黄书科

(莱芜职业技术学院， 山东 莱芜 271100)

钢渣排水性沥青混合料压实特性研究

黄书科

(莱芜职业技术学院， 山东 莱芜 271100)

选用天然粒料与钢渣材料作为配比设计参数，依照马歇尔方法进行配比设计求得的最佳含油量，再根据不同交通特性来配合Superpave的压实准则制作试件，进而了解多孔隙沥青混凝土压实体积性的变化。借由SGC压实转数的控制，了解材料于各阶段的性质与特点，评定推估级配的最终压实孔隙率及SGC压实效应，最后建立多孔隙沥青混凝土孔隙压实设计准则，并针对准则各相关系数作探讨，以用于施工控制验收与路面长期服务性能的参考。

钢渣； 压实； 准则； 多孔沥青混合料

0 前言

多孔隙沥青混凝土应用在公路面层，对于各级道路的经济性具有重要价值[1-3]。面对道路维护管理工作，如何延长道路路面磨耗层材料的服务寿命，提升材料的耐久性，以降低道路养护周期成本是一个重要的研究与应用主题[4-6]。多孔隙沥青混凝土的设计孔隙率，因其在实验室和现场施作方式不同，故在压实度上有相当大的差异。Superpave旋转式压实仪所制作的沥青混凝土试件，其体积与工程性质最能模拟路面的现场试件，也可用于现场控制、监测生产的沥青混合料品质是否符合配比设计要求，评估开放交通后的再压实及空隙率变化。

1 沥青路面材料的空隙与压实特性

压实是在铺筑阶段逐渐降低沥青路面材料空隙率的过程，让固体颗粒在压实过程中被有效地紧密排列[7-9]。将试验室配比规范的沥青及砂石料，经过拌合厂依一定的施工程序生产后，将沥青混凝土铺设、滚压达到一定的压实度，以满足路面耐久性的需求。铺筑时期所得的空隙率应尽可能地接近路面服务若干年后的空隙率。如果铺筑路面的空隙率较高或厚度较厚或交通量较大，开放交通若干年后所产生的车辙情形将较为严重。路面损坏情形受压实度及空隙率的影响很大。在试验室制作沥青混凝土试件的方法，应尽可能模拟工地滚压机具的实际压实能量及效果，让试件密度、孔隙分布和现场混合料相近，进而评估混合料的性能。评估方法所考虑的因子分别为沥青混凝土内粒料的排列、空隙含量、空隙结构与沥青混凝土力学性质四种[10-13]。利用superpave旋转式压实仪的试件压实至最大转数，记录每一转数的试件高度，即可连续地计算压实过程中的试件的压实度(以最大理论比重百分率表示)。利用AASHTO 规范来确定试件的毛体积比重(Gmb)及最大理论比重(Gmm)。Superpave的压实准则是以压实过程中的三个控制点为根据。这些不同的转数是经由不同交通量与设计温度下的已完成路面根据实际状况模拟而建立的。其为初始转数Ni、设计转数Nd与最大转数Nm，如表1所示。其中Ni、Nd及Nm之间的关系可由下列式子求得：

lg(Ni)=0.45×lg(Nd)

(1)

lg(Nm)=1.10×lg(Nd)

(2)

其SGC压实准则中的三个控制点，初始转数Ni、设计转数Nd与最大转数Nm，其要求如表2所示。Superpave Level 1配比设计的各项体积性质的要求准则(VMA，VFA，填充料与有效沥青比率)，是以Nd于4%空隙率的标准下所建立。

表1 Superpave不同交通量及温度下的转数Table1 Superpaverevolutionunderdifferenttrafficvolumeandtemperature交通量106设计7d平均最高温度/℃100kN<3939～4041～4243～44ESALsNiNdNmNiNdNmNiNdNmNiNdNm<03768104774114778121782127<1776117783129788138793146<378613489515081001588105167<10896152810616981131818119192<308109174912119591282089135220<10091262049139228914624010153253≥1009143233101582621016527510172288

表2 Superpave的压实准则Table2 Superpavecompactioncriteria转数压实准则Initial，Ni≤89%GmmDesign，Nd=96%GmmMaximam，Nm≤98%Gmm

SGC压实过程的压实能量可以分为两个阶段说明，第一阶段的夯压致密指数(CDI)，代表混凝土自第一次回转压实到压实度达到92%Gmm，也就是沥青混凝土现场铺设压实所累积的压实能量；第二阶段的交通致密指数(TDI)，反应沥青混凝土路面受到开放交通荷载作用所累积的压实能量，代表沥青混凝土路面自92%Gmm～98%Gmm的压实过程，超过98%Gmm的沥青混凝土路面则倾向塑性破坏。

