基于正交试验的纤维微表处路用性能研究



基于正交试验的纤维微表处路用性能研究

刘军营1，姚晓光2，罗要飞3

(1.陕西省高速公路建设集团，陕西 西安 710065；

2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；

3.河南省交通规划勘察设计院有限责任公司，河南 郑州 450052)

摘要：在微表处中加入纤维，可以提高微表处的路用性能。为深入了解纤维微表处路用性能的影响因素，基于正交试验，在纤维掺量、油石比、纤维种类3个影响因素下进行湿轮磨耗试验与轮辙变形试验，并对结果进行对比分析。研究结果表明：各影响因素中，对路用性能影响程度的顺序为纤维掺量>油石比>纤维类型；对于纤维微表处路用性能，纤维掺量和油石比存在最佳值，当纤维掺量取0.10%~0.20%，油石比取7.0%~7.5%时，微表处混合料路用性能最优；而且相同条件下，聚丙烯纤维微表处路用性能更加优越。

关键词：道路工程；微表处；纤维；正交试验；路用性能

微表处是高速公路沥青路面常用的一种养护措施，但在应用过程中发现，微表处混合料易出现松散、抗反射裂缝效果不佳、耐久性不足等问题。大量研究表明[1-3]，在微表处中添加纤维，可以改善微表处的整体性能，提高抗裂性能和耐久性，因此纤维微表处在工程中也逐渐得到了应用。2006年10月在京珠高速K702—K703段，同时铺筑了纤维微表处和普通微表处2个路段，2个月后对比发现，纤维微表处铺筑路段未出现松散、脱落现象，而且耐久性明显高于普通微表处。但是，工程应用中对纤维的类型及用量选择至今还没有认可的标准，一定程度上限制了纤维微表处技术的发展。鉴于此，本文选取4种纤维：聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维，在正交试验[4-6]的基础上对比分析纤维类型、掺量、油石比因素对微表处路用性能的影响规律及影响程度[7]，并结合不同纤维微表处之间路用性能的差异，确定纤维微表处的优化设计方案，相关结论可为工程应用提供参考。

1材料组成及技术指标

纤维微表处所用材料主要有：改性乳化沥青、矿料、纤维、填料、外加水和必要的添加剂等，其质量的优劣直接影响到混合料的路用性能，因此本文对改性乳化沥青、矿料、纤维进行了严格筛选，其他材料根据试验及环境进行确定。

1.1改性乳化沥青

采用的结合料为SBR改性乳化沥青，由SK-90基质沥青、慢裂快凝型阳离子乳化剂(MK-06型)、SBR胶乳、盐酸调节剂、水和稳定剂(PVA及氯化钙)等经改性乳化制备而成。其性能试验结果及要求如表1所示。

表1　SBR改性乳化沥青试验结果与指标要求

1.2矿料

矿料采用2种不同岩性的石料，粗集料采用玄武岩，细集料选用石灰岩，经检测各项技术指标均满足规范要求，矿料级配采用MS-3型中值级配，如表2所示。

表2　矿料级配

1.3纤维

截止目前，工程中应用比较成熟的纤维主要有：聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、木质素纤维和纤维素纤维[8-10]。本文选取4种纤维进行研究，分别是聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维，其主要性能指标见表3。

表3　不同纤维的性能指标

2试验准备及方案设计

2.1试验准备

为研究不同纤维微表处耐磨耗性、水稳定性、抗车辙性能的区别，笔者进行了不同情况下的湿轮磨耗试验和轮辙变形试验。

湿轮磨耗试验利用湿轮磨耗仪进行，试验前通过模板制备标准试件：先将备好的矿料放入拌锅，掺入填料，拌匀，然后加水拌匀，再加改性乳化沥青拌和，拌和时间不超过30 s；然后将拌匀的混合料倒入试模中并迅速刮平；最后取走模板，并将试样放入 60 ℃的烘箱中烘至恒重，得到标准试件。

试验时，根据要求将冷却至室温的标准试件放入25 ℃的水浴中保温1 h或6 d，然后将试件烘干保温，置于湿轮磨耗仪升降平台上，使磨耗头转动300 s后停止，冲洗烘干后，计算试件磨耗前后的质量损失，用1 h和6 d磨耗值评价微表处混合料成型后的耐磨耗性能以及抗水损害性能，磨耗值越大说明其耐磨耗性或抗水损害性能越差。

