基于正交試驗的膠粉改性瀝青配方優化

宋寬彬，王笑風，褚付克，殷衛永

（1.河南交通投資集團有限公司，河南 鄭州 450016；2.交通運輸行業公路建設與養護技術、材料及裝備研發中心，河南鄭州 450000；3.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；4.河南省固廢材料道路工程循環利用重點實驗室，河南 鄭州 450000）

膠粉改性瀝青常用于道路工程建設，可消耗大量廢舊輪胎膠粉，是廢舊輪胎資源化、無害化處理的重要途徑[1]。膠粉改性瀝青混合料還具有較好的綜合路用性能[2-3]。膠粉改性瀝青制備過程中，原材料配方是影響性能的重要因素。不少學者針對膠粉改性瀝青制備中原材料配方優化開展了相關研究。王笑風等人[4]研究了不同類型橡膠粉與SBS復合改性瀝青的三大指標及測力延度，發現硫化膠粉復合改性瀝青的儲存穩定性及抗變形能力優于脫硫膠粉復合改性瀝青的。馬萬等人[5]通過DSR 溫度掃描，研究了不同膠粉摻量橡膠瀝青的復數模量和相位角，結果表明：在較高溫度的摻量測試范圍內，膠粉摻量越高，膠粉改性瀝青復數剪切模量越大，膠粉的增黏作用越強。王輝等人[6]研究了不同膠粉摻量和細度的膠粉改性瀝青常規指標、抗離析性能和車轍因子，發現膠粉摻量宜小于22%，膠粉細度宜小于80 目。這些關于膠粉改性瀝青配方優化的研究，主要分析了單因素變量對性能的影響，未能綜合分析不同影響因素之間的交互作用。

正交試驗通過均衡布設影響因素及水平，分析不同影響因素之間的交互作用，快速確定最佳方案，是工程中常用的試驗分析方法[7]。目前相關學者通過正交試驗確定膠粉改性瀝青最佳配方及工藝[8]，但這些正交試驗研究大多采用極差分析[9-10]，未能區分試驗過程中因素水平的改變及試驗誤差所引起的數據波動，且無法定量分析因素影響的重要程度。而正交試驗的方差分析，可有效彌補極差分析的不足[11]。因此，本研究針對膠粉改性瀝青配方優化環節，基于三因素三水平正交試驗，以膠粉改性瀝青軟化點、延度和黏度作為性能評價指標，通過極差分析和方差分析，綜合分析每個因素對不同性能指標的影響程度，考慮膠粉改性瀝青總體性能并確定最佳配方，以期為膠粉改性瀝青制備及配方優化提供參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青

采用中海油AH-70 作為基質瀝青制備膠粉改性瀝青。AH-70瀝青各項指標見表1。

表1 AH-70基質瀝青檢測結果Table 1 Test results of the AH-70 base asphalt

1.1.2 橡膠粉

采用3 種不同來源和細度的膠粉作為原材料。膠粉來源分別為大貨車膠粉、客車膠粉、小汽車膠粉。膠粉細度分別為20、40、60 目。膠粉技術指標見表2。不同來源的膠粉性能指標均滿足《路用廢胎硫化橡膠粉》（JT/T 797-2011）要求。

表2 膠粉性能指標Table 2 Performance index of rubber powder

1.1.3 膠粉改性瀝青

自制膠粉改性瀝青，膠粉摻量以基質瀝青為基準，外摻20%，同時，摻加0.7% 表面活性劑和0.2%交聯劑。膠粉改性瀝青制備工藝為：在180±5 ℃條件下，先以2 000 r/min 轉速攪拌45 min，再以3 500 r/min剪切攪拌45 min。膠粉改性瀝青制備完成后，立即進行后續相關性能檢測試驗。

1.2 試驗方法

以膠粉來源（A）、細度（B）和摻量（C）作為影響因素，每個因素選擇3 個水平進行正交試驗。試驗因素及水平見表3。設置空白對照列，對試驗結果進行方差分析。正交試驗不同試驗組試驗因素及水平見表4。每組正交試驗中，除膠粉改性瀝青制備溫度和剪切攪拌時間等因素外，其他影響因素均保持一致。

表3 正交試驗因素及水平Table 3 Factors and levels of the orthogonal test

表4 正交試驗不同試驗組因素及水平Table 4 Factors and levels of different experimental groups in the orthogonal test

