鋼渣PAC-13排水路面堵塞影響因素試驗研究

作者簡介：

黃啟發（1994—），助理工程師，主要從事高速公路建設管理工作。

文章為了研究不同因素對鋼渣PAC-13排水路面堵塞情況的影響，選取高黏劑摻量、級配、土的塑性指數三個影響因素，利用正交試驗設計得到L9（33）試驗結果，并以滲水系數差值CW為響應量，用極差與方差進行分析。結果表明，以透水性最佳為目標，影響因素水平最佳組合為：高黏劑摻量為12%、級配三、土的塑性指數為3%。對其進行驗證后可知，滿足透水性最佳目標，且常規路用性能滿足規范技術要求。

道路工程；鋼渣；PAC-13；路面堵塞；正交試驗

中圖分類號：U416.03 A 05 012 3

0 引言

我國南方氣候特點為高溫多雨，多雨容易使路面產生水損壞，為應對這一問題，排水瀝青路面應運而生。排水瀝青路面具有良好的排水和降噪特點，能有效解決水損害問題，已得到廣泛應用［1-2］。但排水路面經過雨水沖刷、輪胎碾壓會導致土、沙礫等堵塞物進入路面結構，降低其排水效果，失去排水作用。不同學者對影響排水路面透水性的因素展開了研究。王宏暢等［3］將水與不同粒徑的細集料混合作為堵塞物，對排水路面進行了研究，得出粒徑較大的堵塞物更容易導致路面堵塞的結論。向曉東等［4］通過對鋼渣OGFC排水瀝青混合料的研究，得出其滲水能力強的結論。韓祖麗等［5］通過對鋼渣排水路面堵塞性能的研究，得出堵塞物越多滲水性能越低的結論。朱旭偉等［6］認為級配與排水路面透水性能有很大的相關性。Masad等［7］發現在排水路面雨水和車輪荷載共同作用下，下面層的空隙率下降更快。許銀行［8］通過對雙層排水路面結構的研究，得出雙層排水路面比單層排水路面具有更好的抗堵塞性能的結論。段寶東等［9］根據堵塞物的性質對排水路面堵塞情況分析，得出土的塑性指數與路面的堵塞情況存在強關聯。

綜上所述，許多因素都可對路面的抗堵塞性能產生影響，但在影響程度方面的研究較少。因此，本文選取可能影響排水路面堵塞情況的3個因素進行正交試驗設計，分析各因素對排水路面堵塞情況影響的顯著程度。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

本研究使用70#基質瀝青，通過摻加不同質量比例（12%、16%、20%）的高黏劑得到不同的高黏改性瀝青。70#基質瀝青的技術指標檢測結果如表1所示，高黏劑技術指標檢測結果如表2所示。

在本次研究中，使用鋼渣代替4.75 mm粒徑以上的粗集料。鋼渣技術指標如表3所示。細集料和礦粉為石灰巖，纖維選用木質素纖維。

1.2 配合比設計

排水瀝青路面的空隙率通常為18%～25%，本次選用20%的空隙率作為目標級配，參考文獻［10］，以2.36 mm篩孔通過百分率±3%初選3種級配，并進行體積換算。經過體積換算得到的3種級配如表4所示。

根據表4中各篩孔的通過率，利用公式得出預估最佳瀝青用量：級配一為5.1%、級配二為5.4%、級配三為5.8%。后續試驗中，各級配使用相應的預估最佳瀝青用量。

1.3 試驗設計

排水路面堵塞是由于堵塞物經過雨水沖刷、輪胎碾壓，進入路面中不能排出而導致的。堵塞物的性質也會對排水路面的堵塞情況產生影響。本研究采用不同塑性指數的土來模擬不同類型的堵塞物。土的塑性指數越高說明其顆粒越細，比表面積越大，吸水性較好，越容易造成路面的堵塞。以高黏劑摻量、級配、土的塑性指數為影響因素，以排水路面的滲水系數為主要響應量，進行三因素三水平的正交實驗設計，正交試驗設計水平如表5所示。

