椰子纖維瀝青混合料路用性能試驗研究

賀平

（海南省交通工程質量監督管理局）

0 引言

近年來，隨著交通量的不斷增大，重載車輛不斷增多，普通瀝青路面出現不同類別病害，包括車轍、裂縫、鼓包等。專家學者從不同方面研究，以解決路面病害的問題，特別是改性瀝青混合料的應用，得到專家的普遍認可。

纖維改性瀝青混合料在改性瀝青路面中應用廣泛。劉向杰[1]研究了玄武巖纖維對瀝青混合料的影響，得出纖維摻量在0.3%時動穩定度達到峰值；郭寅川[2]等研究了在瀝青混合料中摻入玻璃纖維對路用性能的影響，路面的高低溫性能均得到提高；林欽國[3]等研究了聚酯纖維對提高瀝青路面路用性能的效果，結果良好。但無機纖維與合成纖維的制作工藝復雜，經濟成本較高，因此天然纖維逐漸得到人們的關注。李振霞[4]等研究了玉米秸稈纖維瀝青混合料路用性能，并從微觀層面分析了玉米秸稈纖維提高瀝青混合料路用性能的原因；雷彤[5]等研究分析了棉秸稈纖維瀝青混合料的性能，并以木質素纖維作對比，驗證得到棉秸稈纖維與木質素纖維對混合料性能改善效果相當；覃峰[6]通過室內試驗研究了蔗渣纖維在超薄面層的抗腐性能，證明了蔗渣纖維可以作為SMA 瀝青混合料的纖維穩定劑。椰子纖維是椰子果實通過機械加工得到的副產品，具有韌性強、耐濕熱、力學性能好等優點。近年來，有學者利用椰子纖維的優良特性，將其加入瀝青混合料中進行研究分析。Aline[7]通過椰子纖維與纖維素纖維做對比，通過間接拉伸、彈性模量、疲勞壽命等實驗，得出椰子纖維可用于SMA 瀝青混合料中；Rean[8]通過研究椰子纖維改性瀝青的流變學性能，通過剪切模量與相位角，得出椰子纖維改善了瀝青的流變學性能。

為研究椰子纖維對瀝青混合料路用性能的影響，本研究通過正交試驗設計進行室內試驗。室內試驗為常規路用性能試驗，包括車轍、低溫彎曲、浸水馬歇爾試驗，分別分析椰子纖維對瀝青路面高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性的影響。利用正交試驗結果，通過極差分析，得出各響應變量的影響因素最佳搭配水平。

1 原材料與試驗設計

1.1 原材料

⑴本次研究中瀝青混合料使用70 號瀝青，其測試結果如表1 所示。

表1 70 號瀝青檢測結果

⑵集料。所選用的粗、細集料均選用石灰巖，經試驗測定其技術指標均符合技術要求。

⑶礦粉。為石灰巖磨細礦粉，技術指標符合要求。

⑷椰子纖維。其技術指標如表2 所示。

表2 椰子纖維技術指標

1.2 混合料級配設計

本次研究過程中選擇AC-13 級配混合料。經過對集料的篩分，得出標準篩下各篩孔的通過率，見表3、圖1。

圖1 混合料級配曲線

表3 AC-13 級配

1.3 試驗設計

為分析椰子纖維對瀝青路面路用性能的影響，進行室內試驗。根據相關文獻[9-10]及工程經驗，確定以椰子纖維摻量、椰子纖維長度、油石比為影響因素，在室內進行車轍、低溫彎曲、浸水馬歇爾試驗，得到的動穩定度、最大彎拉應變、穩定度為因變量。每個自變量三個水平，設計正交試驗。根據測得的因變量結果，選擇最佳的自變量搭配水平。見表4。

表4 試驗因素設計水平

2 試驗結果分析

正交試驗設計與分析[9]是目前最常用的工藝優化試驗設計和分析方法，是部分因子設計的主要方法。根據正交試驗，得到正交試驗結果，見表5。

表5 正交試驗結果

K1、K2、K3 分別表示各因素各水平下各個指標的平均值，R 表示極差，A、B、C 分別表示影響因素纖維摻量、纖維長度、油石比。一般情況下，以平均值的大小來反映同一因素不同水平對試驗結果影響的大小，并以此確定該因素下的最佳水平，而極差則用于反映各因素對試驗結果影響程度的大小。見表6。

表6 各因素各水平下各個指標的平均值以及極差

2.1 動穩定度

根據表6 分析各因素對動穩定度的影響可得，纖維長度影響最為顯著，極差值R 為74.33 次/mm；其次為油石比，極差值R 為57.67 次/mm；影響最小的是纖維摻量，極差值R 為31.33 次/mm。各因素的主次順序依次為纖維長度、油石比、纖維摻量。

