粗集料纹理对钢渣多孔沥青混合料的路用性能影响研究

谷慧娟

(湖南省高速公路集团有限公司株洲分公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

多孔沥青混合料中的高空隙率可有效减少地表雨水径流，此外作为一种可持续的城市路面材料，多孔沥青混合料在环境和安全方面也具有许多优势，比如改善雨水管理、减少对驾驶员和行人的飞溅和喷洒、提高路面抗滑性和减少噪音污染等[1-2]，但其力学性能明显低于密级配沥青混合料。目前关于改善多孔沥青混合料性能的研究主要集中在集料级配和沥青结合料的性能上[3-4]，而其集料形态特征往往被忽视。沥青混合料由占总质量90%以上的集料组成，因此有必要研究集料形态的影响，以提高多孔沥青混合料的性能。集料形态具有3个独立的特征，即形状、棱角和表面纹理。形状是集料的整体形状，而棱角或圆度与颗粒边缘的变化有关；表面纹理则体现了集料表面的不规则性，反映了颗粒的表面形貌，在一定程度上决定了集料-沥青之间的界面强度[5]。

近年来，道路建设对集料用量的需求越来越高，但天然集料却愈发短缺，二者之间的矛盾越来越突出。钢渣因具有良好的棱角性和力学性能，对沥青混合料的性能具有很好的改善作用，故钢渣沥青混凝土已然成为当前研究热点之一[6]，并有学者将其应用于多孔沥青混合料中。徐帅等[7]基于正交试验研究了钢渣集料粒径、油石比和填料对钢渣多孔沥青混合料的路用性能影响，结果表明钢渣多孔沥青混合料在高温稳定性、水稳定性及马歇尔稳定性等方面优于石灰岩多孔沥青混合料。胡力群等[8]分析了粗集料棱角性对多孔沥青混合料性能的影响，发现混合料的相关性能受粗集料的棱角性和级配影响较为显著。朱铁增等[9]对不同钢渣掺量下的OGFC-13钢渣沥青混合料的性能进行了研究，结果表明钢渣会降低沥青混合料的低温抗开裂性，掺量在50%时，其高温性能和抗水损性能最佳。李婕[10]的研究表明钢渣沥青混合料的各项性能在最佳钢渣掺量选择上存在差异，高温性能和抗滑性能最优时的钢渣掺量分别是40%和60%。

目前学者们对含有钢渣的多孔沥青混合料进行了一些研究，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态特征，且还使用了不同类型的材料作为比较，虽然获得了相应沥青混合料的性能，但尚不清楚哪些形态变量实际上影响了结果，关于集料表面纹理对多孔沥青混合料的影响还有待进一步研究。为此，本文使用具有不同表面纹理的钢渣集料来评估集料表面纹理对多孔沥青混合料性能的影响，采用洛杉矶磨耗机对钢渣粗集料进行磨耗，得到具有不同表面纹理粗糙度的钢渣集料，并通过室内试验测试研究了多孔沥青混合料的相关路用性能，以期为同类工程提供参考与借鉴。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1沥青

本研究选用SBS改性沥青，其主要技术指标均满足规范的技术要求，见表1。

表1 SBS改性沥青的主要技术指标项目针入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm延度(5 ℃,5 cm·min-1)/cm软化点/℃弹性恢复率(25 ℃)/%运动黏度(135 ℃)/(Pa·s)RTFOT后残留物质量变化/%残留针入度比(25 ℃)/%残留延度(5 ℃)/cm试验结果57.828.581.795.22.130.1971.718.5技术要求≥40.0≥30.0≥80≥95≤±3.0≤±1.00≥65≥15.0试验方法T 0604T 0605T 0606T 0662T 0604T 0610T 0604T 0605

1.1.2集料

钢渣具有耐磨、硬度高、表面纹理丰富等优点，已被广泛应用于公路路面，本试验选用其作为粗集料，其主要性能指标见表2。

表2 粗集料(钢渣)的主要技术指标项目表观相对密度洛杉矶磨耗损失/%压碎值/%磨光值/%吸水率/%试验结果3.2021.912.549.21.76技术要求≥2.60≤25.0≤26.0≥42≤3试验方法T 0304T 0317T 0316T 0321T 0304

