基于灰色關聯的高黏劑添加工藝研究

孫國慶，鄧稱意，歐開海

（深圳市市政設計研究院有限公司,廣東 深圳 518029）

基于灰色關聯的高黏劑添加工藝研究

孫國慶，鄧稱意，歐開海

（深圳市市政設計研究院有限公司,廣東 深圳 518029）

高黏劑拌合方式和拌合時間,對OGFC瀝青混合料的綜合性能的發揮有著重要影響,通過對不同添加工藝組合（高黏劑的添加方式以及拌和時間）下的Marshall指標和路用性能指標進行了室內試驗；應用數學的分析方法建立不同添加工藝組合的灰色關聯度,評價OGFC瀝青混合料綜合性能的優劣。研究表明:添加工藝組合對OGFC瀝青混合料的Marshall指標和路用性能指標均有顯著影響；運用基于綜合性能的灰色關聯分析,有利于克服單指標設計不能兼顧其它性能的缺陷,是一種簡單而有效的統計評價方法。

OGFC；高粘劑；灰色關聯；綜合性能

0 引言

2015年末全國公路總里程457.73萬km[1],隨著公路建設的大發展,不同的路面結構也在全國各地得到廣泛的應用,OGFC(Open-graded Friction Course,開級配瀝青混合料磨耗,)主要是能使路面保持良好的表面特性,減少濺水,減少水霧和眩光,提高雨中行車的安全性能,而發展起來的一種良好路面結構層[2]。

OGFC在廣泛應用的同時路面也存在著缺陷,由于混合料空隙率比較大,造成瀝青老化較嚴重,路面材料易松散、飛散,耐久性能差等問題[3],在實踐中我們選用高黏瀝青,提高瀝青混合料的抗老化能力和黏結力,減少路面出現嚴重掉粒、松散等病害[4]。瀝青混合料路用性能受高粘劑的添加方式和拌合時間的影響,為深入分析不同的添加方式和拌合時間對瀝青混合料的綜合性能的影響,本研究從高黏劑的添加、拌合時間兩方面入手,設計了6種工藝組合,測定不同工藝組合下瀝青混合料的綜合性能；借助灰色關聯理論計算不同工藝組合的灰色關聯度,對比評價不同工藝組合的優劣并推薦最佳的工藝組合。

1 原材料基本性質

石料采用輝綠巖,集料技術指標及級配見表1、表2。瀝青采用SBSI-D瀝青,其技術指標見表3。

表1 集料技術指標

表2 集料級配

表3 SBSI-D瀝青的技術指標

2 灰色關聯理論

2.1 基本原理

灰色關聯理論是中國著名學者鄧聚龍教授1982年創立的一門新興橫斷學科,它以“部分信息已知,部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”不確定性系統為研究對象,主要通過對“部分”已知信息的生成、開發、提取有價值的信息,實現對系統運行行為的正確認識和有效控制[5]。根據實際情況和預定目標來確定應采取的行動,便是決策,需要研究、解決的問題或需要處理的事物以及一個系統行為的現狀等稱為事件。灰色系統關聯度分析作為一種系統分析技術,是發展態勢的量化比較分析,通過計算目標值（參考數列）與影響因素（比較數列）的關聯度來評價局勢的優劣[5]。比起其它系統評價方法,如方差分析、回歸分析、主成分分析等,灰色關聯對樣本量的多少和樣本有無規律同樣適用,并且計算量小,非常方便,也不會出現量化結果與定性分析結果不符的情況?；疑P聯分析的基本思想是根據序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯系是否緊密,曲線越接近,關聯程度就越大[6]。

2.2 計算步驟

Steps1:確定事件集A={a1,a2,…,an}和對策集B={b1,b2,…,bm},構造局勢集S={Sij=(ai,bj)|ai?A, bj?B}；

Steps2:確定決策目標1,2,…,S；

Steps3:求不同局勢S（iji=1,2,…,n；j=1,2,…, m）在k目標下的效果值u（ij

k）

Steps4::求K目標下局勢效果序列u（k）的初值像仍記為

Steps5:由Steps4結果寫出局勢Sij的效果向量

Steps6:求理想最優效果向量

（2）當K目標效果值接近某一適中值u0為好時取

Steps7:計算灰色關聯度

3 高黏劑添加工藝組合及性能試驗結果分析

3.1 高黏劑添加工藝組合設計

為防止OGFC路面表面混合料的過早脫落、飛散而添加高黏劑,增加瀝青與集料之間的黏附性,提高瀝青的性能,改善瀝青混合料的高溫、低溫、水穩定、耐疲勞等性能。高黏劑的添加改變了混合料的生產工藝,高黏劑添加方式分為干拌和濕拌兩種,干拌和濕拌兩種方式以及拌合的時間不同都對瀝青混合料的綜合路用性能勢必有影響。為了更加深入分析高黏劑添加工藝組合對瀝青混合料路用性能的影響,本研究著重從以上兩方面入手,通過灰色關聯理論分析不同拌合工藝組合下的瀝青混合料路用性能的變化規律,并推薦最佳的添加工藝組合。以下通過高黏劑TPS分析為例。