2 多孔隙沥青混凝土配比设计方法

研究添加使用的钢渣为某拌合站提供，先进行天然粒料与钢渣物理性质试验，所得资料作为配比设计参数，依马歇尔方法进行配比设计，利用SGC制作试件，以了解混凝土压实体积性质的变化。配比设计的结果，在含油量部分，所有掺配比例的设计含油量都为5.1%，而各钢渣掺配比例的配比设计结果见表3。使用的沥青材料为SBS改性沥青，其60 ℃与135 ℃的粘度试验绘制粘度与温度关系图，判断沥青混凝土的拌合温度与压实温度。

旋转压实仪(SGC)试件制作，将拌合完成的混合料置于一浅盆内，松散的混合料厚度以21～22 kg/m2为原则。放入135 ℃烘箱内进行4 h的短期老化。压实试体前30 min将模具放入另一烘箱内预热至压实温度，并进行压实机的各项设定，即可利用压实机制作试件。试验参考AASHTO Provision Method TP4，Edition 1B方法。

将SGC制作试件共计回转300转数的压实过程纪录，即绘制得到图1所示%Gmm的压实曲线，可以发现四种级配最终压实的孔隙率介于13.2%～16.2%间，无法达到密级配沥青混凝土98%以上的压实度，设法将多孔隙沥青混凝土的%Gmm转换成另一参数%Gfinal。首先依据表1 Superpave建议的压实准则，选取设计最大交通量与最恶劣环境条件下Nmax转数，为多孔隙沥青混凝土的最终压实度Gfinal，计算SGC压实转数历程%Gmm与Gfinal的比值为%Gfinal，即可获得与密级配沥青混凝土压实所累积压实能量近似的CDI与TDI两个阶段，对照SGC压实准则中的三个控制点，初始转数Ni、设计转数Nd与最大转数Nm，定义多孔隙沥青混凝土的Npi、Npd、Npm与Nfinal。

表3 多孔隙沥青混凝土配比设计结果Tabel3 Porousasphaltconcreteproportioningdesignresults类别含油量/%稳定值/kN流度值/(01mm)Cantabria飞散试验/%析漏试验/%孔隙率/%配比设计要求/%05181119742401061798205187633572300772184405180021650400782132605187119073600721702规范要求—>350 20～40<25 <03 15～25

表3为一种级配规范，4种粒料特性的多孔隙沥青混凝土，选定轻度、中度与重度三种设计交通量，尝试研订多孔隙沥青混凝土混合料的压实准则。依据轻度、中度与重度3种设计交通量，参考表1 Superpave建议的压实准则，选定170、230与300转转数，为多孔隙沥青混凝土3种设计交通量的最终压实度转数Nfinal，以对应传统沥青混凝土的理论最大密度(Gmm)。对应Superpave的压实准则Ni、Nd与Nm三个参数，多孔隙沥青混凝土的压实准则为Npi、Npd与Npm，增列多孔隙沥青混凝土的弹性压实参数Npe。以说明多孔隙沥青混凝土的压实，达到0.915%Gfinal前，都是线性弹性行为。

图1 多孔隙沥青混凝土%Gmm转换成%GfinalFigure 1 Porous asphalt concrete Gmm Gfinal converted

对于Npm的考虑上，让多孔隙沥青混凝土的压实效应达到0.985%Gfinal以上，视为材料开始发生塑性破坏。对于Npd的考虑上，建议以0.94、0.95与0.96%Gfinal三个等级弹性选定，以符合材料在孔隙率的设计要求与应用条件。

3 多孔隙沥青混凝土配比设计试验成果分 析

表4显示多孔隙沥青混凝土的SGC压实效应。整体而言，未添加钢渣的多孔隙沥青混凝土，压实孔隙率都比较低，与较大孔隙率的级配材料约有3%的差距。添加钢渣的多孔隙沥青混凝土，彼此间的孔隙率最大差距约有1.0%～1.5%，显示添加钢渣有提高孔隙率的效果。

重度交通量设计压实转数Npd的孔隙率几乎都在20%以上，而轻度交通量设计压实转数Npd的孔隙率，只有添加钢渣的多孔隙沥青混凝土，才会有机会大于20%以上，显示粒料级配规范产制的多孔隙沥青混凝土孔隙率应该小于20%，其级配材料达到弹性压实的条件下，孔隙率介于20%～24%间，显示此种级配粒料现场压实验收标准，没有大于25%的机会，实际压实的空隙率应该小于23%且大于18%，路面现场孔隙率性质一览无疑。

