谷慧娟

(湖南省高速公路集團有限公司株洲分公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

多孔瀝青混合料中的高空隙率可有效減少地表雨水徑流，此外作為一種可持續(xù)的城市路面材料，多孔瀝青混合料在環(huán)境和安全方面也具有許多優(yōu)勢，比如改善雨水管理、減少對駕駛員和行人的飛濺和噴灑、提高路面抗滑性和減少噪音污染等[1-2]，但其力學性能明顯低于密級配瀝青混合料。目前關于改善多孔瀝青混合料性能的研究主要集中在集料級配和瀝青結合料的性能上[3-4]，而其集料形態(tài)特征往往被忽視。瀝青混合料由占總質量90%以上的集料組成，因此有必要研究集料形態(tài)的影響，以提高多孔瀝青混合料的性能。集料形態(tài)具有3個獨立的特征，即形狀、棱角和表面紋理。形狀是集料的整體形狀，而棱角或圓度與顆粒邊緣的變化有關；表面紋理則體現了集料表面的不規(guī)則性，反映了顆粒的表面形貌，在一定程度上決定了集料-瀝青之間的界面強度[5]。

近年來，道路建設對集料用量的需求越來越高，但天然集料卻愈發(fā)短缺，二者之間的矛盾越來越突出。鋼渣因具有良好的棱角性和力學性能，對瀝青混合料的性能具有很好的改善作用，故鋼渣瀝青混凝土已然成為當前研究熱點之一[6]，并有學者將其應用于多孔瀝青混合料中。徐帥等[7]基于正交試驗研究了鋼渣集料粒徑、油石比和填料對鋼渣多孔瀝青混合料的路用性能影響，結果表明鋼渣多孔瀝青混合料在高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及馬歇爾穩(wěn)定性等方面優(yōu)于石灰?guī)r多孔瀝青混合料。胡力群等[8]分析了粗集料棱角性對多孔瀝青混合料性能的影響，發(fā)現混合料的相關性能受粗集料的棱角性和級配影響較為顯著。朱鐵增等[9]對不同鋼渣摻量下的OGFC-13鋼渣瀝青混合料的性能進行了研究，結果表明鋼渣會降低瀝青混合料的低溫抗開裂性，摻量在50%時，其高溫性能和抗水損性能最佳。李婕[10]的研究表明鋼渣瀝青混合料的各項性能在最佳鋼渣摻量選擇上存在差異，高溫性能和抗滑性能最優(yōu)時的鋼渣摻量分別是40%和60%。

目前學者們對含有鋼渣的多孔瀝青混合料進行了一些研究，并取得了一定的研究成果，但在以往研究中并未控制其他形態(tài)特征，且還使用了不同類型的材料作為比較，雖然獲得了相應瀝青混合料的性能，但尚不清楚哪些形態(tài)變量實際上影響了結果，關于集料表面紋理對多孔瀝青混合料的影響還有待進一步研究。為此，本文使用具有不同表面紋理的鋼渣集料來評估集料表面紋理對多孔瀝青混合料性能的影響，采用洛杉磯磨耗機對鋼渣粗集料進行磨耗，得到具有不同表面紋理粗糙度的鋼渣集料，并通過室內試驗測試研究了多孔瀝青混合料的相關路用性能，以期為同類工程提供參考與借鑒。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1瀝青

本研究選用SBS改性瀝青，其主要技術指標均滿足規(guī)范的技術要求，見表1。

表1 SBS改性瀝青的主要技術指標項目針入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm延度(5 ℃,5 cm·min-1)/cm軟化點/℃彈性恢復率(25 ℃)/%運動黏度(135 ℃)/(Pa·s)RTFOT后殘留物質量變化/%殘留針入度比(25 ℃)/%殘留延度(5 ℃)/cm試驗結果57.828.581.795.22.130.1971.718.5技術要求≥40.0≥30.0≥80≥95≤±3.0≤±1.00≥65≥15.0試驗方法T 0604T 0605T 0606T 0662T 0604T 0610T 0604T 0605

1.1.2集料

鋼渣具有耐磨、硬度高、表面紋理豐富等優(yōu)點，已被廣泛應用于公路路面，本試驗選用其作為粗集料，其主要性能指標見表2。

表2 粗集料(鋼渣)的主要技術指標項目表觀相對密度洛杉磯磨耗損失/%壓碎值/%磨光值/%吸水率/%試驗結果3.2021.912.549.21.76技術要求≥2.60≤25.0≤26.0≥42≤3試驗方法T 0304T 0317T 0316T 0321T 0304

