鋼渣熱阻瀝青路面的抗車轍性能研究

張爭奇,張璟業(yè),鄭文章,2,徐玉峰,談俊卿

(1. 長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實驗室,陜西 西安 710064; 2. 湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,湖北 武漢 430051; 3. 唐山市交通運(yùn)輸局,河北 唐山 063000)

0 引 言

瀝青混合料作為一種典型的黏彈性材料,其性能對溫度變化非常敏感,隨著溫度的升高,抗變形能力降低,路面易出現(xiàn)車轍病害[1]。近幾年,一系列新的熱阻式功能路面逐漸引起道路研究者的重視。ZHENG Mulian等[2]、張增平等[3]、李新[4]研究發(fā)現(xiàn),通過使用低導(dǎo)熱系數(shù)材料或增強(qiáng)路面的熱反射能力可以有效降低路面溫度,提高路面抗車轍能力,且以熱阻集料制備熱阻型瀝青混合料是實現(xiàn)降溫效果的主要途徑之一。鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物,其表面及內(nèi)部多孔隙,升熱效率較低,具有作為熱阻集料制備熱阻型瀝青混合料的潛質(zhì)。另外,用鋼渣替代優(yōu)質(zhì)天然集料,不僅可以降低工程造價,也可促進(jìn)固廢資源化利用,具有良好的環(huán)保效益。

鑒于此,筆者首先研究鋼渣基熱阻瀝青混合料的抗車轍性能,用4.75 mm以上的鋼渣等體積替代玄武巖粗集料制備不同摻量鋼渣瀝青混合料,并對其熱阻性和降溫效果進(jìn)行評價;其次,利用數(shù)值模擬方法分析了不同鋼渣摻量瀝青路面面層對其結(jié)構(gòu)溫度場分布的影響,并采用單軸靜載蠕變試驗得到鋼渣瀝青混合料的蠕變參數(shù),在此基礎(chǔ)上建立車轍模型,綜合分析鋼渣瀝青混合料熱阻特性對提升瀝青路面抗車轍性能的有效性。

1 鋼渣瀝青混合料的組成設(shè)計

1.1 原材料

選定SMA-13瀝青混合料,并選用SBS改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料,粗集料為玄武巖,粒徑分別為9.50～16.00、4.75～9.50 mm;細(xì)集料為石灰?guī)r,粒徑為0～2.36 mm。采用石灰?guī)r礦粉和玄武巖纖維,根據(jù)馬歇爾設(shè)計方法確定SMA-13的級配,最佳油石比為5.7%。所用鋼渣選自河北省唐山市某廠生產(chǎn)的轉(zhuǎn)爐鋼渣,其物理力學(xué)特性如表1。

表1 鋼渣的物理力學(xué)特性Table 1 Physical and mechanical properties of steel slag

基于雙曲線間斷級配設(shè)計理論,構(gòu)建了3種常用的級配曲線函數(shù)模型:對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù),并通過級配優(yōu)化設(shè)計,制備了5種不同鋼渣摻量(0%,25%,50%,75%,100%)等體積替代4.75 mm以上玄武巖粗集料的瀝青混合料,得到最終級配。瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果如表2。表2中,Vmix為粗骨架間隙率,Vdrc為搗實間隙率。

表2 不同鋼渣摻量瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果Table 2 Marshall test results of asphalt mixture with different steel slag contents %

1.2 鋼渣熱阻集料的可行性

鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物,其產(chǎn)量約占原鋼的10%～15%,是一種典型的大宗工業(yè)廢棄物[5]。鋼渣的物化性質(zhì)易受鐵礦石原料、冶煉工藝、冷卻處理工藝的影響,而其可作為熱阻集料正得益于鋼渣集料壓碎值低、多孔隙、升溫效率低等的特性。I.Z.YILDIRIM等[6]、DU Yinfei等[7]、陳宗武[8]研究發(fā)現(xiàn),鋼渣內(nèi)外部均富于孔隙和空隙,且其加熱效率普遍低于玄武巖等常用巖石。