（1）高黏劑添加方式

高黏劑的添加方式分干拌和濕拌兩種情況。采干拌時,將劑量好的TPS直接添加到混合料中,在高溫下通過拌合葉的攪拌使高黏劑均勻粘附于集料表面,然后再噴灑瀝青,再攪拌,配制成OGFC瀝青混合料；采濕拌時,是將劑量好的高黏劑添加到瀝青中,通過高速剪切設備使高黏劑均勻分散在瀝青中,拌合時直接將高黏瀝青噴灑于拌合樓中,通過拌合葉的攪拌均勻黏附于集料表面,配制成OGFC瀝青混合料。

（2）拌和時間

拌和時間是瀝青、TPS、骨料、礦粉均勻混溶的重要保證,是影響混合料性能的重要因素之一。本研究設定兩種添加方式拌合時間各為三種水平:一是在干拌時加入高黏劑TPS和噴灑瀝青與集料拌合時間有三種水平:20 s、30 s、40 s；二是濕拌時噴灑瀝青和集料拌合時間有三種水平10 s、15 s、20 s。

表4 試驗因素及水平

3.2 OGFC瀝青混合料性能試驗結果

對不同試驗方案的OGFC-13瀝青混合料（油石比為4.7%）進行馬歇爾試驗,測定其馬歇爾指標,包括毛體積相對密度γf、空隙率VV、馬歇爾穩定度MS、飛散質量損失；測定瀝青混合料的兩部分路用性能指標,主要是殘留穩定度、凍融劈裂強度比TSR、低溫彎曲破壞應變、動穩定度DS。試驗結果見表5。

表5 瀝青混合料的馬歇爾指標和路用性能指標

4 基于綜合路用性能的拌合工藝的灰色關聯分析

由OGFC瀝青混合料的馬歇爾指標及路用性能指標可知:當僅僅考慮單個指標時,就很直觀地確定最好的工藝組合,如獲得最低飛散質量損失的工藝組合為高粘劑濕拌、拌合時間為20 s,但該工藝組合下的其他路用指標就不見得很好；因此,我們無法直觀地確定最好的拌合工藝組合而獲得最優良的綜合性能。本研究借助灰色關聯理論優選出具有優良的綜合性能的拌合工藝組合。

以密度γf、MS、殘留穩定度、TSR、DS、低溫彎曲應變的最大值、飛散質量最小值以及VV、的中間值為目標值,采用灰色關聯理論分析,優選能獲得優良綜合路用性能的拌合工藝組合,計算過程如下:

Steps1:記不同工藝組合生產的OGFC瀝青混合料的路用性能多指標評價為事件a1,則事件集A={a1}；記試驗編號1的工藝組合為方案b1,2為b2,……,6為b6,則方案集B={b1,b2,b3,b4,b5,b6}。于是有局勢集:

Steps2:K目標下的局勢效果序列（初值像）U（K）（K=1,2,3,4…,8）:

●巴彥淖爾市臨河區圖克新勝村中度鹽堿土壤示范園區，使用硅谷功能肥，葵花出苗達到85%以上，畝產近600斤，創中度鹽堿地高產新紀錄，葵花品質大幅度提升。

U（1）=（2.129,2.135,2.137,2.142,2.124,2134）

U（2）=（20.2,19.9,19.8,19.5,20.1,19.9）

U（3）=（7.25,7.33,7.21,7.18,7.32,7.20）

U（4）=（9.6,9.3,8.8,7.9,7.6,7.4）

U（5）=（88.9,90.2,91.0,86.7,87.5,88.3）

U（6）=（82.2,84.7,86.1,85.8,87.4,88.2）

U（7）=（13 102.31,13 667.04,13 804.22, 12 897.58,13 488.93,13 921.06）

U（8）=（2 016.73,2 018.8,2 262.76,2 133.65, 2 385.92,2 397.31）

Steps3:以 ηk·μk作為 k目標下的局勢效果序列:

