HVE 超黏磨耗層稀漿混合料高性能化試驗(yàn)研究

史 越，胡仕梅，劉同賓，梅若詩(shī)

（1.江西天馳高速科技發(fā)展有限公司，江西 南昌 330008；2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

截至2020 年底， 我國(guó)高速公路總運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)15 萬(wàn)km 以上。 但由于修筑條件的限制，我國(guó)早期修筑的許多高速公路未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限就過早發(fā)生了諸如路面脫皮、 疲勞裂縫等嚴(yán)重病害，直接影響了路面結(jié)構(gòu)服役壽命和行車安全[1]，具有大量交通隱患[2]。 近年來我國(guó)有關(guān)部門逐漸意識(shí)到預(yù)防性養(yǎng)護(hù)在高速公路日常養(yǎng)護(hù)中的重要性，并發(fā)展了許多先進(jìn)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，例如，高黏度乳化瀝青（high viscosity emulsified-asphalt，HVE）超黏磨耗層預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)。

HVE 超黏磨耗層預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)是工程界近年來在MS-3 型超黏磨耗層理養(yǎng)護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)[3]，其稀漿混合料主要由高黏度乳化瀝青、普通硅酸鹽水泥、堅(jiān)硬耐磨輝綠巖碎石等按一定比例設(shè)計(jì)組成[4]。 大量工程實(shí)踐[5－13]表明采用HVE 超黏磨耗層預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，不僅可以對(duì)目前高速公路路面容易過早發(fā)生脫皮、疲勞裂縫等病害進(jìn)行有效防治， 延長(zhǎng)其服役壽命，而且可在一定程度上提高其結(jié)構(gòu)承載力；但現(xiàn)行混合料也存在著噪聲過大、抗松散性能不足、耐久性差等缺點(diǎn)， 制約著HVE 超黏磨耗層養(yǎng)護(hù)技術(shù)推廣應(yīng)用。 本研究擬在現(xiàn)行HVE 超黏磨耗層稀漿混合料配比基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究汽車輪胎廢橡膠粉、 滑石粉和耐堿玻璃纖維對(duì)HVE 超黏磨耗層稀漿混合料耐磨性能、抗車轍性能和降噪性能的改善作用，以期為優(yōu)化現(xiàn)有HVE 超黏，磨耗層稀漿混合料配合比使其同時(shí)兼有強(qiáng)耐磨、車轍和低噪聲多功能化提供一條新途徑。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)水泥采用江西亞東水泥廠產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。 乳化瀝青采用在BCR 乳化瀝青基礎(chǔ)上通過加入多種功能劑復(fù)配而成的一類具有高黏度以及優(yōu)良的彈性恢復(fù)性能和黏， 結(jié)性能HVE 特種復(fù)合改性乳化瀝青，自制，其性能指標(biāo)見表1。 廢橡膠粉（RP）采用南昌再生資源加工公司產(chǎn)的廢棄汽車輪胎加工而成的45 目廢橡膠粉料，含水率為0.32%。 滑石粉（TP）采用南昌滑石粉有限公司生產(chǎn)的化工滑石粉，表面積700 cm2/g，最大粒徑7 μm。 玻璃纖維（GF）采用武漢強(qiáng)耐纖維有限公司生產(chǎn)的耐堿玻璃纖維，其性能指標(biāo)見表2。

表1 HVE 特種復(fù)合改性乳化瀝青的性能指標(biāo)Tab.1 Performance index of HVE special composite modified emulsified asphalt

表2 玻璃纖維的主要性能指標(biāo)Tab.2 Main performance indexes of glass fiber

集料選用3～5 mm 和5～8 mm 兩種不同規(guī)格由耐磨堅(jiān)硬且偏堿性輝綠巖加工而成的碎石，其各項(xiàng)性能指標(biāo)符合 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范（JTG F40-2017）》規(guī)定，級(jí)配曲線如圖1 所示。

