王端宜，李慢飛

（華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510641）

0 引 言

經(jīng)過道路行業(yè)的多年努力，我國路面結(jié)構(gòu)承載能力不足的問題已基本得到解決。在高溫潮濕地區(qū)，路面抗滑性能快速衰減等表面功能問題正在成為道路行業(yè)新的挑戰(zhàn)，特別是隧道路面問題更加嚴(yán)重[1]。厚度3～5 mm 的水泥基抗滑涂層，由于價(jià)格便宜和施工簡(jiǎn)便，近年來得到越來越多的關(guān)注[2-4]。然而，已有的養(yǎng)護(hù)維修工程表明，由于水泥作為主要的膠凝材料，其收縮變形大[5]，導(dǎo)致抗滑涂層易開裂[6]、磨耗耐久性差[7]，易脫落、壽命短[2]。因此，開發(fā)高性能和長(zhǎng)壽命的改性水泥基抗滑涂層材料具有重大意義。

為了克服傳統(tǒng)普通水泥砂漿的缺陷，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量材料試驗(yàn)與研究，如摻加水性環(huán)氧樹脂[8]、聚醋酸乙烯[9]以提高普通水泥砂漿的粘結(jié)性能，摻加聚丙烯纖維[10]、玄武巖纖維[11]、玻璃纖維[12]、聚乙烯醇纖維[13]以提高普通水泥砂漿的抗裂性能，摻加丁苯膠乳[14]、氯丁膠乳[15]、丁二烯-苯乙烯共聚乳液[16]等以提高普通水泥砂漿的耐磨耗性能，取得了一定的工程效果。然而，以往單因素試驗(yàn)針對(duì)單一材料性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，無法對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行交互作用分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[17]，難以得到理想的工程最佳配比。鑒于此，本文針對(duì)水泥的工程特性以及抗滑涂層的工程要求，從提高普通水泥砂漿粘結(jié)強(qiáng)度、抗開裂性能、耐磨耗性能3 個(gè)目標(biāo)出發(fā)，根據(jù)Box-Behnken 原理[18]，利用響應(yīng)面法對(duì)涂層砂漿進(jìn)行路用性能優(yōu)化。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

（1）基礎(chǔ)材料

水泥：廣州珠江牌P·O42.5R 水泥，其主要技術(shù)性能見表1；砂：金剛砂，36 目；消泡劑：磷酸三丁酯，佛山京旗化工公司，有效物質(zhì)含量99%；水：自來水。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

（2）比選材料

聚合物：深圳吉田化工公司生產(chǎn)，水性環(huán)氧樹脂、丁苯膠乳（SBR）、氯丁膠乳（CRL），聚合物的主要技術(shù)性能見表2、表3；纖維：玻璃纖維（GF 纖維）、聚乙烯醇纖維（PVA 纖維）、玄武巖纖維（BF 纖維），武漢中鼎纖維公司生產(chǎn)，纖維的主要技術(shù)性能見表4。

表2 水性環(huán)氧樹脂的主要技術(shù)性能

表3 膠乳的主要技術(shù)性能

表4 纖維的主要技術(shù)性能

1.2 性能測(cè)試方法

（1）粘結(jié)性能測(cè)試

采用人工拌合方式，在潔凈、平整的舊水泥混凝土路面上攤鋪厚3 mm、直徑96 mm 的涂層材料。每組4 個(gè)平行試件，在自然條件下養(yǎng)護(hù)7 d 后測(cè)試?yán)螐?qiáng)度。拉拔強(qiáng)度按式（1）計(jì)算：

（3）耐磨性試驗(yàn)

成型厚度為3 mm 的水泥砂漿試件，在常溫常濕條件下養(yǎng)護(hù)7 d 后置于在60 ℃的烘箱中烘干至恒重，稱取試件的初始質(zhì)量m0，浸水1 h 后進(jìn)行磨耗測(cè)試，測(cè)試完成后置于60 ℃烘箱中烘干至恒重，稱取質(zhì)量m1。磨耗值試驗(yàn)參照《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》[20]進(jìn)行，按式（3）計(jì)算：

式中：WTAT——砂漿的磨耗值，g/m2；

m0——磨耗前試件的質(zhì)量，g；

m1——磨耗后試件的質(zhì)量，g；

A——磨耗頭膠管的磨耗面積，m2。

1.3 試驗(yàn)方案

（1）單因素試驗(yàn)方案

選擇砂漿基礎(chǔ)配合比為：m（水泥）∶m（砂）∶m（水）=100∶150∶32，在基礎(chǔ)配合比的基礎(chǔ)上分別摻入3 種聚合物進(jìn)行以拉拔強(qiáng)度為指標(biāo)的材料比選。然后分別摻入3 種纖維進(jìn)行以開裂指數(shù)為指標(biāo)的材料比選。在確定其中一種最佳聚合物和纖維后，再分別摻加余下的2 種聚合物，進(jìn)行以磨耗值為指標(biāo)的材料比選。