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

膠粉改性瀝青使用過程中，需重點關注高、低溫性能和黏度。為確保高溫性能，膠粉改性瀝青應具有相對較高的黏度，但黏度又不能過高，防止輸送過程中堵塞管道，影響施工性能。高溫性能評價指標選擇軟化點，低溫性能評價指標選擇5℃延度。因此，本試驗采用軟化點、5℃延度和177℃黏度評價膠粉改性瀝青性能優劣。不同影響因素及水平組合下，膠粉改性瀝青性能試驗結果見表5。

表5 不同因素和水平組合下膠粉改性瀝青性能正交試驗結果Table 5 Orthogonal test results of crumb rubber modified asphalt with different factors and levels

2.2 結果分析

采用極差分析法和方差分析法，確定不同評價指標下的最佳組合，分析不同因素對膠粉改性瀝青性能的影響。采用極差分析法分析每個因素在不同水平下的試驗指標和均值，以及每個因素在不同水平下的試驗指標極大值和極小值的極差，初步確定每個因素的最優水平和不同水平對試驗結果的影響程度。極差越大，該因素不同水平對試驗結果的影響程度越大。方差分析根據統計學原理，進一步分析不同因素對試驗結果是否顯著性影響。方差越大，該因素不同水平對試驗結果的影響程度越大。

2.2.1 軟化點結果分析

軟化點試驗結果極差和方差分析結果見表6。由表6中極差分析結果可知，膠粉種類因素在第一水平（載重貨車）對應的軟化點均值為68.6℃，為3 個水平中最高值。膠粉細度因素在3 個水平中，軟化點最高值為第二水平（40 目）對應的均值為68.5℃。膠粉摻量因素在3 個水平中軟化點最高值為第三水平（25%）對應的軟化點均值70.5℃。按照不同因素在不同水平下軟化點極差從大到小，不同因素的排序為膠粉摻量（均值極差8.7℃）＞膠粉種類（均值極差4.8℃）＞膠粉細度（均值極差3.7℃），表明：3 個因素對膠粉改性瀝青軟化點影響程度大小為膠粉摻量＞膠粉種類＞膠粉細度。

由表6 中方差分析結果還可知，3 個因素的F統計量值從大到小排序為：膠粉摻量（1 072.8%）＞膠粉種類（319.9）＞膠粉細度（237.6 目），表明：3 個因素對膠粉改性瀝青軟化點影響程度大小為膠粉摻量＞膠粉種類＞膠粉細度。3 個因素的F統計量值均大于F統計臨界值，表明：3 個因素對膠粉改性瀝青軟化點均有顯著性影響。

表6 軟化點正交試驗結果極差和方差分析Table 6 Range and variance analysis of softening point of orthogonal test results

根據軟化點極差和方差分析可知，三因素對軟化點均有顯著性影響，影響程度排序為：因素C（膠粉摻量）＞因素A（膠粉種類）＞因素B（膠粉細度）。不同因素和水平下的軟化點最優組合方案為A1B2C3。

2.2.2 延度結果分析

延度試驗結果極差和方差分析結果見表7。由表7中極差分析結果可知，膠粉種類因素在第一水平（載重貨車）對應的延度均值為10.1 cm，為3個水平中最高值。膠粉細度因素在3個水平中延度最高值為第三水平（60 目）對應的延度均值為10.4 cm。膠粉摻量因素在3 個水平中延度最高值為第二水平（20%）對應的延度均值為10.2 cm。按照不同因素在不同水平下延度極差從大到小，不同因素的排序為：膠粉細度（2.2 cm）＞膠粉摻量（1.7 cm）＞膠粉種類（1.3 cm），表明：3 個因素對膠粉改性瀝青延度影響程度大小為膠粉細度＞膠粉摻量＞膠粉種類。

表7 延度正交試驗結果極差和方差分析Table 7 Range and variance analysis of ductilit of orthogonal test results

由表7 中方差分析結果還可知，3 個因素的F統計量值從大到小排序為：膠粉細度（102.4 目）＞膠粉摻量（63.7%）＞膠粉種類（47.00），表明：3 個因素對膠粉改性瀝青延度影響程度大小為膠粉細度＞膠粉摻量＞膠粉種類。3 個因素的F統計量均大于F統計臨界值，表明：3 個因素對膠粉改性瀝青延度均有顯著性影響。

根據延度極差和方差分析可知，3 個因素對延度均有顯著性影響，影響程度排序為：因素B（膠粉細度）＞因素C（膠粉摻量）＞因素A（膠粉種類）。不同因素和水平下的延度最優組合方案為A1B3C2。

