基于正交设计的纤维对SMA-13 高温稳定性影响

朱庚申

（云南省设计院集团有限公司，云南 昆明 650228）

引言

SMA 全称沥青马蹄脂碎石混合料，由于具有较好的高温稳定性、较高的抗滑稳定性以及其它较优的物理力学性能，目前为我国高等级公路上面层首选混合料类型［1］。尽管SMA 高温稳定性较好，但在我国南方地区或桥面铺装运用中，路面结构层温度最高可达到70℃左右，这对SMA 的运用提出了更高的挑战［2-4］。纤维作为提高SMA 混合料高温稳定性的重要组成成分，对混合料沥青胶浆性能提高具有关键作用。研究发现，目前传统使用的木质素纤维单独使用时并不能有效抵挡恶劣运营环境。因此，就纤维添加剂而言，寻找可以有效提高SMA 混合料高温稳定性的纤维复配方案对SMA 的运用具有较好的现实意义。研究拟以木质素纤维以及目前部分地区运用的玄武岩纤维、聚酯纤维为添加剂［5-7］，通过正交设计，研究不同复配组合对SMA-13 高温稳定性影响，以遴选最优的组合方案。

1 原材料

1.1 纤维

为分析不同纤维配比对SMA-13 高温稳定性影响，研究选取3 种纤维进行试验：木质素纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维。纤维作为SMA 类混合料主要组成成分，其可以吸附过量的自由沥青形成沥青胶浆，可以有效减小混合料在荷载作用下变形，增强胶浆高温稳定性。

研究表明，木质素纤维、玄武岩纤维、聚酯纤维3 种纤维均可有效提高沥青混合料高温稳定性，但作用机理存在一定差异。木质素纤维作为目前最常用的纤维掺加剂，由于具有性能好、价格低的优点受到广泛应用，目前主要分为颗粒状木质素纤维与絮状木质素纤维。木质素纤维具有对沥青吸附性能大的特点，可吸附沥青形成沥青胶浆增大胶浆的黏韧性。玄武岩纤维由玄武岩碎石抽丝加工而成，由于制备原料特点其具备极强的物理力学性能，其中超过700℃以上的熔点使得沥青胶浆具有较好的高温抗变形能力。聚酯纤维可以更有效地与沥青形成多维网状结构，形成整体性好的沥青胶浆，进而提高混合料高温稳定性。

研究所用三种纤维主要技术指标见表1。

表1 三种纤维主要技术指标

1.2 沥青与集料

SMA-13 沥青混合料采用SBS 改性沥青，SBS 掺量为4%，SBS 改性沥青主要技术指标见表2。

表2 SBS 改性沥青主要技术指标试验结果

试验粗集料采用玄武岩集料，分为4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm 两档规格。细集料采用石灰岩机制砂，为0～2.36 mm 规格。矿粉采用石灰岩集料研磨制备而成，0.075 mm 通过率为91.3%。相关集料主要技术指标见表3、表4，所有技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）相关要求。

表3 玄武岩粗集料主要技术指标

表4 石灰岩细集料主要技术指标

上面层采用SMA-13 混合料，根据上述各档集料进行配合比设计，基于SMA-13 配合比设计经验，基本取中值进行掺配设计。各档集料具体掺配比例为9.5 ～13.2 mm ∶4.75 ～9.5m ∶0 ～2.36 mm：矿粉=48 ∶27 ∶17 ∶8，最终确定合成级配见表5。

表5 SMA-13 合成级配

2 正交方案设计

为了选取最合适的纤维掺配比例，对3 种纤维进行正交试验设计。将3 种纤维设为3 个变量因素（分别设置为A、B、C），每个因素设置3 个变化水平，分别为混合料质量的0.1%、0.2%、0.3%。正交方案设计见表6。