轮辙变形试验标准试件制备步骤与上相同，试验时采用负荷轮载试验仪。将标准试件置于负荷为56.7 kg的车轮试验仪上，保持试验温度在25 ℃，对试件进行1 000次碾压，测量试样的车辙深度和宽度，并计算试件试验前后的宽度变化，进而得出微表处试样单位宽度变形率(PLD)，并以此评价微表处混合料抗车辙的能力，PLD越小说明抗车辙性能越好。

2.2正交试验设计

正交试验作为一种研究多因素多水平的设计方法，主要利用排列整齐的正交表安排试验。按照正交性从试验中选取具有代表性的水平组合试验，并对试验结果的分析处理，研究不同因素对试验指标的影响规律及影响程度，从而达到高效、快速、经济的试验设计目的[4,11]。因此，本文正交试验安排如下。

1)影响因素及水平的选择。基于本文研究目的，且纤维微表处微表处路用性能受纤维种类、纤维掺量、油石比大小影响较大。所以，正交试验采用A，B和C 3个影响因素，依次为纤维种类、纤维掺量(%)、油石比(%)，对应的1，2，3和4共4个水平分别是聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维；0.05，0.10，0.20和0.30；6.5，7.0，7.5和8.0。

2)评价指标的确定。分别采用1 h湿轮磨耗值、6 d湿轮磨耗值、宽带变形率指标评价微表处耐磨耗性能、抗水损害性能、抗车辙性能。

依照所选的影响因素及不同水平数，采用L16(45)正交表，如表4所示。其中水泥填料、纤维均采用外掺法进行添加，水泥用量为2.0%。

表4　正交试验方案设计

3正交试验结果及分析

3.1正交试验直观分析

纤维微表处正交试验结果如表5所示。

表5　正交试验结果

为更好地进行对比分析，将表5数据处理后，可得表6及图1~3。

表6　正交试验直观分析结果

注：Ki(i=1,2,3,4)为各种因素在同一水平下所对应的试验结果的总和；ki(i=1,2,3,4)为各种因素在同一水平下相对应的试验结果的平均值。

(a)纤维种类与1 h湿轮磨耗值的关系;(b)纤维掺量与1 h湿轮磨耗值的关系;(c)油石比与1 h湿轮磨耗值的对应关系图1　各因素对1 h湿轮磨耗值的影响Fig.1 Influence of factors to 1 h wet wheel abrasion value

(a)纤维种类与6 d湿轮磨耗值的关系；(b)纤维掺量与6 d湿轮磨耗值的关系；(c)油石比与6 d湿轮磨耗值的对应关系图2　各因素对6 d湿轮磨耗值的影响Fig.2 Influence of factors to 6 d wet wheel abrasion value

(a)纤维种类与宽度变化率之间的关系；(b)纤维掺量与宽度变化率之间的关系；(c)油石比与宽度变化率之间的关系图3　各因素对宽度变化率的影响Fig.3 Influence of factors to width variation

3.1.1纤维微表处的耐摩耗性及其影响因素分析

从表6、图1看出，在试验选定的3个因素中，对微表处混合料耐磨耗性影响程度大小顺序分别为：纤维掺量>油石比>纤维种类，其相应极差分别为：325.8，165.5和69.9，可见纤维掺量的多少对微表处耐磨耗性影响最大，室内试验及实际施工时均须严格控制。

随着纤维掺量的增加，混合料的湿轮磨耗值先减小后增大，掺量在0.10%~0.20%范围内，耐磨性优于其他掺量；其原因为掺量较大时，纤维在混合料中的分散性能下降，导致沥青分散不均，集料之间黏结力较差，在外力作用下磨耗值增大。

油石比在6.5%~8.0%变化时，平均磨耗值分别为551.0，468.2，411.0和385.5 g/m2，耐磨耗性逐渐提高。就采用的4种纤维而言，聚丙烯纤维、玄武岩纤维微表处的耐磨耗性较好，玻璃纤维微表处耐磨耗性最差，这主要是因为玻璃纤维的吸油率较小，与沥青的相容性较差，在油石比相同的情况下，存在大量的自由沥青，致使沥青胶浆对集料的黏聚力减弱，磨耗值增大。