圖1 級(jí)配曲線圖Fig.1 Grading curve

1.2 試驗(yàn)方案

本研究主要基于現(xiàn)通用HVE 超黏，磨耗層稀漿混合料配比（表3）[14]，重點(diǎn)考察橡膠粉、滑石粉和玻璃纖維3 種不同功能材料的摻量對(duì)HVE 超黏，磨耗層稀漿混合料耐磨性能、抗車轍性能和降噪性能的影響，并按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)原理[15]，選用如表4 所示的5 因素、4 水平L16（45）正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表進(jìn)行研究。

表3 HVE 超黏，磨耗層稀漿混合料基準(zhǔn)配比Tab.3 Benchmark ratio of slurry mixture for HVE super viscous wearing course

表4 因素水平表Tab.4 Factors and levels

1.3 試驗(yàn)方法

按上述試驗(yàn)方案，將廢橡膠粉、滑石粉和玻璃纖維按計(jì)量稱取，并依次加入基準(zhǔn)樣干混料，攪拌均勻，再依次加入分別占干混料5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的水和10.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 的HVE 特種復(fù)合改性乳化瀝青，繼續(xù)攪拌直至水和瀝青乳液分散均勻，待稀漿混合料呈現(xiàn)出良好的和易性，即獲得HVE 超黏，磨耗層目標(biāo)稀漿混合料。 然后，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)成型試件，測(cè)試其耐磨性能、抗車轍性能和降噪性能。

耐磨性能參照 《微表處和稀漿封層技術(shù)指南（JTG/T F40）》[16]，采用SYD-0752 濕輪磨耗儀，先將試件放入60 ℃烘箱內(nèi)24 h，烘干冷卻后在25 ℃的水浴中保溫1 h，然后計(jì)算試件磨耗前后的質(zhì)量損失，以試件的1 h 磨耗值進(jìn)行評(píng)價(jià)。 試件高度為6.4 mm，直徑為280 mm。

抗車轍性能參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程（JTG/E 20-2011）》[17]，采用SYD-0705 車轍儀對(duì)試件進(jìn)行1 000 次碾壓， 通過測(cè)量試件的車轍深度，以試件的車轍深度率進(jìn)行評(píng)價(jià)，試件長(zhǎng)度為300 mm，寬度為300 mm，厚度為50 mm。 試驗(yàn)裝置如圖2 所示。

圖2 抗車轍性能試驗(yàn)裝置Fig.2 Rutting resistance performance test device

降噪性能參照《公路聲屏障 第5 部分：降噪效果檢測(cè)方法（JT/T 646.5-2017）》[18]，采用HY128 型聲級(jí)計(jì)，將試件固定在試驗(yàn)臺(tái)上，并將傳聲器固定在與磨耗橡膠管與試驗(yàn)臺(tái)接觸面齊平高度，且保證傳聲器到試驗(yàn)托盤的水平距離為20 cm， 以噪聲進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)。 試件采用耐磨性能試件，試件高度為6.4 mm，直徑為280 mm。 試驗(yàn)裝置如圖3 所示。

圖3 降噪性能試驗(yàn)裝置Fig.3 Noise reduction performance test device

2 結(jié)果與分析

本試驗(yàn)?zāi)湍バ阅堋⒖管囖H性能及降噪性能的正交試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表5 所示，其中：WTAT 為1 h 磨耗值；PVD 為車轍深度率；Noise 為噪聲。

表5 正交試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Tab.5 Test results of orthogonal test

2.1 耐磨性能

表6 和表7 分別為HVE 超黏磨耗層稀漿混合料耐磨性能正交試驗(yàn)極差分析和方差分析的結(jié)果。由表6 可以看出RC（78.5）>RA（57.5）>RB（46.75）>RD（25.5）>RE（6.75）。由表7 可見FC>FA>F0.05（3，6），F(xiàn)B

