基于正交試驗的纖維微表處路用性能研究

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基于正交試驗的纖維微表處路用性能研究

劉軍營1，姚曉光2，羅要飛3

(1.陜西省高速公路建設集團，陜西 西安 710065；

2.長安大學 特殊地區公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；

3.河南省交通規劃勘察設計院有限責任公司，河南 鄭州 450052)

摘要：在微表處中加入纖維，可以提高微表處的路用性能。為深入了解纖維微表處路用性能的影響因素，基于正交試驗，在纖維摻量、油石比、纖維種類3個影響因素下進行濕輪磨耗試驗與輪轍變形試驗，并對結果進行對比分析。研究結果表明：各影響因素中，對路用性能影響程度的順序為纖維摻量>油石比>纖維類型；對于纖維微表處路用性能，纖維摻量和油石比存在最佳值，當纖維摻量取0.10%~0.20%，油石比取7.0%~7.5%時，微表處混合料路用性能最優；而且相同條件下，聚丙烯纖維微表處路用性能更加優越。

關鍵詞：道路工程；微表處；纖維；正交試驗；路用性能

微表處是高速公路瀝青路面常用的一種養護措施，但在應用過程中發現，微表處混合料易出現松散、抗反射裂縫效果不佳、耐久性不足等問題。大量研究表明[1-3]，在微表處中添加纖維，可以改善微表處的整體性能，提高抗裂性能和耐久性，因此纖維微表處在工程中也逐漸得到了應用。2006年10月在京珠高速K702—K703段，同時鋪筑了纖維微表處和普通微表處2個路段，2個月后對比發現，纖維微表處鋪筑路段未出現松散、脫落現象，而且耐久性明顯高于普通微表處。但是，工程應用中對纖維的類型及用量選擇至今還沒有認可的標準，一定程度上限制了纖維微表處技術的發展。鑒于此，本文選取4種纖維：聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維，在正交試驗[4-6]的基礎上對比分析纖維類型、摻量、油石比因素對微表處路用性能的影響規律及影響程度[7]，并結合不同纖維微表處之間路用性能的差異，確定纖維微表處的優化設計方案，相關結論可為工程應用提供參考。

1材料組成及技術指標

纖維微表處所用材料主要有：改性乳化瀝青、礦料、纖維、填料、外加水和必要的添加劑等，其質量的優劣直接影響到混合料的路用性能，因此本文對改性乳化瀝青、礦料、纖維進行了嚴格篩選，其他材料根據試驗及環境進行確定。

1.1改性乳化瀝青

采用的結合料為SBR改性乳化瀝青，由SK-90基質瀝青、慢裂快凝型陽離子乳化劑(MK-06型)、SBR膠乳、鹽酸調節劑、水和穩定劑(PVA及氯化鈣)等經改性乳化制備而成。其性能試驗結果及要求如表1所示。

表1　SBR改性乳化瀝青試驗結果與指標要求

1.2礦料

礦料采用2種不同巖性的石料，粗集料采用玄武巖，細集料選用石灰巖，經檢測各項技術指標均滿足規范要求，礦料級配采用MS-3型中值級配，如表2所示。

表2　礦料級配

1.3纖維

截止目前，工程中應用比較成熟的纖維主要有：聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、木質素纖維和纖維素纖維[8-10]。本文選取4種纖維進行研究，分別是聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維，其主要性能指標見表3。

表3　不同纖維的性能指標

2試驗準備及方案設計

2.1試驗準備

為研究不同纖維微表處耐磨耗性、水穩定性、抗車轍性能的區別，筆者進行了不同情況下的濕輪磨耗試驗和輪轍變形試驗。

濕輪磨耗試驗利用濕輪磨耗儀進行，試驗前通過模板制備標準試件：先將備好的礦料放入拌鍋，摻入填料，拌勻，然后加水拌勻，再加改性乳化瀝青拌和，拌和時間不超過30 s；然后將拌勻的混合料倒入試模中并迅速刮平；最后取走模板，并將試樣放入 60 ℃的烘箱中烘至恒重，得到標準試件。

試驗時，根據要求將冷卻至室溫的標準試件放入25 ℃的水浴中保溫1 h或6 d，然后將試件烘干保溫，置于濕輪磨耗儀升降平臺上，使磨耗頭轉動300 s后停止，沖洗烘干后，計算試件磨耗前后的質量損失，用1 h和6 d磨耗值評價微表處混合料成型后的耐磨耗性能以及抗水損害性能，磨耗值越大說明其耐磨耗性或抗水損害性能越差。

