基于正交設計的纖維對SMA-13 高溫穩(wěn)定性影響

朱庚申

（云南省設計院集團有限公司，云南 昆明 650228）

引言

SMA 全稱瀝青馬蹄脂碎石混合料，由于具有較好的高溫穩(wěn)定性、較高的抗滑穩(wěn)定性以及其它較優(yōu)的物理力學性能，目前為我國高等級公路上面層首選混合料類型［1］。盡管SMA 高溫穩(wěn)定性較好，但在我國南方地區(qū)或橋面鋪裝運用中，路面結構層溫度最高可達到70℃左右，這對SMA 的運用提出了更高的挑戰(zhàn)［2-4］。纖維作為提高SMA 混合料高溫穩(wěn)定性的重要組成成分，對混合料瀝青膠漿性能提高具有關鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，目前傳統(tǒng)使用的木質素纖維單獨使用時并不能有效抵擋惡劣運營環(huán)境。因此，就纖維添加劑而言，尋找可以有效提高SMA 混合料高溫穩(wěn)定性的纖維復配方案對SMA 的運用具有較好的現(xiàn)實意義。研究擬以木質素纖維以及目前部分地區(qū)運用的玄武巖纖維、聚酯纖維為添加劑［5-7］，通過正交設計，研究不同復配組合對SMA-13 高溫穩(wěn)定性影響，以遴選最優(yōu)的組合方案。

1 原材料

1.1 纖維

為分析不同纖維配比對SMA-13 高溫穩(wěn)定性影響，研究選取3 種纖維進行試驗：木質素纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維。纖維作為SMA 類混合料主要組成成分，其可以吸附過量的自由瀝青形成瀝青膠漿，可以有效減小混合料在荷載作用下變形，增強膠漿高溫穩(wěn)定性。

研究表明，木質素纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維3 種纖維均可有效提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，但作用機理存在一定差異。木質素纖維作為目前最常用的纖維摻加劑，由于具有性能好、價格低的優(yōu)點受到廣泛應用，目前主要分為顆粒狀木質素纖維與絮狀木質素纖維。木質素纖維具有對瀝青吸附性能大的特點，可吸附瀝青形成瀝青膠漿增大膠漿的黏韌性。玄武巖纖維由玄武巖碎石抽絲加工而成，由于制備原料特點其具備極強的物理力學性能，其中超過700℃以上的熔點使得瀝青膠漿具有較好的高溫抗變形能力。聚酯纖維可以更有效地與瀝青形成多維網(wǎng)狀結構，形成整體性好的瀝青膠漿，進而提高混合料高溫穩(wěn)定性。

研究所用三種纖維主要技術指標見表1。

表1 三種纖維主要技術指標

1.2 瀝青與集料

SMA-13 瀝青混合料采用SBS 改性瀝青，SBS 摻量為4%，SBS 改性瀝青主要技術指標見表2。

表2 SBS 改性瀝青主要技術指標試驗結果

試驗粗集料采用玄武巖集料，分為4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm 兩檔規(guī)格。細集料采用石灰?guī)r機制砂，為0～2.36 mm 規(guī)格。礦粉采用石灰?guī)r集料研磨制備而成，0.075 mm 通過率為91.3%。相關集料主要技術指標見表3、表4，所有技術指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40—2004）相關要求。

表3 玄武巖粗集料主要技術指標

表4 石灰?guī)r細集料主要技術指標

上面層采用SMA-13 混合料，根據(jù)上述各檔集料進行配合比設計，基于SMA-13 配合比設計經(jīng)驗，基本取中值進行摻配設計。各檔集料具體摻配比例為9.5 ～13.2 mm ∶4.75 ～9.5m ∶0 ～2.36 mm：礦粉=48 ∶27 ∶17 ∶8，最終確定合成級配見表5。

表5 SMA-13 合成級配

2 正交方案設計

為了選取最合適的纖維摻配比例，對3 種纖維進行正交試驗設計。將3 種纖維設為3 個變量因素（分別設置為A、B、C），每個因素設置3 個變化水平，分別為混合料質量的0.1%、0.2%、0.3%。正交方案設計見表6。

表6 纖維摻配正交方案設計

對每個試驗水平分別進行馬歇爾穩(wěn)定度與高溫車轍試驗，其中為有效表征SMA-13 混合料高溫穩(wěn)定性，車轍試驗溫度條件選取為70℃。試驗完成后對正交試驗設計結果進行方差分析，了解各摻配比例對混合料高溫穩(wěn)定性影響規(guī)律，最終確定最佳的摻配方案。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

