鋼渣排水性瀝青混合料壓實特性研究

黃書科

(萊蕪職業(yè)技術學院， 山東 萊蕪 271100)

鋼渣排水性瀝青混合料壓實特性研究

黃書科

(萊蕪職業(yè)技術學院， 山東 萊蕪 271100)

選用天然粒料與鋼渣材料作為配比設計參數(shù)，依照馬歇爾方法進行配比設計求得的最佳含油量，再根據(jù)不同交通特性來配合Superpave的壓實準則制作試件，進而了解多孔隙瀝青混凝土壓實體積性的變化。借由SGC壓實轉數(shù)的控制，了解材料于各階段的性質與特點，評定推估級配的最終壓實孔隙率及SGC壓實效應，最后建立多孔隙瀝青混凝土孔隙壓實設計準則，并針對準則各相關系數(shù)作探討，以用于施工控制驗收與路面長期服務性能的參考。

鋼渣； 壓實； 準則； 多孔瀝青混合料

0 前言

多孔隙瀝青混凝土應用在公路面層，對于各級道路的經(jīng)濟性具有重要價值[1-3]。面對道路維護管理工作，如何延長道路路面磨耗層材料的服務壽命，提升材料的耐久性，以降低道路養(yǎng)護周期成本是一個重要的研究與應用主題[4-6]。多孔隙瀝青混凝土的設計孔隙率，因其在實驗室和現(xiàn)場施作方式不同，故在壓實度上有相當大的差異。Superpave旋轉式壓實儀所制作的瀝青混凝土試件，其體積與工程性質最能模擬路面的現(xiàn)場試件，也可用于現(xiàn)場控制、監(jiān)測生產(chǎn)的瀝青混合料品質是否符合配比設計要求，評估開放交通后的再壓實及空隙率變化。

1 瀝青路面材料的空隙與壓實特性

壓實是在鋪筑階段逐漸降低瀝青路面材料空隙率的過程，讓固體顆粒在壓實過程中被有效地緊密排列[7-9]。將試驗室配比規(guī)范的瀝青及砂石料，經(jīng)過拌合廠依一定的施工程序生產(chǎn)后，將瀝青混凝土鋪設、滾壓達到一定的壓實度，以滿足路面耐久性的需求。鋪筑時期所得的空隙率應盡可能地接近路面服務若干年后的空隙率。如果鋪筑路面的空隙率較高或厚度較厚或交通量較大，開放交通若干年后所產(chǎn)生的車轍情形將較為嚴重。路面損壞情形受壓實度及空隙率的影響很大。在試驗室制作瀝青混凝土試件的方法，應盡可能模擬工地滾壓機具的實際壓實能量及效果，讓試件密度、孔隙分布和現(xiàn)場混合料相近，進而評估混合料的性能。評估方法所考慮的因子分別為瀝青混凝土內粒料的排列、空隙含量、空隙結構與瀝青混凝土力學性質四種[10-13]。利用superpave旋轉式壓實儀的試件壓實至最大轉數(shù)，記錄每一轉數(shù)的試件高度，即可連續(xù)地計算壓實過程中的試件的壓實度(以最大理論比重百分率表示)。利用AASHTO 規(guī)范來確定試件的毛體積比重(Gmb)及最大理論比重(Gmm)。Superpave的壓實準則是以壓實過程中的三個控制點為根據(jù)。這些不同的轉數(shù)是經(jīng)由不同交通量與設計溫度下的已完成路面根據(jù)實際狀況模擬而建立的。其為初始轉數(shù)Ni、設計轉數(shù)Nd與最大轉數(shù)Nm，如表1所示。其中Ni、Nd及Nm之間的關系可由下列式子求得：

lg(Ni)=0.45×lg(Nd)

(1)

lg(Nm)=1.10×lg(Nd)

(2)

其SGC壓實準則中的三個控制點，初始轉數(shù)Ni、設計轉數(shù)Nd與最大轉數(shù)Nm，其要求如表2所示。Superpave Level 1配比設計的各項體積性質的要求準則(VMA，VFA，填充料與有效瀝青比率)，是以Nd于4%空隙率的標準下所建立。

