基于正交試驗(yàn)的微表處路用性能影響的發(fā)展效果

1、基于正交試驗(yàn)的微表處路用性能影響的發(fā)展效果0 引 言微表處是高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)常用的技術(shù)措施，但在應(yīng)用過程中，經(jīng)微表處處理后的路面易出現(xiàn)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，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。在實(shí)體工程檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，分別鋪筑了纖維微表處和普通微表處的兩個(gè)路段，在大交通量荷載作用下，經(jīng)過一段時(shí)間后，纖維微表處路段未出現(xiàn)松散、脫落現(xiàn)象，且耐久性明顯優(yōu)于普通微表處路段。但直到現(xiàn)在，工程中對(duì)纖維的類型和用量還沒有一個(gè)普遍認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)和建議，一定程度上限制了纖維微差處的發(fā)展。本文選取聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖礦物纖維等，通過

2、正交試驗(yàn)【4】分析纖維類型、摻量、油石比因素對(duì)微表處路用性能的影響規(guī)律及顯著影響程度，對(duì)比分析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(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為相關(guān)的工程應(yīng)用提供參考。1 材料組成及技術(shù)指標(biāo)纖維微表處所用材料主要有：改性乳化瀝青、纖維、礦料、填料、外加水和必要的添加劑等。材料質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到混合料的路用性能，因此在選擇材料時(shí)一定要確保各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到相應(yīng)規(guī)范要求。1.1 改性乳化瀝青本文采用的結(jié)合料為SBR改性乳化瀝青，由SK90基質(zhì)瀝青、慢裂快凝型陽離子乳化劑（MK06型）、SBR膠乳、鹽酸調(diào)節(jié)劑、水和穩(wěn)定劑（PVA及氯化鈣）等經(jīng)改性乳化制備而成。其性能試驗(yàn)結(jié)果及要求如

3、表1所示。1.2 礦料在選擇礦料時(shí)本文采用了2種不同巖性的石料，粗集料采用玄武巖，細(xì)集料選用石灰?guī)r。經(jīng)檢測(cè)它們的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，具體結(jié)果如表2所示。級(jí)配采用MS3型中值級(jí)配。1.3 纖維截止目前，工程中應(yīng)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、礦物纖維、木質(zhì)素纖維、纖維素纖維等。本文選取4種纖維進(jìn)行研究，依次是聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖礦物纖維，其主要性能指標(biāo)見表3。2 試驗(yàn)方法及方案設(shè)計(jì)2.1 試驗(yàn)方法為了考查不同纖維微表處的耐磨耗性、水穩(wěn)定性、抗車轍性等路用性能的區(qū)別，本文進(jìn)行了不同情況下的濕輪磨耗試驗(yàn)和輪轍變形試驗(yàn)。濕輪磨耗試驗(yàn)采用濕

4、輪磨耗儀，浸水1 h濕輪磨耗試驗(yàn)是將標(biāo)準(zhǔn)試件放入25 的水浴中保溫1 h，而6 d濕輪磨耗試驗(yàn)為水浴保溫6 d。然后將試件烘干保溫，置于濕輪磨耗儀升降平臺(tái)上，使磨耗頭轉(zhuǎn)動(dòng)300 s后停止，沖洗并烘干，計(jì)算試件磨耗前后的質(zhì)量損失，可用其評(píng)價(jià)微表處混合料成型后的耐磨耗性能以及抗水損害的性能。輪轍變形試驗(yàn)采用負(fù)荷車輪試驗(yàn)儀，將標(biāo)準(zhǔn)試件放置于負(fù)荷為56.7 kg的車輪試驗(yàn)儀上，保持試驗(yàn)溫度在25 ，對(duì)試件進(jìn)行1000次碾壓后測(cè)量試樣的車轍深度和寬度，并計(jì)算試件試驗(yàn)前后的寬度變化，進(jìn)而得出微表處試樣單位寬度變形率（PLD），并以此評(píng)價(jià)微表處混合料抗車轍的能力。2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)作為一種研究多因

