转炉石对沥青混凝土现场压实方式的影响研究

丁汉飞

(江苏华宁工程咨询监理有限公司， 江苏 南京　210018)



转炉石对沥青混凝土现场压实方式的影响研究

丁汉飞

(江苏华宁工程咨询监理有限公司， 江苏 南京210018)

[摘要]针对天然粒料及转炉石，以改性沥青作为黏结料制成密级配混凝土，铺设试验路观测路面性能，进行分析及探讨。转炉石组成成分与天然粒料不同，基于节能的观点，根据本研究试验结果指出，在运输过程中转炉石沥青混凝土能使内部温度非常均匀，而传统沥青混凝土会随着接近于表面则温度越低；另外发现转炉石沥青混凝土于不同横向路面距离内部温度平均，而传统沥青混凝土越靠近横向两端与表面温度差异就越小，验证转炉石比天然粒料更具保温效果。也针对不同滚压次数及厚度对压实度的关系，实验结果指出，厚度10 cm虽可以提高初始压实度，但其压实度并非持续上升或下降，而5 cm的压实度因滚压次数增加其持续上升，能够去推测最佳化压实的次数。

[关键词]转炉石； 改性沥青； 压实度； 温降梯度； 试验路

1概述

长期以来，国内砂石需求量远大于砂石来源的供应，在有限的砂石资源下，为了建设所需，部分砂石业者过度开采，严重影响河川生态，使得桥梁的安全也大受影响。河川下游的不当开采，会引发桥梁与河川安全上的问题。因此解决国内砂石问题，是公路工程最重要的问题。转炉石粒料为炼钢过程的副产物，可做为路面材料替代品。目前转炉石每年产量约为120万t左右，美国每年钢碴再利用约770～830百万t，绝大部分集中于工程填方与道路的应用，所以经济上的成本回收并不很明显，大多属于解决转炉石的处理问题。早期对于转炉石的处理方式，是以填海方式进行。由于转炉石比重大能承受载重、硬度高抗磨损；又经轧制过程，扁平率低及破碎面大，现今将转炉石回收再利用，若能将转炉石成功应用于沥青路面上，可以使转炉石有效再利用。国内外针对转炉石研究多于试验室进行诸多模拟试验，如Wu等人[1]研究发现转炉石具有多孔隙特性，可吸附沥青，进而降低高温时永久变形量。Xue等人[2]以转炉石做为沥青混合料粒料，显示转炉石比天然粒料具有较粗糙的纹理，可增加与沥青的凝聚力，Shen等人[3]探讨转炉石用于多孔隙级配的性能。

上述国内外研究成果及实际铺设案例，均着重于以转炉石取代部分粗粒料及应用于密级配、再生级配、排水级配等。近年来由于重车及载重持续增加，传统路面材料已无法提供适合的强度，导致路面耐久性不足。探讨转炉石目前除改变粒料级配外，采用高黏度的沥青黏结料，可增加与粒料围束能力，降低载重塑性变形特性。转炉石粒料含有高比例氧化钙(CaO)，具有亲油特性，即易吸附沥青，除可降低沥青需求量，亦可增加沥青混凝土各项强度。但目前针对转炉石与高黏度的改性沥青黏结料包裹的试验研究，甚至探讨现场摊铺的性能亦少见。因此，本研究于现场铺设一条转炉石沥青混凝土试验道路，以改性沥青作为黏结料，探讨转炉石与改性沥青的黏结性质，及拌合过程的均匀性、拌合温度对工作性影响、转炉石改性沥青混凝土的各项力学性质等。