表1 Superpave不同交通量及溫度下的轉數(shù)Table1 Superpaverevolutionunderdifferenttrafficvolumeandtemperature交通量106設計7d平均最高溫度/℃100kN<3939～4041～4243～44ESALsNiNdNmNiNdNmNiNdNmNiNdNm<03768104774114778121782127<1776117783129788138793146<378613489515081001588105167<10896152810616981131818119192<308109174912119591282089135220<10091262049139228914624010153253≥1009143233101582621016527510172288

表2 Superpave的壓實準則Table2 Superpavecompactioncriteria轉數(shù)壓實準則Initial，Ni≤89%GmmDesign，Nd=96%GmmMaximam，Nm≤98%Gmm

SGC壓實過程的壓實能量可以分為兩個階段說明，第一階段的夯壓致密指數(shù)(CDI)，代表混凝土自第一次回轉壓實到壓實度達到92%Gmm，也就是瀝青混凝土現(xiàn)場鋪設壓實所累積的壓實能量；第二階段的交通致密指數(shù)(TDI)，反應瀝青混凝土路面受到開放交通荷載作用所累積的壓實能量，代表瀝青混凝土路面自92%Gmm～98%Gmm的壓實過程，超過98%Gmm的瀝青混凝土路面則傾向塑性破壞。

2 多孔隙瀝青混凝土配比設計方法

研究添加使用的鋼渣為某拌合站提供，先進行天然粒料與鋼渣物理性質試驗，所得資料作為配比設計參數(shù)，依馬歇爾方法進行配比設計，利用SGC制作試件，以了解混凝土壓實體積性質的變化。配比設計的結果，在含油量部分，所有摻配比例的設計含油量都為5.1%，而各鋼渣摻配比例的配比設計結果見表3。使用的瀝青材料為SBS改性瀝青，其60 ℃與135 ℃的粘度試驗繪制粘度與溫度關系圖，判斷瀝青混凝土的拌合溫度與壓實溫度。

旋轉壓實儀(SGC)試件制作，將拌合完成的混合料置于一淺盆內，松散的混合料厚度以21～22 kg/m2為原則。放入135 ℃烘箱內進行4 h的短期老化。壓實試體前30 min將模具放入另一烘箱內預熱至壓實溫度，并進行壓實機的各項設定，即可利用壓實機制作試件。試驗參考AASHTO Provision Method TP4，Edition 1B方法。

將SGC制作試件共計回轉300轉數(shù)的壓實過程紀錄，即繪制得到圖1所示%Gmm的壓實曲線，可以發(fā)現(xiàn)四種級配最終壓實的孔隙率介于13.2%～16.2%間，無法達到密級配瀝青混凝土98%以上的壓實度，設法將多孔隙瀝青混凝土的%Gmm轉換成另一參數(shù)%Gfinal。首先依據(jù)表1 Superpave建議的壓實準則，選取設計最大交通量與最惡劣環(huán)境條件下Nmax轉數(shù)，為多孔隙瀝青混凝土的最終壓實度Gfinal，計算SGC壓實轉數(shù)歷程%Gmm與Gfinal的比值為%Gfinal，即可獲得與密級配瀝青混凝土壓實所累積壓實能量近似的CDI與TDI兩個階段，對照SGC壓實準則中的三個控制點，初始轉數(shù)Ni、設計轉數(shù)Nd與最大轉數(shù)Nm，定義多孔隙瀝青混凝土的Npi、Npd、Npm與Nfinal。

表3 多孔隙瀝青混凝土配比設計結果Tabel3 Porousasphaltconcreteproportioningdesignresults類別含油量/%穩(wěn)定值/kN流度值/(01mm)Cantabria飛散試驗/%析漏試驗/%孔隙率/%配比設計要求/%05181119742401061798205187633572300772184405180021650400782132605187119073600721702規(guī)范要求—>350 20～40<25 <03 15～25