采用洛杉磯磨耗機分別對鋼渣進行0、500、1 500次磨耗。因鋼渣強度高，磨損過程中，其可在避免骨料形狀或棱角變化的同時，獲得不同表面粗糙度的鋼渣粗集料，但磨耗時避免使用鋼球，以減少骨料破碎。按磨耗次數對一定量粒徑范圍為16～4.75 mm的鋼渣進行分批處理，然后利用表面粗糙度儀測量加工后的鋼渣表面織構，并采用平均粗糙度(Ra)來描述骨料表面紋理，Ra是指粗糙度分布的算術平均偏差，用式(1)表示。

(1)

式中:Z(x)為粗糙度輪廓的輪廓縱坐標值，lr為觀察表面的長度。

經不同磨耗次數作用后鋼渣的平均粗糙度如表3所示。細集料統(tǒng)一采用玄武巖，主要技術指標見表4。

表3 不同次數磨耗后鋼渣的平均粗糙度磨耗次數Ra/μm標準誤差/μm076.21.750057.12.31 00042.62.4

表4 細集料的主要技術指標項目表觀相對密度砂當量/%玄武巖2.76275.3技術要求≥2.60≥60試驗方法T 0304T 0334

1.1.3礦粉

選用石灰?guī)r礦粉作為填料，根據相關試驗規(guī)范進行了性能檢驗，結果如表5所示，且各項性能均滿足規(guī)范要求。

表5 礦粉的主要性質項目表觀相對密度含水率/%親水系數粒度范圍/%<0.6 mm<0.15 mm<0.075 mm外觀試驗結果2.7340.70.510092.176.4粉狀無結塊技術要求≥2.50≤1.0<110090～10075～100無團粒結塊試驗方法T 0352T 0103T 0353T 0351/

1.2 級配

根據《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40-2004)，將粗集料經洛杉磯磨耗機研磨0、500、1 500次的混合料分別簡稱為PAM-Ⅰ、PAM-Ⅱ、PAM-Ⅲ，通過馬歇爾、析漏和飛散試驗確定其最佳油石比分別為5.8%、5.6%、5.6%，并以此開展后續(xù)相關試驗，其合成級配曲線如表6所示。

表6 OGFC-13合成級配通過以下篩孔(mm)的質量分數/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.07510095.567.220.816.811.38.77.26.73.6

1.3 試驗方法

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)分別對3種混合料進行高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、滲水性及水穩(wěn)定性測試，并采用擺式摩擦儀和肯塔堡飛散試驗測試其抗滑性和抗松散性，上述每種性能試驗分別進行3組平行試驗，結果取其均值。

2 試驗結果分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性是瀝青混合料的重要路用性能指標，可采用車轍試驗的動穩(wěn)定度來表征。3種多孔瀝青混合料的動穩(wěn)定度如表7所示。

表7 不同鋼渣多孔瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗結果混合料類型動穩(wěn)定度/(次·mm-1)PAM-Ⅰ6 083PAM-Ⅱ5 530PAM-Ⅲ4 912技術要求≥3 000

由表7可知，3種瀝青混合料的高溫抗車轍性能均高于規(guī)范要求，且與鋼渣表面紋理有關。隨著集料表面粗糙度的降低，瀝青混合料高溫性能呈逐步下降趨勢，PAM-Ⅲ(磨耗1 500次)比PAM-Ⅰ(磨耗0次)下降了19.25%。這主要是由于鋼渣表面粗糙、多孔、堿性，加大了集料對瀝青的附著力，增加了集料和瀝青之間的界面強度；另一方面當施加外部載荷時，混合料可形成較強的聯鎖結構，具有較粗糙表面紋理的集料會產生較大的摩擦力，摩擦力阻礙了集料顆粒之間的滑動，從而降低了混合料的永久變形，當表面粗糙度下降時，集料顆粒間更易發(fā)生滑動，所以表現出的高溫穩(wěn)定性相對較差。

2.2 低溫抗裂性

采用低溫小梁彎曲試驗評價集料表面紋理粗糙度不同的多孔瀝青混合料低溫抗開裂能力，試驗結果如圖1所示。由圖1可看出3種多孔瀝青混合料的抗彎拉強度均滿足規(guī)范不低于2 800 MPa的要求，鋼渣的粗糙和多孔質地可以吸附更多的結構瀝青，提高了混合料的延展性。同時，彎拉應變和抗彎拉強度的變化規(guī)律一致，均隨著粗集料表面紋理粗糙度的降低而下降，表明增大集料表面紋理粗糙度可改善多孔瀝青混合料的低溫抗裂性能。