（2）基于Box-Behnken 方法的響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案

根據(jù)單因素試驗(yàn)確定的最佳材料類型，對(duì)拉拔強(qiáng)度、開裂指數(shù)、磨耗值進(jìn)行三因素三水平綜合試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 高粘結(jié)性材料的確定

在基礎(chǔ)配合比的基礎(chǔ)上，分別摻入不同摻量的水性環(huán)氧樹脂、SBR 膠乳、CRL 膠乳，測(cè)試抗滑涂層材料的7 d 拉拔強(qiáng)度，摻量按聚合物的有效成分占水泥質(zhì)量百分比計(jì)，測(cè)試結(jié)果見圖1。

圖1 聚合物及其摻量對(duì)抗滑涂層材料拉拔強(qiáng)度的影響

由圖1 可知：3 種聚合物砂漿的拉拔強(qiáng)度均隨著聚合物摻量的增加而提高；3 種聚合物對(duì)砂漿粘結(jié)性能的提升顯著性大小依次為水性環(huán)氧樹脂>SBR 膠乳>CRL 膠乳。其中以摻加14%水性環(huán)氧樹脂砂漿的拉拔強(qiáng)度最高。

2.1.2 高抗裂性材料的確定

在摻加14%水性環(huán)氧樹脂配比的基礎(chǔ)上，再分別摻入BF纖維、GF 纖維、PVA 纖維，在自然條件下養(yǎng)護(hù)7 d 后進(jìn)行開裂指數(shù)測(cè)試，纖維摻量按纖維占水泥的質(zhì)量百分比計(jì)，測(cè)試結(jié)果見圖2。

圖2 纖維及其摻量對(duì)抗滑涂層材料開裂指數(shù)的影響

由圖2 可知：3 種聚合物砂漿的開裂指數(shù)均隨纖維摻量的增加而減??；3 種纖維對(duì)裂縫的抑制顯著性大小依次為：PVA 纖維>GF 纖維>BF 纖維。但當(dāng)PVA 纖維摻量為1.6%時(shí)，聚合物砂漿的流動(dòng)性較差，因此選擇摻加1.2%的PVA 纖維以提高砂漿的抗裂性能。

2.1.3 高耐磨性材料的確定

在摻加14%水性環(huán)氧樹脂和1.2%PVA 纖維配比的基礎(chǔ)上，再分別摻入SBR 膠乳、CRL 膠乳進(jìn)行磨耗值測(cè)試，結(jié)果見圖3。

由圖3 可知，2 種纖維聚合物砂漿的磨耗值均隨膠乳摻量的增加而減??；SBR 膠乳和CRL 膠乳對(duì)砂漿耐磨耗性能的提升顯著性大小為：SBR 膠乳>CRL 膠乳。因此，選擇摻加14%的SBR 膠乳以提高纖維聚合物砂漿的耐磨性。

圖3 膠乳及其摻量對(duì)抗滑涂層材料磨耗值的影響

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及測(cè)試結(jié)果見表5，方差分析見表6。

表5 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及測(cè)試結(jié)果

表6 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

2.2.1 拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)表5 的拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，Design Expert12 擬合出的二次多項(xiàng)式如式（4）所示：

根據(jù)表6 的拉拔強(qiáng)度方差分析可知，拉拔強(qiáng)度模型P 值小于0.01，表明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，模型失擬項(xiàng)P 值大于0.05，表明該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的誤差較小。二次多項(xiàng)式回歸方程式（4）的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)實(shí)際值決定系數(shù)R2=0.9564，表示該回歸方程能反映出95.6%的響應(yīng)值變化，調(diào)整后的決定系數(shù)R2Adj=0.8945，表示經(jīng)過樣本量修正后預(yù)測(cè)值與實(shí)際值仍具有良好的擬合度。

表6 中一次項(xiàng)A、B、C 的P 值均小于0.05，表明A、B、C對(duì)RP的影響具有較為顯著的線性效應(yīng)，交互項(xiàng)AB 的P 值小于0.05，表明A 和B 因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)RP存在顯著的交互作用。圖4 為因素交互作用對(duì)拉拔強(qiáng)度的影響。

圖4 因素交互作用對(duì)拉拔強(qiáng)度的影響

由圖4 的陡峭程度可知，各因素對(duì)RP提升顯著性大小依次為A>B>C。

2.2.2 開裂指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)表5 的開裂指數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Design Exper12 擬合出的二次多項(xiàng)式如式（5）所示：

CI=f2（A，B，C）=92.03-8.19A-23.78B-55.81C+8.42AB+5.65AC+2.73BC-47.27A2-14.89B2+17.58C2（5）

根據(jù)表6 的開裂指數(shù)方差分析P 值小于0.01，表明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，模型失擬項(xiàng)P 值大于0.05，表明該試驗(yàn)產(chǎn)生的誤差較小。模型的決定系數(shù)R2=0.9912，表示該回歸方程能反映出99.12%的響應(yīng)值變化，調(diào)整后的決定系數(shù)R2Adj=0.9754，表示經(jīng)過樣本量修正后實(shí)際值與預(yù)測(cè)值仍具有良好的擬合度。

