基于正交試驗(yàn)的纖維微表處降噪與耐久性能影響因素研究

呂 權(quán)，何連明，劉 偉，徐全威，何 婧，朱富萬(wàn)

(1. 甘肅省定西公路管理局，甘肅 定西 743000； 2. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112)

0 引 言

纖維微表處是由傳統(tǒng)微表處混合料中摻加高分子纖維材料發(fā)展而來(lái)?；旌狭现袚郊永w維能夠起到纏繞、固鎖等作用，能夠顯著改善微表處混合料的抗裂性能、黏附性能及綜合路用性能[1-2]。

相關(guān)研究表明，纖維摻量在0.1%～0.3%之間，纖維長(zhǎng)度在6 mm左右，能夠顯著改善微表處混合料的綜合路用性能，并且能夠防止混合料的離析。此外，纖維的摻入會(huì)提高約0.5%混合料的瀝青用量，同時(shí)降低混合料的可拌和時(shí)間[3-6]。

通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，考察礦料級(jí)配、改性乳化瀝青用量、纖維摻量3個(gè)因素對(duì)纖維微表處抗車轍、抗水損害與降噪性能的影響。

1 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1)改性乳化瀝青

改性乳化瀝青由2.5%乳化劑+5%SBR+90#基質(zhì)瀝青通過(guò)膠體磨制得，其各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 改性乳化瀝青指標(biāo)Table 1 Modified emulsified bitumen index

2)集料

試驗(yàn)所用集料為0～3、3～5、5～10 mm的玄武巖，各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表2，篩分結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 集料性能測(cè)試結(jié)果Table 2 Aggregate performance test results

表3 集料篩分結(jié)果Table 3 Screening results of aggregate

3)填料

礦粉的主要作用是改善礦料級(jí)配，水泥、消石灰等具有化學(xué)活性的填料的主要作用是調(diào)整稀漿混合料的可拌和時(shí)間、成漿狀態(tài)和成型速度等。筆者采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥和玄武巖礦粉作為填料。

4)纖維

所用纖維為高強(qiáng)度、易剪切，吸水量小且與瀝青粘附性好的玻璃纖維，有國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口兩種。纖維加入應(yīng)充分考慮其在微表處混合料中良好的分散性。如果分散不均勻，纖維在混合料中結(jié)團(tuán)，易導(dǎo)致纖維吸收較多的瀝青，從而使混合料中的瀝青分散不均勻，進(jìn)而影響混合料的路用耐久性能。纖維長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)微表處混合料性能產(chǎn)生影響。纖維太長(zhǎng)，不易分散；纖維太短，加筋效果差。筆者通過(guò)調(diào)研，將纖維的長(zhǎng)度定為6 mm[7-10]。國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口玻璃纖維主要性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口玻璃纖維性能指標(biāo)Table 4 Performance indicators for domestic and imported glass fiber

1.2 試驗(yàn)方法

通過(guò)測(cè)試微表處混合料的抗水損害性能、抗車轍性能對(duì)微表處混合料的耐久性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1)抗水損害性能

采用稀漿混合料濕輪磨耗試驗(yàn)進(jìn)行浸水1 h和6 d濕輪磨耗測(cè)試，用磨耗后單位面積的質(zhì)量損失率(WTAT)來(lái)評(píng)價(jià)其抗水損害性能。

2)抗車轍性能

采用我國(guó)稀漿混合料車轍變形試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以碾壓1 000次后的試件寬度變化率(PLD)來(lái)評(píng)價(jià)其抗車轍性能。

3)噪聲測(cè)試方法

考慮試驗(yàn)條件和可行性等因素，室內(nèi)噪聲檢測(cè)設(shè)備為噪聲頻譜分析儀，噪聲測(cè)試試件為濕輪磨耗試件。測(cè)試時(shí)將試件固定在試驗(yàn)臺(tái)上，確保試件在濕輪磨耗儀運(yùn)行過(guò)程中不發(fā)生相對(duì)位移從而產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦噪聲影響測(cè)試結(jié)果。為確保傳聲器附近無(wú)影響聲場(chǎng)的障礙物，測(cè)試人員盡可能遠(yuǎn)離儀器，站在不致影響儀器測(cè)量值的位置。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。傳聲器指向濕輪磨耗儀橡膠管磨耗頭。傳聲器至試驗(yàn)托盤(pán)水平距離為20 cm，如圖1。

