基于正交試驗層次分析法的橡膠瀝青生產工藝參數研究

李士才

（中鐵十六局集團第一工程有限公司 北京 101300）

1 引言

銀百高速公路（G69）甜水堡經慶城至永和段主線路面結構主要采用半剛性基層瀝青路面，但是半剛性基層瀝青路面容易在路面服役期間產生基層反射裂縫，導致路面服役壽命降低，因此采用加鋪應力吸收層這一方式來緩解和防治反射裂縫。近年來，隨著橡膠瀝青的推廣應用，半剛性基層瀝青路面逐漸開始采用橡膠瀝青鋪設應力吸收層。相比其他改性瀝青，橡膠瀝青具有應力吸收能力好、施工設備簡單等優點。橡膠瀝青的生產方式包括“干法”和“濕法”兩種，相比之下干法工藝生產的橡膠瀝青穩定性差，因此多采用濕法工藝生產［1］。濕法生產工藝參數主要包括膠粉與瀝青的拌和時間、拌和溫度、橡膠粉粒徑大小及摻量。因此，為生產得到相對較好的橡膠瀝青就需要對各參數進行分析優選，評價各因素的主次。

經過多年的發展，濕法生產工藝已取得顯著的成果，對于濕法生產工藝參數，Bahia等［2］通過研究發現膠粉的種類及來源對所生產的橡膠瀝青性能影響不大，其性能主要受其他因素的交互作用影響。Ragab等［3］采用高效凝膠色譜法對橡膠瀝青細觀結構進行表征，研究發現生產橡膠瀝青時的溫度、時間和攪拌速率是影響橡膠瀝青細觀結構的主要因素。曹衛東等［4］使用不同車輛的輪胎生產橡膠瀝青研究發現，隨著膠粉的摻量增加，橡膠瀝青低溫條件下延度降低，軟化點越高。李小成［5］采用高速剪切的方法制備橡膠瀝青，并對其常規指標進行測試，發現膠粉的粒徑越小，其性能越好。何立平等［6］通過試驗確定了橡膠瀝青制備時最合理的膠粉摻量為20%～25%，在180℃的溫度條件下需攪拌30～60 min。張苛等［7］研究發現，在攪拌溫度為190℃左右時，40～60目的膠粉最佳摻量為18%～20%，經高速剪切1 h后得到的橡膠瀝青其性能較好。可以看出，現有研究雖然在橡膠瀝青的生產制備的工藝和參數上有所積累，但是鮮有研究能從統計學的角度對現場生產的橡膠瀝青的質量進行綜合評價，并研究各個參數在橡膠瀝青生產過程中的關聯性與耦合作用。

本研究采用常溫生產工藝制備膠粉，利用四因素三水平的正交試驗層次分析方法，以橡膠瀝青的粘度、車轍因子和失效溫度的變化為評價指標，通過研究膠粉摻量、攪拌速率、攪拌溫度和攪拌時間4個因素，確定各因素對試驗指標的影響權重。并基于總權重矩陣，確定適用于現場生產橡膠瀝青的最佳生產工藝參數組合，以期指導生產，提升橡膠瀝青質量。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

（1）瀝青

選用基質瀝青為克煉90＃，符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）［8］，主要技術指標如表1所示。

表1 基質瀝青主要技術指標

（2）膠粉

選用40目膠粉由甘肅宏裕森環保科技有限責任公司提供，其技術指標滿足《硫化橡膠粉》（GB/T 19208—2008）［9］規范要求，其測試結果如表2所示。

表2 橡膠粉的物理及化學技術指標

2.2 試驗方法

（1）橡膠瀝青制備

制備橡膠瀝青時采用恒溫磁力加熱攪拌器，其規格為轉速0～5 000 r/min，溫度控制精度 ±0.5℃。首先在反應容器中加入500 g的基質瀝青，并在150℃條件下保溫60 min，之后將溫度調節至略高于反應溫度，防止加入膠粉后基質瀝青溫度下降。然后緩慢加入膠粉并進行攪拌，攪拌器攪拌速率逐級調整至試驗反應速率，待攪拌達到預定時間時，將制備好的橡膠瀝青倒入專門的瀝青存放桶中保存，放置24 h之后進行性能測試。