輪轍變形試驗標準試件制備步驟與上相同，試驗時采用負荷輪載試驗儀。將標準試件置于負荷為56.7 kg的車輪試驗儀上，保持試驗溫度在25 ℃，對試件進行1 000次碾壓，測量試樣的車轍深度和寬度，并計算試件試驗前后的寬度變化，進而得出微表處試樣單位寬度變形率(PLD)，并以此評價微表處混合料抗車轍的能力，PLD越小說明抗車轍性能越好。

2.2正交試驗設計

正交試驗作為一種研究多因素多水平的設計方法，主要利用排列整齊的正交表安排試驗。按照正交性從試驗中選取具有代表性的水平組合試驗，并對試驗結果的分析處理，研究不同因素對試驗指標的影響規律及影響程度，從而達到高效、快速、經濟的試驗設計目的[4,11]。因此，本文正交試驗安排如下。

1)影響因素及水平的選擇。基于本文研究目的，且纖維微表處微表處路用性能受纖維種類、纖維摻量、油石比大小影響較大。所以，正交試驗采用A，B和C 3個影響因素，依次為纖維種類、纖維摻量(%)、油石比(%)，對應的1，2，3和4共4個水平分別是聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維；0.05，0.10，0.20和0.30；6.5，7.0，7.5和8.0。

2)評價指標的確定。分別采用1 h濕輪磨耗值、6 d濕輪磨耗值、寬帶變形率指標評價微表處耐磨耗性能、抗水損害性能、抗車轍性能。

依照所選的影響因素及不同水平數，采用L16(45)正交表，如表4所示。其中水泥填料、纖維均采用外摻法進行添加，水泥用量為2.0%。

表4　正交試驗方案設計

3正交試驗結果及分析

3.1正交試驗直觀分析

纖維微表處正交試驗結果如表5所示。

表5　正交試驗結果

為更好地進行對比分析，將表5數據處理后，可得表6及圖1~3。

表6　正交試驗直觀分析結果

注：Ki(i=1,2,3,4)為各種因素在同一水平下所對應的試驗結果的總和；ki(i=1,2,3,4)為各種因素在同一水平下相對應的試驗結果的平均值。

(a)纖維種類與1 h濕輪磨耗值的關系;(b)纖維摻量與1 h濕輪磨耗值的關系;(c)油石比與1 h濕輪磨耗值的對應關系圖1　各因素對1 h濕輪磨耗值的影響Fig.1 Influence of factors to 1 h wet wheel abrasion value

(a)纖維種類與6 d濕輪磨耗值的關系；(b)纖維摻量與6 d濕輪磨耗值的關系；(c)油石比與6 d濕輪磨耗值的對應關系圖2　各因素對6 d濕輪磨耗值的影響Fig.2 Influence of factors to 6 d wet wheel abrasion value

(a)纖維種類與寬度變化率之間的關系；(b)纖維摻量與寬度變化率之間的關系；(c)油石比與寬度變化率之間的關系圖3　各因素對寬度變化率的影響Fig.3 Influence of factors to width variation

3.1.1纖維微表處的耐摩耗性及其影響因素分析

從表6、圖1看出，在試驗選定的3個因素中，對微表處混合料耐磨耗性影響程度大小順序分別為：纖維摻量>油石比>纖維種類，其相應極差分別為：325.8，165.5和69.9，可見纖維摻量的多少對微表處耐磨耗性影響最大，室內試驗及實際施工時均須嚴格控制。

隨著纖維摻量的增加，混合料的濕輪磨耗值先減小后增大，摻量在0.10%~0.20%范圍內，耐磨性優于其他摻量；其原因為摻量較大時，纖維在混合料中的分散性能下降，導致瀝青分散不均，集料之間黏結力較差，在外力作用下磨耗值增大。

油石比在6.5%~8.0%變化時，平均磨耗值分別為551.0，468.2，411.0和385.5 g/m2，耐磨耗性逐漸提高。就采用的4種纖維而言，聚丙烯纖維、玄武巖纖維微表處的耐磨耗性較好，玻璃纖維微表處耐磨耗性最差，這主要是因為玻璃纖維的吸油率較小，與瀝青的相容性較差，在油石比相同的情況下，存在大量的自由瀝青，致使瀝青膠漿對集料的黏聚力減弱，磨耗值增大。