集料的升溫效率會對集料的烘干能耗和路面溫度場產(chǎn)生一定的影響。為此筆者對比了鋼渣、石灰?guī)r和玄武巖的升溫效率。將石灰?guī)r、玄武巖和鋼渣放入180 ℃烘箱加熱,利用紅外測溫儀每5 min測定3種集料的溫度,結(jié)果如圖1。

圖1 3種集料的升溫效率Fig. 1 Heating efficiency of three kinds of aggregates

總體而言,相同的加熱時長下,3種集料中鋼渣溫度最低,鋼渣和天然集料的溫度差值基本保持在16 ℃左右。加熱35 min天然集料的溫度達(dá)到烘箱設(shè)置的180 ℃時,而鋼渣僅為162 ℃。由此可見,鋼渣的加熱效率低于石灰?guī)r和玄武巖。其原因在于鋼渣為多孔隙結(jié)構(gòu),孔隙內(nèi)的空氣阻礙了熱傳導(dǎo)。

2 鋼渣瀝青混合料熱阻性評價

2.1 熱物性參數(shù)試驗

為明確不同鋼渣摻量瀝青混合料對瀝青路面溫度場的影響,采用瞬態(tài)平板熱源法確定其導(dǎo)熱系數(shù)。該法是一種非穩(wěn)態(tài)法,它基于被測瀝青混合料對圓盤熱源加熱的溫度響應(yīng),依據(jù)相應(yīng)的計算方法,得出其熱物性參數(shù)[9]。

2.1.1 試樣制備及步驟

不同鋼渣摻量(0%,25%,50%,75%,100%)的瀝青混合料試件采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型獲得,并通過鉆芯切割得到尺寸為φ100 mm×30 mm的圓柱體試件。采用瑞典Hot Disk TPS 2500S型熱常數(shù)分析儀進(jìn)行熱物性參數(shù)測試。試驗選取8個測點(diǎn)求取平均值。

2.1.2 試驗結(jié)果及分析

鋼渣瀝青混合料的熱物性參數(shù)試驗結(jié)果如圖2。由圖2可以看出,在瀝青混合料中摻加鋼渣后,隨著鋼渣摻量的增加,混合料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低,最大降幅達(dá)到了40.3%。由此說明,鋼渣的摻入會阻礙熱量向下傳遞,從而使混合料的導(dǎo)熱傳熱能力逐漸減弱,由此可知,鋼渣具有良好的阻熱性能。其原因為鋼渣內(nèi)外富于空隙和孔隙,在傳熱過程中,導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.026 W/(m·K)的空氣在一定程度上降低混合料的熱傳導(dǎo)能力。另外鋼渣的加入使瀝青混合料每單位質(zhì)量可以儲存更多熱量,具有一定的蓄熱能力,從而增加了比熱容。綜上,鋼渣瀝青混合料有利于提高瀝青路面的抗車轍性能。

圖2 不同鋼渣摻量的熱物性參數(shù)Fig. 2 Thermophysical parameters of different steel slag contents

2.2 室內(nèi)等效輻射試驗

2.2.1 試驗設(shè)備及步驟

為研究不同摻量鋼渣瀝青混合料的降溫效果,評價其熱阻性能,設(shè)計了室內(nèi)等效輻射試驗。該裝置主要由光源、溫度采集裝置、輻射計和保溫材料組成。首先安放好待測試件,試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。在試件底面4個待測點(diǎn)分別放置溫度傳感器,然后對裝置進(jìn)行標(biāo)定,并在試件周圍填充保溫材料。打開光源開關(guān)對車轍板試件進(jìn)行輻射加熱,時長為8 h。溫度采集點(diǎn)布置位置如圖3,取其溫度均值作為最終的測試結(jié)果。

