椰子纤维沥青混合料路用性能试验研究

贺平

（海南省交通工程质量监督管理局）

0 引言

近年来，随着交通量的不断增大，重载车辆不断增多，普通沥青路面出现不同类别病害，包括车辙、裂缝、鼓包等。专家学者从不同方面研究，以解决路面病害的问题，特别是改性沥青混合料的应用，得到专家的普遍认可。

纤维改性沥青混合料在改性沥青路面中应用广泛。刘向杰[1]研究了玄武岩纤维对沥青混合料的影响，得出纤维掺量在0.3%时动稳定度达到峰值；郭寅川[2]等研究了在沥青混合料中掺入玻璃纤维对路用性能的影响，路面的高低温性能均得到提高；林钦国[3]等研究了聚酯纤维对提高沥青路面路用性能的效果，结果良好。但无机纤维与合成纤维的制作工艺复杂，经济成本较高，因此天然纤维逐渐得到人们的关注。李振霞[4]等研究了玉米秸秆纤维沥青混合料路用性能，并从微观层面分析了玉米秸秆纤维提高沥青混合料路用性能的原因；雷彤[5]等研究分析了棉秸秆纤维沥青混合料的性能，并以木质素纤维作对比，验证得到棉秸秆纤维与木质素纤维对混合料性能改善效果相当；覃峰[6]通过室内试验研究了蔗渣纤维在超薄面层的抗腐性能，证明了蔗渣纤维可以作为SMA 沥青混合料的纤维稳定剂。椰子纤维是椰子果实通过机械加工得到的副产品，具有韧性强、耐湿热、力学性能好等优点。近年来，有学者利用椰子纤维的优良特性，将其加入沥青混合料中进行研究分析。Aline[7]通过椰子纤维与纤维素纤维做对比，通过间接拉伸、弹性模量、疲劳寿命等实验，得出椰子纤维可用于SMA 沥青混合料中；Rean[8]通过研究椰子纤维改性沥青的流变学性能，通过剪切模量与相位角，得出椰子纤维改善了沥青的流变学性能。

为研究椰子纤维对沥青混合料路用性能的影响，本研究通过正交试验设计进行室内试验。室内试验为常规路用性能试验，包括车辙、低温弯曲、浸水马歇尔试验，分别分析椰子纤维对沥青路面高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性的影响。利用正交试验结果，通过极差分析，得出各响应变量的影响因素最佳搭配水平。

1 原材料与试验设计

1.1 原材料

⑴本次研究中沥青混合料使用70 号沥青，其测试结果如表1 所示。

表1 70 号沥青检测结果

⑵集料。所选用的粗、细集料均选用石灰岩，经试验测定其技术指标均符合技术要求。

⑶矿粉。为石灰岩磨细矿粉，技术指标符合要求。

⑷椰子纤维。其技术指标如表2 所示。

表2 椰子纤维技术指标

1.2 混合料级配设计

本次研究过程中选择AC-13 级配混合料。经过对集料的筛分，得出标准筛下各筛孔的通过率，见表3、图1。

图1 混合料级配曲线

表3 AC-13 级配

1.3 试验设计

为分析椰子纤维对沥青路面路用性能的影响，进行室内试验。根据相关文献[9-10]及工程经验，确定以椰子纤维掺量、椰子纤维长度、油石比为影响因素，在室内进行车辙、低温弯曲、浸水马歇尔试验，得到的动稳定度、最大弯拉应变、稳定度为因变量。每个自变量三个水平，设计正交试验。根据测得的因变量结果，选择最佳的自变量搭配水平。见表4。

表4 试验因素设计水平

2 试验结果分析

正交试验设计与分析[9]是目前最常用的工艺优化试验设计和分析方法，是部分因子设计的主要方法。根据正交试验，得到正交试验结果，见表5。

表5 正交试验结果

K1、K2、K3 分别表示各因素各水平下各个指标的平均值，R 表示极差，A、B、C 分别表示影响因素纤维掺量、纤维长度、油石比。一般情况下，以平均值的大小来反映同一因素不同水平对试验结果影响的大小，并以此确定该因素下的最佳水平，而极差则用于反映各因素对试验结果影响程度的大小。见表6。

表6 各因素各水平下各个指标的平均值以及极差

2.1 动稳定度

根据表6 分析各因素对动稳定度的影响可得，纤维长度影响最为显著，极差值R 为74.33 次/mm；其次为油石比，极差值R 为57.67 次/mm；影响最小的是纤维掺量，极差值R 为31.33 次/mm。各因素的主次顺序依次为纤维长度、油石比、纤维掺量。

