基于正交试验的微表处路用性能影响分析

刘军营

摘 要：为了深入了解影响纤维微表处路用性能的因素，通过在微表处中加入纤维，在正交试验的基础上进行了湿轮磨耗、轮辙变形试验。结果表明，加入纤维可以提高微表处的路用性能，其中对其有影响的因素有纤维参量、油石比、纤维类型，当纤维掺量为0.10%～0.20%，油石比为7.0%～7.5%，纤维类型为聚丙烯纤维时路用性能最佳。

关键词：微表处；纤维；正交试验；路用性能

中图分类号：U418.6 文献标志码：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。endprint

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。

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，油石比为80%时混合料抗水损害性能最好。

添加不同纤维的微表处混合料的抗水损害性能并不一致，由大到小的排序为：矿物纤维、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、吸附沥青的能力等因素造成的。就试验选用的4种纤维而言，玻璃纤维与沥青的相容性最差，且有一定的吸水性能，两者综合作用导致玻璃纤维微表处的抗水损害性能最低。

3.4 纤维微表处抗车辙性能及其影响因素分析

从图7、8、9可以看出，当纤维种类、纤维掺量、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、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一致的。

图7 纤维种类与宽度变形率之间的关系

图8 纤维掺量与宽度变形率之间的关系

图9 油石比与宽度变形率之间的关系

纤维掺量在0.05%～0.30%范围内依次增大时，混合料抗车辙的性能先增强后降低，在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一致，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65%～70%范围内时，宽度变化率减小，继续增大油石比，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，沥青与集料之间粘聚力下降，强度降低，导致抗车辙性能下降。

对于添加不同纤维的微表处的抗车辙性能而言，矿物纤维、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，拌和后容易结团，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，在外部荷载作用下应力传递不均，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010%～0.20%，油石比为7.0%～7.5%，不宜采用过高的掺量及油石比。

4 不同纤维的微表处路用性能对比分析

基于纤维微表处路用性能试验的分析结果，选取油石比7.0%，纤维掺量0.10%，进行湿轮磨耗、轮辙变形等试验，对比分析添加不同类型纤维的微表处混合料之间路用性能的差异，具体试验结果如表7所示。

由表7可以看出，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、抗车辙性能均有一定程度的提高，就耐磨耗性而言，聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩矿物纤维微表处混合料分别提高52.2%、1054%、22.7%、80.5%；但不同纤维的改善效果并不相同，聚丙烯纤维的改善效果最好，其次为矿物纤维，其他2种纤维对路用性能的改善作用并不统一。endprint

5 结 语

（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明显高于纤维种类的影响。其中纤维掺量对混合料抗车辙性能影响最大。

（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。不同纤维的微表处的路用性能差别明显，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，其次为矿物纤维微表处。

（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%。

参考文献：

[1] 侯曙光，侯 强.纤维微表处混合料性能试验[J].南京工业大学学报：自然科学版，2013，35（3）：2024.

[2] 徐 凯，孙晓立.纤维微表处技术在揭普惠高速公路的应用研究[J].广东公路交通，2012（2）：16.

[3] 黎 侃，李新伟，王瑞宜.聚丙烯单丝纤维微表处路用性能研究[J].公路交通科技，2013，30（8）：1722.

[4] 郑木莲，陈拴发，王秉纲.基于正交试验的多孔混凝土配合比设计方法[J].同济大学学报：自然科学版，2006，34（10）：13191323.

[5] 王 磊，吕 璞，郝培文.微表处混合料路用性能影响因素[J].长安大学学报：自然科学版，2014，34（2）：2933.

[6] 张争奇，陶 晶.纤维在沥青混合料中的应用研究[J].石油沥青，2006，20（5）：2632.

[7] 陈华鑫，张争奇，胡长顺.纤维沥青混合料的低温抗裂性能[J].华南理工大学学报：自然科学版，2004，32（4）：8286.

[8] 陈华鑫，张争奇，胡长顺.纤维沥青路用性能研究[J].长安大学学报：自然科学版，2002，22（6）：57.

[9] 史国刚，李海涛，顾兴宇.柔性玄武岩纤维水泥混凝土配比优化设计[J].公路交通科技，2012，29（5）：2428.

[10] 高志伟，宋炜玮.浮化沥青微表处混合料耐久性研究[J].筑路机械与施工机械化，2014，31（9）：6871.

[责任编辑：杜敏浩]endprint