基于灰色關(guān)聯(lián)分析的鋼渣瀝青混凝土水穩(wěn)定性研究

王 麗,劉先鵬,魏 歡

(1.內(nèi)蒙古烏拉蓋管理區(qū)公路養(yǎng)護(hù)中心,錫林郭勒盟 026000; 2.武漢理工大學(xué)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(dá)535.48萬公里,比上年末增加了7.41萬公里。公路密度達(dá)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(huán)境的影響,表現(xiàn)為掉粒、坑槽、車轍、裂縫等路面病害。我國公路養(yǎng)護(hù)里程為535.03萬公里,占公路總里程的99.9%。這凸顯了路面養(yǎng)護(hù)工程的重要性。

瀝青混凝土路面的翻修養(yǎng)護(hù)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(chǎn)生環(huán)境排放。據(jù)國家碎石協(xié)會(NCSA)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,砂石集料生產(chǎn)的能耗范圍為21.1～63.3 MJ/t,普通值為53 MJ/t。美國國家環(huán)境保護(hù)局(EPA)量化了砂石集料生產(chǎn)過程的環(huán)境排放因子,數(shù)值為0.235 8 kg粉塵/t。為遵循我國“雙碳”戰(zhàn)略,倡導(dǎo)綠色、環(huán)保、低碳的生活方式,迫切需要尋找砂石集料的替代產(chǎn)品,用于瀝青混凝土路面建設(shè)工程。

從20世紀(jì)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(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境安全。隨著我國粗鋼產(chǎn)量增加,統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示2022年我國鋼渣產(chǎn)量達(dá)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(jìn)行了鋼渣替代砂石集料在瀝青混凝土中的應(yīng)用研究。

當(dāng)前對全組分鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)性能研究不足。該文采用鋼渣全組分梯級利用技術(shù)制備鋼渣瀝青混凝土,并通過室內(nèi)試驗研究其水穩(wěn)性能。利用灰色關(guān)聯(lián)方法分析鋼渣瀝青混凝土組成要素與水穩(wěn)性能的相關(guān)性。

1 分析方法

灰色關(guān)聯(lián)分析是一種評價多因素對體系影響程度的統(tǒng)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(guān)聯(lián)度來量化。關(guān)聯(lián)度大說明因素之間相對變化規(guī)律一致,反之,因素之間無明顯影響。

關(guān)聯(lián)度計算步驟如下:

1) 建立比較數(shù)列和參考數(shù)列,并進(jìn)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(shù)列和比較數(shù)列。

對數(shù)列進(jìn)行初值化處理的過程如下,即用每個數(shù)列第一個數(shù)值除以其他數(shù)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(shù)列和比較數(shù)列。

2) 計算比較數(shù)列和參考數(shù)列之間的差序列和關(guān)聯(lián)系數(shù)

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(shù)列和比較數(shù)列之間的差序列、關(guān)聯(lián)系數(shù);ρ為分辨系數(shù),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(jīng)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(tuán)、包頭鋼鐵集團(tuán)和武鋼集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的堿性轉(zhuǎn)爐渣。礦粉采用陽原龍陽鈣業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的石灰?guī)r堿性石料磨細(xì)得到的礦粉,親水系數(shù)為0.8,無團(tuán)狀。纖維采用美國進(jìn)口的聚酯纖維,直徑0.015 mm,長度6.0 mm,抗拉強(qiáng)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(wěn)定性進(jìn)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J(rèn)TG—E20 2011試驗規(guī)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(wěn)定性相關(guān)指標(biāo)。

表1 基于馬歇爾試驗的瀝青混凝土油石比

4 結(jié)果與討論

根據(jù)上述6種級配,測試鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)定性,包括其殘留穩(wěn)定度(MS)、凍融劈裂強(qiáng)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(wěn)定性的相關(guān)測試結(jié)果。

將上述鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)定性的相關(guān)測試結(jié)果,代入灰色關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)度,結(jié)果如表2所示。

表2 基于灰色關(guān)聯(lián)度分析的影響因素的關(guān)聯(lián)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(wěn)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(qiáng)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(wěn)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(yōu)于基質(zhì)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(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析,結(jié)果表明,影響鋼渣瀝青混凝土水穩(wěn)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(jié) 語

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