2文献回顾

2.1转炉石沥青混凝土性质

炼钢炉石就是生产钢铁的铁矿原料所含的粘土杂质，与石灰石助熔剂在高温熔炉中反应所产生的熔渣。熔渣自转炉排出冷却所得的固体物，称为转炉石(BOF)。转炉石在物性方面优于天然碎石，且为亲油性粒料，能提升抗水分侵蚀的能力，多雨地区适合取代作为粗粒料。炼钢过程产生的转炉石，组成成份含氧化铁量高，比重较砂石大，且较为耐磨。以耐磨指数表示，标准砂为1，高炉石为0.96，而转炉石为0.7。由于转炉石较耐磨，充当路面材料时较高炉石性能好。转炉石比重约3.4，天然粒料约2.6，故在相同重量下，添加转炉石其使用沥青作黏结材可大幅度的降低使用量，对于油价高涨时代其可相对节省成本。柯明贤[5]以转炉石元素组成分析，转炉石、电弧炉渣主要组成为Mg、Al、Si、Ca、Mn、Fe等，而天然砂石主要组成为Mg、Al、Si、Ca、Fe等，彼此成份相近，可部分取代作为粒料，但成分含游离态的氧化钙及氧化镁，其回胀率大于0.5%，需安定化处理方可使用于级配粒料。Xue[6]将转炉石做为SMA路面粒料，具有高抗车辙能力、高温稳定性及抗水分侵入。Wu等人[7]亦将转炉石替代SMA沥青混合料粒料，其中观测其回胀量，浸泡7天后其回胀率小于1%，另与一般玄武岩粒料比较，转炉石替代SMA沥青混合料粒料可提升高温永久变形稳定性及低温脆裂性质。Xue等人[8]经由马歇尔配比设计及superpave配比设计方法评估，SMA沥青混合料使用大量转炉石可有效增加混合料稳定性进而节省资源。Shen等人[3]将不同比例转炉石应用于排水性沥青混凝土，能提升抗滑性、水分敏感性、抗车辙能力、吸音特性，由SEM显微观测，转炉石粒料较为粗糙及表面纹理，可与沥青紧密包裹。

2.2沥青混凝土温度效应

邱启伟[12]探讨再生沥青混凝土拌合温度，新料温度应采用原沥青拌合温度加28 ℃，热拌再生厂若采用将刨除料加热方式生产，RAP的温度不要超过130 ℃，则预估目标黏度、试验拌合厂生产成品的回收沥青黏度质量较趋一致。林东庆[7]以SHRP性能指标评估回收沥青与路面性能，回收沥青超过20%，可符合G*/sinδ需大于2.2 kPa的规定；回收沥青超过40%，具有抵抗高温65 ℃的车辙能力，但温度小于30 ℃容易产生疲劳裂缝。

3试验路工作现况

本研究进行试验路铺设断面位置图如图1所示，铺设总长度400 m，分为X区段(200 m)及Y区段(200 m)，沥青黏结料均采用改性沥青，全部区段粒料级配均采用密级配。X区段(200 m)其中100 m以天然粒料作为级配粗粒料；另100 m则以转炉石取代作为级配粗粒料，全部试验区段则以天然砂作为细粒料，Y区段(200 m)与X区段相同，铺设厚度11 cm。本试验路段于2014年2月27日进行施工，铺设前进行原路面调查，进行路面平整量测、车辙、试件钻芯及路面拍摄，做为摊铺过程的参考。摊铺前原路面现况如图2、图3所示，原路面X区段与Y区段路面破坏相当严重，肉眼看出龟裂及坑洞，此外，以目视方式即观察试验路段纵、横断面均有严重高程差，会影响路面排水及估算摊铺数量。故摊铺前另进行道路测量工作。道路摊铺方法是以没有进行铣刨工程而直接填补坑洞后进行摊铺。

