HVE 超黏磨耗層稀漿混合料高性能化試驗研究

史 越，胡仕梅，劉同賓，梅若詩

（1.江西天馳高速科技發展有限公司，江西 南昌 330008；2.華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013）

截至2020 年底， 我國高速公路總運營里程已達15 萬km 以上。 但由于修筑條件的限制，我國早期修筑的許多高速公路未達到設計使用年限就過早發生了諸如路面脫皮、 疲勞裂縫等嚴重病害，直接影響了路面結構服役壽命和行車安全[1]，具有大量交通隱患[2]。 近年來我國有關部門逐漸意識到預防性養護在高速公路日常養護中的重要性，并發展了許多先進預防性養護技術，例如，高黏度乳化瀝青（high viscosity emulsified-asphalt，HVE）超黏磨耗層預防性養護技術。

HVE 超黏磨耗層預防性養護技術是工程界近年來在MS-3 型超黏磨耗層理養護技術基礎上發展而來的一種新型預防性養護技術[3]，其稀漿混合料主要由高黏度乳化瀝青、普通硅酸鹽水泥、堅硬耐磨輝綠巖碎石等按一定比例設計組成[4]。 大量工程實踐[5－13]表明采用HVE 超黏磨耗層預防性養護，不僅可以對目前高速公路路面容易過早發生脫皮、疲勞裂縫等病害進行有效防治， 延長其服役壽命，而且可在一定程度上提高其結構承載力；但現行混合料也存在著噪聲過大、抗松散性能不足、耐久性差等缺點， 制約著HVE 超黏磨耗層養護技術推廣應用。 本研究擬在現行HVE 超黏磨耗層稀漿混合料配比基礎上，采用正交試驗設計方法研究汽車輪胎廢橡膠粉、 滑石粉和耐堿玻璃纖維對HVE 超黏磨耗層稀漿混合料耐磨性能、抗車轍性能和降噪性能的改善作用，以期為優化現有HVE 超黏，磨耗層稀漿混合料配合比使其同時兼有強耐磨、車轍和低噪聲多功能化提供一條新途徑。

1 試驗

1.1 原材料

試驗水泥采用江西亞東水泥廠產的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥。 乳化瀝青采用在BCR 乳化瀝青基礎上通過加入多種功能劑復配而成的一類具有高黏度以及優良的彈性恢復性能和黏， 結性能HVE 特種復合改性乳化瀝青，自制，其性能指標見表1。 廢橡膠粉（RP）采用南昌再生資源加工公司產的廢棄汽車輪胎加工而成的45 目廢橡膠粉料，含水率為0.32%。 滑石粉（TP）采用南昌滑石粉有限公司生產的化工滑石粉，表面積700 cm2/g，最大粒徑7 μm。 玻璃纖維（GF）采用武漢強耐纖維有限公司生產的耐堿玻璃纖維，其性能指標見表2。

表1 HVE 特種復合改性乳化瀝青的性能指標Tab.1 Performance index of HVE special composite modified emulsified asphalt

表2 玻璃纖維的主要性能指標Tab.2 Main performance indexes of glass fiber

集料選用3～5 mm 和5～8 mm 兩種不同規格由耐磨堅硬且偏堿性輝綠巖加工而成的碎石，其各項性能指標符合 《公路瀝青路面施工技術規范（JTG F40-2017）》規定，級配曲線如圖1 所示。

圖1 級配曲線圖Fig.1 Grading curve

1.2 試驗方案

本研究主要基于現通用HVE 超黏，磨耗層稀漿混合料配比（表3）[14]，重點考察橡膠粉、滑石粉和玻璃纖維3 種不同功能材料的摻量對HVE 超黏，磨耗層稀漿混合料耐磨性能、抗車轍性能和降噪性能的影響，并按照數理統計學原理[15]，選用如表4 所示的5 因素、4 水平L16（45）正交實驗設計表進行研究。

表3 HVE 超黏，磨耗層稀漿混合料基準配比Tab.3 Benchmark ratio of slurry mixture for HVE super viscous wearing course

表4 因素水平表Tab.4 Factors and levels

1.3 試驗方法

按上述試驗方案，將廢橡膠粉、滑石粉和玻璃纖維按計量稱取，并依次加入基準樣干混料，攪拌均勻，再依次加入分別占干混料5%(質量分數)的水和10.3%(質量分數) 的HVE 特種復合改性乳化瀝青，繼續攪拌直至水和瀝青乳液分散均勻，待稀漿混合料呈現出良好的和易性，即獲得HVE 超黏，磨耗層目標稀漿混合料。 然后，按照相關標準成型試件，測試其耐磨性能、抗車轍性能和降噪性能。

耐磨性能參照 《微表處和稀漿封層技術指南（JTG/T F40）》[16]，采用SYD-0752 濕輪磨耗儀，先將試件放入60 ℃烘箱內24 h，烘干冷卻后在25 ℃的水浴中保溫1 h，然后計算試件磨耗前后的質量損失，以試件的1 h 磨耗值進行評價。 試件高度為6.4 mm，直徑為280 mm。

