀝青混凝土更能將熱平均分散，并且可以有保溫功效，使其熱能不易散失。

③ 轉(zhuǎn)爐石噴水?dāng)備仌r的溫度變化比未噴水?dāng)備仌r會因表面跟內(nèi)部有不同的溫度變化，表面溫度雖會因噴水而降低，不過內(nèi)部會因此而提高溫度。

④ 瀝青混凝土路側(cè)攤鋪位置直接與空氣接觸，容易產(chǎn)生熱交換而降低溫度，而內(nèi)部溫度未直接接觸空氣，較能保持溫度，故會由距離路側(cè)內(nèi)部位置的熱能往外補(bǔ)充熱能，故反而路側(cè)端位置的溫度較高。

⑤ 熱交換過程，天然粒料距離路側(cè)內(nèi)部位置的溫度熱能在不同時段較接近，而轉(zhuǎn)爐石瀝青混凝土則有明顯差異，可能是由于轉(zhuǎn)爐石多孔隙性質(zhì)，熱交換效應(yīng)較為劇烈所致。

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Effect of BOF Stone on Compaction way of Asphalt Concrete

DING Hanfei

(Jiangsu Huaning Engineering Consul Tation Supervision Co，Ltd Nanjing， Jiangsu 210018， China)

[Abstract]In this study，natural stone aggregates and converter to modified asphalt as adhesive material made of dense-graded concrete，laying of pavement performance test road observation，and analyzed and discussed.Converter natural stone aggregates of different composition，based on the viewpoint of energy-saving，the present study the test results indicate that，in the transport process to make asphalt concrete stone converter internal temperature is very uniform，and the conventional asphalt concrete will be close to the surface as the temperature of the low；also found in different converter stone asphalt concrete pavement transverse distance average internal temperature，while the more traditional asphalt concrete near the lateral ends of the smaller temperature difference between the surface，verify converter stone aggregates more than natural insulation effect.The study also for the relationship between the number and thickness of different rolling degree of compaction，the experimental results indicate that although the thickness of 10 cm can improve initial compaction，but the degree of compaction is not rising or falling，while the degree of compaction due to roll 5 cm pressure to increase the number of its rising，it is possible to predict the number of optimal compaction.

[Key words]BOF stone； asphalt； compaction； temperature； drop gradient； test road

[中圖分類號]U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0010-05