基于正交试验的微表处路用性能影响的发展效果

　　微表处是高速公路沥青路面养护常用的技术措施，但在应用过程中，经微表处处理后的路面易出现松散、抗反射裂缝效果不佳、耐久性不足等问题。大量研究表明[13]，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。在实体工程检测中发现，分别铺筑了纤维微表处和普通微表处的两个路段，在大交通量荷载作用下，经过一段时间后，纤维微表处路段未出现松散、脱落现象，且耐久性明显优于普通微表处路段。但直到现在，工程中对纤维的类型和用量还没有一个普遍认可的标准和建议，一定程度上限制了纤维微差处的发展。

　　本文选取聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩矿物纤维等，通过正交试验[4]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显著影响程度，对比分析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，为相关的工程应用提供参考。
　　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、纤维、矿料、填料、外加水和必要的添加剂等。材料质量的优劣直接影响到混合料的路用性能，因此在选择材料时一定要确保各项技术指标均达到相应规范要求。
　　1.1 改性乳化沥青
　　本文采用的结合料为SBR改性乳化沥青，由SK90基质沥青、慢裂快凝型阳离子乳化剂（MK06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。
　　1.2 矿料
　　在选择矿料时本文采用了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。经检测它们的各项技术指标均满足规范要求，具体结果如表2所示。级配采用MS3型中值级配。
　　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、矿物纤维、木质素纤维、纤维素纤维等[59]。本文选取4种纤维进行研究，依次是聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩矿物纤维，其主要性能指标见表3。

　　2 试验方法及方案设计
　　2.1 试验方法
　　为了考查不同纤维微表处的耐磨耗性、水稳定性、抗车辙性等路用性能的区别，本文进行了不同情况下的湿轮磨耗试验和轮辙变形试验[10]。
　　湿轮磨耗试验采用湿轮磨耗仪，浸水1 h湿轮磨耗试验是将标准试件放入25 ℃的水浴中保温1 h，而6 d湿轮磨耗试验为水浴保温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，冲洗并烘干，计算试件磨耗前后的质量损失，可用其评价微表处混合料成型后的耐磨耗性能以及抗水损害的性能。
　　轮辙变形试验采用负荷车轮试验仪，将标准试件放置于负荷为56.7 kg的车轮试验仪上，保持试验温度在25 ℃，对试件进行1000次碾压后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。
　　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，主要是利用排列整齐的正交表来安排试验。按照正交性从全面试验中选取有代表性的水平组合试验，通过对这部分试验结果的分析与处理，研究不同因素对试验指标的影响大小顺序及显著影响程度，从而达到高效、快速、经济的试验设计目的。
　　2.2.1 影响因素的选择
　　首先，普通微表处混合料掺加纤维后，性能是否可以得到改善，与纤维的种类及其掺量大小相关。其次，混合料适宜的油石比是获得良好路用性能的保障，油石比太大，不仅增加初期建设成本，而且会导致路用性能下降，而油石比太小，又不足以裹腹石料，颗粒之间的粘结力较差，影响路用性能。所以，正交试验采用A、B、C三个影响因素，依次代表纤维种类、纤维掺量、油石比，对应的1、2、3、4四个水平分别是聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩矿物纤维。
　　2.2.2 评价指标的确定
　　微表处路用性能主要是指耐磨耗性、抗水损害、抗车辙性能等，分别采用1 h湿轮磨耗值、6 h湿轮磨耗值、宽带变形率指标来评价。混合料湿轮磨耗值越大，其耐磨耗性、抗水损害性越差，相反湿轮磨耗值越小则混合料性能越好；宽度变形率越大说明抗车辙能力越弱。
　　依照以上所选择的影响因素及不同水平数，采用L16（45）正交表。其中水泥、纤维均采用外掺法进行添加，水泥用量为2.0%。
　　3 正交试验结果及分析
　　3.1 正交试验直观分析
　　3.2 纤维微表处的耐摩耗性及其影响因素分析
　　从图1～3看出，在试验选定的纤维种类、纤维掺量、油石比3个因素中，对微表处混合料耐磨耗性影响程度从大到小的顺序分别为：纤维掺量、油石比、纤维种类，其相应极差分别为：325.8、165.5、69.9。可见纤维掺量的多少对微表处耐磨耗性影响最大，因此室内试验或实际施工时均须严格控制纤维掺量。
　　图1 纤维种类与1 h湿轮磨耗值的关系
　　图2 纤维掺量与1 h湿轮磨耗值的关系
　　图3 油石比与1 h湿轮磨耗值的对应关系
　　由试验结果可知，随着纤维掺量的增加，混合料的湿轮磨耗值先减小后增大。当掺量在0.10%～0.20%范围内，耐磨性优于其他掺量，其原因是掺量较大时，纤维在混合料中的分散性能下降，容易结团，吸附了较多的沥青，导致沥青分散不均，集料之间粘结力较差，在外力作用下磨耗值增大。当
　　油石比在6.5%～8.0%变化时，平均磨耗值分别为5510、468.2、411.0、3855 g·m-2，耐磨耗性逐渐提高。就试验采用的4种纤维而言，聚丙烯纤维、矿物纤维微表处混合料的耐磨耗性比较好，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粘聚力减弱，导致磨耗值增大。

　　3.3 纤维微表处的抗水损害性及其影响因素分析
　　由图4、5、6可知，与纤维种类、纤维掺量、油石比相对应的6 d平均磨耗值极差分别为688、4466、232.1，说明纤维掺量对混合料抗水损害性能的影响最大，油石比的影响其次，纤维种类的影响最小，3种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。

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