基于正交試驗的纖維微表處降噪與耐久性能影響因素研究

2018-11-15 11:28:46何連明徐全威朱富萬

重慶交通大學學報(自然科學版) 2018年11期

呂權，何連明，劉偉，徐全威，何婧，朱富萬

(1. 甘肅省定西公路管理局，甘肅定西 743000； 2. 蘇交科集團股份有限公司，江蘇南京 211112)

0 引言

纖維微表處是由傳統微表處混合料中摻加高分子纖維材料發展而來。混合料中摻加纖維能夠起到纏繞、固鎖等作用，能夠顯著改善微表處混合料的抗裂性能、黏附性能及綜合路用性能[1-2]。

相關研究表明，纖維摻量在0.1%～0.3%之間，纖維長度在6 mm左右，能夠顯著改善微表處混合料的綜合路用性能，并且能夠防止混合料的離析。此外，纖維的摻入會提高約0.5%混合料的瀝青用量，同時降低混合料的可拌和時間[3-6]。

通過設計正交試驗方案，考察礦料級配、改性乳化瀝青用量、纖維摻量3個因素對纖維微表處抗車轍、抗水損害與降噪性能的影響。

1 試驗原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

1)改性乳化瀝青

改性乳化瀝青由2.5%乳化劑+5%SBR+90#基質瀝青通過膠體磨制得，其各項指標見表1。

表1 改性乳化瀝青指標Table 1 Modified emulsified bitumen index

2)集料

試驗所用集料為0～3、3～5、5～10 mm的玄武巖，各項指標見表2，篩分結果見表3。

表2 集料性能測試結果Table 2 Aggregate performance test results

表3 集料篩分結果Table 3 Screening results of aggregate

3)填料

礦粉的主要作用是改善礦料級配，水泥、消石灰等具有化學活性的填料的主要作用是調整稀漿混合料的可拌和時間、成漿狀態和成型速度等。筆者采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥和玄武巖礦粉作為填料。

4)纖維

所用纖維為高強度、易剪切，吸水量小且與瀝青粘附性好的玻璃纖維，有國產和進口兩種。纖維加入應充分考慮其在微表處混合料中良好的分散性。如果分散不均勻，纖維在混合料中結團，易導致纖維吸收較多的瀝青，從而使混合料中的瀝青分散不均勻，進而影響混合料的路用耐久性能。纖維長度也會對微表處混合料性能產生影響。纖維太長，不易分散；纖維太短，加筋效果差。筆者通過調研，將纖維的長度定為6 mm[7-10]。國產與進口玻璃纖維主要性能指標見表4。

表4 國產與進口玻璃纖維性能指標Table 4 Performance indicators for domestic and imported glass fiber

1.2 試驗方法

通過測試微表處混合料的抗水損害性能、抗車轍性能對微表處混合料的耐久性進行評價。

1)抗水損害性能

采用稀漿混合料濕輪磨耗試驗進行浸水1 h和6 d濕輪磨耗測試，用磨耗后單位面積的質量損失率(WTAT)來評價其抗水損害性能。

2)抗車轍性能

采用我國稀漿混合料車轍變形試驗進行評價，以碾壓1 000次后的試件寬度變化率(PLD)來評價其抗車轍性能。

3)噪聲測試方法

考慮試驗條件和可行性等因素，室內噪聲檢測設備為噪聲頻譜分析儀，噪聲測試試件為濕輪磨耗試件。測試時將試件固定在試驗臺上，確保試件在濕輪磨耗儀運行過程中不發生相對位移從而產生滑動摩擦噪聲影響測試結果。為確保傳聲器附近無影響聲場的障礙物，測試人員盡可能遠離儀器，站在不致影響儀器測量值的位置。傳聲器固定在與磨耗橡膠管與試驗臺接觸面齊平高度。傳聲器指向濕輪磨耗儀橡膠管磨耗頭。傳聲器至試驗托盤水平距離為20 cm，如圖1。

