钢渣OGFC-13型排水沥青混合料的配合比设计及性能研究.pdf

第 36 卷第 6 期武汉科技大学学报Vol 36 No 6 2013 年 12 月Journal of Wuhan University of Science and TechnologyDec 2013 收稿日期 基金项目 武汉市高新技术成果转化及产业化项目 作者简介 向晓东 男 武汉科技大学教授 博士生导师 E mail qq com 钢渣 O G FC 型排水沥青混合料的配合比 设计及性能研究 向晓东 周溪滢 李灿华 华洲连 焦立新 武汉科技大学资源与环境工程学院 湖北 武汉 武汉钢铁集团金属资源有限责任公司 湖北 武汉 摘要 以钢渣为粗集料 石灰岩为细集料 矿粉为填料 SBS 改性沥青为结合料配制 OGFC 型开级配钢渣排 水沥青混合料 其配合比为m mm钢渣 m mm钢渣 m mm钢渣 m mm 石灰岩 m 矿粉 最佳油石比为 聚脂纤维用量为 该沥青混合料的钢渣用量高达 且不用提高改性沥青和纤维用量 有利于钢渣的综合利用 节约道路建 设成本 通过马歇尔稳定度 冻融劈裂强度和车辙试验得出 该沥青混合料的马歇尔稳定度为 kN 劈裂 强度比为 动稳定度为 次 mm 均优于技术规范要求 该沥青混合料的渗水系数为 mL s 摩擦系数 BPN 值 为 表明其渗水能力很强 抗滑性能优良 关键词 沥青混合料 钢渣 开级配磨耗层 排水沥青路面 配合比 中图分类号 U 文献标志码 A 文章编号 排水沥青路面能及时排走路表积水 降低行 车噪音 提高路面表面粗糙度 增加驾驶的舒适性 与安全性 在欧美及日本等国已得到广泛应 用 我国对排水沥青路面的研究和应用起步 较晚 自 年起 京沪高速公路沧州段 西安 咸阳机场高速公路 湖北随岳中高速公路等均采 用过此类路面 实际应用效果表明 传统集料 排水沥青路面存在易老化 松散掉粒等问题 导致 沥青路面发生早期病害 影响了排水沥青路面的 使用耐久性 作为骨架嵌挤多孔结构的开级配排水沥青路 面 对沥青与集料的黏附性提出了更高的要求 而 钢渣的棱角性和耐磨性较好 与沥青有良好的黏 附性 用于道路工程领域可以降低道路成本 节约 天然石料 保护生态环境 因此 本文对以钢渣 为粗集料的排水沥青混合料进行配合比设计 并 对混合料的性能进行研究 以期为钢渣的资源化 综合利用提供参考 原材料 1 1 粗集料 在排水沥青混合料中 粗集料的用量在 以上 粗集料之间要形成嵌挤作用才能保证混合 料有较高的空隙率 这就要求粗集料自身均匀 洁净 干燥 无风化 无杂质 并有足够的强度 耐 磨性 抗冻性 耐腐蚀性 抗冲击性 耐磨光性 抗 破碎性以及与沥青的良好黏附性 且必须严格限 制粗集料的扁平颗粒含量 钢渣特有的材料特 性使其比较适合于作为排水沥青混合料的集料 因此本研究选用湖北省某大型钢铁企业产生的钢 渣作为粗集料 其化学成分和路用性能见文献 该钢渣粗集料的粒级分为 种 mm 记为 料 mm 记为 料 mm 记为 料 1 2 细集料 细集料为石灰岩 粒级为 mm 记 为 料 其路用性能见表 表 1 石灰石细集料的性能指标 Table 1 Performance indexes of the fine aggregate limestone 项目 表观相对 密度 砂当量 棱角性 流动 时间 s 实测值 葺 蝌 n 技术标准值 D 览 1 3 填料 结合料及纤维稳定剂 填料使用矿粉 其由石灰岩中的强基性岩石 2013 年第 6 期向晓东 等 钢渣 OGFC 13 型排水沥青混合料的配合比设计及性能研究 等憎水性石料磨细而成 磨前应将原石料中的泥 土杂质除净 结合料采用美国 Koch 公司生产的 PG 型 SBS 改性沥青 纤维稳定剂采用聚 酯纤维 其直径一般小于 m 配合比设计 2 1 集料筛分 对所用的各档集料进行筛分 其结果见表 表 2 集料筛分结果 Table 2 Screening results of the aggregates 集料 通过以下筛孔 mm 的质量分数 行 镲 V 灋 骀 B 妸 揪 耨 滗 镲 7 j 圹 k 吵 C 滗 镲 7 j 圹 k 吵 C 滗 7 膊 k 吵 C 滗 t 乔 W 煙 珑 矿粉 滗 t 技 L 敂 煙 珑 2 2 混合料合成级配 按照 OGFC 型级配设计钢渣排水沥青混 合料 级配设计方法参照文献 在最大干密度 的情况下确定该沥青混合料的配合比为 m 料 m 料 m 料 m 料 m 矿粉 混合料合成级配见表 表 3 OGFC 13 沥青混合料的合成级配 Table 3 Appropriate blends of OGFC 13 asphalt mixture 级配 通过以下筛孔 mm 的质量分数 K 乔 k 吵 珑 级配范围 6 圹 k 灋 骀 b 合成级配 6 痧 8 k 吵 C 2 3 最佳沥青用量 由于国内外对排水沥青路面的要求不同 其 设计原则也就不尽相同 本研究综合各国设计原 则和质量检测要求 对 OGFC 级配钢渣沥青 混合料进行沥青用量设计 目标空隙率为 初选 和 这 种油石比 以确定的矿料级配和初始油石比 拌和制备沥青混合料 并分别进行空隙率试验 析 漏试验 肯塔堡飞散试验和马歇尔稳定度试验 结 