采用洛杉矶磨耗机分别对钢渣进行0、500、1 500次磨耗。因钢渣强度高，磨损过程中，其可在避免骨料形状或棱角变化的同时，获得不同表面粗糙度的钢渣粗集料，但磨耗时避免使用钢球，以减少骨料破碎。按磨耗次数对一定量粒径范围为16～4.75 mm的钢渣进行分批处理，然后利用表面粗糙度仪测量加工后的钢渣表面织构，并采用平均粗糙度(Ra)来描述骨料表面纹理，Ra是指粗糙度分布的算术平均偏差，用式(1)表示。

(1)

式中:Z(x)为粗糙度轮廓的轮廓纵坐标值，lr为观察表面的长度。

经不同磨耗次数作用后钢渣的平均粗糙度如表3所示。细集料统一采用玄武岩，主要技术指标见表4。

表3 不同次数磨耗后钢渣的平均粗糙度磨耗次数Ra/μm标准误差/μm076.21.750057.12.31 00042.62.4

表4 细集料的主要技术指标项目表观相对密度砂当量/%玄武岩2.76275.3技术要求≥2.60≥60试验方法T 0304T 0334

1.1.3矿粉

选用石灰岩矿粉作为填料，根据相关试验规范进行了性能检验，结果如表5所示，且各项性能均满足规范要求。

表5 矿粉的主要性质项目表观相对密度含水率/%亲水系数粒度范围/%<0.6 mm<0.15 mm<0.075 mm外观试验结果2.7340.70.510092.176.4粉状无结块技术要求≥2.50≤1.0<110090～10075～100无团粒结块试验方法T 0352T 0103T 0353T 0351/

1.2 级配

根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)，将粗集料经洛杉矶磨耗机研磨0、500、1 500次的混合料分别简称为PAM-Ⅰ、PAM-Ⅱ、PAM-Ⅲ，通过马歇尔、析漏和飞散试验确定其最佳油石比分别为5.8%、5.6%、5.6%，并以此开展后续相关试验，其合成级配曲线如表6所示。

表6 OGFC-13合成级配通过以下筛孔(mm)的质量分数/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.07510095.567.220.816.811.38.77.26.73.6

1.3 试验方法

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)分别对3种混合料进行高温稳定性、低温抗裂性、渗水性及水稳定性测试，并采用摆式摩擦仪和肯塔堡飞散试验测试其抗滑性和抗松散性，上述每种性能试验分别进行3组平行试验，结果取其均值。

2 试验结果分析

2.1 高温稳定性

高温稳定性是沥青混合料的重要路用性能指标，可采用车辙试验的动稳定度来表征。3种多孔沥青混合料的动稳定度如表7所示。

表7 不同钢渣多孔沥青混合料高温稳定性试验结果混合料类型动稳定度/(次·mm-1)PAM-Ⅰ6 083PAM-Ⅱ5 530PAM-Ⅲ4 912技术要求≥3 000

由表7可知，3种沥青混合料的高温抗车辙性能均高于规范要求，且与钢渣表面纹理有关。随着集料表面粗糙度的降低，沥青混合料高温性能呈逐步下降趋势，PAM-Ⅲ(磨耗1 500次)比PAM-Ⅰ(磨耗0次)下降了19.25%。这主要是由于钢渣表面粗糙、多孔、碱性，加大了集料对沥青的附着力，增加了集料和沥青之间的界面强度；另一方面当施加外部载荷时，混合料可形成较强的联锁结构，具有较粗糙表面纹理的集料会产生较大的摩擦力，摩擦力阻碍了集料颗粒之间的滑动，从而降低了混合料的永久变形，当表面粗糙度下降时，集料颗粒间更易发生滑动，所以表现出的高温稳定性相对较差。

2.2 低温抗裂性

采用低温小梁弯曲试验评价集料表面纹理粗糙度不同的多孔沥青混合料低温抗开裂能力，试验结果如图1所示。由图1可看出3种多孔沥青混合料的抗弯拉强度均满足规范不低于2 800 MPa的要求，钢渣的粗糙和多孔质地可以吸附更多的结构沥青，提高了混合料的延展性。同时，弯拉应变和抗弯拉强度的变化规律一致，均随着粗集料表面纹理粗糙度的降低而下降，表明增大集料表面纹理粗糙度可改善多孔沥青混合料的低温抗裂性能。