图1　铺设断面位置图Figure 1　Laying cross section drawing

图2　X段路面T字口低洼处Figure 2　X section T low areas

图3　Y段路面转弯处Figure 3 　Y section corner

4转炉石沥青混凝土降温行为

4.1运输过程温降变化

本研究依据AI规范针对沥青黏度-温度曲线，决定拌合温度为153 ℃，于拌合厂生产过程依此温度进行拌合，拌合温度可予以管控，另依据沥青路面施工技术规范，沥青混凝土最低摊铺及滚压温度分别为120 ℃、110 ℃～125 ℃，为比较在相同运输距离下，转炉石及天然粒料拌合成沥青混凝土运输过程的变化，本研究在拌合厂卸料至装载沥青混凝土卡车后，即于沥青混凝土埋设温度感应线，并连接至温度记录器，埋设温度分别取沥青混凝土表面下部深度10、 20、 30、 40 cm。图4及图5为天然粒料沥青混凝土及转炉石沥青混凝土自出厂开始到施工现场运输过程，运输时间与温度关系图。由图4可知：距离沥青混凝土内部深度10 cm温度为最低，运输时间约50 min，温度自150 ℃降低至120 ℃，距离沥青混凝土表面深度越大则温度约高，内部深度40 cm位置，温度维持在160 ℃，在运输过程温度并未有明显变化，此因与接近沥青混凝土表面位置与大气接触，出厂温度约150 ℃，大气温度约25 ℃，温度差异大，产生热对流效应，故天然粒料制成的沥青混凝土表面温度变化大随时间而变化。由图5可知：转炉石沥青混凝土温度整体上随着运输时间有稍微降低，但是深度10、 20、 30、 40 cm温度差异不大，在相同运输时间50 min，温度自165 ℃降低至160 ℃，仅降低5 ℃，此表示转炉石沥青混凝土具有聚温保温效应，因与转炉石粒料本身具多孔隙有关，转炉石沥青混凝土较传统沥青混凝土更能将热平均分散，并且可以有保温功效，使其热能不易散失[8-12]。

图4　运送降温状况(天然粒料)Figure 4　Delivery of cooling condition(natural aggregate)

图5　运送降温状况(转炉石)Figure 5　Shipping cooling conditions(stone)of converter

4.2转炉石沥青混凝土摊铺后温度变化

道路横断面包含内、外车道及路肩，就温度变化观点，道路横断面类似围束应力变化，接近于道路两旁路肩位置，由于直接与大气接触，理论上其温度变化与接近道路中心位置不同，可能因温度变化不同，导致车辙现象。故本研究在摊铺前埋设热感线，与道路横断面平行，见图6，分别量测距离路肩内部距离20、 80、 180 cm的温度变化，热感线埋设深度距离表面4 cm，图7即为埋设热感性的示意图。

图6　埋设热感线Figure 6　Buried thermal line

图7　埋设热感线示意图Figure 7　Embedding thermal line diagram

本研究于摊铺现场摊铺后隔天，进行不同时间点量测，分别为上午(09：00)、中午(12：00)、下午(18：00)、晚上(20：00)，针对路肩算起内部距离分别20、 80、 180 cm的温度量测，图8与图9得知：转炉石沥青混凝土内部温度比传统沥青混凝土内部温度大，这表示转炉石沥青混凝土于前日摊铺后，降温速率较慢，此现象于前节运输过程，转炉石沥青混凝土较具有保温效应可验证。此外，各个时段转炉石与天然粒料沥青混凝土温度比较，中午日光直射持续加热下使得表面温度最高，转炉石沥青混凝土内部温度明显高于天然粒料沥青混凝土，表示应该是因为转炉石的保温效果好。

此外，就路面横断长度比较内部温度变化，发现转炉石与天然粒料沥青混凝土于路侧端位置的温度，均明显高于距离路侧20、 80、 180 cm，沥青混凝土路侧摊铺位置直接与空气接触，容易产生热交换降低温度，而内部温度未直接接触空气，较能保持温度，故会由距离路侧内部位置热能往外补充热能，故反而路侧端位置的温度较高。而热交换过程，也发现天然粒料距离路侧内部位置的温度热能在不同时段较接近，而转炉石沥青混凝土则有明显差异，可能是由于转炉石多孔隙性质，热交换效应较为剧烈。

图8　转炉石在不同时间下的温度变化Figure 8　Converter stone under different time of 　temperature changes