圖1 噪聲測(cè)試裝置Fig. 1 Noise test device

2 級(jí)配與材料優(yōu)選

2.1 級(jí)配選擇

改善微表處路面的紋理，不僅可以降低輪胎、車體振動(dòng)引發(fā)的振動(dòng)噪聲，還可以通過(guò)豐富的表面紋理消散空氣壓力，使空氣泵吸噪聲降低，從而達(dá)到微表處路面的降噪目的。而影響微表處路面表面紋理的主要因素是微表處稀漿混合料礦料的級(jí)配組成，尤其是粗集料的配比及用量。因此筆者結(jié)合調(diào)研結(jié)果，對(duì)ISSA-3型級(jí)配進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，初步選定了4個(gè)調(diào)整級(jí)配(A、B、C、D)。

表5 級(jí)配A、B、C、D的礦料級(jí)配Table 5 Mineral aggregate gradation of A, B, C and D

2.2 材料優(yōu)選

首先設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)對(duì)國(guó)產(chǎn)纖維和進(jìn)口纖維進(jìn)行性能優(yōu)選，然后進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。纖維摻量選擇0.15%。纖維比選試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 摻加不同纖維的微表處路用性能對(duì)比Table 6 Comparison of road performance at micro surface withdifferent fibers

由表6可以看出，摻加進(jìn)口纖維的混合料擁有較好的抗車轍性能和抗水損害性能。由60 min的粘聚力結(jié)果可以預(yù)計(jì)摻加進(jìn)口纖維的混合料能更快的開(kāi)放交通。因此，選擇進(jìn)口纖維進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.3 水泥與水用量

水泥與水的主要作用是調(diào)整微表處混合料的可拌和時(shí)間、成漿狀態(tài)和成型速度等。筆者采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥，根據(jù)集料的試拌效果確定水泥用量為2%、用水量為8%。

3 混合料路用性能影響因素研究

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)調(diào)研，選擇4個(gè)級(jí)配(A、B、C、D)、4個(gè)纖維摻量(0%、0.1%、0.15%、0.2%)和4個(gè)改性乳化瀝青用量(9%、9.5%、10%、10.5%)，設(shè)計(jì)三因素四水平的正交試驗(yàn)，考察3個(gè)因素對(duì)微表處混合料耐久性(抗水損害性能、抗車轍性能)和噪聲的影響。

車轍變形試驗(yàn)、濕輪磨耗試驗(yàn)及噪聲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 車轍變形試驗(yàn)和濕輪磨耗試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Rut deformation test and wet wheel wear test results

3.2 極差分析

極差法可較方便直觀地確定主次因素的順序，分辨某一因素的較優(yōu)水平。極差分析結(jié)果見(jiàn)表8，各因素影響程度排名見(jiàn)表9。分析結(jié)果表明：纖維摻量是影響6 d磨耗值指標(biāo)的關(guān)鍵因素，級(jí)配是影響車轍變形率與噪聲的關(guān)鍵因素。

表8 極差分析結(jié)果Table 8 Range analysis results

表9 各因素影響程度排名Table 9 Ranking of factors influencing degree

3.3 方差分析

由于極差分析數(shù)據(jù)精度較低，不能找出擯棄因素，并且缺少用數(shù)據(jù)證明評(píng)價(jià)的置信概率，因此繼續(xù)采用方差分析方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.3.1 抗車轍性能

表10為抗車轍性能的方差分析結(jié)果。

表10 抗車轍性能方差分析Table 10 Variance analysis of anti-rutting performance

根據(jù)顯著性水平α=0.1和α=0.05，表示因素的自由度f(wàn)1(3)和試驗(yàn)誤差的自由度f(wàn)2(3+6)，查F檢驗(yàn)的臨界值表，得Fα分別為F0.05(3，9)=3.86Fc=1.1。

