基于灰色关联分析的钢渣沥青混凝土水稳定性研究

2024-03-04刘先鹏

建材世界 2024年1期

王丽,刘先鹏,魏欢

(1.内蒙古乌拉盖管理区公路养护中心,锡林郭勒盟 026000; 2.武汉理工大学硅酸盐国家重点实验室,武汉 430070)

沥青混凝土路面因具有抗滑、耐磨、降噪及施工维修便利等特点,逐渐取代水泥混凝土成为我国高等级路面的主要形式[1]。截至2022年末,全国公路总里程达535.48万公里,比上年末增加了7.41万公里。公路密度达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,沥青混凝土容易受到动水冲刷、气候、荷载等外界环境的影响,表现为掉粒、坑槽、车辙、裂缝等路面病害。我国公路养护里程为535.03万公里,占公路总里程的99.9%。这凸显了路面养护工程的重要性。

沥青混凝土路面的翻修养护过程需要大量的砂石集料。砂石集料通过山体爆破、岩石破碎及筛分后得到,整个过程消耗大量能量并产生环境排放。据国家碎石协会(NCSA)数据统计,砂石集料生产的能耗范围为21.1～63.3 MJ/t,普通值为53 MJ/t。美国国家环境保护局(EPA)量化了砂石集料生产过程的环境排放因子,数值为0.235 8 kg粉尘/t。为遵循我国“双碳”战略,倡导绿色、环保、低碳的生活方式,迫切需要寻找砂石集料的替代产品,用于沥青混凝土路面建设工程。

从20世纪90年代初至今,我国钢渣尾渣累积堆存量近20亿吨。钢渣长期堆积会污染周边土壤和水体,严重威胁生态环境安全。随着我国粗钢产量增加,统计数据显示2022年我国钢渣产量达1.80亿吨。为减缓砂石集料的开采压力以及提高钢渣利用率,研究人员进行了钢渣替代砂石集料在沥青混凝土中的应用研究。

当前对全组分钢渣沥青混凝土的水稳性能研究不足。该文采用钢渣全组分梯级利用技术制备钢渣沥青混凝土,并通过室内试验研究其水稳性能。利用灰色关联方法分析钢渣沥青混凝土组成要素与水稳性能的相关性。

1 分析方法

灰色关联分析是一种评价多因素对体系影响程度的统计分析方法,用于判定影响体系的主次因素[2]。该方法将因素之间的相对影响程度用关联度来量化。关联度大说明因素之间相对变化规律一致,反之,因素之间无明显影响。

关联度计算步骤如下:

1) 建立比较数列和参考数列,并进行初值化处理

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分别为参考数列和比较数列。

对数列进行初值化处理的过程如下,即用每个数列第一个数值除以其他数值得到一个新序列。

(3)

(4)

式中,Y0和Yi分别为初值化处理后的参考数列和比较数列。

2) 计算比较数列和参考数列之间的差序列和关联系数

Δi(K)=|y0(K)-yi(K)|

(5)

(6)

式中,Δi(K)、ξi(K)为初值化处理后的参考数列和比较数列之间的差序列、关联系数;ρ为分辨系数,取值在0～1之间,通常取值ρ= 0.5;[Δi(K)]max和[Δi(K)]min分别为差序列的最大值、最小值。

(7)

2 原材料

沥青采用辽宁盘锦辽北方沥青燃料有限公司的AH-70重交石油沥青和SBS改性沥青。经过检测这两种沥青针入度分别为66/0.1 mm、73.4/0.1 mm;延度分别为43 cm(5 cm/min,15 ℃)、42.6 cm(5 cm/min,5 ℃);软化点分别为48.8 ℃、66.7 ℃。集料采用宝钢集团、包头钢铁集团和武钢集团有限公司生产的碱性转炉渣。矿粉采用阳原龙阳钙业有限责任公司生产的石灰岩碱性石料磨细得到的矿粉,亲水系数为0.8,无团状。纤维采用美国进口的聚酯纤维,直径0.015 mm,长度6.0 mm,抗拉强度550 MPa。

3 沥青混凝土制备

该文选取三种级配类型(最大公称粒径分别为13 mm、16 mm)的沥青混凝土AC、SMA、OGFC,如图1所示,对不同组成要素的沥青混凝土的水稳定性进行对比分析[3,4]。采用马歇尔试验确定了宝钢钢渣、包钢钢渣、武钢钢渣和石灰石沥青混凝土(分别简称为A1、A2、A3和A4)的最佳油石比,如表1所示。随后,按照JTG—E20 2011试验规程分别制备了浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和汉堡车辙试验的沥青混凝土试件,并试验确定了沥青混凝土水稳定性相关指标。

表1 基于马歇尔试验的沥青混凝土油石比

4 结果与讨论

根据上述6种级配,测试钢渣沥青混凝土的水稳定性,包括其残留稳定度(MS)、冻融劈裂强度比(TSR)、汉堡抗车辙因子(RH),图2～图4分别为钢渣沥青混凝土的水稳定性的相关测试结果。

将上述钢渣沥青混凝土的水稳定性的相关测试结果,代入灰色关联度的式(1)～式(7)中,计算得到集料、级配、沥青及集料粒径因素的关联度,结果如表2所示。

表2 基于灰色关联度分析的影响因素的关联度

从表2可以看出,在浸水马歇尔试验中,影响钢渣沥青混凝土残留稳定度因素的相对影响程度依次为集料、级配和粒径。在冻融劈裂试验中,影响钢渣沥青混凝土冻融劈裂强度比因素的相对影响程度依次为级配、粒径和集料。在汉堡车辙试验中,影响钢渣沥青混凝土汉堡车辙抵抗因子因素的相对影响程度依次为集料、粒径和级配。总体而言,影响钢渣沥青混凝土水稳定性因素的相对影响程度依次为集料、级配和粒径,其中改性沥青混凝土的性能优于基质沥青混凝土。因此,在钢渣沥青混凝土体系中,通过对集料、级配、粒径和沥青的影响因素进行灰色关联分析,结果表明,影响钢渣沥青混凝土水稳定性因素的相对影响程度依次为沥青、集料、级配和粒径。