3.1.2纖維微表處的抗水損害性及影響因素分析

由表6、圖2可知，影響因素纖維種類、纖維摻量、油石比相對應的6 d平均磨耗值極差分別為68.8，446.6和232.1，由此說明3因素對混合料抗水損害性能的影響強弱與耐磨耗性能試驗結果一致。

隨著油石比的增大，混合料的抗水損害性能逐漸增強，在試驗選定的油石比范圍內，油石比8.0%時混合料抗水損害性能最好。

不同纖維微表處混合料的抗水損害性能并不一致，其具體排序為：玄武巖纖維>聚丙烯纖維>聚酯纖維>玻璃纖維，這主要是由于不同纖維的表面特性、比表面積、吸濕率、吸附瀝青的能力等造成的。就試驗選用的4種纖維而言，由于玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維吸油率較高，對瀝青用量需求大，易使瀝青膜變厚，抗水損害能力增強；但聚丙烯纖維吸濕率過大，聚酯纖維吸濕率為0，一定程度上削弱了抗水損害性能，因此，在吸濕率、吸油率的綜合作用下導致4種纖維微表處的抗水損害性能出現如上的排序。

3.1.3纖維微表處抗車轍性能及其影響因素分析

從表6、圖3可以看出，當纖維種類、摻量、油石比等因素在各自相應的水平范圍內變化時，平均寬度變形率的極差分別為0.60，1.26和1.09，即纖維摻量對混合料抗車轍性能影響最大，油石比、纖維種類對其的影響依次減小，這與以上試驗結果得出結論是相一致的，但相互之間的差異性減小。

纖維摻量依次增大時，混合料抗車轍性能先增強后降低，摻量為0.10%時性能最優。相對于油石比對混合料耐磨耗性、抗水損害性能而言，油石比對混合料抗車轍性能的影響并不相同；伴隨著油石比的逐漸提高，混合料的寬度變形率存在明顯的拐點，油石比在6.5%~7.0%范圍內時，寬度變化率減小，繼續增大油石比，其寬度變形率反而增大。這說明纖維微表處存在最佳的油石比，超過后自由瀝青含量增加，瀝青與集料之間黏聚力下降，強度降低，導致抗車轍性能下降。

對于不同纖維微表處的抗車轍性能而言，玄武巖纖維、聚丙烯纖維優于玻璃纖維和聚酯纖維，其中聚酯纖維微表處抗車轍性能最差，原因為聚酯纖維的分散性較差，致使乳液分布不均，對礦料之間的相對滑移起不到有效的約束和阻礙作用，減弱了礦料的相對穩定性，在荷載作用下導致應力傳遞不均，塑性變形能力降低。

綜上可知，不同因素對纖維微表處耐磨耗性、抗水損害性、抗車轍性的影響總體上一致，但變化規律存在差別。基于以上試驗結果，建議纖維摻量為0.10%~0.20%，油石比為7.0%~7.5%，不宜采用過高的纖維摻量及較大的油石比。

3.2正交試驗方差分析

直觀分析法僅僅從極值的角度來考慮各個因素對試驗指標影響的主次關系，并沒有具體判別各個因素對試驗指標的影響程度，即不能準確判斷各個因素對試驗指標影響作用的顯著性。為彌補直觀分析法存在的問題，采用方差分析法對試驗結果進行進一步分析說明。

根據正交試驗結果，借助統計分析軟件SPSS對數據進行處理，其中顯著性水平α為5%，方差分析結果見表7所示。

表7　正交試驗結果方差分析

由表7中F大小容易得出：各因素影響程度排序為：纖維摻量>油石比>纖維種類。

對耐磨耗性、抗水損害性而言，纖維摻量、油石比對其具有顯著影響，纖維種類對其影響不顯著，這說明纖維摻量、油石比對混合料耐磨耗性、抗水損害性的貢獻要遠大于纖維種類對其的貢獻。對于抗車轍性能而言，上述3因素影響都超過了臨界值，但纖維種類的影響程度仍低于纖維摻量和油石比。