图9　天然粒料在不同时间下的温度变化Figure 9　Natural aggregate at different times(water)　to temperature changes

4.3滚压喷水/不喷水对温度变化

根据沥青路面施工技术规范用于滚压沥青混合料的压路机，应装有水箱、喷水设备、刮板等，以保持机轮湿润，以免沥青混合料黏附机轮上。故传统滚压过程，压路机通常加水湿润，本研究由喷水摊铺情况来探讨转炉石沥青混凝土与传统沥青混凝土的路面温度变化。图10、图11为传统沥青混凝土与转炉石沥青混凝土的喷水影响，量测结果由图10(a)及图10(b)可以显示传统沥青混凝土在喷水摊铺过后不同时段的温度都均比未喷水摊铺还要低，表示出传统沥青喷水摊铺会影响之后温度情况，可能是因水分使得温度下降，所以喷水摊铺会比未喷水较好。虽然天然粒料喷水摊铺效果较好，但是实验结果图11(a)及图11(b)可以显示转炉石喷水摊铺时的温度变化比未喷水摊铺时会因表面跟内部有不同的温度变化，表面温度虽会因喷水而降低，不过内部会因此而提高温度，如果表面温度太高会使表面砂石容易被带走，但内部温度太高会使路面变形，但以整体来看，转炉石在未喷水摊铺时较好(确定未喷水较佳)。

图10　天然粒料于不同时段对温度变化Figure 10　Natural aggregate at different times to temperature 　changes

图11　转炉石于不同时段对温度变化Figure 11　Converter in different times to temperature changes

5结论

① 转炉石比重大于天然粒料，可提高沥青混凝土的稳定度，降低流度值，转炉石粒料比天然粒料较接近方形，添加于路面后更有互锁作用，能提升沥青混凝土的力学及耐久性。

② 相同运输时间50 min，转炉石沥青混凝土温度自165 ℃降低至160 ℃，仅降低5 ℃，表示转炉石沥青混凝土具有聚温保温效应，较传统沥青混凝土更能将热平均分散，并且可以有保温功效，使其热能不易散失。

③ 转炉石喷水摊铺时的温度变化比未喷水摊铺时会因表面跟内部有不同的温度变化，表面温度虽会因喷水而降低，不过内部会因此而提高温度。

④ 沥青混凝土路侧摊铺位置直接与空气接触，容易产生热交换而降低温度，而内部温度未直接接触空气，较能保持温度，故会由距离路侧内部位置的热能往外补充热能，故反而路侧端位置的温度较高。

⑤ 热交换过程，天然粒料距离路侧内部位置的温度热能在不同时段较接近，而转炉石沥青混凝土则有明显差异，可能是由于转炉石多孔隙性质，热交换效应较为剧烈所致。

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Effect of BOF Stone on Compaction way of Asphalt Concrete

DING Hanfei

(Jiangsu Huaning Engineering Consul Tation Supervision Co，Ltd Nanjing， Jiangsu 210018， China)

[Abstract]In this study，natural stone aggregates and converter to modified asphalt as adhesive material made of dense-graded concrete，laying of pavement performance test road observation，and analyzed and discussed.Converter natural stone aggregates of different composition，based on the viewpoint of energy-saving，the present study the test results indicate that，in the transport process to make asphalt concrete stone converter internal temperature is very uniform，and the conventional asphalt concrete will be close to the surface as the temperature of the low；also found in different converter stone asphalt concrete pavement transverse distance average internal temperature，while the more traditional asphalt concrete near the lateral ends of the smaller temperature difference between the surface，verify converter stone aggregates more than natural insulation effect.The study also for the relationship between the number and thickness of different rolling degree of compaction，the experimental results indicate that although the thickness of 10 cm can improve initial compaction，but the degree of compaction is not rising or falling，while the degree of compaction due to roll 5 cm pressure to increase the number of its rising，it is possible to predict the number of optimal compaction.

[Key words]BOF stone； asphalt； compaction； temperature； drop gradient； test road

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0010-05