圖3 溫度傳感器布設(shè)位置Fig. 3 Layout position of temperature sensor

2.2.2 試驗結(jié)果分析

不同鋼渣摻量瀝青混合料室內(nèi)等效輻射試驗結(jié)果如圖4。從圖4可以看出,隨著鋼渣摻量的增加,混合料的表面溫度有所增加,推測其原因是由于導(dǎo)熱系數(shù)降低,比熱增大,使之具有了一定的蓄熱能力。同時,由于熱量在上層蓄積,試件底面的溫度有所降低。一般而言,熱傳遞越好,板面和板底的溫度差越小。鋼渣摻量越大,車轍板表面和底面的溫差也隨之加大,溫差的變化與熱物性參數(shù)結(jié)論一致。

圖4 室內(nèi)等效輻射試驗結(jié)果Fig. 4 Indoor equivalent radiation test results

與玄武巖瀝青混合料相比,摻量為25%的鋼渣可使車轍板試件的表面和底面溫度差從2.3 ℃增加到4.1 ℃,說明鋼渣的摻入能夠削弱熱量在瀝青路面結(jié)構(gòu)中的傳遞,降低路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度,從而降低路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)車轍病害的概率。但隨著鋼渣摻量的增加,試件上下表面溫度差的提高幅度逐漸減小,說明鋼渣的摻量超過某一閾值后,降溫作用不再明顯。

2.3 車轍試驗

瀝青混合料良好的高溫穩(wěn)定性是保障瀝青路面服役壽命的基礎(chǔ),同時也可以間接反映其熱阻性能的優(yōu)劣。為此,采用車轍試驗來研究不同鋼渣摻量對瀝青混合料高溫抗車轍能力的影響,試驗結(jié)果如圖5。

圖5 不同鋼渣摻量車轍試驗結(jié)果Fig. 5 Rutting test results of different steel slag contents

由圖5可知,隨著鋼渣摻量的增大,動穩(wěn)定度呈上升趨勢。當(dāng)摻量達(dá)到75%時,鋼渣瀝青混合料的抗車轍能力最好,其動穩(wěn)定度達(dá)到7 336次/mm,相較于未摻加鋼渣的情況,提升幅度達(dá)到50%左右;當(dāng)摻量達(dá)到100%時,鋼渣瀝青混合料的永久變形量增大,動穩(wěn)定度小幅度下降。這可能是因為瀝青用量提升,在高溫下被鋼渣表面孔狀結(jié)構(gòu)吸附的自由瀝青易析出,形成了較厚瀝青膜,自由瀝青比例的上升削弱了集料間的內(nèi)摩阻力,室內(nèi)摩擦角降低,兩方面共同作用下,其高溫穩(wěn)定性開始衰減,永久變形量有所增大。

3 摻鋼渣瀝青路面有限元數(shù)值模型

3.1 路面結(jié)構(gòu)溫度場模型

為研究不同鋼渣摻量瀝青混合料對瀝青路面溫度場的影響,基于所測得的熱物性參數(shù),建立不同鋼渣摻量SMA-13瀝青面層的半剛性瀝青路面模型,利用Abaqus軟件對路面內(nèi)部溫度場進(jìn)行模擬和數(shù)值計算。

3.1.1 材料參數(shù)及氣候溫度參數(shù)確定

1) 路面材料參數(shù)

在有限元分析過程中,路面溫度場模擬的基礎(chǔ)是確定路面結(jié)構(gòu)各層的材料屬性。測得瀝青路面各層材料的熱物理參數(shù)如表3。另外,太陽輻射吸收率、路面發(fā)射率、絕對零度值及斯特藩常量是根據(jù)以往研究成果在經(jīng)驗取值范圍內(nèi)選定,取太陽輻射吸收率為0.9,路面發(fā)射率為0.7,絕對零度值為-273 K,斯特藩常量為2.041 092×10-4。