表4 多孔隙沥青混凝土SGC压实效应%GmmTabel4 PorousasphaltconcreteresultsSGCpressureshouldbe%Gmm类别压实参数%Gfinal钢渣0%钢渣20%钢渣40%钢渣60%轻交通量Npi08900762074607390749Npe09150782076507580768Npd094008050788077907910950081307960788079809600821080407960806Npm09850844082508170827Nfinal10000856083808290840中交通量Npi08900770075107440754Npe09150789077007630775Npd094008120793078407950950082008010792080409600829080908010812Npm09850850083008210833Nfinal10000863084308340846重交通量Npi08900774075507470757Npe09150795077507680779Npd094008160796078808000950082508050796080909600834081308050817Npm09850855083408260838Nfinal10000868084708380851

表5显示多孔隙沥青混凝土的SGC压实转数。SGC压实转数的试验结果显示，未添加钢渣的多孔隙沥青混凝土，压实转数都比添加钢渣的多孔隙沥青混凝土高，表示添加钢渣的混凝土，较容易达到预定压实度，未添加钢渣的混凝土，具有稍高的车辙压密抵抗效果。

依据不同设计交通量要求，各阶段的SGC压实转数明显不同，Npe的压实转数约比Npi的压实转数多5～8转，与设计交通量同向略增。Npm的压实转数则明显形成三个压实转数等级，每个等级间约有20～30个压实转数的差异，刚好符合设计交通量的等级需求。Npd的压实转数则会依%Gfinal的与材料应用的差异，会有不同的选择考虑，除了交通轴载条件外，选择较低%Gfinal压实转数，相对增加开放交通服务的时间，提高路面的经济效益。Npd的压实转数与其他相关研究的结论是一致的，压实转数约在20～50转间，只有在重度交通量设计与0.960%Gfinal设计考虑时，压实转数超过50转以上。试验显示，添加钢渣的多孔隙沥青混凝土会降低路面服务的累积交通量，借由SGC压实转数的控制，可以掌握材料各阶段的性质。经过前述的整理结果，可以得到SGC压实控制准则，如表5所示SGC%Gmm，空隙率与压实转数准则并说明于后。

由表6和表7资料显示：B级配规范的Npd空隙率值介于16.6%～22.1%间，若设计空隙率大于20%，则Npd的选择应小于0.96%Gfinal，对于重交通量设计，建议选用0.95%Gfinal的设计准则。对于轻与中交通量设计，因为交通量较低与提高设计孔隙率考虑，建议采取较低0.94%Gfinal的设计准则。

对于轻与中交通量设计，建议采取较低0.94%Gfinal的设计准则；重交通量设计，建议选用0.95%Gfinal的设计准则。以拉开Npd与Npm或Nfinal的压实转数能量差距，做为开放交通的压实能量使用。对于现场施工的控制，可以适度调整路面滚压能量与验收标准。建议的SGC压实转数介于20～50转，是来自试验室模拟压实的结果，也和相关现场施工取样试件的研究结果一致。可见路面现场压实过程的控制，由试验室SGC压实转数准则，会有具体的材料特性表现，提供工程人员参考引用。而Npe压实转数准则的建议，不论交通量因素，多孔隙沥青混凝土要有11～19转以上的转数以达到0.915%Gfinal的设计准则，让沥青混凝土完成弹性压实的过程，这与CDI建议压实度达到92%Gmm的现场铺设压实所累积的压实能量相近。对于同一级配规格的SGC压实准则，应该不是单一数值的准则，而是以一合理区间当作控制准则，才能真实反应材料设计与施工控制的症结。研究显示多孔隙沥青混凝土的SGC压实准则，经过Superpave SGC压实准则中的三个控制点(Ni、Nd与Nm)与最大理论密度(Gmm)的关系，将其转换为多孔隙沥青混凝土的Npi、Npd、Npm与最终压实度(Gfinal)的关系，建立多孔隙沥青混凝土材料设计与施工控制的压实度准则。

表5 多孔隙沥青混凝土SGC压实转数Table5 PorousasphaltconcreteSGCcompactionrevolutions类别压实参数%Gfinal钢渣0%钢渣20%钢渣40%钢渣60%轻交通量Npi0890 8 5 7 7Npe091513111212Npd094026222325095034293133096044394144Npm098597909397Nfinal1000170170170170中交通量Npi089010 7 8 8Npe091516121415Npd094032262730095041343640096056464854Npm0985130115115123Nfinal1000230230230230重交通量Npi089011 8 9 9Npe091519141617Npd094036293135095049404147096070535565Npm0985160135145155Nfinal1000300300300300