（2）橡膠瀝青粘度測試

瀝青粘度采用布氏旋轉粘度計（Brookfield viscometer）進行測試，其原理是通過測定在一定溫度條件下使浸沒在瀝青中的轉子保持一定轉速所需的扭矩來確定瀝青的布氏粘度，其工作原理如圖1所示。測試時采用27＃轉子，瀝青試樣 12.5 g，轉速 20 rad/min，每組3次平行試驗，保證儀器所測得扭矩在10%～98%之間［10］。

圖1 布氏粘度儀原理

（3）橡膠瀝青流變試驗

為了對橡膠瀝青進行評價，采用動態剪切流變儀（DSR）對其流變性能指標進行測試，作為后期層次分析時的評價指標。根據國內部分試驗結果，發現為了降低較大膠粉顆粒對試驗結果造成的誤差，部分文獻將儀器振蕩板的間隙調至2 mm，但由于本次試驗采用膠粉顆粒較小（40目），所以在試驗中仍保持振蕩板間距為1 mm。

3 正交試驗

3.1 正交試驗設計

針對多因素多水平試驗，為了合理地減少試驗量，根據正交性從全面試驗中挑選出均勻分散、齊整可比的點，實現以最少的試驗次數達到和全面試驗等效的結果。文中研究膠粉摻量、攪拌速率、拌和溫度和時間4個因素對橡膠瀝青粘度的影響，每個因素選擇3水平，不考慮各因素間的交互作用影響，因此選擇L9（34）正交試驗表（見表3）。

表3 L9（34）正交表

3.2 層次分析法

對于多指標正交試驗問題，相比直觀分析法和方差分析法，層次分析法的計算量較小，計算簡單，可以快速得出最優方案和影響因素的主次［11］。層次分析模型是依據正交試驗結構而建立的一個三層結構模型，如圖2所示。依據結構模型，分別建立對應的指標層矩陣、因素層矩陣和水平層矩陣。

（1）指標層矩陣建立

假定正交試驗中有n個因素，m個水平，則因素Aij的第j個水平上的試驗指標平均值為kij，若期望目標試驗結果越大越好，則令Nij＝kij，反之當目標試驗結果越小越好時，令Nij＝1/kij，最終建立矩陣N如式（1）所示。

（2）因素層矩陣建立

主要是對指標層矩陣進行歸一化，其與指標層矩陣的乘積也稱為水平標準影響效應矩陣，矩陣Y如式（2）所示。

（3）水平層矩陣建立

因素Ai的極差Ri稱為因素Ai對試驗結果的影響矩陣，水平層矩陣S為各因素對試驗結果的影響權重矩陣，如式（3）所示。

最后計算影響試驗指標的權矩陣Q＝NYS，得到各因素各水平對試驗結果指標影響的權重，同時可用其來選擇最優方案和影響因素的主次。

3.3 正交試驗結果與分析

根據既有經驗和研究，選擇4種因素的不同水平，其次確定橡膠瀝青的評價指標，分別為粘度、車轍因子和失效溫度，其指標值均為越大越好。其中根據文獻資料，認為粘度是評價橡膠瀝青性能的核心指標，對橡膠瀝青的生產和施工起著重要的控制作用［12］。車轍因子和失效溫度主要用來評價橡膠瀝青的高溫性能［13］。試驗測得各指標結果如表4所示。

表4 試驗結果

根據試驗數據分別計算每個試驗指標的權矩陣，記為 Q1、Q2、Q3，其結果為：

不難看出，單純考慮某一指標并不能得到最優的工藝參數。當以粘度為單一指標時，最優方案為A3B1C2D3；當以車轍因子為單一指標時，最優方案為A3B3C1D3；當以失效溫度為單一指標時，最優方案為A3B2C3D2。因此需要計算3個指標的總權矩陣Q來做最終的評價，總權矩陣Q為3個指標權矩陣之和的平均值。