表3為一種級配規(guī)范，4種粒料特性的多孔隙瀝青混凝土，選定輕度、中度與重度三種設計交通量，嘗試研訂多孔隙瀝青混凝土混合料的壓實準則。依據(jù)輕度、中度與重度3種設計交通量，參考表1 Superpave建議的壓實準則，選定170、230與300轉轉數(shù)，為多孔隙瀝青混凝土3種設計交通量的最終壓實度轉數(shù)Nfinal，以對應傳統(tǒng)瀝青混凝土的理論最大密度(Gmm)。對應Superpave的壓實準則Ni、Nd與Nm三個參數(shù)，多孔隙瀝青混凝土的壓實準則為Npi、Npd與Npm，增列多孔隙瀝青混凝土的彈性壓實參數(shù)Npe。以說明多孔隙瀝青混凝土的壓實，達到0.915%Gfinal前，都是線性彈性行為。

圖1 多孔隙瀝青混凝土%Gmm轉換成%GfinalFigure 1 Porous asphalt concrete Gmm Gfinal converted

對于Npm的考慮上，讓多孔隙瀝青混凝土的壓實效應達到0.985%Gfinal以上，視為材料開始發(fā)生塑性破壞。對于Npd的考慮上，建議以0.94、0.95與0.96%Gfinal三個等級彈性選定，以符合材料在孔隙率的設計要求與應用條件。

3 多孔隙瀝青混凝土配比設計試驗成果分 析

表4顯示多孔隙瀝青混凝土的SGC壓實效應。整體而言，未添加鋼渣的多孔隙瀝青混凝土，壓實孔隙率都比較低，與較大孔隙率的級配材料約有3%的差距。添加鋼渣的多孔隙瀝青混凝土，彼此間的孔隙率最大差距約有1.0%～1.5%，顯示添加鋼渣有提高孔隙率的效果。

重度交通量設計壓實轉數(shù)Npd的孔隙率幾乎都在20%以上，而輕度交通量設計壓實轉數(shù)Npd的孔隙率，只有添加鋼渣的多孔隙瀝青混凝土，才會有機會大于20%以上，顯示粒料級配規(guī)范產(chǎn)制的多孔隙瀝青混凝土孔隙率應該小于20%，其級配材料達到彈性壓實的條件下，孔隙率介于20%～24%間，顯示此種級配粒料現(xiàn)場壓實驗收標準，沒有大于25%的機會，實際壓實的空隙率應該小于23%且大于18%，路面現(xiàn)場孔隙率性質一覽無疑。

表4 多孔隙瀝青混凝土SGC壓實效應%GmmTabel4 PorousasphaltconcreteresultsSGCpressureshouldbe%Gmm類別壓實參數(shù)%Gfinal鋼渣0%鋼渣20%鋼渣40%鋼渣60%輕交通量Npi08900762074607390749Npe09150782076507580768Npd094008050788077907910950081307960788079809600821080407960806Npm09850844082508170827Nfinal10000856083808290840中交通量Npi08900770075107440754Npe09150789077007630775Npd094008120793078407950950082008010792080409600829080908010812Npm09850850083008210833Nfinal10000863084308340846重交通量Npi08900774075507470757Npe09150795077507680779Npd094008160796078808000950082508050796080909600834081308050817Npm09850855083408260838Nfinal10000868084708380851

表5顯示多孔隙瀝青混凝土的SGC壓實轉數(shù)。SGC壓實轉數(shù)的試驗結果顯示，未添加鋼渣的多孔隙瀝青混凝土，壓實轉數(shù)都比添加鋼渣的多孔隙瀝青混凝土高，表示添加鋼渣的混凝土，較容易達到預定壓實度，未添加鋼渣的混凝土，具有稍高的車轍壓密抵抗效果。