表6 1 h 磨耗值的極差分析Tab.6 Range analysis of 1 h wear value g/m2

表7 1 h 磨耗值的方差分析Tab.7 Variance analysis of 1 h wear value

圖4 為上述各因素的影響變化趨勢(shì)圖。 由圖4可知，當(dāng)橡膠粉摻量1.0%～2.5%時(shí)，1 h 磨耗值增加11.98%； 當(dāng)滑石粉摻量由1.5%增加至4.5%時(shí)，1 h磨耗值增加9.47%； 當(dāng)玻璃纖維摻量由0%增加至0.25%時(shí)，1 h 磨耗值大幅度增加16.84%，當(dāng)玻璃纖維摻量由0.25%增加至0.35%時(shí)，1 h 磨耗下降4.27%。 HVE 超黏磨耗層稀漿混合料的耐磨性能隨橡膠粉摻量和滑石粉摻量的增加呈上升的趨勢(shì)，耐磨性能隨玻璃纖維摻量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，其原因是玻璃纖維摻量較大時(shí)，纖維在混合料中的分散性能下降，容易結(jié)團(tuán)，并且吸附了較多的瀝青，導(dǎo)致瀝青分散不均，集料之間黏結(jié)力較差，在外力作用下磨耗值增大。 綜上可知，就耐磨性能而言HVE 超黏磨耗層稀漿混合料的最優(yōu)配比為A1B1C1，即橡膠粉摻量為1.0%，滑石粉摻量為1.5%和玻璃纖維摻量為0%。

圖4 各因素的影響變化趨勢(shì)圖Fig.4 Influence change trend of the various factors

2.2 抗車轍性能

表8 和表9 分別為HVE 超黏磨耗層稀漿混合料抗車轍性能正交試驗(yàn)的極差分析和方差分析的結(jié)果。 由表8 可以看出RA（2.65）>RC（1.32）>RB（2.35）>RD（0.9）>RE（0.9），并由表9 可知FA>FC>F0.05（3，6），F(xiàn)B

表8 抗車轍性能的極差分析Tab.8 Range analysis of rutting resistance

表9 抗車轍性能方差分析Tab.9 Variance analysis of rutting resistance

圖5 為上述各因素的影響變化趨勢(shì)圖。 由圖5可知，當(dāng)橡膠粉摻量從1%增加至2.5%時(shí)，車轍深度率從5.45%增加至8.10%；當(dāng)滑石粉摻量從1.5%增加至4.5%時(shí)，車轍深度率從6.08%增加至7.4%；當(dāng)玻璃纖維摻量從0%增加至0.35%時(shí)， 車轍深度率從5.58%增加至7.93%。 HVE 超黏磨耗層稀漿混合料的抗車轍性能隨橡膠粉摻量、滑石粉摻量和玻璃纖維摻量的增加均呈上升趨勢(shì)。 說明橡膠粉摻量過多會(huì)使稀漿混合料抗車轍性能變差，這是由于過多的橡膠粉很難在混合料中均勻分布，同時(shí)吸附了不少的瀝青，降低了混合料的瀝青膜厚度，致使集料間黏附力下降，無(wú)法在反復(fù)荷載作用下提供良好的整體強(qiáng)度，減弱了混合料的抗車轍性能。 綜上可知， 就抗車轍性能而言，HVE 超黏磨耗層稀漿混合料的最優(yōu)配比為A1B1C1， 即橡膠粉摻量為1.0%，滑石粉摻量為1.5%和玻璃纖維摻量為0%。

圖5 各因素的影響變化趨勢(shì)圖Fig.5 Influence change trend of the various factors

2.3 降噪性能

表10 和表11 分別為HVE 超黏， 磨耗層稀漿混合料抗車轍性能正交試驗(yàn)極差分析和方差分析的結(jié)果。 由表10 可以看出RA（3.28）>RB（1.35）>RC（1.20）>RD（0.73）>RE（0.53），并由表11 可知FA>FB>F0.05（3，6），F(xiàn)C

表10 噪聲的極差分析Tab.10 Range analysis of noise

表11 噪聲的方差分析Tab.11 Variance analysis of noise

圖6 為上述各因素的影響變化趨勢(shì)圖。 由圖6可知，當(dāng)橡膠粉摻量由1%增加至2.5%時(shí)，噪聲下降4.66%；當(dāng)滑石粉摻量由1.5%增加至4.5%時(shí)，噪聲下降1.96%；當(dāng)玻璃纖維摻量由0%增加至0.35%時(shí)，噪聲下降1.74%。HVE 超黏，磨耗層稀漿混合料的降噪性能隨橡膠粉摻量、滑石粉摻量和玻璃纖維摻量的增加均呈下降的趨勢(shì)。 橡膠粉摻量越多越好，降噪性能就越好，這主要是因?yàn)榛旌狭系淖枘犭S著橡膠粉摻量的增加而增大， 在路面受到撞擊時(shí)，阻尼便會(huì)將一部分能量消耗掉。 綜上可知，就降噪性能而言HVE 超黏， 磨耗層稀漿混合料的最優(yōu)配比為A4B4C4，即橡膠粉摻量為2.5%、滑石粉摻量為4.5%和玻璃纖維摻量為0.35%。

