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        基于正交設計的纖維對SMA-13 高溫穩(wěn)定性影響

        2020-11-24 06:21:52朱庚申
        山東交通科技 2020年5期
        關鍵詞:馬歇爾穩(wěn)定度木質素

        朱庚申

        (云南省設計院集團有限公司,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)的物理力學性能,目前為我國高等級公路上面層首選混合料類型[1]。盡管SMA 高溫穩(wěn)定性較好,但在我國南方地區(qū)或橋面鋪裝運用中,路面結構層溫度最高可達到70℃左右,這對SMA 的運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,對混合料瀝青膠漿性能提高具有關鍵作用。研究發(fā)現(xiàn),目前傳統(tǒng)使用的木質素纖維單獨使用時并不能有效抵擋惡劣運營環(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)定性的纖維復配方案對SMA 的運用具有較好的現(xiàn)實意義。研究擬以木質素纖維以及目前部分地區(qū)運用的玄武巖纖維、聚酯纖維為添加劑[5-7],通過正交設計,研究不同復配組合對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SMA-13 高溫穩(wěn)定性影響,研究選取3 種纖維進行試驗:木質素纖維、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,增強膠漿高溫穩(wěn)定性。

        研究表明,木質素纖維、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,但作用機理存在一定差異。木質素纖維作為目前最常用的纖維摻加劑,由于具有性能好、價格低的優(yōu)點受到廣泛應用,目前主要分為顆粒狀木質素纖維與絮狀木質素纖維。木質素纖維具有對瀝青吸附性能大的特點,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,由于制備原料特點其具備極強的物理力學性能,其中超過700℃以上的熔點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)狀結構,形成整體性好的瀝青膠漿,進而提高混合料高溫穩(wěn)定性。

        研究所用三種纖維主要技術指標見表1。

        表1 三種纖維主要技術指標

        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 改性瀝青主要技術指標見表2。

        表2 SBS 改性瀝青主要技術指標試驗結果

        試驗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。細集料采用石灰?guī)r機制砂,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%。相關集料主要技術指標見表3、表4,所有技術指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)相關要求。

        表3 玄武巖粗集料主要技術指標

        表4 石灰?guī)r細集料主要技術指標

        上面層采用SMA-13 混合料,根據(jù)上述各檔集料進行配合比設計,基于SMA-13 配合比設計經(jīng)驗,基本取中值進行摻配設計。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,最終確定合成級配見表5。

        表5 SMA-13 合成級配

        2 正交方案設計

        為了選取最合適的纖維摻配比例,對3 種纖維進行正交試驗設計。將3 種纖維設為3 個變量因素(分別設置為A、B、C),每個因素設置3 個變化水平,分別為混合料質量的0.1%、0.2%、0.3%。正交方案設計見表6。

        表6 纖維摻配正交方案設計

        對每個試驗水平分別進行馬歇爾穩(wěn)定度與高溫車轍試驗,其中為有效表征SMA-13 混合料高溫穩(wěn)定性,車轍試驗溫度條件選取為70℃。試驗完成后對正交試驗設計結果進行方差分析,了解各摻配比例對混合料高溫穩(wěn)定性影響規(guī)律,最終確定最佳的摻配方案。

        3 試驗結果與分析

        3.1 試驗結果

        按照正交設計方案進行混合料穩(wěn)定度試驗與車轍試驗,其中每個水平馬歇爾穩(wěn)定度試驗取3 個試件均值為最終試驗結果,車轍試驗取2 塊車轍板動穩(wěn)定度測試均值為最終試驗結果。所有方案試驗結果見表7。

        表7 各水平下穩(wěn)定度試驗與車轍試驗結果

        3.2 穩(wěn)定度

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

        3.3 動穩(wěn)定度

        (1)同穩(wěn)定度試驗結果一致,各復配比例下瀝青混合料動穩(wěn)定度均較單一0.3%木質素纖維混合料大,且在組合4 時(0.2%木質素纖維+0.1%玄武巖纖維+0.2%聚酯纖維)混合料動穩(wěn)定度達到最大。表明多種纖維復配使得各纖維作用形成優(yōu)勢互補,可以有效提高各纖維“加筋”作用,進而促進混合料高溫穩(wěn)定性提高。(2)當總摻量最大(組合9,總摻量為0.8%)時,瀝青混合料動穩(wěn)定度及馬歇爾穩(wěn)定劑并非最大,表明當纖維過量時會使自由瀝青被有效吸附完成后仍有纖維殘留,進而導致相互干擾,反而導致混合料高溫穩(wěn)定性降低。

        3.4 極差分析

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

        表8 不同纖維摻配混合料高溫穩(wěn)定性正交試驗極差分析

        通過極差分析可知:當木質素纖維、玄武巖纖維與聚酯纖維摻量分別為0.2%、0.2%、0.2% 時,SMA-13 混合料高溫穩(wěn)定性最佳,且馬歇爾穩(wěn)定度與動穩(wěn)定度結論一致。由于正交試驗設計未對該組合方案進行專門高溫穩(wěn)定性試驗,因此選取該組合方案進行馬歇爾穩(wěn)定度試驗與70℃車轍試驗。結果顯示,該組合摻配比例下SMA-13 馬歇爾穩(wěn)定度為15.24 kN,動穩(wěn)定度達到7 768 次/毫米,相較傳統(tǒng)0.3% 木質素纖維SMA-13 瀝青混合料,馬歇爾穩(wěn)定度與動穩(wěn)定度分別提高74%、78%。

        4 結語

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

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