3.1.2纤维微表处的抗水损害性及影响因素分析

由表6、图2可知，影响因素纤维种类、纤维掺量、油石比相对应的6 d平均磨耗值极差分别为68.8，446.6和232.1，由此说明3因素对混合料抗水损害性能的影响强弱与耐磨耗性能试验结果一致。

随着油石比的增大，混合料的抗水损害性能逐渐增强，在试验选定的油石比范围内，油石比8.0%时混合料抗水损害性能最好。

不同纤维微表处混合料的抗水损害性能并不一致，其具体排序为：玄武岩纤维>聚丙烯纤维>聚酯纤维>玻璃纤维，这主要是由于不同纤维的表面特性、比表面积、吸湿率、吸附沥青的能力等造成的。就试验选用的4种纤维而言，由于玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维吸油率较高，对沥青用量需求大，易使沥青膜变厚，抗水损害能力增强；但聚丙烯纤维吸湿率过大，聚酯纤维吸湿率为0，一定程度上削弱了抗水损害性能，因此，在吸湿率、吸油率的综合作用下导致4种纤维微表处的抗水损害性能出现如上的排序。

3.1.3纤维微表处抗车辙性能及其影响因素分析

从表6、图3可以看出，当纤维种类、掺量、油石比等因素在各自相应的水平范围内变化时，平均宽度变形率的极差分别为0.60，1.26和1.09，即纤维掺量对混合料抗车辙性能影响最大，油石比、纤维种类对其的影响依次减小，这与以上试验结果得出结论是相一致的，但相互之间的差异性减小。

纤维掺量依次增大时，混合料抗车辙性能先增强后降低，掺量为0.10%时性能最优。相对于油石比对混合料耐磨耗性、抗水损害性能而言，油石比对混合料抗车辙性能的影响并不相同；伴随着油石比的逐渐提高，混合料的宽度变形率存在明显的拐点，油石比在6.5%~7.0%范围内时，宽度变化率减小，继续增大油石比，其宽度变形率反而增大。这说明纤维微表处存在最佳的油石比，超过后自由沥青含量增加，沥青与集料之间黏聚力下降，强度降低，导致抗车辙性能下降。

对于不同纤维微表处的抗车辙性能而言，玄武岩纤维、聚丙烯纤维优于玻璃纤维和聚酯纤维，其中聚酯纤维微表处抗车辙性能最差，原因为聚酯纤维的分散性较差，致使乳液分布不均，对矿料之间的相对滑移起不到有效的约束和阻碍作用，减弱了矿料的相对稳定性，在荷载作用下导致应力传递不均，塑性变形能力降低。

综上可知，不同因素对纤维微表处耐磨耗性、抗水损害性、抗车辙性的影响总体上一致，但变化规律存在差别。基于以上试验结果，建议纤维掺量为0.10%~0.20%，油石比为7.0%~7.5%，不宜采用过高的纤维掺量及较大的油石比。

3.2正交试验方差分析

直观分析法仅仅从极值的角度来考虑各个因素对试验指标影响的主次关系，并没有具体判别各个因素对试验指标的影响程度，即不能准确判断各个因素对试验指标影响作用的显著性。为弥补直观分析法存在的问题，采用方差分析法对试验结果进行进一步分析说明。

根据正交试验结果，借助统计分析软件SPSS对数据进行处理，其中显著性水平α为5%，方差分析结果见表7所示。

表7　正交试验结果方差分析

由表7中F大小容易得出：各因素影响程度排序为：纤维掺量>油石比>纤维种类。

对耐磨耗性、抗水损害性而言，纤维掺量、油石比对其具有显著影响，纤维种类对其影响不显著，这说明纤维掺量、油石比对混合料耐磨耗性、抗水损害性的贡献要远大于纤维种类对其的贡献。对于抗车辙性能而言，上述3因素影响都超过了临界值，但纤维种类的影响程度仍低于纤维掺量和油石比。

