鋼渣PAC-13排水路面堵塞影響因素試驗研究

作者簡介：

黃啟發(fā)（1994—），助理工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

文章為了研究不同因素對鋼渣PAC-13排水路面堵塞情況的影響，選取高黏劑摻量、級配、土的塑性指數(shù)三個影響因素，利用正交試驗設(shè)計得到L9（33）試驗結(jié)果，并以滲水系數(shù)差值CW為響應(yīng)量，用極差與方差進(jìn)行分析。結(jié)果表明，以透水性最佳為目標(biāo)，影響因素水平最佳組合為：高黏劑摻量為12%、級配三、土的塑性指數(shù)為3%。對其進(jìn)行驗證后可知，滿足透水性最佳目標(biāo)，且常規(guī)路用性能滿足規(guī)范技術(shù)要求。

道路工程；鋼渣；PAC-13；路面堵塞；正交試驗

中圖分類號：U416.03 A 05 012 3

0 引言

我國南方氣候特點為高溫多雨，多雨容易使路面產(chǎn)生水損壞，為應(yīng)對這一問題，排水瀝青路面應(yīng)運(yùn)而生。排水瀝青路面具有良好的排水和降噪特點，能有效解決水損害問題，已得到廣泛應(yīng)用［1-2］。但排水路面經(jīng)過雨水沖刷、輪胎碾壓會導(dǎo)致土、沙礫等堵塞物進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)，降低其排水效果，失去排水作用。不同學(xué)者對影響排水路面透水性的因素展開了研究。王宏暢等［3］將水與不同粒徑的細(xì)集料混合作為堵塞物，對排水路面進(jìn)行了研究，得出粒徑較大的堵塞物更容易導(dǎo)致路面堵塞的結(jié)論。向曉東等［4］通過對鋼渣OGFC排水瀝青混合料的研究，得出其滲水能力強(qiáng)的結(jié)論。韓祖麗等［5］通過對鋼渣排水路面堵塞性能的研究，得出堵塞物越多滲水性能越低的結(jié)論。朱旭偉等［6］認(rèn)為級配與排水路面透水性能有很大的相關(guān)性。Masad等［7］發(fā)現(xiàn)在排水路面雨水和車輪荷載共同作用下，下面層的空隙率下降更快。許銀行［8］通過對雙層排水路面結(jié)構(gòu)的研究，得出雙層排水路面比單層排水路面具有更好的抗堵塞性能的結(jié)論。段寶東等［9］根據(jù)堵塞物的性質(zhì)對排水路面堵塞情況分析，得出土的塑性指數(shù)與路面的堵塞情況存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)。

綜上所述，許多因素都可對路面的抗堵塞性能產(chǎn)生影響，但在影響程度方面的研究較少。因此，本文選取可能影響排水路面堵塞情況的3個因素進(jìn)行正交試驗設(shè)計，分析各因素對排水路面堵塞情況影響的顯著程度。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

本研究使用70#基質(zhì)瀝青，通過摻加不同質(zhì)量比例（12%、16%、20%）的高黏劑得到不同的高黏改性瀝青。70#基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示，高黏劑技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表2所示。

在本次研究中，使用鋼渣代替4.75 mm粒徑以上的粗集料。鋼渣技術(shù)指標(biāo)如表3所示。細(xì)集料和礦粉為石灰?guī)r，纖維選用木質(zhì)素纖維。

1.2 配合比設(shè)計

排水瀝青路面的空隙率通常為18%～25%，本次選用20%的空隙率作為目標(biāo)級配，參考文獻(xiàn)［10］，以2.36 mm篩孔通過百分率±3%初選3種級配，并進(jìn)行體積換算。經(jīng)過體積換算得到的3種級配如表4所示。

根據(jù)表4中各篩孔的通過率，利用公式得出預(yù)估最佳瀝青用量：級配一為5.1%、級配二為5.4%、級配三為5.8%。后續(xù)試驗中，各級配使用相應(yīng)的預(yù)估最佳瀝青用量。