由图2 可知，动稳定度随着纤维长度的增加先增大后减小，B2 即纤维长度为6mm 时，达到该因素下最佳水平。这是因为在相同的纤维掺量下，纤维长度过长或过短都会导致其分散不均匀，难以达到最佳水平。动稳定度随着油石比的增加先增大再减小，C2 即油石比以4.9%为最佳油石比。沥青混合料的油石比对动稳定度的影响很大，油石比从小增加至最佳油石比的过程中，混合料的动稳定度随之增加，这是因为油石比的增加增强了混合料间的粘结力和强度，当油石比超过最佳沥青用量后，随着沥青用量的增加，就会减小混合料间的摩阻力，自由沥青增多，动稳定度降低。动稳定度随着纤维掺量的增加先增大再减小，A2 即纤维掺量以0.3%为最佳掺量。这是由于少量的纤维掺入，其分散性好，本身与沥青也有很强的黏附能力，在混合料中也能起到加筋作用；另外，椰子纤维的吸油率达到7.8%，它会吸收沥青中的部分油份，沥青的软化点提高，粘聚力也增加，这些都导致混合料的高温稳定性提高。但一旦纤维掺入过量，就会导致分散性差，甚至可能结团成束，阻碍混合料间的粘结，降低其高温稳定性，因此动稳定度随着纤维掺量的增加会出现一个峰值。如果各因素均按最佳水平考虑，则得到的最佳搭配组合为A2B2C2，即最佳方式为纤维掺量0.3%，纤维长度6mm，油石比4.9%。

图2 动稳定度因素指标趋势图

2.2 最大弯拉应变

由表6 可知，在分析最大弯拉应变时，纤维长度的影响因素最显著，极差值R 为69με；其次为纤维掺量，极差值R 为51με；影响最小的是油石比，极差值R为47.67με。各因素影响的主次顺序依次为纤维长度、纤维掺量、油石比。

由图3 可以明显看出，最大弯拉应变随着纤维长度的增加先增大后减小，B2 即纤维长度为6mm 时，达到最大弯拉应变的最佳水平。一般而言，同直径的纤维，长度越短对裂缝的阻滞效应越明显，但也不能过短，这样会在裂缝处直接被拔出，因此纤维长度有一合适值，以达到效果最优。最大弯拉应变随着纤维掺量的增加先增大再减小，A2 即纤维掺量0.3%为最佳掺量。纤维具有吸水性，对沥青也有一定的吸收作用，而且与沥青共同包裹集料，使结构沥青占比增加，增大最佳沥青用量，在此情况下较高的沥青含量使混合料的低温延展性更好。另外，在混合料试件开裂时，横跨裂缝的纤维能够起到“加筋”作用，增加其极限强度、极限应变等，从而最大弯拉应变也得到提高。但当过量掺入纤维时，可能会结团成束，降低其对最大弯拉应变的增强效果。最大弯拉应变随着油石比的增加先增大再减小，C2 即油石比以4.9%为最佳油石比。主次因素都取最好水平，得到最佳组合搭配为A2B2C2，即最佳方式为纤维掺量0.3%，纤维长度6mm，油石比4.9%。

图3 最大弯拉应变因素指标趋势图

2.3 稳定度

由表6 可知，分析稳定度时，油石比的影响最为显著，极差值R 为0.66KN；纤维掺量和纤维长度的极差值一致，同为0.48KN，二者对稳定度的影响应非常接近。

由图4 可以明显看出，稳定度随着油石比的增加先增大再减小，C2 即油石比以4.9%为最佳油石比。随着纤维掺量、纤维长度的增加也呈现出先增加后减小的趋势，即A2 为最佳掺量，B2 为最佳长度。纤维用量不同，则其在混合料中的分散程度、对混合料的加强效果不尽相同。当掺入适量纤维后，由于纤维与沥青有较强的黏附作用，它与沥青一同包裹于集料表面，增加了结构沥青的薄膜厚度，又或者纤维间形成相互交错的纤维骨架网，需要结构沥青包裹，这些都增加了结构沥青的比例，使混合料性能得以改善。但纤维掺入一旦过量，纤维的分散性会很差，甚至可能出现结团成束现象，其加强效应就不明显。因此纤维掺入有合适剂量，并不是越多越好。各因素均按最佳水平考虑，得到的最佳搭配组合也为A2B2C2。

3 结论

⑴动稳定度以及最大弯拉应变的最显著影响因素均为纤维长度，其次要因素二者有差别。稳定度的最显著影响因素为油石比，纤维长度和纤维掺量对其影响程度相等。

⑵通过正交试验分析三种因素分别对动稳定度、最大弯拉应变以及稳定度的影响规律，可以得出纤维掺量、纤维长度以及油石比都有其对应的最佳值，过大或过小都会造成不利影响。

⑶通过椰子纤维对沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性的综合考虑，在选定影响因素范围内，当纤维掺量为0.3%、纤维长度为6mm、油石比为4.9%时，是椰子纤维沥青混合料的最佳搭配组合。