陽離子乳化瀝青混凝土配合比設(shè)計的優(yōu)選方法研究

何建新,郭鵬飛,劉錄錄,楊力行

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,新疆烏魯木齊830052)

隨著熱拌瀝青混凝土快速發(fā)展給人們帶來了很大方便的同時,在其應(yīng)用過程中不斷有很多問題凸顯,如對環(huán)境的污染、能源的消耗等諸多問題。因此,尋找一種新的材料代替熱拌瀝青混凝土成為了人們思考和要解決的問題。陽離子乳化瀝青的出現(xiàn)恰恰解決了這一問題,采用陽離子乳化瀝青代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱拌瀝青的意義,主要有以下四點。第一,節(jié)約能源;第二,節(jié)省資源;第三,延長施工季節(jié);第四,減少環(huán)境污染和CO和CO2的排放,改善施工環(huán)境[1]?？梢钥闯鲫栯x子乳化瀝青混凝土應(yīng)用有著巨大優(yōu)勢,而研究陽離子乳化瀝青混凝土各因素對混合料性能的影響規(guī)律顯得格外重要。本文在通過二次回歸正交試驗解決雙變量因素配合比設(shè)計的基礎(chǔ)上[2-3],采用王元、方開泰提出的均勻正交試驗設(shè)計方法[4],測定不同配合比的流值、穩(wěn)定度和孔隙率。同時運用投影尋蹤回歸分析法和投影尋蹤仿真單因素法[5-6]對不通因素下的流值,穩(wěn)定度進行分析,研究水泥摻量、乳液用量、拌合用水量的權(quán)重關(guān)系及其對瀝青混凝土流值、穩(wěn)定度的影響規(guī)律。

1 原材料及設(shè)計方案

陽離子乳化瀝青混凝土原材料的組成包括粗骨料(人工碎石),細骨料(人工砂),填料(水泥和礦粉),各材料技術(shù)性能指標見表1～表5。水工瀝青混凝土配合比一般采用配合比參數(shù)數(shù)值來表示,包括骨料最大粒徑Dmax、礦料級配指數(shù)n、填料用量F(%)和瀝青用量B(%)(或油石比)?？紤]到《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》[7](DL/T5411—2009)中推薦碾壓式瀝青混凝土心墻骨料的最大粒徑不宜大于19 mm,(SL501—2010)[8]中也規(guī)定碾壓式瀝青混凝土心墻骨料的最大粒徑不大于19 mm。結(jié)合本材料的具體情況考慮,確定粗骨料最大粒徑為19 mm。本試驗在熱拌瀝青混凝土的基礎(chǔ)上確定了最佳填料用量為10%(即確定礦粉用量與水泥摻量之和為10%),然后運用均勻正交設(shè)計法按水泥摻量、乳液用量、拌合用水量三因素配置成三水平的9組試件,均勻正交試驗設(shè)計方案見表6。

表1 粗骨料的技術(shù)性能

表2 細骨料的技術(shù)性能

表3 水泥填料的技術(shù)性能

表4 礦粉填料的技術(shù)性能

表5 陽離子乳化瀝青瀝青樣品的技術(shù)性能

2 試驗方法

參照《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》(DL/T5362—2006)規(guī)定,測定陽離子乳化瀝青混凝土穩(wěn)定度及流值,應(yīng)將馬歇爾成型試件置于60℃±1℃恒溫水槽中恒溫30 min～40 min[9]。但在大量試驗的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)60℃的恒溫水槽中恒溫40 min后,試件變形較大,試驗數(shù)據(jù)不穩(wěn)定,離差較大,影響了實驗結(jié)果的可靠性。因此將試件的試驗浸泡溫度確定為40℃,即將試件置于40℃±1℃的恒溫水槽中恒溫40 min,采用馬歇爾試驗儀測定每組試件的壓力值和變形值。最大荷載即為試樣的馬歇爾穩(wěn)定度(kN),精度為0.01 kN;變形值即為流值,精度為0.1 mm。

表6 正交試驗設(shè)計方案

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)果

按上述正交試驗方案將配制的9組陽離子乳化瀝青混凝土試件進行馬歇爾試驗,以孔隙率、穩(wěn)定度、流值為考核指標,實驗結(jié)果見表7。

表7 正交試驗結(jié)果匯總表

3.2 投影尋蹤回歸分析

在投影尋蹤分析法(PP)的基礎(chǔ)上,數(shù)據(jù)分析采用投影尋蹤回歸分析法(PPR)。PP是以數(shù)據(jù)的線性為基礎(chǔ),其主要目的是尋找線性投影中的非線性結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是不論要處理的數(shù)據(jù)是正態(tài)分布還是偏態(tài)分布,也不論其系統(tǒng)屬于白色,灰色,黑色還是模糊系統(tǒng)都可以有效的處理高維數(shù)據(jù)。然而PPR則是在其基礎(chǔ)上進行回歸的一種數(shù)據(jù)分析法,其優(yōu)點是無需假定其數(shù)據(jù)分布類型,不需人為確定回歸模型的不合理限制。因此PPR能夠有效的解決現(xiàn)行回歸分析法的自身局限性,從而有效的提夠了回歸方程的精度[10]。