1.3 試驗設(shè)計

排水路面堵塞是由于堵塞物經(jīng)過雨水沖刷、輪胎碾壓，進(jìn)入路面中不能排出而導(dǎo)致的。堵塞物的性質(zhì)也會對排水路面的堵塞情況產(chǎn)生影響。本研究采用不同塑性指數(shù)的土來模擬不同類型的堵塞物。土的塑性指數(shù)越高說明其顆粒越細(xì)，比表面積越大，吸水性較好，越容易造成路面的堵塞。以高黏劑摻量、級配、土的塑性指數(shù)為影響因素，以排水路面的滲水系數(shù)為主要響應(yīng)量，進(jìn)行三因素三水平的正交實驗設(shè)計，正交試驗設(shè)計水平如表5所示。

根據(jù)不同高黏劑摻量的改性瀝青與級配按照試驗規(guī)程成型車轍試件。為提高試驗的準(zhǔn)確性，每種高黏劑改性瀝青與級配的組合成型3塊車轍板。室內(nèi)模擬雨水沖刷堵塞物堵塞路面的過程如下：

（1）按照試驗規(guī)程對車轍板進(jìn)行透水試驗，得到初始滲水系數(shù)CW0。

（2）等車轍板干燥后，在車轍板面上鋪撒500 g不同塑性指數(shù)的土，再次進(jìn)行滲水試驗，得到滲水系數(shù)CW1。

（3）對步驟（2）進(jìn)行4次重復(fù)，得到滲水系數(shù)CW4。

（4）以得到的CW0～CW4差值CW作為評價堵塞情況的指標(biāo)。

CW越大說明滲水系數(shù)降低越快，其路面透水性能越差，CW越小說明路面滲水性能越好。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 鋼渣SEM圖像分析

鋼渣的表觀結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都存在孔洞和孔隙，這種結(jié)構(gòu)特點使鋼渣具有良好的透水性能，相比于天然集料更適用于透水路面。但是，孔隙的存在也增加了路面堵塞的可能性。

2.2 正交試驗結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計水平進(jìn)行正交試驗，以滲水系數(shù)差值作為響應(yīng)結(jié)果，試驗結(jié)果如表6所示。

通過正交試驗結(jié)果，可以通過極差與方差分析得出滲水系數(shù)差值最大與最小情況下的最優(yōu)影響因素水平組合。利用Minitab軟件對正交試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中，Ki代表某一因素下水平i的平均值，平均值的大小可以評價該水平下對響應(yīng)值的影響大小；Delta代表該因素不同水平下最大值與最小值的差值，Delta越大表明對響應(yīng)量的影響程度越大，根據(jù)Delta的大小對影響因素進(jìn)行排序。

由表7可知，對滲水系數(shù)差值影響最為顯著的因素為土的塑性指數(shù)，極差值為1 589；其次是混合料的級配，不同級配的空隙率不同，極差值為564；影響因素最不顯著的為高黏劑的摻量，極差值為110。對CW影響顯著性從高到低為土的塑性指數(shù)、混合料級配和高黏劑摻量。

由圖1可知，隨著高黏劑摻量的增加，滲水系數(shù)差值逐漸升高，表明滲水系數(shù)降低得較快，路面適水性能較差。在高黏劑摻量達(dá)到20%時，滲水系數(shù)差值最大，路面堵塞情況最為嚴(yán)重。其原因是過多的高黏劑摻量使瀝青的黏度變大，增強(qiáng)瀝青與集料之間的粘附性。而較好的粘附性能改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但也增強(qiáng)了瀝青-瀝青、瀝青-集料之間的粘結(jié)，使混合料的空隙率降低，從而降低了混合料的透水性能。隨著混合料級配的增大，滲水系數(shù)差值逐漸降低，這表明路面的透水性能變好，沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的路面堵塞情況。相對于級配一和級配二之間滲水系數(shù)的差值，級配二和級配三之間的滲水系數(shù)差值變化不大。這可能是因為級配一和級配二的空隙率差異對堵塞物通過率存在影響，空隙率大的級配，堵塞物通過的可能性較大。而堵塞物土的最大粒徑能夠同時通過級配二和級配三的空隙，所以兩者滲水系數(shù)差值差異較小。隨著土的塑性指數(shù)的增加，滲水系數(shù)差值的變化較大，因為土的塑性指數(shù)越大，土越黏，越容易停留在混合料的空隙中，不容易被雨水沖刷掉，從而容易造成路面堵塞。