表6 中一次項(xiàng)A、B、C 的P 值均小于0.05，表明A、B、C對(duì)CI 的影響具有較為顯著的線性效應(yīng)，交互項(xiàng)AB、AC、BC的P 值均大于0.05，表明A、B、C 三者不存在兩兩交互作用。圖5 為因素交互作用對(duì)開裂指數(shù)的影響。

圖5 因素交互作用對(duì)開裂指數(shù)的影響

由圖5 的陡峭程度可知，各因素對(duì)CI 顯著性影響大小依次為C>B>A。

2.2.3 磨耗值試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)表5 的磨耗值試驗(yàn)結(jié)果，Design Expert12 擬合出的二次多項(xiàng)式如式（6）所示：

WTAT=f3（A，B，C）=15.59-4.15A-8.16B+4.30C+6.54AB-

根據(jù)表6 的磨耗值方差分析，P 值小于0.01，表明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，模型失擬項(xiàng)P 值大于0.05，表明該試驗(yàn)產(chǎn)生的誤差較小。模型的決定系數(shù)R2=0.9658，表示該模型能反映出96.58%的響應(yīng)值變化，調(diào)整后的決定系數(shù)R2Adj=0.9042，表示經(jīng)過樣本量修正后實(shí)際值與預(yù)測(cè)值仍具有良好的擬合度。

表6 中一次項(xiàng)A、B、C 的P 值均小于0.05，表明A、B、C對(duì)磨耗值具有較為顯著的線性影響效應(yīng)，交互項(xiàng)AB、AC 的P值小于0.05，表明A 和B 因素、A 和C 因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)磨耗值存在顯著的交互作用。圖6 為因素交互作用對(duì)磨耗值的影響。

圖6 因素交互作用對(duì)磨耗值的影響

根據(jù)圖6 的陡峭程度可知，各因素對(duì)磨耗值的提升顯著性大小依次為B>A>C。

2.3 最佳配比條件的確定和試驗(yàn)驗(yàn)證

當(dāng)水性環(huán)氧樹脂摻量為8%、SBR 膠乳摻量為13.72%、PVA 纖維摻量為1.13%時(shí)，模型計(jì)算的拉拔強(qiáng)度為0.69 MPa、開裂指數(shù)為0、磨耗值為21.04 g/m2?？紤]到實(shí)際操作的便利，模型驗(yàn)證試驗(yàn)確定的優(yōu)化條件為：水性環(huán)氧樹脂摻量8%、SBR膠乳摻量13.7%、PVA 纖維摻量1.1%，重復(fù)3 次驗(yàn)證試驗(yàn)后得到抗滑涂層材料的拉拔強(qiáng)度為0.70 MPa，開裂指數(shù)為0，磨耗值為21.71 g/m2。其拉拔強(qiáng)度相對(duì)于水性環(huán)氧樹脂低摻量（8%）時(shí)提高了80.8%，早期開裂消除，磨耗值相對(duì)于低SBR摻量（8%）時(shí)減小了60%。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，模型（回歸方程）預(yù)測(cè)值可以與試驗(yàn)值很好地吻合。

3 結(jié) 論

（1）在單因素試驗(yàn)中，水性環(huán)氧樹脂對(duì)砂漿的粘結(jié)性能提升效果最明顯，PVA 纖維對(duì)砂漿的早期抗裂性效果最好，SBR膠乳對(duì)砂漿的耐磨性能提升效果較顯著。

（2）在響應(yīng)面設(shè)計(jì)中，對(duì)于粘結(jié)性能，3 種聚合物對(duì)砂漿的拉拔強(qiáng)度的提升顯著性依次為：水性環(huán)氧樹脂>SBR 膠乳>PVA 纖維，且水性環(huán)氧樹脂和SBR 膠乳存在顯著的交互作用；對(duì)于抗裂性能，3 種改性材料對(duì)砂漿開裂指數(shù)的提升顯著性依次為：PVA 纖維>SBR 膠乳>水性環(huán)氧樹脂；對(duì)于耐磨性能，3 種聚合物對(duì)砂漿磨耗值的提升顯著性依次為：SBR 膠乳>水性環(huán)氧樹脂>PVA 纖維，且水性環(huán)氧樹脂與SBR 膠乳、水性環(huán)氧樹脂與PVA 纖維存在交互作用。

（3）在基礎(chǔ)水泥砂漿的基礎(chǔ)上，以拉拔強(qiáng)度、抗裂和耐磨耗性能為優(yōu)化目標(biāo)得到的水泥砂漿改性材料的最佳摻量為：水性環(huán)氧樹脂摻量8%、SBR 膠乳摻量13.7%、PVA 纖維摻量1.1%。在該條件下抗滑涂層材料的實(shí)測(cè)值為：拉拔強(qiáng)度0.70 MPa，開裂指數(shù)0，磨耗值21.71 g/m2。其拉拔強(qiáng)度相對(duì)于水性環(huán)氧樹脂低摻量（8%）時(shí)提高了80.8%，早期開裂消除，磨耗值相對(duì)于低SBR 摻量（8%）時(shí)減小了60%。