作者簡(jiǎn)介：

黃啟發(fā)（1994—），助理工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

文章為了研究不同因素對(duì)鋼渣PAC-13排水路面堵塞情況的影響，選取高黏劑摻量、級(jí)配、土的塑性指數(shù)三個(gè)影響因素，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到L9（33）試驗(yàn)結(jié)果，并以滲水系數(shù)差值CW為響應(yīng)量，用極差與方差進(jìn)行分析。結(jié)果表明，以透水性最佳為目標(biāo)，影響因素水平最佳組合為：高黏劑摻量為12%、級(jí)配三、土的塑性指數(shù)為3%。對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證后可知，滿足透水性最佳目標(biāo)，且常規(guī)路用性能滿足規(guī)范技術(shù)要求。

道路工程；鋼渣；PAC-13；路面堵塞；正交試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.03 A 05 012 3

0 引言

我國(guó)南方氣候特點(diǎn)為高溫多雨，多雨容易使路面產(chǎn)生水損壞，為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，排水瀝青路面應(yīng)運(yùn)而生。排水瀝青路面具有良好的排水和降噪特點(diǎn)，能有效解決水損害問(wèn)題，已得到廣泛應(yīng)用［1-2］。但排水路面經(jīng)過(guò)雨水沖刷、輪胎碾壓會(huì)導(dǎo)致土、沙礫等堵塞物進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)，降低其排水效果，失去排水作用。不同學(xué)者對(duì)影響排水路面透水性的因素展開(kāi)了研究。王宏暢等［3］將水與不同粒徑的細(xì)集料混合作為堵塞物，對(duì)排水路面進(jìn)行了研究，得出粒徑較大的堵塞物更容易導(dǎo)致路面堵塞的結(jié)論。向曉東等［4］通過(guò)對(duì)鋼渣OGFC排水瀝青混合料的研究，得出其滲水能力強(qiáng)的結(jié)論。韓祖麗等［5］通過(guò)對(duì)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(jié)論。朱旭偉等［6］認(rèn)為級(jí)配與排水路面透水性能有很大的相關(guān)性。Masad等［7］發(fā)現(xiàn)在排水路面雨水和車(chē)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(guò)對(duì)雙層排水路面結(jié)構(gòu)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(jié)論。段寶東等［9］根據(jù)堵塞物的性質(zhì)對(duì)排水路面堵塞情況分析，得出土的塑性指數(shù)與路面的堵塞情況存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)。

綜上所述，許多因素都可對(duì)路面的抗堵塞性能產(chǎn)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(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析各因素對(duì)排水路面堵塞情況影響的顯著程度。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本研究使用70#基質(zhì)瀝青，通過(guò)摻加不同質(zhì)量比例（12%、16%、20%）的高黏劑得到不同的高黏改性瀝青。70#基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示，高黏劑技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)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(shù)指標(biāo)如表3所示。細(xì)集料和礦粉為石灰?guī)r，纖維選用木質(zhì)素纖維。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

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(biāo)級(jí)配，參考文獻(xiàn)［10］，以2.36 mm篩孔通過(guò)百分率±3%初選3種級(jí)配，并進(jìn)行體積換算。經(jīng)過(guò)體積換算得到的3種級(jí)配如表4所示。

根據(jù)表4中各篩孔的通過(guò)率，利用公式得出預(yù)估最佳瀝青用量：級(jí)配一為5.1%、級(jí)配二為5.4%、級(jí)配三為5.8%。后續(xù)試驗(yàn)中，各級(jí)配使用相應(yīng)的預(yù)估最佳瀝青用量。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

排水路面堵塞是由于堵塞物經(jīng)過(guò)雨水沖刷、輪胎碾壓，進(jìn)入路面中不能排出而導(dǎo)致的。堵塞物的性質(zhì)也會(huì)對(duì)排水路面的堵塞情況產(chǎn)生影響。本研究采用不同塑性指數(shù)的土來(lái)模擬不同類(lèi)型的堵塞物。土的塑性指數(shù)越高說(shuō)明其顆粒越細(xì)，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(jí)配、土的塑性指數(shù)為影響因素，以排水路面的滲水系數(shù)為主要響應(yīng)量，進(jìn)行三因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平如表5所示。

根據(jù)不同高黏劑摻量的改性瀝青與級(jí)配按照試驗(yàn)規(guī)程成型車(chē)轍試件。為提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每種高黏劑改性瀝青與級(jí)配的組合成型3塊車(chē)轍板。室內(nèi)模擬雨水沖刷堵塞物堵塞路面的過(guò)程如下：

（1）按照試驗(yàn)規(guī)程對(duì)車(chē)轍板進(jìn)行透水試驗(yàn)，得到初始滲水系數(shù)CW0。

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

（3）對(duì)步驟（2）進(jìn)行4次重復(fù)，得到滲水系數(shù)CW4。

（4）以得到的CW0～CW4差值CW作為評(píng)價(jià)堵塞情況的指標(biāo)。

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

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鋼渣SEM圖像分析

鋼渣的表觀結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都存在孔洞和孔隙，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，以滲水系數(shù)差值作為響應(yīng)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

