基于正交設(shè)計(jì)的纖維對(duì)SMA-13 高溫穩(wěn)定性影響

朱庚申

（云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650228）

引言

SMA 全稱瀝青馬蹄脂碎石混合料，由于具有較好的高溫穩(wěn)定性、較高的抗滑穩(wěn)定性以及其它較優(yōu)的物理力學(xué)性能，目前為我國(guó)高等級(jí)公路上面層首選混合料類型［1］。盡管SMA 高溫穩(wěn)定性較好，但在我國(guó)南方地區(qū)或橋面鋪裝運(yùn)用中，路面結(jié)構(gòu)層溫度最高可達(dá)到70℃左右，這對(duì)SMA 的運(yùn)用提出了更高的挑戰(zhàn)［2-4］。纖維作為提高SMA 混合料高溫穩(wěn)定性的重要組成成分，對(duì)混合料瀝青膠漿性能提高具有關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，目前傳統(tǒng)使用的木質(zhì)素纖維單獨(dú)使用時(shí)并不能有效抵擋惡劣運(yùn)營(yíng)環(huán)境。因此，就纖維添加劑而言，尋找可以有效提高SMA 混合料高溫穩(wěn)定性的纖維復(fù)配方案對(duì)SMA 的運(yùn)用具有較好的現(xiàn)實(shí)意義。研究擬以木質(zhì)素纖維以及目前部分地區(qū)運(yùn)用的玄武巖纖維、聚酯纖維為添加劑［5-7］，通過正交設(shè)計(jì)，研究不同復(fù)配組合對(duì)SMA-13 高溫穩(wěn)定性影響，以遴選最優(yōu)的組合方案。

1 原材料

1.1 纖維

為分析不同纖維配比對(duì)SMA-13 高溫穩(wěn)定性影響，研究選取3 種纖維進(jìn)行試驗(yàn)：木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維。纖維作為SMA 類混合料主要組成成分，其可以吸附過量的自由瀝青形成瀝青膠漿，可以有效減小混合料在荷載作用下變形，增強(qiáng)膠漿高溫穩(wěn)定性。

研究表明，木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維、聚酯纖維3 種纖維均可有效提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，但作用機(jī)理存在一定差異。木質(zhì)素纖維作為目前最常用的纖維摻加劑，由于具有性能好、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)受到廣泛應(yīng)用，目前主要分為顆粒狀木質(zhì)素纖維與絮狀木質(zhì)素纖維。木質(zhì)素纖維具有對(duì)瀝青吸附性能大的特點(diǎn)，可吸附瀝青形成瀝青膠漿增大膠漿的黏韌性。玄武巖纖維由玄武巖碎石抽絲加工而成，由于制備原料特點(diǎn)其具備極強(qiáng)的物理力學(xué)性能，其中超過700℃以上的熔點(diǎn)使得瀝青膠漿具有較好的高溫抗變形能力。聚酯纖維可以更有效地與瀝青形成多維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成整體性好的瀝青膠漿，進(jìn)而提高混合料高溫穩(wěn)定性。

研究所用三種纖維主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 三種纖維主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 瀝青與集料

SMA-13 瀝青混合料采用SBS 改性瀝青，SBS 摻量為4%，SBS 改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 SBS 改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)粗集料采用玄武巖集料，分為4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm 兩檔規(guī)格。細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂，為0～2.36 mm 規(guī)格。礦粉采用石灰?guī)r集料研磨制備而成，0.075 mm 通過率為91.3%。相關(guān)集料主要技術(shù)指標(biāo)見表3、表4，所有技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）相關(guān)要求。

表3 玄武巖粗集料主要技術(shù)指標(biāo)

表4 石灰?guī)r細(xì)集料主要技術(shù)指標(biāo)

上面層采用SMA-13 混合料，根據(jù)上述各檔集料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，基于SMA-13 配合比設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，基本取中值進(jìn)行摻配設(shè)計(jì)。各檔集料具體摻配比例為9.5 ～13.2 mm ∶4.75 ～9.5m ∶0 ～2.36 mm：礦粉=48 ∶27 ∶17 ∶8，最終確定合成級(jí)配見表5。

表5 SMA-13 合成級(jí)配

2 正交方案設(shè)計(jì)

為了選取最合適的纖維摻配比例，對(duì)3 種纖維進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。將3 種纖維設(shè)為3 個(gè)變量因素（分別設(shè)置為A、B、C），每個(gè)因素設(shè)置3 個(gè)變化水平，分別為混合料質(zhì)量的0.1%、0.2%、0.3%。正交方案設(shè)計(jì)見表6。

表6 纖維摻配正交方案設(shè)計(jì)