因此，在室内试验及现场施工时，尤其要注意纤维掺量及油石比的变化，防止出现突变。

4不同纤维微表处路用性能对比

为进一步证明以上试验结果，在油石比为7.0%，纤维掺量为0.10%时进行湿轮磨耗、轮辙变形试验，对比分析不同类型纤维微表处混合料之间路用性能的差异，结果如表8所示。

由表8知，普通微表处掺加纤维后，混合料的湿轮磨耗值、宽度变形率均减小，其耐磨耗性、抗水损害性、抗车辙性能等均有一定程度的提高。

表8　不同类型微表处路用性能

这是因为纤维能够显著改善黏度、界面强度，对微表处沥青混合料的加筋阻裂作用也非常明显，因此会提高其耐磨耗和抗车辙性能。而且纤维对沥青具有吸附作用，使沥青用量增大，从而使沥青饱和度得到提高；沥青与矿粉及纤维共同形成的沥青膜较厚，裹覆在集料表面，能够在相当程度上抵御水微表处混合料的侵害，进而提高沥青混合料的水稳定性，降低沥青路面发生水损坏的可能性。

就耐磨耗性而言，聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维微表处混合料分别提高34.3%，51.3%，18.5%和44.6%，这说明聚丙烯纤维的改善效果最好。

聚酯纤维对混合料耐磨耗性、抗水损害性能的改善作用优于玻璃纤维，而对抗车辙性能的改善作用弱于玻璃纤维。该结论与正交试验结果一致。说明纤维对微表处路用性能的改善作用与纤维自身的表面特性、比表面积、吸油率、分散性等指标密切相关。由表3可知，聚丙烯纤维、玄武岩纤维与沥青的相容性较好，且几乎不吸水，因此这2种纤维的改善效果要优于玻璃纤维和聚酯纤维。

5结论

1)正交试验分析结果表明，纤维掺量、油石比等因素对微表处耐磨耗性、抗水损害性等路用性能的影响程度高于纤维种类对其的影响。试验选定的3因素对混合料抗车辙性能虽具有显著影响，但3个因素的排序仍然为：纤维掺量>油石比>纤维种类。

2)混合料的耐磨耗性、抗水损害性、抗车辙性等路用性能随着纤维掺量的增加先增强后降低，存在一个最佳的掺量范围。油石比在6.5%~8.0%范围内变化时，混合料的耐磨耗性、抗水损害性等逐渐增强，抗车辙性能先增强后降低。在相同的掺量及油石比条件下，聚丙烯纤维微表处的路用性能最好，其次为玄武岩纤维微表处，其余2种纤维微表处路用性能排序并不统一。

3)增大纤维掺量及油石比，不仅会增加工程造价，还导致路用性能下降，结合湿轮磨耗及轮辙变形试验结果，建议纤维掺量为0.10%~0.20%，油石比为7.0%~7.5%。

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(编辑阳丽霞)

Research on pavement performance of fiber micro-surfacing based on orthogonal testLIU Junyun1, YAO Xiaoguang2, LUO Yaofei3

(1.Shaanxi Provincial Expressway Construction Group Co. Ltd, Xi’an 710065 ,China;

2.Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China;

3.Henan Province Transportation Planning Survey and Design Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450052 ,China)

Abstract:The pavement performance of micro-surfacing can be improved by adding fiber. In order to further understand the factors of micro-surfacing pavement performance, three factors including fiber content, asphalt-aggregate ratio and fiber type were studied. On the basis of orthogonal test, the wet wheel abrasion test and rut deformation test were conducted under the factors in this paper, and the results were comparative analyzed. The results indicate that the degree of influence is in descending order according to fiber content > asphalt-aggregate ratio > fiber type. Adding 0.10% to 0.20% fiber and 7.0% to 7.5% asphalt-aggregate ratios can make pavement performance of micro surfacing in optimal performance. Under the same conditions, the pavement performance of polypropylene fiber micro-surfacing mixture is more superior.

Key words：road engineering；micro-surfacing；fiber；orthogonal test；pavement performance

中图分类号：U416

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)01-0082-07

通讯作者：刘军营(1975-)，女，陕西临潼人，高级工程师，从事沥青路面结构与材料性能的研究；E-mail:liujy@sxgs.com

基金项目：江苏省交通科学研究计划项目(2010Y11)；陕西省交通科技项目(2014-01K)

收稿日期：*2015-06-20