图1 多孔沥青混合料低温抗裂性试验结果

2.3 渗水性

多孔沥青混合料能使水径流渗入路面，并快速排出，表8为不同多孔沥青混合料的渗水性试验结果，由表可明显看出，3种混合料的渗水系数均较大，三者之间变化不大。说明多孔沥青混合料虽然具有良好的排水性能，但受粗集料表面纹理粗糙度的影响并不显著。

表8 不同多孔沥青混合料渗水性试验结果混合料类型渗水系数/(mL·s-1)PAM-Ⅰ39.7PAM-Ⅱ40.2PAM-Ⅲ40.3

2.4 水稳定性

水损害是多孔沥青混合料的一个重要特性，与其使用寿命密切相关。图2显示了3种多孔沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比，随着表面纹理粗糙度下降，两者均呈现降低的变化趋势，主要是因为随着磨耗次数的增加，钢渣表面坑槽与尖刺被逐步磨光，降低了表面孔隙率和表面积，导致吸附沥青的能力降低及钢渣与沥青反应生成的酸盐减少。说明较粗糙集料的多孔沥青混合料在受水影响后比光滑集料具有更好的稳定性，集料中粗糙的表面纹理可提高多孔沥青混合料的使用寿命。

图2 多孔沥青混合料水稳定性试验结果

2.5 抗滑性

经温度修正后3种多孔沥青混合料的摆值均满足高速公路或一级公路摆值不小于45的要求(见表9)，且随着粗集料表面纹理粗糙度的降低而下降。粗集料经磨耗1 500次后，混合料的摆值比未磨耗时降低了12%，表明粗糙度好的集料具有更佳的抗滑性能。

表9 不同多孔沥青混合料抗滑性试验结果混合料类型摆值PAM-Ⅰ68.2PAM-Ⅱ65.3PAM-Ⅲ60.9

2.6 抗松散性

路面受环境和车辆荷载及动水冲刷的长期影响，沥青与集料间的胶结力会逐步降低，出现集料的脱落和飞散，故有必要分析沥青混合料的抗松散性，其肯塔堡飞散试验结果如图3所示。从图3可看出3种不同粗糙度的多孔沥青混合料飞散损失均满足规范要求，且随着粗集料表面纹理粗糙度的降低而升高，可解释为粗集料表面的不规则性增大了集料表面积，因此比光滑的集料具有更宽的表面积，增加了集料间的有效接触。此外，粗糙表面的凹凸不平增大了集料保留沥青的能力，从而提高了联锁和附着力，因此也减少了在负载作用下集料之间的滑动，从而产生具有更高耐久性和抗冲击性的结构。

图3 肯塔堡飞散试验结果

3 结论

为了研究粗集料表面纹理对钢渣多孔沥青混合料路用性能的影响，采用洛杉矶磨耗机生产了3种不同表面粗糙度的集料，用其制备的多孔沥青混合料进行了相关路用性能测试，得到以下结论：

1)经过洛杉矶磨耗机磨耗0、500、1 500次生产出粗糙度分别为76.2、57.1、42.6 μm的集料。粗集料表面纹理对多孔沥青混合料的高温稳定性影响较为显著，较粗糙表面纹理的集料会产生较大的摩擦力，摩擦力阻碍了集料颗粒之间的滑动，从而降低了混合料的永久变形。

2)增大集料表面粗糙度可改善多孔沥青混合料的低温抗裂性能，钢渣的粗糙和多孔质地可以吸附更多的结构沥青，提高了混合料的延展性。

3)多孔沥青混合料虽然具有良好的排水性能，但其受粗集料表面纹理粗糙度的影响并不显著，较粗糙集料的多孔沥青混合料在受水影响后比光滑集料具有更好的稳定性。

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沥青的能力，从而提高了联锁和附着力，因此也降低了在负载作用下集料之间的滑动，从而产生具有更高耐久性和抗冲击性的结构。