表6 多孔隙沥青混凝土SGC%Gmm准则Tabel6 PorousasphaltconcreteSGC%Gmmcriterion设计ESALs(million)NpiNpeNpdNpmNfinal0890%Gfinal0915%Gfinal0940%Gfinal0950%Gfinal0960%Gfinal0985%Gfianl1000%Gfinal<30739～07620758～07820779～08050788～08130796～08210817～08440829～08563～300744～07700763～07890784～08120792～08200801～08290821～08500834～0863≥300747～07740768～07950788～08160796～08250805～08340826～08550838～0868

表7 多孔隙沥青混凝土SGC空隙率准则Tabel7 PorousasphaltconcreteSGCruleofvoidfraction设计ESALs(million)NpiNpeNpdNpmNfinal0890%Gfinal0915%Gfinal0940%Gfinal0950%Gfinal0960%Gfinal0985%Gfianl1000%Gfinal<3238～261218～242195～221(建议选用)187～212179～204156～183144～1713～30230～256211～237188～216(建议选用)180～208171～199150～179137～166≥30226～253205～232184～212175～204(建议选用)166～195145～174132～162

由表8的交通量等级，建议选用的压实转数介于20～50转间，和国外相关现场施工取样试件的研究结果一致。对于了解的材料特性，工程人员可以用较低的压实能量，达到现场施工孔隙率的验收标准。

表8 多孔隙沥青混凝土压实转数准则Tabel8 Porousasphaltconcretecompactionruleofrevolution设计ESALs(million)NpiNpeNpdNpmNfinal0890%Gfinal0915%Gfinal0940%Gfinal0950%Gfinal0960%Gfinal0985%Gfianl1000%Gfinal<35～811～1322～26(建议选用)29～3439～4490～971703～307～1012～1626～32(建议选用)34～4146～56115～130230≥308～1114～1929～3640～49(建议选用)53～70135～160300

4 结论与建议

① 以最终压实度(Gfinal)为参考，建立以Npi、Npe、Npd、Npm与Nfinal的多孔隙沥青混凝土SGC压实准则，明确规定材料的弹性压实行为(Npe)与塑性压实作用(Npm)界线，有助工程人员施工控制与路面维护管理作业的参考依据。

② 修正多孔隙沥青混凝土材料在配比设计阶段，进行SGC压实度试验，就可以建立Npi、Npd、Npm与最终压实度(Gfinal)的关系，进而决定Cpi、Cpd与Cpm多孔隙沥青混凝土的压实度要求，与Vpi、Vpd与Vpm孔隙率标准，达到施工控制验收与路面长期服务性能的参考。

③ 有关排水性改质沥青混凝土路面，材料配比设计孔隙率的设计要求，值得进一步修正，以确认最佳的设计数值，推广应用于道路开放交通后，孔隙率压实度变化的验证。

④ 多孔隙沥青混凝土路面，并非所有路段或等级的道路都适用该种材料与结构设计，应针对各种公路设施组成各路段，是否适用多孔隙沥青混凝土铺面。

⑤ 建议依据不同等级设计交通量与不同交通荷载分类，可以将国道高速公路与省道公路的多孔隙沥青混凝土设计厚度，与以简化成参考表。

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Compaction Characteristic Research Steel Slag Drainage Asphalt Mixture

HUANG Shuke

(The Laiwu Professional Technology Institute， Laiwu， Shandong 271100， China)

This study choose natural stone material as the ratio of aggregate and converter design parameters，the optimal design obtained in accordance with the ratio of Marshall method for oil content，according to different traffic characteristics to match the Superpave compaction standard specimen，and then understand the porous asphalt concrete entity changes in product properties.By SGC compaction control revolutions，understanding the material in the nature and characteristic of each stage，grading evaluation to estimate the final effective porosity and SGC compaction pressure should be，and finally establish a porous asphalt concrete pore compaction design criterion，and the correlation coefficient be explored for standard，and to be used for construction control acceptance and pavement service performance reference guide for a long time.

steel slag； compaction； criterion； porous asphalt mixture

2015 — 05 — 08

四川省交通科技计划进步项目(201402014)

黄书科(1972 — )，男，山东莱芜人，工程师，研究方向：建筑结构设计。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0294 — 05