依據(jù)不同設計交通量要求，各階段的SGC壓實轉數(shù)明顯不同，Npe的壓實轉數(shù)約比Npi的壓實轉數(shù)多5～8轉，與設計交通量同向略增。Npm的壓實轉數(shù)則明顯形成三個壓實轉數(shù)等級，每個等級間約有20～30個壓實轉數(shù)的差異，剛好符合設計交通量的等級需求。Npd的壓實轉數(shù)則會依%Gfinal的與材料應用的差異，會有不同的選擇考慮，除了交通軸載條件外，選擇較低%Gfinal壓實轉數(shù)，相對增加開放交通服務的時間，提高路面的經(jīng)濟效益。Npd的壓實轉數(shù)與其他相關研究的結論是一致的，壓實轉數(shù)約在20～50轉間，只有在重度交通量設計與0.960%Gfinal設計考慮時，壓實轉數(shù)超過50轉以上。試驗顯示，添加鋼渣的多孔隙瀝青混凝土會降低路面服務的累積交通量，借由SGC壓實轉數(shù)的控制，可以掌握材料各階段的性質。經(jīng)過前述的整理結果，可以得到SGC壓實控制準則，如表5所示SGC%Gmm，空隙率與壓實轉數(shù)準則并說明于后。

由表6和表7資料顯示：B級配規(guī)范的Npd空隙率值介于16.6%～22.1%間，若設計空隙率大于20%，則Npd的選擇應小于0.96%Gfinal，對于重交通量設計，建議選用0.95%Gfinal的設計準則。對于輕與中交通量設計，因為交通量較低與提高設計孔隙率考慮，建議采取較低0.94%Gfinal的設計準則。

對于輕與中交通量設計，建議采取較低0.94%Gfinal的設計準則；重交通量設計，建議選用0.95%Gfinal的設計準則。以拉開Npd與Npm或Nfinal的壓實轉數(shù)能量差距，做為開放交通的壓實能量使用。對于現(xiàn)場施工的控制，可以適度調整路面滾壓能量與驗收標準。建議的SGC壓實轉數(shù)介于20～50轉，是來自試驗室模擬壓實的結果，也和相關現(xiàn)場施工取樣試件的研究結果一致?？梢娐访娆F(xiàn)場壓實過程的控制，由試驗室SGC壓實轉數(shù)準則，會有具體的材料特性表現(xiàn)，提供工程人員參考引用。而Npe壓實轉數(shù)準則的建議，不論交通量因素，多孔隙瀝青混凝土要有11～19轉以上的轉數(shù)以達到0.915%Gfinal的設計準則，讓瀝青混凝土完成彈性壓實的過程，這與CDI建議壓實度達到92%Gmm的現(xiàn)場鋪設壓實所累積的壓實能量相近。對于同一級配規(guī)格的SGC壓實準則，應該不是單一數(shù)值的準則，而是以一合理區(qū)間當作控制準則，才能真實反應材料設計與施工控制的癥結。研究顯示多孔隙瀝青混凝土的SGC壓實準則，經(jīng)過Superpave SGC壓實準則中的三個控制點(Ni、Nd與Nm)與最大理論密度(Gmm)的關系，將其轉換為多孔隙瀝青混凝土的Npi、Npd、Npm與最終壓實度(Gfinal)的關系，建立多孔隙瀝青混凝土材料設計與施工控制的壓實度準則。

表5 多孔隙瀝青混凝土SGC壓實轉數(shù)Table5 PorousasphaltconcreteSGCcompactionrevolutions類別壓實參數(shù)%Gfinal鋼渣0%鋼渣20%鋼渣40%鋼渣60%輕交通量Npi0890 8 5 7 7Npe091513111212Npd094026222325095034293133096044394144Npm098597909397Nfinal1000170170170170中交通量Npi089010 7 8 8Npe091516121415Npd094032262730095041343640096056464854Npm0985130115115123Nfinal1000230230230230重交通量Npi089011 8 9 9Npe091519141617Npd094036293135095049404147096070535565Npm0985160135145155Nfinal1000300300300300

表6 多孔隙瀝青混凝土SGC%Gmm準則Tabel6 PorousasphaltconcreteSGC%Gmmcriterion設計ESALs(million)NpiNpeNpdNpmNfinal0890%Gfinal0915%Gfinal0940%Gfinal0950%Gfinal0960%Gfinal0985%Gfianl1000%Gfinal<30739～07620758～07820779～08050788～08130796～08210817～08440829～08563～300744～07700763～07890784～08120792～08200801～08290821～08500834～0863≥300747～07740768～07950788～08160796～08250805～08340826～08550838～0868

