劉軍營(yíng)

摘 要：為了深入了解影響纖維微表處路用性能的因素，通過(guò)在微表處中加入纖維，在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了濕輪磨耗、輪轍變形試驗(yàn)。結(jié)果表明，加入纖維可以提高微表處的路用性能，其中對(duì)其有影響的因素有纖維參量、油石比、纖維類型，當(dāng)纖維摻量為0.10%～0.20%，油石比為7.0%～7.5%，纖維類型為聚丙烯纖維時(shí)路用性能最佳。

關(guān)鍵詞：微表處；纖維；正交試驗(yàn)；路用性能

中圖分類號(hào)：U418.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Analysis on Impact of Pavement Performance of Microsurfacing Based on Orthogonal Test

LIU Junying

（Shaanxi Highway Construction Group Company， Xian 710064， Shaanxi， China）

Abstract： In order to look into the factors that impact the pavement performance of fiber microsurfacing， wet track abrasion test and track deformation test were conducted based on the orthogonal test. The results show that pavement performance gets improved by adding fiber， and the amount of fiber， asphaltaggregate ratio and the type of fiber might affect the performance. When the fiber accounts for 0.10%～0.20%， and the asphaltaggregate ratio is 7.0%～7.5% and polypropylene fiber is adopted， the pavement acquires the best performance.

Key words： microsurfacing； fiber； orthogonal test； pavement performance

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(guò)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(wèn)題。大量研究表明[13]，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(guò)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(méi)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(guò)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(yáng)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[59]。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(jiàn)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)[10]。

濕輪磨耗試驗(yàn)采用濕輪磨耗儀，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(lái)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(guò)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。endprint

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，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(lái)評(píng)價(jià)。混合料濕輪磨耗值越大，其耐磨耗性、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(shuō)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1～3看出，在試驗(yàn)選定的纖維種類、纖維摻量、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?jiàn)纖維摻量的多少對(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，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(shuō)明纖維摻量對(duì)混合料抗水損害性能的影響最大，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%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(shuō)明纖維微表處存在最佳的油石比，超過(guò)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，建議纖維摻量為010%～0.20%，油石比為7.0%～7.5%，不宜采用過(guò)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。endprint

5 結(jié) 語(yǔ)

（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%。

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]endprint