表6 纤维掺配正交方案设计

对每个试验水平分别进行马歇尔稳定度与高温车辙试验，其中为有效表征SMA-13 混合料高温稳定性，车辙试验温度条件选取为70℃。试验完成后对正交试验设计结果进行方差分析，了解各掺配比例对混合料高温稳定性影响规律，最终确定最佳的掺配方案。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

按照正交设计方案进行混合料稳定度试验与车辙试验，其中每个水平马歇尔稳定度试验取3 个试件均值为最终试验结果，车辙试验取2 块车辙板动稳定度测试均值为最终试验结果。所有方案试验结果见表7。

表7 各水平下稳定度试验与车辙试验结果

3.2 稳定度

（1）各复配比例下沥青混合料马歇尔稳定度均较单一0.3%木质素纤维混合料大，且流值较单一0.3%木质素纤维混合料小。表明3 种纤维复配后，马歇尔稳定度均得到一定提高。所有复配比例中，组合4，即0.2%木质素纤维+0.1%玄武岩纤维+0.2%聚酯纤维复配掺量混合料马歇尔稳定度最大；组合5，即0.2%木质素纤维+0.2%玄武岩纤维+0.3%聚酯纤维复配掺量混合料流值最小。同时可发现，稳定度与流值并没有显著的线性关系，因此进行马歇尔稳定度试验分析时，应以马歇尔稳定度值结果分析为准。

3.3 动稳定度

（1）同稳定度试验结果一致，各复配比例下沥青混合料动稳定度均较单一0.3%木质素纤维混合料大，且在组合4 时（0.2%木质素纤维+0.1%玄武岩纤维+0.2%聚酯纤维）混合料动稳定度达到最大。表明多种纤维复配使得各纤维作用形成优势互补，可以有效提高各纤维“加筋”作用，进而促进混合料高温稳定性提高。（2）当总掺量最大（组合9，总掺量为0.8%）时，沥青混合料动稳定度及马歇尔稳定剂并非最大，表明当纤维过量时会使自由沥青被有效吸附完成后仍有纤维残留，进而导致相互干扰，反而导致混合料高温稳定性降低。

3.4 极差分析

（1）分别对各因素各水平所有试验值进行均值计算，标记为Ki。（2）计算出单一因素下不同水平之间的极差，标记为R。（3）遴选最佳组合：选取出单一因素下不同水平测试结果最大值（即Ki最大值），将各因素最大测试值水平进行组合，该组合即为最优组合方案。对各水平下稳定度试验与车辙试验结果进行极差分析，Ki与极差值R 计算见表8。

表8 不同纤维掺配混合料高温稳定性正交试验极差分析

通过极差分析可知：当木质素纤维、玄武岩纤维与聚酯纤维掺量分别为0.2%、0.2%、0.2% 时，SMA-13 混合料高温稳定性最佳，且马歇尔稳定度与动稳定度结论一致。由于正交试验设计未对该组合方案进行专门高温稳定性试验，因此选取该组合方案进行马歇尔稳定度试验与70℃车辙试验。结果显示，该组合掺配比例下SMA-13 马歇尔稳定度为15.24 kN，动稳定度达到7 768 次/毫米，相较传统0.3% 木质素纤维SMA-13 沥青混合料，马歇尔稳定度与动稳定度分别提高74%、78%。

4 结语

（1）马歇尔稳定度与车辙试验均表明，各复配比例下沥青混合料动稳定度均较单一0.3%木质素纤维混合料大，且在组合4 时（0.2%木质素纤维+0.1%玄武岩纤维+0.2% 聚酯纤维）混合料动稳定度达到最大。（2）当纤维过量时会使自由沥青被有效吸附完成后仍有纤维残留，进而导致相互干扰，反而导致混合料高温稳定性降低。（3）当木质素纤维、玄武岩纤维与聚酯纤维掺量分别为0.2%、0.2%、0.2%时，SMA-13 混合料高温稳定性最佳，相较传统0.3%木质素纤维SMA-13 沥青混合料，马歇尔稳定度与动稳定度分别提高74%、78%。