圖6 各因素的影響變化趨勢(shì)圖Fig.6 Influence change trend of the various factors

2.4 配比優(yōu)選確定

層次分析法[19]是一種把復(fù)雜問題中的各因素劃分成相關(guān)聯(lián)的有序?qū)哟危?并使之條理化的多因素、多水平?jīng)Q策方法，是定量分析的有效方法。 本研究以上研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)層次分析法，將測(cè)試結(jié)果分為3 層，第1 層為指標(biāo)層（1 h 磨耗值、車轍深度率、噪聲）；第2 層為因素層（橡膠粉摻量、滑石粉摻量、玻璃纖維摻量）；第3 層為水平層（水平1、水平2、水平3、水平4），由此可得出各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響權(quán)重，給出各因素的主次順序和最優(yōu)方案。由此計(jì)算了1 h 磨耗值、車轍深度率和噪聲的權(quán)重（Ω）和綜合影響權(quán)重（Ω），并分別采用式（1）和式（2）計(jì)算

計(jì)算結(jié)果如表12 和圖7 所示。 由表12 可知，在橡膠粉摻量4 個(gè)水平中，A4的綜合影響權(quán)重最大； 在滑石粉摻量4 個(gè)水平中，B4的綜合影響權(quán)重最大； 在玻璃纖維摻量4 個(gè)水平中，C4的綜合影響權(quán)重最大。 由圖7 可看出，3 個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的綜合影響權(quán)重總排序?yàn)椋篈（0.432 2）>C（0.335 8）>B（0.232 1）。HVE 超黏， 磨耗層稀漿混合料的最優(yōu)配比為A4B4C4，即橡膠粉摻量為2.5%，滑石粉摻量為4.5%和玻璃纖維摻量為0.35%。

圖7 各因素的綜合影響權(quán)重Fig.7 Comprehensive influence weight of each factor

表12 各因素的影響權(quán)重和綜合影響權(quán)重Tab.12 Influence weight and comprehensive influence weight of each factor

3 結(jié)論

本研究通過對(duì)HVE 超黏磨耗層稀漿混合料的耐磨性能、抗車轍性能與降噪性能進(jìn)行正交試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

1） HVE 超黏磨耗層稀漿混合料磨耗值的顯著性因素為玻璃纖維和橡膠粉，且玻璃纖維的顯著性大于橡膠粉，而滑石粉的影響并不顯著。 對(duì)于耐磨性能，最佳的組合是橡膠粉摻量為1.0%，滑石粉摻量為1.5%和玻璃纖維摻量為0%。

2） HVE 超黏磨耗層稀漿混合料抗車轍性能的顯著性因素是橡膠粉和玻璃纖維，且橡膠粉的顯著性大于玻璃纖維，而滑石粉的影響并不顯著。 對(duì)于抗車轍性能， 最佳的組合是橡膠粉摻量為1.0%，滑石粉摻量為1.5%和玻璃纖維摻量為0%。

3） HVE 超黏磨耗層稀漿混合料降噪性能的顯著性因素是橡膠粉和滑石粉，且橡膠粉的顯著性大于滑石粉，而玻璃纖維的影響并不明顯。 若只考慮提高降噪性能，則最佳的組合是橡膠粉摻量為2.5%， 滑石粉摻量為4.5%和玻璃纖維摻量為0.35%。

4） 通過對(duì)各因素采用層次分析法進(jìn)行指標(biāo)分析， 得到HVE 超黏磨耗層稀漿混合料配合比最佳用量為：橡膠粉摻量為2.5%，滑石粉摻量為4.5%和玻璃纖維摻量為0.35%。