表3 瀝青路面材料熱物理參數(shù)Table 3 Thermophysical parameters of asphalt pavement materials

2) 環(huán)境溫度參數(shù)

瀝青路面抗車轍性能受溫度變化影響較大,因此在溫度場模型中需要充分考慮環(huán)境溫度變化這一主要外部因素。筆者以鋼鐵產(chǎn)量較高的河北唐山地區(qū)的氣候環(huán)境作為外部條件進(jìn)行瀝青路面溫度場數(shù)值模擬。為使溫度場模擬環(huán)境更具代表性,筆者首先分析唐山市的全年氣象信息,確定最熱月份為7月。然后采用統(tǒng)計學(xué)方法選出當(dāng)月的最高氣溫代表值,最后得出此代表性氣溫環(huán)境下一天24 h的溫度變化值。太陽輻射總量、光照時間如表4。

3.1.2 溫度場分析模型的建立

1) 瀝青路面結(jié)構(gòu)的建立

選定半剛性基層路面典型結(jié)構(gòu)建立有限元模型,路面結(jié)構(gòu)各層材料及厚度分別為SMA-13:4 cm,AC-20:6 cm,AC-25:8 cm,水泥穩(wěn)定碎石基層:40 cm,石灰土:20 cm,路面寬度為3.75 m,厚度為3 m。為簡化溫度場計算過程,假定溫度和熱流的傳遞在層間為連續(xù)狀態(tài),且僅沿垂直方向傳遞,在水平方向上不變。

2) 模型邊界條件

路面溫度場周期性變化受太陽輻射總量、有效日照時間、日最高氣溫、日最低氣溫以及平均風(fēng)速等因素影響。在有限元模擬分析時,需通過Fortran子程序定義上述因素的函數(shù)方程或環(huán)境參數(shù),之后載入路面結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行溫度場分布數(shù)值模擬。

本模型主要進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)的溫度場分析,因此采用八節(jié)點(diǎn)二次傳熱單元,對中間區(qū)域加密處理,其余部分漸變,如圖6。

3.2 路面車轍變形有限元分析模型

路面材料性質(zhì)和荷載作用是影響車轍變形的重要因素。在車轍變形有限元分析模型中,筆者采用蠕變變形參數(shù)作為瀝青混合料的黏彈性輸入?yún)?shù),并采用“以靜代動”的方法確定輪載對路面的作用。

3.2.1 混合料蠕變參數(shù)確定

1) 單軸靜載蠕變試驗

選用試驗儀器為UTM材料試驗機(jī)和Troxler 4140型旋轉(zhuǎn)壓實儀。先用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型φ150 mm×170 mm試件,設(shè)計壓實次數(shù)為100次,鉆芯得到100 mm×150 mm的試件。再用UTM材料試驗機(jī)對試件進(jìn)行加載,荷載大小為0.7 MPa,試驗溫度為30～60 ℃,步長為10 ℃,加載時間持續(xù)3 500 s。

2) 時間硬化蠕變模型

采用時間硬化蠕變模型對蠕變試驗所得的時間-應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合即可得到蠕變模型參數(shù)。張爭奇等[10]研究發(fā)現(xiàn),Bailey-Norton規(guī)律能夠描述瀝青混合料蠕變變形進(jìn)程。經(jīng)簡化,蠕變應(yīng)變率可表示為:

(1)

式中:A為冪法則乘數(shù);m為等效應(yīng)力階次;k為時間階次;q為應(yīng)力;t2為時間。

3.2.2 車轍模型的建立

1) 行車荷載簡化

為使車轍變形計算結(jié)果盡可能準(zhǔn)確,必須對輪胎施加給路面的荷載進(jìn)行合理表征。參考現(xiàn)有研究成果并結(jié)合我國規(guī)范,確定有限元模擬所用行車荷載為標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100,接地壓強(qiáng)為0.7 MPa,荷載作用形式簡化為均布荷載。按照荷載應(yīng)力作用等效原則,分別計算確定單輪荷載、單輪尺寸和輪隙間距,最終將輪胎接地尺寸簡化為21.3 mm×16.7 mm,輪隙間距為10.65 mm。