2.2.3 黏度結果分析

黏度試驗結果極差和方差分析結果見表8。由表8中極差分析結果可知，膠粉種類因素在第一水平（載重貨車）對應的黏度均值為2.9 Pa·s，是3個水平中最高值。膠粉細度因素在3個水平中，為黏度最高值為第二水平（40 目），對應的黏度均值3.0 Pa·s。膠粉摻量因素在3 個水平中，黏度最高值為第三水平（25%），對應的黏度均值3.8 Pa·s，但是該黏度值過高，對施工不利。在目前普通施工設備下，改性瀝青過于黏稠，容易堵管或導致流動速度和泵送速度降低，嚴重降低生產產量和進度。因此，膠粉摻量因素在3個水平中，黏度最優值選為第二水平（20%）。按照不同因素在不同水平下的黏度極差排序為膠粉摻量（2.4 Pa·s）＞膠粉細度（0.8 Pa·s）＝膠粉種類（0.8 Pa·s），表明：3 個因素對膠粉改性瀝青黏度影響程度大小為膠粉摻量＞膠粉細度＝膠粉種類。

表8 黏度正交試驗結果極差和方差分析Table 8 Range and variance analysis of viscosity of orthogonal test results

由表8 中方差分析結果還可知，3 個因素的F統計量值排序為膠粉摻量（319.5）＞膠粉細度（39.3）＞膠粉種類（33.3），表明：3 個因素對膠粉改性瀝青黏度影響程度大小為膠粉摻量＞膠粉細度＞膠粉種類。3 個因素的F統計量均大于F統計臨界值，表明：3 個因素對膠粉改性瀝青黏度均有顯著性影響。

根據黏度極差和方差分析可知，三因素對黏度均有顯著性影響，影響程度排序為因素C（膠粉摻量）＞因素B（膠粉細度）＞因素A（膠粉種類）。不同因素和水平下的黏度最優組合方案為A1B2C2。

2.2.4 綜合分析

根據膠粉改性瀝青的軟化點、延度和黏度的分析，將各因素對不同性能影響程度及不同性能的最佳組合方案進行對比，見表9。

表9 各因素對不同性能影響程度及最佳組合方案Table 9 Ⅰnfluence degree of various factors on different performance and the best combination scheme

根據性能指標重要程度和不同因素對性能的影響程度，結合不同性能指標下的最優組合，依次確定不同因素的最優水平。膠粉改性瀝青使用過程中，主要利用高黏及良好的高溫性能，提高路面性能。高黏和高溫性能具有一定內在關系，高黏促使高溫性能提升。因素C（膠粉摻量）對軟化點和黏度影響程度最顯著，軟化點在該因素下的最佳水平為水平三，但黏度在該因素下的最佳水平為水平二，若選取水平三會導致黏度過高，嚴重影響施工性能。因此，因素C的最佳水平確定為水平二，即定為C2，該水平也是延度指標在該因素下的最佳水平。

在黏度指標中，因素A和B的影響程度基本一致。軟化點指標中，因素A 的影響程度大于因素B的，選擇因素A 為第二影響因素，不同性能指標下，因素A的最優水平均為水平一。因此，因素A的最佳水平確定為水平一，即定為A1。針對第三影響因素B，軟化點和黏度指標中，該因素的最佳水平均為水平二；延度指標中，因素B的水平三為最佳水平。綜合考慮因素B 不同水平對性能的影響，確定其最佳水平為水平二，即定為B2。因此，確定不同因素的最佳組合方案為A1B2C2。該組合下，膠粉改性瀝青綜合性能良好。

3 結論

通過對不同因素和水平下的正交試驗結果分析，得出結論為：

1）三因素對軟化點均有顯著性影響，影響程度排序為因素C（膠粉摻量）＞因素A（膠粉種類）＞因素B（膠粉細度）。針對軟化點的最優組合方案為A1B2C3。

2）三因素對延度均有顯著性影響，影響程度排序為因素B（膠粉細度）＞因素C（膠粉摻量）＞因素A（膠粉種類）。針對延度的最優組合方案為A1B3C2。

3）三因素對黏度均有顯著性影響，影響程度排序為因素C（膠粉摻量）＞因素B（膠粉細度）＞因素A（膠粉種類）。針對黏度的最優組合方案為A1B2C2。

4）根據各因素對性能影響，確定最佳不同因素的最佳組合方案為A1B2C2。該組合下，膠粉改性瀝青軟化點為71℃，延度為11.1 cm，黏度為3.0 Pa·s，膠粉改性瀝青綜合性能良好。