圖1 噪聲測試裝置Fig. 1 Noise test device

2 級配與材料優選

2.1 級配選擇

改善微表處路面的紋理，不僅可以降低輪胎、車體振動引發的振動噪聲，還可以通過豐富的表面紋理消散空氣壓力，使空氣泵吸噪聲降低，從而達到微表處路面的降噪目的。而影響微表處路面表面紋理的主要因素是微表處稀漿混合料礦料的級配組成，尤其是粗集料的配比及用量。因此筆者結合調研結果，對ISSA-3型級配進行調整和優化，初步選定了4個調整級配(A、B、C、D)。

表5 級配A、B、C、D的礦料級配Table 5 Mineral aggregate gradation of A, B, C and D

2.2 材料優選

首先設計單因素試驗對國產纖維和進口纖維進行性能優選，然后進行后續試驗。纖維摻量選擇0.15%。纖維比選試驗結果見表6。

表6 摻加不同纖維的微表處路用性能對比Table 6 Comparison of road performance at micro surface withdifferent fibers

由表6可以看出，摻加進口纖維的混合料擁有較好的抗車轍性能和抗水損害性能。由60 min的粘聚力結果可以預計摻加進口纖維的混合料能更快的開放交通。因此，選擇進口纖維進行后續試驗。

2.3 水泥與水用量

水泥與水的主要作用是調整微表處混合料的可拌和時間、成漿狀態和成型速度等。筆者采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥，根據集料的試拌效果確定水泥用量為2%、用水量為8%。

3 混合料路用性能影響因素研究

3.1 正交試驗設計

通過調研，選擇4個級配(A、B、C、D)、4個纖維摻量(0%、0.1%、0.15%、0.2%)和4個改性乳化瀝青用量(9%、9.5%、10%、10.5%)，設計三因素四水平的正交試驗，考察3個因素對微表處混合料耐久性(抗水損害性能、抗車轍性能)和噪聲的影響。

車轍變形試驗、濕輪磨耗試驗及噪聲試驗結果見表7。

表7 車轍變形試驗和濕輪磨耗試驗結果Table 7 Rut deformation test and wet wheel wear test results

3.2 極差分析

極差法可較方便直觀地確定主次因素的順序，分辨某一因素的較優水平。極差分析結果見表8，各因素影響程度排名見表9。分析結果表明：纖維摻量是影響6 d磨耗值指標的關鍵因素，級配是影響車轍變形率與噪聲的關鍵因素。

表8 極差分析結果Table 8 Range analysis results

表9 各因素影響程度排名Table 9 Ranking of factors influencing degree

3.3 方差分析

由于極差分析數據精度較低，不能找出擯棄因素，并且缺少用數據證明評價的置信概率，因此繼續采用方差分析方法對試驗結果進行分析。

3.3.1 抗車轍性能

表10為抗車轍性能的方差分析結果。

表10 抗車轍性能方差分析Table 10 Variance analysis of anti-rutting performance

根據顯著性水平α=0.1和α=0.05，表示因素的自由度f1(3)和試驗誤差的自由度f2(3+6)，查F檢驗的臨界值表，得Fα分別為F0.05(3，9)=3.86Fc=1.1。

由此可見，級配在車轍試驗中屬于特別顯著因素，即主要因素；纖維摻量屬于不顯著的次要因素。由不同級配的車轍變形均值可以看出，級配B和級配C具有較好的抗車轍性能。級配D中粗料最多，理論上抗車轍性能應該最好，但從表中數據可以看出，級配D抗車轍性能最差。分析原因發現，由于級配D粗集料較多，細料少的級配特點使其礦料與瀝青的粘附性較差，導致其在車輪的反復碾壓下發生開裂。

3.3.2 抗水損害性能

由不同纖維摻量的磨耗值可以看出，磨耗值隨纖維摻量的增加呈先降低后升高趨勢，說明纖維可以提高微表處混合料抗水損害性能，但摻量不易過大。纖維摻量太大，纖維分散不均勻，在混合料中結團導致纖維吸收較多的瀝青，從而使混合料中的瀝青分散不均勻，影響礦料與瀝青的粘附性，使礦料容易剝落，且容易在混合料表面形成纖維斑，這些纖維斑在進行磨耗試驗時極易被磨掉。

進一步對磨耗值進行方差分析，見表11。