圖1 多孔瀝青混合料低溫抗裂性試驗結果

2.3 滲水性

多孔瀝青混合料能使水徑流滲入路面，并快速排出，表8為不同多孔瀝青混合料的滲水性試驗結果，由表可明顯看出，3種混合料的滲水系數均較大，三者之間變化不大。說明多孔瀝青混合料雖然具有良好的排水性能，但受粗集料表面紋理粗糙度的影響并不顯著。

表8 不同多孔瀝青混合料滲水性試驗結果混合料類型滲水系數/(mL·s-1)PAM-Ⅰ39.7PAM-Ⅱ40.2PAM-Ⅲ40.3

2.4 水穩(wěn)定性

水損害是多孔瀝青混合料的一個重要特性，與其使用壽命密切相關。圖2顯示了3種多孔瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比，隨著表面紋理粗糙度下降，兩者均呈現降低的變化趨勢，主要是因為隨著磨耗次數的增加，鋼渣表面坑槽與尖刺被逐步磨光，降低了表面孔隙率和表面積，導致吸附瀝青的能力降低及鋼渣與瀝青反應生成的酸鹽減少。說明較粗糙集料的多孔瀝青混合料在受水影響后比光滑集料具有更好的穩(wěn)定性，集料中粗糙的表面紋理可提高多孔瀝青混合料的使用壽命。

圖2 多孔瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗結果

2.5 抗滑性

經溫度修正后3種多孔瀝青混合料的擺值均滿足高速公路或一級公路擺值不小于45的要求(見表9)，且隨著粗集料表面紋理粗糙度的降低而下降。粗集料經磨耗1 500次后，混合料的擺值比未磨耗時降低了12%，表明粗糙度好的集料具有更佳的抗滑性能。

表9 不同多孔瀝青混合料抗滑性試驗結果混合料類型擺值PAM-Ⅰ68.2PAM-Ⅱ65.3PAM-Ⅲ60.9

2.6 抗松散性

路面受環(huán)境和車輛荷載及動水沖刷的長期影響，瀝青與集料間的膠結力會逐步降低，出現集料的脫落和飛散，故有必要分析瀝青混合料的抗松散性，其肯塔堡飛散試驗結果如圖3所示。從圖3可看出3種不同粗糙度的多孔瀝青混合料飛散損失均滿足規(guī)范要求，且隨著粗集料表面紋理粗糙度的降低而升高，可解釋為粗集料表面的不規(guī)則性增大了集料表面積，因此比光滑的集料具有更寬的表面積，增加了集料間的有效接觸。此外，粗糙表面的凹凸不平增大了集料保留瀝青的能力，從而提高了聯鎖和附著力，因此也減少了在負載作用下集料之間的滑動，從而產生具有更高耐久性和抗沖擊性的結構。

圖3 肯塔堡飛散試驗結果

3 結論

為了研究粗集料表面紋理對鋼渣多孔瀝青混合料路用性能的影響，采用洛杉磯磨耗機生產了3種不同表面粗糙度的集料，用其制備的多孔瀝青混合料進行了相關路用性能測試，得到以下結論：

1)經過洛杉磯磨耗機磨耗0、500、1 500次生產出粗糙度分別為76.2、57.1、42.6 μm的集料。粗集料表面紋理對多孔瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性影響較為顯著，較粗糙表面紋理的集料會產生較大的摩擦力，摩擦力阻礙了集料顆粒之間的滑動，從而降低了混合料的永久變形。

2)增大集料表面粗糙度可改善多孔瀝青混合料的低溫抗裂性能，鋼渣的粗糙和多孔質地可以吸附更多的結構瀝青，提高了混合料的延展性。

3)多孔瀝青混合料雖然具有良好的排水性能，但其受粗集料表面紋理粗糙度的影響并不顯著，較粗糙集料的多孔瀝青混合料在受水影響后比光滑集料具有更好的穩(wěn)定性。

4)粗糙度好的集料具有更佳的抗滑性能和抗松散性，粗糙表面的凹凸不平增加了集料保留瀝青的能力，從而提高了聯鎖和附著力，因此也降低了在負載作用下集料之間的滑動，從而產生具有更高耐久性和抗沖擊性的結構。