設(shè)y是因變量,x是p維自變量,PPR模型為:

式中:MU為數(shù)值函數(shù)最優(yōu)個數(shù);β為數(shù)值函數(shù)的貢獻權(quán)重系數(shù);f i為數(shù)值函數(shù)即數(shù)表;αtix為i方向的投影值 ,其中 αti=(αi1,αi2,…,αip),‖ αi‖ =1,i=1,2,…,MU 。

對表7中的9組數(shù)據(jù)進行PPR分析,反映投影靈敏度指標的光滑系數(shù)取0.10,投影方向初始值M=5,最終投影方向取MU=4。模型參數(shù)為:N,P,Q,M,MU=9,3,1,5,3。

對于瀝青混凝土穩(wěn)定度,β=(1.0166,0.1939,0.2426),

對于瀝青混凝土流值,β=(0.8973,0.3987,0.1529),

陽離子乳化瀝青混凝土穩(wěn)定度和流值的實測值與擬合值的相對誤差見表8、表9。由表8、表9可以看出所有的指標計算值與試驗值吻合較好,說明PPR模型能夠較好的反映水泥摻量、乳液用量、拌合用水量與穩(wěn)定度和流值的關(guān)系。對于穩(wěn)定度,自變量的相對權(quán)值關(guān)系為:水泥摻量1.00000、乳液用量0.89817、拌合用水量0.42573,可以看出水泥摻量對穩(wěn)定度影響最大,其次是乳液用量的影響。對于流值,自變量的相對權(quán)值關(guān)系為:水泥摻量1.00000、乳液用量0.50714、拌合用水量0.26512,可以看出水泥摻量影響最大,其次是乳液用量的影響。

表8 穩(wěn)定度PPR模型計算結(jié)果分析表

表9 流值PPR模型計算結(jié)果分析表

綜合考慮水泥摻量、乳液用量、拌合用水量與陽離子乳化瀝青混凝土穩(wěn)定度和流值的關(guān)系,采用投影尋蹤回歸分析法(PPR)對試驗結(jié)果進行仿真分析,并應(yīng)用surfer8.0軟件繪制出流值等值線圖和穩(wěn)定度等值線圖。通過分析圖1流值等值線圖可以看出乳液用量最優(yōu)區(qū)域為10%～14%,圖2穩(wěn)定度等值線圖可以看出穩(wěn)定度隨乳液用量的增加而減小。同時參照相關(guān)工程實踐要求穩(wěn)定度＞7 kN、流值＞3 mm,因此本次研究推薦使用基礎(chǔ)配合比參數(shù)為水泥摻量為5%,乳液用量為10.2和拌合用水量為1.4%。

圖1 流值等值線圖

4 結(jié) 語

(1)本文在試驗的基礎(chǔ)上通過投影尋蹤回歸分析法(PPR)研究了水泥摻量、乳液用量、拌合用水量與陽離子乳化瀝青混凝土穩(wěn)定度和流值的關(guān)系。得出水泥摻量對穩(wěn)定度和流值的影響最大,隨著水泥摻量的增加穩(wěn)定度變大,流值變小。

圖2 穩(wěn)定度等值線圖

(2)通過對最優(yōu)區(qū)域的分析得出陽離子乳化瀝青混凝土基礎(chǔ)配合比參數(shù)為水泥摻量為5%,乳液用量為10.2%,拌合用水量為1.4%。

(3)本文僅對陽離子乳化瀝青混凝土配合比的影響因素進行了初探,材料的力學(xué)性能、耐久性等性能還有待于進一步探索與研究。

[1]交通部陽離子乳化瀝青課題協(xié)作.組陽離子乳化瀝青路面[M].北京:人民交通出版社,1997.

[2]田 平,唐亨山,張懷順.瀝青混合料配合比設(shè)計的新探索[J].河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2006,3(4):16-19,26.

[3]管曉芳.正交試驗灰關(guān)聯(lián)度分析法[J].水利與建筑工程學(xué)報,2007,5(2):76-77,88.

[4]方開泰,馬長興.正交與均勻試驗設(shè)計[M].北京:科學(xué)出版社,2001:144-151.

[5]劉大秀.投影尋蹤在試驗設(shè)計中的應(yīng)用[J].數(shù)理統(tǒng)計與管理,1995,14(1):47-51.

[6]任露泉.試驗優(yōu)化設(shè)計與分析[M].北京:高等教育出版社,2003:481-505.

[7]中華人民共和國國家能源局.DL/T5411-2009.土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國電力出版社,2010.

[8]中華人民共和國水利部.SL501-2010.土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,2011.

[9]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T5362—2006.水工瀝青混凝土試驗規(guī)程[S].北京:中國電力出版社,2007.

[10]郭鵬飛,何建新,劉 亮,等.澆筑式瀝青混凝土配合比設(shè)計優(yōu)選方法研究[J].水利與建筑工程學(xué)報,2012,10(4):42-46.