通過Abaqus對車轍模型進(jìn)行數(shù)值模擬需要確定行車荷載的加載時間。筆者采用以靜代動的簡化方法將50萬次重復(fù)加載簡化為一個加載步,結(jié)合表5中的車輛荷載模型計算參數(shù),由式(2)計算得到一次加載作用時間為0.007 54 s,50萬次的累積加載時間為3 772 s。

表5 車輛荷載模型計算參數(shù)Table 5 Calculation parameters of vehicle load model

(2)

式中:t3為輪載累積加載時間,s;N為輪載作用次數(shù),次;P為車輛軸重,kN;nw為軸的輪數(shù),個;p為輪胎接地壓力,MPa;B為輪胎接地寬度,cm;v為行車速度,km/h。

2) 邊界條件簡化

采用Abaqus建立二維有限元模型,模型底面設(shè)定為固定端約束,模型兩側(cè)則設(shè)置為鏈桿約束,用來限制豎向和水平向位移。模型荷載及邊界條件如圖7。

圖7 荷載及邊界條件Fig. 7 Load and boundary conditions

進(jìn)行變形分析時,模型需刪除溫度場分析時的熱物性參數(shù),將單軸靜載試驗獲取的時間硬化蠕變模型參數(shù)(冪法則乘數(shù)A、等效應(yīng)力階次m、時間階次k)輸入永久變形有限元分析模型中,以定義不同鋼渣摻量瀝青混合料的黏彈特性,其次還需在每個分析步中引入對應(yīng)的溫度場數(shù)據(jù)。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 鋼渣摻量對路面結(jié)構(gòu)溫度場影響

結(jié)合建立的不同鋼渣摻量SMA-13面層有限元溫度場模型,分析鋼渣SMA-13對路面結(jié)構(gòu)溫度場的隔熱效果。圖8展示了不同鋼渣摻量瀝青混合料在路表面和距路面4、10、18 cm深度處的溫度場。表6為不同鋼渣摻量下,SMA-13面層對各結(jié)構(gòu)層最高溫度的影響程度。

圖8 不同鋼渣摻量SMA-13的瀝青路面溫度場Fig. 8 Temperature field of asphalt pavement of SMA-13 with different steel slag contents

表6 不同鋼渣摻量SMA-13面層對應(yīng)的瀝青路面結(jié)構(gòu)層最高溫度Table 6 The maximum temperature of the asphalt pavement structural layer corresponding to the SMA-13 surface layer with different steel slag contents

由表6、圖8可知:路表和距路面4、10、18 cm深度處分別在第13、15、16、18 h達(dá)到最高溫度;鋼渣摻量的提高使路表最高溫度有所增大,摻量為100%時,路表最高溫度增幅為0.5 ℃左右;路面各結(jié)構(gòu)層間的最高溫度隨著鋼渣摻量的增加逐漸減少。由此可知,鋼渣SMA-13面層可以有效降低路面中下層的溫度。當(dāng)鋼渣集料摻量達(dá)到100%時,距路面4、10、18 cm深度處的最高溫度較未摻鋼渣時的最高溫度分別降低了約3.4、2.1、1.2 ℃。其原因在于鋼渣的摻入改變了混合料的熱物性參數(shù),導(dǎo)熱系數(shù)的減小降低了路面?zhèn)鬟f熱量的能力,而比熱容的增加則令路面在吸收相同熱量的情況下溫度變化幅度降低。

4.2 鋼渣摻量對車轍分析模型的影響

4.2.1 蠕變參數(shù)