根據不同高黏劑摻量的改性瀝青與級配按照試驗規程成型車轍試件。為提高試驗的準確性，每種高黏劑改性瀝青與級配的組合成型3塊車轍板。室內模擬雨水沖刷堵塞物堵塞路面的過程如下：

（1）按照試驗規程對車轍板進行透水試驗，得到初始滲水系數CW0。

（2）等車轍板干燥后，在車轍板面上鋪撒500 g不同塑性指數的土，再次進行滲水試驗，得到滲水系數CW1。

（3）對步驟（2）進行4次重復，得到滲水系數CW4。

（4）以得到的CW0～CW4差值CW作為評價堵塞情況的指標。

CW越大說明滲水系數降低越快，其路面透水性能越差，CW越小說明路面滲水性能越好。

2 試驗結果分析

2.1 鋼渣SEM圖像分析

鋼渣的表觀結構及其內部結構都存在孔洞和孔隙，這種結構特點使鋼渣具有良好的透水性能，相比于天然集料更適用于透水路面。但是，孔隙的存在也增加了路面堵塞的可能性。

2.2 正交試驗結果分析

根據設計水平進行正交試驗，以滲水系數差值作為響應結果，試驗結果如表6所示。

通過正交試驗結果，可以通過極差與方差分析得出滲水系數差值最大與最小情況下的最優影響因素水平組合。利用Minitab軟件對正交試驗結果的數據進行分析。其中，Ki代表某一因素下水平i的平均值，平均值的大小可以評價該水平下對響應值的影響大小；Delta代表該因素不同水平下最大值與最小值的差值，Delta越大表明對響應量的影響程度越大，根據Delta的大小對影響因素進行排序。

由表7可知，對滲水系數差值影響最為顯著的因素為土的塑性指數，極差值為1 589；其次是混合料的級配，不同級配的空隙率不同，極差值為564；影響因素最不顯著的為高黏劑的摻量，極差值為110。對CW影響顯著性從高到低為土的塑性指數、混合料級配和高黏劑摻量。

由圖1可知，隨著高黏劑摻量的增加，滲水系數差值逐漸升高，表明滲水系數降低得較快，路面適水性能較差。在高黏劑摻量達到20%時，滲水系數差值最大，路面堵塞情況最為嚴重。其原因是過多的高黏劑摻量使瀝青的黏度變大，增強瀝青與集料之間的粘附性。而較好的粘附性能改善瀝青混合料的水穩定性，但也增強了瀝青-瀝青、瀝青-集料之間的粘結，使混合料的空隙率降低，從而降低了混合料的透水性能。隨著混合料級配的增大，滲水系數差值逐漸降低，這表明路面的透水性能變好，沒有出現嚴重的路面堵塞情況。相對于級配一和級配二之間滲水系數的差值，級配二和級配三之間的滲水系數差值變化不大。這可能是因為級配一和級配二的空隙率差異對堵塞物通過率存在影響，空隙率大的級配，堵塞物通過的可能性較大。而堵塞物土的最大粒徑能夠同時通過級配二和級配三的空隙，所以兩者滲水系數差值差異較小。隨著土的塑性指數的增加，滲水系數差值的變化較大，因為土的塑性指數越大，土越黏，越容易停留在混合料的空隙中，不容易被雨水沖刷掉，從而容易造成路面堵塞。

利用方差分析評價各影響因素對滲水系數的影響程度。在方差分析中，通常以P值來評價某因素對響應量的顯著性。P值lt;0.05則說明該影響因素對響應量影響顯著，否則影響不顯著。通過表8可知，在高黏劑摻量、級配、土的塑性指數這3個影響因素中，影響因素B與影響因素C的P值＜0.05，影響效果顯著。其中影響因素C的P值小于影響因素B的P值，說明影響因素C對滲水系數差值的影響程度大于影響因素B。而影響因素A的P值為0.34，gt;0.05，影響效果不顯著。通過方差分析，得出3個影響因素對滲水系數差值的影響程度由大到小順序為土的塑性指數、級配、高黏劑摻量。方差分析與極差分析對滲水系數差值影響程度順序結果相同。