果如表 所示 表 4 油石比不同时沥青混合料的性能指标 Table 4 Performance indexes of asphalt mixtures at different asphalt aggregate ratios 油石比 马歇尔稳定度 kN空隙率 析漏损失 肯特堡飞散损失 7 痧 痧 珑 7 痧 痧 珑 7 痧 痧 珑 痧 痧 珑 痧 痧 乙 技术标准值 K k B 9 由表 可见 与马歇尔稳定度最大值 空隙率 最大值 析漏损失最小值 肯塔堡飞散损失最小值 分别相对应的油石比为 取其平均值得到最佳油石比初始值 OAC 同时 各项指标均符合沥青混合料技术标准 要求的油石比范围为 即 OACmin OACmax 取其平均值得到最佳油 石比初始值 OAC 通常情况下取 OAC 及 OAC 的中值作为最 佳油石比 OAC 即 OAC OAC OAC 因此 钢渣 OGFC 型沥青混合料的最 佳油石比定为 另外 为了提高改性沥青 的抗松散性 在其中添加 纤维与沥青质量 比 的聚酯纤维 以下沥青混合料均在确定的矿 料级配和最佳油石比的条件下拌制 混合料性能研究 3 1 马歇尔稳定度和冻融劈裂性能分析 试件的制备 标准马歇尔试验采用规格为矱 mm mm 的圆柱体试件 按照文献 中的 沥青 混合料试件制作方法 击实法 T 制备 由于马歇尔试验的试件高度需要严格控制 在 mm 范围内 而集料配比 油石比 装填温度 马歇尔试验仪的击打次数及力度都会 影响其成型高度 因此混合料的装填量需要经过 反复试验得到 最终本试验的混合料装填量确定 524 武汉科技大学学报2013 年第 6 期 为 g 此时得到的试件高度完全满足技术规 范要求 试验结果与分析 按照文献 中的 沥青混合料马歇尔稳定度 试验 T 和 沥青混合料冻融劈裂试 验 T 对钢渣 OGFC 沥青混合 料的标准马歇尔试件进行马歇尔稳定度和冻融劈 裂强度测试 其结果如表 所示 表 5 沥青混合料的性能指标 Table 5 Performance indexes of asphalt mixture 空隙率 马歇尔稳定度 kN非冻融劈裂强度 MPa冻融劈裂强度 MPa劈裂强度比 i 蜒 M 由表 可知 钢渣 OGFC 沥青混合料试件 的空隙率为 满足 的规范要 求 该沥青混合料中 粗集料占矿料的 它 们相互嵌挤形成骨架结构 细集料和填料在矿料 中的比例只有 仅作填充物占据一部分空 间 其余均为空隙 马歇尔稳定度是评价沥青混合料高温稳定性 的重要指标 排水沥青混合料的马歇尔稳定度应 不小于 kN 该钢渣沥青混合料的马歇尔 稳定度高达 kN 表明其结构稳定性满足技术 要求 虽然粗集料过多导致的高空隙率会影响混 合料的稳定性 但本研究采用的 SBS 改性沥青性 能较好 其高黏附性增大了集料颗粒之间的黏结 力 其稳定的物化性能可提高混合料的耐久性 同时 添加的聚酯纤维对沥青有吸附作用 形成结 构沥青网 减少了自由沥青数量 使混合料的稳定 性进一步得到提高 而良好的稳定性是保证排水 沥青路面平整且不易变形的基本条件 冻融劈裂试验通过测定沥青混合料试件在受 到水损害前后劈裂破坏的强度比来评价沥青混合 料的水稳定性 本试验模拟实际环境中随温度变 化时沥青路面内部结构的变化 其测试结果是评 价沥青混合料的重要技术指标 由表 可见 该 钢渣沥青混合料的劈裂强度比为 大于技 术规范中要求的 表明混合料抗水损害能 力较强 能够实际应用于排水沥青路面 3 2 高温车辙测试分析 用车辙碾压成型机制备 个板块状车辙试 件 尺寸为 mm mm mm 车辙试 验温度为 轮压为 MPa 将试件连同试 模在 的恒温室中保温 h 然后一起 置于车辙试验机的试验台上 使试验轮往返行走 约 h 行走方向与试件成型方向一致 试件变 形曲线如图 所示 根据获得的变形曲线可以计 算出试件的动稳定度为 次 mm 远高于技 术规范中要求的 次 mm 3 3 混合料渗水性能 渗水系数是评价排水沥青混合料排水性能的 图 1 车辙试验记录的变形曲线 Fig 1 Deformation curve of rutting test 重要指标以及确定混合料级配组成的一个间接指 标 也是混合料内部空隙率大小的宏观反映 目前 多采用路面渗水仪来测量 将制得的板状车辙试 件冷却到室温脱模 然后按照文献 中的 沥青 混合料渗水试验 T 对车辙试件进 行渗透性能检测 并计算得出车辙试件的渗水系 数为 mL s 该钢渣沥青混合料的渗水系数 远大于普通沥青混合料的渗水系数标准值 mL s 表明其内部结构中空隙率大 排水性能良 好 3 4 混合料摩擦性能 摩擦系数是对混合料路用性能中抗滑性能的 衡量参数 本试验采用摆式仪在 下测定钢 渣沥青混合料车辙试件的摩擦系数 BPN 值 结 果见表 表 6 车辙试件的摩擦系数 Table 6 Friction coefficient of the rutting specimens 测点测定值平均值 侣 鲻 唵 挝 侣 鲻 唵 挝 侣 鲻 唵 挝 5 由表 可见 排水沥青混合料的摩擦系数 BPN 值 为 远大于规范要求的 表明混 合料铺筑的路面抗滑性能优良 结论 钢渣 OGFC 排水沥青混合料的配合 比为 m mm 钢渣 