由此可見(jiàn)，級(jí)配在車轍試驗(yàn)中屬于特別顯著因素，即主要因素；纖維摻量屬于不顯著的次要因素。由不同級(jí)配的車轍變形均值可以看出，級(jí)配B和級(jí)配C具有較好的抗車轍性能。級(jí)配D中粗料最多，理論上抗車轍性能應(yīng)該最好，但從表中數(shù)據(jù)可以看出，級(jí)配D抗車轍性能最差。分析原因發(fā)現(xiàn)，由于級(jí)配D粗集料較多，細(xì)料少的級(jí)配特點(diǎn)使其礦料與瀝青的粘附性較差，導(dǎo)致其在車輪的反復(fù)碾壓下發(fā)生開(kāi)裂。

3.3.2 抗水損害性能

由不同纖維摻量的磨耗值可以看出，磨耗值隨纖維摻量的增加呈先降低后升高趨勢(shì)，說(shuō)明纖維可以提高微表處混合料抗水損害性能，但摻量不易過(guò)大。纖維摻量太大，纖維分散不均勻，在混合料中結(jié)團(tuán)導(dǎo)致纖維吸收較多的瀝青，從而使混合料中的瀝青分散不均勻，影響礦料與瀝青的粘附性，使礦料容易剝落，且容易在混合料表面形成纖維斑，這些纖維斑在進(jìn)行磨耗試驗(yàn)時(shí)極易被磨掉。

進(jìn)一步對(duì)磨耗值進(jìn)行方差分析，見(jiàn)表11。

表11 6 d濕輪磨耗方差分析Table 11 Variance analysis of 6 d wet wheel wear

根據(jù)顯著性水平α=0.1和α=0.05，表示因素的自由度f(wàn)1和試驗(yàn)誤差的自由度f(wàn)2，查F檢驗(yàn)的臨界值表，得Fα分別為F0.05(3，9)=3.86Fa=1.5。

由此可見(jiàn)，纖維摻量在磨耗試驗(yàn)中屬于特別顯著因素，即主要因素；級(jí)配屬于不顯著的次要因素。由不同纖維摻量的磨耗均值可以看出，最佳纖維摻量為0.1%。

3.3.3 室內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果及分析

表12為微表處噪聲的方差分析結(jié)果。

表12 噪聲測(cè)試結(jié)果方差分析Table 12 Variance analysis of noise test results

根據(jù)顯著性水平α=0.1和α=0.05，表示因素的自由度f(wàn)1和試驗(yàn)誤差的自由度f(wàn)2，查F檢驗(yàn)的臨界值表，得Fα分別為F0.1(3，9)=2.81>Fb=1.23和F0.05(3，9)=6.99

由此可見(jiàn)，級(jí)配在噪聲試驗(yàn)中屬于特別顯著因素，即主要因素；改性乳化瀝青用量屬于不顯著的次要因素。由不同級(jí)配的噪聲均值可以看出，3個(gè)調(diào)整級(jí)配均有降噪效果，級(jí)配D降噪效果最好。

4 結(jié) 論

1)摻加進(jìn)口纖維的混合料擁有較好的抗車轍性能和抗水損害性能。

2)針對(duì)車轍變形率指標(biāo)，級(jí)配屬于特別顯著因素，纖維摻量屬于不顯著的次要因素。由不同級(jí)配的車轍變形均值可以看出，級(jí)配B和級(jí)配C具有較好的抗車轍性能。

3)針對(duì)6 d磨耗值指標(biāo)，纖維摻量屬于特別顯著因素，即主要因素；級(jí)配屬于不顯著的次要因素。由不同纖維摻量的磨耗均值可以看出，最佳纖維摻量為0.1%。

4)針對(duì)噪聲指標(biāo)，級(jí)配屬于特別顯著因素，即主要因素；改性乳化瀝青用量屬于不顯著的次要因素。由不同級(jí)配的噪聲均值可以看出，3個(gè)調(diào)整級(jí)配均有降噪效果，級(jí)配D降噪效果最好。