通過上述分析，以路面不堵塞為目標，即滲水系數差值最小為目標，得到3個影響因素各水平最佳組合為A1B3C1，即高黏劑摻量為12%、級配為級配三、土的塑性指數為3%。

3 性能驗證

通過正交試驗得到了9組不同影響因素水平組合的滲水系數差值，通過極差與方差分析，以堵塞情況最低、滲水系數差值最小為目標，得出高黏劑摻量為12%、級配為級配三、土的塑性指數為3%的組合。然而在正交試驗設計的9組水平組合中并沒有該組合，所以需對得到的新組合的透水性和堵塞情況進行驗證。驗證結果如表9所示。

在排水路面結構中，透水性只是瀝青混合料的其中一個性能，其高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性等路用常規性能也需要滿足規范要求。試驗過程中，影響因素C只會對排水路面的堵塞情況產生影響，與高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性無關。因此，在對這3個路用性能進行驗證時，只考慮影響因素A、B，即在A1B3組合下對3種路用性能進行驗證，結果如表10所示。

由表10可知，在A1B3組合條件下，高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性均滿足技術指標。

綜合驗證下，說明A1B3C1組合能滿足常規路用性能要求且透水性能最佳，路面不容易發生堵塞。

4 結語

（1）鋼渣是一種多孔性材料，內部具有較大的空隙率，本身具有一定的滲水能力。

（2）通過正交試驗設計，以滲水系數差值CW為評價指標，通過極差與方差分析得到了各因素對排水路面堵塞的影響程度由大到小依次為：土的塑性指數、級配、高黏劑摻量。

（3）以堵塞可能性最小，即滲水系數差值最小為目標，得到了影響因素最佳水平組合為A1B3C1，即高黏劑摻量為12%、級配為級配三、土的塑性指數為3%。

（4）對A1B3C1水平組合進行了透水性能驗證，均值為滲水系數差值最小，符合透水性能最佳目標；對A1B3C1組合進行了常規路用性能驗證，均滿足規范技術要求。

參考文獻

［1］沈金安.開級配多空隙排水型瀝青路面［J］.國外公路，1994（6）：15-20.

［2］潘 薇，王宏暢.OGFC瀝青混合料水穩定性及高溫穩定性能試驗研究［J］.公路，2013（8）：254-257.

［3］王宏暢，周明剛.多空隙瀝青混合料排水及抗堵塞性能研究［J］.建筑材料學報，2016，19（2）：413-416.

［4］向曉東，周溪瀅，李燦華，等.鋼渣OGFC-13型排水瀝青混合料的配合比設計及性能研究［J］.武漢科技大學學報，2013，36（6）：424-427.

［5］韓祖麗，常巖軍.鋼渣OGFC瀝青混凝土堵塞性能研究［J］.公路工程，2019，44（2）：160-164.

［6］朱旭偉，李 波，魏定邦，等.級配對排水瀝青路面抗堵塞能力的影響研究［J］.中外公路，2020，40（3）：43-47.

［7］Masad E，Castelblanco A，Birgisson B.Effects of Air Void Size Distribution，Pore Pressure，and Bond Energy on Moisture Damage［J］.Journal of Testing and Evaluation，2006，34（1）：15-23.

［8］許銀行.雙層大孔隙瀝青路面的堵塞行為特性研究［J］.中外公路，2009，29（2）：79-82.

［9］段寶東，李 俊，李明亮，等.基于堵塞物性質的排水瀝青路面空隙堵塞規律研究［J］.公路，2021，66（9）：94-99.

［10］鄒均芳.鋼渣瀝青混合料設計與重金屬元素浸出試驗研究［D］.長沙：長沙理工大學，2021.

收稿日期：2022-10-16