由圖2 可知，動穩定度隨著纖維長度的增加先增大后減小，B2 即纖維長度為6mm 時，達到該因素下最佳水平。這是因為在相同的纖維摻量下，纖維長度過長或過短都會導致其分散不均勻，難以達到最佳水平。動穩定度隨著油石比的增加先增大再減小，C2 即油石比以4.9%為最佳油石比。瀝青混合料的油石比對動穩定度的影響很大，油石比從小增加至最佳油石比的過程中，混合料的動穩定度隨之增加，這是因為油石比的增加增強了混合料間的粘結力和強度，當油石比超過最佳瀝青用量后，隨著瀝青用量的增加，就會減小混合料間的摩阻力，自由瀝青增多，動穩定度降低。動穩定度隨著纖維摻量的增加先增大再減小，A2 即纖維摻量以0.3%為最佳摻量。這是由于少量的纖維摻入，其分散性好，本身與瀝青也有很強的黏附能力，在混合料中也能起到加筋作用；另外，椰子纖維的吸油率達到7.8%，它會吸收瀝青中的部分油份，瀝青的軟化點提高，粘聚力也增加，這些都導致混合料的高溫穩定性提高。但一旦纖維摻入過量，就會導致分散性差，甚至可能結團成束，阻礙混合料間的粘結，降低其高溫穩定性，因此動穩定度隨著纖維摻量的增加會出現一個峰值。如果各因素均按最佳水平考慮，則得到的最佳搭配組合為A2B2C2，即最佳方式為纖維摻量0.3%，纖維長度6mm，油石比4.9%。

圖2 動穩定度因素指標趨勢圖

2.2 最大彎拉應變

由表6 可知，在分析最大彎拉應變時，纖維長度的影響因素最顯著，極差值R 為69με；其次為纖維摻量，極差值R 為51με；影響最小的是油石比，極差值R為47.67με。各因素影響的主次順序依次為纖維長度、纖維摻量、油石比。

由圖3 可以明顯看出，最大彎拉應變隨著纖維長度的增加先增大后減小，B2 即纖維長度為6mm 時，達到最大彎拉應變的最佳水平。一般而言，同直徑的纖維，長度越短對裂縫的阻滯效應越明顯，但也不能過短，這樣會在裂縫處直接被拔出，因此纖維長度有一合適值，以達到效果最優。最大彎拉應變隨著纖維摻量的增加先增大再減小，A2 即纖維摻量0.3%為最佳摻量。纖維具有吸水性，對瀝青也有一定的吸收作用，而且與瀝青共同包裹集料，使結構瀝青占比增加，增大最佳瀝青用量，在此情況下較高的瀝青含量使混合料的低溫延展性更好。另外，在混合料試件開裂時，橫跨裂縫的纖維能夠起到“加筋”作用，增加其極限強度、極限應變等，從而最大彎拉應變也得到提高。但當過量摻入纖維時，可能會結團成束，降低其對最大彎拉應變的增強效果。最大彎拉應變隨著油石比的增加先增大再減小，C2 即油石比以4.9%為最佳油石比。主次因素都取最好水平，得到最佳組合搭配為A2B2C2，即最佳方式為纖維摻量0.3%，纖維長度6mm，油石比4.9%。

圖3 最大彎拉應變因素指標趨勢圖

2.3 穩定度

由表6 可知，分析穩定度時，油石比的影響最為顯著，極差值R 為0.66KN；纖維摻量和纖維長度的極差值一致，同為0.48KN，二者對穩定度的影響應非常接近。

由圖4 可以明顯看出，穩定度隨著油石比的增加先增大再減小，C2 即油石比以4.9%為最佳油石比。隨著纖維摻量、纖維長度的增加也呈現出先增加后減小的趨勢，即A2 為最佳摻量，B2 為最佳長度。纖維用量不同，則其在混合料中的分散程度、對混合料的加強效果不盡相同。當摻入適量纖維后，由于纖維與瀝青有較強的黏附作用，它與瀝青一同包裹于集料表面，增加了結構瀝青的薄膜厚度，又或者纖維間形成相互交錯的纖維骨架網，需要結構瀝青包裹，這些都增加了結構瀝青的比例，使混合料性能得以改善。但纖維摻入一旦過量，纖維的分散性會很差，甚至可能出現結團成束現象，其加強效應就不明顯。因此纖維摻入有合適劑量，并不是越多越好。各因素均按最佳水平考慮，得到的最佳搭配組合也為A2B2C2。

3 結論

⑴動穩定度以及最大彎拉應變的最顯著影響因素均為纖維長度，其次要因素二者有差別。穩定度的最顯著影響因素為油石比，纖維長度和纖維摻量對其影響程度相等。

⑵通過正交試驗分析三種因素分別對動穩定度、最大彎拉應變以及穩定度的影響規律，可以得出纖維摻量、纖維長度以及油石比都有其對應的最佳值，過大或過小都會造成不利影響。

⑶通過椰子纖維對瀝青路面的高溫穩定性、低溫抗裂性以及水穩定性的綜合考慮，在選定影響因素范圍內，當纖維摻量為0.3%、纖維長度為6mm、油石比為4.9%時，是椰子纖維瀝青混合料的最佳搭配組合。