對(duì)每個(gè)試驗(yàn)水平分別進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度與高溫車轍試驗(yàn)，其中為有效表征SMA-13 混合料高溫穩(wěn)定性，車轍試驗(yàn)溫度條件選取為70℃。試驗(yàn)完成后對(duì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行方差分析，了解各摻配比例對(duì)混合料高溫穩(wěn)定性影響規(guī)律，最終確定最佳的摻配方案。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照正交設(shè)計(jì)方案進(jìn)行混合料穩(wěn)定度試驗(yàn)與車轍試驗(yàn)，其中每個(gè)水平馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)取3 個(gè)試件均值為最終試驗(yàn)結(jié)果，車轍試驗(yàn)取2 塊車轍板動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試均值為最終試驗(yàn)結(jié)果。所有方案試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 各水平下穩(wěn)定度試驗(yàn)與車轍試驗(yàn)結(jié)果

3.2 穩(wěn)定度

（1）各復(fù)配比例下瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度均較單一0.3%木質(zhì)素纖維混合料大，且流值較單一0.3%木質(zhì)素纖維混合料小。表明3 種纖維復(fù)配后，馬歇爾穩(wěn)定度均得到一定提高。所有復(fù)配比例中，組合4，即0.2%木質(zhì)素纖維+0.1%玄武巖纖維+0.2%聚酯纖維復(fù)配摻量混合料馬歇爾穩(wěn)定度最大；組合5，即0.2%木質(zhì)素纖維+0.2%玄武巖纖維+0.3%聚酯纖維復(fù)配摻量混合料流值最小。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定度與流值并沒有顯著的線性關(guān)系，因此進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)分析時(shí)，應(yīng)以馬歇爾穩(wěn)定度值結(jié)果分析為準(zhǔn)。

3.3 動(dòng)穩(wěn)定度

（1）同穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果一致，各復(fù)配比例下瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度均較單一0.3%木質(zhì)素纖維混合料大，且在組合4 時(shí)（0.2%木質(zhì)素纖維+0.1%玄武巖纖維+0.2%聚酯纖維）混合料動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大。表明多種纖維復(fù)配使得各纖維作用形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以有效提高各纖維“加筋”作用，進(jìn)而促進(jìn)混合料高溫穩(wěn)定性提高。（2）當(dāng)總摻量最大（組合9，總摻量為0.8%）時(shí)，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度及馬歇爾穩(wěn)定劑并非最大，表明當(dāng)纖維過量時(shí)會(huì)使自由瀝青被有效吸附完成后仍有纖維殘留，進(jìn)而導(dǎo)致相互干擾，反而導(dǎo)致混合料高溫穩(wěn)定性降低。

3.4 極差分析

（1）分別對(duì)各因素各水平所有試驗(yàn)值進(jìn)行均值計(jì)算，標(biāo)記為Ki。（2）計(jì)算出單一因素下不同水平之間的極差，標(biāo)記為R。（3）遴選最佳組合：選取出單一因素下不同水平測(cè)試結(jié)果最大值（即Ki最大值），將各因素最大測(cè)試值水平進(jìn)行組合，該組合即為最優(yōu)組合方案。對(duì)各水平下穩(wěn)定度試驗(yàn)與車轍試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，Ki與極差值R 計(jì)算見表8。

表8 不同纖維摻配混合料高溫穩(wěn)定性正交試驗(yàn)極差分析

通過極差分析可知：當(dāng)木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維與聚酯纖維摻量分別為0.2%、0.2%、0.2% 時(shí)，SMA-13 混合料高溫穩(wěn)定性最佳，且馬歇爾穩(wěn)定度與動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)論一致。由于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)未對(duì)該組合方案進(jìn)行專門高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)，因此選取該組合方案進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)與70℃車轍試驗(yàn)。結(jié)果顯示，該組合摻配比例下SMA-13 馬歇爾穩(wěn)定度為15.24 kN，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到7 768 次/毫米，相較傳統(tǒng)0.3% 木質(zhì)素纖維SMA-13 瀝青混合料，馬歇爾穩(wěn)定度與動(dòng)穩(wěn)定度分別提高74%、78%。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）馬歇爾穩(wěn)定度與車轍試驗(yàn)均表明，各復(fù)配比例下瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度均較單一0.3%木質(zhì)素纖維混合料大，且在組合4 時(shí)（0.2%木質(zhì)素纖維+0.1%玄武巖纖維+0.2% 聚酯纖維）混合料動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大。（2）當(dāng)纖維過量時(shí)會(huì)使自由瀝青被有效吸附完成后仍有纖維殘留，進(jìn)而導(dǎo)致相互干擾，反而導(dǎo)致混合料高溫穩(wěn)定性降低。（3）當(dāng)木質(zhì)素纖維、玄武巖纖維與聚酯纖維摻量分別為0.2%、0.2%、0.2%時(shí)，SMA-13 混合料高溫穩(wěn)定性最佳，相較傳統(tǒng)0.3%木質(zhì)素纖維SMA-13 瀝青混合料，馬歇爾穩(wěn)定度與動(dòng)穩(wěn)定度分別提高74%、78%。