基于灰色關聯分析的鋼渣瀝青混凝土水穩定性研究

王 麗,劉先鵬,魏 歡

(1.內蒙古烏拉蓋管理區公路養護中心,錫林郭勒盟 026000; 2.武漢理工大學硅酸鹽國家重點實驗室,武漢 430070)

瀝青混凝土路面因具有抗滑、耐磨、降噪及施工維修便利等特點,逐漸取代水泥混凝土成為我國高等級路面的主要形式[1]。截至2022年末,全國公路總里程達535.48萬公里,比上年末增加了7.41萬公里。公路密度達55.78公里/百平方公里,比去年增加了0.77公里/百平方公里。然而,瀝青混凝土容易受到動水沖刷、氣候、荷載等外界環境的影響,表現為掉粒、坑槽、車轍、裂縫等路面病害。我國公路養護里程為535.03萬公里,占公路總里程的99.9%。這凸顯了路面養護工程的重要性。

瀝青混凝土路面的翻修養護過程需要大量的砂石集料。砂石集料通過山體爆破、巖石破碎及篩分后得到,整個過程消耗大量能量并產生環境排放。據國家碎石協會(NCSA)數據統計,砂石集料生產的能耗范圍為21.1～63.3 MJ/t,普通值為53 MJ/t。美國國家環境保護局(EPA)量化了砂石集料生產過程的環境排放因子,數值為0.235 8 kg粉塵/t。為遵循我國“雙碳”戰略,倡導綠色、環保、低碳的生活方式,迫切需要尋找砂石集料的替代產品,用于瀝青混凝土路面建設工程。

從20世紀90年代初至今,我國鋼渣尾渣累積堆存量近20億噸。鋼渣長期堆積會污染周邊土壤和水體,嚴重威脅生態環境安全。隨著我國粗鋼產量增加,統計數據顯示2022年我國鋼渣產量達1.80億噸。為減緩砂石集料的開采壓力以及提高鋼渣利用率,研究人員進行了鋼渣替代砂石集料在瀝青混凝土中的應用研究。

當前對全組分鋼渣瀝青混凝土的水穩性能研究不足。該文采用鋼渣全組分梯級利用技術制備鋼渣瀝青混凝土,并通過室內試驗研究其水穩性能。利用灰色關聯方法分析鋼渣瀝青混凝土組成要素與水穩性能的相關性。

1 分析方法

灰色關聯分析是一種評價多因素對體系影響程度的統計分析方法,用于判定影響體系的主次因素[2]。該方法將因素之間的相對影響程度用關聯度來量化。關聯度大說明因素之間相對變化規律一致,反之,因素之間無明顯影響。

關聯度計算步驟如下:

1) 建立比較數列和參考數列,并進行初值化處理

X0={x0(K),K=1,2,3,…,n}

(1)

Xi={xi(K),K=1,2,3,…,n},i=1,2,3,…,m

(2)

式中,X0和Xi分別為參考數列和比較數列。

對數列進行初值化處理的過程如下,即用每個數列第一個數值除以其他數值得到一個新序列。

(3)

(4)

式中,Y0和Yi分別為初值化處理后的參考數列和比較數列。

2) 計算比較數列和參考數列之間的差序列和關聯系數

Δi(K)=|y0(K)-yi(K)|

(5)

(6)

式中,Δi(K)、ξi(K)為初值化處理后的參考數列和比較數列之間的差序列、關聯系數;ρ為分辨系數,取值在0～1之間,通常取值ρ= 0.5;[Δi(K)]max和[Δi(K)]min分別為差序列的最大值、最小值。

(7)

2 原材料

瀝青采用遼寧盤錦遼北方瀝青燃料有限公司的AH-70重交石油瀝青和SBS改性瀝青。經過檢測這兩種瀝青針入度分別為66/0.1 mm、73.4/0.1 mm;延度分別為43 cm(5 cm/min,15 ℃)、42.6 cm(5 cm/min,5 ℃);軟化點分別為48.8 ℃、66.7 ℃。集料采用寶鋼集團、包頭鋼鐵集團和武鋼集團有限公司生產的堿性轉爐渣。礦粉采用陽原龍陽鈣業有限責任公司生產的石灰巖堿性石料磨細得到的礦粉,親水系數為0.8,無團狀。纖維采用美國進口的聚酯纖維,直徑0.015 mm,長度6.0 mm,抗拉強度550 MPa。

3 瀝青混凝土制備

該文選取三種級配類型(最大公稱粒徑分別為13 mm、16 mm)的瀝青混凝土AC、SMA、OGFC,如圖1所示,對不同組成要素的瀝青混凝土的水穩定性進行對比分析[3,4]。采用馬歇爾試驗確定了寶鋼鋼渣、包鋼鋼渣、武鋼鋼渣和石灰石瀝青混凝土(分別簡稱為A1、A2、A3和A4)的最佳油石比,如表1所示。隨后,按照JTG—E20 2011試驗規程分別制備了浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗和漢堡車轍試驗的瀝青混凝土試件,并試驗確定了瀝青混凝土水穩定性相關指標。

表1 基于馬歇爾試驗的瀝青混凝土油石比

4 結果與討論

根據上述6種級配,測試鋼渣瀝青混凝土的水穩定性,包括其殘留穩定度(MS)、凍融劈裂強度比(TSR)、漢堡抗車轍因子(RH),圖2～圖4分別為鋼渣瀝青混凝土的水穩定性的相關測試結果。

將上述鋼渣瀝青混凝土的水穩定性的相關測試結果,代入灰色關聯度的式(1)～式(7)中,計算得到集料、級配、瀝青及集料粒徑因素的關聯度,結果如表2所示。

表2 基于灰色關聯度分析的影響因素的關聯度

從表2可以看出,在浸水馬歇爾試驗中,影響鋼渣瀝青混凝土殘留穩定度因素的相對影響程度依次為集料、級配和粒徑。在凍融劈裂試驗中,影響鋼渣瀝青混凝土凍融劈裂強度比因素的相對影響程度依次為級配、粒徑和集料。在漢堡車轍試驗中,影響鋼渣瀝青混凝土漢堡車轍抵抗因子因素的相對影響程度依次為集料、粒徑和級配。總體而言,影響鋼渣瀝青混凝土水穩定性因素的相對影響程度依次為集料、級配和粒徑,其中改性瀝青混凝土的性能優于基質瀝青混凝土。因此,在鋼渣瀝青混凝土體系中,通過對集料、級配、粒徑和瀝青的影響因素進行灰色關聯分析,結果表明,影響鋼渣瀝青混凝土水穩定性因素的相對影響程度依次為瀝青、集料、級配和粒徑。

5 結 語

采用灰色關聯分析法對瀝青混合料的水穩定性能進行了評價。通過關聯度的分析,確定了瀝青、集料、級配和粒徑對水穩定性能的主次影響因素。這為在實際生產過程中控制主要因素,從而提高瀝青混合料的使用品質提供了參考。上述結論基于室內試驗得出,但由于樣本和試驗設備的局限性,普遍規律性還需進一步的試驗研究。