抗車轍性能參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程（JTG/E 20-2011）》[17]，采用SYD-0705 車轍儀對試件進行1 000 次碾壓， 通過測量試件的車轍深度，以試件的車轍深度率進行評價，試件長度為300 mm，寬度為300 mm，厚度為50 mm。 試驗裝置如圖2 所示。

圖2 抗車轍性能試驗裝置Fig.2 Rutting resistance performance test device

降噪性能參照《公路聲屏障 第5 部分：降噪效果檢測方法（JT/T 646.5-2017）》[18]，采用HY128 型聲級計，將試件固定在試驗臺上，并將傳聲器固定在與磨耗橡膠管與試驗臺接觸面齊平高度，且保證傳聲器到試驗托盤的水平距離為20 cm， 以噪聲進行測試評價。 試件采用耐磨性能試件，試件高度為6.4 mm，直徑為280 mm。 試驗裝置如圖3 所示。

圖3 降噪性能試驗裝置Fig.3 Noise reduction performance test device

2 結果與分析

本試驗耐磨性能、抗車轍性能及降噪性能的正交試驗測試結果如表5 所示，其中：WTAT 為1 h 磨耗值；PVD 為車轍深度率；Noise 為噪聲。

表5 正交試驗測試結果Tab.5 Test results of orthogonal test

2.1 耐磨性能

表6 和表7 分別為HVE 超黏磨耗層稀漿混合料耐磨性能正交試驗極差分析和方差分析的結果。由表6 可以看出RC（78.5）>RA（57.5）>RB（46.75）>RD（25.5）>RE（6.75）。由表7 可見FC>FA>F0.05（3，6），FB

表6 1 h 磨耗值的極差分析Tab.6 Range analysis of 1 h wear value g/m2

表7 1 h 磨耗值的方差分析Tab.7 Variance analysis of 1 h wear value

圖4 為上述各因素的影響變化趨勢圖。 由圖4可知，當橡膠粉摻量1.0%～2.5%時，1 h 磨耗值增加11.98%； 當滑石粉摻量由1.5%增加至4.5%時，1 h磨耗值增加9.47%； 當玻璃纖維摻量由0%增加至0.25%時，1 h 磨耗值大幅度增加16.84%，當玻璃纖維摻量由0.25%增加至0.35%時，1 h 磨耗下降4.27%。 HVE 超黏磨耗層稀漿混合料的耐磨性能隨橡膠粉摻量和滑石粉摻量的增加呈上升的趨勢，耐磨性能隨玻璃纖維摻量的增加呈先上升后下降的趨勢，其原因是玻璃纖維摻量較大時，纖維在混合料中的分散性能下降，容易結團，并且吸附了較多的瀝青，導致瀝青分散不均，集料之間黏結力較差，在外力作用下磨耗值增大。 綜上可知，就耐磨性能而言HVE 超黏磨耗層稀漿混合料的最優配比為A1B1C1，即橡膠粉摻量為1.0%，滑石粉摻量為1.5%和玻璃纖維摻量為0%。

圖4 各因素的影響變化趨勢圖Fig.4 Influence change trend of the various factors

2.2 抗車轍性能

表8 和表9 分別為HVE 超黏磨耗層稀漿混合料抗車轍性能正交試驗的極差分析和方差分析的結果。 由表8 可以看出RA（2.65）>RC（1.32）>RB（2.35）>RD（0.9）>RE（0.9），并由表9 可知FA>FC>F0.05（3，6），FB

表8 抗車轍性能的極差分析Tab.8 Range analysis of rutting resistance

表9 抗車轍性能方差分析Tab.9 Variance analysis of rutting resistance

圖5 為上述各因素的影響變化趨勢圖。 由圖5可知，當橡膠粉摻量從1%增加至2.5%時，車轍深度率從5.45%增加至8.10%；當滑石粉摻量從1.5%增加至4.5%時，車轍深度率從6.08%增加至7.4%；當玻璃纖維摻量從0%增加至0.35%時， 車轍深度率從5.58%增加至7.93%。 HVE 超黏磨耗層稀漿混合料的抗車轍性能隨橡膠粉摻量、滑石粉摻量和玻璃纖維摻量的增加均呈上升趨勢。 說明橡膠粉摻量過多會使稀漿混合料抗車轍性能變差，這是由于過多的橡膠粉很難在混合料中均勻分布，同時吸附了不少的瀝青，降低了混合料的瀝青膜厚度，致使集料間黏附力下降，無法在反復荷載作用下提供良好的整體強度，減弱了混合料的抗車轍性能。 綜上可知， 就抗車轍性能而言，HVE 超黏磨耗層稀漿混合料的最優配比為A1B1C1， 即橡膠粉摻量為1.0%，滑石粉摻量為1.5%和玻璃纖維摻量為0%。