m mm 钢渣 m mm 钢渣 m 624 2013 年第 6 期向晓东 等 钢渣 OGFC 13 型排水沥青混合料的配合比设计及性能研究 mm 石灰岩 m 矿粉 最佳油石比为 聚脂纤维用量为 所制混合料的性能指标满足技术规范要求 钢渣排水沥青混合料中粗集料 大于 mm 部分 全部采用钢渣 其在矿料中的比 例高达 同时不需要提高改性沥青和纤维用 量 钢渣良好的自黏性增强了混合料的骨架 结构 其高温抗车辙能力较强 动稳定度远高于技 术规范要求 钢渣与沥青具有优良的黏附性 钢 渣排水沥青混合料的冻融劈裂强度比为 其抗水损害能力较强 钢渣排水沥青混合料的摆式摩擦系数 BPN 值 为 钢渣沥青路面具有优良的抗滑 性能 参考文献 沈金安 开级配多空隙排水型沥青路面 J 国外公 路 李乐洲 伍石生 毛琦 美国乔治亚州交通厅 OGFC 的开发历程 J 中外公路 Kandhal P S Mallick R B Design of new genera tion open graded friction courses R Auburn Na tional Center for Asphalt Technology of Auburn University NCAT Report No 沈雪香 王金刚 吴少鹏 等 排水性沥青路面的发 展与应用 J 国外建材科技 李灿华 周溪滢 孙达 钢渣沥青级配碎石混合料的 高温稳定性能研究 J 矿产综合利用 张曦 吴少鹏 曹庭维 等 排水沥青路面的材料组 成及特性 J 国外建材科技 李灿华 陈琳 刘思 钢渣沥青混凝土路面及其服役 性能研究 J 安徽工业大学学报 自然科学版 交通运输部公路科学研究院 公路沥青路面施工技 术规范 JTG F S 北京 人民交通出版 社 交通运输部公路科学研究院 公路工程沥青及沥青 混合料试验规程 JTG E S 北京 人民交 通出版社 Design and performance of OGFC steel slag asphalt mixture Xiang Xiaodong Zhou Xiying Li Canhua Hua Zhoulian Jiao Lixin College of Resources and Environmental Engineering Wuhan University of Science and Technology Wuhan China Metal Resources Co Ltd Wuhan Iron and Steel Corporation Wuhan China Abstract OGFC open graded steel slag porous asphalt mixture was produced from the SBS modified asphalt with steel slag as coarse aggregate limestone as fine aggregate and mineral powder as pad ding The mix proportion was mm steel slag mm steel slag mm steel slag mm limestone mineral powder The op timal asphalt content OAC was and the consumption of polyester fiber was Steel slag consumed reached with no increase in needed asphalt and polyester fiber which reduced the cost It is found that the Marshall stability of OGFC reaches kN the freeze thraw split strength ratio and the dynamic stability times mm which are all superior to those stipu lated in China s relevant regulations The water permeability coefficient of OGFC is mL s and the friction coefficient which means that OGFC has a strong water seepage and anti slid ing performance Key words asphalt mixture steel slag open graded friction course OGFC porous asphalt pave ment mix proportion 责任编辑 尚 晶 724 钢渣OGFC 13型排水沥青混合料的配合比设计及性能研究钢渣OGFC 13型排水沥青混合料的配合比设计及性能研究 作者 向晓东 周溪滢 李灿华 华洲连 焦立新 Xiang Xiaodong Zhou Xiying Li Canhua Hua Zhoulian Jiao Lixin