表7 多孔隙瀝青混凝土SGC空隙率準則Tabel7 PorousasphaltconcreteSGCruleofvoidfraction設計ESALs(million)NpiNpeNpdNpmNfinal0890%Gfinal0915%Gfinal0940%Gfinal0950%Gfinal0960%Gfinal0985%Gfianl1000%Gfinal<3238～261218～242195～221(建議選用)187～212179～204156～183144～1713～30230～256211～237188～216(建議選用)180～208171～199150～179137～166≥30226～253205～232184～212175～204(建議選用)166～195145～174132～162

由表8的交通量等級，建議選用的壓實轉數(shù)介于20～50轉間，和國外相關現(xiàn)場施工取樣試件的研究結果一致。對于了解的材料特性，工程人員可以用較低的壓實能量，達到現(xiàn)場施工孔隙率的驗收標準。

表8 多孔隙瀝青混凝土壓實轉數(shù)準則Tabel8 Porousasphaltconcretecompactionruleofrevolution設計ESALs(million)NpiNpeNpdNpmNfinal0890%Gfinal0915%Gfinal0940%Gfinal0950%Gfinal0960%Gfinal0985%Gfianl1000%Gfinal<35～811～1322～26(建議選用)29～3439～4490～971703～307～1012～1626～32(建議選用)34～4146～56115～130230≥308～1114～1929～3640～49(建議選用)53～70135～160300

4 結論與建議

① 以最終壓實度(Gfinal)為參考，建立以Npi、Npe、Npd、Npm與Nfinal的多孔隙瀝青混凝土SGC壓實準則，明確規(guī)定材料的彈性壓實行為(Npe)與塑性壓實作用(Npm)界線，有助工程人員施工控制與路面維護管理作業(yè)的參考依據(jù)。

② 修正多孔隙瀝青混凝土材料在配比設計階段，進行SGC壓實度試驗，就可以建立Npi、Npd、Npm與最終壓實度(Gfinal)的關系，進而決定Cpi、Cpd與Cpm多孔隙瀝青混凝土的壓實度要求，與Vpi、Vpd與Vpm孔隙率標準，達到施工控制驗收與路面長期服務性能的參考。

③ 有關排水性改質瀝青混凝土路面，材料配比設計孔隙率的設計要求，值得進一步修正，以確認最佳的設計數(shù)值，推廣應用于道路開放交通后，孔隙率壓實度變化的驗證。

④ 多孔隙瀝青混凝土路面，并非所有路段或等級的道路都適用該種材料與結構設計，應針對各種公路設施組成各路段，是否適用多孔隙瀝青混凝土鋪面。

⑤ 建議依據(jù)不同等級設計交通量與不同交通荷載分類，可以將國道高速公路與省道公路的多孔隙瀝青混凝土設計厚度，與以簡化成參考表。

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Compaction Characteristic Research Steel Slag Drainage Asphalt Mixture

HUANG Shuke

(The Laiwu Professional Technology Institute， Laiwu， Shandong 271100， China)

This study choose natural stone material as the ratio of aggregate and converter design parameters，the optimal design obtained in accordance with the ratio of Marshall method for oil content，according to different traffic characteristics to match the Superpave compaction standard specimen，and then understand the porous asphalt concrete entity changes in product properties.By SGC compaction control revolutions，understanding the material in the nature and characteristic of each stage，grading evaluation to estimate the final effective porosity and SGC compaction pressure should be，and finally establish a porous asphalt concrete pore compaction design criterion，and the correlation coefficient be explored for standard，and to be used for construction control acceptance and pavement service performance reference guide for a long time.

steel slag； compaction； criterion； porous asphalt mixture

2015 — 05 — 08

四川省交通科技計劃進步項目(201402014)

黃書科(1972 — )，男，山東萊蕪人，工程師，研究方向：建筑結構設計。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0294 — 05