圖5 各因素的影響變化趨勢圖Fig.5 Influence change trend of the various factors

2.3 降噪性能

表10 和表11 分別為HVE 超黏， 磨耗層稀漿混合料抗車轍性能正交試驗極差分析和方差分析的結果。 由表10 可以看出RA（3.28）>RB（1.35）>RC（1.20）>RD（0.73）>RE（0.53），并由表11 可知FA>FB>F0.05（3，6），FC

表10 噪聲的極差分析Tab.10 Range analysis of noise

表11 噪聲的方差分析Tab.11 Variance analysis of noise

圖6 為上述各因素的影響變化趨勢圖。 由圖6可知，當橡膠粉摻量由1%增加至2.5%時，噪聲下降4.66%；當滑石粉摻量由1.5%增加至4.5%時，噪聲下降1.96%；當玻璃纖維摻量由0%增加至0.35%時，噪聲下降1.74%。HVE 超黏，磨耗層稀漿混合料的降噪性能隨橡膠粉摻量、滑石粉摻量和玻璃纖維摻量的增加均呈下降的趨勢。 橡膠粉摻量越多越好，降噪性能就越好，這主要是因為混合料的阻尼隨著橡膠粉摻量的增加而增大， 在路面受到撞擊時，阻尼便會將一部分能量消耗掉。 綜上可知，就降噪性能而言HVE 超黏， 磨耗層稀漿混合料的最優配比為A4B4C4，即橡膠粉摻量為2.5%、滑石粉摻量為4.5%和玻璃纖維摻量為0.35%。

圖6 各因素的影響變化趨勢圖Fig.6 Influence change trend of the various factors

2.4 配比優選確定

層次分析法[19]是一種把復雜問題中的各因素劃分成相關聯的有序層次， 并使之條理化的多因素、多水平決策方法，是定量分析的有效方法。 本研究以上研究的基礎上，根據層次分析法，將測試結果分為3 層，第1 層為指標層（1 h 磨耗值、車轍深度率、噪聲）；第2 層為因素層（橡膠粉摻量、滑石粉摻量、玻璃纖維摻量）；第3 層為水平層（水平1、水平2、水平3、水平4），由此可得出各因素對試驗結果的影響權重，給出各因素的主次順序和最優方案。由此計算了1 h 磨耗值、車轍深度率和噪聲的權重（Ω）和綜合影響權重（Ω），并分別采用式（1）和式（2）計算

計算結果如表12 和圖7 所示。 由表12 可知，在橡膠粉摻量4 個水平中，A4的綜合影響權重最大； 在滑石粉摻量4 個水平中，B4的綜合影響權重最大； 在玻璃纖維摻量4 個水平中，C4的綜合影響權重最大。 由圖7 可看出，3 個試驗指標的綜合影響權重總排序為：A（0.432 2）>C（0.335 8）>B（0.232 1）。HVE 超黏， 磨耗層稀漿混合料的最優配比為A4B4C4，即橡膠粉摻量為2.5%，滑石粉摻量為4.5%和玻璃纖維摻量為0.35%。

圖7 各因素的綜合影響權重Fig.7 Comprehensive influence weight of each factor

表12 各因素的影響權重和綜合影響權重Tab.12 Influence weight and comprehensive influence weight of each factor

3 結論

本研究通過對HVE 超黏磨耗層稀漿混合料的耐磨性能、抗車轍性能與降噪性能進行正交試驗研究，得出以下結論。

1） HVE 超黏磨耗層稀漿混合料磨耗值的顯著性因素為玻璃纖維和橡膠粉，且玻璃纖維的顯著性大于橡膠粉，而滑石粉的影響并不顯著。 對于耐磨性能，最佳的組合是橡膠粉摻量為1.0%，滑石粉摻量為1.5%和玻璃纖維摻量為0%。

2） HVE 超黏磨耗層稀漿混合料抗車轍性能的顯著性因素是橡膠粉和玻璃纖維，且橡膠粉的顯著性大于玻璃纖維，而滑石粉的影響并不顯著。 對于抗車轍性能， 最佳的組合是橡膠粉摻量為1.0%，滑石粉摻量為1.5%和玻璃纖維摻量為0%。

3） HVE 超黏磨耗層稀漿混合料降噪性能的顯著性因素是橡膠粉和滑石粉，且橡膠粉的顯著性大于滑石粉，而玻璃纖維的影響并不明顯。 若只考慮提高降噪性能，則最佳的組合是橡膠粉摻量為2.5%， 滑石粉摻量為4.5%和玻璃纖維摻量為0.35%。

4） 通過對各因素采用層次分析法進行指標分析， 得到HVE 超黏磨耗層稀漿混合料配合比最佳用量為：橡膠粉摻量為2.5%，滑石粉摻量為4.5%和玻璃纖維摻量為0.35%。