利用時間硬化蠕變模型對圖8中的曲線進(jìn)行擬合,計算得到m=0.65,其他蠕變參數(shù)如表7。

表7 不同溫度下瀝青混合料蠕變參數(shù)Table 7 Creep parameters of asphalt mixture at different temperatures

由表7可知,蠕變參數(shù)會隨著溫度的升高而發(fā)生變化。冪法則乘數(shù)A對溫度的變化十分敏感,當(dāng)溫度由30 ℃上升到40 ℃,該參數(shù)提高了近一個數(shù)量級;時間階次k的絕對值隨溫度升高逐漸降低。筆者所得蠕變參數(shù)即可用在瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元模型中定義各瀝青層材料黏彈性質(zhì)。

4.2.2 車轍深度分析

基于溫度場分布情況,建立了車轍分析模型,對比了不同鋼渣摻量對路面結(jié)構(gòu)路表處車轍深度的影響,如圖9,其中豎向變形凸起量與下凹量之差為車轍深度。

圖9 鋼渣摻量對瀝青路面路表處車轍變形的影響Fig. 9 Influence of steel slag content on rutting deformation at asphalt pavement surface

由圖9可知,瀝青路面結(jié)構(gòu)的車轍深度隨著鋼渣摻量的增加而減少。鋼渣摻量為75%時,其車轍深度為14.42 mm,達(dá)到最小,相較于玄武巖瀝青混合料,其下降幅度達(dá)到43%。其原因在于鋼渣的加入增強(qiáng)了上面層的阻熱性能,有效阻止了熱量傳遞,使中層和下層結(jié)構(gòu)溫度降低。因此,鋼渣的摻入對車轍深度的減少具有顯著的改善作用。鋼渣摻量為100%時的車轍變形量與摻量為75%時非常接近,其原因可能是鋼渣摻量為100%時,其良好的阻熱性能使瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度被整體降低,從而增強(qiáng)了其整體的抗永久變形能力。

另外,路面車轍分析模型與室內(nèi)車轍試驗均根據(jù)鋼渣瀝青混合料的變形量直接或間接地反映其阻熱性能或高溫性能,將不同鋼渣摻量下軟件模擬路面車轍深度變化與車轍試驗的永久變形量進(jìn)行線性擬合,結(jié)果如圖10。瀝青混合料有限元模擬路面車轍深度變化與室內(nèi)車轍試驗永久變形量的相關(guān)系數(shù)為0.624 18,說明二者存在一定的相關(guān)性,同時也表明,考慮了混合料熱學(xué)特性和高溫性能的有限元模擬結(jié)果可靠,與室內(nèi)車轍試驗中永久變形量的變化趨勢保持一致。

圖10 路面模擬車轍深度變化與室內(nèi)車轍試驗永久變形量的相關(guān)性Fig. 10 Correlation between the change of simulated rutting depth of pavement and the permanent deformation of indoor rutting test

5 結(jié) 論

1) 鋼渣的摻入有效降低了瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù),提升了其比熱容,在一定程度上降低了混合料的熱傳導(dǎo)能力,但也提高了路面的儲熱能力。

2) 利用室內(nèi)等效熱輻射試驗評價不同鋼渣摻量瀝青混合料的降溫效果,發(fā)現(xiàn)隨著鋼渣摻量增大,車轍板表面溫度小幅度提高,上下表面的溫差逐漸加大,表明鋼渣具有良好的阻熱降溫效果。

3) 不同鋼渣摻量SMA-13面層對路面結(jié)構(gòu)溫度場產(chǎn)生了影響。路表溫度隨鋼渣摻量增大小幅度上升,而中下面層的溫度則降低,其中路面結(jié)構(gòu)4 cm深度處降溫效果最為明顯。

4) 有限元法車轍模擬計算結(jié)果分析得出,鋼渣摻量為75%時車轍變形量最小,相較于玄武巖瀝青混合料下降幅度達(dá)到43%,鋼渣的摻入有效提高了路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性能。