5、素多水平的設(shè)計(jì)方法，主要是利用排列整齊的正交表來安排試驗(yàn)。按照正交性從全面試驗(yàn)中選取有代表性的水平組合試驗(yàn)，通過對(duì)這部分試驗(yàn)結(jié)果的分析與處理，研究不同因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響大小順序及顯著影響程度，從而達(dá)到高效、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)目的。2.2.1 影響因素的選擇首先，普通微表處混合料摻加纖維后，性能是否可以得到改善，與纖維的種類及其摻量大小相關(guān)。其次，混合料適宜的油石比是獲得良好路用性能的保障，油石比太大，不僅增加初期建設(shè)成本，而且會(huì)導(dǎo)致路用性能下降，而油石比太小，又不足以裹腹石料，顆粒之間的粘結(jié)力較差，影響路用性能。所以，正交試驗(yàn)采用A、B、C三個(gè)影響因素，依次代表纖維種類、纖維摻量、油石比，

6、對(duì)應(yīng)的1、2、3、4四個(gè)水平分別是聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖礦物纖維。2.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定微表處路用性能主要是指耐磨耗性、抗水損害、抗車轍性能等，分別采用1 h濕輪磨耗值、6 h濕輪磨耗值、寬帶變形率指標(biāo)來評(píng)價(jià)?；旌狭蠞褫喣ズ闹翟酱螅淠湍ズ男?、抗水損害性越差，相反濕輪磨耗值越小則混合料性能越好；寬度變形率越大說明抗車轍能力越弱。依照以上所選擇的影響因素及不同水平數(shù)，采用L16（45）正交表。其中水泥、纖維均采用外摻法進(jìn)行添加，水泥用量為2.0%。3 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 正交試驗(yàn)直觀分析3.2 纖維微表處的耐摩耗性及其影響因素分析從圖13看出，在試驗(yàn)選定的纖維種類、纖維

7、摻量、油石比3個(gè)因素中，對(duì)微表處混合料耐磨耗性影響程度從大到小的順序分別為：纖維摻量、油石比、纖維種類，其相應(yīng)極差分別為：325.8、165.5、69.9?？梢娎w維摻量的多少對(duì)微表處耐磨耗性影響最大，因此室內(nèi)試驗(yàn)或?qū)嶋H施工時(shí)均須嚴(yán)格控制纖維摻量。圖1 纖維種類與1 h濕輪磨耗值的關(guān)系圖2 纖維摻量與1 h濕輪磨耗值的關(guān)系圖3 油石比與1 h濕輪磨耗值的對(duì)應(yīng)關(guān)系由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著纖維摻量的增加，混合料的濕輪磨耗值先減小后增大。當(dāng)摻量在0.10%0.20%范圍內(nèi)，耐磨性優(yōu)于其他摻量，其原因是摻量較大時(shí)，纖維在混合料中的分散性能下降，容易結(jié)團(tuán)，吸附了較多的瀝青，導(dǎo)致瀝青分散不均，集料之間粘結(jié)力較差

8、，在外力作用下磨耗值增大。當(dāng)油石比在6.5%8.0%變化時(shí)，平均磨耗值分別為5510、468.2、411.0、3855 g-m-2，耐磨耗性逐漸提高。就試驗(yàn)采用的4種纖維而言，聚丙烯纖維、礦物纖維微表處混合料的耐磨耗性比較好，玻璃纖維微表處耐磨耗性最差，這主要是因?yàn)椴ＡЮw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(duì)集料的粘聚力減弱，導(dǎo)致磨耗值增大。3.3 纖維微表處的抗水損害性及其影響因素分析由圖4、5、6可知，與纖維種類、纖維摻量、油石比相對(duì)應(yīng)的6 d平均磨耗值極差分別為688、4466、232.1，說明纖維摻量對(duì)混合料抗水損害性能的影響最大，

9、油石比的影響其次，纖維種類的影響最小，3種因素對(duì)混合料抗水損害性能的影響強(qiáng)弱與耐磨耗性能試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)，在試驗(yàn)選定的油石比范圍內(nèi)，油石比為80%時(shí)混合料抗水損害性能最好。添加不同纖維的微表處混合料的抗水損害性能并不一致，由大到小的排序?yàn)椋旱V物纖維、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、吸附瀝青的能力等因素造成的。就試驗(yàn)選用的4種纖維而言，玻璃纖維與瀝青的相容性最差，且有一定的吸水性能，兩者綜合作用導(dǎo)致玻璃纖維微表處的抗水損害性能最低。3.4 纖維微表處抗車轍性能及其影響因素分析從圖7、8、9可以看出，當(dāng)纖