按照正交設計方案進行混合料穩(wěn)定度試驗與車轍試驗，其中每個水平馬歇爾穩(wěn)定度試驗取3 個試件均值為最終試驗結果，車轍試驗取2 塊車轍板動穩(wěn)定度測試均值為最終試驗結果。所有方案試驗結果見表7。

表7 各水平下穩(wěn)定度試驗與車轍試驗結果

3.2 穩(wěn)定度

（1）各復配比例下瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度均較單一0.3%木質素纖維混合料大，且流值較單一0.3%木質素纖維混合料小。表明3 種纖維復配后，馬歇爾穩(wěn)定度均得到一定提高。所有復配比例中，組合4，即0.2%木質素纖維+0.1%玄武巖纖維+0.2%聚酯纖維復配摻量混合料馬歇爾穩(wěn)定度最大；組合5，即0.2%木質素纖維+0.2%玄武巖纖維+0.3%聚酯纖維復配摻量混合料流值最小。同時可發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定度與流值并沒有顯著的線性關系，因此進行馬歇爾穩(wěn)定度試驗分析時，應以馬歇爾穩(wěn)定度值結果分析為準。

3.3 動穩(wěn)定度

（1）同穩(wěn)定度試驗結果一致，各復配比例下瀝青混合料動穩(wěn)定度均較單一0.3%木質素纖維混合料大，且在組合4 時（0.2%木質素纖維+0.1%玄武巖纖維+0.2%聚酯纖維）混合料動穩(wěn)定度達到最大。表明多種纖維復配使得各纖維作用形成優(yōu)勢互補，可以有效提高各纖維“加筋”作用，進而促進混合料高溫穩(wěn)定性提高。（2）當總摻量最大（組合9，總摻量為0.8%）時，瀝青混合料動穩(wěn)定度及馬歇爾穩(wěn)定劑并非最大，表明當纖維過量時會使自由瀝青被有效吸附完成后仍有纖維殘留，進而導致相互干擾，反而導致混合料高溫穩(wěn)定性降低。

3.4 極差分析

（1）分別對各因素各水平所有試驗值進行均值計算，標記為Ki。（2）計算出單一因素下不同水平之間的極差，標記為R。（3）遴選最佳組合：選取出單一因素下不同水平測試結果最大值（即Ki最大值），將各因素最大測試值水平進行組合，該組合即為最優(yōu)組合方案。對各水平下穩(wěn)定度試驗與車轍試驗結果進行極差分析，Ki與極差值R 計算見表8。

表8 不同纖維摻配混合料高溫穩(wěn)定性正交試驗極差分析

通過極差分析可知：當木質素纖維、玄武巖纖維與聚酯纖維摻量分別為0.2%、0.2%、0.2% 時，SMA-13 混合料高溫穩(wěn)定性最佳，且馬歇爾穩(wěn)定度與動穩(wěn)定度結論一致。由于正交試驗設計未對該組合方案進行專門高溫穩(wěn)定性試驗，因此選取該組合方案進行馬歇爾穩(wěn)定度試驗與70℃車轍試驗。結果顯示，該組合摻配比例下SMA-13 馬歇爾穩(wěn)定度為15.24 kN，動穩(wěn)定度達到7 768 次/毫米，相較傳統(tǒng)0.3% 木質素纖維SMA-13 瀝青混合料，馬歇爾穩(wěn)定度與動穩(wěn)定度分別提高74%、78%。

4 結語

（1）馬歇爾穩(wěn)定度與車轍試驗均表明，各復配比例下瀝青混合料動穩(wěn)定度均較單一0.3%木質素纖維混合料大，且在組合4 時（0.2%木質素纖維+0.1%玄武巖纖維+0.2% 聚酯纖維）混合料動穩(wěn)定度達到最大。（2）當纖維過量時會使自由瀝青被有效吸附完成后仍有纖維殘留，進而導致相互干擾，反而導致混合料高溫穩(wěn)定性降低。（3）當木質素纖維、玄武巖纖維與聚酯纖維摻量分別為0.2%、0.2%、0.2%時，SMA-13 混合料高溫穩(wěn)定性最佳，相較傳統(tǒng)0.3%木質素纖維SMA-13 瀝青混合料，馬歇爾穩(wěn)定度與動穩(wěn)定度分別提高74%、78%。