通過計算可知，3種膠粉摻量對試驗結果的影響權重分別為 0.160、0.214、0.393，摻量為 20%時，權重最大；此外當攪拌速率為2 000 r/min和3 000 r/min時權重相同，考慮經濟因素，選擇攪拌速率為2 000 r/min，同理攪拌時間選擇60 min；當攪拌溫度為190℃時，溫度因素中所占權重最大。由此可以得到橡膠瀝青的最佳生產工藝參數為膠粉摻量 20%，攪拌速率 2 000 r/min，攪拌溫度190℃，攪拌時間60 min。此外不難發現4種因素中膠粉摻量對試驗指標的影響最大，其次是攪拌速率、攪拌溫度和攪拌時間，同時發現對于所選的3個指標，攪拌速率和時間對粘度的權重最小。

4 現場生產驗證及效益評價

4.1 橡膠瀝青生產

首先向溶脹罐內加入基質瀝青并加熱，根據計算的溶脹罐內應加入基質瀝青的數量，將瀝青儲存罐中的熱基質瀝青泵送至溶脹罐內，溶脹罐內的瀝青加熱器將基質瀝青加熱至190℃。

再向溶脹罐內添加膠粉，待溶脹罐內的基質瀝青加熱至設定溫度后，通過膠粉添加裝置將膠粉加入到溶脹罐內。為保證質量，膠粉結團、結塊嚴重的不得使用，添加膠粉時不要撒落在外面，并注意觀察，防止有其他雜物進入，如碎石、鐵屑等。

啟動反應設備，溶脹剪切，在溶脹罐內將基質瀝青與膠粉進行充分、均勻的高速攪拌，使膠粉在基質瀝青中溶脹，攪拌溶脹時間60 min，溶脹溫度190℃。

最后將橡膠瀝青置入反應罐內進行進一步的反應發育，反應溫度190℃，反應時間30 min。橡膠瀝青制備工藝流程如圖3所示。

圖3 橡膠瀝青制備工藝流程

4.2 橡膠瀝青質量檢測

本研究不僅對最佳參數生產的橡膠瀝青進行了粘度、車轍因子和失效溫度3個指標進行評價，還對甜永高速公路路面工程標準化實施細則中規定的技術指標進行了檢測，結果如表5所示。

表5 橡膠瀝青技術指標

由表5可知，本研究給出的最佳參數制備的橡膠瀝青，所測技術指標均滿足規范要求，且與正交試驗結果相近，驗證了本研究的真實性與可重復性。

4.3 經濟效益分析

通過對優化前后橡膠瀝青制備成本的對比發現，過高或者過低的轉速和時間，均會導致生產成本和瀝青性能的變化。但是當采用膠粉摻量20%，攪拌速率2 000 r/min，攪拌溫度190℃，攪拌時間60 min的條件時，能夠保證性能最優的同時，生產時成本達到最經濟，減少了不必要的能源浪費。

5 結論與建議

5.1 結論

（1）基于對甜永高速橡膠瀝青原材試驗結果，得到最佳生產工藝參數為膠粉摻量20%，攪拌速率2 000 r/min，攪拌溫度190℃，攪拌時間60 min。

（2）相比攪拌速率、攪拌溫度和時間，膠粉摻量對橡膠瀝青的3個指標的權重最大。

（3）對于多指標多因素的正交試驗，采用層次分析法能夠簡單高效地計算得到影響權重，便于施工人員的使用，同時也為類似的工程問題提供了一個高效的解決思路。

5.2 建議

（1）通過得到的權矩陣不難發現，攪拌時間各水平對各指標的影響權重差異過小，需要增加試驗量，減少人為因素和誤差，并做進一步深入研究。

（2）在正交試驗中未考慮因素間的交互作用，在之后的研究中需著重研究4種因素對各指標的交互作用，在現有工藝參數上再次優化。