基于正交試驗的微表處路用性能影響分析

劉軍營

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

關鍵詞：微表處；纖維；正交試驗；路用性能

中圖分類號：U418.6 文獻標志碼：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護常用的技術措施，但在應用過程中，經微表處處理后的路面易出現松散、抗反射裂縫效果不佳、耐久性不足等問題。大量研究表明[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。在實體工程檢測中發現，分別鋪筑了纖維微表處和普通微表處的兩個路段，在大交通量荷載作用下，經過一段時間后，纖維微表處路段未出現松散、脫落現象，且耐久性明顯優于普通微表處路段。但直到現在，工程中對纖維的類型和用量還沒有一個普遍認可的標準和建議，一定程度上限制了纖維微差處的發展。

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，通過正交試驗[4]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顯著影響程度，對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化設計方案，為相關的工程應用提供參考。

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、纖維、礦料、填料、外加水和必要的添加劑等。材料質量的優劣直接影響到混合料的路用性能，因此在選擇材料時一定要確保各項技術指標均達到相應規范要求。

1.1 改性乳化瀝青

本文采用的結合料為SBR改性乳化瀝青，由SK90基質瀝青、慢裂快凝型陽離子乳化劑（MK06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。

1.2 礦料

在選擇礦料時本文采用了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。經檢測它們的各項技術指標均滿足規范要求，具體結果如表2所示。級配采用MS3型中值級配。

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、礦物纖維、木質素纖維、纖維素纖維等[59]。本文選取4種纖維進行研究，依次是聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖礦物纖維，其主要性能指標見表3。

2 試驗方法及方案設計

2.1 試驗方法

為了考查不同纖維微表處的耐磨耗性、水穩定性、抗車轍性等路用性能的區別，本文進行了不同情況下的濕輪磨耗試驗和輪轍變形試驗[10]。

濕輪磨耗試驗采用濕輪磨耗儀，浸水1 h濕輪磨耗試驗是將標準試件放入25 ℃的水浴中保溫1 h，而6 d濕輪磨耗試驗為水浴保溫6 d。然后將試件烘干保溫，置于濕輪磨耗儀升降平臺上，使磨耗頭轉動300 s后停止，沖洗并烘干，計算試件磨耗前后的質量損失，可用其評價微表處混合料成型后的耐磨耗性能以及抗水損害的性能。

輪轍變形試驗采用負荷車輪試驗儀，將標準試件放置于負荷為56.7 kg的車輪試驗儀上，保持試驗溫度在25 ℃，對試件進行1000次碾壓后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。

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，主要是利用排列整齊的正交表來安排試驗。按照正交性從全面試驗中選取有代表性的水平組合試驗，通過對這部分試驗結果的分析與處理，研究不同因素對試驗指標的影響大小順序及顯著影響程度，從而達到高效、快速、經濟的試驗設計目的。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。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，不僅增加初期建設成本，而且會導致路用性能下降，而油石比太小，又不足以裹腹石料，顆粒之間的粘結力較差，影響路用性能。所以，正交試驗采用A、B、C三個影響因素，依次代表纖維種類、纖維摻量、油石比，對應的1、2、3、4四個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 評價指標的確定

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、寬帶變形率指標來評價。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，采用L16（45）正交表。其中水泥、纖維均采用外摻法進行添加，水泥用量為2.0%。

3 正交試驗結果及分析

3.1 正交試驗直觀分析

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，在試驗選定的纖維種類、纖維摻量、油石比3個因素中，對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，其相應極差分別為：325.8、165.5、69.9。可見纖維摻量的多少對微表處耐磨耗性影響最大，因此室內試驗或實際施工時均須嚴格控制纖維摻量。

圖1 纖維種類與1 h濕輪磨耗值的關系

圖2 纖維摻量與1 h濕輪磨耗值的關系

圖3 油石比與1 h濕輪磨耗值的對應關系

由試驗結果可知，隨著纖維摻量的增加，混合料的濕輪磨耗值先減小后增大。當摻量在0.10%～0.20%范圍內，耐磨性優于其他摻量，其原因是摻量較大時，纖維在混合料中的分散性能下降，容易結團，吸附了較多的瀝青，導致瀝青分散不均，集料之間粘結力較差，在外力作用下磨耗值增大。當

油石比在6.5%～8.0%變化時，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粘聚力減弱，導致磨耗值增大。

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、油石比相對應的6 d平均磨耗值極差分別為688、4466、232.1，說明纖維摻量對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，油石比為80%時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，由大到小的排序為：礦物纖維、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，當纖維種類、纖維摻量、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、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一致的。

圖7 纖維種類與寬度變形率之間的關系

圖8 纖維摻量與寬度變形率之間的關系

圖9 油石比與寬度變形率之間的關系

纖維摻量在0.05%～0.30%范圍內依次增大時，混合料抗車轍的性能先增強后降低，在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。油石比在65%～70%范圍內時，寬度變化率減小，繼續增大油石比，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，強度降低，導致抗車轍性能下降。

對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，拌和后容易結團，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，在外部荷載作用下應力傳遞不均，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比分析

基于纖維微表處路用性能試驗的分析結果，選取油石比7.0%，纖維摻量0.10%，進行濕輪磨耗、輪轍變形等試驗，對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，具體試驗結果如表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種纖維對路用性能的改善作用并不統一。endprint

5 結 語

（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明顯高于纖維種類的影響。其中纖維摻量對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。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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[責任編輯：杜敏浩]endprint