通過(guò)正交試驗(yàn)結(jié)果，可以通過(guò)極差與方差分析得出滲水系數(shù)差值最大與最小情況下的最優(yōu)影響因素水平組合。利用Minitab軟件對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)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(píng)價(jià)該水平下對(duì)響應(yīng)值的影響大?。籇elta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(duì)響應(yīng)量的影響程度越大，根據(jù)Delta的大小對(duì)影響因素進(jìn)行排序。

由表7可知，對(duì)滲水系數(shù)差值影響最為顯著的因素為土的塑性指數(shù)，極差值為1 589；其次是混合料的級(jí)配，不同級(jí)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(duì)CW影響顯著性從高到低為土的塑性指數(shù)、混合料級(jí)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(shù)差值逐漸升高，表明滲水系數(shù)降低得較快，路面適水性能較差。在高黏劑摻量達(dá)到20%時(shí)，滲水系數(shù)差值最大，路面堵塞情況最為嚴(yán)重。其原因是過(guò)多的高黏劑摻量使瀝青的黏度變大，增強(qiáng)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(wěn)定性，但也增強(qiáng)了瀝青-瀝青、瀝青-集料之間的粘結(jié)，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(jí)配的增大，滲水系數(shù)差值逐漸降低，這表明路面的透水性能變好，沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的路面堵塞情況。相對(duì)于級(jí)配一和級(jí)配二之間滲水系數(shù)的差值，級(jí)配二和級(jí)配三之間的滲水系數(shù)差值變化不大。這可能是因?yàn)榧?jí)配一和級(jí)配二的空隙率差異對(duì)堵塞物通過(guò)率存在影響，空隙率大的級(jí)配，堵塞物通過(guò)的可能性較大。而堵塞物土的最大粒徑能夠同時(shí)通過(guò)級(jí)配二和級(jí)配三的空隙，所以?xún)烧邼B水系數(shù)差值差異較小。隨著土的塑性指數(shù)的增加，滲水系數(shù)差值的變化較大，因?yàn)橥恋乃苄灾笖?shù)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(píng)價(jià)各影響因素對(duì)滲水系數(shù)的影響程度。在方差分析中，通常以P值來(lái)評(píng)價(jià)某因素對(duì)響應(yīng)量的顯著性。P值lt;0.05則說(shuō)明該影響因素對(duì)響應(yīng)量影響顯著，否則影響不顯著。通過(guò)表8可知，在高黏劑摻量、級(jí)配、土的塑性指數(shù)這3個(gè)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(shuō)明影響因素C對(duì)滲水系數(shù)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(guò)方差分析，得出3個(gè)影響因素對(duì)滲水系數(shù)差值的影響程度由大到小順序?yàn)橥恋乃苄灾笖?shù)、級(jí)配、高黏劑摻量。方差分析與極差分析對(duì)滲水系數(shù)差值影響程度順序結(jié)果相同。

通過(guò)上述分析，以路面不堵塞為目標(biāo)，即滲水系數(shù)差值最小為目標(biāo)，得到3個(gè)影響因素各水平最佳組合為A1B3C1，即高黏劑摻量為12%、級(jí)配為級(jí)配三、土的塑性指數(shù)為3%。

3 性能驗(yàn)證

通過(guò)正交試驗(yàn)得到了9組不同影響因素水平組合的滲水系數(shù)差值，通過(guò)極差與方差分析，以堵塞情況最低、滲水系數(shù)差值最小為目標(biāo)，得出高黏劑摻量為12%、級(jí)配為級(jí)配三、土的塑性指數(shù)為3%的組合。然而在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的9組水平組合中并沒(méi)有該組合，所以需對(duì)得到的新組合的透水性和堵塞情況進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果如表9所示。

在排水路面結(jié)構(gòu)中，透水性只是瀝青混合料的其中一個(gè)性能，其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性等路用常規(guī)性能也需要滿足規(guī)范要求。試驗(yàn)過(guò)程中，影響因素C只會(huì)對(duì)排水路面的堵塞情況產(chǎn)生影響，與高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性無(wú)關(guān)。因此，在對(duì)這3個(gè)路用性能進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，只考慮影響因素A、B，即在A1B3組合下對(duì)3種路用性能進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表10所示。

由表10可知，在A1B3組合條件下，高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性均滿足技術(shù)指標(biāo)。

綜合驗(yàn)證下，說(shuō)明A1B3C1組合能滿足常規(guī)路用性能要求且透水性能最佳，路面不容易發(fā)生堵塞。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）鋼渣是一種多孔性材料，內(nèi)部具有較大的空隙率，本身具有一定的滲水能力。

（2）通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以滲水系數(shù)差值CW為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)極差與方差分析得到了各因素對(duì)排水路面堵塞的影響程度由大到小依次為：土的塑性指數(shù)、級(jí)配、高黏劑摻量。

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

（4）對(duì)A1B3C1水平組合進(jìn)行了透水性能驗(yàn)證，均值為滲水系數(shù)差值最小，符合透水性能最佳目標(biāo)；對(duì)A1B3C1組合進(jìn)行了常規(guī)路用性能驗(yàn)證，均滿足規(guī)范技術(shù)要求。

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收稿日期：2022-10-16