利用方差分析評價各影響因素對滲水系數(shù)的影響程度。在方差分析中，通常以P值來評價某因素對響應(yīng)量的顯著性。P值lt;0.05則說明該影響因素對響應(yīng)量影響顯著，否則影響不顯著。通過表8可知，在高黏劑摻量、級配、土的塑性指數(shù)這3個影響因素中，影響因素B與影響因素C的P值＜0.05，影響效果顯著。其中影響因素C的P值小于影響因素B的P值，說明影響因素C對滲水系數(shù)差值的影響程度大于影響因素B。而影響因素A的P值為0.34，gt;0.05，影響效果不顯著。通過方差分析，得出3個影響因素對滲水系數(shù)差值的影響程度由大到小順序為土的塑性指數(shù)、級配、高黏劑摻量。方差分析與極差分析對滲水系數(shù)差值影響程度順序結(jié)果相同。

通過上述分析，以路面不堵塞為目標(biāo)，即滲水系數(shù)差值最小為目標(biāo)，得到3個影響因素各水平最佳組合為A1B3C1，即高黏劑摻量為12%、級配為級配三、土的塑性指數(shù)為3%。

3 性能驗證

通過正交試驗得到了9組不同影響因素水平組合的滲水系數(shù)差值，通過極差與方差分析，以堵塞情況最低、滲水系數(shù)差值最小為目標(biāo)，得出高黏劑摻量為12%、級配為級配三、土的塑性指數(shù)為3%的組合。然而在正交試驗設(shè)計的9組水平組合中并沒有該組合，所以需對得到的新組合的透水性和堵塞情況進(jìn)行驗證。驗證結(jié)果如表9所示。

在排水路面結(jié)構(gòu)中，透水性只是瀝青混合料的其中一個性能，其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性等路用常規(guī)性能也需要滿足規(guī)范要求。試驗過程中，影響因素C只會對排水路面的堵塞情況產(chǎn)生影響，與高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性無關(guān)。因此，在對這3個路用性能進(jìn)行驗證時，只考慮影響因素A、B，即在A1B3組合下對3種路用性能進(jìn)行驗證，結(jié)果如表10所示。

由表10可知，在A1B3組合條件下，高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性均滿足技術(shù)指標(biāo)。

綜合驗證下，說明A1B3C1組合能滿足常規(guī)路用性能要求且透水性能最佳，路面不容易發(fā)生堵塞。

4 結(jié)語

（1）鋼渣是一種多孔性材料，內(nèi)部具有較大的空隙率，本身具有一定的滲水能力。

（2）通過正交試驗設(shè)計，以滲水系數(shù)差值CW為評價指標(biāo)，通過極差與方差分析得到了各因素對排水路面堵塞的影響程度由大到小依次為：土的塑性指數(shù)、級配、高黏劑摻量。

（3）以堵塞可能性最小，即滲水系數(shù)差值最小為目標(biāo)，得到了影響因素最佳水平組合為A1B3C1，即高黏劑摻量為12%、級配為級配三、土的塑性指數(shù)為3%。

（4）對A1B3C1水平組合進(jìn)行了透水性能驗證，均值為滲水系數(shù)差值最小，符合透水性能最佳目標(biāo)；對A1B3C1組合進(jìn)行了常規(guī)路用性能驗證，均滿足規(guī)范技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2022-10-16