η1·μ1=（0.998 0,1.000 8,1.001 6,1.003 9,0.995 6, 1.0002）

η2·μ2=（1.015 1,1.000 0,0.995 0,0.979 9,1.010 1, 1.0000）

η3·μ3=（1.000 3,1.011 3,0.994 8,0.990 6,1.009 9, 0.9934）

η4·μ4=（1.438 4,1.102 8,1.043 5,0.936 8,0.901 2, 0.8775）

η5·μ5=（1.001 5,1.016 1,1.025 2,0.976 7,0.985 7, 0.9947）

η6·μ6=（0.958 8,0.9880,1.004 3,1.000 8,1.019 4, 1.0288）

η7·μ7=（0.972 0,1.0139,1.024 0,0.956 8,1.000 6, 1.0327）

η8·μ8=（0.915 6,0.916 6,1.027 3,0.968 7,1.083 3, 1.0884）

Steps4:計算局勢Sij的效果向量Uij（i=1；j=1,2,…,12）:

U11=（0.998 0,1.015 1,1.000 3,1.438 4,1.001 5, 0.958 8,0.972 0,0.915 6）

U12=（1.000 8,1.000 0,1.011 3,1.102 8,1.016 1, 0.988 0,1.013 9,0.916 6）

U13=（1.001 6,0.995 0,0.994 8,1.043 5,1.025 2, 1.004 3,1.024 0,1.027 3）

U14=（1.003 9,0.979 9,0.990 6,0.936 8,0.976 7, 1.000 8,0.956 8,0.968 7）

U15=（0.995 6,1.010 1,1.009 9,0.901 2,0.985 7, 1.019 4,1.000 6,1.083 3）

U16=（1.000 2,1.000 0,0.993 4,0.877 5,0.994 7, 1.028 8,1.032 7,1.088 4）

Steps5:確定理想最優效果向量:

以密度γf、MS、殘留穩定度、TSR、DS、低溫彎曲破壞應變的最大值,飛散質量最小值以及VV的中間值為最優值,最優效果向量如下:

Steps6:計算uij與的灰色絕對關聯度

ε11=0.795 0,ε12=0.932 0,ε13=0.928 5,ε14=0.861 5, ε15=0.997 2,ε16=0.977 0

按OGFC瀝青混合料的綜合性能的拌合工藝組合優劣排序為:

⑤＞⑥＞②＞③＞④＞①

可知將高黏劑先添加到瀝青中配制成高黏瀝青（濕拌）,再將高黏瀝青噴灑到拌合樓中拌合時間為15 s為最優的拌合工藝組合,此工藝組合生產出來的OGFC瀝青混合料的具有最優綜合性能；濕拌法更有助于高粘劑充分均勻分散于瀝青中,提高了瀝青與石料的黏附性,適當的拌合時間使黏結料和粗細集料間更均勻混溶,而不至于發生瀝青析漏和混合料離析狀況。

5 結語

（1）高黏劑的添加方式和拌合時間對OGFC瀝青混合料的Marshall指標及路用性能指標具有顯著的影響,濕拌法有助于高黏劑充分均勻分散于瀝青中,提高了瀝青與石料的黏附性。

（2）適當的拌合時間使瀝青與集料充分均勻接觸,而不發生離析,有助于提高OGFC瀝青混合料的綜合性能。

（3）運用基于綜合路用性能的灰色關聯分析,有利于克服單指標設計不能兼顧其它路用性能指標的缺陷,不失為一種簡單而有效的系統評價方法。

[1]交通運輸部.2015年交通運輸行業發展統計公報[Z].2016.

[2]曹東偉,劉清泉,唐國奇.排水瀝青路面[M].北京:人民交通出版社,2010.

[3]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社, 2006.

[4]張銳,黃曉明,侯曙光.新型瀝青添加劑TPS的性能[J].交通運輸工程學報,2006,6(4):36-40.

[5]溫惠英,徐建閩,傅惠.基于灰色關聯分析的路段行程時間卡爾曼濾波預測算法[J].華南理工大學學報(自然科學版),2006,34(9): 66-69,75.

[6]王鵬,曾凡奇,黃曉明.瀝青高溫性能指標的灰色關聯度分析[J].交通運輸工程學報,2006,6(3):32-36.

U414

A

1009-7716（2017）07-0240-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.074

2017-03-30

孫國慶（1985-）,男,山東菏澤人,工程師,從事道路工程設計、科研工作。