10、維種類、纖維摻量、油石比等因素在各自相應(yīng)的水平范圍內(nèi)變化時(shí)，平均寬度變形率的極差分別為0.60、1.26、1.09，即纖維摻量對(duì)混合料抗車轍性能影響最大。油石比、纖維種類對(duì)其的影響依次減小，這與以上試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論是一致的。圖7 纖維種類與寬度變形率之間的關(guān)系圖8 纖維摻量與寬度變形率之間的關(guān)系圖9 油石比與寬度變形率之間的關(guān)系纖維摻量在0.05%0.30%范圍內(nèi)依次增大時(shí)，混合料抗車轍的性能先增強(qiáng)后降低，在0.10%時(shí)性能最優(yōu)。相對(duì)于油石比對(duì)混合料耐磨耗性、抗水損害性能而言，油石比對(duì)混合料抗車轍性能的影響并不一致，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(diǎn)。油石比在65%70%

11、范圍內(nèi)時(shí)，寬度變化率減小，繼續(xù)增大油石比，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，瀝青與集料之間粘聚力下降，強(qiáng)度降低，導(dǎo)致抗車轍性能下降。對(duì)于添加不同纖維的微表處的抗車轍性能而言，礦物纖維、聚丙烯纖維優(yōu)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?yàn)榫埘ダw維的分散性較差，拌和后容易結(jié)團(tuán)，致使乳液分布不均，對(duì)礦料之間的相對(duì)滑移起不到有效的約束和阻礙作用，減弱了礦料的相對(duì)穩(wěn)定性，在外部荷載作用下應(yīng)力傳遞不均，塑性變形能力降低。綜上可知，不同因素對(duì)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(guī)律存在差別。基于以上試驗(yàn)結(jié)果，建議纖

12、維摻量為010%0.20%，油石比為7.0%7.5%，不宜采用過高的摻量及油石比。4 不同纖維的微表處路用性能對(duì)比分析基于纖維微表處路用性能試驗(yàn)的分析結(jié)果，選取油石比7.0%，纖維摻量0.10%，進(jìn)行濕輪磨耗、輪轍變形等試驗(yàn)，對(duì)比分析添加不同類型纖維的微表處混合料之間路用性能的差異，具體試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。由表7可以看出，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、抗車轍性能均有一定程度的提高，就耐磨耗性而言，聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖礦物纖維微表處混合料分別提高52.2%、1054%、22.7%、80.5%；但不同纖維的改善效果并不相同，聚

13、丙烯纖維的改善效果最好，其次為礦物纖維，其他2種纖維對(duì)路用性能的改善作用并不統(tǒng)一。5 結(jié) 語（1） 正交試驗(yàn)分析結(jié)果表明，纖維摻量、油石比等因素對(duì)微表處耐磨耗性、抗水損害性等路用性能的影響程度明顯高于纖維種類的影響。其中纖維摻量對(duì)混合料抗車轍性能影響最大。（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(qiáng)后降低，存在一個(gè)最佳的摻量范圍。油石比在6.5%8.0%范圍內(nèi)變化時(shí)，混合料的耐磨耗性、抗水損害性等逐漸增強(qiáng)，抗車轍性能先增強(qiáng)后降低。不同纖維的微表處的路用性能差別明顯，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，其次為礦物纖維微表處。（3） 增大

14、纖維摻量及油石比，不僅會(huì)增加工程造價(jià)，還導(dǎo)致路用性能下降。結(jié)合濕輪磨耗及輪轍變形試驗(yàn)結(jié)果，建議纖維摻量為0.10%0.20%，油石比為7.0%7.5%。參考文獻(xiàn)：【1】 侯曙光，侯 強(qiáng).纖維微表處混合料性能試驗(yàn).南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，35（3）：2024.【2】 徐 凱，孫曉立.纖維微表處技術(shù)在揭普惠高速公路的應(yīng)用研究.廣東公路交通，2012（2）：16.【3】 黎 侃，李新偉，王瑞宜.聚丙烯單絲纖維微表處路用性能研究.公路交通科技，2013，30（8）：1722.【4】 鄭木蓮，陳拴發(fā)，王秉綱.基于正交試驗(yàn)的多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)方法.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34（10）：13191323.【5】 王 磊，呂 璞，郝培文.微表處混合料路用性能影響因素.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，34（2）：2933.【6】 張爭(zhēng)奇，陶 晶.纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用研究.石油瀝青，2006，20（5