因此，在室內試驗及現場施工時，尤其要注意纖維摻量及油石比的變化，防止出現突變。

4不同纖維微表處路用性能對比

為進一步證明以上試驗結果，在油石比為7.0%，纖維摻量為0.10%時進行濕輪磨耗、輪轍變形試驗，對比分析不同類型纖維微表處混合料之間路用性能的差異，結果如表8所示。

由表8知，普通微表處摻加纖維后，混合料的濕輪磨耗值、寬度變形率均減小，其耐磨耗性、抗水損害性、抗車轍性能等均有一定程度的提高。

表8　不同類型微表處路用性能

這是因為纖維能夠顯著改善黏度、界面強度，對微表處瀝青混合料的加筋阻裂作用也非常明顯，因此會提高其耐磨耗和抗車轍性能。而且纖維對瀝青具有吸附作用，使瀝青用量增大，從而使瀝青飽和度得到提高；瀝青與礦粉及纖維共同形成的瀝青膜較厚，裹覆在集料表面，能夠在相當程度上抵御水微表處混合料的侵害，進而提高瀝青混合料的水穩定性，降低瀝青路面發生水損壞的可能性。

就耐磨耗性而言，聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維微表處混合料分別提高34.3%，51.3%，18.5%和44.6%，這說明聚丙烯纖維的改善效果最好。

聚酯纖維對混合料耐磨耗性、抗水損害性能的改善作用優于玻璃纖維，而對抗車轍性能的改善作用弱于玻璃纖維。該結論與正交試驗結果一致。說明纖維對微表處路用性能的改善作用與纖維自身的表面特性、比表面積、吸油率、分散性等指標密切相關。由表3可知，聚丙烯纖維、玄武巖纖維與瀝青的相容性較好，且幾乎不吸水，因此這2種纖維的改善效果要優于玻璃纖維和聚酯纖維。

5結論

1)正交試驗分析結果表明，纖維摻量、油石比等因素對微表處耐磨耗性、抗水損害性等路用性能的影響程度高于纖維種類對其的影響。試驗選定的3因素對混合料抗車轍性能雖具有顯著影響，但3個因素的排序仍然為：纖維摻量>油石比>纖維種類。

2)混合料的耐磨耗性、抗水損害性、抗車轍性等路用性能隨著纖維摻量的增加先增強后降低，存在一個最佳的摻量范圍。油石比在6.5%~8.0%范圍內變化時，混合料的耐磨耗性、抗水損害性等逐漸增強，抗車轍性能先增強后降低。在相同的摻量及油石比條件下，聚丙烯纖維微表處的路用性能最好，其次為玄武巖纖維微表處，其余2種纖維微表處路用性能排序并不統一。

3)增大纖維摻量及油石比，不僅會增加工程造價，還導致路用性能下降，結合濕輪磨耗及輪轍變形試驗結果，建議纖維摻量為0.10%~0.20%，油石比為7.0%~7.5%。

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(編輯陽麗霞)

Research on pavement performance of fiber micro-surfacing based on orthogonal testLIU Junyun1, YAO Xiaoguang2, LUO Yaofei3

(1.Shaanxi Provincial Expressway Construction Group Co. Ltd, Xi’an 710065 ,China;

2.Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China;

3.Henan Province Transportation Planning Survey and Design Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450052 ,China)

Abstract:The pavement performance of micro-surfacing can be improved by adding fiber. In order to further understand the factors of micro-surfacing pavement performance, three factors including fiber content, asphalt-aggregate ratio and fiber type were studied. On the basis of orthogonal test, the wet wheel abrasion test and rut deformation test were conducted under the factors in this paper, and the results were comparative analyzed. The results indicate that the degree of influence is in descending order according to fiber content > asphalt-aggregate ratio > fiber type. Adding 0.10% to 0.20% fiber and 7.0% to 7.5% asphalt-aggregate ratios can make pavement performance of micro surfacing in optimal performance. Under the same conditions, the pavement performance of polypropylene fiber micro-surfacing mixture is more superior.

Key words：road engineering；micro-surfacing；fiber；orthogonal test；pavement performance

中圖分類號：U416

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)01-0082-07

通訊作者：劉軍營(1975-)，女，陜西臨潼人，高級工程師，從事瀝青路面結構與材料性能的研究；E-mail:liujy@sxgs.com

基金項目：江蘇省交通科學研究計劃項目(2010Y11)；陜西省交通科技項目(2014-01K)

收稿日期：*2015-06-20